向 鋒， 施 勇， 金 秋, 3， 欒震宇， 張慶梓

(1. 長江勘測規(guī)劃設計研究院， 湖北 武漢 430010； 2. 南京水利科學研究院， 江蘇 南京 210029； 3. 河海大學 水利水電學院， 江蘇 南京 210098； 4. 河海大學 水文水資源學院， 江蘇 南京 210098)

洞庭湖出口城陵磯站多年平均(三峽工程運行前)徑流量為2 573億m3，約占螺山站多年平均徑流量(6 451億m3)的39.88%[1]。從時間分布來看，2—6月由于洞庭湖區(qū)來水相對較大，城陵磯站的徑流量占同期螺山站徑流量的43.79%～54.09%，是螺山站徑流量的主要來源之一，其中徑流量最大出現(xiàn)在4月，占長江干流徑流量的54.09%；9—12月洞庭湖區(qū)汛期結(jié)束，洞庭湖區(qū)匯入長江的水量也相應減少，徑流同期比例小于35%，其中10月份的徑流量最小，只占長江干流的31.37%[2]。

近年來，河道、湖泊的綜合治理已經(jīng)日漸凸顯其重要性。目前國內(nèi)外典型河湖建閘目標各有不同，通常包括航運、防洪、發(fā)電、灌溉，生態(tài)保護等各種功能[3]。三峽水庫汛后蓄水，長江干流水位下降，洞庭湖出湖水量增加，影響洞庭湖汛后蓄水量，從而使得洞庭湖水位下降、濕地環(huán)境發(fā)生變化。受流域降雨量偏枯以及三峽水庫蓄水運行等綜合影響，洞庭湖季節(jié)性干旱等問題日益突出。因此湖南和湖北省政府提出了建設城陵磯綜合樞紐工程[4]。

1 城陵磯綜合樞紐初步調(diào)度方案

城陵磯綜合樞紐實施后，在每年9月上中旬長江水位比較高的情況下，通過調(diào)節(jié)閘門開度控制出流，使湖區(qū)水位維持在三峽工程運行前多年平均水位；在三峽水庫開始蓄水后的9，10月份逐步降低湖區(qū)水位，避免三峽水庫枯水期對洞庭湖水量的影響，對枯水期下游補水預留一定水量。根據(jù)洞庭湖樞紐相關規(guī)劃，初步擬定了城陵磯綜合樞紐5個比選調(diào)度方案。從泥沙沖淤和防洪安全的角度，對比分析影響最小的最優(yōu)調(diào)度方案。

方案1：9月11日至10月31日，閘上水位按閘址天然水位節(jié)律消落至26.0 m；在消落過程中若外江水位達到閘上水位，則閘門全開；至11月底，閘上水位消落至24.5 m；12月底，閘上水位消落至23.5 m；1月1日至3月上中旬，根據(jù)最小通航、生態(tài)流量等需求控制樞紐下泄流量，閘上水位在23.0～23.5 m之間波動，在此期間，若外江水位達到23.5 m，則閘門全開；4月上中旬若外江水位達到枯季樞紐控制水位，閘門全部敞開，直至8月31日，江湖連通。

方案2：9月11日至10月31日，閘上水位按閘址天然水位節(jié)律消落至26.0 m；在消落過程中若外江水位達到閘上水位，則閘門全開；至11月底，閘上水位消落至25.0 m；12月底，閘上水位消落至24.5 m；1月1日至3月底，根據(jù)最小通航、生態(tài)流量等需求控制樞紐下泄流量，閘上水位在24.0～24.5 m之間波動，在此期間，若外江水位達到24.5 m，則閘門全開；4月初若外江水位達到枯季樞紐控制水位，閘門全部敞開，直至8月31日，江湖連通。

方案3：9月11日至10月31日，閘上水位按閘址天然水位節(jié)律消落至26.0 m；在消落過程中若外江水位達到閘上水位，則閘門全開；至11月底，閘上水位消落至25.5 m；12月底，閘上水位消落至25.0 m；1月1日至4月上中旬，根據(jù)最小通航、生態(tài)流量等需求控制樞紐下泄流量，閘上水位在25.0～25.5 m之間波動，在此期間，若外江水位達到25.5 m，則閘門全開；4月上中旬若外江水位達到枯季樞紐控制水位，閘門全部敞開，直至8月31日，江湖連通。

方案4：9月1日至9月10日，當閘上水位高于29.5 m時，泄水閘門全開；當閘上水位降到29.5 m時，減少閘門開啟孔數(shù)；9月11日至10月31日，閘上水位按閘址天然水位節(jié)律消落至26.5 m；在消落過程中若外江水位達到閘上水位，則閘門全開；11月1日至12月31日，根據(jù)最小通航、生態(tài)流量等需求控制樞紐下泄流量，閘上水位在26.0～26.5 m之間波動，在此期間，若外江水位達到26.5 m，則閘門全開。1月1日至2月底，根據(jù)最小通航、生態(tài)流量等需求控制樞紐下泄流量，閘上水位在26.0～26.5 m之間波動。3月1日至3月底，閘上水位逐步消落至25.0 m。在此期間，若外江水位達到25.0 m，則閘門全開。4月上中旬若外江水位達到枯季樞紐控制水位，閘門全部敞開，直至8月31日，江湖連通。

方案5：9月1日至9月10日，當閘上水位高于29.5 m時，泄水閘門全開；當閘上水位降到29.5 m時，減少閘門開啟孔數(shù)，9月11日至10月10日，閘上水位按閘址天然水位節(jié)律消落至27.5 m；若外江水位達到27.5 m，則閘門全開。10月10日至12月31日，根據(jù)最小通航、生態(tài)流量等需求控制樞紐下泄流量，閘上水位在27.0～27.5 m之間波動，在此期間，若外江水位達到27.5 m，則閘門全開。1月1日至2月底，根據(jù)最小通航、生態(tài)流量等需求控制樞紐下泄流量，閘上水位在27.0～27.5 m之間波動。3月1日至3月底，閘上水位逐步消落至26.0 m。在此期間，若外江水位達到26.0 m，則閘門全開。4月上中旬若外江水位達到枯季樞紐控制水位，閘門全部敞開，直至8月31日，江湖連通。

2 城陵磯建閘方案計算分析

城陵磯建閘后將可能對長江中游地區(qū)的江湖關系產(chǎn)生影響，江湖關系涉及荊江三口分流、四口河系及四水尾閭河網(wǎng)區(qū)洪水演進、江河湖泊泥沙淤積。城漢河段是沖積性河道，根據(jù)已有文獻資料[5-9]，結(jié)合長江中游江湖水沙運動的特點及規(guī)律，在長江中下游水沙模型基礎上，建立了一個能適應江湖分合、河網(wǎng)交錯、分蓄滯泄、相互制約、堤垸潰決、吐納交替等復雜水流條件和閘門調(diào)度要求的一二維匯合非恒定流水沙模型[10-13]，重點針對城陵磯建閘及其調(diào)度后的影響開展深入研究。

長江中游水沙模型算法的基本方程式為：(1)水流運動方程式；(2)水流連續(xù)方程式；(3)泥沙連續(xù)方程式。其算法為二維有限控制體積高性能水沙算法。

依托長江中下游水沙模型，建立洞庭湖四口河系四水尾閭河網(wǎng)水沙數(shù)值模型。研究三峽水庫蓄水運行后四口河系四水尾閭河網(wǎng)水沙輸移、河道蓄泄關系和河勢演變趨勢。在此基礎上，考慮城陵磯建閘對四口河系四水尾閭河網(wǎng)河道沖淤變化影響，綜合原型觀測、資料分析、數(shù)值模擬等方法，分析計算三峽工程及城陵磯建閘運行后，四口河系四水尾閭河網(wǎng)的泄流能力、泄流量變化，枯季、汛期及其全年的水位、流量等變化。

城陵磯閘設置于網(wǎng)格單元邊上，網(wǎng)格單元邊長按照閘門寬度設置，利用堰流公式計算單元之間的水流通量，銜接閘上閘下網(wǎng)格單元。

對閘壩所在河段網(wǎng)格進行加密處理，閘壩河段的網(wǎng)格邊長按照閘門寬度設置，按照閘壩出流計算式計算閘門水流通量，再將水流通量乘以閘門處的含沙量得到水沙通量，具體閘門過流量計算式如下：

閘壩自由出流：

(1)

式中：μ1為實用堰上閘孔的流量系數(shù)。

(2)

閘壩淹沒出流：

(3)

式中：μ1為實用堰上閘孔自由出流的流量系數(shù)；h1為下游單元水位超過堰頂?shù)母叨?；B為閘門寬度；H為閘上水位；e為開度；hs為閘下水位；H0為閘上水頭。

2.1 實施建閘方案后長江干流河段沖淤變化

在長江干流2006年、四口河系2003年實測河道地形基礎上，采用經(jīng)三峽水庫調(diào)蓄后的90系列水沙過程作為長江中下游水沙模型輸入條件，其他采用各河流尾閭水文站的實測水沙過程作為模型邊界。

三峽水庫運行10，20和30年，按照建閘與不建閘兩類5個方案計算，河道泥沙沖淤變化結(jié)果表明：(見表1)(1)長江干流荊江河段泥沙沖淤變化不大；(2)洞庭湖全湖區(qū)域泥沙淤積量隨著閘上運用水位升高而增加；(3)閘前泥沙淤積量，隨著閘前控制水位的抬高，湖泊流速降低，湖泊泥沙進入閘前的量減少，使得泥沙淤積量有所減少；由于湖泊泥沙淤積量增加使得城陵磯閘下河段泥沙淤積量減少甚至略有沖刷。洞庭湖及七里山區(qū)域沖淤變化計算結(jié)果見表1。

表1 建閘10,20和30年后洞庭湖及七里山區(qū)域沖淤變化比較Tab.1 Comparison of erosion-deposition variation in Dongting Lake and Qilishan area 10,20,30 years after construction of sluice

上述計算成果是根據(jù)規(guī)劃的上游水庫建設進程、理想的上游水庫與三峽水庫聯(lián)合調(diào)度方式、中下游河湖沖淤的長遠期預測成果以及中下游按理想的分洪效果調(diào)度運用等條件而計算得出的。遠期長江中下游的實際超額洪量應視屆時上游水庫建設情況、實際聯(lián)合調(diào)度情況、實測的中下游實際的河湖沖淤情況等進行分析計算。

2.2 建閘方案實施后四口河系、四水尾閭及湖泊水位流量變化

利用所建水沙模型，在城陵磯建閘運行現(xiàn)狀(2006年地形)，10，20和30年地形上，采用經(jīng)過三峽水庫調(diào)度后的1954，1996，1998年典型洪水，進行洪水演進計算。

分洪后現(xiàn)狀地形條件下城陵磯、漢口洪峰水位、流量值及其變化計算結(jié)果見表2?？梢姡橇甏壗ㄩl運行后，由于閘墩的阻水效應，閘上洪峰水位略有升高(升高0.03～0.05 m)，洪峰流量減少142～330 m3/s；由于漢口站為分洪控制水位站，控制水位29.50 m，其水位變化不大，流量減少93～141 m3/s。

表2 現(xiàn)狀地形條件下各方案遭遇1954，1996，1998年型洪水各站洪峰水位和流量比較

2.3 水動力學計算超額洪量

淤積會影響閘壩的行洪能力，而沖刷容易引起閘基不穩(wěn)。從表1可以看出，方案3城陵磯閘下淤積最少，且其閘控水位與三峽工程建成前枯水期多年平均實際水位較接近。

超過城陵磯河段安全泄量的水量稱為超額洪量，將潰口分洪流量計算模式嵌入河網(wǎng)方程,采用隱式耦合方式,形成河網(wǎng)洪水演進分洪方程組進行洪水河道演進和潰口分洪計算[14]。

在城陵磯建閘運行現(xiàn)狀(2006年地形)，10，20和30年地形條件下，采用1954年典型洪水經(jīng)三峽水庫調(diào)蓄后的泄流排沙條件，利用所建水沙模型，按照長江中下游洪水調(diào)度規(guī)則，分析計算不建閘和建閘方案3條件下長江中游各主要水文站的水位和各分洪區(qū)段的分洪量變化，由于各個建閘方案汛期調(diào)度規(guī)則一致，選用方案3進行分洪量對比分析。其中，長江中下游按沙市45.0 m，城陵磯34.4 m，漢口29.5 m和湖口22.5 m控制水位，分洪量計算結(jié)果見表3。

從表3可見，在現(xiàn)狀地形條件下，考慮三峽水庫調(diào)蓄，1954年典型洪水城陵磯附近分洪量為301億m3，建閘后由于閘的阻水效應湖泊水位有所增高，導致洞庭湖24垸分洪量略有增加(增加0.10億m3)，但由于干流水位有所降低，使得洪湖分洪區(qū)分洪量減少了1.40億m3，武漢附近區(qū)和鄱陽湖附近區(qū)分洪量分別減少了0.94億和0.75億m3。統(tǒng)計城陵磯附近區(qū)的分洪量減少1.30億m3。在運行10年條件下，建閘后洞庭湖24垸分洪量增加0.21億m3，洪湖分洪區(qū)分洪量減少1.05億m3，使得城陵磯附近區(qū)分洪量減少0.84億m3，武漢附近區(qū)和鄱陽湖附近區(qū)分洪量分別減少0.74億m3和0.42億m3。在運行20年條件下，建閘后洞庭湖24垸分洪量增加0.80億m3，洪湖分洪區(qū)分洪量減少1.41億m3，使得城陵磯附近區(qū)分洪量減少0.88億m3，武漢附近區(qū)分洪量減少0.53億m3，鄱陽湖附近區(qū)分洪量增加0.14億m3。在運行30年條件下，建閘后洞庭湖24垸分洪量增加0.98億m3，洪湖分洪區(qū)分洪量減少0.76億m3，武漢附近區(qū)分洪量減少0.34億m3，鄱陽湖附近區(qū)分洪量增加0.07億m3。同時，由表3可見，隨著三峽水庫運行歷時增加，壩下河道的沖刷發(fā)展，干流水位進一步降低，長江中下游各區(qū)的分洪量都進一步減少。

值得注意的是：隨著三峽水庫和閘門運行時間延長，建閘方案洞庭湖24垸分洪量相比不建閘方案洞庭湖24垸分洪量隨著運行年份有所增加。分析原因為：現(xiàn)狀地形條件下，不建閘情形下城陵磯附近的洞庭湖蓄洪垸已蓄滿，建閘后洞庭湖水位有所升高，城陵磯閘上水位升高0.04 m，隨著三峽水庫和閘門運用時間延長，長江中游超額洪量減少，不建閘情形下洞庭湖區(qū)附近城西垸、義合垸、民主垸等蓄洪垸蓄不滿，使得城陵磯建閘引起的湖泊水位升高增加超額洪量能夠蓄于洞庭湖附近蓄洪垸，相應城陵磯閘上水位升高值有所下降，即升高為0.01～0.02 m。

表3 1954年洪水三峽水庫調(diào)度后中下游超額洪量

3 結(jié) 語

(1)城陵磯建閘后，采用不同枯季控制水位，建閘10年、20年、30年，各建閘方案與不建閘方案相比，長江干流荊江河段泥沙沖淤變化不大；洞庭湖全湖區(qū)域泥沙淤積量隨著各建閘方案閘上運行水位升高而增加；城陵磯閘下河段泥沙淤積量減少，甚至略有沖刷。

(2)城陵磯建閘運行后，由于閘墩的阻水效應，城陵磯閘上洪峰水位略有升高(升高0.03～0.05 m)，洪峰流量減少142～330 m3/s。漢口站水位變化不大，流量減少93～141 m3/s。

(3)優(yōu)選調(diào)度方案3后，采用1954年典型洪水經(jīng)三峽水庫調(diào)蓄后的泄流排沙過程，分析計算建閘方案3條件下對長江中下游各分洪區(qū)段的分洪量的影響，其中，長江中下游按照沙市45.0 m、城陵磯34.4 m、漢口29.5 m和湖口22.5 m控制水位。根據(jù)計算結(jié)果，1954年典型洪水城陵磯附近區(qū)分洪量為301億m3，建閘后由于閘的阻水效應湖泊水位有所增高，導致洞庭湖24垸分洪量略有增加，增加0.10億m3，但由于干流水位有所降低，使得洪湖分洪區(qū)分洪量減少1.40億m3，武漢附近區(qū)和鄱陽湖附近區(qū)分洪量分別減少0.94和0.75億m3。

(4)從泥沙沖淤和防洪安全的角度，對比分析得出方案3為影響最小的最優(yōu)調(diào)度方案。今后應進一步論證該建閘方案對水資源與生態(tài)環(huán)境等方面的影響。

參 考 文 獻：

[1] 水利部長江水利委員會. 長江流域防洪規(guī)劃圖集[R]. 武漢：水利部長江水利委員會, 2008. (Changjiang Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources. The atlas of the flood control planning of the Yangtze River basin[R]. Wuhan: Changjiang Water Resources Commission of the Ministry of Water Resources,2008. (in Chinese))

[2] 盧承志. 洞庭湖水利規(guī)劃文集[M]. 長沙: 湖南科學技術出版社， 2009: 261- 265. (LU Chengzhi. Dongting Lake water conservancy and programming corpus[M]. Changsha: Hunan Science and Technology Press, 2009: 261- 265. (in Chinese))

[3] 吳瑤, 賈磊, 段明. 從國內(nèi)外湖泊建閘現(xiàn)狀淺談鄱陽湖水利樞紐建設[J]. 江西水利科技， 2013, 39(3): 169- 172. (WU Yao, JIA Lei, DUAN Ming. The discussion on the construction Poyang Lake hydraulic project from current situation of lake sluice construction at home and abroad[J]. Jiangxi Hydraulic Science & Technology, 2013，39(3): 169- 172. (in Chinese))

[4] 田澤斌, 王麗婧, 鄭丙輝, 等. 城陵磯綜合樞紐工程建設對洞庭湖水動力影響模擬研究[J]. 環(huán)境科學學報， 2016, 36(5): 1883- 1890. (TIAN Zebin, WANG Lijing, ZHENG Binghui, et al. Impact simulation of the Chenglingji hydraulic project on hydrodynamics of Dongting Lake[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2016， 36(5): 1883- 1890. (in Chinese))

[5] 盧金友, 黃悅, 宮平. 三峽工程運用后長江中下游沖淤變化[J]. 人民長江, 2006, 37(9): 55- 57, 87. (LU Jinyou, HUANG Yue, GONG Ping. Scouring and silting variation in middle and lower channel of the Yangtze River after TGP operation[J]. Yangtze River, 2006, 37(9): 55- 57, 87. (in Chinese))

[6] 徐貴, 黃云仙, 黎昔春, 等. 城陵磯洪水位抬高原因分析[J].水利學報, 2004(8): 33- 37, 45. (XU Gui, HUANG Yunxian, LI Xichun, et al. Analysis of the causes of water level rising at Chenglingji hydrological station of Changjiang River[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2004(8): 33- 37, 45. (in Chinese))

[7] 李義天, 孫昭華, 鄧金運. 論三峽水庫下游的河床沖淤變化[J]. 應用基礎與工程科學學報, 2003, 11(3): 283- 295. (LI Yitian, SUN Zhaohua, DENG Jinyun. A study on riverbed erosion downstream from the Three Gorges Reservior[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2003, 11(3): 283- 295. (in Chinese))

[8] 梅軍亞, 毛北平. 三峽工程蓄水前后城陵磯至武漢河段水沙輸移特性分析[J].應用基礎與工程科學學報, 2007, 15(4): 473- 482. (MEI Junya, MAO Beiping. A study on characteristics of water-sediment transport in Chenglingji-Wuhan reach of the middle Changjiang River before and after the Three Gorges Reservoir impoundment[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2007, 15(4): 473- 482. (in Chinese))

[9] 劉東生, 熊明, 張景泰. 長江城陵磯-漢口河段的沖淤變化及影響分析[J]. 水利水電快報, 1999, 20(18): 24- 27. (LIU Dongsheng, XIONG Ming, ZHANG Jingtai. Analysis of the erosion and deposition and its influence along Chenglingji-Hankou reach of Yangtze River[J]. Water Resources and Hydropower Express, 1999, 20(18): 24- 27. (in Chinese))

[10] 施勇, 胡四一. 無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上平面二維水沙模擬的有限體積法[J]. 水科學進展， 2002, 13(4): 409- 415. (SHI Yong, HU Siyi. A finite volume method for numerical modeling of 2-D flow and sediment movements on unstructured grids[J]. Advances in Water Science, 2002, 13(4): 409- 415. (in Chinese))

[11] 施勇, 胡四一. 感潮河網(wǎng)區(qū)水沙運動的數(shù)值模擬[J]. 水科學進展，2001, 12(4): 431- 438. (SHI Yong, HU Siyi. Numerical modeling of flow and sediment transports in tidal river networks[J]. Advances in Water Science, 2001, 12(4): 431- 438. (in Chinese))

[12] 施勇, 欒震宇, 陳煉鋼, 等. 長江中下游江湖關系演變趨勢數(shù)值模擬[J]. 水科學進展， 2010, 21(6): 832- 839. (SHI Yong, LUAN Zhenyu, CHEN Liangang, et al. Numerical study of the evolution trend in the river-lake relationship in the middle and lower reaches of the Yangtze River[J]. Advances in Water Science, 2010, 21(6): 832- 839. (in Chinese))

[13] 施勇, 欒震宇, 胡四一. 長江中下游水沙數(shù)值模擬研究[J]. 水科學進展， 2005, 16(6): 840- 848. (SHI Yong, LUAN Zhenyu, HU Siyi. Numerical modeling of flow-sediment transport in the middle-lower reach of the Yangtze River[J]. Advances in Water Science, 2005, 16(6): 840- 848. (in Chinese))

[14] 施勇, 欒震宇, 陳煉鋼, 等. 長江中下游江湖蓄泄關系實時評估數(shù)值模擬[J]. 水科學進展， 2010, 21(6): 840- 846. (SHI Yong, LUAN Zhenyu, CHEN Liangang, et al. Numerical study on the real-time evaluation of the storage-discharge relationship in the middle and lower reaches of the Yangtze River[J]. Advances in Water Science, 2010, 21(6): 840- 846. (in Chinese))