城陵矶建闸对洞庭湖主要航道影响分析

刘虎英

(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙　410008； 2.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室， 湖南 长沙　410114；3.长沙理工大学 水科学与环境工程国际研究中心，湖南 长沙　410114)

洞庭湖是中国第二大淡水湖，是长江流域最重要的调蓄湖泊。由于洞庭湖位于长江上游山地与中下游平原的衔接地带，特别是三峡工程投入运行以来，洞庭湖区内由长江流入的水量日益减少，经常性出现湖区及四水各水文控制站枯水期提前、水位下降及蓄水量锐减的现象[1]。为了消减三峡水库调度运行对环洞庭湖区水域产生消极影响，改善环洞庭湖区枯水期的水环境，确保湘江等湖区主要航道的高效畅通，许多学者[2-3]提出了城陵矶建闸(即在洞庭湖出口城陵矶河段建设洞庭湖岳阳综合枢纽工程)的洞庭湖治理方案。周北达[4-5]等人从防洪、水环境、水资源、生态及渔业等方面分析了修建洞庭湖岳阳综合枢纽工程的影响。2011年中国颁布了《关于加快长江等内河水运发展的意见》，标志着内河航运尤其是长江黄金水道的开发建设已经上升到国家战略。洞庭湖连接长江与湖南四水干流，是湖南水运通江达海及连接全省各地的纽带。其地理位置重要，对于湖南航运事业及湖南经济发展影响重大。因此，作者拟采用数学模型，分析城陵矶建闸对洞庭湖主要航道的影响，以期为其航运的规划及洞庭湖岳阳综合枢纽工程建设规划等提供参考。

1　数学模型的建立与验证

洞庭湖区水系众多，河网复杂，直接汇入洞庭湖且河长5 km以上的河流共有403条。相比于一、二维耦合模型而言，整体二维水动力模型采用的非结构三角网格能够更好地适应洞庭湖区复杂的边界形状，同时，可以灵活地划分网格，以便对重点研究区域进行局部加密。

参考河道二维水流数值模拟[6]，基于笛卡尔坐标系，采用非结构化网格，建立洞庭湖二维水动力数学模型。

水流连续方程：

(1)

x方向运动方程：

(2)

y方向运动方程：

(3)

采用有限体积法，以控制方程离散。采用非结构三角网格模型，对洞庭湖内的主要航道进行加密处理。为了保证模型计算的精度，根据湖泊和河道不同的地形特征，选择网格尺寸进行网格划分。如：河道尺度较小，则其网格划分尺寸为30～50 m。而对于湖区内，则根据地形坡降，选择网格尺寸(如图1所示)。地形坡降大时，则网格划分尺寸较小(最小为30 m)。地形较平坦则网格划分尺寸较大(最大为500 m)。整个模型的三角形网格节点数为204 716个，三角单元网格数为462 082个。

图1　洞庭湖计算网格和水位站点分布Fig. 1　Computational grid in Dongting Lake and the distribution of gauging stations

洞庭湖的水量来自四水(湘、资、沅、澧)和三口(松滋口(沙道观和新江口)、太平口及藕池口)，并在岳阳城陵矶注入长江。因此，模型共设置了8个进口，出口位于城陵矶。模型中地形采用2003年以后的测量数据，选择2004年洞庭湖的丰水期(7月18日～7月28日)、平水期(3月19日～4月21日)和枯水期(12月4日～12月31日)作为率定的依据。此外，还选择了1996年洞庭湖的丰水期(7月14日～8月7日)、平水期(3月19日～4月21日)和枯水期(12月4日～12月31日)进行进一步的验证。

在对河道和湖泊特性分析后，分别对岳阳、鹿角、营田、湘阴、南咀及小河咀6个水位验证点进行了率定。洞庭湖整体二维数学模型率定结果见表1。由表1可知，洞庭湖各区域内糙率随着洪水期到枯水期转变而不断减小，表明枯水期水流回归阻力小于其他湖区阻力，而河槽阻力小于湖区其他地方阻力。

洞庭湖丰、中、枯水期数学模型水位的计算值与实测值对比分别如图2～4所示。从图2～4中可以看出，该模型水位的计算值与实测值吻合良好，表明构建的二维模型对三口、四水及洞庭湖区研究范围内水动力情况的模拟具有较高的精度。

表1　数学模型糙率率定Table 1　Calibration of the roughness coefficientin mathematical model

图2　洪水期水位的计算值与实测值对比Fig. 2　The comparison of calculated results with measured data in flood period

2　研究工况的确定

洞庭湖岳阳综合枢纽工程选址为东洞庭湖君山至城陵矶出口河段。根据《洞庭湖岳阳综合枢纽工程预可行性研究报告》，洞庭湖岳阳综合枢纽拟定的汛末最高控制水位25.0～27.0 m，初步推荐27.0 m；最低控制水位22.0～23.0 m，初步推荐22.0 m。推荐水库调度方案：9月10日枯期调控水位为27.0 m，10月31日枯期调控水位为24.0 m，

图3　平水期水位的计算值与实测值对比Fig. 3　The comparison of calculated results with measured data in median water period

图4　枯水期水位的计算值与实测值对比Fig. 4　The comparison of calculated results with measured data in dry period

11月30日枯期调控水位为23.5 m，2月28日枯期调控水位为23.0 m，3月31日和4月1日枯期调控水位为22.0 m。汛末按最高调控水位 27.0 m、 枯期按最低控制水位22.0 m，枯期调控水位段为22.0～27.0 m。

以天然保证率98%水位(出口水位18.15 m)为基础，计算分析洞庭湖岳阳综合枢纽4种蓄水位时的湖区航道条件变化情况，计算工况：A1的模型出口水位为18.15 m，A2的模型出口水位为22.0 m，A3的模型出口水位为24.0 m，A4的模型出口水位为25.0 m, A5的模型出口水位为27.0 m。由于枯水期洞庭湖区内主要航道(开湖航道和湘江尾闾航道)水位下降明显，使该航道的通航条件严重恶化，因此，只对开湖航道和湘江尾闾航道水位变化进行了分析。

3　对开湖航道影响分析

各计算工况下，开湖航道沿程水位和航道底高程的计算结果如图5所示。从图5中可以看出，湖区在枯水天然条件下(城陵矶水位18.15 m)，草尾至漉湖段航道水位虽呈小幅下降趋势，水面坡降沿程变化较小，而漉湖至鲶鱼口河段沿程水位下降较为明显，水面坡降较大，不利于船舶航行。当坝前蓄水水位达到22 m时，草尾至漉湖段的水面线变化不大，而漉湖至鲶鱼口段水位则出现大幅抬升，从而大大降低了该航段的水面坡降。而当坝前蓄水水位达到24 m和25 m时，草尾至新河河口附近水位出现小幅抬升，而新河口至鲇鱼口河段水位出现较大的雍高，从而使得整个河段水面坡降大幅减小。而当坝前蓄水水位达27 m时，整个河段水位维持在27.0 m左右。

图5　开湖航道水面线的计算结果Fig. 5　The result of the water surface in Kaihu channel

湖区在枯水天然条件下(城陵矶水位18.15 m)，草尾至漉湖河段水位为25.87～23.30 m，平均水面坡降为0.054‰；漉湖至鲇鱼口段水位为23.30～18.94 m，平均水面坡降为0.37 ‰。当枢纽坝前蓄水水位达到22 m时，草尾至漉湖河段水位为25.97～23.33 m，平均水面坡降为0.052‰；漉湖至鲇鱼口段水位为23.33～22.05 m，平均水面坡降为0.104 ‰。坝前蓄水水位为24 m和25 m时，整个河段水面变化平缓，平均水面坡降分别为0.034‰和0.019‰。而当坝前蓄水位为27.0 m时，整个河段水位没有变化，维持在约27.0 m。表明：在枯水天然条件下，漉湖至鲇鱼口13.5 km航段水面坡降较大，从而使得该段航道将有可能形成“坡陡流急”的碍航浅滩。但随着枢纽坝前蓄水水位的增加，草尾至鲇鱼口整个航线的水面坡降明显有所下降，且随着坝前水位的增加，水面沿程坡降的变化越来越不明显，这将有利于该航道内船舶的航行。

4　对湘江尾闾航道影响分析

各计算工况下，湘江尾闾航道沿程水位和航道底高程的计算结果如图6所示。从图6中可以看出，湖区枯水天然条件下(城陵矶水位18.15 m)，岳阳滩至铜官滩河段沿程水位呈明显的上升趋势；而当坝前蓄水水位分别为22,24,25和27 m时，岳阳滩至铜官滩河段水位沿程没有变化，维持在坝前水位，表明在枯水期洞庭湖出口水位对湘江尾闾航道水位起主导作用。

图6　湘江尾闾航道水面线的计算结果Fig. 6　The result of the water surface in Xiangjiang River sink channel

湖区在枯水天然条件下(城陵矶水位18.15 m)，城陵矶水文站至蔡家洲水位为18.15～21.65 m，平均水面坡降为0.023‰。而当城陵矶建闸蓄水时，整个湘江尾闾航道水面坡降约为0 m。表明：随着枢纽坝前蓄水水位的增加，能明显抬升湘江尾闾航道水位，降低航道的水面坡降，大幅改善通航条件。

岳阳综合枢纽建成前、后湖区枯水期(以2004年10月16～10月26日为例)平均流速分布如图7所示。从图7中可以看出，自然条件下，除主洪道内流速较大(>0.20 m/s)，整个湖区流速小于0.10 m/s，特别是东洞庭湖区水流流速小于 0.06 m/s。 枢纽运行后，西洞庭和南洞庭湖内流速并未发生太大的改变，而东洞庭湖和洞庭湖出口段流速出现明显的降低。枢纽蓄水运行后，东洞庭湖内主要水域流速下降约0.04 m/s，相比自然条件下的流速降低了2/3。这将加速该区域内泥沙的淤积，导致湖泊萎缩，并可能妨碍湖口处船舶航行。同时东洞庭湖区水华爆发频繁，岳阳综合枢纽运行后还将妨碍该区域内的水体交换，对水环境不利。

图7　枢纽建设前、后洞庭湖区平均流速分布Fig. 7　Flow velocity of Dongting Lake before and after Chenglingji project

5　结论

基于数学模型，开展城陵矶建闸对洞庭湖主要航道影响分析。研究结果表明：洞庭湖岳阳综合枢纽枯期按最低控制水位22.0 m时，开湖航道上游草尾至漉湖航道水位并未得到明显抬升，通航条件并未得到明显改善，需要继续提高蓄水位，才能有效改善开湖航道的通航条件。枢纽蓄水后能大幅改善湘江尾闾航道的通航条件，但同时使东洞庭湖区流速减小了，对水环境不利。兼顾洞庭湖防汛、抗旱、通航、水环境、水资源及湿地保护的综合治理方案，还有待进一步研究。

参考文献(References)：

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