变化环境下七里山水域高洪水位研究

2018-05-11周柏林栾震宇刘晓群陈莫非

水利学报 2018年4期

周柏林，栾震宇，刘晓群，陈莫非，金秋

（1.湖南省水利厅，湖南长沙 410007； 2.南京水利科学研究院，江苏南京 210029；3.湖南省洞庭湖水利工程管理局，湖南长沙 410007；4.武汉大学，湖北武汉 430000）

1 研究背景

七里山水域是洞庭湖汇入长江的江湖交汇区，是长江中游洪水汇集调蓄和下泄的关键通道，包括城陵矶出口、下荆江出口及其汇合的城陵矶至螺山河段（图1），其高洪水位反映洞庭湖调蓄长江洪水的特征。长江上游洪水出三峡入荆江，经三口分泄入洞庭湖，与洞庭湖四水洪水交汇后经城陵矶七里山再汇入长江，近130万km2巨大的集水面积内分布了众多的河流湖泊，因降水充沛、洪水来源多且组合复杂，致使该水域附近成为历史上洪灾最严重的区域，自1860年荆江南岸冲决藕池河以来约160年，平均不到十年就有一次较大的洪灾，损失巨大的包括1870年、1931年、1935年、1954年、1980年、1981年、1991年、1996年、1998年、1999年等［1］，其中发生在1949年解放以后的1954年大水成为长江中下游防洪的目标洪水［2］，洪水量级略次之的1998年洪水，因江湖围垦变迁导致城陵矶最高洪水位超过1954年1.85 m［3］，长江两岸数千公里堤防超标准运用，集结百万大军防汛抢险近百日。在三峡工程2003年正式运用后，即使加上进一步开发的向家坝、溪洛渡等长江上游梯级调节，根据最新的长江流域综合规划、长江流域防洪规划和正在修编的洞庭湖区综合规划，该地区仍有大量的超额洪量需要安排。

为此在洞庭湖区布置了24个蓄洪垸，蓄洪容积162亿m3，常住人口超过150万。1998年大水后，澧南、西官、围堤湖3个蓄洪垸（以下简称“三小垸”）约9亿m3蓄洪容积，已完成堤防加固、移民安置、分洪闸建设等安全工程建设及移民，基本达到“空垸待蓄”条件；钱粮湖、共双茶及大通湖东等3个蓄洪垸（以下简称“三大垸”）蓄洪容积52亿m3，属98大水后中央决定先期兴建城陵矶附近蓄洪100亿m3的江南部分，目前正在建设。另外18垸仅完成堤防加固。

图1 七里山水域示意图

2003年以来三峡工程及其上游梯级水库陆续投入运用，三峡及其上游梯级水库拦蓄了90%以上上游来沙量，三峡“清水下泄”，坝下长江干流河床发生长程冲刷，2003—2015年，荆江河段冲刷8.32亿m3，城陵矶至汉口河段冲刷2.01亿m3，螺山枯水水位下降0.69～0.98 m，三口分流比减小至12%，分沙比略有增大；2016、2017年，长江中游发生较大洪水，莲花塘水位超过34.0 m，对应螺山泄流能力无明显变化；2003年以来，荆江三口和湖南四水入湖沙量分别减少86%和48%，洞庭湖湖区泥沙淤积量呈明显减小趋势；近年来，洞庭湖区先后开展了钱粮湖、共双茶、大通湖东（共50亿m3蓄洪容积）蓄滞洪区建设，为洞庭湖区纳蓄七里山水域超额洪量提供了分蓄洪调度基础。因此，七里山水域面临包括河床、河势、水位流量关系、槽蓄能力、泄流能力、水利工程等新的变化环境，城陵矶出口河段泄流能力的变化也必将对长江中游防洪格局产生影响。由于这些水库群、堤防、分蓄洪工程及河流湖泊空间分布的广泛性，以及降水的不均匀性和洪水遭遇组合的复杂性，城陵矶附近特别是洞庭湖区应对特大洪水的对策极具多样性，决策调度非常困难。因此采用水力学数值模拟技术，针对不同的控制水位条件进行分蓄洪情景模拟具有非常强的现实意义。

针对城陵矶附近七里山的高洪水位和超额洪量问题，长江委设计院［4］、长江委水文局等通过大湖模型，胡四一、施勇等［5］通过长江中游洪水演进模型，葛守西、王俊等［6］通过MIKE11水力学模型分析研究了相关的成因，其中大湖水文模型还是长江中下游防洪蓄洪规划的主要技术手段。“九五”期间，中国水科院、武汉大学和长江科学院等多家科研单位均建立了荆江-洞庭湖一维水沙数学模型；“九五”之后，长江科学院［7-8］进一步在一维恒定河网水沙数学模型的基础上，运用四点偏心隐格式和河网三级解法建立了一维非恒定河网水沙数学模型。吴作平等［9］也建立了荆江洞庭湖区一维非恒定水沙数学模型。方春明等［10-12］采用Visual C++语言建立了荆江三口洪道可视化一维河网恒定水流泥沙数学模型。南京水利科学研究院［13-14］建立了长江干流和洞庭湖区一、二维混合非恒定水沙数学模型，模型计算范围上始长江干流宜昌下至大通，包括洞庭湖区、汉江中下游、鄱阳湖区和注入长江干流的重要支流，模型以一维河网模型为主体，对东洞庭湖区、南洞庭湖区和西洞庭湖区采用平面二维模型模拟，其中一维河网模型基于四点偏心隐格式和河网三级解法建立，平面二维模型基于有限体积法建立，这也是本次研究扩充的基础。考虑到长江上游梯级水库群逐步投入运用，基于近期长江干流长程冲刷后的地形和新的水沙环境，本文着重研究了现有防洪体系下七里山水域的防洪能力和现有蓄洪工程运用条件下的七里山（城陵矶）水位变化，并提出相应防洪对策。

2 分蓄洪数值模拟

2.1 模型算法长江中游水沙模型算法的基本方程包括水流运动方程［15］和泥沙连续方程。其算法为二维有限控制体积高性能水沙算法［16］，包括二维有限控制体积高性能水流差分算法、二维泥沙显式逆风算法和河床冲淤平衡计算。

七里山水域有长江、洞庭湖水沙分合交织变化，其高洪水位受长江上游梯级水库群调度、河道冲淤与蓄泄变化、堤防约束和蓄洪区分蓄洪等诸多因素影响，因此，这一区域的洪水模拟需以长江中下游整体防洪系统为背景，以三峡及其上游水库群运用后泄水泄沙为上游来流条件，包括洞庭四水经过上游干支流水库调蓄后的水沙入湖过程，七里山水域长江干流监利-螺山河段、城陵矶出口河段采用二维有限体积法水流泥沙算法进行模拟，并纳入长江中下游水沙模拟整体数学模型［14］（图2）。蓄滞洪区主要考虑洪湖分蓄洪区、洞庭湖24垸、武汉附近分蓄洪区、湖口附近分蓄洪区。其中，钱粮湖、共双茶、大通湖东蓄滞洪区分洪闸运用按照分洪闸过流能力分泄洪水。

图2 七里山水域二维数值模拟一维河网及二维网格图

蓄滞洪区分洪数值模拟方法有水文学法、水力学法［17］，分洪后垸内洪水模拟计算模式有零维、一维、二维和三维。根据模型计算工作量和蓄滞洪区分洪研究的实际需要，本文在七里山水域和洞庭湖区采用二维水力学模拟，蓄滞洪区内采用零维水文学模拟，分洪口门流量计算采用侧堰公式，能够较为实际地反映洞庭湖区河道的行洪能力和各蓄滞洪区垸的纳洪能力。

七里山水域二维模型与长江中下游水沙整体模型通过采用边界状态量交换实现水沙输移的衔接，其中，监利、螺山断面的二维网格单元与其相邻的一维河段断面公用边的水沙状态量衔接，即七里山水域二维模型监利网格单元入流边界值取用与此单元相邻的一维监利断面流量值和泥沙状态值，螺山网格单元水位值取用与此单元相邻的一维螺山断面水位值；七里山水域二维模型七里山河段采用单元边界水沙通量与洞庭湖二维模块衔接，即取用洞庭湖二维模块出湖单元边界流速、泥沙通量作为七里山河段入流水沙状态量。

2.2 蓄滞洪区分洪过程数值模拟蓄滞洪区分洪运用过程是河道与蓄滞洪区洪水水量吞吐及其水位交替变化过程［18］。在分蓄洪运用方式上，分为闸门控制和口门溃决两种形式，其中口门溃决［19］有两种模式，即瞬时溃决和逐渐溃决。瞬时溃决为堤防决口瞬间溃决到设定的宽度和深度；逐渐溃决为给定口门初始形态、最终形态（通常设为矩形或梯形）及溃口发展到最终形态所需时间，按照口门垂向和横向随时间均匀扩展计算口门发展过程。其中，洪湖分蓄洪区东分块、三大垸和三小垸采用闸控方式分洪。分洪流量采用堰闸方式。分洪口门为闸控时，分洪流量为式中m为流量系数，B为口门宽度，h2为闸后水深，∆z0为包括闸前行近流速水头在内的闸上下水头差。分洪口门为溃决时，自由泄流时蓄滞洪区与河道交换流量为式中H0为有效水头；淹没泄流时，采用淹没泄流公式，蓄滞洪区与河道交换流量为式中σ为淹没系数。

由于洞庭湖24个蓄洪垸分别位于四口河系河道、四水河道和洞庭湖湖泊旁，其不同的位置对分洪效果影响不同。为此，建立各蓄滞洪区与一维河道断面、二维湖泊网格之间的拓朴关系，即与一维河道相邻的蓄滞洪区以（河段号，断面号）来表示分洪口门与行洪河道的关系，以（单元号）来表示分洪口门与洞庭湖湖泊的关系，并嵌入数值模拟模型，建立蓄洪垸内外的水位相关关系，并据此进行分洪流量计算。分泄入蓄滞洪区的水量从对应河道断面或湖泊单元扣除、再演算到城陵矶，模拟蓄滞洪区分洪对降低城陵矶水位的影响。

分洪预测计算包括启用的蓄滞洪区的空间位置、数量和分洪流量的确定，模拟中，引入预测校正计算模式，即每计算时步分为预测和校正两步进行。在预测时步内首先按照各蓄滞洪区启用规则和各蓄滞洪区内外水位差计算分洪流量、预估总分洪量∆W，再采用数值模型计算，得到预估城陵矶水位，并与城陵矶控制目标水位进行比较。根据差值反馈校正分蓄洪量∆W′，调整分洪流量和启用的蓄滞洪区，以城陵矶站模拟水位与其防洪控制目标水位之差值∆Z=0作为校正目标，进行数值模型水量的校正计算。

2.3 率定与验证通过1991年至2000年水沙系列资料对糙率和泥沙恢复饱和参数进行了率定，利用2001年至2012年水沙系列资料和2002年至2006年、2006年至2011年坝下河道冲淤量对模型参数进行了验证计算，模型计算时间步长为30s。1991—2012年洪峰水位率定验证误差均小于0.30 m，其中，长江中游主要控制站的水位误差小于0.10 m，流量相对误差小于5%（图3），含沙量相对误差小于20%。2003年三峡水库运用后，上游来沙量大幅减少，模型计算结果模拟出了坝下河道冲刷变化。对比七里山水域水下地形实际监测资料，2006—2010年河道地形冲淤量计算误差在10%以内，且冲淤分布与三峡运用后实测槽冲滩淤特征基本一致。

率定验证结果表明长江中下游水沙整体模型和七里山水域二维水沙局部模拟模型的计算方法、参数的选取和关键环节的技术处理基本合适，可用于典型洪水的分洪模拟。

图3 七里山站水位流量计算值与实测值比较

3 典型洪水情景模拟

由于三峡工程及其上游溪洛渡、向家坝等梯级的开发和运用，三峡下泄的水沙条件出现较大的变化，加之清水下泄长江干流河道长程冲刷改变了河道地形，使得七里山水域高洪水位和超额洪量相应发生变化。

当前，长江中下游防洪蓄洪工程的关键控制水位主要为沙市45.00 m、城陵矶莲花塘34.40 m、汉口29.73 m和鄱阳湖湖口22.50 m四个控制节点。在三峡运用前为防御1954年目标洪水，在各控制站之间河段附近布置了可蓄纳492亿m3超额洪量的蓄滞洪区，其中城陵矶附近由江南洞庭湖24个蓄洪垸和江北洪湖蓄洪区各蓄洪160亿m3即共蓄洪320亿m3。

3.1 蓄洪运用模拟分析 1998年大水后，洞庭湖区澧南、西官、围堤湖三小垸近9亿m3蓄洪容积已完成“空垸待蓄”建设，钱粮湖、共双茶及大通湖东等三大垸蓄洪容积52亿m3正在兴建。加上三峡工程及其上游水库逐渐投入运用和长江干堤加固完成，城陵矶附近的防洪情势出现新的变化。根据不同的工程运用条件和可能的江湖地形变化情况，即根据长江中下游江湖冲淤地形变化（1998年、2006年、三峡及上游水库运用30年后的地形）和长江干流上游参与调度的水库的不同（不考虑三峡调度、三峡单独调度、三峡和溪洛渡、向家坝联合调度），以及蓄滞洪区启用的现有工程条件（完成蓄洪建设的蓄滞洪区），针对1954年、1996年、1998年、1999年等典型洪水，可模拟得到不同的分蓄洪结果（表1）。

表1 城陵矶最高水位和分蓄洪模拟分析

河道来水来沙条件对河湖河势和泄流能力变化的影响具有长期性，三峡工程运用后清水下泄，坝下河道长程冲刷增加了河道过流断面和槽蓄容积，相应使得城陵矶附近超额洪量减少，如三峡工程运用前1998年和运用后2006年河道地形下，采用三峡水库调蓄后的来水过程，对于1954年目标洪水，按照控制城陵矶最高水位不超过34.4 m调度，城陵矶附近的超额洪量分别为339亿m3、312亿m3，结合三峡和溪洛渡、向家坝联合调度，城陵矶附近减少分洪量27亿m3，水库群运用30年后，坝下河槽冲刷进一步加深，长江干流河道蓄泄能力增大，分洪量将进一步减少到215亿m3，则通过城陵矶附近布置的320亿m3蓄洪区可保证这一区域防洪安全。

1998年大水后，有关部门针对城陵矶地区防洪调度提出了抬高城陵矶水位0.5 m至34.9 m以增加防洪调度裕度的方式。相应于这一控制条件，洞庭湖区间大洪水导致高洪水位的1996年资沅洪水，城陵矶实际水位达到35.01 m，通过三峡水库调节长江上游来水，不分洪即可控制城陵矶水位在34.40 m以下；次于1954年的1998年流域性大水，实际水位达到35.8 m，通过三峡调节不分洪最高水位也低于34.90 m，其它如1999年、2002年等在城陵矶导致实际水位高于防洪控制水位的较大洪水，均在三峡水库的调节下可达到控制水位而不分洪的目的。

模拟分析表明，针对1954年目标洪水，如果洪湖蓄滞洪区不启用、仅洞庭湖钱粮湖等三大垸启用分蓄洪50亿m3时，七里山水位高达36.59 m，将超过34.40 m控制水位2.19 m；考虑洪湖东分块启用，按照“两湖对等”分洪100亿m3，水位为36.18 m，也会超出1998年历史最高水位35.80 m，面临的防洪问题仍然会十分突出。1998年洪水城陵矶控制水位抬高0.5 m时，可以减少46亿m3分洪量，并不增加汉口段的分洪量或者影响其控制水位，长江河道泄流能力具有一定的裕度。

3.2 不利情景模拟分析三峡以上集水面积约100万km2，支流水系众多，洪水来源复杂，长江上游各个梯级水库到三峡大坝间的区间面积达74万km2，且长江中游洞庭湖湘资沅澧有约26万km2区间汇流，洪水传播存在时间上的差异性，各种来源的洪水遭遇几率大，组合情景极其复杂，长江中游地区洪水历时长且洪量巨大。因此，假定三峡水库防洪库容在前期已发挥蓄满作用时的最不利情景，研究七里山高洪水位特点，对其防洪决策不失为一种参考。即根据三峡坝下河道冲刷的实际和预测地形条件，模拟再现1954年典型洪水，不考虑水库群的调节作用时，城陵矶附近出现的高洪水位或超额分洪量有下降的趋势（表2），但应用当前的控制水位分蓄洪调度，城陵矶附近的超额分洪量仍然超过三峡运用前安排的320亿m3的蓄洪能力10%以上；如果不分蓄洪，则长江中下游面临的最高洪水位将全面超过防洪控制水位，超过控制水位的幅度0.93～3.57 m，仅依托堤防和河流湖泊的自然调节作用，长江中下游面临的防洪风险巨大。

4 结论与建议

模拟分析表明，一方面，随着三峡及其上游水库群发挥对大洪水的调节控制作用，堤防工程、分蓄洪区安全建设工程、退田还湖等工程建设完成，以及自1980年以来河流湖泊不再围垦，洞庭湖区防洪已经改变了遭遇大洪水难以控制的局面，基本上具备了应对调度超额分洪量60亿m3洪水量级的手段，考虑预报和监测等高新技术的普及应用，准确把握洪水特征，适当抬高防洪控制水位，可以在不分洪的条件下防御1998年型洪水；在进一步加大城陵矶附近蓄洪能力建设基础上，通过适时适量分洪调度，可以防御长江1954年型洪水。

另一方面，七里山水域高洪水位和分蓄洪布置直接关系长江中游特别是洞庭湖区的防洪安全问题，直接影响湖区经济社会布局和可持续发展，目前这一区域仅约60亿m3蓄滞洪区可以按计划启用，对于防御1954年目标洪水防洪风险明显，是当前长江中游防洪保安的薄弱环节。按照34.40 m水位控制，三峡水库及上游溪洛渡、向家坝调节运用30年后，城陵矶附近仍有215亿m3超额洪量；若仅蓄洪100亿m3，则水位将达到36.18 m，高出控制水位1.78 m，且比历史最高水位35.80 m高出0.38 m。因此，洞庭湖区防洪蓄洪建设仍需进一步推进。同时，因洞庭四水洪水峰高量大而历时稍短，四水尾闾局部洪水损失仍可能存在，有必要制定相应的预案。

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