典型年洪水的洞庭湖槽蓄特性研究

廖小红，朱 枫，黎昔春，贺方舟

(1.湖南省水利水电勘测设计研究总院，长沙 410007；2.中国水利水电第八工程局有限公司，长沙 410004)

0 引 言

1 洞庭湖区概况

洞庭湖位于湖南省北部、长江荆江河段南岸，地处东经111°19′～113°34′、北纬28°39′～30°25′，属断陷式的平浅型湖泊。洞庭湖南、西面接纳湘、资、沅、澧四水，北面经松滋、太平、藕池、调弦(已于1958年建闸控制)四口分泄长江来流入湖，环湖还有汨罗江、新墙河等中小河流入流。四水、四口及区间的入湖径流经湖泊调蓄后由城陵矶汇入长江。洞庭湖区地势总体上西高东低，整个湖泊由东洞庭湖、南洞庭湖、西洞庭湖(包括目平湖、七里湖)组成。东洞庭湖湖口以七里山为界，在磊石山与南洞庭分界；南洞庭湖在磊石山与东洞庭湖分界，湘水以斗米咀为界，资水以杨柳潭为界，西边以南嘴、小河咀水文站断面与西洞庭湖分界。目平湖与澧水洪道四分局、三角堤为界，沅水以坡头、新堤拐为界，以南嘴、小河咀水文站断面与南洞庭湖分界。七里湖在澧水洪道之中，上至小渡口，下至石龟山水文站断面，以汇口与五里河分界[6]。

根据长江水利委员会1995年实测地形资料得到的洞庭湖天然高程～面积～容积关系成果，当城陵矶(七里山)水位为31.5 m时，分别计算东洞庭湖、南洞庭湖、目平湖和七里湖实际水位下容积数据，算得洞庭湖总容积为167 亿m3[7]。洞庭湖强大的槽蓄作用，对减轻长江中下游地区防汛压力、洞庭湖区的水资源综合利用具有极其重要的作用。由于江湖关系变化、泥沙淤积及人类活动等一系列影响，洞庭湖的槽蓄特性发生了较大变化[8]。定量分析研究洞庭湖槽蓄量特性，对长江中下游及洞庭湖区防洪整体布局和水资源配置方案的科学制定具有重要的指导和借鉴意义。图1为洞庭湖区水系及水文(位)站分布情况，表1为洞庭湖区各湖泊高程～容积表。

图1 洞庭湖区主要水系及水文(水位)站分布图Fig.1 Distribution of the river and hydrology (water level) fstation in the Dongting Lake

高程/m累计容积/亿m3东洞庭湖南洞庭湖目平湖七里湖221．402---234．144---248．6280．800--2515．2492．3470．190-2624．4055．1130．469-2735．6349．4330．914-2847．97715．3811．820-2960．78522．7093．529-3073．81230．9526．4040．1173186．91239．6859．2780．25432100．03248．57112．4260．44133113．15957．49715．6840．74234126．28766．45018．9791．18635-75．42722．2971．77536--25．6262．46437---3．18838---3．92639---4．67040---5．41541---6．16242---6．908

注：表中高程为85国家高程基准。

2 槽蓄量研究方法

2.1 常用槽蓄量计算方法

槽蓄指江河湖泊调蓄洪水的能力，其对洪水的调蓄作用主要表现在坦化洪水过程，降低洪水水位等。河道槽蓄量指在某一高程下河槽中水体的体积。掌握河道槽蓄量，对河道演变分析、流域开发、防洪调度、河道治理和水资源利用等具有重要意义[9]。传统的槽蓄量计算方法有水量平衡法、地形法。随着计算机技术的迅速发展，基于DEM技术的槽蓄量计算法也逐渐得到应用。

2.1.1 水量平衡法计算槽蓄量

水量平衡法是基于水量平衡原理，从总入流和总出流二者间的差值推求河段槽蓄量。水量平衡方程如式(1)所示：

(1)

式中：I1为计算时段初的入流量，m3/s；I2为计算时段末的入流量，m3/s；O1为计算时段初的出流量，m3/s；O2为计算时段末的出流量，m3/s；t为计算时段步长，d；V为计算时段槽蓄量日变化值，万m3。

由上式按照时间步长累加ΔV，再加上初始时段已知河道槽蓄量，则可以得到计算河道的槽蓄量逐日变化过程。

2.1.2 地形法计算槽蓄量

园内里的樟松，春天一到，松针从苞蕾中绽出，率先给人绿意。随后，丁香，刺玫，李子，樱桃，山杏，沙果树上的花竞相开放，争奇斗艳。野葡萄树不知不觉地发出宽大的嫩绿色的叶子，遮住丑陋的干。院子里一片春暖花开枝繁叶冒的景象，给人青春活力。

地形法通过实测水下固定断面观测数据获得河道地形图，再利用地形图量算各级高程以下的面积以建立水位-面积关系，对相邻的等高线之间的体积则用梯形或截锥体公式计算。从小到大对各高程对应的河道体积进行累加，得到河道的高程-容积曲线。最后由河道沿线测站水位数据内插得到各幅图对应的水位值，利用高程-容积曲线查找某个水位对应的容积值，累加计算得到河道的槽蓄量值。本文中长江水利委员会1995年实测的洞庭湖万分之一地形图量算得到的高程～面积～容积关系成果即通过上述计算方法得到。

2.1.3 基于DEM模型计算槽蓄量

数字高程模型法通过利用计算机软件对实测的河道DEM数据进行分析以得到相关成果。如利用ArcGIS中3D Analyst工具中的CutFill分析工具计算槽蓄量。主要工作包括对采集的实测地形数据进行矢量化操作、对建立的模型划分三角网格、计算槽蓄量等[10]。该法前期需要收集大量数据进行DEM建模，数据预处理比较复杂，但建模完成后可以获得更多有用信息，如河道槽蓄量、断面冲淤变化等信息。

2.2 洞庭湖高程容积曲线

本文槽蓄量计算基于长江水利委员会1995年实测的洞庭湖万分之一地形图量算得到的高程～面积～容积关系成果。该成果包括东洞庭湖、南洞庭湖、目平湖、七里湖的高程～面积～容积表及天然湖泊高程～容积统计表五个部分。

2.3 洞庭湖水面线确定

对于天然河道而言，可以通过干流沿程各水文(位)站实测水位进行插值得到河道水面线，洞庭湖水面线的确定面临研究地理尺度远大于天然河道、入流条件复杂、水文站分布较少等特点。本文采用鹿角、杨柳潭、南嘴、石龟山等水文(位)站水位分别代表东洞庭湖、南洞庭湖、目平湖、七里湖各湖泊的平均水位。

3 典型年洪水洞庭湖槽蓄特性

3.1 基于水量平衡法的洞庭湖槽蓄曲线

湖泊槽蓄曲线取决于湖泊特征以及洪水水面线的变化，它能够如实反映湖泊洪水槽蓄特性。当水流稳定时对应的某个流量下各断面水位只有一个数值，则槽蓄关系为单值对应。而水流不稳定状态下槽蓄关系为非线性关系[3]。

洞庭湖来流入口多，出口水位常受到长江干流水位的影响，故洞庭湖槽蓄关系非常复杂。本文根据洞庭湖的形态、平面分布和水文控制条件等情况，将东洞庭湖和南洞庭湖、目平湖和七里湖分别划分为东南洞庭湖、西洞庭两个研究对象。考虑长江水流顶托影响，建立以城陵矶(七里山)水位为特征参数的湖泊总出流与槽蓄量之间的关系。东南洞庭湖以城陵矶(七里山)出流流量、西洞庭湖以南咀和小河咀总出流流量作为两湖出流流量进行计算。为了充分反映高洪水位条件下的洞庭湖槽蓄特性，采用出现较大洪水的1991年、1995年、1996年、1998年汛期上述各站的实测水位、流量资料，将对应日期日平均总出流流量和湖泊槽蓄量点绘至图中，配以同日城陵矶(七里山)站水位参数，分别拟定出东南洞庭湖和西洞庭湖的总出湖流量与槽蓄量相关线。对应槽蓄曲线见图2、图3。

图2 东南洞庭湖槽蓄曲线(七里山水位)Fig.2 Channel storage curve of Southeast Dongting Lake(Qilishan water elevation)

图3 西洞庭湖槽蓄曲线(七里山水位)Fig.3 Channel storage curve of West Dongting Lake(Qilishan water elevation)

从得到的槽蓄曲线可以看出，当参考水位不变时，出流流量越大，湖泊槽蓄量越大。同一流量下，相邻水位的槽蓄增量也不尽相同。以东南洞庭湖为例，当城陵矶出流为12 000 m3/s时，七里山水位从28 m增至29 m时，东南洞庭湖槽蓄量从74 亿m3增至88 亿m3，增量为14 亿m3。而水位从29 m增至30 m时，槽蓄量从88 亿m3增至108 亿m3，增量为20 亿m3，比上1 m水深多槽蓄6 亿m3；当城陵矶出流为20 000 m3/s时，七里山水位从28 m增至29 m时，东南洞庭湖槽蓄量从84 m3亿增至95 亿m3，增量为11 亿m3。而水位从29 m增至30 m时，槽蓄量从95 亿m3增至113 亿m3，增量为18 亿m3，比上1 m水深多槽蓄7 亿m3。据初步分析，水深增量相同情况下流量不同时槽蓄量变化出现差异是因为洞庭湖区地形边界差异带来的影响，不同水位下容积增量不完全线性，反映在图上则表现为槽蓄曲线微弯，存在拐点。

3.2 地形法计算洞庭湖槽蓄量及其与水量平衡法的差异

利用1995年实测地形资料得出的洞庭湖区高程～容积关系曲线和实测的洞庭湖区1996年6月1日至7月31日相应各水文(位)站水位、流量资料，分析计算东南洞庭湖和西洞庭湖的槽蓄量过程成果见图4、图5。

图4 东南洞庭湖槽蓄量日变化值及累计值变化情况Fig.4 Daily variation and cumulative value of the channel storage(Southeast Dongting Lake)

图5 西洞庭湖槽蓄量日变化值及累计值变化情况Fig.5 Daily variation and cumulative value of the channel storage(West Dongting Lake)

对比分析可以看出，上述两种方法的日变化值在某些时段仍有一定差异，其中西洞庭湖的变化关系更为紊乱。用地形法和水量平衡法计算得到的西洞庭湖日槽蓄量变化值相关性较差的原因可能与西洞庭湖面积、容积相对较小对流量过程响应更为敏感有关。而从槽蓄量累积值的变化情况看，水量平衡法计算得到的数值多数情况下比地形法偏小，但二者变化趋势一致。

采用水量平衡法计算河湖槽蓄量需要河湖来流及出流流量资料，对资料的精度要求较高，适用于小尺度、入流出流关系简单的河湖。对于洞庭湖这样南北、东西地理跨度大，出口断面水文条件受长江干流影响的湖泊，应用水量平衡法需要选定水位涨落率较为完整的时段且需对出口流量、水位值进行校正，基础工作量大。其次，洞庭湖区水面面积大，区间降雨、蒸散发等因素均影响到水量平衡法的计算成果精度。

4 讨论与结论

4.1 槽蓄量大小对防洪影响分析

从分析式(1)可以看出，计算时段始、末入流流量I1、I2及初始出流量O1不变时，如O2减小，则ΔV将增大。从防洪角度看，出流量O2减小将有效减轻下游防汛压力，应对方法则是增大ΔV即增大河、湖的槽蓄量。槽蓄量越大，则湖泊的调蓄作用越明显。增大槽蓄的方法主要是抬高水位和扩大水面面积两种方法。抬高水位将增大防汛压力，扩大洞庭湖区水面面积来增大湖泊蓄量显然是更好的选择。1998年后实施的“封山植树，退耕还林；平垸行洪、退田还湖；以工代赈，移民建镇；加固干堤，疏浚河湖”等一系列灾后重建措施，其中“平垸行洪、退田还湖”工程能有效地增大高洪水位情况下的洞庭湖水面面积，对扩大洞庭湖的槽蓄作用效益明显。

4.2 水量平衡法和地形法在研究洞庭湖槽蓄特性中的比较

水量平衡法需要研究区域来流及出流流量数据，对数据的精度要求较高，适用于小尺度、入流出流关系较简单的河渠槽蓄量计算。对于洞庭湖这样南北、东西地理跨度大，出口断面水位、流量受长江干流影响的湖泊而言，应用水量平衡法需要选定水位涨落率较为完整的时段并且需要对出口流量、水位值进行校正，工作量大。其次，洞庭湖区水面面积大，区域产流、蒸散发等因素均影响到水量平衡法的计算精度。

地形法利用已有的高程～容积关系曲线，结合实时水位拟定的水面线来确定槽蓄量。数据可以直接反映长江水流对城陵矶出口水流的顶托影响，免去了对水位流量的校正过程，相对平衡法而言计算精度也更高。

4.3 边界条件变化对洞庭湖槽蓄的影响

本文以1995年地形资料对洞庭湖区分东南洞庭湖和西洞庭湖的槽蓄量进行了分析计算。地形资料测绘时间已过去20多年，再加上水文测验资料的缺陷(如东、南洞庭湖之间无水文控制断面，区间来流无水文资料)等，未来如能有更新的测绘资料和水文数据，进一步考虑四水尾闾和四口河系地区河流的槽蓄作用，将有助于进一步分析研究1995年后洞庭湖区槽蓄特性，进一步加深对新形势下洞庭湖区防洪形势的认识。

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参考文献：

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