长沙综合枢纽建设对长株潭地区河道水文情势变化研究

叶泽纲，佘玉良，叶 望

（1. 湖南省水文水资源勘测中心，湖南 长沙 410007；2. 中国电建中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

前 言

湘江是湖南最大河流，由于降水年际变化很大，干旱年和枯水期流域的缺水现象严重。随着经济的发展，人口的增加，城市化水平的不断提高，湘江流域冬枯季节水流量越来越小，水质越来越差，枯水期也越来越长，不仅严重影响航运，而且因水少、水污染导致部分地区饮用水困难，对人们生产生活用水造成了严重影响，近年来数据显示枯水期越来越长。

湘江长沙综合枢纽具有通航、发电、公路交通、水利等功能。湘江综合枢纽主要建设目的在于解决株洲-长沙河段特枯水情频繁、水深经常严重不足、减载或断航时段较长的问题，并为远期提高衡阳-株洲-长沙-城陵矶全线达2 000 t 级航道奠定基础，以提高湘江航道运输能力，促进湖南外贸运输、外向型经济的发展。

由于长沙综合枢纽工程修建以后，与天然状态下相比，水位抬高，水深增加，可用水量增多、同时河道流速减小。本文采用有关水力学分析模型、根据计算数据并结合分析图表成果，展示工程修建前后河道水位、水深、流速等水文情势的变化情况，研究结果将对城市景观、航运条件、供水环境、农业灌溉、纳污能力、城市排水、河道治理等有重要参考意义。

1 长沙综合枢纽工程简介

长沙综合枢纽工程是湘江流域开发规划中最下游的一个梯级，也是衡阳以下尚未开发的最后一个梯级，工程总投资60 亿元。建设这一航电枢纽的首要目的，就是要通过人工调蓄，使湘江长沙段在枯水季节也能保持较稳定的水位，以提高省会长沙山、水、洲城的城市品位，改善长株潭3 市的水环境，并同时兼顾旅游、航运、供水、发电等多目标综合效益。本枢纽工程等级为Ⅱ等，工程规模为大（Ⅱ）型，设计正常蓄水位29.70 m，设计洪水位36.66 m（100 年一遇），校核洪水位37.62 m（500 年一遇），总装机容量57 MW。

2 区域河流情况

湘江干流从株洲航电枢纽（原规划称空洲水库）以下至长沙综合枢纽区间，相距129.9 km，集水面积在1 000 km2以上的一级支流有5 条，从上游至下游依次是渌水、涓水、涟水、浏阳河、捞刀河，各支流基本情况见表1、图1。

表1 湘江(株洲枢纽至长沙枢纽区间)主要一级支流基本情况表

图1 干流及各主要支流水系图

3 水文分析计算

3.1 计算内容与方法

湘江干流从株洲航电枢纽以下至长沙综合枢纽区间，相距129.9 km，本次分析主要计算长沙、湘潭、株洲水文站及渌水、涓水、涟水、浏阳河、捞刀河河口处，以下项目工程前后的水位、流量情况。

1）丰水年（P=20%年份）。

2）平水年（P=50%年份）。

3）枯水年（P=95%年份）。

4）50 年一遇洪水。

5）10 年一遇枯水。

分析计算方法主要采用水文频率计算方法、水文比拟法、水力学方法及经验公式法。洪水计算采用干流洪水为主，支流洪水相应的频率计算方法。

各主要水文站及河流情况如表2。

3.2 流量计算

3.2.1 年平均流量计算

长沙综合枢纽处无实测水文资料，本研究区内湘江干流有株洲、湘潭、长沙水文站、捞刀河上有螺岭桥水文站、浏阳河上有朗木 梨水文站、涟水上有湘乡水文站、涓水上有射埠水文站、渌水上有大西滩水文站等8处水文（位）站，根据各水文站的资料条件，螺岭桥和大西滩水文站所占支流的集水面积比重较小，只能作计算时参考，湘潭水文站具有长系列的水文资料，资料可靠，可用为本次计算的依据站。根据各主要水文站历年实测水文资料计算年平均流量，按数学期望公式：

表2 主要河流及主要水文站与控制断面集水面积表

式中 m——序号；

n——系列长度。

进行经验频率计算，理论频率计算采用P-Ⅲ型进行适线，最后计算出各主要水文站在丰水年（P=20%年份）、平水年（P=50%年份）、枯水年（P=95%年份）的年平均流量成果，计算结果见表3。

表3 主要水文站年平均流量频率分析成果表

根据以上主要水文站年平均流量频率计算结果，采用水文比拟法：

式中 Q设——设计站流量；

F设——设计站流域面积；

Q参——参证站流量；

F参——参证站流域面积。

其中指数n 取平均值1。

计算到各主要计算断面，计算成果如表4。

表4 主要计算断面年平均流量频率分析成果表

3.2.2 洪水流量计算

1）干流洪水计算。采用湘潭站的实测年最大洪峰流量和调查的历史洪峰流量组成不连续系列进行频率计算，再按面积比的2/3 次方移用到本区域计算断面。

本次采用湘潭站1950～2005 年共56 年实测资料，并考虑1926、1906、1994、1968 等年特大洪水进行频率分析，采用不连续系列经验频率计算方法。

在调查考证期N 年中，调查到为首的a 个大洪水，其中有L 个发生在实测和插补的n 年系列之内，在N年中第M 位（M 依次取1，2，3，……，a）洪水的经验频率按下式计算：

在n-L 个连续洪水系列中，第m 位（m 依次取L+1，L+2，……，n）洪水的经验频率按下式计算：

本次分析将湘潭站的设计洪峰流量成果，按面积比的2/3 次方推算出干流其它断面。计算成果见表5。

表5 湘江干流主要断面洪水流量频率计算成果表

2）支流洪水计算。根据湖南省水电院《长沙综合枢纽工程防洪评价报告》[1]，各支流河口断面洪水流量推求成果见表6。

表6 主要支流河口洪水流量频率分析成果表

3.2.3 枯水流量计算

1）干流枯水计算。湘江干流枯水流量选用湘潭站资料，采用水文比拟法推求干流其它断面枯水流量，见成果表7 和表8。

表7 湘江干流主要断面年最小日平均流量频率计算成果表

表8 湘江干流主要断面年最小月平均流量频率计算成果表

2）支流枯水计算。支流枯水流量的计算，选用朗木梨水文站历年最小月平均流量资料进行计算，采用频率分析方法计算枯水流量，采用水文比拟法推求其它支流河口断面枯水流量，见成果表9。

表9 支流河口断面年最小月平均流量频率计算成果表

3.3 水位计算

表10 长沙综合枢纽断面天然水位成果表 m

3.3.2 建坝后（壅水）水位

工程建成后，除洪峰时，枢纽坝前水位一般均维持在正常蓄水位29.70 m 处，见表11。

表11 长沙综合枢纽断面工程后起始水位成果表 m

3.3.3 洪水水面线

洪水水面线用于水力学方法计算各项目回水水面线时，反推或率定各计算断面的局损系数。

湘江长沙综合枢纽工程预可行性研究报告[2]中综合分析计算了从蔡家洲坝址至株洲航电枢纽的沿程回水计算成果（考虑了沿程各支流的加入），本研究直接采用（成果略）。

4 回水分析计算

4.1 计算方法

河道的回水计算，采用水力学中河道水面线的计算原理和方法（略）。

4.2 基本资料

1）计算河段的划分。长沙综合枢纽至株洲航电枢纽相距129.9 km，根据本次分析要求及河道变化情况，选择计算断面的原则是：主要控制点、主城区、支流入口。本研究选择了24 个计算断面，进行各断面水力参数算及其他有关数据量算，河段断面分布布置见表12。

表12 计算断面分布表

2）河段糙率。在《长沙市城市防洪工程初步设计报告》[3]中综合分析出长沙至靖港河段糙率为0.024 5。

3）局部损失系数ξ。采用水面线反推局部损失系数ξ 时，由于水面线有一定的误差，加上河道工程的影响、n 值的选用误差，反算出的ξ 值可能不合理，需对n、ξ 值进行综合调整。本次评价先选用一个n 的初始值，反算ξ 后，再调整n 直到ξ 合理。

4.3 回水计算

根据上述方法所得参数，采用水力学中天然河道水位沿流变化的伯努利能量方程式对各项目的流量进行河道水面线计算（成果表略）。

5 水文情势分析

5.1 水位变化分析

长沙综合枢纽工程建成后，长沙综合枢纽工程坝址至株洲航电枢纽间的湘江河道天然水位发生较大的变化，对河道水位都有一定程度的抬高作用，水位抬高对航运、取用水、景观用水是有利的，抬高作用涉及到长沙、株洲、湘潭3 个市的主城区，变化情况分析如下：

1）洪水时的变化。当长株潭地区发生50 年一遇洪水时，长沙综合枢纽工程坝前水位抬高0.20 m，长沙市区（长沙水文站处）水位抬高0.13 m，湘潭市区（湘潭水文站处）水位抬高0.06 m，株洲市区（株洲水文站处）水位抬高0.03 m。因此，在洪水期，长沙综合枢纽工程抬高水位的影响作用不大，平均抬高只有0.09 m。

2）丰、平、枯水年的变化。当长株潭地区分别出现丰水年、平水年、枯水年年景时，长沙综合枢纽工程坝前水位分别抬高3.25 m、3.79 m、4.80 m，长沙市区（长沙水文站处）水位分别抬高2.34 m、2.85 m、3.86 m，湘潭市区（湘潭水文站处）水位分别抬高1.17 m、1.53 m、2.39 m，株洲市区（株洲水文站处）水位分别抬高0.38 m、0.47 m、0.68 m。因此，在丰水年景，长沙综合枢纽工程抬高长株潭地区湘江水位的影响作用较大，平均抬高有1.55 m，平水年景更大，平均抬高有1.90 m，枯水年景最大，平均抬高有2.62 m。

3）枯水时的变化。当长株潭地区发生10 年一遇枯水时，长沙综合枢纽工程坝前水位抬高7.15 m，长沙市区（长沙水文站处）水位抬高6.45 m，湘潭市区（湘潭水文站处）水位抬高5.53 m，株洲市区（株洲水文站处）水位抬高2.49 m。因此，在枯水期，长沙综合枢纽工程抬高水位的影响作用很大，平均抬高达5.00 m。

5.2 流速变化分析

长沙综合枢纽工程建成后，长沙综合枢纽工程坝址至株洲航电枢纽间的湘江河道流速发生较大的变化，河道流速都有一定程度的减小，流速的减小对河道纳污能力是非常不利的，变化情况分析如下。

1）洪水时的变化。当长株潭地区发生50 年一遇洪水时，长沙综合枢纽工程坝前流速减小0.025 m/s，长沙市区（长沙水文站处）流速减小0.016 m/s，湘潭市区（湘潭水文站处）流速减小0.007 m/s，株洲市区（株洲水文站处）流速减小0.004 m/s。因此，在洪水期，长沙综合枢纽工程流速减小的影响作用不大，工程前全河道平均流速1.613 m/s，工程后平均流速1.602 m/s，流速减小只有0.011 m/s，减幅0.715%。

2）丰、平、枯水年的变化。当长株潭地区分别出现丰水年、平水年、枯水年年景时，长沙综合枢纽工程坝前流速分别减小0.379 m/s、0.410 m/s、0.440 m/s，长沙市区（长沙水文站处）流速分别减小0.266 m/s、0.308 m/s、0.368 m/s，湘潭市区（湘潭水文站处）流速分别减小0.102 m/s、0.124 m/s、0.163 m/s，株洲市区（株洲水文站处）流速分别减小0.032m/s、0.036 m/s、0.041 m/s。因此，在丰水年景，长沙综合枢纽工程对长株潭地区湘江流速减小的影响作用较大，工程前全河道平均流速0.653 m/s，工程后平均流速0.501 m/s，减小0.153 m/s，减幅23.4%；平水年景更大，工程前全河道平均流速0.601 m/s，工程后平均流速0.425 m/s，减小0.176 m/s，减幅29.1%；枯水年景最大，工程前全河道平均流速0.500 m/s，工程后平均流速0.291 m/s，减小0.209 m/s，减幅40.6%。

3）枯水时的变化。当长株潭地区发生10 年一遇枯水时，长沙综合枢纽工程坝前流速减小0.358 m/s，长沙市区（长沙水文站处）流速减小0.238 m/s，湘潭市区（湘潭水文站处）流速减小0.223 m/s，株洲市区（株洲水文站处）流速减小0.044 m/s。因此，在枯水期，长沙综合枢纽工程流速减小的影响作用很大，工程前全河道平均流速0.248 m/s，工程后平均流速0.056 m/s，流速减小达0.228 m/s，减幅74.9%。

5.3 水深变化分析

长沙综合枢纽工程建成后，长沙综合枢纽工程坝址至株洲航电枢纽间的湘江河道水深发生较大的变化，河道水深都有一定程度的增加，水深加大对航运是有利的，水深加大与水位变化规律一致，变化情况分析如下。

1）洪水时的变化。当长株潭地区发生50 年一遇洪水时，长沙综合枢纽工程坝前水深加大0.20 m，长沙市区（长沙水文站处）水深加大0.13 m，湘潭市区（湘潭水文站处）水深加大0.06 m，株洲市区（株洲水文站处）水深加大0.03 m。因此，在洪水期，长沙综合枢纽工程水深加大的影响作用不大，全河段工程前平均水深19.39 m，工程后19.48 m，平均只加大了0.09 m。

2）丰、平、枯水年的变化。当长株潭地区分别出现丰水年、平水年、枯水年年景时，长沙综合枢纽工程坝前水深分别加大3.25 m、3.79 m、4.80 m，长沙市区（长沙水文站处）水深分别加大2.34 m、2.85 m、3.86 m，湘潭市区（湘潭水文站处）水深分别加大1.17 m、1.53 m、2.39 m，株洲市区（株洲水文站处）水深分别加大0.38 m、0.47 m、0.68 m。因此，在丰水年景，长沙综合枢纽工程对长株潭地区湘江河道水深增加的作用较大，工程前全河段平均水深8.94 m，工程后平均水深10.49 m，增加了1.55 m；平水年景更大，工程前全河段平均水深8.34 m，工程后平均水深10.24 m，增加了1.90 m；枯水年景最大，工程前全河段平均水深7.24 m，工程后平均水深9.86 m，增加了2.62 m。

3）枯水时的变化。当长株潭地区发生10 年一遇枯水时，长沙综合枢纽工程坝前水深加大7.15 m，长沙市区（长沙水文站处）水深加大6.45 m，湘潭市区（湘潭水文站处）水深加大5.53 m，株洲市区（株洲水文站处）水深加大2.49 m。因此，在枯水期，长沙综合枢纽工程对水深加大的作用很大，工程前全河段平均水深4.47 m，工程后平均水深9.48 m，增加达5.01 m。

5.4 水面宽变化分析

长沙综合枢纽工程建成后，长沙综合枢纽工程坝址至株洲航电枢纽间的湘江河道水面宽发生较大的变化，河道水面宽都有一定程度的增加，水面宽的增加对河道景观是有利的，变化情况分析如下。

1）洪水时的变化。当长株潭地区发生50 年一遇洪水时，长沙综合枢纽工程坝前水面宽增加7.0 m，长沙市区（长沙水文站处）水面宽增加0.2 m，湘潭市区（湘潭水文站处）水面宽增加0.2 m，株洲市区（株洲水文站处）水面宽增加0.7 m。因此，在洪水期，长沙综合枢纽工程对水面宽增加的作用不大，工程前全河道平均水面宽1 099.6 m，工程后平均水面宽1 100.9 m，水面宽平均只增加了1.3 m，增幅0.1%。

2）丰、平、枯水年的变化。当长株潭地区分别出现丰水年、平水年、枯水年年景时，长沙综合枢纽工程坝前水面宽分别增加308.0 m、404.9 m、570.0 m，长沙市区（长沙水文站处）水面宽分别增加102.3 m、120.9 m、255.2 m，湘潭市区（湘潭水文站处）水面宽分别增加8.6 m、12.0 m、23.9 m，株洲市区（株洲水文站处）水面宽分别增加14.0 m、13.9 m、18.9 m。因此，在丰水年景，长沙综合枢纽工程对长株潭地区湘江水面宽增加的作用较大，工程前全河道平均水面宽840.4 m，工程后平均水面宽897.7 m，增加57.3 m，增幅5.7%；平水年景更大，工程前全河道平均水面宽809.8 m，工程后平均水面宽894.0 m，增加84.1 m，增幅8.8%；枯水年景最大，工程前全河道平均水面宽749.3 m，工程后平均水面宽887.9 m，增加138.6 m，增幅16.7%。

3）枯水时的变化。当长株潭地区发生10 年一遇枯水时，长沙综合枢纽工程坝前水面宽增加1 003.5 m，长沙市区（长沙水文站处）水面宽增加746.8 m，湘潭市区（湘潭水文站处）水面宽增加136.8 m，株洲市区（株洲水文站处）水面宽增加78.3 m。因此，在枯水期，长沙综合枢纽工程对水面宽增加的作用很大，工程前全河道平均水面宽469.6 m，工程后平均水面宽880.6 m，水面宽平均增加达410.9 m，增幅110.6%。

5.5 槽蓄量变化分析

长沙综合枢纽工程建成后，工程坝址至株洲航电枢纽间的河道水位都有一定程度的抬高，湘江河道槽蓄水量发生较大的变化。建坝后河道槽蓄量增加，即可用水资源量增加，变化情况分析如下。

当长株潭地区发生50 年一遇洪水时，河道槽蓄量增加0.12 亿m3，增加了0.7%，增加量不大。

当长株潭地区分别出现丰水年、平水年、枯水年年景时，河道槽蓄量分别增加1.65 亿m3、2.00 亿m3、2.67亿m3，分别增加了34.4%、47.3%、83.5%，增加较多。

当长株潭地区发生10 年一遇枯水时，河道槽蓄量增加4.40 亿m3，增加了384.2%，增加量很大，对取用水及抗旱有利。具体成果见表13 和表14。

表13 长沙综合枢纽工程建成前后河道槽蓄量成果表 亿m3

表14 长沙综合枢纽工程建成前后河道槽蓄量变化成果表

5.6 长株潭水文情势变化

以长株潭3 市代表断面(相应的水文站处)多年平均水位情况、多年平均流速情况，以图形方式反映长株潭3 市在长沙综合枢纽工程建成前后水文情势的变化情况，见图2～图5。

6 结 语

湖南省的长株潭地区，是我国中部地区经济发展的一个热点，我国“两型社会”建设综合配套改革试验区，该地区未来的水资源状况将是影响该地区经济发展的一个重要因素。

图2 长沙市（长沙水文站断面）平水年水位图

图3 湘潭市（湘潭水文站断面）平水年水位图

图4 株洲市（株洲水文站断面）平水年水位图

图5 长株潭3 市建库前后多年平均流速变化图

由于长沙综合枢纽工程修建以后，与天然状态相比，水位将抬高，水深增加，可用水量增多，同时河道流速减小。为此，要为长株潭地区社会经济可持续发展提供水资源保障，实现水资源的可持续利用、人与自然和谐发展的目标，必须对长沙综合枢纽工程修建以后水文情势状况进行分析研究，供城市景观、航运条件、供水环境、农业灌溉、纳污能力、城市排水、河道治理等规划工作时参考。