长江荆南四口水系地区水安全主要评价指标探讨

徐 悦，贺方舟，黎昔春，王维俊

（1.湖南省水利水电勘测设计研究总院，长沙410007；2.洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室，长沙410007）

0 引 言

水安全问题涉及对象广阔，评价体系复杂。对评价指标分类，可分为自然性指标和社会性指标、动态指标和静态指标、定性指标和定量指标，且各指标体系具有一定的层次结构。目前已有学者对水安全评价进行了较详尽的研究［1，2］。构建评价指标体系方面，国内主要采用分类指标进行分析评价，但不同学者所选的指标存在差异。畅明琦、黄强［3］对国内水安全评价指标体系进行了归纳总结，包括水供需、水生态环境、自然社会条件、饮用水安全、粮食安全、水管理等方面，使用频率较高的指标大约有30 个。张巧显［4］、贾绍凤［5］从生命安全、社会安全、经济安全、粮食安全、生态环境安全的角度，构建水安全评价指标体系。王琳［6］基于层次分析法与“压力-状态-响应”模型，构建了辽河流域水安全评价指标体系。韩宇平、阮本清［7］认为水安全评价应包括水资源管理、饮用水安全、粮食安全、控制灾害、生态环境、水供需矛盾和水价值等问题，构建了包括7 大类17个小类合计116 项指标的层次模型。任永泰、杨茹雪、付强［8］通过引入复杂适应系统、建立了基于多变量迭代系统的水安全综合评价模型。任永泰、姚继平、高春雨［9］还采用相关分析与主成分分析相结合的方法，消除水安全评价体系中冗余的指标，提高了水安全指数的有效性。李景保、卢承志、梁成军［10］分析主汛期产水量与江河库湖容量的关系以及水资源量的供需关系，对湖南省水安全水平作出了评价。

长江荆南四口水系（下文简称四口水系）连通长江与洞庭湖，为洞庭湖提供丰富的水资源及汛期调蓄长江洪水发挥关键性纽带作用，但其防洪排涝、水资源利用、水环境保护和航运安全等矛盾日益突出。因此科学研究四口水系地区水安全问题症结，理清其主要影响因子，建立水安全评价体系及主要评价指标并进行评价是非常必要的。

1 研究区概况

四口水系地区属于典型平原水网区，靠荆江南岸低山丘陵分布，地势北高南低、西高东低，由高程较高的松滋河、虎渡河、藕池河渐次向最低的华容河出口过渡。受洪水泛滥、泥沙淤积、水流冲刷切割以及人类活动的影响，河流总体由北向南、由西向东流动，并相互串流、交织。松滋河西侧有洈水汇入，华容河和华洪运河汇集山地来水，其余河流来水大多来自荆江河道分流。图1为四口水系地区示意图。区域内现有控制灾害、供水、生态环境和水价值类工程主要包括：①一线防洪堤1 368.165 km；②设计灌溉面积200 333 hm2，有效灌溉面积143 867 hm2。各灌区多为泵站提水、辅以水库和涵闸引水灌溉，各类引水涵闸涵管673处，供水能力11.17亿m3；③纯灌泵站81 座95 台6 219 kW、纯排泵站40 座150 台62 405 kW、排灌结合泵站315 座851 台145 195 kW；④垸内内湖哑河蓄水能力3.40 亿m3；⑤松滋西支、松虎航线、藕池东支等航道，总长351 km。

图1 四口水系地区示意图Fig.1 Schematic diagram of the Four-inlets Regions

当前四口地区主要水安全问题包括：①防洪保安：遇1954年洪水型超标洪水，洞庭湖需调蓄大额超额洪量，分洪损失大；地区防洪能力偏低，洪水遭遇情况复杂，存在局部大洪水威胁；防洪堤线长，部分堤防仍需加高加固，涵闸亟待更新改造；②水资源供需矛盾：本地水资源量少、时空分布不均，调蓄能力不足，供水灌溉需水保障程度低；四口过境水资源量减少，资源性缺水现象日渐突出；水质性缺水日趋显现；③水生态水环境问题急需治理：非汛期部分河段水质超标；鱼类资源量减少；④河道萎缩：航道通航等级、保证率低；干支流衔接不畅、航运功能弱化。

2 四口水系水安全主要评价指标及阈值

2.1 水安全评价体系

水安全问题涉及面广、评价指标多。韩宇平、阮本清［7］认为水安全评价指标体系应遵循完备性原则，不同区域在评价指标选取时应有区别，应根据研究区的实际情况和资料的来源情况选取合适的指标。根据四口水系地区自然地理特点、水文特征、水利工程建设现状及存在的问题、社会关注热点和评价所需基础数据收集情况，初步研究并经专家咨询讨论提出本区域水安全评价主要指标包括：①控制灾害类（防洪安全、排涝安全）；②水供需矛盾类（灌溉供水安全）；③生态环境类（水生态安全）；④水价值类（航运安全）。

2.2 水安全主要评价指标

2.2.1 控制灾害类指标

（1）防洪安全评价指标。防洪安全评价指标以防洪特征水位体现。洞庭湖区防洪特征水位包括警戒水位、保证水位和设计水位等。警戒水位为江、河、湖泊水位上涨到河段内可能发生险情时的水位。有堤防的大江大河多采用洪水普遍漫滩或重要堤段水浸堤脚时的水位，此时堤防险情可能逐渐增多。保证水位为堤防能保证安全运行的上限防洪水位。接近或达到该水位时，重大险情增多，堤防随时可能出险。长江中下游及洞庭湖区防洪规划的防御标准为防御1954年洪水，设计水位为洞庭湖综合治理规划或单项工程设计中确定的堤防设计水位。四口水系地区主要控制点特征水位见表1。

表1 四口水系地区主要控制点特征水位表Tab.1 Water level characteristic values in the Jingnan Four-inlets Regions

经过洞庭湖区一、二期综合治理，四口水系地区堤防得到一定程度加高加固，防御洪水的能力得到明显提升，但在高洪水位下，堤身堤基渗漏、堤身滑坡现象仍时有发生。据近年实际运行调查，2016年松滋河安乡站最高洪水位37.61 m、超警戒水位0.11 m，藕池河厂窖站最高洪水位35.89 m、低于警戒水位，华容河最高洪水位34.69 m、超警戒水位1.19 m，四口水系共出现大小险情27处。分析当年险情出现时各河段水位，仅松滋中支、藕池东支各1 处（分别超警戒水位0.05 m、0.21 m）和华容河11 处（超警戒水位0.70～1.55 m）险情超警戒水位，其余14 处出险时外河水位均在警戒水位以下。仅华容河有2处险情出现时超保证水位0.05 m；2017年松滋河安乡站最高洪水位37.08 m、藕池河厂窖站最高洪水位36.46 m、华容河最高洪水位36.46 m，均低于警戒水位。当年四口水系共出现大小险情22处，全部出现在安乡县和南县。出险时外河水位均在警戒水位以下，松虎洪道低于警戒水位0.54 m，藕池西支、中支低于警戒水位0.14 m和2.19 m。

（2）排涝安全评价指标。根据《治涝标准》（SL723-2016）和相关规划，四口水系地区排涝规划标准分别为：农村10年一遇三日暴雨三天排至作物耐淹水深，县城10年一遇24 h暴雨24 h排干。南县、华容、安乡和沅江市10年一遇三日暴雨、10年一遇24 h 暴雨分别为189、212、181、202 mm 和138、160、131、139 mm。按上述标准，各县（市）尚缺排涝流量：南县81.76 m3/s、华容县28.80 m3/s、安乡县46.61 m3/s、沅江市3.90 m3/s。

2.2.2 水供需矛盾类指标

根据本区域经济社会发展规划和用水定额，到2030年，50%、85%、95%情景下总需水量为25.90、41.89 和46.08 亿m3，其中城镇居民生活需水量1.63 亿m3、城镇公共需水量0.58 亿m3、农村居民生活需水量0.80 亿m3、工业需水量3.98 亿m3、林牧渔畜需水量1.14 亿m3。50%、85%、95%情景下农田灌溉需水量为17.77、33.76 和37.95 亿m3。从预测数据可以看出，50%、85%、95% 情况下农田灌溉需水量分别占到总需水量的68.61%、80.59%和82.36%。考虑农田灌溉需水量占总需水量的绝大多数，且其他需水量受自然因素影响较小，所以本文仅对灌溉需水进行研究。

四口水系地区不具备建设为农业灌溉提供水源的蓄水水库条件，灌溉水源主要来自外河河水和垸内沟渠、内湖蓄水。受地形制约，外河水位太低时水流无法流入，而垸内沟渠、内湖总体水量有限，干旱期难以满足灌溉用水需求。通过实地走访调查，本地区灌溉泵站根据外河水位变化，运行方式如下：①当泵站所在地外河水位高于压力水箱底版高程0.8 m 以上时，打开泵站防洪闸拍门、关闭水泵至压力水箱拍门，打开压力水箱两端灌溉阀门（或节制闸），水流自流进入灌溉渠道；②当泵站所在地外河水位低于压力水箱底板高程但高于低排闸底板高程0.8 m 以上时，打开低排闸闸门、打开水泵至压力水箱拍门和压力水箱两端灌溉阀门（或节制闸）、关闭防洪闸拍门，外河水流通过低排闸进入泵站前池，经过泵站提升至压力水箱，然后进入灌溉渠道；③在外河水位低于低排闸底板高程0.8 m 以上的情况下，关闭防洪闸拍门、打开水泵至压力水箱拍门、打开压力水箱两端灌溉阀门（或节制闸），泵站将前池的水提入压力水箱，然后进入灌溉渠道。比较上述三种运行方式，方式①和方式②水量有保证，特别是方式①能全过程自流灌溉，运行效率高，但须外河水位满足要求，至少要高于低排闸的底板高程以上0.8 m，③保证程度较高，但水量有限。在实际干旱年份，安乡县、南县等地大多在外河修筑拦河坝，壅高外河水位使其尽量满足方式②所需条件。

2.2.3 生态环境类指标

四口水系生态环境类评价指标包括生态流量和水质。为恢复和保护长江洞庭湖复合生态结构及水生生物多样性，增加河道进流，增加四口水系水环境容量、降低水华事件发生概率，需达到和维持河道最小生态流量的要求［11-13］。由于四口水系地区水文条件的复杂性，加上生态流量计算方法不尽完善，不同研究单位得出的研究成果有较大差异，四口水系生态流量主要研究成果见表2。

表2 四口水系生态流量研究成果表m3/sTab.2 Ecological flows in the Four-inlets Regions

根据《湖南省水功能区划》［14］和《湖南省主要地表水系水环境功能区划》［15］，湖南省四口水系地区均需满足Ⅲ类水质要求，主要控制点水功能区划成果详见表3。

2.2.4 水价值类指标

根据四口水系现有水资源开发利用情况，本文水价值类指标只研究航运安全评价指标。根据《湖南省内河水运发展规划》和湖南省交通运输厅相关批复，四口水系规划的主要航道为松虎航道、藕池河东支、华容河航道以及南茅运河、塞阳运河，其中南茅运河、塞阳运河为内河航道。松虎航道包括中支望家垴至茅草街段和西支毛家渡至青龙窖段，全长133 km，现状等级分别为Ⅴ、Ⅵ级（季节通航），规划为Ⅲ级航道，设计通航保证率为98%，主要控制点安乡水文站设计最低通航水位为28.71 m。藕池河东支全长68 km，现状等级为等外级，规划为Ⅲ级航道。华容河航道全长30 km，规划为Ⅳ级航道，设计通航保证率为95%，设计最低通航水位为25.06 m。

2.2.5 主要评价指标阈值

为保证四口水系地区的防洪排涝安全、供水灌溉安全、水环境生态和航运安全，根据前述的分析，确定主要评价指标及阈值，成果见表4。

表4 四口水系地区水安全评价主要指标及阈值Tab.4 Key evaluation index of water security in the Four-inlets Regions and related threshold values

3 主要指标评价成果与讨论

3.1 控制灾害指标评价

分析统计1990年以来四口水系13 个控制站特征水位，成果见表5。可以看出，13 站均出现了1～5 次实测水位高于设计水位，其中1998年13 站全部出现洪水位超设计水位，1996、1999和2003年分别有4、6、5站次。在此情况下，四口水系及洞庭湖区堤防险情频发。1996年安乡站最高水位39.72 m，高于设计水位0.34 m；南嘴站最高水位37.62 m，高于设计水位1.57 m；四口水系范围内的钱粮湖垸、大通湖东垸、共双茶垸先后溃决，洞庭湖区共溃决堤垸145 个（其中万亩以上26 个），溃灾总面积15.3 万hm2，113.8万人被迫转移。1998年安乡站最高水位40.44 m，高于设计水位1.06 m；南嘴站最高水位37.21 m，高于设计水位1.16 m；四口水系范围内的西官垸、安造垸先后溃决，洞庭湖区共溃决堤垸142 个，溃灾总面积4.42 万hm2，受灾人口37.87万人。

表5 四口水系地区实测水位高于设计水位情况统计表Tab.5 Statistics of measured water level over design level in the Four-inlets Regions

1995年6月1-2日，安乡全县普降大到暴雨，县城降雨量221.7 mm，焦圻、安福、安凝、安造、下渔口等乡镇降雨量达300 mm 以上，全县有3.13 万hm2农作物受渍，其中2.333 万hm2受损成灾；1996年5月31日-6月3日华容县城关站三日降雨268.8 mm，超过三日降雨三日排干的标准，加上连续降雨，全县54.4万人受灾，成灾人口40.2万人，成灾面积5.186 7 万hm2。

3.2 水供需指标（灌溉期外河水位）评价

为研究外河水位变化对四口水系灌溉用水带来的影响，以2011年5月和7月雨、水情为例进行比较。图2为2011年湖南省旱情分布图。表6为2011年主要控制站降雨量、水位特性表。对比分析图2、表6可知2011年5月底，四口水系地区及洞庭湖区均为重度旱灾地区，而7月份为轻度旱灾区甚至是无灾区。1-4月份安乡、南县、华容站降雨量为126.5～140.8 mm，平均降雨133.5 mm。5月份安乡、南县、华容站降雨量为92.1～93.1 mm，平均92.7 mm。而7月份安乡、南县、华容站降雨量为10.0～19.9 mm，平均15.6 mm，相比5月份少77.1 mm。5月降雨量大于7月，但5月旱期却重于7月现象的原因主要是外河水位变化。7月份与5月份相比，安乡站月均水位由29.10 m 上升到32.31 m、月最低水位由28.53 m 上升到31.41 m，南嘴站月均水位由28.55 m 上升到30.45 m、月最低水位28.05 m 上升到29.79 m，南县站月均水位由26.87 m 上升到30.53 m、月最低水位26.62 m 上升到29.75 m。5月份本地降雨较小，加之外河水位低，难以从外河引水进入垸内灌溉。而7月份虽降雨更少，但外河水位高，能直接从外河引水以满足工农业生产的需要，所以7月份旱情弱于5月。2006年和2013年也有类似情况。事实说明灌溉期四口水系地区外河水位维持在一定的水位以上时，能保证本区域基本不出现旱情或旱情程度较轻。

表6 2011年主要控制站降雨量、水位特性表Tab.6 Rainfall and water level characteristic values of main control station in 2011

图2 2011年湖南省旱情分布图Fig.2 Drought distribution of Hunan province in 2011

3.3 水生态环境指标评价

三口分流量自20 世纪50年代以来持续衰减，部分河段断流现象突出。1956-2002年新江口、沙道观、弥驼寺、管家铺各断面分别有167、232、192 和230 个月的月均流量小于生态流量，分别占资料系列总月数的30%、41%、34%和41%；2003-2018年，各站月均流量不能满足生态流量要求的月数占总月数的30%、58%、49%和54%，河道生态流量难以满足的情况更加严重。

根据现有监测断面水质成果，四口水系水质主要以Ⅲ类水质为主，部分河段非汛期水质出现不达标现象，如藕池河西支，超标情况较为显著。湖北省境内松滋东支沙道观段没有观测资料，但调查反映该河段水质超标严重。主要是非汛期河道水量小，甚至长时间河道断流，水体稀释污染物能力低。根据四口水系历年的水质资料分析，湖南省境内的大鲸港（松滋东支）、青龙窖（松滋西支）、马坡湖（松滋中支）和安生（虎渡河）四个断面自2010年5月以来，所有监测时段结果均满足Ⅲ类标准；湖北省境内的淤泥湖（松东河）断面自2008年5月以来，所有监测时段结果均满足Ⅲ类水标准，这些断面非汛期都保持了一定的流量。其他8个断面在非汛期河道长时间断流或流量偏小，均出现超标现象。

3.4 通航安全指标评价

为评价四口水系最低通航水位保证情况，统计安乡站1980-2017年历年日均水位，详见表7。可以看出，1980-2017年最低通航水位保证率仅92.8%，2000-2017年最低通航水位保证率仅93.7%，均不能满足Ⅲ级航道最低水位通航保证率（98%）要求，其中1992年、1999年不能保证最低通航水位的时间多达85 d 和95 d。华容河设计最低通航水位采用六门闸最低控制水位，通过人为控制，基本可以满足最低通航水位要求。藕池河由于断流时间长，不能保证最低通航水位的时间更长。

表7 松虎航道安乡站最低通航水位保证情况统计表Tab.7 Statistics of assuring degree of lowest navigable water level in Anxiang of Songhu channel

3.5 河势稳定对四口水系地区水安全的影响

四口水系河势的稳定与否具体体现在河道冲淤变化［16］。三峡水库运行前，三口河道（未统计华容河）整体表现为淤积，三峡水库运行后，三口水系整体表现为冲刷。根据河道地形资料计算分析，1952-2003年三口河道共淤积泥沙6.515 亿m3，2003-2011年三口河道总冲刷0.75 亿m3。无论河道淤积还是冲刷都会影响本地区水安全。泥沙淤积引起河道过流断面缩小，导致同流量下水位、特别是洪水期水位抬高，增加防洪负担，但总体上利于河道稳定；冲刷能扩大河道的过流能力，三口断流时间缩短，特别是中枯水条件下增加长江进入洞庭湖的水资源量，有利于工农业生产和航运，但易引起沿岸堤防垮坡、崩塌，影响堤防安全。因此，河势稳定情况理应成为水安全评价的主要指标。

三口河道的冲淤变化影响因素多且相互关系复杂，既和长江来水来沙关系密切，又与澧水、沅水、洞庭湖的水文特性有关，还同各支流的地形地质条件有关。并且在同样的水文条件下各支流的冲淤特性也不相同，如三口河道整体处于淤积状态的情况下，松滋东支及其他部分局部河段则处于冲刷状态，反之在整体处于淤积的状态下部分河段又处于冲刷状态。限于现有的研究成果的支撑程度，本次研究暂未将河势稳定列为四口水系地区水安全评价的主要指标，需要在今后研究中作进一步探讨。

3.6 满足水安全指标阈值的主要保障措施

四口水系地区洪水主要源自长江和澧水。根据长江流域防洪整体安排，在规划防御洪水标准条件下，要解决本地区的防洪安全，首先要通过长江上游防洪水库控制长江洪水，其次是通过已建的江垭、皂市和规划的宜冲桥等水库控制澧水洪水。若上述措施仍不能解决本地区的防洪问题，则需运用蓄滞洪区分洪以保证重点区域防洪安全。同时要加强河势控制，消除河道冲淤变化对堤防安全带来的不利影响。

四口水系地区灌溉、供水水源大多来源于四口水系河道，也有取自长江、洞庭湖、澧水和垸内。从四口水系河道取水的区域存在的根本问题是河道分流量减少和断流，水源难以保证。灌溉和供水安全保障的主要措施是［12，13，17］，以现有的水源布局为基础，通过扩挖打通松滋河、虎渡河、藕池河、华容河、华洪运河等骨干河道，增加四口分流量，抬高灌溉期四口水系的水位，提供灌溉和供水水源。同时结合支流河道控制增加调蓄洪水资源的能力，通过新增引水闸站和闸站改造，扩挖河道增强从长江、洞庭湖取水的能力。

4 结 论

本文通过总结当前水安全体系研究主要成果，结合地区水安全问题现状，提出了四口水系地区水安全主要评价指标，包括：控制灾害类（防洪安全、排涝安全）、水供需矛盾类（灌溉供水安全）、生态环境类（水生态安全）、水价值类（航运安全），并对指标的选取依据作出了详细阐述，并提出了满足各项评价指标的具体阈值。通过统计实测数据、参考相关规划、对照分析典型年实际情况，阐述了水安全评价指标阈值的合理性。成果提出四口水系地区地区水安全评价体系，并定量给出了具体指标阈值，具有一定的可操作性。但限于水安全评价研究工作涉及层面广、评价指标多等客观事实，四口水系地区水安全评价研究仍有进一步深入的空间和必要。□