三峽水庫枯水期不同運行方式對洞庭湖生態補水效果研究

戴凌全， 蔡卓森， 劉海波， 戴會超， 王 煜， 湯正陽

(1.三峽大學 水利與環境學院， 湖北 宜昌 443002； 2.中國長江三峽集團有限公司，北京 100038； 3.中國長江電力股份有限公司， 湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

作為長江中下游的國際重要濕地保護區和“江河吞吐器”，洞庭湖在維持湖區生態平衡中起到決定性作用[1]。然而進入21世紀以來，受流域內降雨偏少、長江下游河道沖刷等內外多重因素共同影響，洞庭湖枯水期水位不斷跌破歷史最低記錄且低水位持續時間延長，直接影響以濕地為主要棲息地的候鳥數量。同時水位降低流速減緩致使水體交換與自凈能力減弱，湖區主要污染指標TN和CODMn呈升高趨勢，加劇了湖區水質污染和水環境惡化[2]。洞庭湖面臨的季節性型缺水對湖區乃至長江中下游地區的生態及生產用水都將起到極大地束縛作用，已成為繼洪澇災害之后又一重要問題，必將對湖泊水生態環境及湖區居民帶來嚴重影響[3-4]。采取有效措施避免湖泊出現過低水位已成為當務之急。

維持洞庭湖枯水期適宜的水位可采取工程措施和非工程措施，其中工程措施包括三口建閘、城陵磯建閘等[5-6]，但工程措施可能產生不利的生態影響，引起了學術界的激烈爭論，目前仍處在論證階段[7-8]。現階段通過水庫優化調度等非工程措施對洞庭湖進行補水正受到各方面的高度重視[9-11]。三峽水庫是長江干流控制性骨干工程，興利庫容165×108m3，為充分發揮三峽水庫的補水效益，水庫通過調整消落方式，多次實施針對長江中下游河道水位偏低的補水調度實踐并取得了初步成效，如2014年2月19日三峽水庫下泄流量較初步設計增加1 550 m3/s，長江干流與洞庭湖交匯點城陵磯水位提高1.43 m，可見優化水庫消落方式對提高洞庭湖水位具有實踐上的可操作性[12-14]。然而由于洞庭湖湖盆形態和入湖水流條件的差異，三峽水庫不同下泄流量對洞庭湖補水效果存在空間差異性，同時改變消落方式對發電量的影響也是水電站運行單位關注的問題。因此準確分析水庫不同消落方式對洞庭湖補水效果的空間分布格局及對水電站發電量的影響是制定水庫消落方式的前提條件。

目前針對三峽水庫補水調度的研究主要是圍繞水庫汛末蓄水問題，重點關注的是電站發電量、長江下游河道的生態流量及航運等問題。如左建等[15]綜合考慮發電量、通航及生態需水等方面因素對三峽水庫蓄水時間和方式進行了研究；周研來等[16]分析了水庫防洪、發電、蓄水和航運等目標之間的矛盾，并提出了三峽-葛洲壩梯級水庫蓄水方案；戴凌全等[17]提出了蓄水期兼顧洞庭湖補水的三峽水庫優化調度方案；孫思瑞等[18]采用BP神經網絡模擬了三峽水庫蓄水期不同調度方案對洞庭湖出口城陵磯水位的影響。在三峽水庫枯水期向長江中下游的補水方面已有部分研究成果，如張先平等[19]分析了三峽-葛洲壩梯級水庫對長江中下游枯水期的補水能力，但側重點在于長江中下游的航運需求；陳進[20]分析了長江中下游干旱對三峽水庫調度的需求，并提出了針對下游河道抗旱補水的三峽水庫調度原則。鮑正風等[21]從發電的角度對三峽水庫汛前消落期優化調度方式進行了研究。然而針對三峽水庫枯水期不同運行方式對洞庭湖補水效果及發電量的影響尚需進一步定量評估。

本文通過三峽水庫2010年正常運行后歷年水位消落過程擬定兼顧洞庭湖生態補水的3種水庫典型運行方式，進而通過江湖一體化耦合水動力模型量化不同消落方式對洞庭湖補水效果的空間分布格局，定量評估不同方式對發電量的影響，為三峽水庫消落方案的制定提供科學依據。

2 三峽水庫枯水期典型消落方案擬定

三峽水庫為不完全年調節水庫，根據2009年10月水利部印發的《三峽水庫優化調度方案》，水庫按防洪、發電、航運、水資源利用等綜合效益進行調度。水庫正常蓄水位175.0 m，枯季最低消落水位155.0 m，汛限水位145.0 m。水庫蓄水至175 m后到次年水位降至消落水位這段時間稱為水庫的枯水期[22]。枯水期水資源利用的原則為：在1-2月下游最需用水的時段，水庫在滿足發電、航運需求下泄流量的基礎上增加最小下泄流量，將消落開始時間提前到5月25日，自1月1日至5月25日水庫水位均勻下降至枯季最低消落水位155 m，至6月10日水位降落到汛限水位浮動范圍內[21]。

2010年10月26日，三峽水庫首次成功蓄水至正常蓄水位175.0 m，截止2018年10月31日三峽水庫連續9年實現175 m試驗性蓄水目標，為水庫發揮枯水期生態補水效益奠定了堅實的基礎。圖 1反映了三峽水庫2010-2018年水庫消落過程。從圖1中可以看出：水庫在10月底均蓄水至175.0 m，水庫基本都從12月下旬開始消落，5月下旬水庫水位降至155.0m，6月上旬降至汛限水位145.0 m。

圖1 三峽水庫2010-2018年消落方式

圖2 三峽水庫枯水期不同時段水位波動范圍

三峽水庫枯水期不同運行方式對下游河道及洞庭湖水位的影響程度不同，對于洞庭湖而言每年1-3月屬于枯水期，湖區水生態環境對水位波動極為敏感，因此研究時段集中在1-3月。根據三峽水庫2010-2018年正常運行以來水庫水位統計數據可知：水庫1月上旬水庫水位變幅為[171.0 m, 175.0 m]，3月下旬水庫水位變幅為[161.0 m, 167.0 m](圖 2)，因此根據水位變幅設置3種典型的消落方式(圖 3)。方案設置時考慮地質災害治理工程安全及水庫岸坡穩定對水庫降水位速率的要求，枯水期水庫水位下降速率按不超過0.6 m/d控制[22]。

方案1：提前消落。3月底水位按最低水位控制，12月1日至1月1日水庫水位為175.0 m，其后水位按0.156 m/d均勻降落，至3月31日水庫水位為161.0 m，其后按0.200 m/d均勻降落，至4月30日水位降至最低消落水位155.0 m；

方案2：均勻消落。3月底水位按適中水位控制，12月1日水庫水位為175.0 m，其后水位按0.065 m/d均勻降落，至1月1日降至173.0 m，其后按0.100 m/均勻降落，至3月31日水位為164.0 m，再按0.3 m/d均勻降落，至4月30日水位降至155.0 m；

方案3：高水位消落。3月底水位按最高水位控制，12月1日水庫水位為175.0 m，其后水位按0.129 m/d均勻降落，至1月1日水位為171.0 m，其后按0.044 m/d均勻降落，3月底水位為167.0 m，其后再按0.4 m/d均勻降落，至4月30日降至155.0 m。

圖3 三峽水庫消落期典型方案設計

3 江湖一體化水動力耦合模型

3.1 研究范圍及數學模型

為定量分析三峽水庫不同運行方式對洞庭湖生態補水效果的空間分布差異，建立涵蓋長江干流河道(三峽壩址至螺山)、洞庭湖及支流、三口河系等多種不同水文單元的水動力模型，洞庭湖支流取自四水控制站(湘潭、桃江、桃源和津市)至湖區。水動力耦合模型的計算范圍見圖 4。

根據各水文單元特征，分別構建一維、二維兩種不同維度的水動力數學模型。一維模型用于模擬長江干流、三口河系、洞庭湖支流河段的水力特征。河道斷面是一維水動力模型重要的基礎數據，考慮到長江干流及支流河道距離長、斷面復雜的特點，為準確反映河道沿程變化和過水能力，在已有資料的基礎上盡可能多取河段斷面，長江干流河段5～10 km布設一個斷面，共剖分150個斷面，洞庭湖支流及三口河系平均10 km布設一個斷面。二維模型則用于水域面積較大而且水流運行復雜的區域(湖區及江湖交匯區)，根據洞庭湖歷史水文資料確定湖區最高水位淹沒邊界，據此設定二維模型的計算邊界。根據邊界和地形數據劃分網格，由于三角網格能精細刻畫計算區域的岸線條件，因此二維模型采用非結構化不規則三角網格，網格大小根據地形的空間分布等確定。

根據上述原則并兼顧計算時間，洞庭湖節點總數9 424個，單元總數14 289個，最長邊長1 396 m，最短邊長119 m。

圖4 水動力模型的計算范圍

為了充分利用一維模型和二維模型在各自領域單獨應用時的優勢，避免模型單獨使用時存在的網格精度和計算效率問題，一維與二維模型實施動態耦合，以實現水流過程在不同維度水文單元上的演進。模型中耦合點包括四水與洞庭湖交匯區域、長江干流與洞庭湖交匯區域，均為垂向連接。由一維模型計算出連接河道末端的流量垂直流向二維模型，并作為源項提供給二維模型連接網格單元。由二維模型計算出連接網格單元的水位流向一維河道的連接節點，并作為該節點的水位邊界。

3.2 邊界條件

模型邊界條件包括水文邊界和地形邊界。其中水文邊界包括三峽水庫出庫流量、清江流量(高壩洲站)、洞庭湖四水控制站入流(湘潭、桃江、桃源和津市)，采用日均流量過程(圖 5)，下游邊界條件采用螺山站水位-流量關系曲線(圖 6)。因此在模型計算時，只需給定三峽水庫下泄流量、清江流量、四水流量和初始條件即可計算出整個區域內部的水位、流量、流速等時空變化過程。地形邊界采用2006年的長江干流和洞庭湖區地形。綜合考慮模型穩定性及計算效率等因素，設定一維模型計算時間步長為30 s，二維模型最大計算步長為5s、最小計算步長為0.1 s，時間步長可根據水流信息與地形條件自動調整。

3.3 參數率定與驗證

模型的主要參數為糙率，糙率是水動力學模型最重要且較為敏感的計算參數，反映了河湖底部及岸坡、湖區地表影響水流阻力的綜合系數。結合研究區域的現有資料情況，選取資料完整的2017年1月1日-12月31日作為代表年對參數進行率定與驗證。以主要站點水位為特征值率定模型，長江干流選取宜昌、枝城、沙市、監利為率定點，洞庭湖選取城陵磯、鹿角、楊柳潭、南咀為率定點(圖 4)。主要水文站點水位率定結果如圖7所示。

圖5 2017年三峽水庫出庫及四水入湖日均流量過程

圖6 螺山水文站水位-流量關系曲線

圖7 2017年各站點計算水位與實測水位對比圖

由圖7可知，各站點水位計算結果與的實測水位基本一致。一維模型計算的長江干流4個水文站的水位模擬結果與實測水位吻合較好，計算值與實測值的相對誤差不超過6%，說明模型所取的參數較合理。洞庭湖城陵磯站模擬效果較好，而洞庭湖內部站點鹿角站、楊柳潭站和南咀站模擬效果略差，分析其原因是由于城陵磯水位受長江干流水位影響明顯，而洞庭湖內站點受四水影響更為復雜，因此離干流較遠的站點模擬效果相對較差，但相對誤差也控制在10%以內。總體來看所建立的水動力模型的模擬誤差均在可接受范圍內，可以滿足計算要求。通過率定和驗證，河道糙率取值0.028～0.035，湖底糙率在0.022～0.029之間，其他參數設為默認值。

4 不同消落方式對洞庭湖補水效果及發電量的影響分析

4.1 不同消落方式對洞庭湖補水效果分析

利用三峽水庫平水年入流系列，根據水庫水量平衡原理計算水庫不同消落方式下水庫出庫流量(圖 8)。典型水文年的選取以宜昌站1950-2002年的長系列日流量資料為基礎，對研究時段內的流量進行排頻，取頻率為50%的流量為平水年。以不同消落方式下三峽水庫出庫流量作為一二維耦合模型的上游邊界條件，其它入流邊界條件采用同期控制性站點的流量，模擬計算得到不同消落方案下的洞庭湖代表性站點水位變化過程(圖 9)。

三峽水庫下泄流量的變化對洞庭湖水位的影響體現在兩個方面：一是增加或減少通過三口河系進入西洞庭湖的水量，二是提高或降低長江干流城陵磯站的水位，對洞庭湖的入江水流起著頂托或拉空作用，由于枯水期太平口、藕池口基本處于斷流狀態，而松滋口分流量較小，因此枯水期三峽水庫下泄流量對洞庭湖水位影響主要是干流的拉空或頂托作用。由圖9可知不同方案對洞庭湖不同湖區補水效果存在明顯的空間差異，提前消落方式由于水庫水位下降速率最大，1-3月平均出庫流量較均勻消落方式高560.59 m3/s，對東洞庭湖北部城陵磯的水位提升起到明顯的作用，城陵磯水位平均提高0.12 m，最小提高0.048 m，最大提高0.133 m，而對于東洞庭湖南部鹿角站、南洞庭湖楊柳潭站和西洞庭湖的南咀站作用甚微；而方案3高水位消落方案為使水位保持的高水位運行，1-3月平均出庫流量較均勻消落方案減小573.94 m3/s，此時對洞庭湖水位的影響主要集中在洞庭湖出口城陵磯站，城陵磯水位平均降低0.09 m，最小降低0.045 m，最大降低0.102 m，而對于洞庭湖其它站點水位影響較小。

4.2 不同消落方式對發電量的影響

發電是三峽水電站的主要任務之一，從水庫經濟運行的角度考量，水電站在各種約束下按發電量最大方式運行，這也是水電站運行人員的職責所在。

圖8 不同消落方案下三峽水庫出庫流量

圖9 不同消落方案下洞庭湖代表性站點水位變化情況

然而不同的消落方式可能造成發電量的減少，進而影響經濟效益，因此須對不同消落方案對發電量的影響進行定量評估。為便于各方案的比較一致性，將12月1日-次年4月30日作為調度期，調度期內總發電量計算方法如下：

(1)

式中：E為發電量，kW·h；A為電站綜合出力系數；Q為通過發電機組的流量，m3/s；ΔH為水庫上游與下游的水位差值，m；Δt為時段長度，h。

不同方案調度期總發電量計算結果如表1所示。

表1 不同方案的發電量對比 108 kW·h

通過表1可知，不同消落方式對三峽水電站的發電量存在一定的影響，方案1由于水位提前消落，水位比方案2低，發電量比方案2減小0.75×108kW·h，減幅0.30%；而方案3水位始終處于高水位狀態，發電量最多，比方案2增加0.7×108kW·h，增幅0.28%。

5 結 論

(1)構建了涵蓋長江干流河道、洞庭湖及支流、三口河系的江湖一體化耦合水動力模型，采用2017 年實測的水文資料率對模型的主要參數進行了率定和驗證，為定量評估三峽水庫不同下泄流量對洞庭湖水位分布的空間格局提供了有效手段。

(2)由于洞庭湖湖盆形態和入湖水流條件的差異，三峽水庫增泄流量對洞庭湖水位的影響僅限于東洞庭湖的北部地區。生態補水效果與發電量之間存在著相互制約的關系，提前消落方式可在發電量僅損失0.30%的情況下，使城陵磯水位平均提高0.12 m；而高水位消落方式可使城陵磯水位平均降低0.09 m，而發電量可增加0.28%。因此為了更好地滿足生態需水要求，可適當降低發電量。