新型防洪減災措施在洞庭湖中的模擬應用研究

劉易莊，楊樹清，蔣昌波，隆院男，鄧 斌，劉虎英

(1.長沙理工大學 水利工程學院，湖南 長沙 410114；2.School of Civil,Mining and Environmental Engineering,University of Wollongong,NSW 2522,Australia；3.洞庭湖水環境治理與生態修復湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114；4.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410008)

1 研究背景

洞庭湖位于長江中下游，距離三峽大壩約400 km。湖區內河網密布、水系縱橫交錯(見圖1)，是我國聞名的治水難地。近年來，隨著氣候變化及人類活動影響的加劇[1-3]，洞庭湖區洪澇災害日益頻繁。此外，洞庭湖屬于吞吐型湖泊，汛期內由于長江上游及其“四水”支流來水量大，加之湖泊下游的水位頂托，水量下泄較慢，從而使得湖內水位迅速抬升并充滿整個湖泊；而在枯水期，天然湖泊由于缺乏調控，汛期過后湖內水位將急劇下降，湖內大部分區域變成灘地。近年來，在三峽水庫運行后，由于荊江河道沖刷下切，“三口”分流量逐年下降[4]，洞庭湖北部地區已出現了較為嚴重的季節性缺水問題。

圖1 洞庭湖區水系及堤垸分布

目前針對湖區的防洪形勢，學者們提出了許多治理措施，大致可歸納為4類：(1)“封山育林、退耕還林”[5-7]。森林面積減少將直接導致土壤荒漠化，從而加劇水土流失，使得下游湖泊產生淤積。張育德[5]認為“封山育林、植樹造林”是治理洞庭湖區洪水災害的重要措施之一。劉志強[6]研究發現，洞庭湖區湖底平均淤高已超過1.0 m，而水土流失是湖泊淤積的主要原因，同時指出水土保持是治水的根本。聶芳容[7]指出長江治水必須從源頭攔沙，加強水土保持，防止水土流失。(2)“三峽建壩，四水建庫、三口建閘”[8-9]。三峽大壩可有效控制長江上游洪水，“三口建閘”則可調節“三口”分水分沙，而“四水建庫”將控制“四水”入湖水沙來水，因此建立“江、河、湖、庫”四位一體化的綜合防洪體系是各界專家普遍認可的有效措施[9-12]。(3)“加高加固堤防，提高防洪標準”[5-6]。湖區防洪堤是歷經多年修建而成的[13]，當前已顯現出許多問題，比如堤基滲透嚴重、堤岸沖刷及堤身出現孔洞等問題，這些問題嚴重影響著湖區防洪大堤的穩定性，為湖區防洪帶來巨大隱患。此外，堤壩工程的眾多隱患已在上世紀的幾場大洪水期間突顯出來，“加固堤防、提高防洪標準”已為眾多學者所認同[5-7,10-14]。(4)“退田還湖、平垸行洪”[11,15]。“退田還湖”主要是將上個世紀盲目圍墾的垸田重新變為湖泊，從而增加蓄洪容積，提升洞庭湖的蓄洪能力；同時研究者們根據堤垸在洞庭湖防洪中所起的作用，提出了較為具體的退田方案，即“人耕都退”和“退人不退耕”方案。

而針對洞庭湖季節性缺水問題，目前提出的治理措施大致可以分為兩類：引江濟湖及蓄洪補枯。童潛明[16]通過對兩種方案的詳細的對比分析認為，“引江濟湖”是緩解湖區季節性缺水困境的最優方案。目前洞庭湖“蓄洪補枯”方案主要有：(1)“四水”建庫、深挖湖底及湖內建低壩[17]；(2)城陵磯建閘[18]；(3)“三口”興建平原水庫[8]；(4)洞庭湖內建設“湖心水庫”[19]。

上述工程大多是針對洞庭湖區防洪或季節性缺水問題提出的，盡管劉虎英等[19]提出的“湖心水庫”方案在一定程度上能實現防洪補枯的作用，但其僅應用在西洞庭湖，蓄水量相對較少，對整個洞庭湖防洪減災效果有限。本文根據Yang等[20]及Liu等[21]的Bypass方案及“蓄洪補枯”理念，提出適用于整個洞庭湖區的“河湖分離”方案，以期改善洞庭湖內防洪形勢及季節性缺水困境。

2 數據與方法

據統計，洞庭湖湖泊容積約為167×108m3，在天然情況下湖泊大部分容積將被中小洪水占據[19]，從而減弱了洞庭湖的調蓄能力。若能將內湖與湖內洪道隔開，使得中小洪水只通過湖內洪道流向下游不占據湖容，這將大大增加洞庭湖的有效防洪庫容。基于以上分析及Yang等[20]的Baypass方案，本研究提出了“河湖分離”方案，其示意圖如圖2所示。

圖2 洞庭湖區“河湖分離”方案示意圖

洞庭湖區“河湖分離”方案運行過程如下：在汛期來臨之前，將內湖水位降至生態水位從而騰出湖容增加洞庭湖的調蓄能力；在汛期期間，關閉內堤上的閘門直至超標洪水超過湖內控制水位時才開啟分洪，以降低湖內洪峰水位，洞庭湖蓄洪過程閘門開啟時段示意圖見圖3；當超標洪水過后，重新關閉閘門，內湖存儲的大量水資源則可用于枯水期補水，緩解湖區供水壓力。

圖3 洞庭湖蓄洪過程閘門開啟時段示意圖

圖4為“河湖分離”方案應用于整個洞庭湖區的示意圖。整個內湖面積為1 651 km2，其中西洞庭內湖、南洞庭內湖及東洞庭內湖的面積分別為169、561及921 km2。在洪水來臨之前，需將各內湖水位降至最低生態水位，從而使得內湖有足夠的湖容容納超標洪水。各湖區最低生態水位可通過湖泊形態分析法[22]計算得出：西洞庭、南洞庭及東洞庭的最低生態水位分別為29.0、27.5及26.0m。在洪水期，當湖內水文控制站點的水位達到控制水位時(本研究采用防洪保證水位作為各站點的控制水位，見表1)，將打開內湖堤上閘門分洪，緩解湖區防洪壓力。

圖4 洞庭湖內“河湖分離”方案布置

表1 洞庭湖內各站點防洪保證水位(1985國家基準高程)

3 結果與分析

3.1 “河湖分離”方案防洪效果分析

以1996年型大洪水為例，采用文獻[23]構建的荊江-洞庭湖二維水動力模型，探討“河湖分離”對洞庭湖區有效防洪庫容、洪峰水位及湖內流場的影響。

3.1.1 有效防洪庫容 有效防洪庫容可采用以下公式進行估算：

Ve=S·Δh=S(Hmax-hi)

(1)

式中：Ve為有效防洪庫容，108m3；S為面積，km2；Hmax為最高水位，m；hi為洪水起漲水位(本研究中自然條件下起漲水位為保證水位，“河湖分離”起漲水位則為湖內最低生態水位)，m。

若遇1996年型大洪水，“河湖分離”方案各湖區有效防洪庫容與自然條件下比較見表2。由表2可以看出，采用“河湖分離”方案后，洞庭湖總有效防洪庫容由自然條件下的20.91×108m3增加至119.01×108m3，增加了約5.7倍；其中，西洞庭有效防洪庫容增加了8.37×108m3，南洞庭增加了30.97×108m3，而東洞庭湖有效防洪庫容增加最為明顯，為58.76×108m3。因此，實施“河湖分離”方案后，洞庭湖內有效防洪庫容將大大提高。

表2 “河湖分離”方案各湖區有效防洪庫容與自然條件下比較(1996年型大洪水)

3.1.2 湖內水位變化 圖5為“河湖分離”方案及自然條件下洞庭湖內南咀站(西洞庭)、營田站(南洞庭)、城陵磯站(東洞庭)的水位變化過程(1996年型大洪水)。由圖5(a)可以看出，若洞庭湖遭遇1996年型大洪水，采用“河湖分離”后，在水位達到控制水位之前，由于內湖閘門尚未開啟，湖內過水斷面減小，從而使得南咀站點(西洞庭)水位高于自然情況下的水位；當水位上漲至控制水位(34.20 m)時，閘門開啟分洪減小了水位上漲的速度。但是由于西洞庭湖的容積相對有限，因此實施“河湖分離”方案后，南咀站洪峰水位僅出現略微下降。由圖5(b)可以看出，在水位達到控制水位之前，由于內湖閘門尚未開啟，湖內行洪斷面減小，與自然條件相比，營田站(南洞庭)的漲水速度明顯加快；當水位上漲至控制水位后(33.10 m)，開啟閘門分洪，有效減緩了營田站點的水位上漲速度，最終其洪峰水位出現略微下降。圖5(c)表明，城陵磯站點(東洞庭)水位變化過程與營田站點水位變化類似，在水位達到控制水位之前，其水位明顯高于自然條件下的水位；隨后，由于西洞庭與南洞庭內閘門開啟蓄洪(西洞庭及南洞庭內水位先于東洞庭內水位達到保證水位)，減緩了城陵磯站點的水位上漲速度；當城陵磯水位上漲至控制水位時(32.50 m)，內湖閘門開啟蓄洪，明顯降低了水位上漲速度，最終城陵磯水位在7月18日至24日期間出現明顯下降，其水位平均下降了約0.25 m。

圖5 “河湖分離”方案與自然條件下洞庭湖內各特征水文站點水位變化過程(1996年型大洪水)

洞庭湖在實施“河湖分離”方案后，若遭遇1996年型大洪水，湖內各水文站點洪峰水位值與自然條件下比較如表3所示。由表3可見，西洞庭及南洞庭內洪峰水位下降幅度較小，其各水文站點洪峰水位下降值分別為0.06(南咀站)、0.08(小河咀站)及0.08 m(營田站)；而東洞庭湖內水文站點(鹿角站和城陵磯站)洪峰水位則出現明顯的下降，其峰值水位下降值分別為0.36(鹿角站)和0.37 m(城陵磯站)。因此，針對1996年型洪水實施“河湖分離”方案后，西洞庭及南洞庭湖內洪峰水位變化較小，但能明顯降低東洞庭湖內洪峰水位，因此將緩解東洞庭湖區及其下游的防洪壓力。

表3 “河湖分離”方案各特征水文站點洪峰水位與自然條件下比較(1996年型大洪水) m

3.1.3 湖內流場變化 “河湖分離”方案主要通過修筑內堤及布置若干閘門實現，但這些水工建筑物的存在必將改變湖內水動力條件。由于各個湖區的內堤及閘門布置的形式基本一致，因此以東洞庭湖為例，分析實施“河湖分離”方案后湖內流場的變化情況。當城陵磯站點水位達到洪峰水位時，東洞庭湖內流場分布如圖6所示。由圖6(a)可以看出，在自然條件下洪水進入東洞庭湖后，由于過水斷面增大，洪水向東洞庭湖內偏移，同時由于受到湖泊外輪廓的限制，在東洞庭湖的西南角及東北角區域出現兩個較大的漩渦區，湖內洪水最終通過城陵磯匯入長江。在東洞庭內實施“河湖分離”方案后，內堤將內湖與河道隔開，由于內堤的導流作用，湖內流場發生顯著變化，比如湘江尾閭河道內水流沿著內堤徑直流向下游。在目前“河湖分離”方案的布置情況下(圖4)，東洞庭內湖流場將由入湖的3股水流相互作用形成(圖6(b))，即由藕池東支流入內湖的水流A、經過東洞庭湖上游閘門(7#)流入內湖的水流B、經過東洞庭湖下游閘門(8#)流入湖內的水流C。在這3股水流作用下，湖內將形成“對流線”(圖6(b)中虛線方框位置)，由于各股水流相互作用，因此泥沙可能在“對流線”附近淤積。此外，各股水流的強弱直接影響“對流線”的位置，因此可通過內堤上閘門調節入湖水流強度來調整湖內流場。

圖6 自然條件和“河湖分離”方案東洞庭湖內流場圖

3.2 “河湖分離”方案蓄水效果分析

據資料顯示[24]，三峽工程運行導致清水下泄加劇了下游河道沖刷，加之三峽工程對中小洪水過程的調節，進一步降低了“三口”分流比，從而使得洞庭湖內的中低水位逐漸下降；同時由于長江中下游河道下切，洞庭湖出口水面坡降增大，增強了湖口的出流能力，從而導致枯水期洞庭湖區多處出現取水困難。圖7為洞庭湖區域2011年枯水期(4月)遙感影像圖，由圖7可以看出，除了澧水尾閭、沅水尾閭、南洞庭湖洪道、湘江尾閭及東洞庭湖部分區域有湖水外，湖內大部分區域均已成為灘地。

圖7 洞庭湖區域枯水期遙感影像圖(2011年4月)

在上文“河湖分離”方案介紹中指出，當汛期超標洪水來臨時，閘門開啟分洪；當超標洪水過后，重新關閉閘門，則內湖存儲的大量水資源可用于枯水期補水，緩解湖區供水壓力，這將為解決洞庭湖區季節性缺水問題提供新的解決思路。

洞庭湖歷年可用蓄水量可由以下公式計算得出：

(2)

式中：Si為內湖面積，km2；hmax為湖內最高水位，m；hSWL為保證水位，m；hd為各湖區最低生態水位，m。假如湖內最高水位大于保證水位，將采用保證水位進行計算洞庭湖內可用蓄水量。

圖8為1996-2014年洞庭湖可用蓄水量統計圖。圖8表明，在大洪水年(如1996、1998、1999和2002年)，洞庭湖內最高水位均超過保證水位，因此湖內可用蓄水量達到洞庭湖蓄水量最大值104.34×108m3；與此同時，即使在極端干旱年(如2006和2011年)，洞庭湖內可用蓄水量仍可達29.08×108m3(2006年)和18.08×108m3(2011年)，由此可見，洞庭湖具有很大的蓄水潛力。因此，采用本研究提出的“河湖分離”方案可以有效緩解洞庭湖區季節性缺水的狀況。

圖8 1996-2014年洞庭湖可用蓄水量統計

4 結 論

根據“蓄洪補枯”理念，在Yang等[20]與Liu等[21]的Bypass方案基礎上，提出了適用于洞庭湖的“河湖分離”防洪減災方案，通過數值計算定量評估了其防洪抗旱效果。結論如下：

(1)當洞庭湖實施“河湖分離”方案后，若遇1996年型大洪水，洞庭湖的有效防洪庫容可從自然條件下的20.91×108m3增加至119.01×108m3，增加約5.7倍，從而增強了洞庭湖的削峰能力，比如城陵磯站點的峰值水位可下降約0.37 m。

(2)以東洞庭湖為例，通過分析湖內流場變化發現，由于內堤上布設的閘門控制了水流進入內湖的位置，從而徹底改變了湖內流場。在目前“河湖分離”方案下，東洞庭湖內存在3股不同方向的入流，在其相互作用下，將在湖內形成“對流線”，由于各股水流相互作用，因此泥沙可能在“對流線”附近淤積。

(3)實施“河湖分離”方案后，通過統計分析洞庭湖可用蓄水量發現，洞庭湖具有巨大的蓄水潛力。在大洪水年(如1996、1998、1999和2002年)，湖內可用蓄水量可達104.34×108m3；即使在極端干旱年(如2006和2011年)，洞庭湖內可用蓄水量可達29.08×108m3(2006年)及18.08×108m3(2011年)。因此，采用本研究提出的“河湖分離”方案可以有效緩解洞庭湖區季節性缺水的狀況。

盡管“河湖分離”方案在洞庭湖內可取得較好的防洪減災效果，但其具體的實施方案有待進一步研究。洞庭湖內實施“河湖分離”方案后，湖內水動力過程將發生巨大改變，從而進一步影響洞庭湖內水體交換及泥沙沖淤情況。因此，下一步研究工作有必要在現有模型的基礎上，研究湖內水體交換及泥沙運動過程，定量分析“河湖分離”對湖內水環境及泥沙沖淤的影響，并針對“河湖分離”方案可能帶來的一系列不利影響提出有效解決方案。