洞庭湖區城西垸分蓄洪效果分析研究

徐 悅，宋 平，羅 雷，李 覓，李洪翔

（湖南省水利水電勘測設計規劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007）

1 概 述

城西垸是洞庭湖重要蓄滯洪區，地處長株潭城市群下游，由湘江東支、西支與南洞庭湖包圍，是湘水尾閭地區重要的分蓄洪場所，有效蓄洪容積8.2 億m3，垸內受堤防保護面積109.86 km2[1～2]。

根據《長江流域防洪規劃》[3]及《湖南省洞庭湖區防御洪水方案》[4]，城西垸蓄滯洪區的主要防洪任務為承泄城陵磯附近地區超額洪量，并在湘水發生大水時啟用蓄洪以保長沙市及周邊地區的安全。

近年來，湘江洪水位不斷升高，2017 年長沙站最高水位達39.51 m，已超過39.00 m 控制水位（文章中水位為凍結高程系統，分洪口門底高程為85 黃海高程系統，模型中水位均轉為85 黃海高程系統進行計算），造成湘江流域中下游地區防洪局勢緊張，由于以往城西垸未有過主動分洪情況，分蓄洪效果未知，因此，為了給防汛調度提供科學依據，開展城西垸分蓄洪效果分析研究工作十分必要。城西垸地理位置見圖1。

圖1 城西垸地理位置示意圖

2 分蓄洪模型構建及率定

考慮到長江中下游河湖水力聯系的整體性與復雜性，為真實模擬湘江流域尾閭地區及洞庭湖地區洪水情況，擬構建長江中游地區整體水力學洪水演進模型，并嵌入分蓄洪模擬模塊進行計算。

2.1 模型計算原理

計算采用一二維耦合水動力模型，對長江、湘江、資江、沅水、澧水及四口河系建立一維河網，對洞庭湖湖盆建立二維河網。

1）一維算法。河網中，水流控制方程是圣維南方程組，河網算法采用四點Preissmann 隱格式，將圣維南方程在相鄰斷面間離散成微段方程，再通過變量替換方法，形成只包含河段首斷面的水位、流量和未斷面水位、流量的關系式，將這些關系式進行一次自相消元得到一對以水位或流量為隱函數的方程組，再將此方程組代入相應的汊點連接方程和邊界方程，消去其中的水位或者流量，形成汊點矩陣方程。基本方程包括水流連續方程與水流運動方程。

水流連續方程：

式中Z、Q、A、B 分別為水位、流量、過水面積、水面寬度，β 為動量修正系數，Sf為摩阻坡降，采用曼寧公式計算，q 為旁側入流。

2）二維算法。利用任意三角形、四邊形單元劃分計算水域，采用基于嚴格守恒形式的有限體積法求解積分形式的二維淺水方程組，即對計算時段Δt=tn+1-tn和單元面積顯式積分，再把時段初空間導數項的面積分用格林公式化作沿單元周邊的圍線積分，面積分和圍線積分中被積函數設為常值分布，取單元形心處的值，建立每一單元FVM 方程組，進行逐單元水量、動量平衡計算。

二維不恒定淺水方程組的守恒形式：

其中守恒物理量W、x 向和y 向通量向量F 和G，以及源項向量D 分別為：

2.2 模型構建范圍

模型構建范圍上始宜昌下至漢口，包括注入長江干流的重要支流和洞庭湖區。長江干流段包括清江、沮漳河、陸水、漢江等主要支流，洞庭湖區包括荊江四口水系及湘、資、沅、澧四水等地區，分蓄洪模擬模塊主要考慮城西垸的設置。模型水系概化見圖2。

圖2 模型水系概化圖

2.3 模型率定與驗證

模型采用2017 年實測水文數據進行率定，以2016 年水文數據進行驗證。率定與驗證范圍為長江河段（宜昌至漢口）、四水尾閭（四水控制站以下）與洞庭湖區的主要控制站，主要包括枝城、沙市、螺山、長沙、益陽、常德、津市、南嘴、小河咀、石龜山、鹿角及城陵磯。

從模型率定與驗證的結果看，模型較好地反映了高洪水位的洪水過程，峰谷對應、漲落一致、洪峰水位較好吻合。水位率定與驗證誤差范圍在0.30 m 以內，并且計算水位誤差在0.20 m 以內的站點數占測驗站總數的61%。結果說明所建模型和所選參數較好地模擬了長江中下游洪水過程情況。長沙與城陵磯站率定驗證結果見圖3～圖6。

圖3 長沙站水位過程率定

圖4 長沙站水位過程驗證

圖5 城陵磯（七里山）站水位過程率定

圖6 城陵磯（七里山）站水位過程驗證

3 分蓄洪效果

3.1 分蓄洪方案確定

根據《湖南省洞庭湖區防御洪水方案》，湘江發生大洪水時城西垸分蓄洪啟用條件為：當長沙站水位達到39.00 m，并預報仍將繼續上漲，且長沙市城區或爛泥湖垸危急時，首先啟用湘江尾閭翻身外垸、樟樹港、文徑港、石牛垸、烏龜沖、洋沙湖等垸行蓄洪水;如上游來量較大，采取上述措施仍不能有效緩解其危急時，啟用翻身垸、蘇蓼垸、城西垸和義合垸行蓄洪水。（本次僅對城西垸的分蓄洪效果進行模擬，對其它堤垸不做分析）。

2017 年湘江流域入汛較早，受強降雨及上游來水影響，發生了流域性特大洪水，干流全線超保證水位，半數河段超歷史，尤其是長沙站洪峰水位39.51 m，超歷史最高0.33 m，洪水重現期超100 年一遇。本次降水首輪發生在6 月22—24 時，湘西北普降大到暴雨，資、沅水來水迅猛，洞庭湖水位從6 月23 日開始上漲。第二輪降水在6 月25—27 日，此時雨帶南移至湘江流域，暴雨中心位于湘中以南，湘水入湖流量迅速增大，南洞庭湖水位加速上漲，湘陰等站最大日漲幅接近1 m。第三輪降水發生于6 月29 日—7 月1 日，湘、資、沅流域普降大到特大暴雨，湘潭站7 月3 日出現洪峰水位41.24 m，超警戒水位3.24 m，并于7 月4 日出現最大洪峰流量19 900 m3/s（實測排位第3）。洞庭湖水位持續攀升，發生了歷年來最大洪水過程，對湘江尾閭地區頂托影響越發明顯。

本次選取2017 年湘江洪水進行模擬計算，計算時間為6 月1 日—8 月31 日，以長沙站39.00 m 水位作為分洪控制水位。為比較不同分蓄洪方案的分蓄洪效果，分別考慮不同分洪口門寬度方案及行蓄洪方案。方案1 為不啟用堤垸分蓄洪方案，方案2、4、6 為不考慮行蓄洪方案（不考慮吐洪方案），方案3、5、7 為考慮行蓄洪方案（考慮吐洪方案），分蓄洪方案詳見表1。

表1 城西垸啟用計算方案

3.2 堤垸蓄洪結果分析

堤垸蓄洪情況如表2，方案中堤垸庫容均基本得到充分利用，城西垸出現最大蓄洪量為8.38 億m3（方案6），該計算結果超過城西垸8.2 億m3有效蓄洪容積的原因是模型未設定進洪口閘門關閉控制條件。方案2、4、6 中城西垸蓄洪容積均已蓄滿，蓄滿歷時隨著分洪口門的增大而減少，分別為87 h、73 h、67 h。方案3、5、7 中由于采用行蓄洪工況，蓄滿率均約為95%至97%，蓄滿歷時分別為85 h、74 h、69 h。對150 m、200 m、250 m 的分洪口門寬度方案，對應的進洪口最大流量分別約為3 400 m3/s、4 500 m3/s、5 600 m3/s。垸內蓄洪情況詳見表2。

表2 城西垸蓄洪情況

3.3 分蓄洪效果分析

2017 年湘江洪水屬于單峰情況，洪峰大致在750～800 h 時段內，之后洪峰過去，水位逐漸降低。為比較分析城西垸分蓄洪對湘江尾閭地區的效果，選取長沙、靖港及湘陰作為監測站。各方案分蓄洪效果詳見圖7、8 及表3。

圖7 長沙站水位過程

表3 城西垸分蓄洪效果

對長沙站，行洪（方案3）的分蓄洪效果比不行洪（方案2）好，增大分洪口門寬度（方案6）的分蓄洪效果比不增加（方案2）好。其中，增大分洪口門寬度且行洪（方案7）的分蓄洪效果最好，降低長沙站水位0.21 m。但總體看來，各方案分蓄洪效果在0.12～0.21 m 之間，其原因是城西垸在長沙站下游，位置距長沙站較遠且中間有長沙航電工程影響所致。

圖8 長沙站水位過程局部放大圖

對靖港站，大部分方案對比結果與長沙站類似，但250 m 分洪口門方案（方案6）比200 m 分洪口門方案（方案4）分蓄洪效果差，原因為城西垸蓄滿前洪峰未過，沒有控制住洪峰的影響，使得水位二次上漲，導致分蓄洪效果較差。分蓄洪效果最佳為方案7，降低靖港站水位0.41 m。

對湘陰站，不行蓄洪時，隨著分洪口門的增大（方案2、4、6），分蓄洪效果減小，原因同樣為城西垸蓄滿前洪峰未過，沒有控制住洪峰的影響，使得水位二次上漲。分蓄洪效果最佳為方案7，降低湘陰站水位0.41 m。

另外，對部分情況，湘陰站的分蓄洪效果比靖港站差，其原因是湘陰站盡管在城西垸口門下游，但本身受南洞庭湖湖盆水位頂托影響較大，導致水位降低效果有時還不如靖港站。對比不行洪方案，所有行洪方案的效果都更加明顯，原因是行洪方案增大了河道過水斷面，使得過水更加順暢。

對比不啟用城西垸分蓄洪情況，方案2～7 都縮短了洪水超控制水位（長沙站）時間，其中不行蓄洪方案2、4、6分別縮短了8h、6h、4h，行蓄洪方案3、5、7 分別縮短了13 h、11h、12h。由于行蓄洪方案相當于增大了行洪斷面，比不行蓄洪方案縮短控制水位時間的效果更好。

4 結論與建議

4.1 主要結論

1）以控制長沙站水位為目標，模擬計算結果中分蓄洪效果最好的為方案7：城西垸分洪口門寬度250 m，開啟退洪口，形成上吞下吐行洪通道。此方案長沙站最高水位為39.28 m，超啟用水位0.28 m，較不分洪工況最高水位降低0.21 m。

2）以2017 年湘江洪水工況來看，城西垸在不開啟行蓄洪條件下均能蓄滿，最快為方案6，僅67 h。開啟行蓄洪條件下，城西垸蓄滿率為95%～97%。

3）對比不行蓄洪方案，行蓄洪方案更能有效縮短洪水超控制水位時間，縮短時間為11～13 h。

4）城西垸位于長沙市下游，分蓄洪對降低長沙市水位的效果相對較小，但對降低爛泥湖垸附近及洞庭湖的水位，效果相對較好。

4.2 建 議

1）對于重現2017 年湘、資、沅水遭遇的四水組合型洪水，當滿足分蓄洪條件時，城西垸可依水情適當擴大濠河口沙灣分洪口門寬度蓄洪，當蓄滿后若水位仍然上漲，則開啟斗米嘴吐洪口，形成上吞下吐行洪通道。由于分蓄洪后外河洪水仍高于堤防設計洪水位，故需加強重點垸堤防防守。

2）城西垸位于長沙市下游，啟用時對長沙站水位的分蓄洪效果在0.2 m 左右，為解決長沙市的超標準洪水問題，建議還應在上游尋求適當位置設置分蓄洪區。