徐衛(wèi)紅，張雙虎，李 娜，蔣云鐘

(1：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038) (2：水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038)

長(zhǎng)江中游枝城至城陵磯河段稱為荊江河段，洞庭湖位于荊江以南，北有松滋河、虎渡河以及藕池河(簡(jiǎn)稱三口河系)分泄長(zhǎng)江來(lái)水，南納澧水、沅江、資水以及湘江(簡(jiǎn)稱四水河道)入?yún)R，經(jīng)洞庭湖調(diào)蓄于城陵磯匯入長(zhǎng)江. 泥沙淤積、洪澇災(zāi)害、水污染與環(huán)境退化是洞庭湖區(qū)三大水安全問(wèn)題，學(xué)者們對(duì)洞庭湖區(qū)水文情勢(shì)[1-5]、泥沙條件[6]、洪災(zāi)損失[7]、水環(huán)境[8-10]與水生態(tài)[11]等方面開(kāi)展了眾多研究. 受自然地理與氣候條件的影響，洪澇災(zāi)害已成為當(dāng)前湖區(qū)人民最大的威脅[12]，且洞庭湖區(qū)大洪水發(fā)生的頻次呈現(xiàn)逐漸加密之勢(shì)[13]. 洞庭湖區(qū)的洪水主要來(lái)自荊南三河和湖南四水，從歷史洪災(zāi)來(lái)看，洞庭湖區(qū)是長(zhǎng)江中下游遭受洪災(zāi)最嚴(yán)重的區(qū)域之一，在長(zhǎng)江流域防洪治理中具有顯著地位[14]. 三峽水庫(kù)的運(yùn)用對(duì)保障長(zhǎng)江中下游的防洪安全發(fā)揮了巨大作用，洪峰的削減直接減小了三口河系的分洪量，同時(shí)，清水下泄打破了壩下河道原有的沖淤平衡狀態(tài)[15]，驅(qū)動(dòng)著長(zhǎng)江中下游江湖關(guān)系的新一輪調(diào)整. 研究表明，三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后，螺山河段枯水期同流量下水位下降，但汛期大流量下的水位卻有所抬升[16]，直接導(dǎo)致洞庭湖出口洪水的宣泄不暢.

三峽工程運(yùn)行以來(lái)，長(zhǎng)江中下游江湖關(guān)系的變化受到學(xué)者們廣泛關(guān)注，研究方法從1970s的水文學(xué)模型[17]、1980s的一維水動(dòng)力學(xué)模型[18]，發(fā)展到荊江-洞庭湖一、二維耦合的水動(dòng)力學(xué)模型[19-20]，后續(xù)又將模型的下邊界延長(zhǎng)至下游大通，形成長(zhǎng)江中下游水動(dòng)力學(xué)模型[21]. 受洪水漲落、下游頂托等影響，螺山的水位流量關(guān)系較復(fù)雜[22]，以水位流量關(guān)系較好的大通站作為出流邊界，能更為精確地反映長(zhǎng)江洪水與洞庭湖出流之間復(fù)雜的交互關(guān)系，且在長(zhǎng)江中下游整體防洪布局之下，才能合理計(jì)算城陵磯附近超額洪量的變化. 目前，長(zhǎng)江中下游水動(dòng)力學(xué)模型大多應(yīng)用于長(zhǎng)江中下游整體問(wèn)題的研究[23-24]，針對(duì)洞庭湖區(qū)水文情勢(shì)方面的研究，大多采用以螺山站為下邊界的水動(dòng)力學(xué)模型[4,25]或水文模型[5,26]. 目前，利用長(zhǎng)江中下游整體水動(dòng)力學(xué)模型探討三峽水庫(kù)對(duì)洞庭湖區(qū)防洪作用的研究較少，比如，顧慶福等[5]利用水文模型分析了三峽水庫(kù)不同調(diào)度方式對(duì)洞庭湖區(qū)的防洪作用；黃昌林等[27]從數(shù)據(jù)對(duì)比出發(fā)分析了三峽水庫(kù)運(yùn)行后洞庭湖區(qū)防洪工程的抗洪能力；Lai等[28]雖然以長(zhǎng)江中下游整體水動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，分析了1998、2010年洪水經(jīng)三峽水庫(kù)調(diào)蓄后洞庭湖區(qū)洪水位的變化，但未考慮濱湖區(qū)間降雨形成的徑流匯入.

本文在長(zhǎng)江中下游江湖關(guān)系和防洪布局下，構(gòu)建了考慮區(qū)間徑流的長(zhǎng)江中下游整體水動(dòng)力學(xué)模型，重演了中華人民共和國(guó)成立以來(lái)長(zhǎng)江最大的兩場(chǎng)全流域型大洪水，從荊南三口分洪量、洞庭湖出湖洪量、湖區(qū)最高水位、超額洪量變化這幾方面，定量分析了三峽水庫(kù)防洪調(diào)度對(duì)減輕洞庭湖區(qū)防洪壓力的貢獻(xiàn)，為今后洞庭湖區(qū)進(jìn)一步改善綜合防洪體系、提高防洪能力提供支撐.

1 研究方法

1.1 模型構(gòu)建

洞庭湖區(qū)水系主要包括松滋河、虎渡河、藕池河三口河系，湘江、資水、沅江、澧水四水尾閭，以及洞庭湖湖區(qū)[29]. 該區(qū)域?qū)儆趶?fù)雜平原河網(wǎng)地區(qū)，河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，汊點(diǎn)密布，江、河、湖互相串通，水流相互作用與制約，流向往復(fù)不定. 本文構(gòu)建了長(zhǎng)江中下游一、二維耦合的水動(dòng)力學(xué)模型，模擬范圍為長(zhǎng)江干流枝城至大通站、洞庭湖四水尾閭?cè)牒刂普?、鄱?yáng)湖五河尾閭?cè)牒刂普疽约伴L(zhǎng)江支流入江控制站所圍成的區(qū)域(圖1).

模擬范圍內(nèi)的河道概化為一維水動(dòng)力學(xué)模型，共設(shè)置1919個(gè)河道斷面，平均間距1～2 km，變化復(fù)雜的河道適當(dāng)加密；湖泊概化為二維水動(dòng)力學(xué)模型，共劃分約58000個(gè)三角形網(wǎng)格，平均面積0.11 km2. 河道和湖泊之間互為上下游關(guān)系，二維模型將n時(shí)步的水深傳遞給一維模型，一維模型將n+1/2時(shí)步的流量傳遞給二維模型，二維模型再將n+1時(shí)步的水深傳遞給一維模型，依此交替?zhèn)鬟f實(shí)現(xiàn)耦合. 長(zhǎng)江枝城-螺山段采用2006年實(shí)測(cè)地形，洞庭湖區(qū)采用2003年實(shí)測(cè)地形，長(zhǎng)江螺山-大通段、鄱陽(yáng)湖區(qū)采用1998年實(shí)測(cè)地形. 入流邊界包括長(zhǎng)江枝城站、洞庭湖四水尾閭和鄱陽(yáng)湖五河尾閭?cè)牒刂普疽约伴L(zhǎng)江中下游陸水、漢江等支流入江控制站(圖1)的流量過(guò)程，下邊界采用大通站實(shí)測(cè)水位過(guò)程或水位-流量關(guān)系.

圖1 模擬范圍及水文站分布Fig.1 Simulation range and location of gauge stations

洞庭湖區(qū)的濱湖區(qū)間面積較大，其降雨產(chǎn)流形成的區(qū)間徑流不可忽略. 區(qū)間徑流最理想的計(jì)算方法是構(gòu)建分布式水文模型，并通過(guò)與一、二維水動(dòng)力學(xué)模型耦合，匯入河道或湖泊，但這種方法參數(shù)率定難度較大，且計(jì)算效率較低. 本文采用徑流合成法推算典型年的區(qū)間徑流，并以旁側(cè)入流的方式加入到水動(dòng)力學(xué)模型中，計(jì)算方法如公式(1)和(2)所示：

Q水=A水(P水-E水)/86.4

(1)

Q陸=A陸·P陸·r/86.4

(2)

式中，Q水和Q陸為湖面和陸面的日平均流量，m3/s；A水和A陸為湖面和陸面面積，km2；P水和P陸為湖面和陸面日平均降水量，mm；E水為湖面日平均蒸發(fā)量，mm；r為產(chǎn)流系數(shù).

利用該方法計(jì)算的1954和1998年洞庭湖區(qū)的區(qū)間徑流如表1所示，其中，東區(qū)是指汨羅江和新墻河流域，南區(qū)是指湘江湘潭站和資水桃江站下游區(qū)域，西區(qū)包括沅江桃源站和澧水石門(mén)站下游區(qū)域，湖區(qū)包括湖泊和荊南三口以南的濱湖陸面.

表1 洞庭湖區(qū)間徑流

1.2 模型驗(yàn)證

圖2 糙率分級(jí)示意圖Fig.2 Sketch map on the grade of roughness coefficient

三峽水庫(kù)建成初期，洞庭湖區(qū)汛期來(lái)水，除了2006年偏少之外，其余年份差異不大. 選擇與建模采用的地形測(cè)量年份較為接近的2007年洪水以及三峽水庫(kù)建成以前的1998年洪水進(jìn)行率定和驗(yàn)證. 兩個(gè)年份枝城站洪峰流量分別為48700和65800 m3/s，5-10月長(zhǎng)江向洞庭湖分水量為532億和1038億m3，湖南四水入洞庭湖水量為930億和1324億m3. 由于模型覆蓋范圍較廣，河底床面與岸壁形態(tài)差異較大，水流阻力各不相同. 本文在分析河網(wǎng)及湖區(qū)特性的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同河段的深槽、淺灘或邊灘分級(jí)設(shè)置糙率逐級(jí)率定，如圖2所示. 結(jié)果顯示，長(zhǎng)江中下游干流糙率為0.016～0.031，三口河系糙率為0.018～0.032，洞庭湖和鄱陽(yáng)湖糙率為0.021～0.035.

通過(guò)納什系數(shù)(Nash-Sutcliffe efficiency，NSE)[30]來(lái)衡量計(jì)算與實(shí)測(cè)洪水過(guò)程的吻合程度，利用洪峰流量相對(duì)誤差E[31]和最高水位絕對(duì)誤差ΔZ來(lái)評(píng)定洪峰模擬精度. 1998年流量和水位過(guò)程驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示(85國(guó)家高程基準(zhǔn))，計(jì)算與實(shí)測(cè)的水位和流量過(guò)程相位吻合，擬合程度較好.

表2 模擬效果評(píng)價(jià)等級(jí)

利用Moriasi等[32]采用的模擬效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表2)對(duì)模型精度進(jìn)行評(píng)價(jià)，各站模擬效果如表3所示. 從表3中可以看出，洪水過(guò)程擬合程度除石龜山站NSE低于0.75為良好外，其他均為優(yōu)秀；洪峰流量相對(duì)誤差除官垸站為10.55% 外，其他各站均控制在10%以內(nèi)；最高水位模擬誤差除彌陀寺站、康家崗站、官垸站、小河咀站外，其他各站均控制在30 cm以內(nèi)，滿足模擬精度要求.

表3 各站模擬效果

圖3 1998年洪水流量和水位模擬與實(shí)測(cè)過(guò)程Fig.3 Simulation and observation process of discharge and water level on 1998 flood

1.3 典型洪水

洞庭湖區(qū)位于長(zhǎng)江流域中游區(qū)域. 長(zhǎng)江中下游洪水由于洪源眾多，同一場(chǎng)洪水在不同控制站、同一控制站從不同歷時(shí)洪量、洪峰流量來(lái)評(píng)定，頻率往往各不相同，很難給定一套整體的設(shè)計(jì)洪水. 長(zhǎng)江大洪水通?？煞譃閰^(qū)域性大洪水和全流域型大洪水，前者主要是指由子流域暴雨形成的長(zhǎng)江干流部分河段或支流的洪水，后者是指長(zhǎng)江上、中、下游干支流大面積暴雨形成的洪量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的洪水.

1954年洪水和1998年洪水是中華人民共和國(guó)成立以來(lái)長(zhǎng)江發(fā)生的最大和第二大全流域型洪水. 長(zhǎng)江宜昌站(圖1)為中游的起點(diǎn)，以此作為控制站，從洪峰流量來(lái)看，1954、1998年洪水重現(xiàn)期僅為10年、6～8年，但從30天洪量來(lái)看，1954、1998年洪水重現(xiàn)期約為100年. 基于現(xiàn)代水文觀測(cè)數(shù)據(jù)，重現(xiàn)期超過(guò)50年的洪水被稱為特大洪水[33]. 這兩個(gè)年份洞庭湖湘、資、沅、澧四水及洞庭湖一帶均發(fā)生連續(xù)性強(qiáng)降雨過(guò)程，加上長(zhǎng)江分洪入湖洪水以及湖區(qū)出口長(zhǎng)江高水位的頂托，洞庭湖區(qū)遭受了罕見(jiàn)的洪澇災(zāi)害. 本文選擇1954和1998年這兩場(chǎng)洪水作為典型洪水開(kāi)展研究，計(jì)算時(shí)段均為6月12日-9月10日，洞庭湖區(qū)入湖洪水特征如表4所示.

表4 洞庭湖區(qū)入湖洪水特征*

1.4 三峽水庫(kù)調(diào)蓄

為了識(shí)別三峽水庫(kù)對(duì)洞庭湖區(qū)防洪的貢獻(xiàn)，本文在維持初始條件、區(qū)間徑流、其他入流邊界不變的情況下，輸入三峽水庫(kù)不調(diào)蓄和調(diào)蓄情景下的枝城站流量過(guò)程，計(jì)算并分析兩種情景下洞庭湖區(qū)洪水特征的變化. 根據(jù)《三峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案(2009)》，三峽水庫(kù)防洪調(diào)度按照洪水大小采取分級(jí)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)度方式，針對(duì)長(zhǎng)江上游發(fā)生大洪水的情況，采用對(duì)荊江河段防洪補(bǔ)償?shù)恼{(diào)度方式，當(dāng)長(zhǎng)江上游洪水不大而城陵磯水位將超過(guò)設(shè)計(jì)水位時(shí)，在保障荊江河段防洪安全的前提下，采用兼顧對(duì)城陵磯河段防洪補(bǔ)償?shù)恼{(diào)度方式(下文簡(jiǎn)稱“兼顧城陵磯補(bǔ)償”).

對(duì)荊江河段防洪補(bǔ)償?shù)恼{(diào)度方式，是在保障三峽大壩安全的前提下，以沙市站水位為控制條件進(jìn)行調(diào)蓄. 當(dāng)長(zhǎng)江遇100年一遇以下洪水，控制沙市站水位不超過(guò)44.5 m(凍結(jié)吳淞高程)，當(dāng)長(zhǎng)江洪水在100年至1000年一遇時(shí)，控制枝城站流量不超過(guò)80000 m3/s，在分蓄洪措施的配合下，控制沙市站水位不高于45.0 m(凍結(jié)吳淞高程). 兼顧對(duì)城陵磯河段防洪補(bǔ)償?shù)恼{(diào)度方式，是指在三峽水庫(kù)水位不高于155.0 m時(shí)，按城陵磯站水位34.4 m(凍結(jié)吳淞高程)進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，當(dāng)三峽水庫(kù)水位高于155.0 m后，轉(zhuǎn)為對(duì)荊江河段進(jìn)行防洪補(bǔ)償調(diào)度.

本文基于兼顧對(duì)城陵磯河段防洪補(bǔ)償?shù)恼{(diào)度方式，構(gòu)建基于防洪規(guī)則的水庫(kù)調(diào)度模型，分別對(duì)1954和1998年洪水進(jìn)行調(diào)蓄，并將出庫(kù)流量與宜昌站-枝城站區(qū)間的入?yún)R流量演算至枝城站，結(jié)果如圖4. 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，兩種防洪調(diào)度方式均具有巨大的防洪作用，洪水枝城洪峰流量均被削減為56700 m3/s，削減比例如表5所示.

圖4 三峽水庫(kù)調(diào)蓄后枝城流量過(guò)程Fig.4 Discharge process of Zhicheng station after impoundment of the Three Gorges Reservoir

表5 三峽水庫(kù)調(diào)蓄前后枝城站洪水特征

2 結(jié)果與分析

2.1 荊南三口分洪量與城陵磯出湖洪量變化

松滋河的新江口站和沙道觀站、虎渡河的彌陀寺站、藕池河的康家崗站和管家鋪站的分洪之和為洞庭湖區(qū)荊南三口分洪量(水文站位置如圖1所示). 三峽水庫(kù)調(diào)蓄前后，荊南三河分洪量計(jì)算成果如表6所示. 從表6可以看出，1954和1998年長(zhǎng)江洪水經(jīng)三峽水庫(kù)調(diào)蓄后，荊南三口洪峰流量削減了24.6%和18.4%，洪量減少了1.58%和0.61%.

如表6所示，在三峽水庫(kù)不調(diào)蓄情景下，1954年洪水期間匯入洞庭湖的總洪量為2058.6億m3，荊南三河分洪量和湘、資、沅、澧四水及濱湖區(qū)間入湖洪量比例約為4∶6，城陵磯出湖洪量為1938.5億m3，洪水期之后洞庭湖區(qū)增加了340.8億m3水量. 1954年長(zhǎng)江洪水經(jīng)三峽水庫(kù)調(diào)蓄后，荊南三口分洪量減少，洞庭湖出湖洪量也有所減少，洪水期之后湖區(qū)依然有大量入湖洪水滯留. 1998年洪水期間，荊南三河的分洪量與1954年相當(dāng)，但1998年湘、資、沅、澧四水及濱湖區(qū)間入湖洪量比1954年減少352.7億m3，1998年洪水經(jīng)三峽水庫(kù)調(diào)蓄后，洪水期之后湖區(qū)增加了226.1億m3水量.

表6 荊南三河分洪量變化

2.2 洞庭湖區(qū)最高水位變化及分布特征

三峽水庫(kù)調(diào)蓄前后，洞庭湖區(qū)主要水文站最高水位變化如圖5所示(水文站位置如圖1所示). 從圖中可以看出，1954和1998年洪水經(jīng)三峽水庫(kù)調(diào)蓄后，各站最高水位降低了0.50～0.93和0.51～0.82 m. 在本文采用的地形條件下，1954和1998年洪水松滋河的洪峰流量占三口最大分流量的44%～49%，三峽水庫(kù)調(diào)蓄后松滋河系水位削減較明顯，降低了0.69～0.78和0.59～0.73 m. 以松滋河和澧水為主要洪水來(lái)源的松澧地區(qū)，最高水位也有效降低. 1954和1998年洪水松滋河與虎渡河的洪峰流量之和占三口最大分流量的58%～65%，安鄉(xiāng)站承接了這兩條河的分洪，三峽水庫(kù)調(diào)蓄后水位降低最顯著，高達(dá)0.93和0.82 m. 湖區(qū)坦化了荊南三河分洪減小的作用，最高水位削減程度比荊南三口河系稍弱，1954和1998年洪水期間湖區(qū)最高水位降低了0.50～0.63和0.63～0.71 m. 從整個(gè)洞庭湖區(qū)來(lái)看，最高水位削減值呈現(xiàn)北強(qiáng)南弱、東高西低的格局.

圖5 各站水位變化Fig.5 Water level change of each station

2.3 洞庭湖區(qū)超額洪量變化

超額洪量是指超過(guò)安全泄量部分的水量. 長(zhǎng)江中下游地區(qū)總體防御對(duì)象為1954年洪水，根據(jù)《長(zhǎng)江流域綜合利用規(guī)劃簡(jiǎn)要報(bào)告(1990年修訂)》，三峽水庫(kù)不調(diào)蓄1954年洪水情況下，荊江地區(qū)和城陵磯地區(qū)規(guī)劃分蓄的超額洪量為54億和320億m3，其中，洞庭湖承擔(dān)160億m3超額洪量的分蓄任務(wù). 該規(guī)劃采用的螺山站水位流量關(guān)系是經(jīng)過(guò)修正之后的單一曲線，各水位對(duì)應(yīng)的泄洪能力是理想值，并非實(shí)際過(guò)流能力. 洪水實(shí)際發(fā)生時(shí)，實(shí)測(cè)流量含有下游頂托影響，螺山站的實(shí)際過(guò)流能力與規(guī)劃值并不相同[34]，加之，近幾十年來(lái)，江湖關(guān)系發(fā)生了較大變化[14]，三峽水庫(kù)不調(diào)蓄情景下城陵磯地區(qū)的超額洪量也隨之改變.

為了體現(xiàn)三峽水庫(kù)調(diào)蓄后洞庭湖區(qū)超額洪量的變化，本文基于21世紀(jì)初期荊江與洞庭湖區(qū)的地形，利用出流邊界下延至大通的水動(dòng)力學(xué)模型，重新計(jì)算1954年洪水在三峽水庫(kù)不調(diào)蓄情景下城陵磯地區(qū)的超額洪量，并與三峽水庫(kù)調(diào)蓄情景下的超額洪量對(duì)比，以此識(shí)別三峽工程調(diào)蓄對(duì)減少洞庭湖區(qū)超額洪量的貢獻(xiàn)，結(jié)果如表7所示. 從表中可以看出，1954洪水經(jīng)三峽水庫(kù)攔蓄之后，城陵磯地區(qū)超額洪量減少了86.4億m3，洞庭湖超額洪量減少了43.2億m3.

表7 遇1954年洪水長(zhǎng)江中下游超額洪量*

3 結(jié)論

本文構(gòu)建了考慮區(qū)間產(chǎn)流的長(zhǎng)江中下游一、二維耦合水動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算了1954和1998年長(zhǎng)江洪水經(jīng)三峽水庫(kù)調(diào)蓄后的枝城洪水過(guò)程，定量分析了三峽水庫(kù)實(shí)施兼顧對(duì)城陵磯河段防洪補(bǔ)償調(diào)度對(duì)洞庭湖區(qū)的防洪貢獻(xiàn)，結(jié)果表明：

1)1954和1998年長(zhǎng)江全流域型大洪水經(jīng)三峽水庫(kù)調(diào)蓄后，洞庭湖區(qū)荊南三口洪峰流量被削減24.6%和18.4%，分洪量減少了1.58%和0.61%，有效緩解了荊南三口河系及湖區(qū)的防洪壓力.

2)在長(zhǎng)江發(fā)生1954和1998年全流域型大洪水期間，三峽水庫(kù)實(shí)施防洪調(diào)度后，洞庭湖區(qū)最高水位降低了0.50～0.93和0.51～0.82 m，從空間來(lái)看，削減值呈北強(qiáng)南弱、東高西低的分布格局.

3)遇1954年長(zhǎng)江中下游防御型大洪水，三峽水庫(kù)實(shí)施兼顧城陵磯補(bǔ)償防洪調(diào)度后，城陵磯地區(qū)超額洪量減少了86.4億m3，洞庭湖區(qū)超額洪量減少了43.2億m3，但仍存在大量超額洪量需妥善處理，尚不能完全解除湖區(qū)的洪水威脅.