劉玉嬌,余明輝,黃宇云,吳華莉

(1.長江科學(xué)院 河流研究所,武漢 430010; 2.長江科學(xué)院 水利部長江中下游河湖治理與防洪重點實驗室,武漢 430010; 3.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室,武漢 430072; 4.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司航運規(guī)劃設(shè)計研究院,武漢 430010)

0 引 言

鄱陽湖是我國最大的淡水湖,位于江西省,它接納了贛江、撫河、信江、饒河、修河五河和區(qū)間來水,調(diào)節(jié)后在湖口入?yún)R長江,在優(yōu)質(zhì)水資源供給、洪水調(diào)蓄和流域生態(tài)保護(hù)等方面起著巨大的作用。鄱陽湖是通江湖泊,洪期水位變幅較大,年水位變幅可達(dá)10 m,流域五河入湖徑流對湖區(qū)水位起著主控作用,長江洪水期(簡稱洪期)的高水位起到頂托的間接作用[1-2]。在五河和長江來水共同作用下,鄱陽湖洪期水位迅速上升,水面面積可達(dá)4 000 km2,甚至出現(xiàn)江水倒灌入湖現(xiàn)象,洪水過程復(fù)雜多變,致使湖區(qū)洪災(zāi)頻發(fā)[3]。Zhang等[4]通過水文數(shù)據(jù)分析了鄱陽湖與長江之間水動力過程中復(fù)雜的滯回關(guān)系。羅蔚等[5]研究鄱陽湖的年徑流量和輸沙量變化規(guī)律和影響因素,闡明流域降雨減少是鄱陽湖入湖徑流量減少的主因,入湖沙量減小則主要由水庫群攔沙導(dǎo)致,出湖沙量減小還受到湖區(qū)采砂的影響。趙軍凱等[6]提出河湖水量交換系數(shù)以量化描述河湖水量交換過程,認(rèn)為鄱陽湖河湖系統(tǒng)演化穩(wěn)定。梁忠民等[7]發(fā)現(xiàn)三峽水庫預(yù)泄將使鄱陽湖5、6月份水位增高。Zhang等[8]提出三峽工程的蓄水發(fā)電導(dǎo)致長江下泄流量減少,使鄱陽湖秋季湖泊水位降低。

近年來,由于流域降水偏少,鄱陽湖入湖徑流量減少,兼之湖區(qū)采砂和三峽水庫蓄水等影響因素,自然因素和人類活動共同作用下,鄱陽湖枯期開始時間提前、結(jié)束時間推遲,且枯期水位偏低,導(dǎo)致鄱陽湖流域生態(tài)有惡化的趨勢,區(qū)域灌溉、供水功能受到影響。鄱陽湖水利樞紐工程建設(shè)對改善湖區(qū)問題具有重要意義,工程建設(shè)將以“調(diào)枯不控洪”作為指導(dǎo)思想,以兼顧江湖洪水安全和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

許多學(xué)者研究了鄱陽湖水利樞紐建設(shè)、湖區(qū)生態(tài)和防洪安全等各方面對鄱陽湖的水動力過程可能產(chǎn)生的影響,胡春華等[9]采用EFDC(Environmental Fluid Dynamics Coode)模型模擬了鄱陽湖二維水動力和水質(zhì)過程,揭示了鄱陽湖水利樞紐工程建設(shè)后湖區(qū)氮、磷營養(yǎng)鹽的變化規(guī)律;Lai等[10]、杜彥良等等[11]模擬了豐、平、枯典型年份下鄱陽湖水利樞紐工程調(diào)度過程,闡明了工程調(diào)度對入?yún)R長江水量和湖區(qū)水動力過程的影響;杜彥良等[11]利用二維水動力和水質(zhì)模型,預(yù)測了3種不同運行方式下,鄱陽湖流態(tài)的時空分布規(guī)律和水質(zhì)條件的變化規(guī)律;余啟輝等[12]充分考慮了鄱陽湖與長江之間的相互作用、區(qū)間匯流以及湖區(qū)復(fù)雜的河湖交替形態(tài)特征,建立了江湖一、二維耦合水動力模型,計算了鄱陽湖水利樞紐運行對枯期湖區(qū)水位和流態(tài)的影響;王鵬等[13]分析了鄱陽湖生態(tài)保護(hù)區(qū)水位的時間變化節(jié)律受鄱陽湖水利樞紐工程調(diào)度的影響程度。上述研究缺少鄱陽湖水利樞紐對洪期水動力過程影響的深入研究。鄱陽湖洪期水動力過程復(fù)雜,且嚴(yán)重洪災(zāi)頻繁發(fā)生,研究樞紐工程建設(shè)后洪水過程變化規(guī)律對鄱陽湖區(qū)域洪水預(yù)防具有重要意義。

本文基于MIKE21 FM水動力模型建立了鄱陽湖二維水動力模型,模型范圍包含長江九江到八里江段、鄱陽湖湖區(qū)和5條尾閭,通過對2類洪期典型的水動力過程進(jìn)行模擬,分析工程建設(shè)后鄱陽湖洪期水動力過程的變化規(guī)律,研究成果可為鄱陽湖防洪安全提供技術(shù)支撐。

1 研究方法

1.1 控制方程

平面二維水動力數(shù)學(xué)模型控制方程為:

(1)水流連續(xù)方程

(1)

(2)水流運動方程

x方向

(2)

y方向

(3)

1.2 鄱陽湖二維水動力模型的構(gòu)建

利用MIKE21 FM水動力模型構(gòu)建鄱陽湖與長江耦合的二維水動力模型,網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,數(shù)值算法為有限體積法,采用顯式時間積分。模型模擬范圍包含長江九江到八里江段、鄱陽湖湖區(qū)和5條入?yún)R尾閭。模型地形為2015年實測資料,由地形資料可以看出湖區(qū)有河道狀深泓區(qū)域,因此模型采用三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格嵌套(如圖1),對湖區(qū)主河槽采用四邊形網(wǎng)格,其他區(qū)域采用三角形網(wǎng)格,網(wǎng)格總數(shù)為32 265個,模型網(wǎng)格尺寸為30～1 200 m不等,其中長江段為100～300 m,湖區(qū)河槽四邊形網(wǎng)格寬100 m、長400 m,湖區(qū)邊灘網(wǎng)格在300～1 200 m過渡,在確定網(wǎng)格密度時,考慮研究區(qū)域地形的高程變差,在高程差變化較大的區(qū)域采用較小的網(wǎng)格,在高程差變化較小的區(qū)域采用較大的網(wǎng)格,以控制格網(wǎng)總數(shù),提高計算速度。

圖1 鄱陽湖河勢及網(wǎng)格劃分

模型長江段進(jìn)口邊界為九江流量,出口邊界為八里江水位,湖區(qū)設(shè)置的流量邊界為修水、潦水、贛江、撫河、信江、樂安河和昌江。

樞紐采用左岸船閘方案,閘址軸線總長2 993 m,沿軸線布置有左岸連接段、船閘段、隔流堤段、泄水閘段和魚道段。在4—8月份之間,鄱陽湖水利樞紐調(diào)度方案為敞泄,船閘不過水,因此模擬時考慮閘墩和左岸不過水船閘區(qū)域和隔流堤對水流的影響,在模型中分別通過加入建筑物和加高地形反映其影響。

1.3 模型驗證

由于鄱陽湖洪水期與長江江湖關(guān)系復(fù)雜,不僅有湖水入?yún)R長江,還存在長江水流倒灌入湖的現(xiàn)象,驗證選擇2個時段,1998年4月1日—8月31日大洪水過程和2005年7月1日—9月30日包含倒灌的水流過程。糙率范圍為0.03～0.055,糙率隨著地形變化,地形較低的主河槽糙率較小,邊灘糙率較大,分別以1998年4月1日—8月31日和2005年7月1日—9月30日實測水文數(shù)據(jù)為邊界條件,以湖口站的實測水位、流量和湖區(qū)主要站點水位為特征值對模型進(jìn)行驗證,驗證結(jié)果如圖2和圖3所示。從水位模擬結(jié)果來看,1998年4月1日—8月31日和2005年7月1日—9月30日湖口、星子、都昌和康山站水位模擬值與實測值吻合較好,大部分時段水位誤差均在10 cm以內(nèi),本文模型能很好地反映湖區(qū)水位變化情況。從湖口站流量模擬結(jié)果來看,1998年4月1日—8月31日和2005年7月1日—9月30日流量模擬結(jié)果與實際情況也基本一致,流量計算值與實測值相對誤差<25%,多數(shù)在5%以內(nèi);流量過程的相位與峰值實測值與計算值吻合良好。表1給出了實測值與模擬值間的Nash-Stucliffe效率系數(shù)(Ens)、確定性系數(shù)(R2)[10]和平均相對誤差(Re),4個站點水位的Ens和R2均為0.98～1,R2為0.98～1,Re在-0.28%～0.33%之間;湖口流量的Ens為0.79和0.89,R2在0.81～0.90之間,Re在1998年為-12.21%以及2005年為29.77%,2005年7月1日—9月30日湖口流量誤差較大,應(yīng)與倒灌過程湖口流量變化較為復(fù)雜有關(guān),但模擬值與實測值的相位與峰值較為吻合。

表1 水位和流量模擬誤差分析

圖2 湖口流量實測值和模擬值

圖3 湖口和湖區(qū)主要站點水位實測值和模擬值

綜上分析,本次建立的鄱陽湖區(qū)二維水力學(xué)模型,能很好模擬湖區(qū)水位情況,可用來分析樞紐工程對鄱陽湖洪期的影響。

1.4 計算工況

根據(jù)洪期鄱陽湖水動力過程,選取1954年4月1日—8月31日的來流條件分析樞紐對歷史大洪水的影響;對于洪期江水倒灌的特殊情況,分析歷史數(shù)據(jù)可知,湖口實測最大倒灌流量為1991年7月11日的13 600 m3/s。選擇包含最大倒灌過程的時間段1991年7月1日—7月31日(倒灌時段為7月3日—7月19日)作為典型時段分析樞紐運用對江水倒灌入湖的影響。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 對湖口站水位和流量的影響

為了分析樞紐工程對長江的影響,以湖口站為長江干流代表站來分析工程對長江水位和入流量的影響。由圖4可知,1954年大洪水和1991年倒灌過程樞紐工程建設(shè)前后湖口站水位變化值均在2 mm以內(nèi),表明在洪期,工程建設(shè)前后湖口站水位基本無變化,樞紐對長江水位基本無影響。樞紐建設(shè)前后湖口站流量變化情況見圖5,倒灌時負(fù)流量表示倒灌流量增加,1954年4—8月,湖口流量變化范圍為-98.4～142 m3/s,7月4日流量增幅最大,工程建設(shè)前流量為17 412 m3/s,工程建設(shè)后流量增幅為142 m3/s,6月30日,湖口峰值流量為24 931 m3/s,存在樞紐時,湖口流量為24 849 m3/s,湖口峰值流量減小,對比分析湖口流量過程與流量變化過程,可得在大流量情況下,流量變化較大,且流量變化的趨勢與湖口流量變化趨勢相反,樞紐使湖口出流過程更加平緩;工程建設(shè)對1991年倒灌過程流量影響較小,7月15日流量增幅最大,工程前倒灌流量為6 834 m3/s,工程后倒灌流量增加至6 936 m3/s,7月11日湖口倒灌流量最大,工程后倒灌流量則減小,由無樞紐條件下的13 613 m3/s減小至有樞紐的情況下的13 540 m3/s,減小量為73 m3/s,湖口流量過程與流量變化過程與1954年規(guī)律一致。

圖4 1954年和1991年樞紐工程建設(shè)前后湖口站水位變化

圖5 樞紐工程建設(shè)前后湖口站流量變化

2.2 對湖區(qū)水位的影響

樞紐工程對水位的影響選擇湖區(qū)代表性水位站進(jìn)行分析。由圖6可知,1954年典型洪水中湖區(qū)各站水位普遍有一定程度的壅高,水位壅高最大值為0.021 m,水位變化的大小隨時間變化趨勢與湖口流量隨時間變化趨勢基本一致,流量越大則水位變化越大,在湖口流量較大時,水位變化的相位稍滯后于湖口流量過程,樞紐對星子、都昌等站水位影響幅度較為接近,湖口流量越大,各站水位變化值更趨近于相等,分析原因主要是由于洪期水位較高鄱陽湖呈湖相,湖區(qū)水面比降隨湖區(qū)水位壅高而減小。1991年模擬過程包含倒灌現(xiàn)象,在非倒灌時段,湖區(qū)各站水位壅高,與1954年的規(guī)律保持一致,計算時段內(nèi)水位壅高最大值為0.008 m,長江倒灌入湖時,水流流向發(fā)生變化,湖區(qū)各站水位下降,最大降低值為0.013 m,亦稍滯后于湖口流量過程峰值,各水文站變化基本相同,水位變化的大小隨時間變化趨勢同樣與湖口流量基本一致,倒灌流量越大水位變化越大。

圖6 樞紐工程建設(shè)前后鄱陽湖區(qū)代表站水位變化

2.3 對樞紐附近水流流態(tài)的影響

樞紐建筑物對其附近的水流會產(chǎn)生較明顯的影響,根據(jù)計算結(jié)果1954年選取湖口流量峰值6月30日,1991年選取倒灌流量最大時7月11日,分別繪制1954年和1991年樞紐附近工程前后對比流場(圖7)和樞紐附近工程前后水位變化等值線(圖8)。

圖7 樞紐附近工程建設(shè)前后流場對比

圖8 樞紐附近工程建設(shè)前后水位變化等值線

由圖7和圖8可知,1954年6月30日,樞紐上下游附近流速增大,由于樞紐左岸船閘不過水,船閘上游流場向右岸發(fā)生較為明顯的偏轉(zhuǎn)。樞紐上游區(qū)域水位壅高,船閘上游附近區(qū)域水位增幅也較大,增大范圍0.020～0.032 m,其余大部分區(qū)域增幅為0～0.020 m,越靠近樞紐水位增幅越小,樞紐下游區(qū)域水位降低,水位降低處主要是在船閘下方處,降低幅度為0～0.012 m,下游其它區(qū)域降幅為0～0.004 m。1991年7月11日倒灌過程中,左岸船閘下游流速的方向向右岸發(fā)生較明顯的偏移,樞紐上下游附近流速增大,樞紐對流場的影響僅在工程附近局部地區(qū)。工程建設(shè)后樞紐下游水位壅高,左岸不過水船閘下游局部地區(qū)水位增幅較明顯,增大幅度為0～0.008 m,其余區(qū)域水位增大幅度為0～0.002 m,越靠近樞紐水位增幅越小,樞紐上游附近水位降低,船閘上游局部區(qū)域水位降幅較大,減小幅度為0～0.016 m,其余大部分區(qū)域降幅為0～0.012 m,越靠近樞紐水位降低越小。

3 結(jié) 論

(1)1954年洪水與1991年倒灌期,樞紐工程對長江水位基本無影響,湖口流量影響幅度較小;1954年湖口流量變化范圍為-98.4～142 m3/s,工程建設(shè)后流量影響最大值,流量增加最大值為142 m3/s發(fā)生在7月4日,6月30日的湖口流量峰值減小,1991年倒灌流量增加最大值為102 m3/s發(fā)生在7月15日,在倒灌流量最大的7月11日,倒灌流量減小73 m3/s;湖口流量越大,流量變幅越大,且流量變化的趨勢與湖口流量變化趨勢相反,樞紐使湖口出流過程更加平緩。

(2)1954年洪水,建閘使湖區(qū)水位壅高,在0.021 m以內(nèi),1991年長江流量倒灌入湖時,建閘使湖區(qū)水位降低,最大降低為0.013 m;湖區(qū)各站水位變化值相近,湖口流量越大則湖區(qū)水面比降越小,各站水位變化值趨于相等,水位變化的趨勢與湖口流量變化趨勢一致,但水位變化的峰值稍滯后于湖口流量峰值。

(3)1954年洪水與1991年倒灌期湖口流量峰值日,樞紐附近區(qū)域水位與流場變化較明顯的區(qū)域均在左岸不過水船閘區(qū),流向偏向泄水閘段在泄水閘段變化相對較小,水流入?yún)R長江的峰值時刻,樞紐上游水位壅高值在0.032 m以內(nèi),在長江水流倒灌入湖的峰值時刻,樞紐下游水位壅高值在0.008 m以內(nèi)。