基于洪水问题的洞庭湖湿地区域划分

刘晓群,郝振纯,薛联青,徐 超

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098;2.湖南省水利水电勘测设计研究总院,湖南长沙 410007)

洞庭湖防洪问题一直是长江中游防洪的难点,而三峡水库2003年蓄水以来,洞庭湖水位下降明显,连接长江与洞庭湖的3口洪道的断流时间加长,该区域湿地水文条件的改变越来越多地引起了人们的关注.

洞庭湖是长江中游仅存的2个通江湖泊之一,是长江上游洪水出三峡后的自然湖泊湿地调蓄区[1-2],与水库、堤防并列为实现长江中游防洪的3大战略手段.除经淞滋口、太平口、藕池口3口分泄长江洪水外,另有湘、资、沅、澧4水洪水直接汇入洞庭湖,最后经城陵矶再汇入长江,形成“7进1出”的复杂水网体系,该体系具有洪道、湖泊、一般垸、蓄洪垸和重点垸(表1).其中,重点垸是在不超过1954年洪水水位时需确保防洪安全的堤垸,蓄洪垸则是长江重现1954年洪水时确保江汉平原以及武汉安全的分蓄洪区,一般垸是地势较高或原居民圈围的小型堤垸,相互交错分布,以堤防为屏障形成各自相对独立的体系.不包括湖北省的3680km2,属湖南省的湖区面积为15200km2,水系与堤垸条块分割,交错相间,流态紊乱且方向不定,汛期水位一般都高于垸内地面5m以上,对区域经济社会不利的影响非常突出.随着科学技术的进步,人类利益驱动对自然干预的力度越来越大,三峡水库的运用对减少一般洪水威胁,并为洞庭湖区湿地开发都创造了新的条件.因此,为避免新的无序利用,规范人类行为,应基于水情变化对洞庭湖湿地区域划分进行研究.

本文通过洞庭湖洪水形势与3口洪道分流条件的研究,结合湖区城镇、产业分布与自然地理条件,提出了湖区湿地划分的总体框架.

表1 湖南省洞庭湖区湿地基本情况Table1 General conditions of wetlands of Dongting Lake in Hunan Province

1 洞庭湖湿地洪水形势

1.1 三峡运行前的洪水特征

洞庭湖是长江和洞庭湖湘、资、沅、澧4水的洪水互相遭遇蓄积而成的积洪性湖泊,总集水面积129.5万km2.由于受到各水系洪水发生不同期性和下游泄流能力有限的影响,洞庭湖洪水出现延续时间长以及量级巨大的情况,延续时间多在30d以上,1951～1998年最大30d平均洪量为584亿m3,故一般的调峰水库对洞庭湖的防洪作用十分有限.因此,20世纪六七十年代确立了长江中游防御1954年洪水的目标,并将长江中游划分为宜昌—沙市、沙市—城陵矶、城陵矶—汉口3个河段,以沙市、莲花塘、汉口分别作为各河段的控制点,其中控制莲花塘水位不超过34.4m,在城陵矶附近布置了320亿m3的蓄滞洪区,即洞庭湖区24个蓄洪垸及江北洪湖各自承担分蓄160亿m3的超额洪量.但随着江湖关系的不断演变,1981年、1983年、1991年、1995年、1996年、1998年、1999年和2002年的洪水,虽洪峰、洪量都远小于 1954年来水,但最高水位已接近甚至远高于1954年洪水的水位(表2),洪水向城陵矶附近集中的特点十分明显.

历史上,泥沙淤积又为长江中下游河道逐渐渠化创造了条件.据估计,自全新世到公元800年前后,历时约9 000 a,云梦泽区域淤积了泥沙5053.6亿t[3]而形成江汉平原,并随着云梦泽消失、分流口堵闭和长江河道固定等江湖关系的不断演变,荆江河段在1949年以前的5000a中洪水水位抬升了13.6m[4],并导致通江湖泊向下迁移,洞庭湖向南扩张,在防洪大堤连接成线后荆江完成了河道化过程[5].

在1949～1980年的30a间,城陵矶以下封堵了约1万km2的通江湖泊,城陵矶—汉口段短时期完成了河道化,下游槽蓄与泄流能力急速衰减.这种快速演变,导致莲花塘1998年最高水位达到35.80m,比1954年抬高1.85m.另外,在1951～2007年的57a间,3口洪道进入洞庭湖的悬移质泥沙淤积总量达到64.04亿t,合45.7亿m3,大约使3 000km2范围平均可抬高1.5m,西洞庭湖区局部河床最大抬高超过5m[6],直接抬高了湖区内部洪水位,抬高程度更为严重.

表2 其他典型洪水与1954年洪水的对比Table2 Comparison between 1954 flood and other typical floods

1.2 三峡建库对洞庭湖防洪的影响

研究三峡水库对洞庭湖防洪的作用,需通过式(1)和式(2)来模拟该河段的洪水演进过程.

式中:Z ——水位;V——流速;A——断面面积;B——水面宽;g——重力加速度;C——谢才系数;R——水力半径;L——河长;t——时间;α——动能校正系数;β——动量校正系数;q——沿单位长度的侧向流量.

利用水文学原理,假定蓄水量与出流呈线性关系[7],则式(1)和式(2)可简化为

式中:S——河槽容积;Q——流量;I——入流;Z下——下游站水位;1,2——计算时段始末;Δt——时段长.

利用以上原理,根据1956～2003年的系列资料确定城陵矶控制站的水位-流量关系和河段的槽蓄曲线[8],可对1954年和1998年洪水进行情景模拟(表3).

当三峡水库对城陵矶进行补偿调度,城陵矶附近320亿m3的蓄洪区配合使用,重现1954年洪水时,莲花塘的最高水位仍将达到35.04m,比现有堤防设计水位34.40m高0.64m;若没有三峡水库调节,分洪后水位仍将达到 36.16 m,高于1998年35.80m的历史最高水位0.36m.对于1998年洪水,假设运用三峡水库210亿m3的防洪库容,城陵矶附近仍有35亿m3的蓄洪量,否则水位就会上升.

表3 三峡建库后洞庭湖洪水形势分析Table3 Flood situation in Dongting Lake after completion of Three Gorges Reservoir

由于当时的资料条件以及保护江汉平原的出发点,使得三峡水库对减小城陵矶附近防洪压力的作用发挥有限,特别是在考虑通江湖泊围垦、河道槽蓄和泄流能力大幅度减小等方面的预期不足,因此,利用三峡水库的调节作用,实现长江中游防御1954年洪水的目标,维持洞庭湖具有更多的分蓄洪容积是十分必要的,同时也说明洪水对洞庭湖区经济社会可持续发展的影响仍是最为关键的问题.

2 3口洪道分流能力分析

2.1 一般分流特征

3口洪道中以1852年、1860年大水反复冲决形成的藕池河和1870年大水冲决形成的淞滋河为主,1951年以来的分流分沙能力逐步衰减(表4),三峡水库2003年蓄水以后衰减幅度进一步加大.3口总分流能力当前为495亿m3,仅相当于1951～1958年的33.1%,或多年平均964亿m3的51.3%.总体而言,当前以淞滋、虎渡分流为主,占3口的78.0%.

表4 3口洪道分流分沙统计特征Table 4 Statistical characteristics of flood and sediment diversions for three floodways

3口洪道断流在三峡蓄水后明显加长.淞滋东支从1974年出现断流,2002年以前平均断流150d,而2003～2007年则平均断流248d,增加了98d;虎渡河南闸以上有中河口分流入淞滋东支,三峡蓄水后断流由平均125d增至152d,增加了27d,受南闸底板高于河床5.0m的影响,下游断流一般在280d以上;藕池河西支则相应由断流241d增加到259d,东支由138d增加到195d,分别延长18d与57d.最长的藕池河西支2006年断流336d.3口洪道除松滋西支外,河流特征基本衰竭.相应地,洞庭湖总入湖水量从1951～1958年均3636亿m3减少到三峡蓄水以后的2303亿m3,相对减少了36.7%,相当于平均减少了城陵矶流量4220m3/s,平均降低湖泊水位2.0m左右;三峡蓄水后3口分流总量较1998年大水以后的1999～2002年年平均减少132.8亿m3,洞庭湖平均流量再次减少421m3/s.

同时,受清水下泄的影响,汛期水流挟沙能力加强,使淤积在洲滩上的泥沙向河槽输移,3口河道原来的深水河槽普遍出现了大量成片的波纹状淤沙,即便岳阳楼前的东洞庭湖1999年前中低水时期“岸—水—左岸洲滩”也在近期演变成“岸—水—条状淤洲—水—左岸洲滩”的形式.

全湖区湖泊河道化、河槽洲滩化、洲滩陆地化程度在三峡水库运用后加快了演化趋势.

2.2 汛期分流

荆江多年平均洪峰流量为50800m3/s,经3口分入洞庭湖17500m3/s,削减洪峰近1/3.1949年以来长江宜昌发生大于600000m3/s的洪水有1954年、1958年、1974年、1981年、1987年和1998年,沙市—莲花塘落差为9.31～12.75m,3口分流介于17432～27900m3/s之间.以这6个年份洪水平均分析,沙市—莲花塘落差11.42m、宜昌洪峰64100m3/s时,3口可分流22100m3/s,占34.5%,与多年平均水平相当.

三峡水库正常运行以后,遇百年一遇以下或者1954年洪水,控制荆江河道流量不超过56700m3/s,遇千年一遇或者1870年洪水则控制荆江流量不超过80000m3/s[9].荆江当前的安全泄量为60000～68000m3/s,则长江百年一遇以下洪水,3口洪道可不分流或以淞滋河分流即可;而千年一遇洪水3口分流12000～20000 m3/s即可实现荆江河段的防洪安全目标.

3 洞庭湖湿地划分

以上分析表明,以三峡水库理想调度为条件,一方面,即使抬高城陵矶附件的分蓄洪控制水位,保证洞庭湖湿地具有160亿m3以上的蓄洪能力以及3口具有大于10000m3/s的分流能力,仍是十分必要的;另一方面,对于小于1954年的洪水,3口洪道出现高洪水位的情况将大量减少,三峡水库作用的发挥也使得洞庭湖湿地具备了重新划分的条件[10].

其一,从保护安乡、南县、石首和华容4个县城出发,以现有堤线为基础,建闸控制全藕池河系、虎渡河南闸以下、淞滋河东支,连接澧水洪道东岸,形成湖区经济社会可持续发展的中心区域,加大吸引农村人口迁移力度,促进融城和城镇化进程.按照这一布局,长江发生不超过荆江安全泄量60000m3/s的洪水时,可以缩短8个蓄洪垸和4个重点垸约1000km的一线临洪大堤.这种布局的思路,保留松滋河与虎渡河自然分流的现状,相应长江64 100m3/s以上的洪水可分流12200m3/s,在不遭遇澧水洪水时使长江洪水经澧水洪道进入目平湖;在遭遇澧水洪水时,打开3口洪道所有控制闸,全面恢复行洪状态.非洪水时期,被控制的洪道以河槽蓄水形成平原水库群,既增强区域水资源的配置能力,也能够缓解因断流引起河道衰竭等水文条件恶化而导致的一系列生态环境问题.

其二,以在建可蓄洪50亿m3的南洞庭湖共双茶、东洞庭湖大通湖东垸和钱粮湖3大垸蓄洪工程为基础,形成一线蓄洪区.这3大垸蓄洪工程是1998年大水以后,城陵矶附近建设100亿m3蓄洪工程的湖南洞庭湖部分,采用加固围堤、建设安全区和安全台、修建分洪闸等工程,迁移52万人,投资57亿元,建立分洪时期按计划分蓄洪、非分洪时期进行生产的“安全居住-风险生产”的蓄洪垸运行模式[11].配合三峡水库的运行调度,在城陵矶水位超过34.4m时启用,使小于1998年洪水量级的洪水发生时,城陵矶附近水位不超过35m.

其三,将大通湖重点垸作为扩大蓄洪区,在一线蓄洪区不够时,配合江北洪湖启用,以控制城陵矶附近水位不超过历史最高水位35.8m.大通湖垸处于湖区腹心低洼地带,面积1000km2,现有100km2的内湖.当前经济以农业、渔业、牧业为主,规模化经济不强,人口54万人,小于以上城市发展区8个蓄洪垸60万人的规模.辅以产业化引导主要居民外迁以上城市区域,逐渐恢复其自然湿地功能,蓄洪的损失将大量减少.在建蓄洪区和大通湖扩大蓄洪区共有130亿m3的蓄洪容积,加上4水尾闾的其他蓄洪垸,全洞庭湖可蓄洪容积将达到180亿m3,比原来24垸160亿m3容积更大,但影响范围减小.

4 结 语

三峡水库运行对长江洪水调度作用的发挥,为洞庭湖治理提供了新的契机,但并不能改变洞庭湖的分洪和蓄洪定位,更不能成为新一轮湖泊围垦的理由.因此,本文提出的洞庭湖湿地区域划分的新框架,既可有效保护3口洪道分泄洪能力和河道生命力,切实提高城陵矶附近的蓄滞洪能力并减小蓄洪影响范围,提升长江中游管理洪水的水平,也可以明确该区域经济社会发展的方向,促进湖区城镇化、产业化进程,并通过人口的集中居住逐步减小人类活动对湖区的影响,形成洞庭湖“人类活动集中区—扩大蓄洪区—蓄洪区—自然湿地”的梯级层次,逐步减小人类活动影响范围,创造蓄洪湿地恢复成自然湿地特征的条件.

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