三峡水库洪水调度对洞庭湖吞吐水量的影响

葛 华，朱玲玲，张细兵

（1.长江科学院，湖北 武汉 430010；2.长江水利委员会水文局，湖北 武汉 430010）

1 问题的提出

长江中游荆江河段通过松滋口、太平口和藕池口三口分流汇入洞庭湖，又在荆江河段出口城陵矶接纳洞庭湖出湖水流。一方面长江上游的来水及荆江河段的水位流量变化对三口分流分沙产生复杂的影响，另一方面城陵矶水位的变化又对洞庭湖出流形成不同的顶托作用，多种因素相互作用下构成复杂的江湖关系 （见图1）。自2003年6月以来，三峡水库的调度运用改变了荆江河段的来水来沙条件，使其年内径流过程发生了重大变化，对荆江河段的河床冲淤产生了显著的影响，从而使荆江—洞庭湖的江湖关系变得更为复杂。因此，针对荆江三口分流分沙的变化规律，特别是三峡水库蓄水运用以来的变化规律及其影响已开展了大量的研究［1－5］，这些研究多数针对多年来的分流分沙变化规律及三峡水库运行后荆江河段冲刷及汛后蓄水对三口分流分沙的影响而开展。然而，自2008年三峡水库试验性蓄水以来，为减轻荆江河段及荆南四河的防洪压力，2009—2012年三峡水库在汛期实施了防洪运用，进行了中小洪水调度，从而使得三峡水库在汛期也对洞庭湖的吞吐水量产生明显影响。本文以江湖河网水流数学模型为技术手段，以三峡水库日均入库与出库流量为边界条件，计算分析了三峡水库中小洪水调度对洞庭湖汛期吞吐水量及长江干流与洞庭湖区水位变化的影响，以期为三峡水库的优化调度以及江湖防洪减灾提供一定的技术支撑。

2 江湖河网水流数学模型建立与验证

本文所建立的江湖河网水流数学模型以长江干流宜昌—螺山河段以及洞庭湖区为计算河段范围 （见图1），计算河段范围内共概化了63个汊点、87个计算河段和3 726个计算断面，计算断面平均间距约440m。数学模型的求解采用汊点分组解法［6］，共划分为5组汊点。

数学模型验证时，长江干流采用2006年汛后实测地形，洞庭湖区采用2011年实测地形。验证计算时段为2006年1月1日至2009年12月31日，干支流流量边界控制水文站为：长江干流进口为宜昌站，清江入汇为高坝洲站，湘江、资水、沅江和澧水入汇分别为湘潭、桃江、桃源、石门站，模型的出口水位边界通过螺山站实测水位控制。

图2为长江干流及洞庭湖区典型水文站水位流量关系验证成果图。从图2中可以看出，计算水位流量关系与实测值基本一致，模型能够较好地反映计算河段水力特征关系。图3为荆江三口分流量与长江干流水位相关关系验证成果图。从图3中可以看出，荆江三口计算分流比与实测值符合较好，能够较好地模拟荆江三口的分流过程及分流能力。总体来看，数学模型计算精度较高，能够较好地模拟计算河段的水流运动特征。

图1 研究河段范围示意图

图2 长江干流及洞庭湖区典型水文站水位流量关系验证成果图

图3 荆江三口分流量与长江干流水位相关关系验证成果图

3 三峡水库中小洪水调度对洞庭湖吞吐水量的计算分析

3.1 计算边界条件

三峡水库自2008年试验性蓄水以来，在2009—2012年汛期都进行了中小洪水的调度。其中2009年汛期控泄出库流量39 000m3／s；2010年对3次入库流量大于50 000 m3／s的洪水，最大下泄流量均按40 000m3／s左右控制；2011年实施4次中小洪水调度，累计拦蓄洪量247.16亿m3；2012年实施中小洪水调度共4次，最大下泄流量44 100m3／s。针对以上实际情况，本文进行三峡水库中小洪水调度对洞庭湖吞吐水量影响的分析计算时段确定为2009年1月1日至2012年12月31日。进行对比分析计算时共分为2个工况进行，其中工况1采用三峡入库流量过程作为模型进口边界条件，工况2则采用三峡出库流量过程作为模型进口边界条件。通过对2个工况计算成果的对比分析，对三峡水库中小洪水调度对洞庭湖吞吐水量的影响进行研究。三峡入库和出库水流过程见图4。计算时，清江及洞庭湖四水流量则统一采用计算时段内实测日均流量，下边界采用螺山站2009—2012年实测水位流量关系控制 （见图5），计算地形与验证计算相同。

图4 2009—2012年三峡进出库流量过程图

图5 2009—2013年螺山站水位流量关系图

3.2 计算成果分析

2009—2012年汛期三峡水库调度前后洞庭湖进、出口的逐日流量过程对比见图6，三峡水库进行中小洪水调度期间对洞庭湖吞吐水量影响计算结果的统计情况见表1。其中，洞庭湖吞入水量以荆江三口控制站的统计值为依据，吐出水量则以七里山站统计值为依据。从表1可以看出，2009—2012年三峡水库进行中小洪水调度期间，三峡水库拦蓄洪水量约占调度期间洪水来量的26.9%～33.7%，下泄洪水量有大幅度的消减。三峡入库洪水经过拦蓄后，长江中游荆江三口分洪水量也相应地大幅度减少，其中以藕池口的分洪减少幅度最大，为33.8%～47.4%，是三峡水库拦洪幅度的1.3～1.4倍，松滋口和太平口的分洪减少幅度则基本与三峡拦洪幅度相当。

从三峡水库进行中小洪水调度后洞庭湖汇入长江水量变化来看，尽管在三峡水库进行中小洪水调度期间洞庭湖的吞入水量有所减少，但受长江干流洪量减少、洪水位降低影响，洞庭湖的出流条件好转，受长江干流顶托作用降低，因此洞庭湖出湖水量有大幅度增加，增加幅度为45.7%～119.6%。

表1 三峡水库中小洪水调度期间拦蓄幅度及洞庭湖吞吐水量变化表 %

图6 三峡水库调度前后洞庭湖进、出口的逐日流量过程对比图

图7为2009—2012年汛期三峡水库调度前后洞庭湖进、出口的逐日水位过程对比图，表2为三峡水库进行中小洪水调度期间长江干流及洞庭湖区部分控制站洪水位变化的平均值表。从表2可以看出，三峡水库进行中小洪水调度后，长江荆江河段干流水位有大幅的降低，离三峡水库越近，水位降幅就越大，枝城、沙市、莲花塘站的水位降幅分别为1.54～2.44，1.42～2.27，0.52～1.24m。与此同时，由于三口分流量减少、长江干顶托作用降低，洞庭湖区的水位也有所降低，石龟山、三岔河和杨柳谭站的水位降幅分别为0.69～1.08，0.44～0.85，0.22～0.76m。

表2 三峡水库中小洪水调度期间长江干流及洞庭湖区水位变化表

4 结 语

文章以江湖河网水流数学模型为技术手段，以三峡水库入库与出库日均流量为边界条件，计算分析了三峡水库中小洪水调度对洞庭湖汛期吞吐水量的影响及长江干流与洞庭湖区水位变化，计算分析主要结论如下：

（1）三峡水库进行中小洪水调度后，荆江三口分流量有一定幅度的降低，其中以藕池口分洪减少幅度最大，是三峡水库拦洪幅度的1.3～1.4倍，松滋口和太平口的分洪减少幅度则基本与三峡拦洪幅度相当。同时，受长江干流洪量减少、洪水位降低影响，三峡水库进行中小洪水调度后洞庭湖洪水期的出流条件好转，因此出湖水量大幅度的增加，能有效降低洞庭湖防洪压力。

（2）三峡水库进行中小洪水调度后，长江荆江河段干流水位有大幅的降低，离三峡水库越近，水位降幅就越大。同时，洞庭湖区的水位也有所降低，能够有效缓解荆江及洞庭湖区的防洪压力。

图7 三峡水库调度前后洞庭湖进、出口的逐日水位过程对比图

［1］许全喜，胡功宇，袁晶.近50年来荆江三口分流分沙变化研究 ［J］.泥沙研究，2009 （5）：1－8.

［2］郭小虎，李义天，刘亚.近期荆江三口分流分沙比变化特性分析 ［J］.泥沙研究，2014 （1）：53－60.

［3］渠庚，郭小虎，朱勇辉，等.三峡工程运用后荆江与洞庭湖关系变化分析 ［J］.水力发电学报，2014，31（5）：163－172.

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［5］方春明，胡春宏，陈绪坚.三峡水库运用对荆江三口分流及洞庭湖的影响 ［J］.水利学报，2014，45（1）：36－41.

［6］李义天.河网非恒定流隐式方程组的汊点分组解 ［J］.水利学报，1997 （3）：49－57.