鄂北调水工程对汉江中下游水文情势的影响

邓志民，刘扬扬，樊 皓

(长江水资源保护科学研究所，武汉 430051)

0 引 言

汉江是长江中游最大的支流，干流全长1 577 km，全流域面积15.9 万km2，多年平均径流量566 亿m3。丹江口以上为上游，长约925 km，流域面积9.52 万km2；丹江口以下为中下游，长约652 km，流域面积6.38 万 km2[1]。近期，为了解决湖北省鄂北地区资源型缺水问题，2015年7月，国家发改委批复了鄂北地区水资源配置工程(以下简称“鄂北调水工程”)可行性研究报告，该工程以丹江口水库为水源，多年平均总引水量13.98 亿m3，包含原《南水北调中线工程规划》中供引丹灌区的11.07 亿m3，其中已运行的唐西引丹灌区多年平均引水量6.28 亿m3，鄂北受水区渠首多年平均引水量7.70 亿m3，从汉江中下游干流用水区供水中调整2.91 亿m3。那么，汉江中下游水量的减少，对汉江干流水文情势将产生怎样的影响，这是鄂北调水工程亟须解决的问题。

然而，汉江干流引调水工程众多，根据2012年水利部长江水利委员会编制的《汉江干流综合规划报告》(2010年修编)[2]，推荐汉江干流梯级开发方案为黄金峡-石泉-喜河-安康-旬阳-蜀河-白河-孤山-丹江口-王甫洲-新集-崔家营-雅口-碾盘山-兴隆共15级，其中汉江中下游七级开发方案中，王甫洲水利枢纽、崔家营航电枢纽和兴隆枢纽已建，新集水电站环评已取得环保部批复，雅口水利枢纽和碾盘山水利枢纽正在开展前期工作；规划有以丹江口水库为水源的南水北调中线工程，及汉江中下游四项治理工程。南水北调中线一期工程从汉江丹江口水库陶岔闸引水，年均调水量95 亿m3，已于2014年12月12日通水。汉江中下游四项治理工程中引江济汉工程是从长江荆州段龙洲垸引水至汉江潜江段高石碑，年平均输水37 亿m3，其中补汉江水量31 亿m3，该工程已于2014年建成并运行。2014年9月，国家发改委批复陕西引汉济渭工程可行性研究报告，引汉济渭工程总调水规模的15 亿m3，其中汉江支流子午河自流调水5 亿m3，汉江干流黄金峡水库引水10 亿m3。汉江上游干流各调水工程的建设运行，也势必对汉江中下游的水文情势造成重大的影响，进而可能导致汉江中下游生态系统遭受破坏[3-6]。

因此，为了区分鄂北调水工程对汉江中下游水文情势的影响，本文在已有的研究基础上，综合汉江上游干流各调水工程的规模、汉江中下游梯级开发以及治理工程，并结合有关规划及水资源配置方案，设置了3种情景，运用MIKE模型对比分析不同情景下调水工程对汉江中下游水文情势的影响，以为保障汉江中下游生态系统的完整性及可持续发展提供参考依据。

1 研究方法

本文采用MIKE11水动力模块模拟汉江中下游水文情势，该模块是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流圣维南方程组来模拟河流或河口的水流状态。方程组利用Abbott-Ionescu六点隐式差分格式求解，该格式在每一个网格点不同时计算水位和流量，而是按照顺序交替计算水位或流量，具有稳定性好，计算精度高的特点[7]。该模型在进行完全水动力学模拟的同时，也可进行各种简化的水流模拟，如扩散波、运动波及准稳定流的计算。MIKE11可以模拟各种水土建筑物(如箱涵、堰或泄流闸)及其运用规则。

本文采用纳什效率系数NSE来判定模拟流量(水位)过程与实测流量(水位)过程的拟合程度；采用相对误差RE来评判测流断面不同点位流速、流向模拟值与实测值的偏差。其中，NSE可用来评价模型模拟的精度，反映了实测与模拟数据的吻合程度，其值在[0,1]之间，越接近于1表示模型模拟效果越好；RE则反映了模拟数据和实测数据相对误差，计算公式如下[8]：

(1)

RE=(Vsim,i-Vobs,i)/Vobs,i

(2)

2 研究结果与分析

2.1 模型概化

研究区域为汉江中下游河段，即丹江口坝下～汉江汇口，根据汉江干流特点，将流域内影响水流运动的因素概化为一维模型(一维河道)和联系要素(汉江水利枢纽等)，计算断面334个，水工控制建筑物4个，分别为王甫洲水利枢纽、新集水电站、崔家营航电枢纽和兴隆水利枢纽。

水文边界以丹江口坝下为上边界，以龙王庙水位站为下边界。由于丹江口坝下至黄家港无大的支流汇入，沿程流量变化不大，因此上边界流量利用黄家港断面逐月流量成果，并考虑区间北河、南河、小清河、唐白河、蛮河、竹皮河、汉北河等主要支流的汇入以及主要引排水闸站取退水影响；下边界水位则采用龙王庙水位站实测水位数据，并根据不同的来水条件适当进行调整。

2.2 模型率定与验证

水动力模型参数主要包括糙率和与热量有关的系数，其中河段糙率取值对模型计算最为关键。本文将汉江中下游划分为7段，分别选取仙桃水文站2010和2011年的逐日实测流量数据以及襄阳水文站2010年6月和2013年5月逐日实测水位数据为率定期和验证期。参数率定时首先根据沿程各河段比降和各水文站实测的相应水力因子，采用曼宁公式估算出河道糙率初始值，再根据试算结果与实测值的对比对参数进行调整，经反复试算，直至计算结果与实测值较好地吻合。本文优选出各河段水动力学模型糙率如表1所示，一维水动力模型率定与验证结果如图1和图2所示。

表1 汉江中下游一维水动力模型率定的河床糙率Tab.1 River bed resistance of hydrodynamic model in the middle and lower reaches of Hanjiang River

图1 仙桃水文站逐日流量过程率定与验证Fig.1 Observed and simulated daily discharge for calibration and validation period

图2 襄阳水文站逐日水位过程率定与验证Fig.2 Observed and simulated daily water level for calibration and validation period

由图1可知，除洪峰过程有所偏移外，仙桃水文站流量预测值与实测值吻合程度较好，率定期NSE为0.77，验证期NSE为0.73。襄阳水文站水位预测值与实测值吻合程度较好，率定期和验证期NSE分比为0.81和0.74(见图2)。从一维水动力模型率定与验证结果来看，模型计算的流量、水位过程与实测数据的NSE均可达0.7以上，因此，一维水动力模型能够较真实地模拟研究区域的水文状况，具有较高的可靠性。

2.3 水文情势的影响分析

为了弄清鄂北调水工程实施后对汉江中下游干流水文情势的影响，本文综合汉江中下游干流规划梯级开发(王甫洲、新集、崔家营、兴隆)、引江济汉等工程运行特点以及丹江口水库调蓄作用，共设置了3种情景对比分析典型断面在不同工程实施阶段水文情势的变化情况。由于本文主要考虑汉江上游干流调水情况，故引汉济渭工程只考虑从黄金峡水利枢纽调水10 亿m3，具体情景设置如表2所示。

表2 汉江中下游水文情势影响分析情景设置Tab.2 The condition of three kinds of engineering and hydrology

2.3.1工程实施对典型断面年平均流量、水位和流速的影响

本文按照S1、S2、S3三种情景设置，对汉江中下游江段进行了一维水动力模拟。综合考虑水文站、梯级电站等因素，选取了黄家港水文站、王甫洲坝下、新集、崔家营、雅口、碾盘山、皇庄水文站、兴隆、仙桃水文站、宗关10个断面，选择P=10%、P=50%、P=90% 3种典型年丹江口下泄来水条件，对比分析3种情景下工程实施对河道年平均流量、水位、流速的影响。

由模型MIKE11计算不同情景下不同设计频率10个断面的年平均流量、水位、流速，仅以平水年3种情景对比下各断面年平均流量为例，结果如图3所示。

图3 平水年3种情景对比下汉江中下游各断面年平均流量变化情况 Fig.3 Variation of annual discharge of each cross-section under three scenarios in normal year in the middle and lower reaches of Hanjiang Rvier(P=50%)

由图3(a)可知，S3与S2相比，平水年各断面年平均流量减小了17.5～29.9 m3/s，相对差值为1.7%～4.3%；水位下降了0.01～0.06 m、流速减小了0～0.05 m/s，相对差值为1.1%～35.7%。由此可见，清泉沟增加引水后，在各梯级不衔接的自然河段，水位、流速略微下降。

由图3(b)可知，P=50%平水年， S3与S1相比，各断面年平均流量减小了355.9～629.8 m3/s(24.8%～47.7%)，新集断面水位上升了9.91 m，其余断面水位下降了0.07～1.05 m，流速减小了0.06%～0.63m/s(10.1%～77.2%)。

综上可知，从S1到S3情景，以P=50%平水年为例，各断面流量、水位、流速最大降幅分别为629.8 m3/s、1.05 m、0.63 m/s。其中由鄂北调水工程对其贡献率分别为3.4%、5.7%、1.0%，故鄂北调水对汉江中下游各断面流量、水位、流速的影响较小。因此，汉江中下游流量、水位、流速下降主要是受已规划的引调水工程实施以及规划梯级开发的影响[9-12]。

2.3.2 汉江中下游水文情势沿程累积变化

调水工程实施后，由于不断受到沿途支流汇入的影响，沿程断面流量变化规律性强，基本从上游至下游降幅逐渐减小。然而，流速和水位的沿程变化则呈现出无规律性，因为流速的变化不仅与流量有关，还受到河道地形、比降等因素的影响，而水位受河道宽度、地形以及梯级蓄水等因素的影响。因此，本文以年均流量变化为指标，对比分析3种情景下汉江中下游水文情势沿程累积变化情况(见图4)。

图4 不同情景间沿程各断面年平均流量降幅Fig.4 The decreasing amplitude of annual discharge of each cross-section along the way under three scenarios

S3与S2相比，清泉沟增加引水后沿程各断面流量减幅度在5%以内。P=90%枯水年，沿程各断面年平均流量下降幅度呈略微增加趋势，因为该时段引水流量较小，各断面流量变化主要受中下游河道外取用水影响，越往下游河道外取用水越多。P=10%丰水年、P=50%平水年，沿程各断面平均流量降幅从上游至下游基本呈累积减少趋势，其中黄家港、王甫洲、新集3个断面平均流量降幅相对较大；崔家营断面平均流量降幅相对前3个断面的略有减小，因为新集以下有唐白河支流的汇入，汉江干流流量得到一定程度补给；崔家营以下随着沿程支流不断汇入，各断面平均流量降幅逐渐减小，受引水的影响逐渐减弱。

S3与S1相比，沿程各断面年均流量降幅较大。P=90%枯水年，除仙桃、宗关断面因受引江济汉工程补水的影响，年均流量有所增加外[3]，兴隆以上沿程各断面年均流量下降幅度呈累积降低趋势，唐白河汇入前，黄家港、王甫洲、新集3个断面年均流量降幅在57%左右；新集以下唐白河、蛮河、竹皮河等支流相继汇入后，崔家营～兴隆沿程断面年均流量降幅减少至52.5%左右。P=50%平水年，沿程断面年均流量减幅的累积降低趋势显著，黄家港、王甫洲、新集3个断面年均流量降幅在47%左右；新集以下唐白河、蛮河、竹皮河等支流相继汇入后，崔家营～兴隆沿程断面年均流量降幅减少至40%左右，表明支流汇入对干流流量的影响较大[13]；兴隆以下由于引江济汉补充了部分水量，仙桃、宗关断面年均流量降幅累积减少至26%左右。P=10%丰水年，沿程各断面年均流量降幅的变化趋同典型平水年。

3 结 语

本文根据上游调水工程实施情况，并综合汉江中下游干流规划梯级开发、引江济汉等工程运行特点以及丹江口水库调蓄作用，为了区分鄂北调水工程对汉江中下游水文情势的影响，设置了3种情景对比分析不同工程实施对汉江中下游水文情势的影响。结果表明：

(1)S3情景与S1情景相比，除枯水年仙桃和宗关两个断面由于引江济汉工程补水导致其年均流量增大、新集断面由于增加新集水电站工程导致其水位增大外，其余断面年均流量、年均水位和年均流速均有不同程度地降低，P=50%平水年最大降幅分别为47.7%、14.9%、77.2%。S3情景与S2情景相比，各断面年平均流量、水位过程呈微弱降低趋势。

(2)除仙桃、宗关断面因受引江济汉工程补水的影响，年均流量有所增加外，沿程各断面平均流量降幅从上游至下游基本呈累积减少趋势。S3情景与S2情景相比，沿程各断面流量减幅度在5%以内，总体上清泉沟增加引水后对汉江中下游流量、水位和流速的影响微弱，表明鄂北调水工程对汉江中下游的水文情势影响较小。S3情景与S1情景相比，沿程各断面流量降幅较大且基本分为3段，相同断面不同典型水平年其降幅不同，表明各支流的汇入对干流流量的影响较大，已规划的调水工程和梯级开发对汉江中下游的水文情势影响较大。

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