城陵矶综合枢纽对洞庭湖区水位的抬高作用

姜 恒，钱 湛，张双虎，黄 兵，黎昔春

(1. 湖南省水利水电勘测设计研究总院 洞庭湖研究中心，长沙 410007；2. 中国水利水电科学研究院，北京 100044)

河湖建闸目的是为了控制水位以满足航运、防洪、发电、灌溉、生态保护等[1,2]。三峡水库汛后蓄水，长江干流水位下降，洞庭湖出湖水量增加，影响洞庭湖汛后蓄水量[3-5]，从而使得洞庭湖湿地环境发生变化[6-8]，加重了洞庭湖季节性干旱问题[9-11]。对此，湖南省和湖北省政府提出了建设城陵矶综合枢纽工程的设想(位置示意图如图1所示)。许多专家学者[12, 13]也提出了城陵矶建闸的洞庭湖治理方案，周北达[9,14]等人从水环境、水资源、防洪、生态及渔业等方面探讨了修建城陵矶综合枢纽的影响。本文旨在通过模型计算得出建设城陵矶枢纽对洞庭湖水位的抬升高度以及影响范围为枢纽的建设提供参考意见。

1 城陵矶综合枢纽运行调度方式

城陵矶综合枢纽工程坝址拟选定湖南省岳阳市洞庭湖第一大桥下游约1.8 km处，位于洞庭湖入江水道。综合考虑供水、灌溉、水生态环境、航运等不同要求，城陵矶综合枢纽工程采用“控枯不控洪”的调度方式运行，其初步调度方案[15,16]如下：①4月1日-8月31日，闸门全部敞开，江湖连通；②9月1日-9月10日，当闸上水位高于27.5 m时，闸门全开；当闸上水位降到27.5 m时，减少闸门开启孔数，按四水、洞庭湖区及区间来水下泄，水位维持27.5 m；当闸上水位低于27.5 m时，在泄放满足航运、生态流量的前提下，减少下泄量使水位至升至27.5 m；③9月11日-10月31日，逐渐加大泄量，闸上水位降至调控水位24 m；据1961-2002年实测资料统计，9月末-10月初(9月29-10月2日)城陵矶七里山站平均水位25.96 m、10月上旬末、中旬末和10月末该站日平均水位分别为25.44、24.80和23.65 m。据此，城陵矶建闸后，洞庭湖10月1日、10月11日、10月21日和10月31日闸前水位分别按27、26、25和24 m考虑。④11月末闸上水位消落至23.5 m；12月1日-3月底，根据最小通航、生态流量等需求控制枢纽下泄流量，闸上水位在23.0～23.5 m之间波动；在此期间，若外江水位高于闸上水位，则闸门全开。

2 城陵矶综合枢纽对洞庭湖区水位的抬升作用

采用中国水利水电科学研究院的“长江中下游一江两湖水动力模型”[17-19]模拟分析城陵矶综合枢纽对湖区水位的抬高作用。水动力模型的紊流方程采用二阶紊流闭合模型以计算垂向涡黏系数和扩散系数，采用Smagorinsky方法以计算水平涡黏系数和扩散系数，模型控制方程求解采用交错网格上的内-外模式分裂方法，求解精度达到二阶，其中外模式采用半隐式差分格式，内模式采用隐式差分格式，内-外模型的运用使模型在保证垂向高分辨率的前提下大大提供了计算效率。模型上边界为实测枝城站来水；洞庭湖四水、鄱阳湖五河以及长江中游各主要入江河流按旁侧入流考虑，取实测的流量；模型下边界输入为大通水文站水位流量关系曲线。模型的参数率定和验证时期选取2001年11月1日-2002年7月31日间的9个月，该时段包含洞庭湖的丰水期和枯水期，这有利于提高参数率定过程中模型对高水位和低水位的模拟效果及模型参数率定的效率。

三峡工程自2007年水库试验性蓄水到156 m，至2009年完成175 m试验性蓄水，三峡水库为达到试验蓄水水位会控制下泄流量，营造出的不同来水状况，故选取2007-2009年3个连续水文年份进行计算分析。水文数据来源于长江水利委员会水文局和湖南省水文局，地形数据来源于湖南省洞庭湖水利工程管理局，为2011年洞庭湖实测地形数据，经严格的数据质量控制、一致性检查及记录订正与复核。为保证断面设置的合理性与代表性，从城陵矶综合枢纽闸前逆洞庭湖水流方向每0～1 km设一个断面。断面编号与湖区主要站点对应关系见表1和图1。通过控制城陵矶枢纽位置处的水位实现有枢纽情景下湖区各点水位的模拟计算。

图1 洞庭湖主要水文站点及城陵矶综合枢纽位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the main hydrological stations and Chenglingji Integrated Hub in Dongting Lake area

断面编号对应水文站点所在位置0七里山闸前16鹿角东洞庭湖28营田南洞庭湖54小河咀目平湖64沙湾目平湖87石龟山澧水洪道

2.1 2007年计算结果

图2为2007年来水有、无城陵矶综合枢纽情景下洞庭湖主要站点水位对比图，表2为主要站点水位抬高值。

表2 兴建城陵矶综合枢纽后湖区水抬高值(2007年) m

图2 有无城陵矶综合枢纽不同时间湖区水位对比(2007年)Fig.2 Comparison of water levels in the lakes at different time points in the Chenglingji Integrated Hub (2007)

由图2和表2可知：①10月1日，湖区0～75号断面水位均有所抬高，城陵矶枢纽闸前抬高1.1 m，东洞庭湖鹿角水文站断面抬高1.0 m，南洞庭湖营田水文站断面抬高0.9 m，目平湖小河咀水文站断面抬高0.14 m、目平湖沙湾水文站断面抬高0.13 m；②10月11日，闸前、鹿角、营田、小河咀、沙湾水文站断面水位分别抬高2.7、2.5、2.4、0.1和0.1 m；③10月21日，闸前、鹿角、营田水文站断面水位分别抬高2.8、2.55和2.46 m；④10月31日，闸前、鹿角、营田水文站断面水位分别抬高2.56、2.3和2.26 m。

2.2 2008年计算结果

图3为2008来水年型，有、无城陵矶综合枢纽情景下洞庭湖主要站点水位对比图；表3为主要站点水位抬高值。

表3 兴建城陵矶综合枢纽后湖区水抬高值(2008年) m

由图3和表3可知：①10月1日，闸前、鹿角、营田、小河咀、沙湾水文站断面水位分别抬高0.81、0.76、0.71、0.13和0.10 m；②10月11日，上述各断面水位分别抬高1.89、1.83、1.79、0.1和0.1 m；③10月21日，闸前、鹿角水文站、营田水文站断面水位分别抬高2.69、2.27和2.18 m；④10月31日，闸前、鹿角水文站、营田水文站断面水位分别抬高2.56、2.30、2.26 m。

2.3 2009年计算结果

遇2009年来水年型，9月1日城陵矶综合枢纽下闸。由于2009年下闸较早，为保障下闸蓄水期湖区水位有一定的消落，设定到9月末水位消落至26 m，10月末水位消落至24 m。图4为2009年来水，有、无城陵矶综合枢纽情景下洞庭湖主要站点水位对比图，表4为主要站点水位抬高值。

表4 兴建城陵矶综合枢纽后湖区水抬高值(2009年) m

图3 有无城陵矶综合枢纽不同时间湖区水位对比(2008年)Fig.3 Comparison of water levels in the lakes at different time points in the Chenglingji Integrated Hub (2008)

由图4和表4可知：①9月11日，闸前、鹿角水文站、营田、小河咀、沙湾水文站断面水位分别抬高2.1、2.0、1.9、0.47和0.43 m；②9月21日，上述断面水位分别抬高2.74、2.69、2.61、0.27和0.26 m；③9月30日，上述断面水位分别抬高3.39、3.18、3.10、0.11和0.11 m；④10月11日，闸前、鹿角水文站、营田水文站断面水位分别抬高4.66、4.46和4.41 m；⑤10月21日，闸前、鹿角水文站、营田水文站断面水位分别抬高4.28、4.06和4.0 m；⑥10月31日，闸前、鹿角水文站、营田水文站断面水位分别抬高2.71、2.55和2.51 m。

图4 有无城陵矶综合枢纽不同时间湖区水位对比(2009年)Fig.4 Comparison of water levels in the lakes at different time points in the Chenglingji Integrated Hub (2009)

2.4 综合分析

从计算结果看，若城陵矶综合枢纽最高蓄水位、调控高水位分别按27.5 m和23～24 m考虑，回水影响范围最远北至华容县城和南县县城，西至目平湖。

表5为城陵矶闸前水位抬高与湖区各水文站水位抬高的关系结果。由表5可知：①城陵矶水位抬高与东洞庭湖鹿角、营田站水位的雍高呈线性相关，见图5和图6。城陵矶水位抬高1 m，鹿角站水位雍高约0.93 m、营田站水位雍高约0.90 m；②当城陵矶水位低于25.5 m时，城陵矶水位由25.5 m抬高至26 m、26 m抬高至26.5 m、26.5 m抬高至27 m、27 m抬高至27.5 m，相应杨柳潭站水位分别抬高0.17、0.22、0.3和0.4 m，小河咀站水位分别抬高0.06、0.09、0.12和0.20 m，对南洞庭湖杨柳潭站和西洞庭湖南咀站水位影响不明显。

表5 城陵矶水位抬高对湖区水位的影响 m

图5 城陵矶水位抬高与鹿角站水位雍高相关关系图Fig.5 Correlation between the water level elevation of Chenglingji and the water level of the antler station

图6 城陵矶水位抬高与营田站水位雍高相关关系图Fig.6 Correlation between the water level elevation of Chenglingji and the water level of Yingtian Station

3 结 语

若城陵矶综合枢纽最高蓄水位、调控高水位分别按27.5 m和23～24 m进行建设，回水影响范围包括华容县、南县县城以及目平湖；若城陵矶闸前水位低于26 m时，回水影响区域主要集中在闸前至南洞庭湖营田水文站附近。城陵矶水位每抬高1 m、鹿角站水位雍高约0.93 m、营田站水位雍高约0.90 m；城陵矶水位由25.5 m抬高至26.5 m、26.5 m抬高至27.5 m，与之相应杨柳潭站水位分别抬高0.39和0.7 m，小河咀站水位分别抬高0.15和0.32 m；对南洞庭湖杨柳潭站和西洞庭湖南咀站水位影响不明显。

兴建城陵矶综合枢纽以及进行科学合理的运行调度，可有效缓解九十月份湖区水位过低造成的水资源供需矛盾，可恢复洞庭湖区水位消落过程至三峡水库蓄水运用前水平，改善湖区水位消落过快的局面， 尤其是枯水年型，枯水期的水位抬升在某种程度上可以解决湖泊出现的枯水时间提前、水位偏低、持续时间延长等问题，从而缓解湖泊旱情；此外，枢纽对长江中下游具有补水的作用，枯水期根据下游需水、生态需求及最小通航等调控闸上水位，使洞庭湖持续向长江中下游补水，专家初步估计补水量可达51.29 亿m3，较现状无城陵矶综合枢纽多向长江中下游补水47.14 亿m3[15]。根据学者研究成果表明[15, 20]，城陵矶综合枢纽建成后，汛期枢纽闸门将全开敞泄，江湖连通；在不同情景下，通过数学模型计算可知各典型年长江干流河段洪峰稍有降低(最大降低幅度仅2～4 cm)，水位变化不大，因此，枢纽运行将对长江防洪无影响。湖泊水位抬升、库容增加，导致流速相对减小，换水周期的增长，对湖泊水质可能会带来一定影响[14, 21]，因此，枢纽工程对湖泊换水周期所造成的影响，最终给湖泊水质和生态系统带来何种程度的影响，有待进一步的研究。