三峡水库蓄水期洞庭湖区水文情势变化研究

徐长江 徐高洪 戴明龙 张冬冬

摘要：洞庭湖湖区的水文情势变化直接影响到区域洪水灾害防治、水资源利用、水环境保护和水生态安全维护，意义重大。基于实测资料分析了三峡水库运行前后洞庭湖区水文情势变化，受三口分流量减少和来水偏枯等综合因素影响，2003～2016年8～11月洞庭湖入、出湖水量较1981～2002年分别减少26%和23.7%，湖区水位下降0.76～1.27 m。建立了长江与洞庭湖一、二维耦合水动力模型，模拟计算了三峡水库蓄水期初设调度方案、优化调度方案和规程调度方案下长江干流及洞庭湖区的水文过程，3种方案对应的城陵矶站蓄水期多年旬平均流量分别减少1 220，928，900 m 3/s，湖区鹿角站蓄水期多年旬平均水位分别降低1.47，1.23，1.20 m。实际调度流量减小812 m 3/s，水位降低1.14 m，表明实际调度最优。从不同调度方案比较来看，实际调度提前了起蓄时间，减缓了对洞庭湖区水文情势的不利影响。

关键词：水文情势; 蓄水期; 水动力模型; 三峡水库; 洞庭湖

中图法分类号：P333文献标志码： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.002

1研究背景

洞庭湖位于长江中游荆江河段南岸，是吞吐长江的通江湖泊，南纳湘、资、沅、澧四水来水，北承长江松滋、太平、藕池三口分流，湖区水系错综紊乱[1]，入湖径流经湖区调蓄后，再由城陵矶注入长江，江湖关系复杂。洞庭湖水文情势受长江干流与湖区水系支流来水的双重影响，如2006，2009，2011年，受三口分流减少和四水来水偏少的影响，湖区发生了大面积干旱，致使湖区生态、生活用水出现一定程度的困难，引起了社会各界的广泛关注[2]。

江湖关系变化是关系到长江及洞庭湖治理、开发与保护的关键性科学问题，特别是三峡水库运行以来江湖关系的变化受到学者的广泛关注[3]。众多学者基于实测资料，从水情水沙时空演变[4-8]、长江与洞庭湖水体交换能力[9-10]、槽蓄特性[11]等角度分析了新条件下的江湖关系变化。江湖关系受到气候变化以及人类活动的多要素影响，三峡水库运行调度作为影响因素之一备受关注，孙思瑞等[12]基于BP神经网络，分析了三峡水库不同调度方案对洞庭湖出口水位的影响;李景保等[13]通过运用三峡水库运行前后洞庭湖区实测原型水文资料，分析了三峡水库不同调度方式对洞庭湖区典型年的水情影响。本文在已有研究基础上，重点研究蓄水期三峡水库不同调度方案对湖区水位以及出湖水量的影响，通过構建水动力学模型定量评估水库蓄水的影响，分析不同蓄水方案情景下湖区水位及出湖水量的变化规律，为减轻水库蓄水对湖区生产、生活、生态等用水的影响提供可靠的技术支撑，为长江经济带城市规划建设、水资源优化配置决策提供科学可靠的参考依据。

2区域概况

洞庭湖位于东经111°14′～113°10′，北纬28°30′～30°23′，为我国第二大淡水湖。洞庭湖水系主要由湘江、资水、沅江、澧水四大水系和长江松滋口、太平口、藕池口三口分流水系组成，另有汨罗江、新墙河等入汇。

洞庭湖区是指荆江河段以南，湘、资、沅、澧四水尾闾控制站以下，跨湘、鄂两省的广大平原、湖泊水网区，总面积20 109 km 其中天然湖泊面积约2 625 km 洪道面积1 418 km 受堤防保护面积16 066 km 2。

洞庭湖区的地势西高东低，分成东洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖（由目平湖、七里湖组成），自西向东形成一个倾斜的水面。

3模型的构建

3.1一、二维耦合水动力数学模型

长江干流、荆江三口分流河道以及四水尾闾的水流模拟采用MIKE11一维水动力数学模型进行，洞庭湖湖区水流模拟采用MIKE21二维水动力数学模型，长江干流与洞庭湖区一、二维耦合通过MIKE FLOOD模型实现[14]。耦合模型涉及到的一维河道和二维区域模型采用标准连接形式。模型地形采用2011年长江干流河道和洞庭湖区地形资料。模型概化示意见图1。

长江与洞庭湖一、二维耦合模型中，上边界条件为宜昌站的流量，下边界条件为螺山站的水位流量综合线，洞庭四水、汨罗江及清江主要控制水文站的流量作为点源汇入模型。螺山站的水位流量关系非常复杂，影响因素较多，本次为了开展不同方案间的比较研究，采用近年的综合线。二维模型的上游边界条件由一维模型给出，而一维模型的下游边界由二维模型提供，2个模型的数值求解过程交替进行，在耦合边界上传递计算结果，实现耦合。

湖区内的降雨径流过程采用MIKE 21中降雨产流模块进行模拟。模块中的输入为湖区鹿角、南咀、小河咀、营田以及自治局各站的实测逐日降水过程，采用泰森多边形的方法插值形成湖面的逐日降水，蒸发采用湖区的逐月潜在蒸散发时间序列。

为准确模拟洞庭湖湖区的水动力变化过程，模型采用三角形网格对湖区进行网格划分，网格总数为23 436个。对于不规则网格，最大网格面积一般不宜超过0.1 km 2。综合考虑洞庭湖区面积、模拟精度、计算时间及软件性能等因素的限制，本次计算采用的最大网格面积不超过0.08 km 一般网格面积控制在0.015～0.02 km 2左右，重要地区、河道及其它地形变化剧烈的区域，计算网格适当加密。

3.2模型率定

模型参数的率定主要是河道和湖泊糙率的率定，以合理反映河道和湖泊的阻力。河道阻力不但与河道自身的物理特性有关，还与其上、下游的水位、流量、水面坡降等因素有关，就长江中游荆江和洞庭湖区而言，不同的洪水组成、量级及水位涨落率均会对水流阻力产生影响，因此进行糙率率定时必须选择具有一定代表性的典型洪水过程。综合分析，选择近期2008，2011，2012 年洪水过程作为率定的依据，3 a的洪水过程具有不同的洪水组成和特征，代表性较好。2008年洪水属于典型的四水遭遇型洪水，2011年属于该区域典型的枯水年份，2012年洪水为长江中游区域性较大洪水。

由于计算区域内不同河段、洞庭湖不同湖区的河床边界组成差异较大，对各区域进行糙率率定时，在对河道及湖泊特性分析的基础上，将长江中游干流河段分为枝城-沙市-新厂-监利-城陵矶-螺山5个河段，松滋河系、虎渡河系、藕池河系、澧水洪道分为22个河段，洞庭湖区及四水尾闾地区分为目平湖、南洞庭湖西侧、南洞庭湖东侧、东洞庭湖南侧、东洞庭湖北侧、湘江尾闾、资水尾闾、沅江尾闾 8 块分别按照地形等高线进行糙率率定。

3.3模型验证与精度评定

为量化评估模型的模拟精度，采用Nash-Sutcliffe系数[15]和相对误差RE[16]2个指标评价流量过程的模拟精度。

（1） Nash-Sutcliffe系数ENS。用以衡量模拟流量过程和实测流量过程间的拟合度，ENS值越接近于1，模拟流量越接近实测流量，公式为

ENS=1-ni=1（Qpi-Qoi） 2ni=1（Qoi-Qo） 2（1）

（2） 相对误差RE。用以评价模拟流量和实测流量的差值与实测流量之间的百分比，能反映模拟的可信程度，公式为

RE=ni=1（Qpi-Qoi）ni=1Qoi×100%（2）

式中，Q0为实测流量;Qp为模拟流量;Q0为实测平均流量;n为实测个数。

参考Moriasi等[17]研究中采用的模型精度评价等级标准（表1），定量评价本模型的模拟精度。

根据率定的参数，模拟2013～2014年长江干流、洞庭湖湖区及出口各站点的逐年流量和水位过程，并与实测流量、水位过程进行对比验证，模拟效果见表2和图2，其中水位是基于1985国家高级基准。由表2可以看出，除管家铺站为良好外，其他各个站点模拟流量过程与实测过程拟合程度均为优秀，满足模型模拟精度要求。由图2可以看出，湖区各站点的水位模拟过程与实测过程拟合较好，高低水位及过程走势比较一致，南咀、小河咀和鹿角站的平均水位绝对误差分别为0.03，0.06，0.04 m。

4洞庭湖区水文情势变化统计特征

以三峡水库运用为时间节点，分运行前（1981～2002年）和运行后（2003～2016年）2个阶段，洞庭湖区代表水位站选择南咀、小河咀和鹿角站，出湖代表水文站选择城陵矶站，根据各站的实测资料，对比分析三峡水库建库前后湖区入湖水量、出湖水量和水位的变化特征。结合长江上中游梯级水库蓄水调度运行实践，研究时段采用8～11月。

4.1入湖径流变化

洞庭湖入湖水量主要来自湘、资、沅、澧四水和荆江三口分流。采用湘江湘潭站、资水桃江站、沅江桃源站、澧水石门站合成流量代表洞庭湖四水入湖水量，松滋河新江口站和沙道观站、虎渡河弥陀寺站、藕池河康家港站和管家铺站合成流量代表荆江三口入湖水量。洞庭湖入湖径流（不含未控区间入流，下同）不同时段径流量及其变化统计见表3。

与1981～2002年相比，2003～2016年8～11月多年平均入湖径流量偏少210.6亿m 3，减幅26.6%，其中三口分流来水偏少132.3亿m 3，洞庭四水来水偏少78.3亿m 3，说明总体上入湖径流偏少是三口分流量减小和湖区水系来水偏枯共同影响而致。

与1981～2002年相比，2003～2016年多年平均情况下，荆江三口分流来水、洞庭四水来水和入湖径流在8，9，10月均呈偏少现象，尤以10月最为突出，多年平均入湖径流偏少71.8亿m 3，减幅45.6%，其中荆江三口减少39.7亿m 3，洞庭湖四水减少32.1亿m 3。

4.2出湖径流变化

采用城陵矶站流量代表洞庭湖出湖入江水量。城陵矶站不同时段径流量及其变化见表4。较1981～2002年，2003～2016年8～11月平均出湖流量偏少236亿m 3，减幅23.7%，8～11月各月均减少，以10月减少百分比最大。结合表3分析，10月入、出湖水量的差值在三峡工程运行前后基本相当。

4.3湖区水位变化

洞庭湖湖区由东、南、西洞庭组成，出口在东洞庭的城陵矶，本次以南咀、小河咀、鹿角水位站为湖区代表站，城陵矶水文站为洞庭湖出口代表站，根据各站实测水位资料，分析洞庭湖区的水位变化规律。

以2003年为时间分界点，分别统计1981～2002年以及2003～2016年各代表站8～11月各个时段月平均水位变化，统计结果见表5。可以看出，与1981～2002年相比，各站月平均水位在不同时期均有一定的下降，南咀、小河咀、鹿角和城陵矶站2003～2016年8～11月多年平均水位分别下降0.82，0.76，1.24，1.27 m;從湖区各站点变化幅度来看，靠近出湖点处的城陵矶站变化幅度最大，小河咀站和南咀站变化幅度相当;各月水位变化中，各站均以10月变化幅度最大，城陵矶站2003～2016年10月平均水位较之1981～2002年下降2.24 m。

5蓄水期洞庭湖区水文情势变化研究

5.1不同蓄水方案下宜昌站流量过程

三峡水库以上流域已建成若干座具有较强调节能力的大型水库，鉴于水库群的影响较为复杂[18]，且洞庭湖入湖径流的重要组成之荆江三口分流就位于三峡坝下游河段，故本次重点研究三峡水库蓄水对洞庭湖水文情势的影响，宜昌站流量还原时主要考虑三峡水库的调蓄影响。

2008年和2009年三峡工程曾进行过2次试验性蓄水，由于蓄水目标及当年蓄水期水情等因素，最高蓄水位分别为172.74 m和171.41 m。考虑到2008年和2009年三峡水库并没有蓄满，实际调度的蓄水量会较其他蓄水方案偏小，影响不同调度方案间的比较分析，因此，本次选取2010～2016年作为分析时段。根据三峡水库2010～2016年的实际调度运行资料，由三峡水库坝前水位、库容曲线以及出库流量，采用水量平衡法反推入库流量，再采用马斯京根法将入库流量过程由清溪场演算到宜昌站，得宜昌站天然流量过程。

由于不同调度方案主要从9月以后才开始蓄水，本次研究时段选为9～11月。在实际蓄水调度中，批复的三峡试验性蓄水实施计划中的蓄水方式为：三峡水库9月上旬可在承接8月下旬防洪调度运用水位基础上逐渐上浮水位，上浮期间控制下泄流量满足中下游各方用水需求。依据三峡水库初设调度方案、优化调度方案及规程调度方案对三峡水库进行2010～2016年蓄水模拟调度，得到不同情境下的宜昌站9～11月逐日流量过程，与宜昌站还原后的流量过程相比，统计影响特征如表6所示。

由于初设调度方案、优化调度方案和规程调度方案的蓄水起始时间分别为10月1日、9月15日和9月10日，因此以上方案对宜昌站9月份流量无影响或有部分旬时段的影响。

总体而言，实际调度对宜昌站各旬流量的影响要小于其它几种调度方案。据统计，实际调度、初设调度方案、优化调度方案和规程调度方案的宜昌站多年旬平均流量较天然情况分别减少3 160，4 740，3 580，3 420 m 3/s。从9～11月，实际调度反映出较其它调度方案相对更为均匀的蓄水过程，对各旬的流量影响相对更缓和，多年平均最大影响出现在9月中旬，旬流量减少4 300 m 3/s，10月底已基本蓄满。初设调度方案、优化调度方案和规程调度方案对旬平均流量的减少超过5 000 m 3/s的情形均有2个旬，旬平均流量的最大减小值分别为9 920，8 670，9 090 m 3/s，且多在11月中旬蓄满。长江中下游在11月已进入枯水期，为了避免水库蓄水对下游水资源开发利用的不利影响，上游水库宜在汛后尽早蓄满。

5.2不同蓄水方案对湖区水位的影响

在固化其他边界条件的情况下，将宜昌站2010～2016年还原后的天然流量过程和三峡水库初设调度方案、优化调度方案以及规程调度方案下的宜昌站流量过程作为上游边界条件，分别模拟洞庭湖湖区典型站点水位以及出湖站点流量过程。

根据模拟结果，统计出9～11月不同情境下的湖区各站点旬平均水位的特征值，分析三峡水库蓄水对洞庭湖湖区的水位影响。

不同情境下洞庭湖湖区各站的旬平均水位影响见图3。由图可以看出，总体而言，实际调度对水位的影响要小于其它几种调度方案。据统计，实际调度使洞庭湖区各站蓄水期旬平均水位下降0.24～1.14 m，其次是规程调度方案，各站蓄水期旬平均水位下降0.33～1.20 m，优化调度方案下各站蓄水期旬平均水位下降0.35～1.23 m，初设调度方案下各站蓄水期旬平均水位下降0.36～1.47 m。

在相同调度方案下，分析湖区不同位置处的水位变化幅度，处于东洞庭湖的鹿角站变化幅度最大，处于西洞庭湖的南咀站和处于南洞庭湖的小河咀站变化幅度相当，均小于鹿角站。

以鹿角站为典型，统计分析不同调度情境下各旬的水位特征变化，见表7。

由表7可以看出，实际调度、初设调度方案、优化调度方案和规程调度方案下的鹿角站蓄水期多年旬平均水位分别较天然情况下降1.14，1.47，1.23，1.20 m，实际调度对水位的影响相对最小。总体上，各个调度方案对鹿角旬水位的影响主要集中在9～10月下旬。从9月至10月，实际调度使鹿角站的水位出现一定的下降，下降过程较其它调度方案更趋缓和，旬平均水位最大下降值出现在10月上旬，降低1.51 m，9月上旬影响相对较小，下降0.43 m。初设调度方案、优化调度方案和规程调度方案对旬平均水位的影响相对较大，旬平均水位最大下降值均超过了2 m，分别为2.83，2.49，2.07 m，并有多个旬平均水位下降超过1.5 m;且多年平均情况下对水位的下降影响一直持续到了11月中旬，对于湖区枯水期的水资源开发利用和水环境保护较为不利。

5.3不同蓄水方案对出湖流量的影响

根据5.2节模拟结果，统计出2010～2016年9～11月不同情境下的城陵矶站出湖流量变化特征见表8，分析三峡水库蓄水对洞庭湖出湖流量的影响。

由表6和表8可以看出，优化调度方案自9月15日开始蓄水，规程调度方案自9月10日开始蓄水，宜昌站9月中旬平均流量在相应调度方案下较工程蓄水前的天然情况已呈明显下降现象，但城陵矶站在相应调度方案下9月下旬平均流量才出现显著下降，说明三峡水库的蓄水调度对洞庭湖的出流影响具有一定滞后性。

考虑三峡水库蓄水对洞庭湖出湖流量影响的滞后性，统计分析城陵矶站的多年旬平均流量影响值可知，总体而言，实际调度对城陵矶站的流量影响要小于其他几种调度方案：实际调度、初设调度方案、优化调度方案和规程调度方案的多年旬平均流量减少值分别为812，1 220，928，900 m 3/s。

6结 论

本文以洞庭湖區为重点研究对象，根据湖区代表水位站南咀、小河咀和鹿角站以及出湖代表站城陵矶站的实测资料，对比分析了三峡水库建库前后湖区入湖水量、出湖水量和水位的变化特征。并通过构建长江干流与洞庭湖区一、二维耦合的水动力数学模型，模拟计算了不同蓄水调度方案下洞庭湖湖区的水文过程，分析了不同蓄水方案对湖区水位和出湖流量的影响，主要结论如下。

（1） 与1981～2002年相比，2003～2016年8～11月多年平均入湖径流量偏少210.6亿m 3，减幅26.6%，城陵矶站8～11月平均出湖流量偏少236亿m 3，减幅23.7%，湖区各代表站月平均水位在相应时期均有一定的下降。其中，三口分流来水偏少132.3亿m 3，洞庭四水来水偏少78.3亿m 3，说明总体上入湖径流偏少是三口分流量减小和湖区水系来水偏枯共同影响而致。

（2） 在固化其他边界条件的情况下，利用模型模拟计算和统计分析三峡水库不同蓄水调度方案对宜昌站流量和湖区的水位影响。结果表明，从9月上旬至11月下旬，实际调度较其它调度方案表现出相对更为均匀的蓄水过程，对宜昌站各旬的流量影响相对更为平缓，继而对洞庭湖区水位的影响也要小于其他几种调度方案。在相同调度方案下，处于东洞庭湖的鹿角站水位变幅最大，南咀和小河咀站水位变幅相当。

（3） 在其他條件不变情况下，城陵矶出湖水量变化主要是由荆江三口进入洞庭湖的水量变化、湖泊水体自身调蓄量变化和干流水位变化共同影响所致。三峡水库蓄水期不同调度方案下洞庭湖出湖流量均有所减少，实际调度对城陵矶站的流量变化影响要小于其他几种调度方案。

（4） 三峡水库运行以来，发挥了巨大的防洪、发电、通航、供水等综合效益，三峡水库汛末蓄水是实现枯期补水的必然过程，蓄水期间对长江中游干流和洞庭湖区的水文情势产生了一定影响，为了尽量减小蓄水期的影响，优化蓄水调度非常重要。从本研究可以看出，三峡水库提前蓄水有利于减缓对洞庭湖区水文情势的不利影响，考虑到三峡水库以上流域若干大型水库也都在汛末蓄水，影响更为复杂，今后需要在确保防洪安全的前提下，进一步优化三峡水库预报预蓄过程，深入开展长江上游水库群联合蓄水调度研究。

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引用本文：徐长江，徐高洪，戴明龙，张冬冬.三峡水库蓄水期洞庭湖区水文情势变化研究[J].人民长江，2019，50（2）：6-12.

Study on hydrological regime variation in Dongting Lake during water storage period of Three Gorges Reservoir

XU Changjiang， XU Gaohong， DAI Minglong， ZHANG Dongdong

（Bureau of Hydrology， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430010， China）

Abstract： The variation of hydrological regime in Dongting Lake would directly affect regional flood prevention， water resources utilization， water environment protection and water ecology protection， which is of great significance. Based on the measured data， the variation of the hydrological situation in Dongting Lake area before and after the Three Gorges Reservoir operation was analyzed. The results showed that the inflowing and outflowing water volume of Dongting Lake from 2003 to 2016 had decreased by 26% and 23.7% respectively and the water level in lake area dropped 0.76～1.27m from August to November， compared with the period from 1981 to 2002， due to the combined factors， such as the diversion decrease of three distributaries from Jinjiang River and the decrease of incoming water， etc. A 1D and 2D coupled hydrodynamic model of the Yangtze River and Dongting Lake was established to simulate the hydrological processes of the study area during the water storage period of Three Gorges Reservoir under the initial-designed scheduling scheme， optimal scheduling scheme and protocol scheduling scheme. The corresponding average annual flow of Chenglingji station decreased 1 220，928 m 3/s and 900 m 3/s respectively， and the average annual water level of the Lujiao Station in the lake area decreased 1.47，1.23 m and 1.20 m respectively; however， the average flow decreased 812 m 3/s and the water level decreased by 1.14 m under the actual scheduling practice， indicating that the actual scheduling is optimal. From the comparison of different scheduling schemes， the actual dispatching advanced the storage starting time and slowed down the adverse impact on the hydrological situation in Dongting Lake area.

Key words：hydrological regime; water storage period; hydrodynamic model; Three Gorges Reservoir;Dongting Lake