洞庭湖区城西垸分蓄洪效果分析研究

徐 悦，宋 平，罗 雷，李 觅，李洪翔

（湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南 长沙 410007）

1 概 述

城西垸是洞庭湖重要蓄滞洪区，地处长株潭城市群下游，由湘江东支、西支与南洞庭湖包围，是湘水尾闾地区重要的分蓄洪场所，有效蓄洪容积8.2 亿m3，垸内受堤防保护面积109.86 km2[1～2]。

根据《长江流域防洪规划》[3]及《湖南省洞庭湖区防御洪水方案》[4]，城西垸蓄滞洪区的主要防洪任务为承泄城陵矶附近地区超额洪量，并在湘水发生大水时启用蓄洪以保长沙市及周边地区的安全。

近年来，湘江洪水位不断升高，2017 年长沙站最高水位达39.51 m，已超过39.00 m 控制水位（文章中水位为冻结高程系统，分洪口门底高程为85 黄海高程系统，模型中水位均转为85 黄海高程系统进行计算），造成湘江流域中下游地区防洪局势紧张，由于以往城西垸未有过主动分洪情况，分蓄洪效果未知，因此，为了给防汛调度提供科学依据，开展城西垸分蓄洪效果分析研究工作十分必要。城西垸地理位置见图1。

图1 城西垸地理位置示意图

2 分蓄洪模型构建及率定

考虑到长江中下游河湖水力联系的整体性与复杂性，为真实模拟湘江流域尾闾地区及洞庭湖地区洪水情况，拟构建长江中游地区整体水力学洪水演进模型，并嵌入分蓄洪模拟模块进行计算。

2.1 模型计算原理

计算采用一二维耦合水动力模型，对长江、湘江、资江、沅水、澧水及四口河系建立一维河网，对洞庭湖湖盆建立二维河网。

1）一维算法。河网中，水流控制方程是圣维南方程组，河网算法采用四点Preissmann 隐格式，将圣维南方程在相邻断面间离散成微段方程，再通过变量替换方法，形成只包含河段首断面的水位、流量和未断面水位、流量的关系式，将这些关系式进行一次自相消元得到一对以水位或流量为隐函数的方程组，再将此方程组代入相应的汊点连接方程和边界方程，消去其中的水位或者流量，形成汊点矩阵方程。基本方程包括水流连续方程与水流运动方程。

水流连续方程：

式中Z、Q、A、B 分别为水位、流量、过水面积、水面宽度，β 为动量修正系数，Sf为摩阻坡降，采用曼宁公式计算，q 为旁侧入流。

2）二维算法。利用任意三角形、四边形单元划分计算水域，采用基于严格守恒形式的有限体积法求解积分形式的二维浅水方程组，即对计算时段Δt=tn+1-tn和单元面积显式积分，再把时段初空间导数项的面积分用格林公式化作沿单元周边的围线积分，面积分和围线积分中被积函数设为常值分布，取单元形心处的值，建立每一单元FVM 方程组，进行逐单元水量、动量平衡计算。

二维不恒定浅水方程组的守恒形式：

其中守恒物理量W、x 向和y 向通量向量F 和G，以及源项向量D 分别为：

2.2 模型构建范围

模型构建范围上始宜昌下至汉口，包括注入长江干流的重要支流和洞庭湖区。长江干流段包括清江、沮漳河、陆水、汉江等主要支流，洞庭湖区包括荆江四口水系及湘、资、沅、澧四水等地区，分蓄洪模拟模块主要考虑城西垸的设置。模型水系概化见图2。

图2 模型水系概化图

2.3 模型率定与验证

模型采用2017 年实测水文数据进行率定，以2016 年水文数据进行验证。率定与验证范围为长江河段（宜昌至汉口）、四水尾闾（四水控制站以下）与洞庭湖区的主要控制站，主要包括枝城、沙市、螺山、长沙、益阳、常德、津市、南嘴、小河咀、石龟山、鹿角及城陵矶。

从模型率定与验证的结果看，模型较好地反映了高洪水位的洪水过程，峰谷对应、涨落一致、洪峰水位较好吻合。水位率定与验证误差范围在0.30 m 以内，并且计算水位误差在0.20 m 以内的站点数占测验站总数的61%。结果说明所建模型和所选参数较好地模拟了长江中下游洪水过程情况。长沙与城陵矶站率定验证结果见图3～图6。

图3 长沙站水位过程率定

图4 长沙站水位过程验证

图5 城陵矶（七里山）站水位过程率定

图6 城陵矶（七里山）站水位过程验证

3 分蓄洪效果

3.1 分蓄洪方案确定

根据《湖南省洞庭湖区防御洪水方案》，湘江发生大洪水时城西垸分蓄洪启用条件为：当长沙站水位达到39.00 m，并预报仍将继续上涨，且长沙市城区或烂泥湖垸危急时，首先启用湘江尾闾翻身外垸、樟树港、文径港、石牛垸、乌龟冲、洋沙湖等垸行蓄洪水;如上游来量较大，采取上述措施仍不能有效缓解其危急时，启用翻身垸、苏蓼垸、城西垸和义合垸行蓄洪水。（本次仅对城西垸的分蓄洪效果进行模拟，对其它堤垸不做分析）。

2017 年湘江流域入汛较早，受强降雨及上游来水影响，发生了流域性特大洪水，干流全线超保证水位，半数河段超历史，尤其是长沙站洪峰水位39.51 m，超历史最高0.33 m，洪水重现期超100 年一遇。本次降水首轮发生在6 月22—24 时，湘西北普降大到暴雨，资、沅水来水迅猛，洞庭湖水位从6 月23 日开始上涨。第二轮降水在6 月25—27 日，此时雨带南移至湘江流域，暴雨中心位于湘中以南，湘水入湖流量迅速增大，南洞庭湖水位加速上涨，湘阴等站最大日涨幅接近1 m。第三轮降水发生于6 月29 日—7 月1 日，湘、资、沅流域普降大到特大暴雨，湘潭站7 月3 日出现洪峰水位41.24 m，超警戒水位3.24 m，并于7 月4 日出现最大洪峰流量19 900 m3/s（实测排位第3）。洞庭湖水位持续攀升，发生了历年来最大洪水过程，对湘江尾闾地区顶托影响越发明显。

本次选取2017 年湘江洪水进行模拟计算，计算时间为6 月1 日—8 月31 日，以长沙站39.00 m 水位作为分洪控制水位。为比较不同分蓄洪方案的分蓄洪效果，分别考虑不同分洪口门宽度方案及行蓄洪方案。方案1 为不启用堤垸分蓄洪方案，方案2、4、6 为不考虑行蓄洪方案（不考虑吐洪方案），方案3、5、7 为考虑行蓄洪方案（考虑吐洪方案），分蓄洪方案详见表1。

表1 城西垸启用计算方案

3.2 堤垸蓄洪结果分析

堤垸蓄洪情况如表2，方案中堤垸库容均基本得到充分利用，城西垸出现最大蓄洪量为8.38 亿m3（方案6），该计算结果超过城西垸8.2 亿m3有效蓄洪容积的原因是模型未设定进洪口闸门关闭控制条件。方案2、4、6 中城西垸蓄洪容积均已蓄满，蓄满历时随着分洪口门的增大而减少，分别为87 h、73 h、67 h。方案3、5、7 中由于采用行蓄洪工况，蓄满率均约为95%至97%，蓄满历时分别为85 h、74 h、69 h。对150 m、200 m、250 m 的分洪口门宽度方案，对应的进洪口最大流量分别约为3 400 m3/s、4 500 m3/s、5 600 m3/s。垸内蓄洪情况详见表2。

表2 城西垸蓄洪情况

3.3 分蓄洪效果分析

2017 年湘江洪水属于单峰情况，洪峰大致在750～800 h 时段内，之后洪峰过去，水位逐渐降低。为比较分析城西垸分蓄洪对湘江尾闾地区的效果，选取长沙、靖港及湘阴作为监测站。各方案分蓄洪效果详见图7、8 及表3。

图7 长沙站水位过程

表3 城西垸分蓄洪效果

对长沙站，行洪（方案3）的分蓄洪效果比不行洪（方案2）好，增大分洪口门宽度（方案6）的分蓄洪效果比不增加（方案2）好。其中，增大分洪口门宽度且行洪（方案7）的分蓄洪效果最好，降低长沙站水位0.21 m。但总体看来，各方案分蓄洪效果在0.12～0.21 m 之间，其原因是城西垸在长沙站下游，位置距长沙站较远且中间有长沙航电工程影响所致。

图8 长沙站水位过程局部放大图

对靖港站，大部分方案对比结果与长沙站类似，但250 m 分洪口门方案（方案6）比200 m 分洪口门方案（方案4）分蓄洪效果差，原因为城西垸蓄满前洪峰未过，没有控制住洪峰的影响，使得水位二次上涨，导致分蓄洪效果较差。分蓄洪效果最佳为方案7，降低靖港站水位0.41 m。

对湘阴站，不行蓄洪时，随着分洪口门的增大（方案2、4、6），分蓄洪效果减小，原因同样为城西垸蓄满前洪峰未过，没有控制住洪峰的影响，使得水位二次上涨。分蓄洪效果最佳为方案7，降低湘阴站水位0.41 m。

另外，对部分情况，湘阴站的分蓄洪效果比靖港站差，其原因是湘阴站尽管在城西垸口门下游，但本身受南洞庭湖湖盆水位顶托影响较大，导致水位降低效果有时还不如靖港站。对比不行洪方案，所有行洪方案的效果都更加明显，原因是行洪方案增大了河道过水断面，使得过水更加顺畅。

对比不启用城西垸分蓄洪情况，方案2～7 都缩短了洪水超控制水位（长沙站）时间，其中不行蓄洪方案2、4、6分别缩短了8h、6h、4h，行蓄洪方案3、5、7 分别缩短了13 h、11h、12h。由于行蓄洪方案相当于增大了行洪断面，比不行蓄洪方案缩短控制水位时间的效果更好。

4 结论与建议

4.1 主要结论

1）以控制长沙站水位为目标，模拟计算结果中分蓄洪效果最好的为方案7：城西垸分洪口门宽度250 m，开启退洪口，形成上吞下吐行洪通道。此方案长沙站最高水位为39.28 m，超启用水位0.28 m，较不分洪工况最高水位降低0.21 m。

2）以2017 年湘江洪水工况来看，城西垸在不开启行蓄洪条件下均能蓄满，最快为方案6，仅67 h。开启行蓄洪条件下，城西垸蓄满率为95%～97%。

3）对比不行蓄洪方案，行蓄洪方案更能有效缩短洪水超控制水位时间，缩短时间为11～13 h。

4）城西垸位于长沙市下游，分蓄洪对降低长沙市水位的效果相对较小，但对降低烂泥湖垸附近及洞庭湖的水位，效果相对较好。

4.2 建 议

1）对于重现2017 年湘、资、沅水遭遇的四水组合型洪水，当满足分蓄洪条件时，城西垸可依水情适当扩大濠河口沙湾分洪口门宽度蓄洪，当蓄满后若水位仍然上涨，则开启斗米嘴吐洪口，形成上吞下吐行洪通道。由于分蓄洪后外河洪水仍高于堤防设计洪水位，故需加强重点垸堤防防守。

2）城西垸位于长沙市下游，启用时对长沙站水位的分蓄洪效果在0.2 m 左右，为解决长沙市的超标准洪水问题，建议还应在上游寻求适当位置设置分蓄洪区。