洞庭湖区典型水系连通工程优化分析

柳 恒，李志威，胡旭跃，李凯轩，陈 帮，王赞成

(1.长沙理工大学水利与环境工程学院，湖南 长沙 410114；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；3.湖南省水利水电勘测设计规划研究总院，湖南 长沙 410007； 4.湖南百舸水利建设股份有限公司，湖南 长沙 410007)

受自然与人为因素的影响，自1950年荆江-洞庭湖关系发生重大变化，导致部分河道断流天数增加，而河道断流加剧了沿岸地区农田灌溉、生活用水短缺的问题[1-2]。枯水期由于来流量减少，内湖水体交换能力明显下降，水质恶化、水体富营养化等环境问题日益突出，因此水环境问题逐渐成为阻碍社会经济可持续发展的重要因素。在洞庭湖区实施河湖连通工程是实现区域水资源调配、水质改善和生态修复的有效措施，可有效提高该区域应对极端水旱灾害的能力。

目前水系连通性的评价方法主要分为图论法、景观学法、综合指标法、生物法和水文水力学法[3-8]。图论法通过点与线组成的图形建立顶点间的邻接矩阵，根据判定准则计算河网连通度，但计算结果无法反映流域水量分配的过程。综合指标法能够综合社会、自然等多方面的属性进行综合评判，但人为主观因素大。水文水力学法采用过流能力和阻力特性来反映河网水系的连通性，无法适应源头区中小河流的连通性评价。生物法依据生物的迁徙与扩散来反映河流的生态连通性，因此易受生物种类及其习性的影响。景观学法基于影像数据和评价指标，能够较为客观地评价规划区域内水系的分布格局和结构连通性，是城市水系规划、评价和优化的重要方法，但是依赖影像资料的分辨率。

在对洞庭湖区水系连通工程评价中，黄草等[4]基于景观学中网络连通度方法评价洞庭湖区现状水系以及规划水系，提出优化方案;李景保等[5]运用集对分析以及相关分析的方法评价水工建筑物对自然河流水系连通的影响;陈叶华等[9]通过水动力模型建立芭蕉湖-南湖水系连通定量评价指标。以往水系连通规划工程的评价主要考虑水系的结构连通性，对于优化方案的功能连通性评价方法有待进一步研究。枯水期洞庭湖区藕池河段河床常年淤积，藕池河中西支常年处于断流状态，沿岸地区水资源短缺。本文依据前人对洞庭湖规划片区水系格局以及连通性差异的合理性分析[4]，按照泵站抽水流量控制和水位自流驱动两种水动力条件，以南县西水东调工程和华洪运河连通工程为典型案例，基于景观学中网络连通度方法进行优化分析与评价。

1 工程规划概况

以骨干河道为边界，工程规划区域共划分为六大片区，分别为洞庭湖北部地区连通区、松澧地区连通区、沅澧地区连通区、沅江市连通区、湘-资水尾闾连通区和岳阳市连通区(图1)，拟通过合理的水系规划增强水系抗旱、抗涝能力，保证用水安全，同时依靠生态湿地公园、景观带建设发挥娱乐功能，改善人们的生活品质。

图1 洞庭湖区水系连通工程规划片区

按照不同的规划功能对水系连通工程进行分类，各工程具体功能如表1所示。北部地区连通区主要满足城镇和农田灌溉用水需要。由于藕池河中西支、鲇鱼须河的断流期持续时间较长，故南县和华容县的缺水量远高于其他水系连通工程。岳阳市连通区、沅江市连通区规划工程主要以水质改善、生态修复和景观修复为目标，着重改善城市居民的生活环境。湘-资水尾闾连通区由于地处湘水、资水交界处，防洪压力较大，以洪水防御为主。沅澧地区和松澧地区连通区由于灌区面积广阔，且有松滋河、沅水和澧水的水系交织，防洪压力更大，规划功能为综合治理型。这六大片区规划工程根据本地的实际情况，依据不同的规划功能相互协同，推动洞庭湖区水环境综合治理，提升内湖和垸内水体自净，提高水环境容量。

表1 洞庭湖区水系连通工程分类

2 研究方法

2.1 水系格局及连通性评价标准

依据《洞庭湖区河湖水系连通整体方案》[10]，结合Google Earth对规划廊道矢量化绘制出各工程的水系有向图，基于景观学中网络连通度方法，以河网密度Rd、水系环度α、节点连接率β、水系网络连通度γ等指标来评价水系连通性[4]。参照SL 431—2008《城市水系规划导则》及相关文献[4,11]，建立适合洞庭湖区连通工程的水系连通性评价标准如表2所示。

表2 洞庭湖区水系连通性评价标准

河网密度反映区域内水系通达程度和发育水平，计算公式为

(1)

式中：Li为单条水系长度；Ar为区域面积；m为水系数量。

水系环度反映河网水系中节点成环的水平，计算公式为

(2)

式中：M为连接的廊道数量；V为水系节点数量，V≥3。

节点连接率反映河网水系中每个节点与其他节点连接的难易程度，计算公式为

(3)

水系网络连通度γ为河网水系中相互连接的廊道数量与最大可能廊道连接数Mmax之比，计算公式为

(4)

2.2 功能连通性评价方法

优化效果通过换水周期和河网连通度指标进行量化。按照功能不同，河网节点主要分为自然输入节点、水量分配节点、排泄节点3种。本文以相邻节点之间的廊道分流量为权值，通过MATLAB中的最大流算法建立节点之间的流量邻接矩阵E，计算公式为

(5)

式中：Qij为由节点i流向节点j的流量；Qi为节点i的总出流量；N为节点总数。

换水周期T是自然界水文循环的反映，用以表征水体之间的连通程度，计算公式[9]为

(6)

式中：W为湖泊增蓄水量；Q为入湖流量。

3 典型水系连通工程的连通性及优化分析

3.1 南县西水东调工程

3.1.1规划方案

南县位于洞庭湖区中部，被藕池河中西支和沱江分割为5个堤垸，藕池河中西支常年断流，仅松澧洪道过流。为解决枯水期藕池河中西支断流造成沿岸农田灌溉、生活用水短缺的问题，规划工程新建白蚌口提水泵站，枯水期以松澧水为水源，通过新修和改建原有廊道向藕池河、沱江、大通湖供水(图2)。规划工程横跨南汉垸、和康垸、育乐大垸和南鼎垸，区域面积达722 km2，规划区内自然廊道为15条，占总廊道数的62.5%，其中人工廊道为9条，占廊道总数的37.5%。由于仅增加1条廊道，规划条件下的河网密度由0.43增加至0.44，总体变化不大。工程水动力重构条件为泵站抽水流量控制。

图2 南县西水东调工程规划水系有向图及优化廊道

规划后，α、β、γ分别为0.714、2.08和0.82，各指标均有所下降，但规划区整体的水系连通性处于较高的水平(表3)。由于蓄水工程不足，枯水期农田灌溉保障率较低。规划工程可改善唐家湾、钟家嘴灌区灌溉面积1.85万hm2，同时解决34.23万人的安全饮水问题。

表3 南县西水东调工程规划前后水系连通性变化

3.1.2优化方案

规划方案以藕池河中西支为平原水库，库区水流交换的渠道仅有6、10号廊道，水量平衡时库区内水流流速很小，优化方案通过增加水体流动性来改善库区内水质。在规划方案的基础上新增27、30号廊道，优化后α、β、γ分别为0.740、2.14和0.83，相对规划后分别上升3.64%、2.88%和1.22%(表3)。

白蚌口泵站抽水流量根据生态基流量和供需平衡下的工程补水量来确定，藕池河西支、中支的汛期集中在每年的6—9月份，其他月份河流基本处于断流状态，因此工程补水期应设在每年10月至次年5月。依据2003—2014年康家岗、管家铺和罗文窑站实测水文资料，基于最小月平均流量法和Tennant法计算藕池河中、西支的最小生态流量。考虑河床渗流以及灌溉引水造成的损失，生态基流量取两种结果中的较大值。

Tennant法取多年平均径流量的10%或30%作为河道的生态基流量，由于藕池河西支、中支常年断流河段的水生生物种类较少，水流仅需维持河道基本形态，生态基流量取年均径流量的10%。最小月平均流量法以每年最小月平均流量的平均值作为生态环境的需水量，计算方法见文献[12]。

通过水文数据分析，2003—2014年藕池河西支、中支的年平均径流量分别为4.17亿m3和27.00亿m3，按照Tennant法计算出的藕池河西支、中支的最小生态流量分别为1.32 m3/s和8.56 m3/s。根据最小月平均流量法计算出的最小生态流量分别为3.08 m3/s和2.58 m3/s，最终确定西支、中支的生态基流量分别为3.08 m3/s和8.56 m3/s，渠道有效利用率取0.7，计算得到补水期白蚌口泵站总抽水量为5.55亿m3。为减少水资源浪费，工程补水集中在每年的10—12月和次年3—5月，生态补水则贯穿整个补水期，确定白蚌口泵站在灌溉期、非灌溉期引水流量分别为29.84 m3/s和15.91 m3/s。

水量平衡时廊道的分流量按动量平衡法进行计算，计算公式见文献[13-15]。根据谷歌影像资料结合藕池河段实测断面数据，计算出连接节点的各廊道分流比，进而计算出相邻节点之间廊道分流量。计算结果表明，节点数量增加，水网连通度总体变化不大；优化条件下14、11节点的水文连通性分别增加至0.12和0.13，5、9节点的流量分配系数分别为0.18、0.02；优化后有效增加了松澧水向钟家嘴灌区的输水量，藕池河西支、中支的流量分别增加至9.3 m3/s和5.3 m3/s，水动力条件得到明显改善，同时30号廊道增加了南县北部地区的输水量，可满足钟家嘴灌区的用水需要。

3.2 君山区华洪运河连通工程

3.2.1规划方案

为实现水网连通和分流滞洪，君山区河湖连通以华洪运河为主水源，将长江、华容河、洞庭湖、藕池河相互连通，在主水道境内形成一张完备的渠道网(图3)。君山区跨钱粮湖垸、建设垸以及君山垸区域面积达718 km2，规划区内自然渠道总长为101.7 km，占总廊道长度的45.9%，工程实施后河网密度为0.35，工程水动力重构条件为水位自流驱动。

图3 君山区华洪运河连通工程规划水系有向图及优化廊道

规划后α、β和γ分别为0.418、1.795和0.615，与规划前相比分别下降了10.9%、4.6%和2.5%(表4)。水系连通性的3个指标都下降的主要原因为沙山、七星湖、良心堡水库周围湖泊间连通渠道少，导致廊道节点众多，总体水系连通性一般。通过内湖清淤扩容、岸堤加高，湖区容积增加了2 990万m3，在年平均径流量不变的条件下洪水防御能力显著提升。

表4 君山区华洪运河连通工程规划前后水系连通性变化

3.2.2优化方案

在原规划方案基础上通过132、133、134号廊道增加方台湖、团湖、沙山湖的引水流量，提高换水效率并增强湖泊的自净能力，优化后α、β和γ分别为0.440、1.836和0.629，相对规划方案分别提高5.26%、2.28%和2.28%，总体变化不大。

优化效果通过内湖换水周期指标进行量化。华洪运河的平均水位维持在28 m，各内湖水面高程数据依据Google Earth软件获得，规划区内引水渠道为土质渠道，不冲条件下的允许流速u=(0.65～0.8)R0.225，本文取平均值0.73R0.225(R为渠道的水力半径)，依据水力学公式计算出各廊道的设计水深，进而计算出各廊道入内湖流量。假定廊道糙率相同且均为矩形断面，规划廊道入内湖流量按照明渠均匀流进行计算：

(7)

式中：i0为渠道底坡(依据正常蓄水位下内湖间的水位差与廊道长度的比值确定)；b为人工渠道宽度；h为设计水深；n为糙率，取值0.025。

内湖清淤后库容增加，导致换水周期延长，规划后七星、沙山、东北、污水和西北湖群(北湖群)增蓄水量为990万m3，换水周期为11 d，采桑、大东哈、方台和观音湖群(南湖群)增蓄水量为1 200万m3，换水周期为9 d。优化后南、北湖群的换水周期分别减少至5 d和8 d，换水效率分别提高55.71%和12.26%。同时优化廊道增加了华洪运河向方台湖和团湖的泄流量，减轻了华容河汛期的防洪压力，充分发挥了内湖调蓄作用。

4 结 语

本文按照泵站抽水流量控制和水位自流驱动两种水动力重构条件，分别选取南县西水东调工程和君山区华洪运河连通工程作为洞庭湖区水系连通典型工程进行优化分析。与规划前相比，规划后连通性指标均有所下降，因此存在较大优化空间。南县西水东调工程优化以改善水质为目标，优化后结构连通性指标提高1.22%～3.64%，水系连通性有所增加。最小设计流量下藕池河西支、中支的流量分别增至9.3 m3/s和5.3 m3/s，有效改善了水动力条件，优化廊道尾部节点的流量分配系数提高，有效增加了钟家嘴灌区的输水量。君山区华洪运河连通工程优化通过增加湖泊的引水流量，提高了水体自净能力。优化后，结构连通性指标提高2.28%～5.56%，总体变化不大，南、北湖群增蓄水量的换水效率分别提高55.71%和12.26%，可进一步增强湖泊的自净能力。

由于洞庭湖区水系连通工程规划尚未全部实施，而且功能连通性指标是基于经验公式进行计算，因此计算结果与实际存在差异，优化方案应根据规划工程实施后的实际情况进行调整。