鄱阳湖水利枢纽工程施工和运行对湖区及尾闾洪水动力的影响*

焦婷丽,邴建平,汪 飞,余明辉,刘玉娇

(1:武汉大学,水资源工程与调度全国重点实验室,武汉 430072) (2:长江水利委员会水文局,武汉 430010) (3:长江科学院河流研究所,武汉 430010)

鄱阳湖位于江西省北部,长江南岸,在湖口与长江连通,湖岸线总长约1200 km,流域面积16.22万km2,是我国最大的淡水湖泊。鄱阳湖入湖水主要来自于赣江、抚河、信江、饶河、修水5条河流,自北边出口流入长江,是长江水流主要的调节器。鄱阳湖水位受流域及长江来水双重影响,水位年变幅通常高达10 m,湖区呈现“洪水一片,枯水一线”的景象,具有典型的过水性、吞吐性、季节性特征。

近年来,受鄱阳湖水系入湖径流量减少以及长江水资源形势变化等多种因素影响,鄱阳湖出现了枯水时间提前、水位偏低、持续时间延长等现象[1-2],同时鄱阳湖区是长江中下游洪涝灾害的重灾区和多发区[3-4]。因此有关部门提出适时推进鄱阳湖水利枢纽工程的建设,并为此做了大量的研究论证工作,统筹考虑经济社会发展和生态环境保护、江湖关系、上下游协调等因素,按照“调枯不控洪、建闸不建坝、拦水不发电”和确保生态环境安全的原则,对工程规划思路、设计方案和调度运行方式等进行了不断的优化。

然而,在自然江湖水系中建设水利枢纽工程必然会造成江湖系统连续性和流动性的破坏,从而导致湖泊水文情势和水动力的变化[5]。余启辉等[6]采用江湖连通一、二维耦合水文-水动力模型研究得出鄱阳湖水利枢纽调度减小了湖区枯水流速,抬高了湖区枯水水位的结论;王鹏等[7]基于EFDC模型模拟枯水年和平水年水利枢纽工程运行后对主湖区及湿地保护区水位变化节律的影响,结果表明水利枢纽工程对湖泊水位的影响由北向南逐渐减小,使南北水位差减小,将影响鄱阳湖枯水期的流速及自净能力;赖格英等[8]研究得出不同情景年型鄱阳湖水利枢纽低枯水位生态调节期中11 m控制水位对该时期湖泊平均水位的抬升程度明显;杜彦良等[9]通过模型模拟预测在现状外部入流边界和现状污染负荷条件下鄱阳湖流态和水质的变化,得出枯水期大部分区域水质下降、开闸泄水期水质下降、蓄水期水质变化不大的结论;杨中华等[10]研究发现枯水年水利枢纽工程对湖泊水位抬升变幅值、流速变幅值和工程影响的持续时间均高于丰水年,并且选用示踪剂模型研究工程后湖区物质输运,发现湖区物质输运过程明显减慢。上述研究偏向于枢纽对枯水期的影响,对洪水期湖区及尾闾的影响研究较少。张双虎等[11]从水资源开发利用和防洪角度,分析了不同运行调度方式对鄱阳湖区和长江中下游的作用与影响,并提出了初步的鄱阳湖水利枢纽运行调度方式。多年来受人工采砂、“五河”枢纽修建等影响,鄱阳湖区冲淤发生变化,故需要对枢纽工程的洪水动力影响再次评估。

本文以鄱阳湖水利枢纽工程的建设对洪水的影响为研究重点,利用MIKE 21建立二维水动力模型,选取1954年和1998年特大洪水年以及1991年长江倒灌年作为运行期的典型年、1995年作为施工期典型年,定量分析枢纽工程对长江防洪、湖区及尾闾附近等的影响,为进一步研究鄱阳湖水利枢纽工程的生态效应及工程建设提供必要的支撑。

1 数学模型建立

根据“调枯不调洪”原则,鄱阳湖水利枢纽在汛期泄水闸门全部敞开,江湖连通,由于受闸墩和其它建筑物以及汛前水位的影响,湖区局部区域水位和流场会有一定变化。鄱阳湖水浅而宽,因此水体的垂直分层可以忽略不计[12]。本次研究利用MIKE 21建立鄱阳湖二维水动力模型,模拟洪水条件下枢纽工程对长江干流及湖区水位和流场的影响[13]。

1.1 模型范围

模型采用2015年地形资料,计算范围包含长江干流九江至八里江河段、鄱阳湖湖区和“五河”尾闾段3部分。模型边界通过鄱阳湖圩堤CAD数据确定,采用SMS的Map module剖分网格,并采用滩槽分离的方式灵活加密网格[14],其中对湖区主河槽采用四边形网格,其他区域采用三角形网格,概化后网格总数为37113个。网格分辨率介于30～1200 m之间,在高程变化较大、尾闾入汇的区域进行局部稍微加密,在高程变化小的湖泊漫滩部分采用较大尺寸的网格,以控制网格总数,减小计算耗时,并且在一定程度上区分了湖泊地形。图1为鄱阳湖的计算研究范围及网格划分示意图。

图1 鄱阳湖计算研究范围(左)及网格划分示意图(右)Fig.1 Lake Poyang computation research area and grid division diagram

其中模型的上边界为九江和赣江、抚河、信江、饶河、修水“五河七口”的逐日实测流量数据,下边界为八里江的逐日实测水位数据,以湖区主要水文站的水位为特征值,研究枢纽工程对鄱阳湖防洪的影响。

1.2 模型率定及验证

选取1998年(1998年4月1日-8月31日)、2005年(2005年7月1日-9月30日,包括倒灌过程)和2020年(2020年4月1日-8月31日)3个时段来率定模型,并验证模型的可靠性和合理性。模型的验证成果如图2～4所示。

图2 1998年模型水位流量验证Fig.2 Validation of model water levels and flows in 1998

图3 2005年模型水位流量验证Fig.3 Validation of model water levels and flows in 2005

图4 2020年模型水位流量验证Fig.4 Validation of model water levels and flows in 2020

糙率值在计算中根据实测资料进行调整,糙率设置分为长江段、湖区边滩近岸和湖区河槽3个区域,设置时根据高程对糙率赋值,以区分沙滩与草洲等不同类型的地形,通过验证确定长江段糙率为0.025～0.035,湖区边滩近岸区域糙率为0.05～0.06,湖区河槽区域糙率为0.03～0.04。

从模拟结果来看,湖区各模拟水位与实测水位吻合程度较高,流量模拟结果与实际情况也基本一致,相位和峰值的实测值与计算值吻合良好。表1给出了实测值与模拟值之间的平均相对误差(Re)和Nash-Sutcliffe效率系数(NSE)[15]。从表1可以看出,4个站点水位的Re在-1.04%～0.54%之间,NSE在0.971～1之间,湖口流量的Re在18.26%～27.76%之间,NSE在0.824～0.957之间。由于康山的水底地形比其它验证点的地形复杂,插值后地形被拉平,并且网格分辨率比其他位置上的分辨率略大,两方面因素导致计算网格没有很好地反映实际地形的高程变化,因此造成了康山站误差较大。流量误差较大主要可能是因为进入汛期后,湖口水位较高,受干流顶托影响,流速小、水面宽,风浪影响较大等原因。倒灌使得湖口流量变化较为复杂,湖口站实测流量不能准确反映湖口真实出流,导致倒灌期误差较大。

表1 模型验证的误差分析Tab.1 Errors analysis of model for validation

基于以上模拟结果,建立的二维水动力学模型能重现鄱阳湖的主要流动特征,可以用来分析水利枢纽对长江干流及鄱阳湖区防洪的影响。

1.3 计算水文条件

根据鄱阳湖水利枢纽工程的调度方案,江湖连通期为4月1日-8月31日,泄水闸门全部敞开。水动力边界条件采用水位及流量边界条件。长江九江河段水位控制点在八里江,采用实测水位值,流量边界采用九江和鄱阳湖尾闾河段的实测天然流量过程,分析运行期和施工期枢纽工程对长江干流、鄱阳湖区及尾闾洪水动力的影响,其中运行期选取1954年和1998年特大洪水年、1991年长江倒灌年作为典型年,施工期选取1995年区域性大洪水年作为典型年。

特大洪水年选取湖口年最大洪水位接近防洪设计水位22.5 m(冻结吴淞高程)的全流域型大洪水年1954年和1998年,模拟计算工程前后1954年4月1日-8月31日、1998年4月1日-8月31日湖区水位和湖口出流过程。

长江倒灌年选取1991年作为典型年,从湖口站实测倒灌情况来看,1991年的倒灌流量(13600 m3/s)和年倒灌水量(113.8亿m3)最大,故将1991年7月(倒灌时段为7月3日-19日)作为典型时段分析枢纽运用对江水倒灌入湖的影响。

施工期水文条件选取发生区域性大洪水的1995年4月1日-8月31日为典型模拟时段。与全流域型大洪水相比,区域性大洪水是由一、两次区域性暴雨形成,发生在某些支流或某一河段的大洪水,洪峰高,短时间洪量很大,洪水过程历时较短,在全流域均可发生,造成某些支流或局部河段的洪水灾害。区域性大洪水发生的机会较多,且1995年最大洪峰流量与枢纽施工设计洪水标准(10年一遇)基本一致,其中1995年湖口站日均流量最大为23800 m3/s,施工期闸址10%频率来水为23500 m3/s,故选取1995年作为典型年来分析施工期水利枢纽的洪水动力影响。

1.4 工程方案

鄱阳湖水利枢纽工程从左至右依次布置有左岸连接段、船闸段、隔流堤段、泄水闸段、鱼道段等建筑物。如图5所示。鄱阳湖水利枢纽工程采用分期导流方案,一期围堰围护左岸,右侧主河床导流、通航;二期主河床截流,由左侧已完建的永久泄水闸泄流,船闸通航。在模型中,采用加高地形的方法反映围堰的影响。

图5 鄱阳湖水利枢纽上游立视图Fig.5 Upstream elevation view of Lake Poyang Hydraulic Project

2 计算结果

2.1 对长江干流洪水动力的影响

以湖口站为代表站分析枢纽工程对长江防洪的影响。枢纽工程兴建后各典型年湖口站流量和水位的变化如图6～8所示。枢纽工程的建设对湖口站水位和流量的影响趋势大致相同,流量变化越大,则水位变化越大。

图6 洪水期湖口站工程前后流量(左)和水位(右)变化Fig.6 Changes of flow (left) and water level (right) before and after the project at Hukou Station during the flooding period

图7 倒灌期(1991年)湖口站工程前后流量(左)和水位(右)变化Fig.7 Changes of flow (left) and water level (right) before and after the project at Hukou Station during the backflow period (1991)

图8 施工期(1995年)湖口站工程前后流量(左)和水位(右)变化Fig.8 Changes of flow (left) and water level (right) before and after the project at Hukou Station during the construction period (1995)

运行期间,1954年的湖口流量达到峰值时,工程修建后湖口流量减小69 m3/s,减少了0.28%;流量大于15000 m3/s时,水位变化均值为0.9 mm。1998年的湖口流量达到峰值时,工程后湖口流量减小140.6 m3/s,减少了0.44%;流量大于15000 m3/s时,水位变化均值为0.3 mm。1991年长江倒灌期间,当倒灌流量最大时,工程后倒灌流量减少81.7 m3/s,减少了0.47%。

1995年施工期一期工程建设导致湖口站流量增加,最大值为748 m3/s,水位壅高最大值为8.1 mm;二期工程建设时湖口站流量增加,最大值为1986 m3/s,湖口站水位壅高22 mm。当湖口流量达到峰值时,一期工程流量减小551 m3/s,减少了2.8%;二期工程流量减小1691 m3/s,减少了8.5%。

从图6～7可以看出,流量越大,受工程影响越大,工程后流量和水位的变化值越大,但会出现一定的滞后现象。由计算结果可知,1954年和1998年大洪水条件下和1991年长江倒灌期间枢纽工程对长江防洪影响较小,1995年施工期一期围堰施工对湖口出流影响较小,二期施工对湖口出流有一定影响。

2.2 对湖区及尾闾洪水动力的影响

选取星子、都昌、康山等水文站为代表站分析工程对湖区及尾闾洪水动力的影响。鄱阳湖水利枢纽兴建后,汛期闸门全部打开,江湖连通,由于受闸墩等水工建筑物的影响,会对湖区水位产生一定的壅高,湖区水文站水位变化如图9～11所示,尾闾附近水位变化最大值如表2所示。

表2 工程前后鄱阳湖尾闾附近水位变化最大值Tab.2 Maximum change of water level in the lake inlets of Lake Poyang before and after the project

图9 洪水期湖区水文站水位变化Fig.9 Water level changes at the lake hydrological stations during the flooding period

图10 倒灌期(1991年)湖区水文站水位变化Fig.10 Water level changes at the lake hydrological stations during the backflow period (1991)

图11 施工期(1995年)湖区水文站水位变化Fig.11 Water level changes at the lake hydrological stations during the construction period (1995)

洪水期,工程建成后湖区水文站普遍存在一定的壅高,壅高最大值为0.016 m(1954年)和0.024 m(1998年),尾闾各水文站的水位壅高最大值为0.018 m(1954年)和0.021 m(1998年)。倒灌期湖区各站水位有降低有壅高,降低值最大为0.010 m,壅高值最大为0.006 m;尾闾附近水文站水位壅高最大值发生在7月31日,水位壅高最大值为0.006 m。1995年施工期,一期工程建设时湖区各站水位壅高值最大为0.096 m,尾闾附近水位壅高最大值为0.095 m;二期工程建设湖区各水文站水位壅高最大值为0.237 m,尾闾附近水位变化最大值为0.234 m。由于4-8月鄱阳湖呈湖相,湖区水面比降较小,工程对星子、都昌、康山等站水位影响幅度较为接近,并且越靠近尾闾,水位壅高越小。

从计算结果可以看出,洪水期和倒灌期枢纽工程对鄱阳湖湖区及尾闾防洪影响较小,施工期对湖区及尾闾防洪有一定影响,二期施工时缩窄河道面积大于一期,致使湖区水位壅高,但总体影响不大。

2.3 对枢纽附近流场和水位的影响

选取不同典型年洪峰流量时刻绘制枢纽附近工程前后流场对比图和水位变化等值线图。

2.3.1 洪水期 由计算结果可知,1998年在枢纽工程兴建的流速水位变化值较大,故对1998年洪峰时刻(6月26日)绘制湖区枢纽附近工程前后流场对比图和水位变化等值线分布图(图12)。

图12 枢纽附近工程建设前后流场对比图和水位变化等值线图(1998年6月26日)Fig.12 Comparative flow field and contour map of water level changes near the project before and after the construction of the project (1998-06-26)

工程前,洪峰时湖区水位高,湖面十分宽阔,湖区主槽流速较大,除出湖、入湖河流的河口区域外,其余湖区滩地流速很小。工程后,枢纽的左端修建船闸不过水,所以其上游流速方向向右岸发生明显的偏转,枢纽上下游附近及主槽流速增大,滩地流速降低,整体变化较小。工程后枢纽上游水位抬升,左岸由于船闸不过水,其上方局部地区水位增幅较大,增大范围为0.028～0.040 m,其余大部分区域增幅为0～0.028 m,枢纽下游附近水位降低,降低主要靠近左侧船闸,降低范围为0～0.016 m,越靠近左侧船闸水位变化越大。

2.3.2 倒灌期 根据计算结果选取倒灌流量最大时(7月11日)绘制湖区枢纽附近工程前后流场对比图和水位变化等值线分布图。由图13可知,工程后由于左端船闸的原因其上方流速的方向向右岸发生明显的偏转,枢纽上下游附近流速增大,整体流速变化幅度较小。工程后枢纽下游水位抬升,左岸的下游局部地区水位增幅较大,增大范围为0.002～0.008 m,其余大部分区域增幅为0～0.002 m,枢纽上游附近水位降低,船闸上游局部地区水位降幅较大,降低范围为0.012～0.016 m,其余大部分区域降幅为0～0.012 m,越靠近左侧船闸水位变化越大。

图13 枢纽附近工程建设前后流场对比图和水位变化等值线图(1991年7月11日)Fig.13 Comparative flow field and contour map of water level changes near the project before and after the construction of the project (1991-07-11)

2.3.3 施工期 根据计算结果可知施工期一期对长江防洪、湖区防洪及尾闾附近的影响较小,二期施工对湖区及尾闾防洪有一定的影响,故选取二期工程洪峰时刻(6月29日)绘制枢纽附近工程前后流场对比和枢纽工程附近水位变化等值线图。由图14可知,工程后由于枢纽的左端船闸和右端二期施工围堰不过水,所以枢纽上方两端流速向中间发生明显的偏转,枢纽上下游附近流速明显增大。工程后枢纽上游水位上升,右岸由于二期施工围堰不过水,其上方区域及离枢纽较远的大部分区域水位增幅较大,增大范围为0.180～0.220 m,中部过水区域上游附近水位增幅为0.080～0.180 m,枢纽下游中部附近水位降低范围为0～0.020 m,两端及其余大部分区域水位降低范围0.020～0.040 m,越靠近左侧船闸水位变化越大。

图14 二期施工建设前后枢纽附近流场对比图和水位变化等值线图(1995年6月29日)Fig.14 Comparative flow field and contour map of water level changes near the project before and after the construction of the second phase (1995-06-29)

3 讨论与分析

3.1 洪水过程对计算结果的影响

分析1954年和1998年的洪水形成原因,1954年长江从5月中旬起水位持续上涨,形成鄱阳湖区最大洪水,7月16日湖口站水位达到最高水位,7月17日因为自然分洪鄱阳湖水位略有下降,1954年洪水洪量大、水位高、持续时间长。1998年洪水是因为6月中旬开始接连发生两次大范围集中强降水,加之长江发生全流域大洪水,造成鄱阳湖超过历史最高水位,同时因长江、鄱阳湖洪水相遭遇,高水位持续时间长。

鄱阳湖水利枢纽工程兴建后,在闸门全开、江湖连通的情况下,由于河道开挖和枢纽建筑物阻水,枢纽处河道的过水面积会发生变化,对1954年和1998年洪水期枢纽的阻水率进行计算分析,即用水利枢纽阻水面积除以该水位下河道断面总面积。

工程建设后,枢纽处河道的过水面积减小,阻水率随水位的上升而增大,水位增大到一定程度后阻水率变化较小,1954年和1998年阻水率最大值分别为23.69%和25.49%。由图15可以看出,与1954年相比,1998年洪水水位更高,阻水率更大,工程修建前后星子、都昌、康山等水文站水位变化更大,对鄱阳湖湖区及尾闾等防洪影响更大。

图15 1954年(a)和1998年(b)阻水率Fig.15 Water resistance in 1954 (a) and 1998 (b)

3.2 倒灌对计算结果的影响

1)文献[11]在计算枢纽工程对湖口水位壅高时,假设湖内星子水位和最大倒灌流量不变;在计算枢纽工程对最大倒灌流量影响时,假设湖内星子水位和湖口水位不变。由此得出计算结果:当湖口发生最大倒灌流量时,枢纽工程对湖口水位壅高为14 cm;若保持湖口、星子水位为发生最大倒灌流量对应水位时,湖口倒灌流量减少240 m3/s,减少幅度为1.76%。

本文则模拟实测来流过程,并未控制流量或水位不变。在考虑枢纽倒灌期对长江干流洪水动力影响时,当倒灌流量最大时,工程后倒灌流量减少81.7 m3/s,减少了0.47%,这与“枢纽建设后受闸墩等建筑物的挡水效果,长江倒灌的流量应该会减少”这一规律吻合。

2)由图9和图10可知,洪水期工程建成后湖区水文站普遍存在一定的壅高,倒灌期湖区各站水位有降低有壅高,这主要是因为枢纽的存在有一定的阻水效果。不发生倒灌时,洪水由湖区流向长江,受枢纽影响,会导致上游(湖区)水位升高,下游入湖洪道水位降低。发生倒灌时,长江水倒灌入湖,受枢纽阻碍,入湖洪道水位抬升,湖区水位降低。

4 结论

针对鄱阳湖水利枢纽工程,利用MIKE 21构建二维水动力模型,按照工程调度方案,选取1954年和1998年洪水年、1991年长江倒灌年及1995年施工期4个典型年,定量计算施工前后鄱阳湖水位和流量的变化,分析不同典型年下枢纽工程对长江干流、鄱阳湖湖区及尾闾附近洪水动力的影响,结果表明:

1)不同典型年下枢纽工程的建设对湖口站水位和流量的影响趋势大致相同,不同的典型年枢纽工程对湖口出流的影响均较小,湖口水位变化也很小。从计算结果来看,工程的修建会减少湖口站的洪峰流量,施工期和运行期水位变化最大值为0.022 m。整体来看,洪水流量越大,受工程影响越大,工程后流量和水位的变化值越大,但会出现一定的滞后现象。

2)工程对星子、都昌、康山等水文站水位影响幅度较为接近,且越靠近尾闾,水位壅高越小。洪水期湖区水位壅高最大值为0.024 m,尾闾附近水位壅高最大值为0.021 m。倒灌期湖区水位壅高最大值为0.006 m,降低最大值为0.010 m,尾闾附近水位壅高最大值为0.006 m。施工期湖区水位壅高最大值为0.237 m,尾闾附近水位壅高最大值为0.234 m。枢纽工程二期施工时缩窄河道面积大于一期,致使湖区水位壅高,对湖区防洪有一定影响,运行期和施工一期对湖区的防洪影响不大。

3)鄱阳湖水利枢纽工程的兴建对枢纽附近洪道及湖区流场和水位会造成一定的影响。工程后枢纽上游水位壅高,下游水位降低,倒灌期则正好相反,且越靠近水利枢纽变化幅度越大,对鄱阳湖污染物的转化产生一定的影响。除枢纽附近及洪道的流速增大外,其余区域流速降低,对鄱阳湖的自净能力有一定的影响。

综上,运行期和施工期鄱阳湖水利枢纽对长江干流、湖区及尾闾的洪水动力影响相似,对长江干流、鄱阳湖湖区及尾闾防洪影响较小。计算模拟结果揭示了不同情形下枢纽工程对长江干流、湖区及尾闾洪水动力的影响程度,为工程建设提供一定的参考,为进一步定量分析枢纽工程对湖泊水质及生态系统等的影响提供基础支撑。