水利工程論文-洞庭湖河湖疏浚對洪水位影響分析摘要：洞庭湖是長江中游的重要調蓄湖泊，但由于接納湘、資、沅、澧四水和長江三口洪水、泥沙，造成淤塞河道湖泊泥沙淤積，洪水位抬高，加重湖區的防洪負擔、造成嚴重的洪澇災害。根據洞庭湖河湖疏浚規劃和典型河段疏挖竣工資料，運用水力學和水文學方法對疏浚前后洪水位的變化進行了分析。關鍵詞：洞庭湖疏浚洪水位影響1問題的提出洞庭湖作為長江中游的調蓄湖泊，不僅是長江中下游防洪體系中的重要組成部份。它不但具有調蓄江河徑流、發展航運、漁業和為工農業生產提供豐富水資源等多種用途，而且對調節湖區氣候和生態平衡也起著重要作用。由于洞庭湖接納湘、資、沅、澧四水和長江的松滋河、虎渡河、藕池河三口，每年有大量的泥沙進入洞庭湖，其中約四分之一左右的泥沙由城陵磯注入長江，四分之三則淤積在洞庭湖，1975年與1952年比較，七里湖平均淤積達4m以上，南洞庭湖淤積近2m，東洞庭湖淤積近1m。由于泥沙淤積，造成四口洪道多呈淤積萎縮態勢，湖內洲灘滋長、蘆柳叢生、滯流阻水嚴重，進而加速泥沙淤積，并有惡性循環之勢。而且由于湖泊萎縮使得水系紊亂，相互頂托干擾。這些問題導致洞庭湖區調蓄容積減少、洪水位不斷抬升、江湖關系改變，加重湖區的防洪負擔、造成嚴重的洪澇災害。因此，加強洞庭湖區河道整治、實施河湖疏浚工程、調整部分河段的河勢、改善水流條件、穩定河床、減少泥沙淤積、延長河道壽命是非常迫切的14。目前洞庭湖河湖疏浚規劃已經完成，包括湘、資、沅、澧四水尾閭和松滋河、藕池河、南洞庭湖、東洞庭湖、汩羅江等疏挖總工程量達33876.40104m3，目前為止已經付諸實施的有約4067.91104m3。為了客觀地反映河湖疏浚對洞庭湖防洪減災實際效果和作用，必須準確分析疏浚后的洪水位降低效應。2河湖疏浚對典型河段的洪水水位影響分析2.1水力學法的主要思路是運用洞庭湖水動力學模型，在同樣的來水條件下，分別計算疏浚前后（地形和糙率不同）洞庭湖疏浚影響區的洪水水位，通過對水位差值的比較，得出疏浚對河湖洪水水位的影響。洞庭湖水系中，四水及長江三口控制斷面以下無流量站控制，區間面積約占洞庭湖水系總面積的20%，與洞庭湖洪水的形成密切相關。本研究洪水演算采用SMS（地表水模擬系統）水力學模型，區間的產流計算采用SSARR（河流綜合預報與水庫調度模型）水文學模型2。2.1.1原理SMS模型(SurfaceWaterModelingSystem)是美國陸軍工程兵團開發的水力學模型。該模型通過求解二維完全圣維南方程組，求解出計算時間內整個研究區域的水位、流量及二維X、Y方向的水流速度。其顯著優點是可以實現一二維水力學模型的結合，這使得我們在建模時可將河道概化為一維單元，湖泊等寬廣水面概化為二維單元，實現一、二維水力學模型的有機結合。SMS模型是一個二維淺水方程，方程形式為：上式中：h研究水體的水深(m)u、v水體在X、YX、Y、TE水體渦度系數；E下標XX表示水面X方向的渦度系數；下標YY表示水面Y方向的渦度系數；下標XY、YX表示水面切變方向的渦度系數；GANVaSSARR模型是一種概念性河流系統水文預報數學模型，由美國陸軍工程兵團河流預報中心20世紀70年代中期研制。它認為降雨徑流模型實質上是一個扣損曲線流域模型，在流域內的降雨輸入可以轉化為徑流、土壤含水量的增加和流域蒸散發損失三部分。某一計算時段的徑流RGP為流域面平均降雨AWP的百分數ROP可表示為下式：RGP=ROPAWP考慮蒸散發的各月份變化規律和雨強對徑流及蒸散發的影響。利用土壤水分指數SMI和徑流百分數的關系，土壤含水量蒸散發關系，確定土壤水分的最大值SMI，計算各個時段的徑流量。根據水量平衡原理土壤含水量-SMI2=SMI1+M1+R0-ET1式中：SMI2時段末的土壤含水量指數；SMI1時段末的土壤含水量指數；M1時段內的土壤水分輸入；R0時段內的產生的徑流；ET1時段內的蒸散發指標。對于某一時段來講，土壤含水量除直接與徑流產生有關外，其值的大小一定與時段內的蒸SMI2=SMI1+(AWP-RGP)-(ETIDKEt24)式中：WP時段內流域平均降雨量；RGP時段內降雨產生的徑流量；ETI日蒸發量；DKE日蒸發按降雨條件和土壤含水量的改正率；t計算時段長。徑流計算其實質即為ROP(徑流百分數)的確定。模型認為ROP為SMI與雨強I的函數，ROP=f(SMI，I)徑流成分的劃分及不同水源的演算根據土壤基流下滲強度指標BII確定基流百分數BFP。有下式BFP=f(SII)并認為BFP與BII成反比。利用這一關系可將徑流劃分為不同水源，采用不同的河段數和滯時進行演算，最后合成為河道流量過程。由于洞庭湖區間大部分地區無流量觀測資料，因此選擇有流量資料的典型流域進行參數分析，再根據有關地理因數，將參數換算到無資料地區。根據水力學模型的需要將整個湖區區間劃分為49個子塊，每個子塊單獨計算產流過程。2.1.2邊界條件水力學模型必須給定一定的上下邊界條件，才能對洞庭湖河網進行詳細計算，上邊界條件往往是流量過程，比較容易給定；下邊界條件可以是水位過程或流量過程，也可以為水位流量關系。(1)模型上邊界。SMS水力學模型的上邊界條件包括四水入流控制站湘潭、桃江、桃源、石門、長江宜昌、長陽及湖區區間產流流量。四水、長陽、宜昌可采用典型年的實際入流過程；洞庭湖區沿湖區間面積的產流，使用SSARR水文學模型，該模型可根據降雨過程模擬出湖區區間流量過程，根據下墊面情況及對湖區的影響；將湖區區間概化分為49個入流點；分別計算每一邊界點的入流過程。(2)模型下邊界。洞庭湖水力學模型將長江與洞庭湖洞看成一個整體，因而模型的下邊界選擇長江螺山站。這樣就構成了上至長江宜昌，涵蓋四水及洞庭湖區間，下至長江螺山的水力學模型。洞庭湖出口至螺山河段水位流量關系不穩定，影響因素較多，年際間變化很大。而且受洪水漲落，下游回水頂托及河道沖淤等因素的影響，呈現出復雜的繩套關系。由于河湖疏浚對螺山站的水位影響甚微，因此可以認為疏浚前后螺山站水位基本保持不變。故可將典型年螺山站的實際水位過程作為模型的下邊界。2.1.3洪水典型年的選擇考慮到河道自然演變因素，典型年主要選擇近期的主要大水年，他們分別是1996、1998、1999年。這三個典型年有著不同的洪水特征、洪水組成，具有較好的代表性。主要情況如下：(1)、1996洪水。造成該年暴雨洪水的主要天氣系統集中在7月份，共有三次暴雨過程，主要集中在資、沅水及湖區，總降雨量分別為：460mm，486mm，383mm。7月初，澧水和沅水相繼漲水，洪峰流量分別為11300m3/s和14000m3/s，先期抬高了洞庭湖底水。7月中旬資、沅水及湖區區間再次受暴雨襲擊，造成資水桃江于7月16日出現洪峰流量11600m3/s，沅水桃源出現洪峰流量29000m3/s，湖區區間最大流量8200m3/s，與此同時長江宜昌流量維持40000m3/s左右，三口最大入湖流量11200m3/s。最大入湖流量78.5%來自四水，三口僅占16.1%，比多年平均降低16.1%(2)、1998年洪水。1998年是1954年以后，長江流域又一次全域大洪水，僅次于1954年，但由于嚴防死守，沒有出現大的堤垸潰決，加之湖區及河道泥沙淤積的影響，長江與湖區各站水位高于1954年。1998年長江干流出現了8次大的洪水過程，洞庭湖及長江下游也出現了5次洪水過程，可謂峰高、量大，四水洪水與長江洪水過程遭遇，入湖最大合成流量63800m3/s，其中四水45000m3/s，三口為12200m3/s，湖區區間6630m3/s，分別占最大入湖的70.5%，19.1%，10.4%，從6月11日8時8月20日8時，洞庭湖總入湖水量1696億m3，其中三口來水占38.2%，四水占48.3%，區別來水占13.5%，長江大水和四水洪水反復遭遇，造成了洞庭湖及長江干流均超歷史洪水位。(3)、1999洪水。1999洪水為洞庭湖建國以來的第二大洪水，屬于四水，湖區區間及長江干流遭遇的最惡劣型洪水，主要降水進程分為兩次，第一次6月26日暴雨集中在沅水、澧水及湖區區間，最大1、3、7、15日洪量幾乎同步進入洞庭湖，加上長江干流20000m3/s47000m3/s的維持量，日停留于洞庭湖的水量達30億m3左右，城陵磯水位日平均漲幅1米左右。第二次7月13日，湘、資、沅、澧和長江同時漲水，湘、資水最大1日、3日、7日、15日洪量，沅水洪峰流量22000m3/s，澧水洪峰流量8110m3/s，區間洪峰流量8000m3/s，長江干流50000m3/s，同時匯于洞庭湖，雖然四水與長江干流不是大洪水，但四水與長江同時遭遇、匯入洞庭湖，非常罕見。表11996、1998、1999年洞庭湖不同年份總入流統計表年份宜昌洪峰流量（m3/s）最大一日洪量(億m3)最大三日洪量(億m3)最大七日洪量(億m3)最大十五日洪量(億m3)最大三十日洪量(億m3)19966100052.93157.0347.1538.4768.019986380050.13145.4293.8490.4785.519996130049.80141.9278.8454.0875.02.1.4分析計算結果及原因分析本次計算采用了3個典型年，上邊界用典型年的入流過程，下邊界選用典型年螺山站的水位，分別選擇疏浚前后的地理資料計算三個典型河段影響區的水位，在疏浚區每隔500計算結果表明：在所選的典型河段中，澧水洪道的影響十分顯著，南洞庭湖一帶疏浚前后的影響次于澧水洪道。這是因為澧水洪道為一狹窄性河道，洪水期間經常出現礙洪現象。疏浚后河道橫斷面面積增加，且主河槽深度加深，水流阻力減小，過流能力增加，洪水水位降低，經采用三個典型年分析，疏浚后洪水水位降低0.20.3米。而在南洞庭湖區，由于洪水期間水面寬廣，疏挖增加的河道面積占整個斷面面積的比重相對較小，雖然水流阻力也有所減小，但在影響湖區水流的復雜水力因素中，疏挖的影響仍不如澧水洪道。經采用三個典型年運用水力學模型計算，疏浚后可降低南洞庭湖洪水水位0.090.17米。各典型年計算情況見表2。表2洞庭湖典型河段疏浚后降低洪水水年份水位降低值(m)澧水洪道南洞庭湖19960.220.0919980.250.1319990.310.17模型計算中采用疏浚前后兩種不同的地形資料條件下的水動力學計算結果的差值，作為疏浚對洪水水位的影響值，由于兩種計算的上下邊界條件相同，這樣做有利于將兩種計算結果統一到一致的基礎上，便于比較。另外可以降低參數的敏感性帶來的誤差，因為在水力學模型中最重要的參數是糙率，而糙率的微小的改變，都將引起模型計算水位較大的改變，但對兩種地形資料條件差值的計算，參數的敏感性就大大減低。在我們建立的SMS模型中，糙率每增加1%，可引起模型計算水位0.06米的變化，但對兩種水力邊界條件計算的差值的影響就降低到不足0.01米。2.2水文學方法本次分析的二個典型河段位于澧水洪道和南洞庭湖區。在澧水洪道上有石龜山水文站實測水位和流量資料。南洞庭湖區有沅江水位站，僅有水位資料。根據兩站不同的資料情況，分析中采用不同的分析方法。基本分析思路是：澧水洪道采用單值化水位流量關系法，通過分析河道疏浚前后的單值化水位流量關系來分析疏浚對洪水水位的影響；南洞庭湖的沅江站因其只有水位資料，所以通過分析疏浚前后南嘴沅江水位相關關系來分析疏浚對洪水水位的影響。2.2.1澧水洪道疏浚前后石龜山站水