鄱陽湖水利樞紐工程施工和運行對湖區及尾閭洪水動力的影響*

焦婷麗,邴建平,汪 飛,余明輝,劉玉嬌

(1:武漢大學,水資源工程與調度全國重點實驗室,武漢 430072) (2:長江水利委員會水文局,武漢 430010) (3:長江科學院河流研究所,武漢 430010)

鄱陽湖位于江西省北部,長江南岸,在湖口與長江連通,湖岸線總長約1200 km,流域面積16.22萬km2,是我國最大的淡水湖泊。鄱陽湖入湖水主要來自于贛江、撫河、信江、饒河、修水5條河流,自北邊出口流入長江,是長江水流主要的調節器。鄱陽湖水位受流域及長江來水雙重影響,水位年變幅通常高達10 m,湖區呈現“洪水一片,枯水一線”的景象,具有典型的過水性、吞吐性、季節性特征。

近年來,受鄱陽湖水系入湖徑流量減少以及長江水資源形勢變化等多種因素影響,鄱陽湖出現了枯水時間提前、水位偏低、持續時間延長等現象[1-2],同時鄱陽湖區是長江中下游洪澇災害的重災區和多發區[3-4]。因此有關部門提出適時推進鄱陽湖水利樞紐工程的建設,并為此做了大量的研究論證工作,統籌考慮經濟社會發展和生態環境保護、江湖關系、上下游協調等因素,按照“調枯不控洪、建閘不建壩、攔水不發電”和確保生態環境安全的原則,對工程規劃思路、設計方案和調度運行方式等進行了不斷的優化。

然而,在自然江湖水系中建設水利樞紐工程必然會造成江湖系統連續性和流動性的破壞,從而導致湖泊水文情勢和水動力的變化[5]。余啟輝等[6]采用江湖連通一、二維耦合水文-水動力模型研究得出鄱陽湖水利樞紐調度減小了湖區枯水流速,抬高了湖區枯水水位的結論;王鵬等[7]基于EFDC模型模擬枯水年和平水年水利樞紐工程運行后對主湖區及濕地保護區水位變化節律的影響,結果表明水利樞紐工程對湖泊水位的影響由北向南逐漸減小,使南北水位差減小,將影響鄱陽湖枯水期的流速及自凈能力;賴格英等[8]研究得出不同情景年型鄱陽湖水利樞紐低枯水位生態調節期中11 m控制水位對該時期湖泊平均水位的抬升程度明顯;杜彥良等[9]通過模型模擬預測在現狀外部入流邊界和現狀污染負荷條件下鄱陽湖流態和水質的變化,得出枯水期大部分區域水質下降、開閘泄水期水質下降、蓄水期水質變化不大的結論;楊中華等[10]研究發現枯水年水利樞紐工程對湖泊水位抬升變幅值、流速變幅值和工程影響的持續時間均高于豐水年,并且選用示蹤劑模型研究工程后湖區物質輸運,發現湖區物質輸運過程明顯減慢。上述研究偏向于樞紐對枯水期的影響,對洪水期湖區及尾閭的影響研究較少。張雙虎等[11]從水資源開發利用和防洪角度,分析了不同運行調度方式對鄱陽湖區和長江中下游的作用與影響,并提出了初步的鄱陽湖水利樞紐運行調度方式。多年來受人工采砂、“五河”樞紐修建等影響,鄱陽湖區沖淤發生變化,故需要對樞紐工程的洪水動力影響再次評估。

本文以鄱陽湖水利樞紐工程的建設對洪水的影響為研究重點,利用MIKE 21建立二維水動力模型,選取1954年和1998年特大洪水年以及1991年長江倒灌年作為運行期的典型年、1995年作為施工期典型年,定量分析樞紐工程對長江防洪、湖區及尾閭附近等的影響,為進一步研究鄱陽湖水利樞紐工程的生態效應及工程建設提供必要的支撐。

1 數學模型建立

根據“調枯不調洪”原則,鄱陽湖水利樞紐在汛期泄水閘門全部敞開,江湖連通,由于受閘墩和其它建筑物以及汛前水位的影響,湖區局部區域水位和流場會有一定變化。鄱陽湖水淺而寬,因此水體的垂直分層可以忽略不計[12]。本次研究利用MIKE 21建立鄱陽湖二維水動力模型,模擬洪水條件下樞紐工程對長江干流及湖區水位和流場的影響[13]。

1.1 模型范圍

模型采用2015年地形資料,計算范圍包含長江干流九江至八里江河段、鄱陽湖湖區和“五河”尾閭段3部分。模型邊界通過鄱陽湖圩堤CAD數據確定,采用SMS的Map module剖分網格,并采用灘槽分離的方式靈活加密網格[14],其中對湖區主河槽采用四邊形網格,其他區域采用三角形網格,概化后網格總數為37113個。網格分辨率介于30～1200 m之間,在高程變化較大、尾閭入匯的區域進行局部稍微加密,在高程變化小的湖泊漫灘部分采用較大尺寸的網格,以控制網格總數,減小計算耗時,并且在一定程度上區分了湖泊地形。圖1為鄱陽湖的計算研究范圍及網格劃分示意圖。

圖1 鄱陽湖計算研究范圍(左)及網格劃分示意圖(右)Fig.1 Lake Poyang computation research area and grid division diagram

其中模型的上邊界為九江和贛江、撫河、信江、饒河、修水“五河七口”的逐日實測流量數據,下邊界為八里江的逐日實測水位數據,以湖區主要水文站的水位為特征值,研究樞紐工程對鄱陽湖防洪的影響。

1.2 模型率定及驗證

選取1998年(1998年4月1日-8月31日)、2005年(2005年7月1日-9月30日,包括倒灌過程)和2020年(2020年4月1日-8月31日)3個時段來率定模型,并驗證模型的可靠性和合理性。模型的驗證成果如圖2～4所示。

圖2 1998年模型水位流量驗證Fig.2 Validation of model water levels and flows in 1998

圖3 2005年模型水位流量驗證Fig.3 Validation of model water levels and flows in 2005

圖4 2020年模型水位流量驗證Fig.4 Validation of model water levels and flows in 2020

糙率值在計算中根據實測資料進行調整,糙率設置分為長江段、湖區邊灘近岸和湖區河槽3個區域,設置時根據高程對糙率賦值,以區分沙灘與草洲等不同類型的地形,通過驗證確定長江段糙率為0.025～0.035,湖區邊灘近岸區域糙率為0.05～0.06,湖區河槽區域糙率為0.03～0.04。

從模擬結果來看,湖區各模擬水位與實測水位吻合程度較高,流量模擬結果與實際情況也基本一致,相位和峰值的實測值與計算值吻合良好。表1給出了實測值與模擬值之間的平均相對誤差(Re)和Nash-Sutcliffe效率系數(NSE)[15]。從表1可以看出,4個站點水位的Re在-1.04%～0.54%之間,NSE在0.971～1之間,湖口流量的Re在18.26%～27.76%之間,NSE在0.824～0.957之間。由于康山的水底地形比其它驗證點的地形復雜,插值后地形被拉平,并且網格分辨率比其他位置上的分辨率略大,兩方面因素導致計算網格沒有很好地反映實際地形的高程變化,因此造成了康山站誤差較大。流量誤差較大主要可能是因為進入汛期后,湖口水位較高,受干流頂托影響,流速小、水面寬,風浪影響較大等原因。倒灌使得湖口流量變化較為復雜,湖口站實測流量不能準確反映湖口真實出流,導致倒灌期誤差較大。

表1 模型驗證的誤差分析Tab.1 Errors analysis of model for validation

基于以上模擬結果,建立的二維水動力學模型能重現鄱陽湖的主要流動特征,可以用來分析水利樞紐對長江干流及鄱陽湖區防洪的影響。

1.3 計算水文條件

根據鄱陽湖水利樞紐工程的調度方案,江湖連通期為4月1日-8月31日,泄水閘門全部敞開。水動力邊界條件采用水位及流量邊界條件。長江九江河段水位控制點在八里江,采用實測水位值,流量邊界采用九江和鄱陽湖尾閭河段的實測天然流量過程,分析運行期和施工期樞紐工程對長江干流、鄱陽湖區及尾閭洪水動力的影響,其中運行期選取1954年和1998年特大洪水年、1991年長江倒灌年作為典型年,施工期選取1995年區域性大洪水年作為典型年。

特大洪水年選取湖口年最大洪水位接近防洪設計水位22.5 m(凍結吳淞高程)的全流域型大洪水年1954年和1998年,模擬計算工程前后1954年4月1日-8月31日、1998年4月1日-8月31日湖區水位和湖口出流過程。

長江倒灌年選取1991年作為典型年,從湖口站實測倒灌情況來看,1991年的倒灌流量(13600 m3/s)和年倒灌水量(113.8億m3)最大,故將1991年7月(倒灌時段為7月3日-19日)作為典型時段分析樞紐運用對江水倒灌入湖的影響。

施工期水文條件選取發生區域性大洪水的1995年4月1日-8月31日為典型模擬時段。與全流域型大洪水相比,區域性大洪水是由一、兩次區域性暴雨形成,發生在某些支流或某一河段的大洪水,洪峰高,短時間洪量很大,洪水過程歷時較短,在全流域均可發生,造成某些支流或局部河段的洪水災害。區域性大洪水發生的機會較多,且1995年最大洪峰流量與樞紐施工設計洪水標準(10年一遇)基本一致,其中1995年湖口站日均流量最大為23800 m3/s,施工期閘址10%頻率來水為23500 m3/s,故選取1995年作為典型年來分析施工期水利樞紐的洪水動力影響。

1.4 工程方案

鄱陽湖水利樞紐工程從左至右依次布置有左岸連接段、船閘段、隔流堤段、泄水閘段、魚道段等建筑物。如圖5所示。鄱陽湖水利樞紐工程采用分期導流方案,一期圍堰圍護左岸,右側主河床導流、通航;二期主河床截流,由左側已完建的永久泄水閘泄流,船閘通航。在模型中,采用加高地形的方法反映圍堰的影響。

圖5 鄱陽湖水利樞紐上游立視圖Fig.5 Upstream elevation view of Lake Poyang Hydraulic Project

2 計算結果

2.1 對長江干流洪水動力的影響

以湖口站為代表站分析樞紐工程對長江防洪的影響。樞紐工程興建后各典型年湖口站流量和水位的變化如圖6～8所示。樞紐工程的建設對湖口站水位和流量的影響趨勢大致相同,流量變化越大,則水位變化越大。

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

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

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

運行期間,1954年的湖口流量達到峰值時,工程修建后湖口流量減小69 m3/s,減少了0.28%;流量大于15000 m3/s時,水位變化均值為0.9 mm。1998年的湖口流量達到峰值時,工程后湖口流量減小140.6 m3/s,減少了0.44%;流量大于15000 m3/s時,水位變化均值為0.3 mm。1991年長江倒灌期間,當倒灌流量最大時,工程后倒灌流量減少81.7 m3/s,減少了0.47%。

1995年施工期一期工程建設導致湖口站流量增加,最大值為748 m3/s,水位壅高最大值為8.1 mm;二期工程建設時湖口站流量增加,最大值為1986 m3/s,湖口站水位壅高22 mm。當湖口流量達到峰值時,一期工程流量減小551 m3/s,減少了2.8%;二期工程流量減小1691 m3/s,減少了8.5%。

從圖6～7可以看出,流量越大,受工程影響越大,工程后流量和水位的變化值越大,但會出現一定的滯后現象。由計算結果可知,1954年和1998年大洪水條件下和1991年長江倒灌期間樞紐工程對長江防洪影響較小,1995年施工期一期圍堰施工對湖口出流影響較小,二期施工對湖口出流有一定影響。

2.2 對湖區及尾閭洪水動力的影響

選取星子、都昌、康山等水文站為代表站分析工程對湖區及尾閭洪水動力的影響。鄱陽湖水利樞紐興建后,汛期閘門全部打開,江湖連通,由于受閘墩等水工建筑物的影響,會對湖區水位產生一定的壅高,湖區水文站水位變化如圖9～11所示,尾閭附近水位變化最大值如表2所示。

表2 工程前后鄱陽湖尾閭附近水位變化最大值Tab.2 Maximum change of water level in the lake inlets of Lake Poyang before and after the project

圖9 洪水期湖區水文站水位變化Fig.9 Water level changes at the lake hydrological stations during the flooding period

圖10 倒灌期(1991年)湖區水文站水位變化Fig.10 Water level changes at the lake hydrological stations during the backflow period (1991)

圖11 施工期(1995年)湖區水文站水位變化Fig.11 Water level changes at the lake hydrological stations during the construction period (1995)

洪水期,工程建成后湖區水文站普遍存在一定的壅高,壅高最大值為0.016 m(1954年)和0.024 m(1998年),尾閭各水文站的水位壅高最大值為0.018 m(1954年)和0.021 m(1998年)。倒灌期湖區各站水位有降低有壅高,降低值最大為0.010 m,壅高值最大為0.006 m;尾閭附近水文站水位壅高最大值發生在7月31日,水位壅高最大值為0.006 m。1995年施工期,一期工程建設時湖區各站水位壅高值最大為0.096 m,尾閭附近水位壅高最大值為0.095 m;二期工程建設湖區各水文站水位壅高最大值為0.237 m,尾閭附近水位變化最大值為0.234 m。由于4-8月鄱陽湖呈湖相,湖區水面比降較小,工程對星子、都昌、康山等站水位影響幅度較為接近,并且越靠近尾閭,水位壅高越小。

從計算結果可以看出,洪水期和倒灌期樞紐工程對鄱陽湖湖區及尾閭防洪影響較小,施工期對湖區及尾閭防洪有一定影響,二期施工時縮窄河道面積大于一期,致使湖區水位壅高,但總體影響不大。

2.3 對樞紐附近流場和水位的影響

選取不同典型年洪峰流量時刻繪制樞紐附近工程前后流場對比圖和水位變化等值線圖。

2.3.1 洪水期 由計算結果可知,1998年在樞紐工程興建的流速水位變化值較大,故對1998年洪峰時刻(6月26日)繪制湖區樞紐附近工程前后流場對比圖和水位變化等值線分布圖(圖12)。

圖12 樞紐附近工程建設前后流場對比圖和水位變化等值線圖(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,洪峰時湖區水位高,湖面十分寬闊,湖區主槽流速較大,除出湖、入湖河流的河口區域外,其余湖區灘地流速很小。工程后,樞紐的左端修建船閘不過水,所以其上游流速方向向右岸發生明顯的偏轉,樞紐上下游附近及主槽流速增大,灘地流速降低,整體變化較小。工程后樞紐上游水位抬升,左岸由于船閘不過水,其上方局部地區水位增幅較大,增大范圍為0.028～0.040 m,其余大部分區域增幅為0～0.028 m,樞紐下游附近水位降低,降低主要靠近左側船閘,降低范圍為0～0.016 m,越靠近左側船閘水位變化越大。

2.3.2 倒灌期 根據計算結果選取倒灌流量最大時(7月11日)繪制湖區樞紐附近工程前后流場對比圖和水位變化等值線分布圖。由圖13可知,工程后由于左端船閘的原因其上方流速的方向向右岸發生明顯的偏轉,樞紐上下游附近流速增大,整體流速變化幅度較小。工程后樞紐下游水位抬升,左岸的下游局部地區水位增幅較大,增大范圍為0.002～0.008 m,其余大部分區域增幅為0～0.002 m,樞紐上游附近水位降低,船閘上游局部地區水位降幅較大,降低范圍為0.012～0.016 m,其余大部分區域降幅為0～0.012 m,越靠近左側船閘水位變化越大。

圖13 樞紐附近工程建設前后流場對比圖和水位變化等值線圖(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 根據計算結果可知施工期一期對長江防洪、湖區防洪及尾閭附近的影響較小,二期施工對湖區及尾閭防洪有一定的影響,故選取二期工程洪峰時刻(6月29日)繪制樞紐附近工程前后流場對比和樞紐工程附近水位變化等值線圖。由圖14可知,工程后由于樞紐的左端船閘和右端二期施工圍堰不過水,所以樞紐上方兩端流速向中間發生明顯的偏轉,樞紐上下游附近流速明顯增大。工程后樞紐上游水位上升,右岸由于二期施工圍堰不過水,其上方區域及離樞紐較遠的大部分區域水位增幅較大,增大范圍為0.180～0.220 m,中部過水區域上游附近水位增幅為0.080～0.180 m,樞紐下游中部附近水位降低范圍為0～0.020 m,兩端及其余大部分區域水位降低范圍0.020～0.040 m,越靠近左側船閘水位變化越大。

圖14 二期施工建設前后樞紐附近流場對比圖和水位變化等值線圖(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 討論與分析

3.1 洪水過程對計算結果的影響

分析1954年和1998年的洪水形成原因,1954年長江從5月中旬起水位持續上漲,形成鄱陽湖區最大洪水,7月16日湖口站水位達到最高水位,7月17日因為自然分洪鄱陽湖水位略有下降,1954年洪水洪量大、水位高、持續時間長。1998年洪水是因為6月中旬開始接連發生兩次大范圍集中強降水,加之長江發生全流域大洪水,造成鄱陽湖超過歷史最高水位,同時因長江、鄱陽湖洪水相遭遇,高水位持續時間長。

鄱陽湖水利樞紐工程興建后,在閘門全開、江湖連通的情況下,由于河道開挖和樞紐建筑物阻水,樞紐處河道的過水面積會發生變化,對1954年和1998年洪水期樞紐的阻水率進行計算分析,即用水利樞紐阻水面積除以該水位下河道斷面總面積。

工程建設后,樞紐處河道的過水面積減小,阻水率隨水位的上升而增大,水位增大到一定程度后阻水率變化較小,1954年和1998年阻水率最大值分別為23.69%和25.49%。由圖15可以看出,與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、康山等水文站水位變化更大,對鄱陽湖湖區及尾閭等防洪影響更大。

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

3.2 倒灌對計算結果的影響

1)文獻[11]在計算樞紐工程對湖口水位壅高時,假設湖內星子水位和最大倒灌流量不變;在計算樞紐工程對最大倒灌流量影響時,假設湖內星子水位和湖口水位不變。由此得出計算結果:當湖口發生最大倒灌流量時,樞紐工程對湖口水位壅高為14 cm;若保持湖口、星子水位為發生最大倒灌流量對應水位時,湖口倒灌流量減少240 m3/s,減少幅度為1.76%。

本文則模擬實測來流過程,并未控制流量或水位不變。在考慮樞紐倒灌期對長江干流洪水動力影響時,當倒灌流量最大時,工程后倒灌流量減少81.7 m3/s,減少了0.47%,這與“樞紐建設后受閘墩等建筑物的擋水效果,長江倒灌的流量應該會減少”這一規律吻合。

2)由圖9和圖10可知,洪水期工程建成后湖區水文站普遍存在一定的壅高,倒灌期湖區各站水位有降低有壅高,這主要是因為樞紐的存在有一定的阻水效果。不發生倒灌時,洪水由湖區流向長江,受樞紐影響,會導致上游(湖區)水位升高,下游入湖洪道水位降低。發生倒灌時,長江水倒灌入湖,受樞紐阻礙,入湖洪道水位抬升,湖區水位降低。

4 結論

針對鄱陽湖水利樞紐工程,利用MIKE 21構建二維水動力模型,按照工程調度方案,選取1954年和1998年洪水年、1991年長江倒灌年及1995年施工期4個典型年,定量計算施工前后鄱陽湖水位和流量的變化,分析不同典型年下樞紐工程對長江干流、鄱陽湖湖區及尾閭附近洪水動力的影響,結果表明:

1)不同典型年下樞紐工程的建設對湖口站水位和流量的影響趨勢大致相同,不同的典型年樞紐工程對湖口出流的影響均較小,湖口水位變化也很小。從計算結果來看,工程的修建會減少湖口站的洪峰流量,施工期和運行期水位變化最大值為0.022 m。整體來看,洪水流量越大,受工程影響越大,工程后流量和水位的變化值越大,但會出現一定的滯后現象。

2)工程對星子、都昌、康山等水文站水位影響幅度較為接近,且越靠近尾閭,水位壅高越小。洪水期湖區水位壅高最大值為0.024 m,尾閭附近水位壅高最大值為0.021 m。倒灌期湖區水位壅高最大值為0.006 m,降低最大值為0.010 m,尾閭附近水位壅高最大值為0.006 m。施工期湖區水位壅高最大值為0.237 m,尾閭附近水位壅高最大值為0.234 m。樞紐工程二期施工時縮窄河道面積大于一期,致使湖區水位壅高,對湖區防洪有一定影響,運行期和施工一期對湖區的防洪影響不大。

3)鄱陽湖水利樞紐工程的興建對樞紐附近洪道及湖區流場和水位會造成一定的影響。工程后樞紐上游水位壅高,下游水位降低,倒灌期則正好相反,且越靠近水利樞紐變化幅度越大,對鄱陽湖污染物的轉化產生一定的影響。除樞紐附近及洪道的流速增大外,其余區域流速降低,對鄱陽湖的自凈能力有一定的影響。

綜上,運行期和施工期鄱陽湖水利樞紐對長江干流、湖區及尾閭的洪水動力影響相似,對長江干流、鄱陽湖湖區及尾閭防洪影響較小。計算模擬結果揭示了不同情形下樞紐工程對長江干流、湖區及尾閭洪水動力的影響程度,為工程建設提供一定的參考,為進一步定量分析樞紐工程對湖泊水質及生態系統等的影響提供基礎支撐。