三峽水庫(kù)枯水期不同運(yùn)行方式對(duì)洞庭湖生態(tài)補(bǔ)水效果研究

戴凌全， 蔡卓森， 劉海波， 戴會(huì)超， 王 煜， 湯正陽(yáng)

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司，北京 100038； 3.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司， 湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

作為長(zhǎng)江中下游的國(guó)際重要濕地保護(hù)區(qū)和“江河吞吐器”，洞庭湖在維持湖區(qū)生態(tài)平衡中起到?jīng)Q定性作用[1]。然而進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，受流域內(nèi)降雨偏少、長(zhǎng)江下游河道沖刷等內(nèi)外多重因素共同影響，洞庭湖枯水期水位不斷跌破歷史最低記錄且低水位持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，直接影響以濕地為主要棲息地的候鳥數(shù)量。同時(shí)水位降低流速減緩致使水體交換與自凈能力減弱，湖區(qū)主要污染指標(biāo)TN和CODMn呈升高趨勢(shì)，加劇了湖區(qū)水質(zhì)污染和水環(huán)境惡化[2]。洞庭湖面臨的季節(jié)性型缺水對(duì)湖區(qū)乃至長(zhǎng)江中下游地區(qū)的生態(tài)及生產(chǎn)用水都將起到極大地束縛作用，已成為繼洪澇災(zāi)害之后又一重要問題，必將對(duì)湖泊水生態(tài)環(huán)境及湖區(qū)居民帶來(lái)嚴(yán)重影響[3-4]。采取有效措施避免湖泊出現(xiàn)過低水位已成為當(dāng)務(wù)之急。

維持洞庭湖枯水期適宜的水位可采取工程措施和非工程措施，其中工程措施包括三口建閘、城陵磯建閘等[5-6]，但工程措施可能產(chǎn)生不利的生態(tài)影響，引起了學(xué)術(shù)界的激烈爭(zhēng)論，目前仍處在論證階段[7-8]?，F(xiàn)階段通過水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度等非工程措施對(duì)洞庭湖進(jìn)行補(bǔ)水正受到各方面的高度重視[9-11]。三峽水庫(kù)是長(zhǎng)江干流控制性骨干工程，興利庫(kù)容165×108m3，為充分發(fā)揮三峽水庫(kù)的補(bǔ)水效益，水庫(kù)通過調(diào)整消落方式，多次實(shí)施針對(duì)長(zhǎng)江中下游河道水位偏低的補(bǔ)水調(diào)度實(shí)踐并取得了初步成效，如2014年2月19日三峽水庫(kù)下泄流量較初步設(shè)計(jì)增加1 550 m3/s，長(zhǎng)江干流與洞庭湖交匯點(diǎn)城陵磯水位提高1.43 m，可見優(yōu)化水庫(kù)消落方式對(duì)提高洞庭湖水位具有實(shí)踐上的可操作性[12-14]。然而由于洞庭湖湖盆形態(tài)和入湖水流條件的差異，三峽水庫(kù)不同下泄流量對(duì)洞庭湖補(bǔ)水效果存在空間差異性，同時(shí)改變消落方式對(duì)發(fā)電量的影響也是水電站運(yùn)行單位關(guān)注的問題。因此準(zhǔn)確分析水庫(kù)不同消落方式對(duì)洞庭湖補(bǔ)水效果的空間分布格局及對(duì)水電站發(fā)電量的影響是制定水庫(kù)消落方式的前提條件。

目前針對(duì)三峽水庫(kù)補(bǔ)水調(diào)度的研究主要是圍繞水庫(kù)汛末蓄水問題，重點(diǎn)關(guān)注的是電站發(fā)電量、長(zhǎng)江下游河道的生態(tài)流量及航運(yùn)等問題。如左建等[15]綜合考慮發(fā)電量、通航及生態(tài)需水等方面因素對(duì)三峽水庫(kù)蓄水時(shí)間和方式進(jìn)行了研究；周研來(lái)等[16]分析了水庫(kù)防洪、發(fā)電、蓄水和航運(yùn)等目標(biāo)之間的矛盾，并提出了三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)蓄水方案；戴凌全等[17]提出了蓄水期兼顧洞庭湖補(bǔ)水的三峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案；孫思瑞等[18]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬了三峽水庫(kù)蓄水期不同調(diào)度方案對(duì)洞庭湖出口城陵磯水位的影響。在三峽水庫(kù)枯水期向長(zhǎng)江中下游的補(bǔ)水方面已有部分研究成果，如張先平等[19]分析了三峽-葛洲壩梯級(jí)水庫(kù)對(duì)長(zhǎng)江中下游枯水期的補(bǔ)水能力，但側(cè)重點(diǎn)在于長(zhǎng)江中下游的航運(yùn)需求；陳進(jìn)[20]分析了長(zhǎng)江中下游干旱對(duì)三峽水庫(kù)調(diào)度的需求，并提出了針對(duì)下游河道抗旱補(bǔ)水的三峽水庫(kù)調(diào)度原則。鮑正風(fēng)等[21]從發(fā)電的角度對(duì)三峽水庫(kù)汛前消落期優(yōu)化調(diào)度方式進(jìn)行了研究。然而針對(duì)三峽水庫(kù)枯水期不同運(yùn)行方式對(duì)洞庭湖補(bǔ)水效果及發(fā)電量的影響尚需進(jìn)一步定量評(píng)估。

本文通過三峽水庫(kù)2010年正常運(yùn)行后歷年水位消落過程擬定兼顧洞庭湖生態(tài)補(bǔ)水的3種水庫(kù)典型運(yùn)行方式，進(jìn)而通過江湖一體化耦合水動(dòng)力模型量化不同消落方式對(duì)洞庭湖補(bǔ)水效果的空間分布格局，定量評(píng)估不同方式對(duì)發(fā)電量的影響，為三峽水庫(kù)消落方案的制定提供科學(xué)依據(jù)。

2 三峽水庫(kù)枯水期典型消落方案擬定

三峽水庫(kù)為不完全年調(diào)節(jié)水庫(kù)，根據(jù)2009年10月水利部印發(fā)的《三峽水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度方案》，水庫(kù)按防洪、發(fā)電、航運(yùn)、水資源利用等綜合效益進(jìn)行調(diào)度。水庫(kù)正常蓄水位175.0 m，枯季最低消落水位155.0 m，汛限水位145.0 m。水庫(kù)蓄水至175 m后到次年水位降至消落水位這段時(shí)間稱為水庫(kù)的枯水期[22]?？菟谒Y源利用的原則為：在1-2月下游最需用水的時(shí)段，水庫(kù)在滿足發(fā)電、航運(yùn)需求下泄流量的基礎(chǔ)上增加最小下泄流量，將消落開始時(shí)間提前到5月25日，自1月1日至5月25日水庫(kù)水位均勻下降至枯季最低消落水位155 m，至6月10日水位降落到汛限水位浮動(dòng)范圍內(nèi)[21]。

2010年10月26日，三峽水庫(kù)首次成功蓄水至正常蓄水位175.0 m，截止2018年10月31日三峽水庫(kù)連續(xù)9年實(shí)現(xiàn)175 m試驗(yàn)性蓄水目標(biāo)，為水庫(kù)發(fā)揮枯水期生態(tài)補(bǔ)水效益奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。圖 1反映了三峽水庫(kù)2010-2018年水庫(kù)消落過程。從圖1中可以看出：水庫(kù)在10月底均蓄水至175.0 m，水庫(kù)基本都從12月下旬開始消落，5月下旬水庫(kù)水位降至155.0m，6月上旬降至汛限水位145.0 m。

圖1 三峽水庫(kù)2010-2018年消落方式

圖2 三峽水庫(kù)枯水期不同時(shí)段水位波動(dòng)范圍

三峽水庫(kù)枯水期不同運(yùn)行方式對(duì)下游河道及洞庭湖水位的影響程度不同，對(duì)于洞庭湖而言每年1-3月屬于枯水期，湖區(qū)水生態(tài)環(huán)境對(duì)水位波動(dòng)極為敏感，因此研究時(shí)段集中在1-3月。根據(jù)三峽水庫(kù)2010-2018年正常運(yùn)行以來(lái)水庫(kù)水位統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知：水庫(kù)1月上旬水庫(kù)水位變幅為[171.0 m, 175.0 m]，3月下旬水庫(kù)水位變幅為[161.0 m, 167.0 m](圖 2)，因此根據(jù)水位變幅設(shè)置3種典型的消落方式(圖 3)。方案設(shè)置時(shí)考慮地質(zhì)災(zāi)害治理工程安全及水庫(kù)岸坡穩(wěn)定對(duì)水庫(kù)降水位速率的要求，枯水期水庫(kù)水位下降速率按不超過0.6 m/d控制[22]。

方案1：提前消落。3月底水位按最低水位控制，12月1日至1月1日水庫(kù)水位為175.0 m，其后水位按0.156 m/d均勻降落，至3月31日水庫(kù)水位為161.0 m，其后按0.200 m/d均勻降落，至4月30日水位降至最低消落水位155.0 m；

方案2：均勻消落。3月底水位按適中水位控制，12月1日水庫(kù)水位為175.0 m，其后水位按0.065 m/d均勻降落，至1月1日降至173.0 m，其后按0.100 m/均勻降落，至3月31日水位為164.0 m，再按0.3 m/d均勻降落，至4月30日水位降至155.0 m；

方案3：高水位消落。3月底水位按最高水位控制，12月1日水庫(kù)水位為175.0 m，其后水位按0.129 m/d均勻降落，至1月1日水位為171.0 m，其后按0.044 m/d均勻降落，3月底水位為167.0 m，其后再按0.4 m/d均勻降落，至4月30日降至155.0 m。

圖3 三峽水庫(kù)消落期典型方案設(shè)計(jì)

3 江湖一體化水動(dòng)力耦合模型

3.1 研究范圍及數(shù)學(xué)模型

為定量分析三峽水庫(kù)不同運(yùn)行方式對(duì)洞庭湖生態(tài)補(bǔ)水效果的空間分布差異，建立涵蓋長(zhǎng)江干流河道(三峽壩址至螺山)、洞庭湖及支流、三口河系等多種不同水文單元的水動(dòng)力模型，洞庭湖支流取自四水控制站(湘潭、桃江、桃源和津市)至湖區(qū)。水動(dòng)力耦合模型的計(jì)算范圍見圖 4。

根據(jù)各水文單元特征，分別構(gòu)建一維、二維兩種不同維度的水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型。一維模型用于模擬長(zhǎng)江干流、三口河系、洞庭湖支流河段的水力特征。河道斷面是一維水動(dòng)力模型重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，考慮到長(zhǎng)江干流及支流河道距離長(zhǎng)、斷面復(fù)雜的特點(diǎn)，為準(zhǔn)確反映河道沿程變化和過水能力，在已有資料的基礎(chǔ)上盡可能多取河段斷面，長(zhǎng)江干流河段5～10 km布設(shè)一個(gè)斷面，共剖分150個(gè)斷面，洞庭湖支流及三口河系平均10 km布設(shè)一個(gè)斷面。二維模型則用于水域面積較大而且水流運(yùn)行復(fù)雜的區(qū)域(湖區(qū)及江湖交匯區(qū))，根據(jù)洞庭湖歷史水文資料確定湖區(qū)最高水位淹沒邊界，據(jù)此設(shè)定二維模型的計(jì)算邊界。根據(jù)邊界和地形數(shù)據(jù)劃分網(wǎng)格，由于三角網(wǎng)格能精細(xì)刻畫計(jì)算區(qū)域的岸線條件，因此二維模型采用非結(jié)構(gòu)化不規(guī)則三角網(wǎng)格，網(wǎng)格大小根據(jù)地形的空間分布等確定。

根據(jù)上述原則并兼顧計(jì)算時(shí)間，洞庭湖節(jié)點(diǎn)總數(shù)9 424個(gè)，單元總數(shù)14 289個(gè)，最長(zhǎng)邊長(zhǎng)1 396 m，最短邊長(zhǎng)119 m。

圖4 水動(dòng)力模型的計(jì)算范圍

為了充分利用一維模型和二維模型在各自領(lǐng)域單獨(dú)應(yīng)用時(shí)的優(yōu)勢(shì)，避免模型單獨(dú)使用時(shí)存在的網(wǎng)格精度和計(jì)算效率問題，一維與二維模型實(shí)施動(dòng)態(tài)耦合，以實(shí)現(xiàn)水流過程在不同維度水文單元上的演進(jìn)。模型中耦合點(diǎn)包括四水與洞庭湖交匯區(qū)域、長(zhǎng)江干流與洞庭湖交匯區(qū)域，均為垂向連接。由一維模型計(jì)算出連接河道末端的流量垂直流向二維模型，并作為源項(xiàng)提供給二維模型連接網(wǎng)格單元。由二維模型計(jì)算出連接網(wǎng)格單元的水位流向一維河道的連接節(jié)點(diǎn)，并作為該節(jié)點(diǎn)的水位邊界。

3.2 邊界條件

模型邊界條件包括水文邊界和地形邊界。其中水文邊界包括三峽水庫(kù)出庫(kù)流量、清江流量(高壩洲站)、洞庭湖四水控制站入流(湘潭、桃江、桃源和津市)，采用日均流量過程(圖 5)，下游邊界條件采用螺山站水位-流量關(guān)系曲線(圖 6)。因此在模型計(jì)算時(shí)，只需給定三峽水庫(kù)下泄流量、清江流量、四水流量和初始條件即可計(jì)算出整個(gè)區(qū)域內(nèi)部的水位、流量、流速等時(shí)空變化過程。地形邊界采用2006年的長(zhǎng)江干流和洞庭湖區(qū)地形。綜合考慮模型穩(wěn)定性及計(jì)算效率等因素，設(shè)定一維模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為30 s，二維模型最大計(jì)算步長(zhǎng)為5s、最小計(jì)算步長(zhǎng)為0.1 s，時(shí)間步長(zhǎng)可根據(jù)水流信息與地形條件自動(dòng)調(diào)整。

3.3 參數(shù)率定與驗(yàn)證

模型的主要參數(shù)為糙率，糙率是水動(dòng)力學(xué)模型最重要且較為敏感的計(jì)算參數(shù)，反映了河湖底部及岸坡、湖區(qū)地表影響水流阻力的綜合系數(shù)。結(jié)合研究區(qū)域的現(xiàn)有資料情況，選取資料完整的2017年1月1日-12月31日作為代表年對(duì)參數(shù)進(jìn)行率定與驗(yàn)證。以主要站點(diǎn)水位為特征值率定模型，長(zhǎng)江干流選取宜昌、枝城、沙市、監(jiān)利為率定點(diǎn)，洞庭湖選取城陵磯、鹿角、楊柳潭、南咀為率定點(diǎn)(圖 4)。主要水文站點(diǎn)水位率定結(jié)果如圖7所示。

圖5 2017年三峽水庫(kù)出庫(kù)及四水入湖日均流量過程

圖6 螺山水文站水位-流量關(guān)系曲線

圖7 2017年各站點(diǎn)計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位對(duì)比圖

由圖7可知，各站點(diǎn)水位計(jì)算結(jié)果與的實(shí)測(cè)水位基本一致。一維模型計(jì)算的長(zhǎng)江干流4個(gè)水文站的水位模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)水位吻合較好，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差不超過6%，說明模型所取的參數(shù)較合理。洞庭湖城陵磯站模擬效果較好，而洞庭湖內(nèi)部站點(diǎn)鹿角站、楊柳潭站和南咀站模擬效果略差，分析其原因是由于城陵磯水位受長(zhǎng)江干流水位影響明顯，而洞庭湖內(nèi)站點(diǎn)受四水影響更為復(fù)雜，因此離干流較遠(yuǎn)的站點(diǎn)模擬效果相對(duì)較差，但相對(duì)誤差也控制在10%以內(nèi)?？傮w來(lái)看所建立的水動(dòng)力模型的模擬誤差均在可接受范圍內(nèi)，可以滿足計(jì)算要求。通過率定和驗(yàn)證，河道糙率取值0.028～0.035，湖底糙率在0.022～0.029之間，其他參數(shù)設(shè)為默認(rèn)值。

4 不同消落方式對(duì)洞庭湖補(bǔ)水效果及發(fā)電量的影響分析

4.1 不同消落方式對(duì)洞庭湖補(bǔ)水效果分析

利用三峽水庫(kù)平水年入流系列，根據(jù)水庫(kù)水量平衡原理計(jì)算水庫(kù)不同消落方式下水庫(kù)出庫(kù)流量(圖 8)。典型水文年的選取以宜昌站1950-2002年的長(zhǎng)系列日流量資料為基礎(chǔ)，對(duì)研究時(shí)段內(nèi)的流量進(jìn)行排頻，取頻率為50%的流量為平水年。以不同消落方式下三峽水庫(kù)出庫(kù)流量作為一二維耦合模型的上游邊界條件，其它入流邊界條件采用同期控制性站點(diǎn)的流量，模擬計(jì)算得到不同消落方案下的洞庭湖代表性站點(diǎn)水位變化過程(圖 9)。

三峽水庫(kù)下泄流量的變化對(duì)洞庭湖水位的影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是增加或減少通過三口河系進(jìn)入西洞庭湖的水量，二是提高或降低長(zhǎng)江干流城陵磯站的水位，對(duì)洞庭湖的入江水流起著頂托或拉空作用，由于枯水期太平口、藕池口基本處于斷流狀態(tài)，而松滋口分流量較小，因此枯水期三峽水庫(kù)下泄流量對(duì)洞庭湖水位影響主要是干流的拉空或頂托作用。由圖9可知不同方案對(duì)洞庭湖不同湖區(qū)補(bǔ)水效果存在明顯的空間差異，提前消落方式由于水庫(kù)水位下降速率最大，1-3月平均出庫(kù)流量較均勻消落方式高560.59 m3/s，對(duì)東洞庭湖北部城陵磯的水位提升起到明顯的作用，城陵磯水位平均提高0.12 m，最小提高0.048 m，最大提高0.133 m，而對(duì)于東洞庭湖南部鹿角站、南洞庭湖楊柳潭站和西洞庭湖的南咀站作用甚微；而方案3高水位消落方案為使水位保持的高水位運(yùn)行，1-3月平均出庫(kù)流量較均勻消落方案減小573.94 m3/s，此時(shí)對(duì)洞庭湖水位的影響主要集中在洞庭湖出口城陵磯站，城陵磯水位平均降低0.09 m，最小降低0.045 m，最大降低0.102 m，而對(duì)于洞庭湖其它站點(diǎn)水位影響較小。

4.2 不同消落方式對(duì)發(fā)電量的影響

發(fā)電是三峽水電站的主要任務(wù)之一，從水庫(kù)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度考量，水電站在各種約束下按發(fā)電量最大方式運(yùn)行，這也是水電站運(yùn)行人員的職責(zé)所在。

圖8 不同消落方案下三峽水庫(kù)出庫(kù)流量

圖9 不同消落方案下洞庭湖代表性站點(diǎn)水位變化情況

然而不同的消落方式可能造成發(fā)電量的減少，進(jìn)而影響經(jīng)濟(jì)效益，因此須對(duì)不同消落方案對(duì)發(fā)電量的影響進(jìn)行定量評(píng)估。為便于各方案的比較一致性，將12月1日-次年4月30日作為調(diào)度期，調(diào)度期內(nèi)總發(fā)電量計(jì)算方法如下：

(1)

式中：E為發(fā)電量，kW·h；A為電站綜合出力系數(shù)；Q為通過發(fā)電機(jī)組的流量，m3/s；ΔH為水庫(kù)上游與下游的水位差值，m；Δt為時(shí)段長(zhǎng)度，h。

不同方案調(diào)度期總發(fā)電量計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同方案的發(fā)電量對(duì)比 108 kW·h

通過表1可知，不同消落方式對(duì)三峽水電站的發(fā)電量存在一定的影響，方案1由于水位提前消落，水位比方案2低，發(fā)電量比方案2減小0.75×108kW·h，減幅0.30%；而方案3水位始終處于高水位狀態(tài)，發(fā)電量最多，比方案2增加0.7×108kW·h，增幅0.28%。

5 結(jié) 論

(1)構(gòu)建了涵蓋長(zhǎng)江干流河道、洞庭湖及支流、三口河系的江湖一體化耦合水動(dòng)力模型，采用2017 年實(shí)測(cè)的水文資料率對(duì)模型的主要參數(shù)進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，為定量評(píng)估三峽水庫(kù)不同下泄流量對(duì)洞庭湖水位分布的空間格局提供了有效手段。

(2)由于洞庭湖湖盆形態(tài)和入湖水流條件的差異，三峽水庫(kù)增泄流量對(duì)洞庭湖水位的影響僅限于東洞庭湖的北部地區(qū)。生態(tài)補(bǔ)水效果與發(fā)電量之間存在著相互制約的關(guān)系，提前消落方式可在發(fā)電量?jī)H損失0.30%的情況下，使城陵磯水位平均提高0.12 m；而高水位消落方式可使城陵磯水位平均降低0.09 m，而發(fā)電量可增加0.28%。因此為了更好地滿足生態(tài)需水要求，可適當(dāng)降低發(fā)電量。