長沙綜合樞紐建設(shè)對長株潭地區(qū)河道水文情勢變化研究

葉澤綱，佘玉良，葉 望

（1. 湖南省水文水資源勘測中心，湖南 長沙 410007；2. 中國電建中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

前 言

湘江是湖南最大河流，由于降水年際變化很大，干旱年和枯水期流域的缺水現(xiàn)象嚴重。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人口的增加，城市化水平的不斷提高，湘江流域冬枯季節(jié)水流量越來越小，水質(zhì)越來越差，枯水期也越來越長，不僅嚴重影響航運，而且因水少、水污染導(dǎo)致部分地區(qū)飲用水困難，對人們生產(chǎn)生活用水造成了嚴重影響，近年來數(shù)據(jù)顯示枯水期越來越長。

湘江長沙綜合樞紐具有通航、發(fā)電、公路交通、水利等功能。湘江綜合樞紐主要建設(shè)目的在于解決株洲-長沙河段特枯水情頻繁、水深經(jīng)常嚴重不足、減載或斷航時段較長的問題，并為遠期提高衡陽-株洲-長沙-城陵磯全線達2 000 t 級航道奠定基礎(chǔ)，以提高湘江航道運輸能力，促進湖南外貿(mào)運輸、外向型經(jīng)濟的發(fā)展。

由于長沙綜合樞紐工程修建以后，與天然狀態(tài)下相比，水位抬高，水深增加，可用水量增多、同時河道流速減小。本文采用有關(guān)水力學(xué)分析模型、根據(jù)計算數(shù)據(jù)并結(jié)合分析圖表成果，展示工程修建前后河道水位、水深、流速等水文情勢的變化情況，研究結(jié)果將對城市景觀、航運條件、供水環(huán)境、農(nóng)業(yè)灌溉、納污能力、城市排水、河道治理等有重要參考意義。

1 長沙綜合樞紐工程簡介

長沙綜合樞紐工程是湘江流域開發(fā)規(guī)劃中最下游的一個梯級，也是衡陽以下尚未開發(fā)的最后一個梯級，工程總投資60 億元。建設(shè)這一航電樞紐的首要目的，就是要通過人工調(diào)蓄，使湘江長沙段在枯水季節(jié)也能保持較穩(wěn)定的水位，以提高省會長沙山、水、洲城的城市品位，改善長株潭3 市的水環(huán)境，并同時兼顧旅游、航運、供水、發(fā)電等多目標綜合效益。本樞紐工程等級為Ⅱ等，工程規(guī)模為大（Ⅱ）型，設(shè)計正常蓄水位29.70 m，設(shè)計洪水位36.66 m（100 年一遇），校核洪水位37.62 m（500 年一遇），總裝機容量57 MW。

2 區(qū)域河流情況

湘江干流從株洲航電樞紐（原規(guī)劃稱空洲水庫）以下至長沙綜合樞紐區(qū)間，相距129.9 km，集水面積在1 000 km2以上的一級支流有5 條，從上游至下游依次是淥水、涓水、漣水、瀏陽河、撈刀河，各支流基本情況見表1、圖1。

表1 湘江(株洲樞紐至長沙樞紐區(qū)間)主要一級支流基本情況表

圖1 干流及各主要支流水系圖

3 水文分析計算

3.1 計算內(nèi)容與方法

湘江干流從株洲航電樞紐以下至長沙綜合樞紐區(qū)間，相距129.9 km，本次分析主要計算長沙、湘潭、株洲水文站及淥水、涓水、漣水、瀏陽河、撈刀河河口處，以下項目工程前后的水位、流量情況。

1）豐水年（P=20%年份）。

2）平水年（P=50%年份）。

3）枯水年（P=95%年份）。

4）50 年一遇洪水。

5）10 年一遇枯水。

分析計算方法主要采用水文頻率計算方法、水文比擬法、水力學(xué)方法及經(jīng)驗公式法。洪水計算采用干流洪水為主，支流洪水相應(yīng)的頻率計算方法。

各主要水文站及河流情況如表2。

3.2 流量計算

3.2.1 年平均流量計算

長沙綜合樞紐處無實測水文資料，本研究區(qū)內(nèi)湘江干流有株洲、湘潭、長沙水文站、撈刀河上有螺嶺橋水文站、瀏陽河上有朗木 梨水文站、漣水上有湘鄉(xiāng)水文站、涓水上有射埠水文站、淥水上有大西灘水文站等8處水文（位）站，根據(jù)各水文站的資料條件，螺嶺橋和大西灘水文站所占支流的集水面積比重較小，只能作計算時參考，湘潭水文站具有長系列的水文資料，資料可靠，可用為本次計算的依據(jù)站。根據(jù)各主要水文站歷年實測水文資料計算年平均流量，按數(shù)學(xué)期望公式：

表2 主要河流及主要水文站與控制斷面集水面積表

式中 m——序號；

n——系列長度。

進行經(jīng)驗頻率計算，理論頻率計算采用P-Ⅲ型進行適線，最后計算出各主要水文站在豐水年（P=20%年份）、平水年（P=50%年份）、枯水年（P=95%年份）的年平均流量成果，計算結(jié)果見表3。

表3 主要水文站年平均流量頻率分析成果表

根據(jù)以上主要水文站年平均流量頻率計算結(jié)果，采用水文比擬法：

式中 Q設(shè)——設(shè)計站流量；

F設(shè)——設(shè)計站流域面積；

Q參——參證站流量；

F參——參證站流域面積。

其中指數(shù)n 取平均值1。

計算到各主要計算斷面，計算成果如表4。

表4 主要計算斷面年平均流量頻率分析成果表

3.2.2 洪水流量計算

1）干流洪水計算。采用湘潭站的實測年最大洪峰流量和調(diào)查的歷史洪峰流量組成不連續(xù)系列進行頻率計算，再按面積比的2/3 次方移用到本區(qū)域計算斷面。

本次采用湘潭站1950～2005 年共56 年實測資料，并考慮1926、1906、1994、1968 等年特大洪水進行頻率分析，采用不連續(xù)系列經(jīng)驗頻率計算方法。

在調(diào)查考證期N 年中，調(diào)查到為首的a 個大洪水，其中有L 個發(fā)生在實測和插補的n 年系列之內(nèi)，在N年中第M 位（M 依次取1，2，3，……，a）洪水的經(jīng)驗頻率按下式計算：

在n-L 個連續(xù)洪水系列中，第m 位（m 依次取L+1，L+2，……，n）洪水的經(jīng)驗頻率按下式計算：

本次分析將湘潭站的設(shè)計洪峰流量成果，按面積比的2/3 次方推算出干流其它斷面。計算成果見表5。

表5 湘江干流主要斷面洪水流量頻率計算成果表

2）支流洪水計算。根據(jù)湖南省水電院《長沙綜合樞紐工程防洪評價報告》[1]，各支流河口斷面洪水流量推求成果見表6。

表6 主要支流河口洪水流量頻率分析成果表

3.2.3 枯水流量計算

1）干流枯水計算。湘江干流枯水流量選用湘潭站資料，采用水文比擬法推求干流其它斷面枯水流量，見成果表7 和表8。

表7 湘江干流主要斷面年最小日平均流量頻率計算成果表

表8 湘江干流主要斷面年最小月平均流量頻率計算成果表

2）支流枯水計算。支流枯水流量的計算，選用朗木梨水文站歷年最小月平均流量資料進行計算，采用頻率分析方法計算枯水流量，采用水文比擬法推求其它支流河口斷面枯水流量，見成果表9。

表9 支流河口斷面年最小月平均流量頻率計算成果表

3.3 水位計算

表10 長沙綜合樞紐斷面天然水位成果表 m

3.3.2 建壩后（壅水）水位

工程建成后，除洪峰時，樞紐壩前水位一般均維持在正常蓄水位29.70 m 處，見表11。

表11 長沙綜合樞紐斷面工程后起始水位成果表 m

3.3.3 洪水水面線

洪水水面線用于水力學(xué)方法計算各項目回水水面線時，反推或率定各計算斷面的局損系數(shù)。

湘江長沙綜合樞紐工程預(yù)可行性研究報告[2]中綜合分析計算了從蔡家洲壩址至株洲航電樞紐的沿程回水計算成果（考慮了沿程各支流的加入），本研究直接采用（成果略）。

4 回水分析計算

4.1 計算方法

河道的回水計算，采用水力學(xué)中河道水面線的計算原理和方法（略）。

4.2 基本資料

1）計算河段的劃分。長沙綜合樞紐至株洲航電樞紐相距129.9 km，根據(jù)本次分析要求及河道變化情況，選擇計算斷面的原則是：主要控制點、主城區(qū)、支流入口。本研究選擇了24 個計算斷面，進行各斷面水力參數(shù)算及其他有關(guān)數(shù)據(jù)量算，河段斷面分布布置見表12。

表12 計算斷面分布表

2）河段糙率。在《長沙市城市防洪工程初步設(shè)計報告》[3]中綜合分析出長沙至靖港河段糙率為0.024 5。

3）局部損失系數(shù)ξ。采用水面線反推局部損失系數(shù)ξ 時，由于水面線有一定的誤差，加上河道工程的影響、n 值的選用誤差，反算出的ξ 值可能不合理，需對n、ξ 值進行綜合調(diào)整。本次評價先選用一個n 的初始值，反算ξ 后，再調(diào)整n 直到ξ 合理。

4.3 回水計算

根據(jù)上述方法所得參數(shù)，采用水力學(xué)中天然河道水位沿流變化的伯努利能量方程式對各項目的流量進行河道水面線計算（成果表略）。

5 水文情勢分析

5.1 水位變化分析

長沙綜合樞紐工程建成后，長沙綜合樞紐工程壩址至株洲航電樞紐間的湘江河道天然水位發(fā)生較大的變化，對河道水位都有一定程度的抬高作用，水位抬高對航運、取用水、景觀用水是有利的，抬高作用涉及到長沙、株洲、湘潭3 個市的主城區(qū)，變化情況分析如下：

1）洪水時的變化。當長株潭地區(qū)發(fā)生50 年一遇洪水時，長沙綜合樞紐工程壩前水位抬高0.20 m，長沙市區(qū)（長沙水文站處）水位抬高0.13 m，湘潭市區(qū)（湘潭水文站處）水位抬高0.06 m，株洲市區(qū)（株洲水文站處）水位抬高0.03 m。因此，在洪水期，長沙綜合樞紐工程抬高水位的影響作用不大，平均抬高只有0.09 m。

2）豐、平、枯水年的變化。當長株潭地區(qū)分別出現(xiàn)豐水年、平水年、枯水年年景時，長沙綜合樞紐工程壩前水位分別抬高3.25 m、3.79 m、4.80 m，長沙市區(qū)（長沙水文站處）水位分別抬高2.34 m、2.85 m、3.86 m，湘潭市區(qū)（湘潭水文站處）水位分別抬高1.17 m、1.53 m、2.39 m，株洲市區(qū)（株洲水文站處）水位分別抬高0.38 m、0.47 m、0.68 m。因此，在豐水年景，長沙綜合樞紐工程抬高長株潭地區(qū)湘江水位的影響作用較大，平均抬高有1.55 m，平水年景更大，平均抬高有1.90 m，枯水年景最大，平均抬高有2.62 m。

3）枯水時的變化。當長株潭地區(qū)發(fā)生10 年一遇枯水時，長沙綜合樞紐工程壩前水位抬高7.15 m，長沙市區(qū)（長沙水文站處）水位抬高6.45 m，湘潭市區(qū)（湘潭水文站處）水位抬高5.53 m，株洲市區(qū)（株洲水文站處）水位抬高2.49 m。因此，在枯水期，長沙綜合樞紐工程抬高水位的影響作用很大，平均抬高達5.00 m。

5.2 流速變化分析

長沙綜合樞紐工程建成后，長沙綜合樞紐工程壩址至株洲航電樞紐間的湘江河道流速發(fā)生較大的變化，河道流速都有一定程度的減小，流速的減小對河道納污能力是非常不利的，變化情況分析如下。

1）洪水時的變化。當長株潭地區(qū)發(fā)生50 年一遇洪水時，長沙綜合樞紐工程壩前流速減小0.025 m/s，長沙市區(qū)（長沙水文站處）流速減小0.016 m/s，湘潭市區(qū)（湘潭水文站處）流速減小0.007 m/s，株洲市區(qū)（株洲水文站處）流速減小0.004 m/s。因此，在洪水期，長沙綜合樞紐工程流速減小的影響作用不大，工程前全河道平均流速1.613 m/s，工程后平均流速1.602 m/s，流速減小只有0.011 m/s，減幅0.715%。

2）豐、平、枯水年的變化。當長株潭地區(qū)分別出現(xiàn)豐水年、平水年、枯水年年景時，長沙綜合樞紐工程壩前流速分別減小0.379 m/s、0.410 m/s、0.440 m/s，長沙市區(qū)（長沙水文站處）流速分別減小0.266 m/s、0.308 m/s、0.368 m/s，湘潭市區(qū)（湘潭水文站處）流速分別減小0.102 m/s、0.124 m/s、0.163 m/s，株洲市區(qū)（株洲水文站處）流速分別減小0.032m/s、0.036 m/s、0.041 m/s。因此，在豐水年景，長沙綜合樞紐工程對長株潭地區(qū)湘江流速減小的影響作用較大，工程前全河道平均流速0.653 m/s，工程后平均流速0.501 m/s，減小0.153 m/s，減幅23.4%；平水年景更大，工程前全河道平均流速0.601 m/s，工程后平均流速0.425 m/s，減小0.176 m/s，減幅29.1%；枯水年景最大，工程前全河道平均流速0.500 m/s，工程后平均流速0.291 m/s，減小0.209 m/s，減幅40.6%。

3）枯水時的變化。當長株潭地區(qū)發(fā)生10 年一遇枯水時，長沙綜合樞紐工程壩前流速減小0.358 m/s，長沙市區(qū)（長沙水文站處）流速減小0.238 m/s，湘潭市區(qū)（湘潭水文站處）流速減小0.223 m/s，株洲市區(qū)（株洲水文站處）流速減小0.044 m/s。因此，在枯水期，長沙綜合樞紐工程流速減小的影響作用很大，工程前全河道平均流速0.248 m/s，工程后平均流速0.056 m/s，流速減小達0.228 m/s，減幅74.9%。

5.3 水深變化分析

長沙綜合樞紐工程建成后，長沙綜合樞紐工程壩址至株洲航電樞紐間的湘江河道水深發(fā)生較大的變化，河道水深都有一定程度的增加，水深加大對航運是有利的，水深加大與水位變化規(guī)律一致，變化情況分析如下。

1）洪水時的變化。當長株潭地區(qū)發(fā)生50 年一遇洪水時，長沙綜合樞紐工程壩前水深加大0.20 m，長沙市區(qū)（長沙水文站處）水深加大0.13 m，湘潭市區(qū)（湘潭水文站處）水深加大0.06 m，株洲市區(qū)（株洲水文站處）水深加大0.03 m。因此，在洪水期，長沙綜合樞紐工程水深加大的影響作用不大，全河段工程前平均水深19.39 m，工程后19.48 m，平均只加大了0.09 m。

2）豐、平、枯水年的變化。當長株潭地區(qū)分別出現(xiàn)豐水年、平水年、枯水年年景時，長沙綜合樞紐工程壩前水深分別加大3.25 m、3.79 m、4.80 m，長沙市區(qū)（長沙水文站處）水深分別加大2.34 m、2.85 m、3.86 m，湘潭市區(qū)（湘潭水文站處）水深分別加大1.17 m、1.53 m、2.39 m，株洲市區(qū)（株洲水文站處）水深分別加大0.38 m、0.47 m、0.68 m。因此，在豐水年景，長沙綜合樞紐工程對長株潭地區(qū)湘江河道水深增加的作用較大，工程前全河段平均水深8.94 m，工程后平均水深10.49 m，增加了1.55 m；平水年景更大，工程前全河段平均水深8.34 m，工程后平均水深10.24 m，增加了1.90 m；枯水年景最大，工程前全河段平均水深7.24 m，工程后平均水深9.86 m，增加了2.62 m。

3）枯水時的變化。當長株潭地區(qū)發(fā)生10 年一遇枯水時，長沙綜合樞紐工程壩前水深加大7.15 m，長沙市區(qū)（長沙水文站處）水深加大6.45 m，湘潭市區(qū)（湘潭水文站處）水深加大5.53 m，株洲市區(qū)（株洲水文站處）水深加大2.49 m。因此，在枯水期，長沙綜合樞紐工程對水深加大的作用很大，工程前全河段平均水深4.47 m，工程后平均水深9.48 m，增加達5.01 m。

5.4 水面寬變化分析

長沙綜合樞紐工程建成后，長沙綜合樞紐工程壩址至株洲航電樞紐間的湘江河道水面寬發(fā)生較大的變化，河道水面寬都有一定程度的增加，水面寬的增加對河道景觀是有利的，變化情況分析如下。

1）洪水時的變化。當長株潭地區(qū)發(fā)生50 年一遇洪水時，長沙綜合樞紐工程壩前水面寬增加7.0 m，長沙市區(qū)（長沙水文站處）水面寬增加0.2 m，湘潭市區(qū)（湘潭水文站處）水面寬增加0.2 m，株洲市區(qū)（株洲水文站處）水面寬增加0.7 m。因此，在洪水期，長沙綜合樞紐工程對水面寬增加的作用不大，工程前全河道平均水面寬1 099.6 m，工程后平均水面寬1 100.9 m，水面寬平均只增加了1.3 m，增幅0.1%。

2）豐、平、枯水年的變化。當長株潭地區(qū)分別出現(xiàn)豐水年、平水年、枯水年年景時，長沙綜合樞紐工程壩前水面寬分別增加308.0 m、404.9 m、570.0 m，長沙市區(qū)（長沙水文站處）水面寬分別增加102.3 m、120.9 m、255.2 m，湘潭市區(qū)（湘潭水文站處）水面寬分別增加8.6 m、12.0 m、23.9 m，株洲市區(qū)（株洲水文站處）水面寬分別增加14.0 m、13.9 m、18.9 m。因此，在豐水年景，長沙綜合樞紐工程對長株潭地區(qū)湘江水面寬增加的作用較大，工程前全河道平均水面寬840.4 m，工程后平均水面寬897.7 m，增加57.3 m，增幅5.7%；平水年景更大，工程前全河道平均水面寬809.8 m，工程后平均水面寬894.0 m，增加84.1 m，增幅8.8%；枯水年景最大，工程前全河道平均水面寬749.3 m，工程后平均水面寬887.9 m，增加138.6 m，增幅16.7%。

3）枯水時的變化。當長株潭地區(qū)發(fā)生10 年一遇枯水時，長沙綜合樞紐工程壩前水面寬增加1 003.5 m，長沙市區(qū)（長沙水文站處）水面寬增加746.8 m，湘潭市區(qū)（湘潭水文站處）水面寬增加136.8 m，株洲市區(qū)（株洲水文站處）水面寬增加78.3 m。因此，在枯水期，長沙綜合樞紐工程對水面寬增加的作用很大，工程前全河道平均水面寬469.6 m，工程后平均水面寬880.6 m，水面寬平均增加達410.9 m，增幅110.6%。

5.5 槽蓄量變化分析

長沙綜合樞紐工程建成后，工程壩址至株洲航電樞紐間的河道水位都有一定程度的抬高，湘江河道槽蓄水量發(fā)生較大的變化。建壩后河道槽蓄量增加，即可用水資源量增加，變化情況分析如下。

當長株潭地區(qū)發(fā)生50 年一遇洪水時，河道槽蓄量增加0.12 億m3，增加了0.7%，增加量不大。

當長株潭地區(qū)分別出現(xiàn)豐水年、平水年、枯水年年景時，河道槽蓄量分別增加1.65 億m3、2.00 億m3、2.67億m3，分別增加了34.4%、47.3%、83.5%，增加較多。

當長株潭地區(qū)發(fā)生10 年一遇枯水時，河道槽蓄量增加4.40 億m3，增加了384.2%，增加量很大，對取用水及抗旱有利。具體成果見表13 和表14。

表13 長沙綜合樞紐工程建成前后河道槽蓄量成果表 億m3

表14 長沙綜合樞紐工程建成前后河道槽蓄量變化成果表

5.6 長株潭水文情勢變化

以長株潭3 市代表斷面(相應(yīng)的水文站處)多年平均水位情況、多年平均流速情況，以圖形方式反映長株潭3 市在長沙綜合樞紐工程建成前后水文情勢的變化情況，見圖2～圖5。

6 結(jié) 語

湖南省的長株潭地區(qū)，是我國中部地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的一個熱點，我國“兩型社會”建設(shè)綜合配套改革試驗區(qū)，該地區(qū)未來的水資源狀況將是影響該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的一個重要因素。

圖2 長沙市（長沙水文站斷面）平水年水位圖

圖3 湘潭市（湘潭水文站斷面）平水年水位圖

圖4 株洲市（株洲水文站斷面）平水年水位圖

圖5 長株潭3 市建庫前后多年平均流速變化圖

由于長沙綜合樞紐工程修建以后，與天然狀態(tài)相比，水位將抬高，水深增加，可用水量增多，同時河道流速減小。為此，要為長株潭地區(qū)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供水資源保障，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用、人與自然和諧發(fā)展的目標，必須對長沙綜合樞紐工程修建以后水文情勢狀況進行分析研究，供城市景觀、航運條件、供水環(huán)境、農(nóng)業(yè)灌溉、納污能力、城市排水、河道治理等規(guī)劃工作時參考。