洞庭湖區(qū)城西垸分蓄洪效果分析研究

徐 悅，宋 平，羅 雷，李 覓，李洪翔

（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007）

1 概 述

城西垸是洞庭湖重要蓄滯洪區(qū)，地處長株潭城市群下游，由湘江東支、西支與南洞庭湖包圍，是湘水尾閭地區(qū)重要的分蓄洪場所，有效蓄洪容積8.2 億m3，垸內(nèi)受堤防保護(hù)面積109.86 km2[1～2]。

根據(jù)《長江流域防洪規(guī)劃》[3]及《湖南省洞庭湖區(qū)防御洪水方案》[4]，城西垸蓄滯洪區(qū)的主要防洪任務(wù)為承泄城陵磯附近地區(qū)超額洪量，并在湘水發(fā)生大水時(shí)啟用蓄洪以保長沙市及周邊地區(qū)的安全。

近年來，湘江洪水位不斷升高，2017 年長沙站最高水位達(dá)39.51 m，已超過39.00 m 控制水位（文章中水位為凍結(jié)高程系統(tǒng)，分洪口門底高程為85 黃海高程系統(tǒng)，模型中水位均轉(zhuǎn)為85 黃海高程系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算），造成湘江流域中下游地區(qū)防洪局勢緊張，由于以往城西垸未有過主動(dòng)分洪情況，分蓄洪效果未知，因此，為了給防汛調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)，開展城西垸分蓄洪效果分析研究工作十分必要。城西垸地理位置見圖1。

圖1 城西垸地理位置示意圖

2 分蓄洪模型構(gòu)建及率定

考慮到長江中下游河湖水力聯(lián)系的整體性與復(fù)雜性，為真實(shí)模擬湘江流域尾閭地區(qū)及洞庭湖地區(qū)洪水情況，擬構(gòu)建長江中游地區(qū)整體水力學(xué)洪水演進(jìn)模型，并嵌入分蓄洪模擬模塊進(jìn)行計(jì)算。

2.1 模型計(jì)算原理

計(jì)算采用一二維耦合水動(dòng)力模型，對長江、湘江、資江、沅水、澧水及四口河系建立一維河網(wǎng)，對洞庭湖湖盆建立二維河網(wǎng)。

1）一維算法。河網(wǎng)中，水流控制方程是圣維南方程組，河網(wǎng)算法采用四點(diǎn)Preissmann 隱格式，將圣維南方程在相鄰斷面間離散成微段方程，再通過變量替換方法，形成只包含河段首斷面的水位、流量和未斷面水位、流量的關(guān)系式，將這些關(guān)系式進(jìn)行一次自相消元得到一對以水位或流量為隱函數(shù)的方程組，再將此方程組代入相應(yīng)的汊點(diǎn)連接方程和邊界方程，消去其中的水位或者流量，形成汊點(diǎn)矩陣方程?；痉匠贪ㄋ鬟B續(xù)方程與水流運(yùn)動(dòng)方程。

水流連續(xù)方程：

式中Z、Q、A、B 分別為水位、流量、過水面積、水面寬度，β 為動(dòng)量修正系數(shù)，Sf為摩阻坡降，采用曼寧公式計(jì)算，q 為旁側(cè)入流。

2）二維算法。利用任意三角形、四邊形單元?jiǎng)澐钟?jì)算水域，采用基于嚴(yán)格守恒形式的有限體積法求解積分形式的二維淺水方程組，即對計(jì)算時(shí)段Δt=tn+1-tn和單元面積顯式積分，再把時(shí)段初空間導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的面積分用格林公式化作沿單元周邊的圍線積分，面積分和圍線積分中被積函數(shù)設(shè)為常值分布，取單元形心處的值，建立每一單元FVM 方程組，進(jìn)行逐單元水量、動(dòng)量平衡計(jì)算。

二維不恒定淺水方程組的守恒形式：

其中守恒物理量W、x 向和y 向通量向量F 和G，以及源項(xiàng)向量D 分別為：

2.2 模型構(gòu)建范圍

模型構(gòu)建范圍上始宜昌下至漢口，包括注入長江干流的重要支流和洞庭湖區(qū)。長江干流段包括清江、沮漳河、陸水、漢江等主要支流，洞庭湖區(qū)包括荊江四口水系及湘、資、沅、澧四水等地區(qū)，分蓄洪模擬模塊主要考慮城西垸的設(shè)置。模型水系概化見圖2。

圖2 模型水系概化圖

2.3 模型率定與驗(yàn)證

模型采用2017 年實(shí)測水文數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，以2016 年水文數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。率定與驗(yàn)證范圍為長江河段（宜昌至漢口）、四水尾閭（四水控制站以下）與洞庭湖區(qū)的主要控制站，主要包括枝城、沙市、螺山、長沙、益陽、常德、津市、南嘴、小河咀、石龜山、鹿角及城陵磯。

從模型率定與驗(yàn)證的結(jié)果看，模型較好地反映了高洪水位的洪水過程，峰谷對應(yīng)、漲落一致、洪峰水位較好吻合。水位率定與驗(yàn)證誤差范圍在0.30 m 以內(nèi)，并且計(jì)算水位誤差在0.20 m 以內(nèi)的站點(diǎn)數(shù)占測驗(yàn)站總數(shù)的61%。結(jié)果說明所建模型和所選參數(shù)較好地模擬了長江中下游洪水過程情況。長沙與城陵磯站率定驗(yàn)證結(jié)果見圖3～圖6。

圖3 長沙站水位過程率定

圖4 長沙站水位過程驗(yàn)證

圖5 城陵磯（七里山）站水位過程率定

圖6 城陵磯（七里山）站水位過程驗(yàn)證

3 分蓄洪效果

3.1 分蓄洪方案確定

根據(jù)《湖南省洞庭湖區(qū)防御洪水方案》，湘江發(fā)生大洪水時(shí)城西垸分蓄洪啟用條件為：當(dāng)長沙站水位達(dá)到39.00 m，并預(yù)報(bào)仍將繼續(xù)上漲，且長沙市城區(qū)或爛泥湖垸危急時(shí)，首先啟用湘江尾閭翻身外垸、樟樹港、文徑港、石牛垸、烏龜沖、洋沙湖等垸行蓄洪水;如上游來量較大，采取上述措施仍不能有效緩解其危急時(shí)，啟用翻身垸、蘇蓼垸、城西垸和義合垸行蓄洪水。（本次僅對城西垸的分蓄洪效果進(jìn)行模擬，對其它堤垸不做分析）。

2017 年湘江流域入汛較早，受強(qiáng)降雨及上游來水影響，發(fā)生了流域性特大洪水，干流全線超保證水位，半數(shù)河段超歷史，尤其是長沙站洪峰水位39.51 m，超歷史最高0.33 m，洪水重現(xiàn)期超100 年一遇。本次降水首輪發(fā)生在6 月22—24 時(shí)，湘西北普降大到暴雨，資、沅水來水迅猛，洞庭湖水位從6 月23 日開始上漲。第二輪降水在6 月25—27 日，此時(shí)雨帶南移至湘江流域，暴雨中心位于湘中以南，湘水入湖流量迅速增大，南洞庭湖水位加速上漲，湘陰等站最大日漲幅接近1 m。第三輪降水發(fā)生于6 月29 日—7 月1 日，湘、資、沅流域普降大到特大暴雨，湘潭站7 月3 日出現(xiàn)洪峰水位41.24 m，超警戒水位3.24 m，并于7 月4 日出現(xiàn)最大洪峰流量19 900 m3/s（實(shí)測排位第3）。洞庭湖水位持續(xù)攀升，發(fā)生了歷年來最大洪水過程，對湘江尾閭地區(qū)頂托影響越發(fā)明顯。

本次選取2017 年湘江洪水進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算時(shí)間為6 月1 日—8 月31 日，以長沙站39.00 m 水位作為分洪控制水位。為比較不同分蓄洪方案的分蓄洪效果，分別考慮不同分洪口門寬度方案及行蓄洪方案。方案1 為不啟用堤垸分蓄洪方案，方案2、4、6 為不考慮行蓄洪方案（不考慮吐洪方案），方案3、5、7 為考慮行蓄洪方案（考慮吐洪方案），分蓄洪方案詳見表1。

表1 城西垸啟用計(jì)算方案

3.2 堤垸蓄洪結(jié)果分析

堤垸蓄洪情況如表2，方案中堤垸庫容均基本得到充分利用，城西垸出現(xiàn)最大蓄洪量為8.38 億m3（方案6），該計(jì)算結(jié)果超過城西垸8.2 億m3有效蓄洪容積的原因是模型未設(shè)定進(jìn)洪口閘門關(guān)閉控制條件。方案2、4、6 中城西垸蓄洪容積均已蓄滿，蓄滿歷時(shí)隨著分洪口門的增大而減少，分別為87 h、73 h、67 h。方案3、5、7 中由于采用行蓄洪工況，蓄滿率均約為95%至97%，蓄滿歷時(shí)分別為85 h、74 h、69 h。對150 m、200 m、250 m 的分洪口門寬度方案，對應(yīng)的進(jìn)洪口最大流量分別約為3 400 m3/s、4 500 m3/s、5 600 m3/s。垸內(nèi)蓄洪情況詳見表2。

表2 城西垸蓄洪情況

3.3 分蓄洪效果分析

2017 年湘江洪水屬于單峰情況，洪峰大致在750～800 h 時(shí)段內(nèi)，之后洪峰過去，水位逐漸降低。為比較分析城西垸分蓄洪對湘江尾閭地區(qū)的效果，選取長沙、靖港及湘陰作為監(jiān)測站。各方案分蓄洪效果詳見圖7、8 及表3。

圖7 長沙站水位過程

表3 城西垸分蓄洪效果

對長沙站，行洪（方案3）的分蓄洪效果比不行洪（方案2）好，增大分洪口門寬度（方案6）的分蓄洪效果比不增加（方案2）好。其中，增大分洪口門寬度且行洪（方案7）的分蓄洪效果最好，降低長沙站水位0.21 m。但總體看來，各方案分蓄洪效果在0.12～0.21 m 之間，其原因是城西垸在長沙站下游，位置距長沙站較遠(yuǎn)且中間有長沙航電工程影響所致。

圖8 長沙站水位過程局部放大圖

對靖港站，大部分方案對比結(jié)果與長沙站類似，但250 m 分洪口門方案（方案6）比200 m 分洪口門方案（方案4）分蓄洪效果差，原因?yàn)槌俏髹顫M前洪峰未過，沒有控制住洪峰的影響，使得水位二次上漲，導(dǎo)致分蓄洪效果較差。分蓄洪效果最佳為方案7，降低靖港站水位0.41 m。

對湘陰站，不行蓄洪時(shí)，隨著分洪口門的增大（方案2、4、6），分蓄洪效果減小，原因同樣為城西垸蓄滿前洪峰未過，沒有控制住洪峰的影響，使得水位二次上漲。分蓄洪效果最佳為方案7，降低湘陰站水位0.41 m。

另外，對部分情況，湘陰站的分蓄洪效果比靖港站差，其原因是湘陰站盡管在城西垸口門下游，但本身受南洞庭湖湖盆水位頂托影響較大，導(dǎo)致水位降低效果有時(shí)還不如靖港站。對比不行洪方案，所有行洪方案的效果都更加明顯，原因是行洪方案增大了河道過水?dāng)嗝?，使得過水更加順暢。

對比不啟用城西垸分蓄洪情況，方案2～7 都縮短了洪水超控制水位（長沙站）時(shí)間，其中不行蓄洪方案2、4、6分別縮短了8h、6h、4h，行蓄洪方案3、5、7 分別縮短了13 h、11h、12h。由于行蓄洪方案相當(dāng)于增大了行洪斷面，比不行蓄洪方案縮短控制水位時(shí)間的效果更好。

4 結(jié)論與建議

4.1 主要結(jié)論

1）以控制長沙站水位為目標(biāo)，模擬計(jì)算結(jié)果中分蓄洪效果最好的為方案7：城西垸分洪口門寬度250 m，開啟退洪口，形成上吞下吐行洪通道。此方案長沙站最高水位為39.28 m，超啟用水位0.28 m，較不分洪工況最高水位降低0.21 m。

2）以2017 年湘江洪水工況來看，城西垸在不開啟行蓄洪條件下均能蓄滿，最快為方案6，僅67 h。開啟行蓄洪條件下，城西垸蓄滿率為95%～97%。

3）對比不行蓄洪方案，行蓄洪方案更能有效縮短洪水超控制水位時(shí)間，縮短時(shí)間為11～13 h。

4）城西垸位于長沙市下游，分蓄洪對降低長沙市水位的效果相對較小，但對降低爛泥湖垸附近及洞庭湖的水位，效果相對較好。

4.2 建 議

1）對于重現(xiàn)2017 年湘、資、沅水遭遇的四水組合型洪水，當(dāng)滿足分蓄洪條件時(shí)，城西垸可依水情適當(dāng)擴(kuò)大濠河口沙灣分洪口門寬度蓄洪，當(dāng)蓄滿后若水位仍然上漲，則開啟斗米嘴吐洪口，形成上吞下吐行洪通道。由于分蓄洪后外河洪水仍高于堤防設(shè)計(jì)洪水位，故需加強(qiáng)重點(diǎn)垸堤防防守。

2）城西垸位于長沙市下游，啟用時(shí)對長沙站水位的分蓄洪效果在0.2 m 左右，為解決長沙市的超標(biāo)準(zhǔn)洪水問題，建議還應(yīng)在上游尋求適當(dāng)位置設(shè)置分蓄洪區(qū)。