洞庭湖地形变化对洪水过程的影响研究_刘易庄.pdf

第 卷 第 期 年 月水 资 源 与 水 工 程 学 报 ，收稿日期：；修回日期：基金项目：湖南省自然科学基金项目（）；长沙市自然科学基金项目（）；湖南省重大水利科技项目（）；南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放基金项目（）作者简介：刘易庄（），男，湖南隆回人，博士，讲师，主要从事湖泊、河流水动力过程及其模拟技术研究。通讯作者：隆院男（），男，湖南宁乡人，博士，副教授，主要从事流域生态水文过程、水环境模型及水文遥感等研究。：洞庭湖地形变化对洪水过程的影响研究刘易庄，蒋昌波，向朝晖，隆院男，邓 斌，汤小俊（长沙理工大学 水利与环境工程学院，湖南 长沙；洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室，湖南 长沙；南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京；湖南省洞庭湖水利事务中心，湖南 长沙）摘 要：为了更好地理解地形变化对湖泊洪水过程的影响，采用已构建的长江洞庭湖二维水动力模型，在洞庭湖 及 年实测地形的基础上，以 年型洪水为例，定量分析了湖泊地形变化对洞庭湖洪水过程的影响。结果表明：年洞庭湖超过 的区域地形下降值大于 ，特别是湘江洪道，其深泓线地形高程平均下降了 。通过对 年洪水过程模拟发现，相比于 年，在 年地形情况下，以“四水”来流为主导的洪水过程中，南洞庭湖内洪峰水位下降超过 ，西洞庭湖内洪峰水位下降约 ，东洞庭湖内仅在南部地形变化较大区域的水位变化明显；斗米咀城陵矶河段水面坡降变缓，南洞庭湖内洪道水面坡降变陡。而对于以长江来流为主导的洪水过程，由于长江洪水位的顶托作用，洞庭湖内洪峰水位下降了 ，斗米咀城陵矶河段及南洞庭湖内水面坡降下降不明显。因此，年洞庭湖地形变化对“四水”来流型洪水影响较大，湖盆下切导致湖容增大，可有效缓解洞庭湖内防洪形势，但对长江来流主导的洪水影响较小。研究结果可为洞庭湖内疏浚扩容等防洪工程的开展提供参考。关键词：地形变化；洪水过程；洪峰水位；湖泊容积；洞庭湖中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，；，；，；，）：，；，；，：；研究背景近年来，在自然演化及人类活动的共同影响下，长江中下游地区主要河流湖泊的地形均发生了较大变化。比如三峡工程运行后（年），长江中下游荆江河段深泓线平均下降了 ，最大下切深度为 ；湘江下游长沙枢纽到濠河口河段的河床整体呈现冲刷状态（年），最大下切深度为 ；受人类采砂活动的影响，鄱阳湖北部入江通道大范围区域湖底高程下降超过 ；对于洞庭湖，由于荆江南岸“三口”分沙量急剧减少，洞庭湖已从 年开始从淤积状态转变为略微冲刷状态，同时受采砂活动的影响，湖内局部地形发生了较大变化。河床地形是影响江河湖泊水文及水动力条件的重要因素，地形的改变将直接导致湖容、水位、流速等因素的变化，进而影响江河湖泊防洪、供水、水生态环境等方面的功能。因此，探讨地形变化对江河湖泊水文水动力的影响对防洪管理、水生态安全、水资源管理等方面有着重要意义。自 世纪以来，洞庭湖湖区泥沙淤积严重，从 到 年，七里湖平均淤高了 ，西洞庭湖平均淤高了 ，南洞庭湖平均淤高了 ，东洞庭湖平均淤高了 ，洞庭湖容积从 减少至 ，大大减弱了洞庭湖的调蓄能力。随着荆江裁弯取直、三峡水库等一系列工程的建设运行，“三口”分沙量急剧减少，已从 世纪 年代的年均输沙量 减少至 世纪 年代的 ，从而减缓了洞庭湖的淤积进程，年期间洞庭湖总体冲淤量已无明显变化，但部分湖区出现了明显的冲刷。同时由于人类采砂活动的影响，洞庭湖内的湘江 洪 道 河 床 地 形 在 年 下 切 明显。洞庭湖地形变化将进入新时期，湖区洪水过程也随之发生了一系列的变化。目前对洞庭湖区洪水过程的研究主要集中在洞庭湖内洪水遭遇分析、湖泊萎缩对洪水过程的影响、洞庭湖调蓄能力 以及防洪减灾措施 等方面，而关于地形变化对湖区洪水过程的影响研究鲜有报道。因此，本研究以洞庭湖 年及 年实测地形作为研究基础，以 年型洪水为例，分析在不同地形情况下，洞庭湖湖区洪水的变化过程，可为洞庭湖生态疏浚扩容提供参考。数据来源与研究方法 研究区概况洞庭湖位于三峡大坝下游约 处，是一个季节性、吞吐型的浅水湖泊，其天然湖泊面积为 ，丰水期湖泊面积可达约 ，枯水期湖泊面积萎缩至约 。洞庭湖主要接纳来自荆江南岸“三口”（松滋口、太平口、藕池口）、“四水”（湘江、资江、沅江、澧水）、汨罗江和新墙河的来流，经过洞庭湖调蓄后在城陵矶站点汇入长江（如图 所示）。洞庭湖年均（年）径流量为 ，其中“三口”和“四水”的来流量分别占 和，其余为区间来水。在 世纪 年代，洞庭湖年平均沉积量约为 ，随着下荆江裁弯取直及上游水利工程的建设（特别是三峡工程的建设运行），洞庭湖入湖沙量急剧减少，由 世纪 年代的年均 减少为 年的年均 ，从而导致湖内冲淤形势发生较大变化。此外，由于人类采砂活动的影响，近些年来洞庭湖湖盆地形发生了较大变化，对湖内洪水过程产生了较大影响，因此有必要深入开展相关研究，为洞庭湖整治工程提供参考。数据来源三峡水库蓄水运行后洞庭湖入湖泥沙急剧减少，湖内冲淤形势发生了改变。因此本文采用的地形数据为洞庭湖水利事务中心提供的 年（三峡蓄水运行）及 年的实测数据；湖区水文数据（及 年）通过湖南水文网站（：）下载获得；高程统一采用 国家高程基准面。水 资 源 与 水 工 程 学 报 年图 洞庭湖区水系、特征水文站及采样点分布 研究方法 水动力模型模型采用 开源代码构建，其控制方程如下：（）|（）|（）|（）（）（）|（）式中：为水深，；为重力加速度，；为方向上的动量，；为方向上动量，；为床面高程，；为源项；为床面阻力，。本研究采用文献构建的长江洞庭湖二维水动力模型模拟洞庭湖内水动力过程。该模型涵盖了长江枝城 螺山河段、“三口”河系、洞庭湖及“四水”尾闾，采用三角网格对模拟区域进行划分。对于“三口”河系及湖内洪道进行局部网格加密，对于湖内平缓区域采用较大网格划分，既能较好地描述其地形变化，又能减少计算量，该模型网格总数为 个（如图 所示）。由于洞庭湖内水域面积随时间变化较大，因此通过设置干湿边界判断网格是否参与计算，从而准确模拟洞庭湖内洲滩淹没及露出情况。长江洞庭湖二维水动力模型上游边界条件采用枝城站（长江）、湘潭站（湘江）、桃江站（资江）、桃源站（沅江）及津市站（澧水）的日平均流量，下游边界条件采用螺山站的水位流量关系。采用洞庭湖 年实测地形数据（）对模型网格进行插值，模型糙率根据文献取值，其范围为 ，最小时间步长取 。图 长江洞庭湖二维水动力模型网格划分 模型验证 由于本模型采用洞庭湖 年实测地形数据，为了更准确地模拟洞庭湖内洪水过程，选取 年实际洪水过程（月 日 月 日）、下游边界条件采用 年螺山站的水位流量关系对文献中的水动力模型进行验证。图 为西洞庭湖（南咀站、小河咀站）、南洞庭湖（杨柳潭站、营田站）及东洞庭湖（鹿角站、城陵矶站点）特征水文站洪水过程验证结果。由图 可以看出，洞庭湖内各特征站点模拟的洪水水位涨落过程与实测值基本一致，除局部低水位时段的模拟水位误差较大外，整个模拟周期内各特征站点的水位模拟值与实测值吻合较好。通过计算洞庭湖湖内各特征水文站点洪水模拟值的纳什系数（，）、洪峰水位绝对误差、平均相对误差及决定系数（）对模型模拟结果进行误差分析，结果如表 所示。从表 可以看出，湖内各特征水文站点洪水第 期 刘易庄，等：洞庭湖地形变化对洪水过程的影响研究模拟结果的纳什系数均大于 ，洪峰水位绝对误差在 之间，决定系数 均大于。因此，本模型的模拟精度较高，可用于洞庭湖内洪水过程的模拟研究。图 洞庭湖区特征水文站点 年洪水过程验证结果表 洞庭湖湖内各特征水文站点洪水模拟结果误差分析水文站点纳什系数洪峰水位 实测值模拟值绝对误差南咀 小河咀 杨柳潭 营田 鹿角 城陵矶 洞庭湖地形变化 基于洞庭湖 及 年实测地形数据，对洞庭湖进行网格化处理（网格大小为 ），通过计算各网格的地形差值可得出 年湖泊地形相比 年湖泊地形的变化，如图 所示，湘江洪道斗米咀 鹿角站段深泓线地形变化如图 所示。图、表明，年与 年相比，洞庭湖内地形出现不同程度的冲刷和淤积，其中湖内冲刷主要集中在东洞庭湖北部及南洞庭湖东部区域，湖内淤积主要集中在东洞庭湖西南部、南洞庭湖西部及西洞庭湖东南部（图）。通过统计湖盆底高程变化值发现，东洞庭湖内约有 的面积的下切深度超过，最大下切深度超过；南洞庭湖内约有的面积的下切深度超过，湘江洪道（斗米咀 鹿角站段）深泓线地形高程平均冲刷深度为，最大下切深度超过 （图）；西洞庭湖内约有的面积的下切深度超过 ，最大深度约为 。综上可知，年期间洞庭湖地形发生了较大变化，特别是南洞庭湖东部更为明显，因此洞庭湖内水文水动力过程必然随之发生较大改变。本研究采用 年实测地形数据对文献构建的水动力模型网格进行插值，并模拟 年型洪水过程，探讨 年地形变化对洞庭湖内洪水过程的影响。图 年洞庭湖地形冲淤变化 典型洪水年选择洞庭湖内洪水类型主要有“四水”来流型洪水、长江来流型洪水以及长江与“四水”遭遇型洪水，年洞庭湖来流量过程线如图 所示。根据图 中长江及“四水”的来流量情况，水 资 源 与 水 工 程 学 报 年可将 年来流分为 个典型洪水过程：（）第 个洪水过程主要由湘江及沅水来流洪水主导（月 日 月 日），可近似代表“四水”来流型洪水；（）第 个洪水过程主要由长江来流洪水主导（月 日 月 日），同时遭遇沅水及澧水来流洪水，可近似代表长江与“四水”遭遇型洪水；（）第 个洪水过程主要由长江来流洪水主导（月 日 月 日），可近似代表长江来流型洪水。由于 年洪水过程基本涵盖了洞庭湖内主要洪水类型，因此选用 年型洪水作为典型洪水过程，分析地形变化对洞庭湖内洪水过程的影响及地形引起的水位变化对不同洪水类型的响应。由于本文只考虑地形变化对洪水过程的影响，因此模型其他参数设置与 年验证模型完全一致。图 年洞庭湖湘江洪道斗米咀 鹿角站段深泓线地形变化图 年洞庭湖来流量过程线 结果与分析 地形变化对洪水过程的影响图 显示了在不同地形情况下，洞庭湖内各特征水文站点（南咀、小河咀、杨柳潭、营田、鹿角、城陵矶）的水位变化过程。由图 可以看出，与 年地形相比，在 年地形条件下的第 个洪水过程中，南洞庭湖内杨柳潭站及营田站水位变化最显著，其平均水位分别下降了 和 ；西洞庭湖内南咀站及小河咀站平均水位分别下降了 和 ；东洞庭湖内鹿角站及城陵矶站水位变化不明显，其平均水位分别下降了 和 。在第 个洪水过程中，南洞庭湖内杨柳潭站及营田站平均水位分别下降了约 和 ，东洞庭湖内与西洞庭湖内特征站点水位下降不明显。在第 个洪水过程中，西洞庭湖内小河咀站平均水位下降了 ，南洞庭湖内特征站点平均水位下降了 ，其他湖内站点水位变化不明显。水位空间分布变化为分析湖泊地形变化对湖内水位空间分布的影响，图 给出了两种地形情况下第 个洪峰时刻（月 日：）、第 个洪峰时刻（月 日：）及第 个洪峰时刻（月 日：）洞庭湖内水位变化差值分布图。图 表明，在第 个洪峰时刻，地形变化对南洞庭湖水位的影响最为显著，其中水位下降超过 的范围占南洞庭湖总面积的，主要集中在南洞庭湖东部地形下切较大的区域；水位下降 的范围占南洞庭湖总面积的 ；西洞庭湖水位下降约为 ；地形变化对东洞庭湖水位影响范围较小，仅在东洞庭湖南部局部区域出现水位下降，水位下降大于 的范围约为 ，约占东洞庭湖总面积的。在第 个洪峰时刻及第 个洪峰时刻，洞庭湖水位下降均在 以内。地形变化对水面坡降的影响为进一步分析地形变化对湖内水面坡降的影响，在两种地形条件下的第 个洪峰时刻（月 日：）、第 个洪峰时刻（月 日：）及第 个洪峰时刻（月 日：）分别提取东洞庭湖和南洞庭湖的水位（提取点位置如图 所示），绘制两种地形条件下的水面坡降如图 所示。由图（）可见，在第 个洪峰时刻东洞庭湖鹿角 城陵矶河段水位变化不明显，这主要是由于长江对该段水位影响较大，；从鹿角站开始向上游的水位下降越来越明显，这主要是由于第 个洪水过程主要由“四水”来流控制，长江对洞庭湖水位的第 期 刘易庄，等：洞庭湖地形变化对