水利工程論文-洞庭湖河湖疏浚對(duì)洪水位影響分析.doc

水利工程論文-洞庭湖河湖疏浚對(duì)洪水位影響分析摘要：洞庭湖是長江中游的重要調(diào)蓄湖泊，但由于接納湘、資、沅、澧四水和長江三口洪水、泥沙，造成淤塞河道湖泊泥沙淤積，洪水位抬高，加重湖區(qū)的防洪負(fù)擔(dān)、造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。根據(jù)洞庭湖河湖疏浚規(guī)劃和典型河段疏挖竣工資料，運(yùn)用水力學(xué)和水文學(xué)方法對(duì)疏浚前后洪水位的變化進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：洞庭湖疏浚洪水位影響1問題的提出洞庭湖作為長江中游的調(diào)蓄湖泊，不僅是長江中下游防洪體系中的重要組成部份。它不但具有調(diào)蓄江河徑流、發(fā)展航運(yùn)、漁業(yè)和為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供豐富水資源等多種用途，而且對(duì)調(diào)節(jié)湖區(qū)氣候和生態(tài)平衡也起著重要作用。由于洞庭湖接納湘、資、沅、澧四水和長江的松滋河、虎渡河、藕池河三口，每年有大量的泥沙進(jìn)入洞庭湖，其中約四分之一左右的泥沙由城陵磯注入長江，四分之三則淤積在洞庭湖，1975年與1952年比較，七里湖平均淤積達(dá)4m以上，南洞庭湖淤積近2m，東洞庭湖淤積近1m。由于泥沙淤積，造成四口洪道多呈淤積萎縮態(tài)勢，湖內(nèi)洲灘滋長、蘆柳叢生、滯流阻水嚴(yán)重，進(jìn)而加速泥沙淤積，并有惡性循環(huán)之勢。而且由于湖泊萎縮使得水系紊亂，相互頂托干擾。這些問題導(dǎo)致洞庭湖區(qū)調(diào)蓄容積減少、洪水位不斷抬升、江湖關(guān)系改變，加重湖區(qū)的防洪負(fù)擔(dān)、造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。因此，加強(qiáng)洞庭湖區(qū)河道整治、實(shí)施河湖疏浚工程、調(diào)整部分河段的河勢、改善水流條件、穩(wěn)定河床、減少泥沙淤積、延長河道壽命是非常迫切的14。目前洞庭湖河湖疏浚規(guī)劃已經(jīng)完成，包括湘、資、沅、澧四水尾閭和松滋河、藕池河、南洞庭湖、東洞庭湖、汩羅江等疏挖總工程量達(dá)33876.40104m3，目前為止已經(jīng)付諸實(shí)施的有約4067.91104m3。為了客觀地反映河湖疏浚對(duì)洞庭湖防洪減災(zāi)實(shí)際效果和作用，必須準(zhǔn)確分析疏浚后的洪水位降低效應(yīng)。2河湖疏浚對(duì)典型河段的洪水水位影響分析2.1水力學(xué)法的主要思路是運(yùn)用洞庭湖水動(dòng)力學(xué)模型，在同樣的來水條件下，分別計(jì)算疏浚前后（地形和糙率不同）洞庭湖疏浚影響區(qū)的洪水水位，通過對(duì)水位差值的比較，得出疏浚對(duì)河湖洪水水位的影響。洞庭湖水系中，四水及長江三口控制斷面以下無流量站控制，區(qū)間面積約占洞庭湖水系總面積的20%，與洞庭湖洪水的形成密切相關(guān)。本研究洪水演算采用SMS（地表水模擬系統(tǒng)）水力學(xué)模型，區(qū)間的產(chǎn)流計(jì)算采用SSARR（河流綜合預(yù)報(bào)與水庫調(diào)度模型）水文學(xué)模型2。2.1.1原理SMS模型(SurfaceWaterModelingSystem)是美國陸軍工程兵團(tuán)開發(fā)的水力學(xué)模型。該模型通過求解二維完全圣維南方程組，求解出計(jì)算時(shí)間內(nèi)整個(gè)研究區(qū)域的水位、流量及二維X、Y方向的水流速度。其顯著優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)一二維水力學(xué)模型的結(jié)合，這使得我們在建模時(shí)可將河道概化為一維單元，湖泊等寬廣水面概化為二維單元，實(shí)現(xiàn)一、二維水力學(xué)模型的有機(jī)結(jié)合。SMS模型是一個(gè)二維淺水方程，方程形式為：上式中：h研究水體的水深(m)u、v水體在X、YX、Y、TE水體渦度系數(shù)；E下標(biāo)XX表示水面X方向的渦度系數(shù)；下標(biāo)YY表示水面Y方向的渦度系數(shù)；下標(biāo)XY、YX表示水面切變方向的渦度系數(shù)；GANVaSSARR模型是一種概念性河流系統(tǒng)水文預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型，由美國陸軍工程兵團(tuán)河流預(yù)報(bào)中心20世紀(jì)70年代中期研制。它認(rèn)為降雨徑流模型實(shí)質(zhì)上是一個(gè)扣損曲線流域模型，在流域內(nèi)的降雨輸入可以轉(zhuǎn)化為徑流、土壤含水量的增加和流域蒸散發(fā)損失三部分。某一計(jì)算時(shí)段的徑流RGP為流域面平均降雨AWP的百分?jǐn)?shù)ROP可表示為下式：RGP=ROPAWP考慮蒸散發(fā)的各月份變化規(guī)律和雨強(qiáng)對(duì)徑流及蒸散發(fā)的影響。利用土壤水分指數(shù)SMI和徑流百分?jǐn)?shù)的關(guān)系，土壤含水量蒸散發(fā)關(guān)系，確定土壤水分的最大值SMI，計(jì)算各個(gè)時(shí)段的徑流量。根據(jù)水量平衡原理土壤含水量-SMI2=SMI1+M1+R0-ET1式中：SMI2時(shí)段末的土壤含水量指數(shù)；SMI1時(shí)段末的土壤含水量指數(shù)；M1時(shí)段內(nèi)的土壤水分輸入；R0時(shí)段內(nèi)的產(chǎn)生的徑流；ET1時(shí)段內(nèi)的蒸散發(fā)指標(biāo)。對(duì)于某一時(shí)段來講，土壤含水量除直接與徑流產(chǎn)生有關(guān)外，其值的大小一定與時(shí)段內(nèi)的蒸SMI2=SMI1+(AWP-RGP)-(ETIDKEt24)式中：WP時(shí)段內(nèi)流域平均降雨量；RGP時(shí)段內(nèi)降雨產(chǎn)生的徑流量；ETI日蒸發(fā)量；DKE日蒸發(fā)按降雨條件和土壤含水量的改正率；t計(jì)算時(shí)段長。徑流計(jì)算其實(shí)質(zhì)即為ROP(徑流百分?jǐn)?shù))的確定。模型認(rèn)為ROP為SMI與雨強(qiáng)I的函數(shù)，ROP=f(SMI，I)徑流成分的劃分及不同水源的演算根據(jù)土壤基流下滲強(qiáng)度指標(biāo)BII確定基流百分?jǐn)?shù)BFP。有下式BFP=f(SII)并認(rèn)為BFP與BII成反比。利用這一關(guān)系可將徑流劃分為不同水源，采用不同的河段數(shù)和滯時(shí)進(jìn)行演算，最后合成為河道流量過程。由于洞庭湖區(qū)間大部分地區(qū)無流量觀測資料，因此選擇有流量資料的典型流域進(jìn)行參數(shù)分析，再根據(jù)有關(guān)地理因數(shù)，將參數(shù)換算到無資料地區(qū)。根據(jù)水力學(xué)模型的需要將整個(gè)湖區(qū)區(qū)間劃分為49個(gè)子塊，每個(gè)子塊單獨(dú)計(jì)算產(chǎn)流過程。2.1.2邊界條件水力學(xué)模型必須給定一定的上下邊界條件，才能對(duì)洞庭湖河網(wǎng)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，上邊界條件往往是流量過程，比較容易給定；下邊界條件可以是水位過程或流量過程，也可以為水位流量關(guān)系。(1)模型上邊界。SMS水力學(xué)模型的上邊界條件包括四水入流控制站湘潭、桃江、桃源、石門、長江宜昌、長陽及湖區(qū)區(qū)間產(chǎn)流流量。四水、長陽、宜昌可采用典型年的實(shí)際入流過程；洞庭湖區(qū)沿湖區(qū)間面積的產(chǎn)流，使用SSARR水文學(xué)模型，該模型可根據(jù)降雨過程模擬出湖區(qū)區(qū)間流量過程，根據(jù)下墊面情況及對(duì)湖區(qū)的影響；將湖區(qū)區(qū)間概化分為49個(gè)入流點(diǎn)；分別計(jì)算每一邊界點(diǎn)的入流過程。(2)模型下邊界。洞庭湖水力學(xué)模型將長江與洞庭湖洞看成一個(gè)整體，因而模型的下邊界選擇長江螺山站。這樣就構(gòu)成了上至長江宜昌，涵蓋四水及洞庭湖區(qū)間，下至長江螺山的水力學(xué)模型。洞庭湖出口至螺山河段水位流量關(guān)系不穩(wěn)定，影響因素較多，年際間變化很大。而且受洪水漲落，下游回水頂托及河道沖淤等因素的影響，呈現(xiàn)出復(fù)雜的繩套關(guān)系。由于河湖疏浚對(duì)螺山站的水位影響甚微，因此可以認(rèn)為疏浚前后螺山站水位基本保持不變。故可將典型年螺山站的實(shí)際水位過程作為模型的下邊界。2.1.3洪水典型年的選擇考慮到河道自然演變因素，典型年主要選擇近期的主要大水年，他們分別是1996、1998、1999年。這三個(gè)典型年有著不同的洪水特征、洪水組成，具有較好的代表性。主要情況如下：(1)、1996洪水。造成該年暴雨洪水的主要天氣系統(tǒng)集中在7月份，共有三次暴雨過程，主要集中在資、沅水及湖區(qū)，總降雨量分別為：460mm，486mm，383mm。7月初，澧水和沅水相繼漲水，洪峰流量分別為11300m3/s和14000m3/s，先期抬高了洞庭湖底水。7月中旬資、沅水及湖區(qū)區(qū)間再次受暴雨襲擊，造成資水桃江于7月16日出現(xiàn)洪峰流量11600m3/s，沅水桃源出現(xiàn)洪峰流量29000m3/s，湖區(qū)區(qū)間最大流量8200m3/s，與此同時(shí)長江宜昌流量維持40000m3/s左右，三口最大入湖流量11200m3/s。最大入湖流量78.5%來自四水，三口僅占16.1%，比多年平均降低16.1%(2)、1998年洪水。1998年是1954年以后，長江流域又一次全域大洪水，僅次于1954年，但由于嚴(yán)防死守，沒有出現(xiàn)大的堤垸潰決，加之湖區(qū)及河道泥沙淤積的影響，長江與湖區(qū)各站水位高于1954年。1998年長江干流出現(xiàn)了8次大的洪水過程，洞庭湖及長江下游也出現(xiàn)了5次洪水過程，可謂峰高、量大，四水洪水與長江洪水過程遭遇，入湖最大合成流量63800m3/s，其中四水45000m3/s，三口為12200m3/s，湖區(qū)區(qū)間6630m3/s，分別占最大入湖的70.5%，19.1%，10.4%，從6月11日8時(shí)8月20日8時(shí)，洞庭湖總?cè)牒?696億m3，其中三口來水占38.2%，四水占48.3%，區(qū)別來水占13.5%，長江大水和四水洪水反復(fù)遭遇，造成了洞庭湖及長江干流均超歷史洪水位。(3)、1999洪水。1999洪水為洞庭湖建國以來的第二大洪水，屬于四水，湖區(qū)區(qū)間及長江干流遭遇的最惡劣型洪水，主要降水進(jìn)程分為兩次，第一次6月26日暴雨集中在沅水、澧水及湖區(qū)區(qū)間，最大1、3、7、15日洪量幾乎同步進(jìn)入洞庭湖，加上長江干流20000m3/s47000m3/s的維持量，日停留于洞庭湖的水量達(dá)30億m3左右，城陵磯水位日平均漲幅1米左右。第二次7月13日，湘、資、沅、澧和長江同時(shí)漲水，湘、資水最大1日、3日、7日、15日洪量，沅水洪峰流量22000m3/s，澧水洪峰流量8110m3/s，區(qū)間洪峰流量8000m3/s，長江干流50000m3/s，同時(shí)匯于洞庭湖，雖然四水與長江干流不是大洪水，但四水與長江同時(shí)遭遇、匯入洞庭湖，非常罕見。表11996、1998、1999年洞庭湖不同年份總?cè)肓鹘y(tǒng)計(jì)表年份宜昌洪峰流量（m3/s）最大一日洪量(億m3)最大三日洪量(億m3)最大七日洪量(億m3)最大十五日洪量(億m3)最大三十日洪量(億m3)19966100052.93157.0347.1538.4768.019986380050.13145.4293.8490.4785.519996130049.80141.9278.8454.0875.02.1.4分析計(jì)算結(jié)果及原因分析本次計(jì)算采用了3個(gè)典型年，上邊界用典型年的入流過程，下邊界選用典型年螺山站的水位，分別選擇疏浚前后的地理資料計(jì)算三個(gè)典型河段影響區(qū)的水位，在疏浚區(qū)每隔500計(jì)算結(jié)果表明：在所選的典型河段中，澧水洪道的影響十分顯著，南洞庭湖一帶疏浚前后的影響次于澧水洪道。這是因?yàn)殄⑺榈罏橐华M窄性河道，洪水期間經(jīng)常出現(xiàn)礙洪現(xiàn)象。疏浚后河道橫斷面面積增加，且主河槽深度加深，水流阻力減小，過流能力增加，洪水水位降低，經(jīng)采用三個(gè)典型年分析，疏浚后洪水水位降低0.20.3米。而在南洞庭湖區(qū)，由于洪水期間水面寬廣，疏挖增加的河道面積占整個(gè)斷面面積的比重相對(duì)較小，雖然水流阻力也有所減小，但在影響湖區(qū)水流的復(fù)雜水力因素中，疏挖的影響仍不如澧水洪道。經(jīng)采用三個(gè)典型年運(yùn)用水力學(xué)模型計(jì)算，疏浚后可降低南洞庭湖洪水水位0.090.17米。各典型年計(jì)算情況見表2。表2洞庭湖典型河段疏浚后降低洪水水年份水位降低值(m)澧水洪道南洞庭湖19960.220.0919980.250.1319990.310.17模型計(jì)算中采用疏浚前后兩種不同的地形資料條件下的水動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果的差值，作為疏浚對(duì)洪水水位的影響值，由于兩種計(jì)算的上下邊界條件相同，這樣做有利于將兩種計(jì)算結(jié)果統(tǒng)一到一致的基礎(chǔ)上，便于比較。另外可以降低參數(shù)的敏感性帶來的誤差，因?yàn)樵谒W(xué)模型中最重要的參數(shù)是糙率，而糙率的微小的改變，都將引起模型計(jì)算水位較大的改變，但對(duì)兩種地形資料條件差值的計(jì)算，參數(shù)的敏感性就大大減低。在我們建立的SMS模型中，糙率每增加1%，可引起模型計(jì)算水位0.06米的變化，但對(duì)兩種水力邊界條件計(jì)算的差值的影響就降低到不足0.01米。2.2水文學(xué)方法本次分析的二個(gè)典型河段位于澧水洪道和南洞庭湖區(qū)。在澧水洪道上有石龜山水文站實(shí)測水位和流量資料。南洞庭湖區(qū)有沅江水位站，僅有水位資料。根據(jù)兩站不同的資料情況，分析中采用不同的分析方法?；痉治鏊悸肥牵哄⑺榈啦捎脝沃祷涣髁筷P(guān)系法，通過分析河道疏浚前后的單值化水位流量關(guān)系來分析疏浚對(duì)洪水水位的影響；南洞庭湖的沅江站因其只有水位資料，所以通過分析疏浚前后南嘴沅江水位相關(guān)關(guān)系來分析疏浚對(duì)洪水水位的影響。2.2.1澧水洪道疏浚前后石龜山站水