鄂北調(diào)水工程對漢江中下游水文情勢的影響

鄧志民，劉揚(yáng)揚(yáng)，樊 皓

(長江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，武漢 430051)

0 引 言

漢江是長江中游最大的支流，干流全長1 577 km，全流域面積15.9 萬km2，多年平均徑流量566 億m3。丹江口以上為上游，長約925 km，流域面積9.52 萬km2；丹江口以下為中下游，長約652 km，流域面積6.38 萬 km2[1]。近期，為了解決湖北省鄂北地區(qū)資源型缺水問題，2015年7月，國家發(fā)改委批復(fù)了鄂北地區(qū)水資源配置工程(以下簡稱“鄂北調(diào)水工程”)可行性研究報(bào)告，該工程以丹江口水庫為水源，多年平均總引水量13.98 億m3，包含原《南水北調(diào)中線工程規(guī)劃》中供引丹灌區(qū)的11.07 億m3，其中已運(yùn)行的唐西引丹灌區(qū)多年平均引水量6.28 億m3，鄂北受水區(qū)渠首多年平均引水量7.70 億m3，從漢江中下游干流用水區(qū)供水中調(diào)整2.91 億m3。那么，漢江中下游水量的減少，對漢江干流水文情勢將產(chǎn)生怎樣的影響，這是鄂北調(diào)水工程亟須解決的問題。

然而，漢江干流引調(diào)水工程眾多，根據(jù)2012年水利部長江水利委員會(huì)編制的《漢江干流綜合規(guī)劃報(bào)告》(2010年修編)[2]，推薦漢江干流梯級開發(fā)方案為黃金峽-石泉-喜河-安康-旬陽-蜀河-白河-孤山-丹江口-王甫洲-新集-崔家營-雅口-碾盤山-興隆共15級，其中漢江中下游七級開發(fā)方案中，王甫洲水利樞紐、崔家營航電樞紐和興隆樞紐已建，新集水電站環(huán)評已取得環(huán)保部批復(fù)，雅口水利樞紐和碾盤山水利樞紐正在開展前期工作；規(guī)劃有以丹江口水庫為水源的南水北調(diào)中線工程，及漢江中下游四項(xiàng)治理工程。南水北調(diào)中線一期工程從漢江丹江口水庫陶岔閘引水，年均調(diào)水量95 億m3，已于2014年12月12日通水。漢江中下游四項(xiàng)治理工程中引江濟(jì)漢工程是從長江荊州段龍洲垸引水至漢江潛江段高石碑，年平均輸水37 億m3，其中補(bǔ)漢江水量31 億m3，該工程已于2014年建成并運(yùn)行。2014年9月，國家發(fā)改委批復(fù)陜西引漢濟(jì)渭工程可行性研究報(bào)告，引漢濟(jì)渭工程總調(diào)水規(guī)模的15 億m3，其中漢江支流子午河自流調(diào)水5 億m3，漢江干流黃金峽水庫引水10 億m3。漢江上游干流各調(diào)水工程的建設(shè)運(yùn)行，也勢必對漢江中下游的水文情勢造成重大的影響，進(jìn)而可能導(dǎo)致漢江中下游生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞[3-6]。

因此，為了區(qū)分鄂北調(diào)水工程對漢江中下游水文情勢的影響，本文在已有的研究基礎(chǔ)上，綜合漢江上游干流各調(diào)水工程的規(guī)模、漢江中下游梯級開發(fā)以及治理工程，并結(jié)合有關(guān)規(guī)劃及水資源配置方案，設(shè)置了3種情景，運(yùn)用MIKE模型對比分析不同情景下調(diào)水工程對漢江中下游水文情勢的影響，以為保障漢江中下游生態(tài)系統(tǒng)的完整性及可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究方法

本文采用MIKE11水動(dòng)力模塊模擬漢江中下游水文情勢，該模塊是基于垂向積分的物質(zhì)和動(dòng)量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)。方程組利用Abbott-Ionescu六點(diǎn)隱式差分格式求解，該格式在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)不同時(shí)計(jì)算水位和流量，而是按照順序交替計(jì)算水位或流量，具有穩(wěn)定性好，計(jì)算精度高的特點(diǎn)[7]。該模型在進(jìn)行完全水動(dòng)力學(xué)模擬的同時(shí)，也可進(jìn)行各種簡化的水流模擬，如擴(kuò)散波、運(yùn)動(dòng)波及準(zhǔn)穩(wěn)定流的計(jì)算。MIKE11可以模擬各種水土建筑物(如箱涵、堰或泄流閘)及其運(yùn)用規(guī)則。

本文采用納什效率系數(shù)NSE來判定模擬流量(水位)過程與實(shí)測流量(水位)過程的擬合程度；采用相對誤差RE來評判測流斷面不同點(diǎn)位流速、流向模擬值與實(shí)測值的偏差。其中，NSE可用來評價(jià)模型模擬的精度，反映了實(shí)測與模擬數(shù)據(jù)的吻合程度，其值在[0,1]之間，越接近于1表示模型模擬效果越好；RE則反映了模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)相對誤差，計(jì)算公式如下[8]：

(1)

RE=(Vsim,i-Vobs,i)/Vobs,i

(2)

2 研究結(jié)果與分析

2.1 模型概化

研究區(qū)域?yàn)闈h江中下游河段，即丹江口壩下～漢江匯口，根據(jù)漢江干流特點(diǎn)，將流域內(nèi)影響水流運(yùn)動(dòng)的因素概化為一維模型(一維河道)和聯(lián)系要素(漢江水利樞紐等)，計(jì)算斷面334個(gè)，水工控制建筑物4個(gè)，分別為王甫洲水利樞紐、新集水電站、崔家營航電樞紐和興隆水利樞紐。

水文邊界以丹江口壩下為上邊界，以龍王廟水位站為下邊界。由于丹江口壩下至黃家港無大的支流匯入，沿程流量變化不大，因此上邊界流量利用黃家港斷面逐月流量成果，并考慮區(qū)間北河、南河、小清河、唐白河、蠻河、竹皮河、漢北河等主要支流的匯入以及主要引排水閘站取退水影響；下邊界水位則采用龍王廟水位站實(shí)測水位數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同的來水條件適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整。

2.2 模型率定與驗(yàn)證

水動(dòng)力模型參數(shù)主要包括糙率和與熱量有關(guān)的系數(shù)，其中河段糙率取值對模型計(jì)算最為關(guān)鍵。本文將漢江中下游劃分為7段，分別選取仙桃水文站2010和2011年的逐日實(shí)測流量數(shù)據(jù)以及襄陽水文站2010年6月和2013年5月逐日實(shí)測水位數(shù)據(jù)為率定期和驗(yàn)證期。參數(shù)率定時(shí)首先根據(jù)沿程各河段比降和各水文站實(shí)測的相應(yīng)水力因子，采用曼寧公式估算出河道糙率初始值，再根據(jù)試算結(jié)果與實(shí)測值的對比對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)反復(fù)試算，直至計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值較好地吻合。本文優(yōu)選出各河段水動(dòng)力學(xué)模型糙率如表1所示，一維水動(dòng)力模型率定與驗(yàn)證結(jié)果如圖1和圖2所示。

表1 漢江中下游一維水動(dòng)力模型率定的河床糙率Tab.1 River bed resistance of hydrodynamic model in the middle and lower reaches of Hanjiang River

圖1 仙桃水文站逐日流量過程率定與驗(yàn)證Fig.1 Observed and simulated daily discharge for calibration and validation period

圖2 襄陽水文站逐日水位過程率定與驗(yàn)證Fig.2 Observed and simulated daily water level for calibration and validation period

由圖1可知，除洪峰過程有所偏移外，仙桃水文站流量預(yù)測值與實(shí)測值吻合程度較好，率定期NSE為0.77，驗(yàn)證期NSE為0.73。襄陽水文站水位預(yù)測值與實(shí)測值吻合程度較好，率定期和驗(yàn)證期NSE分比為0.81和0.74(見圖2)。從一維水動(dòng)力模型率定與驗(yàn)證結(jié)果來看，模型計(jì)算的流量、水位過程與實(shí)測數(shù)據(jù)的NSE均可達(dá)0.7以上，因此，一維水動(dòng)力模型能夠較真實(shí)地模擬研究區(qū)域的水文狀況，具有較高的可靠性。

2.3 水文情勢的影響分析

為了弄清鄂北調(diào)水工程實(shí)施后對漢江中下游干流水文情勢的影響，本文綜合漢江中下游干流規(guī)劃梯級開發(fā)(王甫洲、新集、崔家營、興隆)、引江濟(jì)漢等工程運(yùn)行特點(diǎn)以及丹江口水庫調(diào)蓄作用，共設(shè)置了3種情景對比分析典型斷面在不同工程實(shí)施階段水文情勢的變化情況。由于本文主要考慮漢江上游干流調(diào)水情況，故引漢濟(jì)渭工程只考慮從黃金峽水利樞紐調(diào)水10 億m3，具體情景設(shè)置如表2所示。

表2 漢江中下游水文情勢影響分析情景設(shè)置Tab.2 The condition of three kinds of engineering and hydrology

2.3.1工程實(shí)施對典型斷面年平均流量、水位和流速的影響

本文按照S1、S2、S3三種情景設(shè)置，對漢江中下游江段進(jìn)行了一維水動(dòng)力模擬。綜合考慮水文站、梯級電站等因素，選取了黃家港水文站、王甫洲壩下、新集、崔家營、雅口、碾盤山、皇莊水文站、興隆、仙桃水文站、宗關(guān)10個(gè)斷面，選擇P=10%、P=50%、P=90% 3種典型年丹江口下泄來水條件，對比分析3種情景下工程實(shí)施對河道年平均流量、水位、流速的影響。

由模型MIKE11計(jì)算不同情景下不同設(shè)計(jì)頻率10個(gè)斷面的年平均流量、水位、流速，僅以平水年3種情景對比下各斷面年平均流量為例，結(jié)果如圖3所示。

圖3 平水年3種情景對比下漢江中下游各斷面年平均流量變化情況 Fig.3 Variation of annual discharge of each cross-section under three scenarios in normal year in the middle and lower reaches of Hanjiang Rvier(P=50%)

由圖3(a)可知，S3與S2相比，平水年各斷面年平均流量減小了17.5～29.9 m3/s，相對差值為1.7%～4.3%；水位下降了0.01～0.06 m、流速減小了0～0.05 m/s，相對差值為1.1%～35.7%。由此可見，清泉溝增加引水后，在各梯級不銜接的自然河段，水位、流速略微下降。

由圖3(b)可知，P=50%平水年， S3與S1相比，各斷面年平均流量減小了355.9～629.8 m3/s(24.8%～47.7%)，新集斷面水位上升了9.91 m，其余斷面水位下降了0.07～1.05 m，流速減小了0.06%～0.63m/s(10.1%～77.2%)。

綜上可知，從S1到S3情景，以P=50%平水年為例，各斷面流量、水位、流速最大降幅分別為629.8 m3/s、1.05 m、0.63 m/s。其中由鄂北調(diào)水工程對其貢獻(xiàn)率分別為3.4%、5.7%、1.0%，故鄂北調(diào)水對漢江中下游各斷面流量、水位、流速的影響較小。因此，漢江中下游流量、水位、流速下降主要是受已規(guī)劃的引調(diào)水工程實(shí)施以及規(guī)劃梯級開發(fā)的影響[9-12]。

2.3.2 漢江中下游水文情勢沿程累積變化

調(diào)水工程實(shí)施后，由于不斷受到沿途支流匯入的影響，沿程斷面流量變化規(guī)律性強(qiáng)，基本從上游至下游降幅逐漸減小。然而，流速和水位的沿程變化則呈現(xiàn)出無規(guī)律性，因?yàn)榱魉俚淖兓粌H與流量有關(guān)，還受到河道地形、比降等因素的影響，而水位受河道寬度、地形以及梯級蓄水等因素的影響。因此，本文以年均流量變化為指標(biāo)，對比分析3種情景下漢江中下游水文情勢沿程累積變化情況(見圖4)。

圖4 不同情景間沿程各斷面年平均流量降幅Fig.4 The decreasing amplitude of annual discharge of each cross-section along the way under three scenarios

S3與S2相比，清泉溝增加引水后沿程各斷面流量減幅度在5%以內(nèi)。P=90%枯水年，沿程各斷面年平均流量下降幅度呈略微增加趨勢，因?yàn)樵摃r(shí)段引水流量較小，各斷面流量變化主要受中下游河道外取用水影響，越往下游河道外取用水越多。P=10%豐水年、P=50%平水年，沿程各斷面平均流量降幅從上游至下游基本呈累積減少趨勢，其中黃家港、王甫洲、新集3個(gè)斷面平均流量降幅相對較大；崔家營斷面平均流量降幅相對前3個(gè)斷面的略有減小，因?yàn)樾录韵掠刑瓢缀又Я鞯膮R入，漢江干流流量得到一定程度補(bǔ)給；崔家營以下隨著沿程支流不斷匯入，各斷面平均流量降幅逐漸減小，受引水的影響逐漸減弱。

S3與S1相比，沿程各斷面年均流量降幅較大。P=90%枯水年，除仙桃、宗關(guān)斷面因受引江濟(jì)漢工程補(bǔ)水的影響，年均流量有所增加外[3]，興隆以上沿程各斷面年均流量下降幅度呈累積降低趨勢，唐白河匯入前，黃家港、王甫洲、新集3個(gè)斷面年均流量降幅在57%左右；新集以下唐白河、蠻河、竹皮河等支流相繼匯入后，崔家營～興隆沿程斷面年均流量降幅減少至52.5%左右。P=50%平水年，沿程斷面年均流量減幅的累積降低趨勢顯著，黃家港、王甫洲、新集3個(gè)斷面年均流量降幅在47%左右；新集以下唐白河、蠻河、竹皮河等支流相繼匯入后，崔家營～興隆沿程斷面年均流量降幅減少至40%左右，表明支流匯入對干流流量的影響較大[13]；興隆以下由于引江濟(jì)漢補(bǔ)充了部分水量，仙桃、宗關(guān)斷面年均流量降幅累積減少至26%左右。P=10%豐水年，沿程各斷面年均流量降幅的變化趨同典型平水年。

3 結(jié) 語

本文根據(jù)上游調(diào)水工程實(shí)施情況，并綜合漢江中下游干流規(guī)劃梯級開發(fā)、引江濟(jì)漢等工程運(yùn)行特點(diǎn)以及丹江口水庫調(diào)蓄作用，為了區(qū)分鄂北調(diào)水工程對漢江中下游水文情勢的影響，設(shè)置了3種情景對比分析不同工程實(shí)施對漢江中下游水文情勢的影響。結(jié)果表明：

(1)S3情景與S1情景相比，除枯水年仙桃和宗關(guān)兩個(gè)斷面由于引江濟(jì)漢工程補(bǔ)水導(dǎo)致其年均流量增大、新集斷面由于增加新集水電站工程導(dǎo)致其水位增大外，其余斷面年均流量、年均水位和年均流速均有不同程度地降低，P=50%平水年最大降幅分別為47.7%、14.9%、77.2%。S3情景與S2情景相比，各斷面年平均流量、水位過程呈微弱降低趨勢。

(2)除仙桃、宗關(guān)斷面因受引江濟(jì)漢工程補(bǔ)水的影響，年均流量有所增加外，沿程各斷面平均流量降幅從上游至下游基本呈累積減少趨勢。S3情景與S2情景相比，沿程各斷面流量減幅度在5%以內(nèi)，總體上清泉溝增加引水后對漢江中下游流量、水位和流速的影響微弱，表明鄂北調(diào)水工程對漢江中下游的水文情勢影響較小。S3情景與S1情景相比，沿程各斷面流量降幅較大且基本分為3段，相同斷面不同典型水平年其降幅不同，表明各支流的匯入對干流流量的影響較大，已規(guī)劃的調(diào)水工程和梯級開發(fā)對漢江中下游的水文情勢影響較大。

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