三峽水庫蓄水期洞庭湖區水文情勢變化研究

徐長江 徐高洪 戴明龍 張冬冬

摘要：洞庭湖湖區的水文情勢變化直接影響到區域洪水災害防治、水資源利用、水環境保護和水生態安全維護，意義重大。基于實測資料分析了三峽水庫運行前后洞庭湖區水文情勢變化，受三口分流量減少和來水偏枯等綜合因素影響，2003～2016年8～11月洞庭湖入、出湖水量較1981～2002年分別減少26%和23.7%，湖區水位下降0.76～1.27 m。建立了長江與洞庭湖一、二維耦合水動力模型，模擬計算了三峽水庫蓄水期初設調度方案、優化調度方案和規程調度方案下長江干流及洞庭湖區的水文過程，3種方案對應的城陵磯站蓄水期多年旬平均流量分別減少1 220，928，900 m?3/s，湖區鹿角站蓄水期多年旬平均水位分別降低1.47，1.23，1.20 m。實際調度流量減小812 m?3/s，水位降低1.14 m，表明實際調度最優。從不同調度方案比較來看，實際調度提前了起蓄時間，減緩了對洞庭湖區水文情勢的不利影響。

關鍵詞：水文情勢; 蓄水期; 水動力模型; 三峽水庫; 洞庭湖

中圖法分類號：P333文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.002

1研究背景

洞庭湖位于長江中游荊江河段南岸，是吞吐長江的通江湖泊，南納湘、資、沅、澧四水來水，北承長江松滋、太平、藕池三口分流，湖區水系錯綜紊亂[1]，入湖徑流經湖區調蓄后，再由城陵磯注入長江，江湖關系復雜。洞庭湖水文情勢受長江干流與湖區水系支流來水的雙重影響，如2006，2009，2011年，受三口分流減少和四水來水偏少的影響，湖區發生了大面積干旱，致使湖區生態、生活用水出現一定程度的困難，引起了社會各界的廣泛關注[2]。

江湖關系變化是關系到長江及洞庭湖治理、開發與保護的關鍵性科學問題，特別是三峽水庫運行以來江湖關系的變化受到學者的廣泛關注[3]。眾多學者基于實測資料，從水情水沙時空演變[4-8]、長江與洞庭湖水體交換能力[9-10]、槽蓄特性[11]等角度分析了新條件下的江湖關系變化。江湖關系受到氣候變化以及人類活動的多要素影響，三峽水庫運行調度作為影響因素之一備受關注，孫思瑞等[12]基于BP神經網絡，分析了三峽水庫不同調度方案對洞庭湖出口水位的影響;李景保等[13]通過運用三峽水庫運行前后洞庭湖區實測原型水文資料，分析了三峽水庫不同調度方式對洞庭湖區典型年的水情影響。本文在已有研究基礎上，重點研究蓄水期三峽水庫不同調度方案對湖區水位以及出湖水量的影響，通過構建水動力學模型定量評估水庫蓄水的影響，分析不同蓄水方案情景下湖區水位及出湖水量的變化規律，為減輕水庫蓄水對湖區生產、生活、生態等用水的影響提供可靠的技術支撐，為長江經濟帶城市規劃建設、水資源優化配置決策提供科學可靠的參考依據。

2區域概況

洞庭湖位于東經111°14′～113°10′，北緯28°30′～30°23′，為我國第二大淡水湖。洞庭湖水系主要由湘江、資水、沅江、澧水四大水系和長江松滋口、太平口、藕池口三口分流水系組成，另有汨羅江、新墻河等入匯。

洞庭湖區是指荊江河段以南，湘、資、沅、澧四水尾閭控制站以下，跨湘、鄂兩省的廣大平原、湖泊水網區，總面積20 109 km?其中天然湖泊面積約2 625 km?洪道面積1 418 km?受堤防保護面積16 066 km?2。

洞庭湖區的地勢西高東低，分成東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖（由目平湖、七里湖組成），自西向東形成一個傾斜的水面。

3模型的構建

3.1一、二維耦合水動力數學模型

長江干流、荊江三口分流河道以及四水尾閭的水流模擬采用MIKE11一維水動力數學模型進行，洞庭湖湖區水流模擬采用MIKE21二維水動力數學模型，長江干流與洞庭湖區一、二維耦合通過MIKE FLOOD模型實現[14]。耦合模型涉及到的一維河道和二維區域模型采用標準連接形式。模型地形采用2011年長江干流河道和洞庭湖區地形資料。模型概化示意見圖1。

長江與洞庭湖一、二維耦合模型中，上邊界條件為宜昌站的流量，下邊界條件為螺山站的水位流量綜合線，洞庭四水、汨羅江及清江主要控制水文站的流量作為點源匯入模型。螺山站的水位流量關系非常復雜，影響因素較多，本次為了開展不同方案間的比較研究，采用近年的綜合線。二維模型的上游邊界條件由一維模型給出，而一維模型的下游邊界由二維模型提供，2個模型的數值求解過程交替進行，在耦合邊界上傳遞計算結果，實現耦合。

湖區內的降雨徑流過程采用MIKE 21中降雨產流模塊進行模擬。模塊中的輸入為湖區鹿角、南咀、小河咀、營田以及自治局各站的實測逐日降水過程，采用泰森多邊形的方法插值形成湖面的逐日降水，蒸發采用湖區的逐月潛在蒸散發時間序列。

為準確模擬洞庭湖湖區的水動力變化過程，模型采用三角形網格對湖區進行網格劃分，網格總數為23 436個。對于不規則網格，最大網格面積一般不宜超過0.1 km?2。綜合考慮洞庭湖區面積、模擬精度、計算時間及軟件性能等因素的限制，本次計算采用的最大網格面積不超過0.08 km?一般網格面積控制在0.015～0.02 km?2左右，重要地區、河道及其它地形變化劇烈的區域，計算網格適當加密。

3.2模型率定

模型參數的率定主要是河道和湖泊糙率的率定，以合理反映河道和湖泊的阻力。河道阻力不但與河道自身的物理特性有關，還與其上、下游的水位、流量、水面坡降等因素有關，就長江中游荊江和洞庭湖區而言，不同的洪水組成、量級及水位漲落率均會對水流阻力產生影響，因此進行糙率率定時必須選擇具有一定代表性的典型洪水過程。綜合分析，選擇近期2008，2011，2012 年洪水過程作為率定的依據，3 a的洪水過程具有不同的洪水組成和特征，代表性較好。2008年洪水屬于典型的四水遭遇型洪水，2011年屬于該區域典型的枯水年份，2012年洪水為長江中游區域性較大洪水。

由于計算區域內不同河段、洞庭湖不同湖區的河床邊界組成差異較大，對各區域進行糙率率定時，在對河道及湖泊特性分析的基礎上，將長江中游干流河段分為枝城-沙市-新廠-監利-城陵磯-螺山5個河段，松滋河系、虎渡河系、藕池河系、澧水洪道分為22個河段，洞庭湖區及四水尾閭地區分為目平湖、南洞庭湖西側、南洞庭湖東側、東洞庭湖南側、東洞庭湖北側、湘江尾閭、資水尾閭、沅江尾閭 8 塊分別按照地形等高線進行糙率率定。

3.3模型驗證與精度評定

為量化評估模型的模擬精度，采用Nash-Sutcliffe系數[15]和相對誤差RE[16]2個指標評價流量過程的模擬精度。

（1） Nash-Sutcliffe系數ENS。用以衡量模擬流量過程和實測流量過程間的擬合度，ENS值越接近于1，模擬流量越接近實測流量，公式為

ENS=1-ni=1（Qpi-Qoi）?2ni=1（Qoi-Qo）?2（1）

（2） 相對誤差RE。用以評價模擬流量和實測流量的差值與實測流量之間的百分比，能反映模擬的可信程度，公式為

RE=ni=1（Qpi-Qoi）ni=1Qoi×100%（2）

式中，Q0為實測流量;Qp為模擬流量;Q0為實測平均流量;n為實測個數。

參考Moriasi等[17]研究中采用的模型精度評價等級標準（表1），定量評價本模型的模擬精度。

根據率定的參數，模擬2013～2014年長江干流、洞庭湖湖區及出口各站點的逐年流量和水位過程，并與實測流量、水位過程進行對比驗證，模擬效果見表2和圖2，其中水位是基于1985國家高級基準。由表2可以看出，除管家鋪站為良好外，其他各個站點模擬流量過程與實測過程擬合程度均為優秀，滿足模型模擬精度要求。由圖2可以看出，湖區各站點的水位模擬過程與實測過程擬合較好，高低水位及過程走勢比較一致，南咀、小河咀和鹿角站的平均水位絕對誤差分別為0.03，0.06，0.04 m。

4洞庭湖區水文情勢變化統計特征

以三峽水庫運用為時間節點，分運行前（1981～2002年）和運行后（2003～2016年）2個階段，洞庭湖區代表水位站選擇南咀、小河咀和鹿角站，出湖代表水文站選擇城陵磯站，根據各站的實測資料，對比分析三峽水庫建庫前后湖區入湖水量、出湖水量和水位的變化特征。結合長江上中游梯級水庫蓄水調度運行實踐，研究時段采用8～11月。

4.1入湖徑流變化

洞庭湖入湖水量主要來自湘、資、沅、澧四水和荊江三口分流。采用湘江湘潭站、資水桃江站、沅江桃源站、澧水石門站合成流量代表洞庭湖四水入湖水量，松滋河新江口站和沙道觀站、虎渡河彌陀寺站、藕池河康家港站和管家鋪站合成流量代表荊江三口入湖水量。洞庭湖入湖徑流（不含未控區間入流，下同）不同時段徑流量及其變化統計見表3。

與1981～2002年相比，2003～2016年8～11月多年平均入湖徑流量偏少210.6億m?3，減幅26.6%，其中三口分流來水偏少132.3億m?3，洞庭四水來水偏少78.3億m?3，說明總體上入湖徑流偏少是三口分流量減小和湖區水系來水偏枯共同影響而致。

與1981～2002年相比，2003～2016年多年平均情況下，荊江三口分流來水、洞庭四水來水和入湖徑流在8，9，10月均呈偏少現象，尤以10月最為突出，多年平均入湖徑流偏少71.8億m?3，減幅45.6%，其中荊江三口減少39.7億m?3，洞庭湖四水減少32.1億m?3。

4.2出湖徑流變化

采用城陵磯站流量代表洞庭湖出湖入江水量。城陵磯站不同時段徑流量及其變化見表4。較1981～2002年，2003～2016年8～11月平均出湖流量偏少236億m?3，減幅23.7%，8～11月各月均減少，以10月減少百分比最大。結合表3分析，10月入、出湖水量的差值在三峽工程運行前后基本相當。

4.3湖區水位變化

洞庭湖湖區由東、南、西洞庭組成，出口在東洞庭的城陵磯，本次以南咀、小河咀、鹿角水位站為湖區代表站，城陵磯水文站為洞庭湖出口代表站，根據各站實測水位資料，分析洞庭湖區的水位變化規律。

以2003年為時間分界點，分別統計1981～2002年以及2003～2016年各代表站8～11月各個時段月平均水位變化，統計結果見表5。可以看出，與1981～2002年相比，各站月平均水位在不同時期均有一定的下降，南咀、小河咀、鹿角和城陵磯站2003～2016年8～11月多年平均水位分別下降0.82，0.76，1.24，1.27 m;從湖區各站點變化幅度來看，靠近出湖點處的城陵磯站變化幅度最大，小河咀站和南咀站變化幅度相當;各月水位變化中，各站均以10月變化幅度最大，城陵磯站2003～2016年10月平均水位較之1981～2002年下降2.24 m。

5蓄水期洞庭湖區水文情勢變化研究

5.1不同蓄水方案下宜昌站流量過程

三峽水庫以上流域已建成若干座具有較強調節能力的大型水庫，鑒于水庫群的影響較為復雜[18]，且洞庭湖入湖徑流的重要組成之荊江三口分流就位于三峽壩下游河段，故本次重點研究三峽水庫蓄水對洞庭湖水文情勢的影響，宜昌站流量還原時主要考慮三峽水庫的調蓄影響。

2008年和2009年三峽工程曾進行過2次試驗性蓄水，由于蓄水目標及當年蓄水期水情等因素，最高蓄水位分別為172.74 m和171.41 m。考慮到2008年和2009年三峽水庫并沒有蓄滿，實際調度的蓄水量會較其他蓄水方案偏小，影響不同調度方案間的比較分析，因此，本次選取2010～2016年作為分析時段。根據三峽水庫2010～2016年的實際調度運行資料，由三峽水庫壩前水位、庫容曲線以及出庫流量，采用水量平衡法反推入庫流量，再采用馬斯京根法將入庫流量過程由清溪場演算到宜昌站，得宜昌站天然流量過程。

由于不同調度方案主要從9月以后才開始蓄水，本次研究時段選為9～11月。在實際蓄水調度中，批復的三峽試驗性蓄水實施計劃中的蓄水方式為：三峽水庫9月上旬可在承接8月下旬防洪調度運用水位基礎上逐漸上浮水位，上浮期間控制下泄流量滿足中下游各方用水需求。依據三峽水庫初設調度方案、優化調度方案及規程調度方案對三峽水庫進行2010～2016年蓄水模擬調度，得到不同情境下的宜昌站9～11月逐日流量過程，與宜昌站還原后的流量過程相比，統計影響特征如表6所示。

由于初設調度方案、優化調度方案和規程調度方案的蓄水起始時間分別為10月1日、9月15日和9月10日，因此以上方案對宜昌站9月份流量無影響或有部分旬時段的影響。

總體而言，實際調度對宜昌站各旬流量的影響要小于其它幾種調度方案。據統計，實際調度、初設調度方案、優化調度方案和規程調度方案的宜昌站多年旬平均流量較天然情況分別減少3 160，4 740，3 580，3 420 m?3/s。從9～11月，實際調度反映出較其它調度方案相對更為均勻的蓄水過程，對各旬的流量影響相對更緩和，多年平均最大影響出現在9月中旬，旬流量減少4 300 m?3/s，10月底已基本蓄滿。初設調度方案、優化調度方案和規程調度方案對旬平均流量的減少超過5 000 m?3/s的情形均有2個旬，旬平均流量的最大減小值分別為9 920，8 670，9 090 m?3/s，且多在11月中旬蓄滿。長江中下游在11月已進入枯水期，為了避免水庫蓄水對下游水資源開發利用的不利影響，上游水庫宜在汛后盡早蓄滿。

5.2不同蓄水方案對湖區水位的影響

在固化其他邊界條件的情況下，將宜昌站2010～2016年還原后的天然流量過程和三峽水庫初設調度方案、優化調度方案以及規程調度方案下的宜昌站流量過程作為上游邊界條件，分別模擬洞庭湖湖區典型站點水位以及出湖站點流量過程。

根據模擬結果，統計出9～11月不同情境下的湖區各站點旬平均水位的特征值，分析三峽水庫蓄水對洞庭湖湖區的水位影響。

不同情境下洞庭湖湖區各站的旬平均水位影響見圖3。由圖可以看出，總體而言，實際調度對水位的影響要小于其它幾種調度方案。據統計，實際調度使洞庭湖區各站蓄水期旬平均水位下降0.24～1.14 m，其次是規程調度方案，各站蓄水期旬平均水位下降0.33～1.20 m，優化調度方案下各站蓄水期旬平均水位下降0.35～1.23 m，初設調度方案下各站蓄水期旬平均水位下降0.36～1.47 m。

在相同調度方案下，分析湖區不同位置處的水位變化幅度，處于東洞庭湖的鹿角站變化幅度最大，處于西洞庭湖的南咀站和處于南洞庭湖的小河咀站變化幅度相當，均小于鹿角站。

以鹿角站為典型，統計分析不同調度情境下各旬的水位特征變化，見表7。

由表7可以看出，實際調度、初設調度方案、優化調度方案和規程調度方案下的鹿角站蓄水期多年旬平均水位分別較天然情況下降1.14，1.47，1.23，1.20 m，實際調度對水位的影響相對最小。總體上，各個調度方案對鹿角旬水位的影響主要集中在9～10月下旬。從9月至10月，實際調度使鹿角站的水位出現一定的下降，下降過程較其它調度方案更趨緩和，旬平均水位最大下降值出現在10月上旬，降低1.51 m，9月上旬影響相對較小，下降0.43 m。初設調度方案、優化調度方案和規程調度方案對旬平均水位的影響相對較大，旬平均水位最大下降值均超過了2 m，分別為2.83，2.49，2.07 m，并有多個旬平均水位下降超過1.5 m;且多年平均情況下對水位的下降影響一直持續到了11月中旬，對于湖區枯水期的水資源開發利用和水環境保護較為不利。

5.3不同蓄水方案對出湖流量的影響

根據5.2節模擬結果，統計出2010～2016年9～11月不同情境下的城陵磯站出湖流量變化特征見表8，分析三峽水庫蓄水對洞庭湖出湖流量的影響。

由表6和表8可以看出，優化調度方案自9月15日開始蓄水，規程調度方案自9月10日開始蓄水，宜昌站9月中旬平均流量在相應調度方案下較工程蓄水前的天然情況已呈明顯下降現象，但城陵磯站在相應調度方案下9月下旬平均流量才出現顯著下降，說明三峽水庫的蓄水調度對洞庭湖的出流影響具有一定滯后性。

考慮三峽水庫蓄水對洞庭湖出湖流量影響的滯后性，統計分析城陵磯站的多年旬平均流量影響值可知，總體而言，實際調度對城陵磯站的流量影響要小于其他幾種調度方案：實際調度、初設調度方案、優化調度方案和規程調度方案的多年旬平均流量減少值分別為812，1 220，928，900 m?3/s。

6結 論

本文以洞庭湖區為重點研究對象，根據湖區代表水位站南咀、小河咀和鹿角站以及出湖代表站城陵磯站的實測資料，對比分析了三峽水庫建庫前后湖區入湖水量、出湖水量和水位的變化特征。并通過構建長江干流與洞庭湖區一、二維耦合的水動力數學模型，模擬計算了不同蓄水調度方案下洞庭湖湖區的水文過程，分析了不同蓄水方案對湖區水位和出湖流量的影響，主要結論如下。

（1） 與1981～2002年相比，2003～2016年8～11月多年平均入湖徑流量偏少210.6億m?3，減幅26.6%，城陵磯站8～11月平均出湖流量偏少236億m?3，減幅23.7%，湖區各代表站月平均水位在相應時期均有一定的下降。其中，三口分流來水偏少132.3億m?3，洞庭四水來水偏少78.3億m?3，說明總體上入湖徑流偏少是三口分流量減小和湖區水系來水偏枯共同影響而致。

（2） 在固化其他邊界條件的情況下，利用模型模擬計算和統計分析三峽水庫不同蓄水調度方案對宜昌站流量和湖區的水位影響。結果表明，從9月上旬至11月下旬，實際調度較其它調度方案表現出相對更為均勻的蓄水過程，對宜昌站各旬的流量影響相對更為平緩，繼而對洞庭湖區水位的影響也要小于其他幾種調度方案。在相同調度方案下，處于東洞庭湖的鹿角站水位變幅最大，南咀和小河咀站水位變幅相當。

（3） 在其他條件不變情況下，城陵磯出湖水量變化主要是由荊江三口進入洞庭湖的水量變化、湖泊水體自身調蓄量變化和干流水位變化共同影響所致。三峽水庫蓄水期不同調度方案下洞庭湖出湖流量均有所減少，實際調度對城陵磯站的流量變化影響要小于其他幾種調度方案。

（4） 三峽水庫運行以來，發揮了巨大的防洪、發電、通航、供水等綜合效益，三峽水庫汛末蓄水是實現枯期補水的必然過程，蓄水期間對長江中游干流和洞庭湖區的水文情勢產生了一定影響，為了盡量減小蓄水期的影響，優化蓄水調度非常重要。從本研究可以看出，三峽水庫提前蓄水有利于減緩對洞庭湖區水文情勢的不利影響，考慮到三峽水庫以上流域若干大型水庫也都在汛末蓄水，影響更為復雜，今后需要在確保防洪安全的前提下，進一步優化三峽水庫預報預蓄過程，深入開展長江上游水庫群聯合蓄水調度研究。

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引用本文：徐長江，徐高洪，戴明龍，張冬冬.三峽水庫蓄水期洞庭湖區水文情勢變化研究[J].人民長江，2019，50（2）：6-12.

Study on hydrological regime variation in Dongting Lake during water storage period of Three Gorges Reservoir

XU Changjiang， XU Gaohong， DAI Minglong， ZHANG Dongdong

（Bureau of Hydrology， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430010， China）

Abstract： The variation of hydrological regime in Dongting Lake would directly affect regional flood prevention， water resources utilization， water environment protection and water ecology protection， which is of great significance. Based on the measured data， the variation of the hydrological situation in Dongting Lake area before and after the Three Gorges Reservoir operation was analyzed. The results showed that the inflowing and outflowing water volume of Dongting Lake from 2003 to 2016 had decreased by 26% and 23.7% respectively and the water level in lake area dropped 0.76～1.27m from August to November， compared with the period from 1981 to 2002， due to the combined factors， such as the diversion decrease of three distributaries from Jinjiang River and the decrease of incoming water， etc. A 1D and 2D coupled hydrodynamic model of the Yangtze River and Dongting Lake was established to simulate the hydrological processes of the study area during the water storage period of Three Gorges Reservoir under the initial-designed scheduling scheme， optimal scheduling scheme and protocol scheduling scheme. The corresponding average annual flow of Chenglingji station decreased 1 220，928 m?3/s and 900 m?3/s respectively， and the average annual water level of the Lujiao Station in the lake area decreased 1.47，1.23 m and 1.20 m respectively; however， the average flow decreased 812 m?3/s and the water level decreased by 1.14 m under the actual scheduling practice， indicating that the actual scheduling is optimal. From the comparison of different scheduling schemes， the actual dispatching advanced the storage starting time and slowed down the adverse impact on the hydrological situation in Dongting Lake area.

Key words：hydrological regime; water storage period; hydrodynamic model; Three Gorges Reservoir;Dongting Lake