刘玉娇,余明辉,黄宇云,吴华莉
(1.长江科学院 河流研究所,武汉 430010; 2.长江科学院 水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室,武汉 430010; 3.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉 430072; 4.长江勘测规划设计研究有限责任公司航运规划设计研究院,武汉 430010)
鄱阳湖是我国最大的淡水湖,位于江西省,它接纳了赣江、抚河、信江、饶河、修河五河和区间来水,调节后在湖口入汇长江,在优质水资源供给、洪水调蓄和流域生态保护等方面起着巨大的作用。鄱阳湖是通江湖泊,洪期水位变幅较大,年水位变幅可达10 m,流域五河入湖径流对湖区水位起着主控作用,长江洪水期(简称洪期)的高水位起到顶托的间接作用[1-2]。在五河和长江来水共同作用下,鄱阳湖洪期水位迅速上升,水面面积可达4 000 km2,甚至出现江水倒灌入湖现象,洪水过程复杂多变,致使湖区洪灾频发[3]。Zhang等[4]通过水文数据分析了鄱阳湖与长江之间水动力过程中复杂的滞回关系。罗蔚等[5]研究鄱阳湖的年径流量和输沙量变化规律和影响因素,阐明流域降雨减少是鄱阳湖入湖径流量减少的主因,入湖沙量减小则主要由水库群拦沙导致,出湖沙量减小还受到湖区采砂的影响。赵军凯等[6]提出河湖水量交换系数以量化描述河湖水量交换过程,认为鄱阳湖河湖系统演化稳定。梁忠民等[7]发现三峡水库预泄将使鄱阳湖5、6月份水位增高。Zhang等[8]提出三峡工程的蓄水发电导致长江下泄流量减少,使鄱阳湖秋季湖泊水位降低。
近年来,由于流域降水偏少,鄱阳湖入湖径流量减少,兼之湖区采砂和三峡水库蓄水等影响因素,自然因素和人类活动共同作用下,鄱阳湖枯期开始时间提前、结束时间推迟,且枯期水位偏低,导致鄱阳湖流域生态有恶化的趋势,区域灌溉、供水功能受到影响。鄱阳湖水利枢纽工程建设对改善湖区问题具有重要意义,工程建设将以“调枯不控洪”作为指导思想,以兼顾江湖洪水安全和生态环境保护。
许多学者研究了鄱阳湖水利枢纽建设、湖区生态和防洪安全等各方面对鄱阳湖的水动力过程可能产生的影响,胡春华等[9]采用EFDC(Environmental Fluid Dynamics Coode)模型模拟了鄱阳湖二维水动力和水质过程,揭示了鄱阳湖水利枢纽工程建设后湖区氮、磷营养盐的变化规律;Lai等[10]、杜彦良等等[11]模拟了丰、平、枯典型年份下鄱阳湖水利枢纽工程调度过程,阐明了工程调度对入汇长江水量和湖区水动力过程的影响;杜彦良等[11]利用二维水动力和水质模型,预测了3种不同运行方式下,鄱阳湖流态的时空分布规律和水质条件的变化规律;余启辉等[12]充分考虑了鄱阳湖与长江之间的相互作用、区间汇流以及湖区复杂的河湖交替形态特征,建立了江湖一、二维耦合水动力模型,计算了鄱阳湖水利枢纽运行对枯期湖区水位和流态的影响;王鹏等[13]分析了鄱阳湖生态保护区水位的时间变化节律受鄱阳湖水利枢纽工程调度的影响程度。上述研究缺少鄱阳湖水利枢纽对洪期水动力过程影响的深入研究。鄱阳湖洪期水动力过程复杂,且严重洪灾频繁发生,研究枢纽工程建设后洪水过程变化规律对鄱阳湖区域洪水预防具有重要意义。
本文基于MIKE21 FM水动力模型建立了鄱阳湖二维水动力模型,模型范围包含长江九江到八里江段、鄱阳湖湖区和5条尾闾,通过对2类洪期典型的水动力过程进行模拟,分析工程建设后鄱阳湖洪期水动力过程的变化规律,研究成果可为鄱阳湖防洪安全提供技术支撑。
1.1 控制方程
平面二维水动力数学模型控制方程为:
(1)水流连续方程
(1)
(2)水流运动方程
x方向
(2)
y方向
(3)
1.2 鄱阳湖二维水动力模型的构建
利用MIKE21 FM水动力模型构建鄱阳湖与长江耦合的二维水动力模型,网格为非结构化网格,数值算法为有限体积法,采用显式时间积分。模型模拟范围包含长江九江到八里江段、鄱阳湖湖区和5条入汇尾闾。模型地形为2015年实测资料,由地形资料可以看出湖区有河道状深泓区域,因此模型采用三角形网格和四边形网格嵌套(如图1),对湖区主河槽采用四边形网格,其他区域采用三角形网格,网格总数为32 265个,模型网格尺寸为30～1 200 m不等,其中长江段为100～300 m,湖区河槽四边形网格宽100 m、长400 m,湖区边滩网格在300～1 200 m过渡,在确定网格密度时,考虑研究区域地形的高程变差,在高程差变化较大的区域采用较小的网格,在高程差变化较小的区域采用较大的网格,以控制格网总数,提高计算速度。
图1 鄱阳湖河势及网格划分
模型长江段进口边界为九江流量,出口边界为八里江水位,湖区设置的流量边界为修水、潦水、赣江、抚河、信江、乐安河和昌江。
枢纽采用左岸船闸方案,闸址轴线总长2 993 m,沿轴线布置有左岸连接段、船闸段、隔流堤段、泄水闸段和鱼道段。在4—8月份之间,鄱阳湖水利枢纽调度方案为敞泄,船闸不过水,因此模拟时考虑闸墩和左岸不过水船闸区域和隔流堤对水流的影响,在模型中分别通过加入建筑物和加高地形反映其影响。
1.3 模型验证
由于鄱阳湖洪水期与长江江湖关系复杂,不仅有湖水入汇长江,还存在长江水流倒灌入湖的现象,验证选择2个时段,1998年4月1日—8月31日大洪水过程和2005年7月1日—9月30日包含倒灌的水流过程。糙率范围为0.03～0.055,糙率随着地形变化,地形较低的主河槽糙率较小,边滩糙率较大,分别以1998年4月1日—8月31日和2005年7月1日—9月30日实测水文数据为边界条件,以湖口站的实测水位、流量和湖区主要站点水位为特征值对模型进行验证,验证结果如图2和图3所示。从水位模拟结果来看,1998年4月1日—8月31日和2005年7月1日—9月30日湖口、星子、都昌和康山站水位模拟值与实测值吻合较好,大部分时段水位误差均在10 cm以内,本文模型能很好地反映湖区水位变化情况。从湖口站流量模拟结果来看,1998年4月1日—8月31日和2005年7月1日—9月30日流量模拟结果与实际情况也基本一致,流量计算值与实测值相对误差<25%,多数在5%以内;流量过程的相位与峰值实测值与计算值吻合良好。表1给出了实测值与模拟值间的Nash-Stucliffe效率系数(Ens)、确定性系数(R2)[10]和平均相对误差(Re),4个站点水位的Ens和R2均为0.98～1,R2为0.98～1,Re在-0.28%～0.33%之间;湖口流量的Ens为0.79和0.89,R2在0.81～0.90之间,Re在1998年为-12.21%以及2005年为29.77%,2005年7月1日—9月30日湖口流量误差较大,应与倒灌过程湖口流量变化较为复杂有关,但模拟值与实测值的相位与峰值较为吻合。
表1 水位和流量模拟误差分析
图2 湖口流量实测值和模拟值
图3 湖口和湖区主要站点水位实测值和模拟值
综上分析,本次建立的鄱阳湖区二维水力学模型,能很好模拟湖区水位情况,可用来分析枢纽工程对鄱阳湖洪期的影响。
1.4 计算工况
根据洪期鄱阳湖水动力过程,选取1954年4月1日—8月31日的来流条件分析枢纽对历史大洪水的影响;对于洪期江水倒灌的特殊情况,分析历史数据可知,湖口实测最大倒灌流量为1991年7月11日的13 600 m3/s。选择包含最大倒灌过程的时间段1991年7月1日—7月31日(倒灌时段为7月3日—7月19日)作为典型时段分析枢纽运用对江水倒灌入湖的影响。
2.1 对湖口站水位和流量的影响
为了分析枢纽工程对长江的影响,以湖口站为长江干流代表站来分析工程对长江水位和入流量的影响。由图4可知,1954年大洪水和1991年倒灌过程枢纽工程建设前后湖口站水位变化值均在2 mm以内,表明在洪期,工程建设前后湖口站水位基本无变化,枢纽对长江水位基本无影响。枢纽建设前后湖口站流量变化情况见图5,倒灌时负流量表示倒灌流量增加,1954年4—8月,湖口流量变化范围为-98.4～142 m3/s,7月4日流量增幅最大,工程建设前流量为17 412 m3/s,工程建设后流量增幅为142 m3/s,6月30日,湖口峰值流量为24 931 m3/s,存在枢纽时,湖口流量为24 849 m3/s,湖口峰值流量减小,对比分析湖口流量过程与流量变化过程,可得在大流量情况下,流量变化较大,且流量变化的趋势与湖口流量变化趋势相反,枢纽使湖口出流过程更加平缓;工程建设对1991年倒灌过程流量影响较小,7月15日流量增幅最大,工程前倒灌流量为6 834 m3/s,工程后倒灌流量增加至6 936 m3/s,7月11日湖口倒灌流量最大,工程后倒灌流量则减小,由无枢纽条件下的13 613 m3/s减小至有枢纽的情况下的13 540 m3/s,减小量为73 m3/s,湖口流量过程与流量变化过程与1954年规律一致。
图4 1954年和1991年枢纽工程建设前后湖口站水位变化
图5 枢纽工程建设前后湖口站流量变化
2.2 对湖区水位的影响
枢纽工程对水位的影响选择湖区代表性水位站进行分析。由图6可知,1954年典型洪水中湖区各站水位普遍有一定程度的壅高,水位壅高最大值为0.021 m,水位变化的大小随时间变化趋势与湖口流量随时间变化趋势基本一致,流量越大则水位变化越大,在湖口流量较大时,水位变化的相位稍滞后于湖口流量过程,枢纽对星子、都昌等站水位影响幅度较为接近,湖口流量越大,各站水位变化值更趋近于相等,分析原因主要是由于洪期水位较高鄱阳湖呈湖相,湖区水面比降随湖区水位壅高而减小。1991年模拟过程包含倒灌现象,在非倒灌时段,湖区各站水位壅高,与1954年的规律保持一致,计算时段内水位壅高最大值为0.008 m,长江倒灌入湖时,水流流向发生变化,湖区各站水位下降,最大降低值为0.013 m,亦稍滞后于湖口流量过程峰值,各水文站变化基本相同,水位变化的大小随时间变化趋势同样与湖口流量基本一致,倒灌流量越大水位变化越大。
图6 枢纽工程建设前后鄱阳湖区代表站水位变化
2.3 对枢纽附近水流流态的影响
枢纽建筑物对其附近的水流会产生较明显的影响,根据计算结果1954年选取湖口流量峰值6月30日,1991年选取倒灌流量最大时7月11日,分别绘制1954年和1991年枢纽附近工程前后对比流场(图7)和枢纽附近工程前后水位变化等值线(图8)。
图7 枢纽附近工程建设前后流场对比
图8 枢纽附近工程建设前后水位变化等值线
由图7和图8可知,1954年6月30日,枢纽上下游附近流速增大,由于枢纽左岸船闸不过水,船闸上游流场向右岸发生较为明显的偏转。枢纽上游区域水位壅高,船闸上游附近区域水位增幅也较大,增大范围0.020～0.032 m,其余大部分区域增幅为0～0.020 m,越靠近枢纽水位增幅越小,枢纽下游区域水位降低,水位降低处主要是在船闸下方处,降低幅度为0～0.012 m,下游其它区域降幅为0～0.004 m。1991年7月11日倒灌过程中,左岸船闸下游流速的方向向右岸发生较明显的偏移,枢纽上下游附近流速增大,枢纽对流场的影响仅在工程附近局部地区。工程建设后枢纽下游水位壅高,左岸不过水船闸下游局部地区水位增幅较明显,增大幅度为0～0.008 m,其余区域水位增大幅度为0～0.002 m,越靠近枢纽水位增幅越小,枢纽上游附近水位降低,船闸上游局部区域水位降幅较大,减小幅度为0～0.016 m,其余大部分区域降幅为0～0.012 m,越靠近枢纽水位降低越小。
(1)1954年洪水与1991年倒灌期,枢纽工程对长江水位基本无影响,湖口流量影响幅度较小;1954年湖口流量变化范围为-98.4～142 m3/s,工程建设后流量影响最大值,流量增加最大值为142 m3/s发生在7月4日,6月30日的湖口流量峰值减小,1991年倒灌流量增加最大值为102 m3/s发生在7月15日,在倒灌流量最大的7月11日,倒灌流量减小73 m3/s;湖口流量越大,流量变幅越大,且流量变化的趋势与湖口流量变化趋势相反,枢纽使湖口出流过程更加平缓。
(2)1954年洪水,建闸使湖区水位壅高,在0.021 m以内,1991年长江流量倒灌入湖时,建闸使湖区水位降低,最大降低为0.013 m;湖区各站水位变化值相近,湖口流量越大则湖区水面比降越小,各站水位变化值趋于相等,水位变化的趋势与湖口流量变化趋势一致,但水位变化的峰值稍滞后于湖口流量峰值。
(3)1954年洪水与1991年倒灌期湖口流量峰值日,枢纽附近区域水位与流场变化较明显的区域均在左岸不过水船闸区,流向偏向泄水闸段在泄水闸段变化相对较小,水流入汇长江的峰值时刻,枢纽上游水位壅高值在0.032 m以内,在长江水流倒灌入湖的峰值时刻,枢纽下游水位壅高值在0.008 m以内。
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