城市综合枢纽工程建设对洞庭湖水动力影响

2017-03-15 05:51:16 3

  1 引言

  洞庭湖位于荆江南岸,北纬28°44′~29°35′、东经111°53′~113°05′之间,是由西洞庭湖、南洞庭湖和东洞庭湖组成的浅碟状季节性调蓄湖泊.洞庭湖区属亚热带季风气候,气候温润,雨量充沛,光热充足,多年平均气温16.4~17.0 ℃,年降水量1200~1450 mm.洞庭湖承纳由长江松滋口、太平口、藕池口(简称三口)分泄入湖的水量和洞庭湖本地流域湘江、资江、沅江、澧水(简称四水)的汇入,经湖泊调蓄后,由城陵矶一处重新汇入长江.洞庭湖与长江干流、上游河流流域之间通过上述河网水系相互联接耦合,形成错综复杂、动态变化的江湖、河湖关系.洞庭湖年内不同时期水位涨落变幅较大,湖区水面动态变化明显,洲滩漫露过程交替进行,有高水湖相、低水河相的特征.近年来,受流域降雨偏枯及三峡水库蓄水等影响,洞庭湖干旱事件频发,严重影响洞庭湖湿地生态环境,威胁候鸟等珍贵物种栖息地.为有效缓解洞庭湖枯水期旱情,解决洞庭湖季节性水资源短缺、枯水期提前及延长等问题,改善湖区供水、灌溉、湿地生态、航运、水产等条件,充分发挥洞庭湖的生态服务功能,湖南省和湖北省政府提出了建设城陵矶综合枢纽工程,综合考虑生态、水环境、供水、灌溉、航运等不同要求,城陵矶综合枢纽工程采用“控枯不控洪”的调度方式运行.城陵矶综合枢纽工程的建设将对洞庭湖水动力条件产生重要影响,引起社会广泛关注与争论.因此,有必要对枢纽工程的影响进行研究和论证.

  该研究以2010年的水文、气象数据为基础,综合考虑洞庭湖水文节律与城陵矶综合枢纽调度方式,应用MIKE 21构建洞庭湖二维水动力模型,模拟探讨了不同时段(退水期(10—11月)、枯水期(12—翌年3月))拟建的城陵矶综合枢纽工程对洞庭湖水位、流速分布特征的影响,揭示枢纽工程对湖区水动力条件的影响机制,以期为城陵矶综合枢纽建设的科学论证提供理论参考.需要说明的是,根据城陵矶综合枢纽调度方案,4月1日至8月31日,闸门全开,江湖连通,洞庭湖水动力特征不受影响,故该研究不对该时段进行模拟.

  2 研究区域及方法

  2.1 城陵矶综合枢纽设计及调度方案概况

  城陵矶综合枢纽工程位于洞庭湖入江水道,坝址拟选定湖南省岳阳市洞庭湖出口河段岳阳洞庭湖第一大桥下游约1.8 km处,枢纽轴线总长3532.7 m.综合考虑生态、水环境、供水、灌溉、航运等不同要求,城陵矶综合枢纽工程采用“控枯不控洪”的调度方式运行.城陵矶综合枢纽工程目前尚处于论证阶段,其初步调度方案见表 1.

表 1 城陵矶综合枢纽工程初步调度方案

 

  2.2 洞庭湖二维水动力模型构建

  MIKE 21模型(DHI,2007)是丹麦水力研究所(DHI)开发的系列水力学软件之一,MIKE 21水动力模块是建立在二维数值求解方法的浅水方程基础上,深度上集成三维不可压缩和Reynolds值均布的纳维-斯多克斯方程,并服从于Boussinesq假定和静水压力的假定.该模型采用有限体积算法,计算网格采用非结构网格,因此能够灵活处理复杂地形和动态变化的水陆边界.水动力模型控制方程如下:

  水流连续性方程:

  水流运动方程:

  式中,t表示时间,x、y为笛卡尔坐标系坐标,η为水位,u、v分别为x、y方向上的速度分量,f是科氏力系数,f=2ωsinφ,ω为地球自转角速度,φ为当地纬度,g为重力加速度,ρ为水的密度,sxx、sxy、syy分别为辐射应力分量,F为水平涡粘项,S为源项,us、vs为源项水流速度.

  基于MIKE 21模型构建洞庭湖二维水动力模型,模型计算区域范围为114 km×113 km,计算网格根据1995年洞庭湖1:10000水下地形构建,对洪道等高程变化大的网格进行加密,在地形变化不大的滩区则采用了较大的网格,共划分节点29571个,网格单元55778个,网格分辨率为25~600 m.模型的上边界为湘江、资水、沅江、澧水“四水”及长江松滋口、太平口、藕池口 “三口”的逐日流量,下边界为出口城陵矶的逐日水位.入湖及出湖口地理位置如图 1所示.水陆边界采用水深干湿动态边界判断技术(干水深0.01 m,湿水深0.1 m).由于洞庭湖湖面宽广,降雨量与蒸发量大致相抵,模型中未考虑湖面收纳降雨量及蒸发量的影响,对于湖周因降雨产生的地表径流的汇入,参考《城陵矶综合枢纽对洞庭湖水质的影响及对策研究》报告中面源的输入特征予以概化,最终概化为8个汇入点.风场:模型计算区域采用均匀风场,风速采用洞庭湖多年平均值2.88 m·s-1,风向采用最高频率风向NNE.选取平水年2010年作为模拟计算的典型年份对模型参数进行率定,经率定后,洞庭湖洪道和主槽糙率在0.02~0.03之间,滩区糙率在0.03~0.04之间.涡粘系数采用Smagorinsky公式计算,Cs取值为0.28.

  图 1

  图 1 洞庭湖模拟区域及地形

  水动力模型验证分别选取洞庭湖东、南、西湖区不同位置的岳阳、鹿角、营田、小河嘴4个站点(见图 1)的实测水位与模拟水位进行对比,结果如图 2所示.4个水文站点水位模拟的Nash效率系数依次为0.999、0.995、0.972、0.883,模拟效果较好.小河嘴站点误差相对较大,可能由地形数据(1995年)误差造成.水位模拟能够反映洞庭湖湖区水位季节性变化特征,洲滩漫露交替过程,模拟结果真实可靠.

  图 2

  图 2 洞庭湖2010年各水文站点水位模拟值和实测值比较

  3 结果与讨论

  3.1 城陵矶枢纽工程对洞庭湖水位变化的影响

  城陵矶综合枢纽运行后,将抬升洞庭湖区水位,湖区各站点水位变化过程与下游闸坝控制边界趋势相同,湖体水动力条件与枢纽调度方案密切相关.城陵矶综合枢纽调控对洞庭湖退水期、枯水期水位的影响具有明显的空间异质性,东、南湖区的岳阳、鹿角、营田水位变化受影响较大,西洞庭湖几乎不受枢纽的影响,呈现由东洞庭湖至南洞庭湖至西洞庭湖逐级递减特征.

  1)洞庭湖退水期(10—11月),即湖泊由丰水时期转变为枯水时期的阶段:①无枢纽工程条件下,洞庭湖退水期平均出湖水位22.12 m,湖面面积1955 km2,湖容32.5亿m3.湖区岳阳、鹿角、营田站点10月开始水位下降显著,相比于9月份分别下降约3.54、3.13、2.63 m,南嘴、草尾次之,分别降低约0.9、0.95 m;受湖口水位拉空效应的影响,相比于10月,岳阳、鹿角、营田站点11月水位分别下降,3.41、3.00、2.66 m,湖泊退水速率较快,退水末期湖泊水位降至低枯水平,11月岳阳、鹿角、营田、南嘴、草尾平均水位分别降至20.42、21.29、22.64、28.03、27.2 m,东、南、西洞庭湖水位格局差异显著,水位相差最高达7.61 m.②城陵矶综合枢纽调控条件下,相比于9月洞庭湖岳阳、鹿角、营田站点10月水位下降1.70~1.98 m,至11月水位下降1.36~1.63 m,洞庭湖退水速率平稳,退水过程由枢纽建设前的迅速退水向稳定退水转变,有效抬升湖区水位.由于洞庭湖水面面积及地形差异较大,一定水位条件下的湖体水动力条件反应过程是逐步显现的,靠近枢纽的区域影响最大,即离枢纽位置越近,水位增幅越大.相比于无枢纽条件下,10月岳阳、鹿角、营田水位分别抬升1.28、0.99、0.73 m,11月分别抬升3.33、2.54、1.76 m,最高缩小各湖区间的水位差达3.33 m,湖体连通性好.平均出湖水位抬升2.28 m,随着湖区水位的抬升,有效增加湖面面积212 km2,增幅为10.84%,约占湖泊总面积的8.02%,湖面面积增至2167 km2,有效增加湖容12.9亿m3,增幅为39.69%,约占湖泊总容量的11.68%,湖容增至45.4亿m3.洞庭湖呈现湖相特征,能够在一定程度上缓解洞庭湖枯水期时间提前现象.见图 3、图 4.

  图 3

  图 3 城陵矶综合枢纽建设前后洞庭湖退水期、枯水期水位对比

  图 4

  图 4 城陵矶枢纽工程建设前后退水期、枯水期水位影响空间变化(图中数据为水位变幅△=工程建设后水位—工程建设前水位)

  2)洞庭湖枯水期(12月—翌年3月):①无枢纽工程条件下,洞庭湖维持较低水位,湖面面积平均1661 km2、湖容仅为18.73亿m3,滩区多数出露,湖区水位由西向东递减,岳阳、鹿角、营田、南嘴、小河嘴枯水期水位变化范围分别为18.96~19.86、20.96~21.77、22.85~23.62、27.57~27.78、27.9~28.3 m.②枢纽工程调控下,枯水期洞庭湖水位明显抬升,其中岳阳、鹿角、营田涨幅明显,分别有效抬升3.61~4.23、2.03~2.38、1.14~1.32 m,各湖区水位差范围由8.44~9.12 m缩小至4.71~4.89 m,湖泊面积增加99 km2,增幅为5.96%,约占湖泊总面积的3.74%,湖面面积增至1760 km2;湖容增加5.84亿m3,增幅为31.18%,约占湖泊总容量的5.29%,湖容增至23.18亿m3.枯水期枢纽工程水位控制在23~23.5 m之间,能够缓解洞庭湖春旱现象,对增加洞庭湖水域面积、湖容作用显著.见图 3、图 4.

  3.2 城陵矶枢纽工程对洞庭湖流速变化的影响

  城陵矶枢纽工程运行后,将改变洞庭湖湖区水动力条件,特别是与闸坝水力联系紧密的东洞庭湖湖区,受闸坝蓄水顶托的影响,水体流速将变缓.

  1)洞庭湖湖体典型水文站点流速变化.模拟结果显示(见图 5),受枢纽工程调度的影响,洞庭湖退水期、枯水期平均流速由0.30 m·s-1和0.23 m·s-1降至0.28 m·s-1和0.19 m·s-1,分别降低了6.67%、17.39%,其中枯水期由于水位抬升幅度较大,湖区水位维持在较高水平,各湖区水位差减小,流速降幅最为明显.从空间上看,与水位模拟结果较为一致,城陵矶综合枢纽调控对洞庭湖东、南湖区的岳阳、鹿角、营田流速影响较大,西洞庭湖几乎不受枢纽的影响,空间上变幅随各站点空间分布位置不同而有所差异.退水期岳阳、鹿角、营田流速分别降低了0.06、0.1、0.05 m·s-1,降幅分别为19.36%、24.27%、29.07%;枯水期岳阳、鹿角、营田流速分别降低了0.1、0.12、0.06 m·s-1,降幅分别为33.5%、30.47%、25.39%.西洞庭湖各站点流速变幅在0.1%~0.4%之间,枢纽建设前后流速差异不明显.

  图 5

  图 5 城陵矶综合枢纽建设前后洞庭湖退水期、枯水期典型站点流速对比

  2)洞庭湖湖体流场分布格局变化.将湖体划分为闸前区域、主洪道、东洞庭湖滩区、南洞庭湖滩区、西洞庭湖滩区进行对比,结果如图 6所示.无枢纽工程条件下,洞庭湖湖体流速空间上呈现主洪道>闸前区域>南洞庭湖滩区>西洞庭湖滩区>东洞庭湖滩区的分布特征.在城陵矶枢纽工程的调控下,洞庭湖各区域流速有不同程度的改变,其中闸前区域与主洪道流速降幅最大,退水期平均下降0.11、0.14 m·s-1,枯水期平均下降0.02、0.03 m·s-1,东洞庭湖滩区略有下降,西、南洞庭湖滩区流速变幅不大.

  图 6

  图 6 城陵矶综合枢纽工程建设前后退水期、枯水期流速比较

  图 7

  图 7 城陵矶枢纽工程建设前后退水期、枯水期流速影响空间变化(图中数据为流速变幅△=工程建设后流速—工程建设前流速)

  3.3 讨论

  3.3.1 城陵矶枢纽工程对洞庭湖旱情的影响

  受自然因素和人类活动导致的江湖关系变化等多因素影响,洞庭湖水情和湖泊调蓄能力显著改变,流域内干旱频发,季节性水文干旱问题凸显(孙占东等,2015;李景保等,2011;徐俊杰等,2008;封国林等,2012;Dai et al.,2008).特别是近10 a来,一方面,受气候条件、降雨量偏枯的影响,洞庭湖本地流域和长江上游天然流量整体偏少(Dai et al.,2008);另一方面,洞庭湖与长江通过长江三口(松滋口、太平口、藕池口)分流入湖以及城陵矶出湖吞吐长江,形成相互影响制约的复杂江湖关系,湖泊水情与长江干流密切相关(万荣荣等,2014).三峡水库蓄水运行后,蓄水期9—11月长江三口分流水量大幅减少甚至断流,三口断流时间每年达到5~6个月,康家岗站甚至长达8个月(张细兵等,2010;胡光伟等,2014),洞庭湖来水减少明显,导致湖泊提前进入枯水状态,枯水期历时增加,枯水期水位多次接近甚至低于历史同期最枯水位(2006年、2009年、2011年),洞庭湖水位呈现洪旱急转情势(孙占东等,2015;李景刚等,2010;Sun et al.,2014).同时,由于清水下泄,荆江河段冲刷严重,长江干流对洞庭湖湖口拉空效应明显,同流量下城陵矶出流加快,加快了洞庭湖水位降低形势,加重了洞庭湖干枯程度(赖锡军等,2012;胡春宏等,2014).枯水期12月—次年3月,长江增加下泄流量对下游补水,但受流域来水偏少的影响,洞庭湖春旱事件依旧频发(封国林等,2012).城陵矶综合枢纽采取9月开始蓄水,最高蓄至27.5 m后按照天然水位节律下泄,至次年3月底,抬升枯水期水位至23.0~23.5 m的调度方式.城陵矶枢纽运行后,对增加洞庭湖水域面积、湖容作用显著,湖泊水体由河道型向湖泊性转变.退水阶段能够有效抬升全湖水位0.78 m,东洞庭湖水位平均抬升2.04 m,增加湖泊面积212 km2,增加湖容12.9亿m3,洞庭湖呈现湖相特征,能够在一定程度上缓解洞庭湖秋旱现象.枯水阶段能够有效抬升全湖水位1.06m,东洞庭湖水位平均抬升3.08 m,增加湖泊面积99 km2,增加湖容5.84亿m3,能够在一定程度上缓解洞庭湖春旱现象.同时,枢纽工程的建设能够减缓湖口长江对洞庭湖的拉空效应,降低洞庭湖向长江下泄的流量.因此,枢纽工程对缓解洞庭湖秋季旱情、春季旱情作用明显,能够在一定程度上解决洞庭湖枯水期提前、枯水期延长、枯季水位偏低等问题.

  3.3.2 城陵矶枢纽工程对洞庭湖富营养化风险的影响

  氮、磷营养盐是影响浮游植物生长的关键因子,也是发生富营养化的必要条件(Camargo et al.,2006).当营养盐浓度含量较高时,营养物质不再是限制湖泊富营养化的因素,水文、水动力、气象条件会起关键作用(吴锋等,2012).水动力条件决定水体营养物质、泥沙、沉积物的迁移转化过程,对浮游植物种类、数量也起重要作用(Arfi et al.,2008>).由于洞庭湖属典型的过水吞吐型湖泊,水体滞留时间约为20 d,湖区水流速度较快,水循环周期短,湖区水体更新频繁,对污染物自净能力强,污染物质不易滞留于湖体,加之洞庭湖泥沙含量高,水体透明度低,不易于藻类生长繁殖,营养水平一直处于中营养状态,未出现大面积富营养化特征(张建明等,2006;黄代中等,2013).近年来,随着洞庭湖流域社会经济快速发展,洞庭湖水体TN、TP超标现象严重,流域内工业化、城镇化和农业产业化进程的推进大大加剧了营养物质在湖泊的富集过程,加重了洞庭湖水体的污染(王丽婧等,2013;王岩等,2014).此外,伴随三峡水库蓄水运行、长江三口来水来沙的大幅减少,洞庭湖水动力条件、水体透明度等亦发生着不利的改变(Dai et al.,2005;Xu et al.),富营养化趋势不容乐观.

  城陵矶综合枢纽运行后,将进一步改变洞庭湖的江湖交换关系,特别是退水期、枯水期的水文情势改变尤为显著.随着退水期、枯水期水位的抬升,湖面面积相应增大,湖区水体流速变缓.一方面影响湖区水体的自净能力,可能导致洞庭湖污染物迁移转化特性发生改变(王鹏等,2014),另一方面会导致湖区泥沙沉积量加大、水体透明度增加,退水期、枯水期水体滞留时间分别延长约2.11、2.63 d,湖区由急流河流型水体向缓流湖泊型水体转变.由于洞庭湖TN、TP浓度维持较高水平(TN年均2.34 mg·L-1、TP年均0.06 mg·L-1)(王雯雯等,2013;王岩等2014;秦迪岚等,2011),远远超出藻类水华时营养盐临界值(TN:0.2 mg·L-1、TP:0.02 mg·L-1),洞庭湖富营养化的限制因素已不再是营养物质而是水动力条件.在适宜的光热条件下,流速的减缓使得浮游植物有更长的时间、在更稳定的水流中生长繁殖(Kawara et al.,1998),将进一步加大湖区富营养化风险(钟成华,2004),特别是在流速降低较为明显的东洞庭湖湖区.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  4 结论

  1)在城陵矶综合枢纽的调控下,洞庭湖退水速率平稳,出湖水位抬升明显,对增加洞庭湖水域面积、湖容作用显著,湖泊水体由河道型向湖泊型转变.空间上,东、南湖区的岳阳、鹿角、营田水位变化增幅较大,西洞庭湖几乎不受枢纽的影响,呈现由东洞庭湖至南洞庭湖至西洞庭湖逐级递减特征.退水阶段能够有效抬升全湖水位0.78 m,增加湖泊面积212 km2,增加湖容12.9亿m3.枯水阶段能够有效抬升全湖水位1.06 m,增加湖泊面积99 km2,增加湖容5.84亿m3.枢纽工程对缓解洞庭湖秋季旱情、春季旱情作用明显,能够在一定程度上解决洞庭湖枯水期提前、枯水期延长、枯季水位偏低等问题.

  2)城陵矶枢纽工程运行后,与闸坝水力联系紧密的东洞庭湖湖区,受闸坝蓄水顶托的影响,水体流速将变缓.枯水期由于水位抬升幅度较大,湖区水位维持在较高水平,各湖区水位差减小,流速降幅最为明显.洞庭湖退水期、枯水期平均流速由0.30 m·s-1和0.23 m·s-1降至0.28 m·s-1和0.19 m·s-1,分别降低了6.67%、17.39%.

  3)城陵矶综合枢纽运行后,洞庭湖湖区水体流速降低、泥沙沉积量加大、水体滞留时间增大、水体透明度增加,湖区由急流河流型水体向缓流湖泊型水体转变,加之营养盐浓度维持较高水平,在适宜的光照条件下浮游植物生物量会显著增长,将加大湖区富营养化风险.

  4)城陵矶综合枢纽的建设运行将不可避免地对洞庭湖水文情势产生直接或间接影响,并进一步导致洞庭湖的江湖关系和湖区生态环境的变化.受数据的限制,该研究采用1995年的洞庭湖水下地形,精准性有所不足;同时,仅以平水年2010年的数据为例,探讨城陵矶综合枢纽对洞庭湖水动力参数的影响,其代表性亦有限,枢纽工程最终给洞庭湖水文情势带来何种程度的影响,有待进一步的研究.

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