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洞庭湖綜合治理方案探討
2016/4/22 9:36:20    新聞來源:水力發電學報2016第35卷第一期

洞庭湖綜合治理方案探討

鈕新強

(長江勘測規劃設計研究院,武漢 430010)

摘 要:洞庭湖是我國第二大淡水湖,對保障長江經濟帶水安全具有重要作用。長期以來,江湖關系向江湖水力聯系減弱方向發展,導致洞庭湖區水資源短缺、水生態環境惡化、航運萎縮,影響洞庭湖對長江洪水的調蓄作用。論述了江湖關系的演變機理,闡述了長江上游控制性工程運用后江湖關系的變化趨勢及其影響;反映長江經濟帶、洞庭湖生態經濟區建設的新要求,針對洞庭湖治理開發與?;ぶ械耐懷鑫侍?,遵循"江湖和諧、生態文明"的理念,提出了洞庭湖大水脈方案。洞庭湖大水脈可暢通江湖聯系,恢復和科學調整江湖關系,提高洞庭湖水資源和水生態環境承載能力,以水資源可持續利用促進經濟社會與生態環境?;ば鞣⒄?。

關鍵詞:洞庭湖;江湖關系;綜合治理;大水脈

Integrated management strategies for Dongting Lake

NIU Xinqiang

(Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Wuhan 430010)

Abstract: Dongting Lake is the second largest freshwater lake in China, which plays an important role in guaranteeing water safety of the Yangtze River Economic Belt. Affected by poor connection development caused by river-lake relationship changes for decades, problems were brought about such as water resource shortage, deteriorated water ecological environment, navigation development atrophy, and also result in insufficient flood control and drainage capacity of Dongting Lake. The mechanism of riverlake relationship changes was studied, and the trends and its influence were analyzed since the use of the upper Yangtze River control projects. To implement the national development strategies for Yangtze River Economic Belt and Dongting Lake Ecological Economic Zone and following the philosophy of river-lake harmony and ecological civilization, innovative ideas of Dongting Lake Great Water Vein scheme is proposed in this paper against prominent problems during Dongting Lake harnessing, development and protection. Dongting Lake Great Water Vein project can unblock the river-lake connection, restore and adjust the river-lake relationship, improve the water carrying capacity and water ecological and environmental carrying capacity of Dongting Lake, promote the coordinated development of social economy and ecological environment protection with sustainable use of water resources.

Key words: Dongting Lake; river-lake relationship; integrated management; Great Water Vein


引言

長江是我國第一大河,在我國經濟社會發展中的戰略地位十分重要。為保障我國的水安全、能源安全和長江流域的防洪安全,在長江流域建設了大量的控制性工程[1]。流域控制性工程建成運行,在發揮巨大的防洪、發電、供水、航運等綜合效益的同時,也對長江的水文情勢產生影響。一方面控制性工程攔洪和蓄水發電,中下游干流徑流過程更加平緩,水庫蓄水期下游流量明顯減少[2-3];另一方面,工程攔蓄泥沙后,進入中下游的泥沙減少,河道面臨長期"清水"下泄的局面。水文情勢的變化將對長江中下游的河湖沖淤、江湖關系等產生影響,三峽工程運用以來這些影響已逐步顯現[4-6]。

洞庭湖天然湖泊面積約2625 km2,洪道面積1418 km2,為我國第二大淡水湖,是洞庭湖生態經濟區建設的重要依托,對保障長江經濟帶水安全具有重要作用。洞庭湖位于長江上游山地與中下游平原的銜接地帶,長江上游控制性水庫運用后干流水沙條件的變化導致江湖之間的水沙交換、江湖的沖淤演變以及物質能量交換發生了顯著變化[7]。受自然演變和人類活動影響,長江與洞庭湖的江湖關系持續變化,對區域防洪、水資源利用、水生態環境?;げ訟災跋靃8-9]。長江水利委員會和國內相關科研單位對江湖關系變化及其影響問題開展了長期研究[10-12],對江湖關系變化的內在機理進行了分析[13-15],并對新的水沙條件下洞庭湖的治理方案進行了研究和探討[16-18]。

本文對江湖關系演變機理、變化趨勢及影響進行了分析,提出了暢通江湖聯系的洞庭湖大水脈方案。通過建設大水脈工程體系并實施科學調控,可提高洞庭湖水資源承載能力和水生態環境承載能力,保障區域供水安全、防洪安全、生態安全和航運安全[19],有利于穩定荊江河勢。洞庭湖大水脈工程建成后,將納入長江流域控制性工程體系進行統一調度,發揮更大的水資源調控作用。

江湖關系的演變機理

長江荊江河段承接長江上游巨大的水沙通量,江湖關系體現的是這種動力與河床、湖床邊界的相互作用。水流、泥沙的輸移引起河湖的沖淤,河湖的沖淤變化又對水沙輸移產生反饋作用。1860 年、1870 年特大洪水分別沖開藕池口、松滋口,形成現代江湖關系。江湖關系的變化體現在荊江四口分流分沙能力、荊江的沖淤、荊江四口河道的沖淤、洞庭湖的淤積以及城陵磯到武漢河段的沖淤等五個方面[20]。這五個方面處于不斷的演變過程之中,相互作用和影響,并對河湖的水文過程和生物通量產生影響[21]。

宏觀上看,荊南四口河道是與長江荊江河段相對應的分汊河道。四口分流分沙體現了長江水沙動力在主流及支汊河道的分配,是江湖關系變化中最為能動的因素。自1870 年以來,四口分流分沙經歷了先增大、后減小的過程。在20 世紀四五十年代以前,荊江河床與洞庭湖之間存在較大的高差,在巨大的動力作用下,四口河道在荊南平原上逐步發育,分流分沙比增大。與此同時,四口河道的三角洲逐步向南推進,洞庭湖發生大幅度淤積,洞庭湖四水來水頂托加強,干流水位下降和洞庭湖水位抬高導致四口河道比降調平,起到了抑制河道發育的作用。隨著四口動力的加強,下荊江水沙動力減弱,河道彎曲由量變逐步發展成自然裁彎的質變,這又對四口分流的增加起到了抑制作用。20 世紀50 年代以后,下荊江的河道裁彎繼續發生,60 年代后相繼實施了中洲子、上車灣人工裁彎,1972 年發生了沙灘子自然裁彎,河道長度縮短了78 km。河道裁彎后,四口口門處水位下降,下荊江分流比增大,在裁彎加大比降和干流動力增強的雙重作用下,下荊江顯著沖刷。伴隨四口分流減少,水流動力減弱,四口河道發生大幅度淤積,河床抬高,這又進一步減少了四口分流。20 世紀90 年代前,下荊江沖刷的泥沙在城漢河段淤積,調平了比降,對四口分流比減小起到了一定抑制作用。

三峽等上游干支流水庫運用后,長江上游年徑流量并未發生明顯變化,但來沙大幅度減少,水量年內分配發生變化,這成為導致江湖關系變化的重要因素。長江干流的沖刷導致四口口門處水位下降,影響四口進流,四口河道盡管水流動力較弱,但含沙量的大幅減少仍導致河道總體處于微沖態勢,加之四口河道在三角洲上淤積態勢受到抑制,四口沖淤對四口分流的影響程度降低。需要注意的是,下荊江水流動力的增強將加大下荊江的沖刷,2003—2014 年長江年徑流量偏少8.2%,但監利站年徑流量比2002 年前增加了2%,若來水偏豐,下荊江沖刷還會加快。城漢河段由于荊江沖刷泥沙不足以補充上游來沙的大幅減少,城漢河段發生沖刷,進而會加大荊江沖刷和水位下降。若下荊江河勢發生量變到質變的變化(如自然裁彎),四口分流會進一步減少,將對長江中游的防洪、水資源利用等造成更大影響??悸塹繳嫌慰刂菩運餿涸擻煤蟪そ杏謂媼儷て誒瓷稱俚木置?,江湖關系將進一步調整。

江湖關系變化及其影響

2.1 江湖關系變化

自19世紀中期江湖分匯流格局形成以來,長江與洞庭湖的江湖關系發展經歷了復雜的變化。20世紀40 年代至三峽工程運用前江湖關系的變化特征為:洞庭湖三口(1958 年華容河入口調弦口建閘控制)分流分沙持續減少,三口河道累積性淤積;荊江河段沖刷、枯水位下降;三河斷流時間提前,斷流期延長;洞庭湖淤積萎縮,調蓄能力下降;三口洪水期分流能力減弱等。

三峽工程運用以來,長江上游來水來沙條件發生顯著變化。宜昌站2003—2014 年徑流量均值與1950—2002 年比較,偏少8.2%,但7—10 月份徑流量明顯減小,上游水庫蓄水的10 月份徑流量減少尤大,1—4 月徑流量明顯增加;年輸沙量減少91.2%,各月輸沙量均顯著減少(見表1)。

受年內徑流過程變化及含沙量大幅減小的影響,江湖關系變化除延續三峽工程運用前的某些特征外,還產生了一些新的變化:(1)三口分流繼續減少。三口年徑流分流比從1999—2002 年的14.0%減小至2003—2014 年的11.9%,但1—4 月的分流比略有增加,10 月分流比明顯減?。?),汛期(5—9 月)分流比從1956—1966 年的34.9%減小至2003—2014 年的16.2%,枯水期(10 月—次年4 月)分流比從1956—1966 年的17.6%減小至2003—2014 年的3.4%。(2)荊江河段大幅度沖刷,城漢河段發生沖刷。2002 年10 月—2014 年10 月,荊江河段平灘河槽沖刷泥沙7.925 億m3,城陵磯至漢口河段沖刷2.189 億m3。(3)受上游來沙減少的影響,三口河道發生沖刷,2003—2011 年沖刷0.75 億m3,但三口口門沖刷深度只有干流平均沖刷深度的50%左右,三口河道斷面形態呈向窄深型發展的態勢。(4)洞庭湖淤積明顯減輕,泥沙沉積總量減少99.1%,泥沙沉積率下降為2.9%。(5)上游水庫蓄水期流量減小以及河道沖刷導致干流水位降低,洞庭湖水體被提前拉出,加之三口分流的減少,洞庭湖區枯水位降低、枯水開始時間提前、枯水歷時加長。(6)下荊江河段部分彎道發生撇彎切灘現象,影響河勢穩定。

今后隨著長江上游控制性水庫的陸續建成投運,水庫蓄水期徑流將進一步減少,干流河道沖刷幅度還將加劇,長江與洞庭湖的江湖關系將進一步發生變化。預測荊江河段將繼續沖刷,干流枯水位下降,三口分流進一步減少,枯水期斷流時間加長。上游控制性水庫蓄水期間城陵磯站水位降低的幅度還將加大,湖區枯水情勢進一步惡化;上游控制性水庫在枯水期增加泄量、抬高水位的作用不足以抵消河道沖刷下切的影響。長江與洞庭湖水力聯系的進一步減弱,一方面對洞庭湖區的枯水情勢產生了不利影響,另一方面也增加了下荊江河段河勢從量變積累到質變、發生大幅度河勢變化的風險。

2.2 江湖關系變化的影響

長期以來,江湖關系向江湖水力聯系減弱方向發展,對長江和洞庭湖的水安全產生了諸多不利影響。主要表現在:(1)三口分流減弱加大了荊江河段的防洪壓力,且受江湖洪水頂托和洞庭湖淤積影響,洞庭湖的防洪壓力也未減輕;(2)三口分流的持續減少和斷流時間延長,導致四口水系地區季節性資源性缺水,洞庭湖區枯水的常態化導致湖區水資源利用條件惡化,湖區供水安全受到威脅,且汛后洞庭湖對長江中下游的補水作用減弱;(3)三口分流減少、河道長時間斷流和湖區水位過早降低,水生生物經三口入洞庭湖的生態通道功能受到嚴重影響,湖區濕地功能退化,生物多樣性降低;(4)三口斷流和洞庭湖水體容積減小,導致河湖溝通不暢,湖區水環境容量降低,湖區水質呈惡化趨勢;(5)河道斷流和枯水導致湖區航道標準低,河湖水系發達的優勢難以轉化為航運的優勢,航運發展滯后。

治理思路

反映江湖關系新變化和長江經濟帶、洞庭湖生態經濟區建設對洞庭湖治理的新要求,針對洞庭湖治理開發與?;ぶ械耐懷鑫侍?,遵循"江湖和諧、生態文明"的理念,建設洞庭湖大水脈,恢復和科學調整江湖關系,提高洞庭湖水資源和水生態環境承載能力,以水資源可持續利用促進經濟社會與生態環境?;ば鞣⒄?,保障洞庭湖供水安全、防洪安全、生態安全和航運安全。

(1)改善江湖關系:抓住上游來沙大幅減少的有利時機,暢通江湖聯系,恢復和科學調整江湖關系;實施洞庭湖控制工程,維持洞庭湖天然的水文節律,提升洞庭湖調豐補枯功能,增強長江中下游枯期水資源保障能力;發揮洞庭湖對長江洪水的調蓄作用,保障總體防洪安全。

(2)保障供水安全:實施河道疏浚和洞庭湖水位控制工程,根本解決四口河道枯水期斷流和汛后洞庭湖枯水期提前、枯水位降低等問題,提高洞庭湖水資源承載能力,為洞庭湖區供水灌溉提供穩定可靠的水源保障,滿足經濟社會發展對城鄉供水和農田灌溉用水的需要。

(3)保障防洪安全:維持三口水系分流洪水能力,發揮洞庭湖調蓄洪水的作用,維護長江中游總體防洪格局;通過松滋口水利綜合樞紐與三峽工程聯合調度,實現長江干流洪水與澧水洪水錯峰,提高松澧地區及西洞庭湖區的防洪能力;開展三口水系河道疏浚等系統整治,降低洪水位。

(4)構建綠色生態廊道:恢復四口水系河流生境和洄游通道,保障水生生物江湖常年交流;實施外河與內湖的水系連通,構建洞庭湖區生態水網,維持洞庭湖天然的水文節律。通過提高洞庭湖區水生態環境承載能力,?;に肪?,改善洞庭湖濕地生態系統質量,維護生物多樣性。

(5)提升航運能力:突破航運瓶頸,建設洞庭湖區深水航道,對接長江干線黃金水道,打造湖區下通江海、上連云貴川渝的水運大通道;提高湖周航道能力,形成洞庭湖區高等級航道網。

洞庭湖大水脈方案

4.1 工程方案

"洞庭湖大水脈"是洞庭湖綜合治理的關鍵工程,由一條主脈、兩座控制閘和七條支脈構成,形成"一主、兩閘、七支"的格局,見圖1。

"一主"為主水脈,起于松滋口,湖北境內順松滋河西支南下,湖南境內沿自治局河入松虎洪道,經南咀,沿草尾河,至東洞庭湖,順湘江航道至城陵磯出口止。主水脈通過河道疏浚暢通江湖聯系,形成荊江之外的另一條骨干通道,打造經濟社會發展的資源通道和水生態環境?;さ穆躺鵲?。

"兩閘"為松滋口水利綜合樞紐和洞庭湖水利綜合樞紐??蒲У鞫攘秸?,提高江湖防洪調度的靈活性,增強水資源綜合調配能力,改善航運條件,擴大水生態環境容量。

"七支"由湘江、資水、沅水、澧水"四水"和虎渡河、藕池河、華容河組成。連接主水脈,構成洞庭湖區資源水網和生態廊道,輻射帶動湖區經濟社會發展,促進生態環境?;?。

(1)洞庭湖主水脈

洞庭湖主水脈是暢通長江與洞庭湖聯系的主通道,線路以松滋河水系骨干河道和草尾河為主體。主要原因在于:一是水流條件相對較好。松滋河的年徑流量約占三口年徑流量的一半,且進口條件好,在自然情況下分流減少在三口中最慢;西洞庭湖、南洞庭湖泥沙淤積嚴重,枯期水淺灘露出,草尾河是西洞庭湖與東洞庭湖之間的最短通道,航道條件、水流條件均較好,是目前航運主通道。二是輻射范圍廣。松滋河水系骨干河道經過洞庭湖西北腹地,與澧水、沅水等有大運量航運需求的支流航道對接,出長江后上通川渝,輻射效果較好。三是對洞庭湖?;で跋煨?。草尾河溝通了東南西洞庭湖,避開了西洞庭湖和南洞庭湖自然?;で暮誦那?。

洞庭湖主水脈線路總長約330 km,其中湖北段長約103 km,湖南段長約227 km。主水脈進口段設計行洪能力按20 世紀50 年代以來的最大過流量11000 m3/s 設計;枯期最小流量考慮供水、灌溉、航運、生態等要求暫按350 m3/s 設計,通過適當的斷面設計促進河道沖刷;結合河道治理提升航道等級至Ⅰ級。工程主要建設內容包括河道疏浚、護岸工程、堤防加固、閘站改造等。

(2)兩座控制閘

松滋口水利綜合樞紐工程初選閘址位于松滋河口門段,主要為泄水建筑物。泄水建筑物按深水閘建設,考慮河道疏浚及上游控制性水庫運用后較長時期內的河道沖刷影響,確定樞紐閘底板高程。

       洞庭湖水利綜合樞紐為洞庭湖出口控制工程,其首要任務是維持湖區合理的枯期水位,緩解常態化、趨勢性低枯水位造成的水安全問題,為供水、灌溉、航運和生態環境等提供安全保障。初選閘址位于洞庭湖出口段的七里山,由泄水閘、船閘、魚道等建筑物組成。樞紐設置四孔凈寬80 m 的大孔閘,作為江豚通道,布置四線單級Ⅰ級船閘和兩條魚道。

(3)七條支水脈

暢通湘資沅澧四水及虎渡河、藕池河、華容河等洞庭湖區骨干水系,與主水脈一起構建湖區資源水網和生態廊道。主要建設內容包括河道疏浚、南閘增建深水閘、護岸工程、堤防加固、閘站改造等。

4.2 控制閘調度運行方式

(1)松滋口水利綜合樞紐松滋口閘為深水閘,常年敞開引水,改善江湖的連通性,并滿足松滋河灌溉供水及航運需求。如枯期松滋口進流量過大,可控制分流量,避免枯水期分流過大影響干流水資源利用。汛期一般情況下松滋口樞紐敞泄;若澧水發生大洪水,通過樞紐調控,實施松澧錯峰,減輕松澧地區防洪壓力;樞紐錯峰調度期間,結合三峽水庫調度,不增加荊江河段防洪壓力;當荊江河段防洪緊張時,樞紐調度服從荊江防洪的需要。松滋口樞紐屬區域洪水調控的關鍵工程,隨著工程論證的深入對工程的調度運行方式將進一步細化。

(2)洞庭湖水利綜合樞紐

洞庭湖樞紐運行遵循"調枯不控洪"的原則,初擬工程運行調度方式為:每年4—8 月,閘門全開、江湖連通;9 月初,視湖區水位適時下閘調控,控制湖區水位在27.5 m;至10 月末,按三峽工程建成前天然水文節律將閘前水位消落至24 m;11月初—11 月末,通過閘控,保證閘上水位有0.5 ~1 m 的消落深度;12 月—3 月末,按下游需水和洞庭湖候鳥生活習性科學調控湖區水位,最低調控水位為23 m。期間若外江水位高于閘上水位,閘門全開,江湖連通。

結論

長江上游控制性水庫逐步投運后調控上游洪水的能力不斷增強,加之1998 年大水后洞庭湖區開展了大規模的防洪建設,改善了荊江和洞庭湖區防洪形勢,同時上游控制性水庫運用后入湖沙量大幅度減少,為統籌謀劃洞庭湖區長治久安之策,開展綜合治理提供了"百年"機遇。針對江湖關系新變化及其帶來的湖區突出水問題,結合區域經濟社會發展和生態環境?;さ囊?,初步研究提出了洞庭湖大水脈方案。工程建設可暢通江湖聯系,恢復和科學調整江湖關系,解決水資源短缺問題、提高區域防洪能力、提高水生態環境承載能力、打造湖區對外水運大通道,綜合效益巨大。

今后需深化江湖關系變化趨勢、工程效果及外部影響、調度運行方式等相關重大技術問題的研究,促進洞庭湖大水脈工程建設。

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