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洞庭湖综合治理方案探讨
2016/4/22 9:36:20    新闻来源:水力发电学报2016第35卷第一期

洞庭湖综合治理方案探讨

钮新强

(长江勘测规划设计研究院,武汉 430010)

摘 要:洞庭湖是我国第二大淡水湖,对保障长江经济带水安全具有重要作用。长期以来,江湖关系向江湖水力联系减弱方向发展,导致洞庭湖区水资源短缺、水生态环境恶化、航运萎缩,影响洞庭湖对长江洪水的调蓄作用。论述了江湖关系的演变机理,阐述了长江上游控制性工程运用后江湖关系的变化趋势及其影响;反映长江经济带、洞庭湖生态经济区建设的新要求,针对洞庭湖治理开发与保护中的突出问题,遵循"江湖和谐、生态文明"的理念,提出了洞庭湖大水脉方案。洞庭湖大水脉可畅通江湖联系,恢复和科学调整江湖关系,提高洞庭湖水资源和水生态环境承载能力,以水资源可持续利用促进经济社会与生态环境保护协调发展。

关键词:洞庭湖;江湖关系;综合治理;大水脉

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

长江是我国第一大河,在我国经济社会发展中的战略地位十分重要。为保障我国的水安全、能源安全和长江流域的防洪安全,在长江流域建设了大量的控制性工程[1]。流域控制性工程建成运行,在发挥巨大的防洪、发电、供水、航运等综合效益的同时,也对长江的水文情势产生影响。一方面控制性工程拦洪和蓄水发电,中下游干流径流过程更加平缓,水库蓄水期下游流量明显减少[2-3];另一方面,工程拦蓄泥沙后,进入中下游的泥沙减少,河道面临长期"清水"下泄的局面。水文情势的变化将对长江中下游的河湖冲淤、江湖关系等产生影响,三峡工程运用以来这些影响已逐步显现[4-6]。

洞庭湖天然湖泊面积约2625 km2,洪道面积1418 km2,为我国第二大淡水湖,是洞庭湖生态经济区建设的重要依托,对保障长江经济带水安全具有重要作用。洞庭湖位于长江上游山地与中下游平原的衔接地带,长江上游控制性水库运用后干流水沙条件的变化导致江湖之间的水沙交换、江湖的冲淤演变以及物质能量交换发生了显著变化[7]。受自然演变和人类活动影响,长江与洞庭湖的江湖关系持续变化,对区域防洪、水资源利用、水生态环境保护产生了显著影响[8-9]。长江水利委员会和国内相关科研单位对江湖关系变化及其影响问题开展了长期研究[10-12],对江湖关系变化的内在机理进行了分析[13-15],并对新的水沙条件下洞庭湖的治理方案进行了研究和探讨[16-18]。

本文对江湖关系演变机理、变化趋势及影响进行了分析,提出了畅通江湖联系的洞庭湖大水脉方案。通过建设大水脉工程体系并实施科学调控,可提高洞庭湖水资源承载能力和水生态环境承载能力,保障区域供水安全、防洪安全、生态安全和航运安全[19],有利于稳定荆江河势。洞庭湖大水脉工程建成后,将纳入长江流域控制性工程体系进行统一调度,发挥更大的水资源调控作用。

江湖关系的演变机理

长江荆江河段承接长江上游巨大的水沙通量,江湖关系体现的是这种动力与河床、湖床边界的相互作用。水流、泥沙的输移引起河湖的冲淤,河湖的冲淤变化又对水沙输移产生反馈作用。1860 年、1870 年特大洪水分别冲开藕池口、松滋口,形成现代江湖关系。江湖关系的变化体现在荆江四口分流分沙能力、荆江的冲淤、荆江四口河道的冲淤、洞庭湖的淤积以及城陵矶到武汉河段的冲淤等五个方面[20]。这五个方面处于不断的演变过程之中,相互作用和影响,并对河湖的水文过程和生物通量产生影响[21]。

宏观上看,荆南四口河道是与长江荆江河段相对应的分汊河道。四口分流分沙体现了长江水沙动力在主流及支汊河道的分配,是江湖关系变化中最为能动的因素。自1870 年以来,四口分流分沙经历了先增大、后减小的过程。在20 世纪四五十年代以前,荆江河床与洞庭湖之间存在较大的高差,在巨大的动力作用下,四口河道在荆南平原上逐步发育,分流分沙比增大。与此同时,四口河道的三角洲逐步向南推进,洞庭湖发生大幅度淤积,洞庭湖四水来水顶托加强,干流水位下降和洞庭湖水位抬高导致四口河道比降调平,起到了抑制河道发育的作用。随着四口动力的加强,下荆江水沙动力减弱,河道弯曲由量变逐步发展成自然裁弯的质变,这又对四口分流的增加起到了抑制作用。20 世纪50 年代以后,下荆江的河道裁弯继续发生,60 年代后相继实施了中洲子、上车湾人工裁弯,1972 年发生了沙滩子自然裁弯,河道长度缩短了78 km。河道裁弯后,四口口门处水位下降,下荆江分流比增大,在裁弯加大比降和干流动力增强的双重作用下,下荆江显著冲刷。伴随四口分流减少,水流动力减弱,四口河道发生大幅度淤积,河床抬高,这又进一步减少了四口分流。20 世纪90 年代前,下荆江冲刷的泥沙在城汉河段淤积,调平了比降,对四口分流比减小起到了一定抑制作用。

三峡等上游干支流水库运用后,长江上游年径流量并未发生明显变化,但来沙大幅度减少,水量年内分配发生变化,这成为导致江湖关系变化的重要因素。长江干流的冲刷导致四口口门处水位下降,影响四口进流,四口河道尽管水流动力较弱,但含沙量的大幅减少仍导致河道总体处于微冲态势,加之四口河道在三角洲上淤积态势受到抑制,四口冲淤对四口分流的影响程度降低。需要注意的是,下荆江水流动力的增强将加大下荆江的冲刷,2003—2014 年长江年径流量偏少8.2%,但监利站年径流量比2002 年前增加了2%,若来水偏丰,下荆江冲刷还会加快。城汉河段由于荆江冲刷泥沙不足以补充上游来沙的大幅减少,城汉河段发生冲刷,进而会加大荆江冲刷和水位下降。若下荆江河势发生量变到质变的变化(如自然裁弯),四口分流会进一步减少,将对长江中游的防洪、水资源利用等造成更大影响。考虑到上游控制性水库群运用后长江中游将面临长期来沙偏少的局面,江湖关系将进一步调整。

江湖关系变化及其影响

2.1 江湖关系变化

自19世纪中期江湖分汇流格局形成以来,长江与洞庭湖的江湖关系发展经历了复杂的变化。20世纪40 年代至三峡工程运用前江湖关系的变化特征为:洞庭湖三口(1958 年华容河入口调弦口建闸控制)分流分沙持续减少,三口河道累积性淤积;荆江河段冲刷、枯水位下降;三河断流时间提前,断流期延长;洞庭湖淤积萎缩,调蓄能力下降;三口洪水期分流能力减弱等。

三峡工程运用以来,长江上游来水来沙条件发生显著变化。宜昌站2003—2014 年径流量均值与1950—2002 年比较,偏少8.2%,但7—10 月份径流量明显减小,上游水库蓄水的10 月份径流量减少尤大,1—4 月径流量明显增加;年输沙量减少91.2%,各月输沙量均显著减少(见表1)。

受年内径流过程变化及含沙量大幅减小的影响,江湖关系变化除延续三峡工程运用前的某些特征外,还产生了一些新的变化:(1)三口分流继续减少。三口年径流分流比从1999—2002 年的14.0%减小至2003—2014 年的11.9%,但1—4 月的分流比略有增加,10 月分流比明显减小(见表2),汛期(5—9 月)分流比从1956—1966 年的34.9%减小至2003—2014 年的16.2%,枯水期(10 月—次年4 月)分流比从1956—1966 年的17.6%减小至2003—2014 年的3.4%。(2)荆江河段大幅度冲刷,城汉河段发生冲刷。2002 年10 月—2014 年10 月,荆江河段平滩河槽冲刷泥沙7.925 亿m3,城陵矶至汉口河段冲刷2.189 亿m3。(3)受上游来沙减少的影响,三口河道发生冲刷,2003—2011 年冲刷0.75 亿m3,但三口口门冲刷深度只有干流平均冲刷深度的50%左右,三口河道断面形态呈向窄深型发展的态势。(4)洞庭湖淤积明显减轻,泥沙沉积总量减少99.1%,泥沙沉积率下降为2.9%。(5)上游水库蓄水期流量减小以及河道冲刷导致干流水位降低,洞庭湖水体被提前拉出,加之三口分流的减少,洞庭湖区枯水位降低、枯水开始时间提前、枯水历时加长。(6)下荆江河段部分弯道发生撇弯切滩现象,影响河势稳定。

今后随着长江上游控制性水库的陆续建成投运,水库蓄水期径流将进一步减少,干流河道冲刷幅度还将加剧,长江与洞庭湖的江湖关系将进一步发生变化。预测荆江河段将继续冲刷,干流枯水位下降,三口分流进一步减少,枯水期断流时间加长。上游控制性水库蓄水期间城陵矶站水位降低的幅度还将加大,湖区枯水情势进一步恶化;上游控制性水库在枯水期增加泄量、抬高水位的作用不足以抵消河道冲刷下切的影响。长江与洞庭湖水力联系的进一步减弱,一方面对洞庭湖区的枯水情势产生了不利影响,另一方面也增加了下荆江河段河势从量变积累到质变、发生大幅度河势变化的风险。

2.2 江湖关系变化的影响

长期以来,江湖关系向江湖水力联系减弱方向发展,对长江和洞庭湖的水安全产生了诸多不利影响。主要表现在:(1)三口分流减弱加大了荆江河段的防洪压力,且受江湖洪水顶托和洞庭湖淤积影响,洞庭湖的防洪压力也未减轻;(2)三口分流的持续减少和断流时间延长,导致四口水系地区季节性资源性缺水,洞庭湖区枯水的常态化导致湖区水资源利用条件恶化,湖区供水安全受到威胁,且汛后洞庭湖对长江中下游的补水作用减弱;(3)三口分流减少、河道长时间断流和湖区水位过早降低,水生生物经三口入洞庭湖的生态通道功能受到严重影响,湖区湿地功能退化,生物多样性降低;(4)三口断流和洞庭湖水体容积减小,导致河湖沟通不畅,湖区水环境容量降低,湖区水质呈恶化趋势;(5)河道断流和枯水导致湖区航道标准低,河湖水系发达的优势难以转化为航运的优势,航运发展滞后。

治理思路

反映江湖关系新变化和长江经济带、洞庭湖生态经济区建设对洞庭湖治理的新要求,针对洞庭湖治理开发与保护中的突出问题,遵循"江湖和谐、生态文明"的理念,建设洞庭湖大水脉,恢复和科学调整江湖关系,提高洞庭湖水资源和水生态环境承载能力,以水资源可持续利用促进经济社会与生态环境保护协调发展,保障洞庭湖供水安全、防洪安全、生态安全和航运安全。

(1)改善江湖关系:抓住上游来沙大幅减少的有利时机,畅通江湖联系,恢复和科学调整江湖关系;实施洞庭湖控制工程,维持洞庭湖天然的水文节律,提升洞庭湖调丰补枯功能,增强长江中下游枯期水资源保障能力;发挥洞庭湖对长江洪水的调蓄作用,保障总体防洪安全。

(2)保障供水安全:实施河道疏浚和洞庭湖水位控制工程,根本解决四口河道枯水期断流和汛后洞庭湖枯水期提前、枯水位降低等问题,提高洞庭湖水资源承载能力,为洞庭湖区供水灌溉提供稳定可靠的水源保障,满足经济社会发展对城乡供水和农田灌溉用水的需要。

(3)保障防洪安全:维持三口水系分流洪水能力,发挥洞庭湖调蓄洪水的作用,维护长江中游总体防洪格局;通过松滋口水利综合枢纽与三峡工程联合调度,实现长江干流洪水与澧水洪水错峰,提高松澧地区及西洞庭湖区的防洪能力;开展三口水系河道疏浚等系统整治,降低洪水位。

(4)构建绿色生态廊道:恢复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;实施外河与内湖的水系连通,构建洞庭湖区生态水网,维持洞庭湖天然的水文节律。通过提高洞庭湖区水生态环境承载能力,保护水环境,改善洞庭湖湿地生态系统质量,维护生物多样性。

(5)提升航运能力:突破航运瓶颈,建设洞庭湖区深水航道,对接长江干线黄金水道,打造湖区下通江海、上连云贵川渝的水运大通道;提高湖周航道能力,形成洞庭湖区高等级航道网。

洞庭湖大水脉方案

4.1 工程方案

"洞庭湖大水脉"是洞庭湖综合治理的关键工程,由一条主脉、两座控制闸和七条支脉构成,形成"一主、两闸、七支"的格局,见图1。

"一主"为主水脉,起于松滋口,湖北境内顺松滋河西支南下,湖南境内沿自治局河入松虎洪道,经南咀,沿草尾河,至东洞庭湖,顺湘江航道至城陵矶出口止。主水脉通过河道疏浚畅通江湖联系,形成荆江之外的另一条骨干通道,打造经济社会发展的资源通道和水生态环境保护的绿色生态廊道。

"两闸"为松滋口水利综合枢纽和洞庭湖水利综合枢纽。科学调度两闸,提高江湖防洪调度的灵活性,增强水资源综合调配能力,改善航运条件,扩大水生态环境容量。

"七支"由湘江、资水、沅水、澧水"四水"和虎渡河、藕池河、华容河组成。连接主水脉,构成洞庭湖区资源水网和生态廊道,辐射带动湖区经济社会发展,促进生态环境保护。

(1)洞庭湖主水脉

洞庭湖主水脉是畅通长江与洞庭湖联系的主通道,线路以松滋河水系骨干河道和草尾河为主体。主要原因在于:一是水流条件相对较好。松滋河的年径流量约占三口年径流量的一半,且进口条件好,在自然情况下分流减少在三口中最慢;西洞庭湖、南洞庭湖泥沙淤积严重,枯期水浅滩露出,草尾河是西洞庭湖与东洞庭湖之间的最短通道,航道条件、水流条件均较好,是目前航运主通道。二是辐射范围广。松滋河水系骨干河道经过洞庭湖西北腹地,与澧水、沅水等有大运量航运需求的支流航道对接,出长江后上通川渝,辐射效果较好。三是对洞庭湖保护区影响小。草尾河沟通了东南西洞庭湖,避开了西洞庭湖和南洞庭湖自然保护区的核心区。

洞庭湖主水脉线路总长约330 km,其中湖北段长约103 km,湖南段长约227 km。主水脉进口段设计行洪能力按20 世纪50 年代以来的最大过流量11000 m3/s 设计;枯期最小流量考虑供水、灌溉、航运、生态等要求暂按350 m3/s 设计,通过适当的断面设计促进河道冲刷;结合河道治理提升航道等级至Ⅰ级。工程主要建设内容包括河道疏浚、护岸工程、堤防加固、闸站改造等。

(2)两座控制闸

松滋口水利综合枢纽工程初选闸址位于松滋河口门段,主要为泄水建筑物。泄水建筑物按深水闸建设,考虑河道疏浚及上游控制性水库运用后较长时期内的河道冲刷影响,确定枢纽闸底板高程。

       洞庭湖水利综合枢纽为洞庭湖出口控制工程,其首要任务是维持湖区合理的枯期水位,缓解常态化、趋势性低枯水位造成的水安全问题,为供水、灌溉、航运和生态环境等提供安全保障。初选闸址位于洞庭湖出口段的七里山,由泄水闸、船闸、鱼道等建筑物组成。枢纽设置四孔净宽80 m 的大孔闸,作为江豚通道,布置四线单级Ⅰ级船闸和两条鱼道。

(3)七条支水脉

畅通湘资沅澧四水及虎渡河、藕池河、华容河等洞庭湖区骨干水系,与主水脉一起构建湖区资源水网和生态廊道。主要建设内容包括河道疏浚、南闸增建深水闸、护岸工程、堤防加固、闸站改造等。

4.2 控制闸调度运行方式

(1)松滋口水利综合枢纽松滋口闸为深水闸,常年敞开引水,改善江湖的连通性,并满足松滋河灌溉供水及航运需求。如枯期松滋口进流量过大,可控制分流量,避免枯水期分流过大影响干流水资源利用。汛期一般情况下松滋口枢纽敞泄;若澧水发生大洪水,通过枢纽调控,实施松澧错峰,减轻松澧地区防洪压力;枢纽错峰调度期间,结合三峡水库调度,不增加荆江河段防洪压力;当荆江河段防洪紧张时,枢纽调度服从荆江防洪的需要。松滋口枢纽属区域洪水调控的关键工程,随着工程论证的深入对工程的调度运行方式将进一步细化。

(2)洞庭湖水利综合枢纽

洞庭湖枢纽运行遵循"调枯不控洪"的原则,初拟工程运行调度方式为:每年4—8 月,闸门全开、江湖连通;9 月初,视湖区水位适时下闸调控,控制湖区水位在27.5 m;至10 月末,按三峡工程建成前天然水文节律将闸前水位消落至24 m;11月初—11 月末,通过闸控,保证闸上水位有0.5 ~1 m 的消落深度;12 月—3 月末,按下游需水和洞庭湖候鸟生活习性科学调控湖区水位,最低调控水位为23 m。期间若外江水位高于闸上水位,闸门全开,江湖连通。

结论

长江上游控制性水库逐步投运后调控上游洪水的能力不断增强,加之1998 年大水后洞庭湖区开展了大规模的防洪建设,改善了荆江和洞庭湖区防洪形势,同时上游控制性水库运用后入湖沙量大幅度减少,为统筹谋划洞庭湖区长治久安之策,开展综合治理提供了"百年"机遇。针对江湖关系新变化及其带来的湖区突出水问题,结合区域经济社会发展和生态环境保护的要求,初步研究提出了洞庭湖大水脉方案。工程建设可畅通江湖联系,恢复和科学调整江湖关系,解决水资源短缺问题、提高区域防洪能力、提高水生态环境承载能力、打造湖区对外水运大通道,综合效益巨大。

今后需深化江湖关系变化趋势、工程效果及外部影响、调度运行方式等相关重大技术问题的研究,促进洞庭湖大水脉工程建设。

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