1、洞庭湖河湖疏浚综合效益研究规 j:U 战略水利规划与设计 2003 年第 4 期洞庭湖河湖疏浚综合效益研究李正最周北达李广源宁迈进(湖南省水文水资源勘测局湖南长沙 410007)黎昔春(水利部湖南省水利水电勘测设计研究院湖南长沙 410007)【摘要】洞庭湖是长江中游的重要调蓄湖泊,但由于接纳湘,资,沅,澧四水和长江三口洪水,泥沙,造成湖内河道淤塞,湖泊泥沙淤积,洪水位抬高,在加重湖区的防洪负担,造成严重的洪涝灾害的同时,降低湖泊水体的稀释自净能力和水环境承载能力,使湖区生态环境恶化.本文根据洞庭湖河湖疏浚规划,对典型河段疏浚前后水情,水环境质量及承载能力变化分析,定量与定性相结合对洞庭湖河湖
2、疏浚的防洪减灾效益,水环境修复效益和生态系统恢复效益等进行了分析研究和预测.【关键词】洞庭湖疏浚防洪减灾水环境修复生态恢复效益1 问题的提出和研究基本思路1.1 课题的提出洞庭湖作为长江中游的调蓄湖泊,不仅是长江中下游防洪体系中的重要组成部份,也是水生动植物和野生鸟类等的重要生产基地.它不但具有调蓄江河径流,发展航运,渔业和为工农业生产提供丰富水资源等多种用途,而且对调节湖区气候和生态平衡也起着重要作用.由于洞庭湖接纳湘,资,沅,澧四水和长江的松滋河,虎渡河,藕池河三口,每年有大量的泥沙进入洞庭湖,其中约四分之一左右的泥沙由城陵矶注入长江,四分之三则淤积在洞庭湖,1975 年与 1952 年比
3、较,七里湖平均淤积达 4m 以上,南洞庭湖淤积近 2m,东洞庭湖淤积近 lm.由于泥沙淤积,造成四口洪道多呈淤积萎缩态势,湖内洲滩滋长,芦柳丛生,滞流阻水严重,进而加速泥沙淤积,并有恶性循环之势.而且由于湖泊萎缩使得水系紊乱,相互顶托干扰.这些问题导致洞庭湖区调蓄容积减少,洪水位不断抬升,江湖关系改变,在加重湖区的防洪负担,造成严重的洪涝灾害的同时,降低湖泊水体对各种污染物的稀释自净能力和水环境承载能力,造成湖区生态环境的恶化.因此,加强洞庭湖区河道整治,实施河湖疏浚工程,调整部分河段的河势,改善水流条件,稳定河床,减少泥沙淤积,延长河道寿命是非常迫切的,同时也是增加水体纳污,自净能力,改善环
4、境条件,维护生态平衡重大战略举措.目前洞庭湖河湖疏浚规划已经完成,包括湘,资,沅,澧四水尾闾和松滋河,藕池河,南洞庭湖,东洞庭湖,汩罗江等疏挖总工程量达 33876.4010m.,目前为止已经付诸实施的有约 4067.9110m.为了客观地反映河湖疏浚的实际效果和作用,必须正确全面地对河湖疏浚的效益进行分析和研究,并作出合理的评价.本文通过对典型河段环境疏浚前后水情,水环境质量及承载能力的变化,对典型河段环境疏浚综合效益进行研究.在此基础上,定量分析与定性研究相结合,对洞庭湖河湖疏浚的防洪减灾效益,水环境修复效益和生态系统恢复效益等作出评价和预测.1.2 研究的基本思路1.2.1 研究的途径(
5、1)洞庭湖区的二个典型河段(东南湖万子湖横岭湖,澧水洪道石龟山_一蒿子港河段)环境疏挖综合效益( 包括防洪,排涝,水环境和生态系统等)分析;(2)根据典型河段环境疏挖综合效益和洞庭湖河湖疏浚方案预测整个洞庭湖环境疏挖的综合效益.1.2.2 研究内容和方法(1)根据典型河段疏挖前后水下地形的变化,通过二维水力学模型和水文学方法推算疏挖前后主要控制断面水位和流速的变化,研究洞庭湖疏浚的?15?规划战路水利规划与设计 2003 年第 4 期防洪减灾效益.(2)建立水质模型并根据典型河段疏挖前后水流条件变化,通过水质模拟分析疏浚前后水环境要素的变化,研究疏挖后水环境承载能力的变化和水环境修复效益.(3
6、)根据河湖疏挖方案以及竣工资料,分析疏浚前后湖容和河势的变化,土壤结构和农业生产条件的变化,湿地资源的变化,生物多样性变化,钉螺扩散繁殖及繁殖条件的变化,生态景观和旅游资源的变化等,研究洞庭湖疏浚的生态系统恢复效益.2 洞庭湖河湖疏浚防洪减灾效益研究洞庭湖河湖疏浚改变了河道湖泊的过水断面,纵坡比降及糙率等水力因素,这些水力因素的改变对洪水位产生影响,尤其在河道上由于水力因素改变值的比重较高,影响更为显着.分析中首先使用二个典型河段,运用水力学模型分析法和水文学资料分析法分析这些典型河段在疏浚前后对洞庭湖洪水位的影响,并以此为基础,根据河湖疏浚方案对洞庭湖各疏浚河段的水位降低效应进行分析,并分别
7、计算防洪减灾效益.2.1 河湖疏浚对典型河段的洪水位影响分析2.1.1 水力学模型分析法水力学模型分析法的主要思路是运用洞庭湖水动力学模型,在同样的来水条件下,分别计算疏浚前后(地形和糙率不同)洞庭湖疏浚影响区的洪水位,通过对水位差值的比较,得出疏浚对河湖洪水位的影响.洞庭湖水系中,四水及长江三口控制断面以下无流量站控制,区间面积约占洞庭湖水系总面积的 20,与洞庭湖洪水的形成密切相关.本研究洪水演算采用SMS(地表水模拟系统)水力学模型 ,区间的产流计算采用 SSARR(河流综合预报与水库调度模型)水文学模型.SMS 模型 (SurfaceWaterModelingSystem)是美国陆军工
8、程兵团开发的水力学模型.该模型通过求解二维完全圣维南方程组,求解出计算时间内整个研究区域的水位,流量及二维 X,Y 方向的水流速度.其显着优点是可以实现一,二维水力学模型的结合,这使得我们在建模时可将河道概化为一维单元,湖泊等宽广水面概化为二维单元,实现一,二维水力学模型的有机结合.SSARR 模型是一种概念性河流系统水文预报数学模型,由美国陆军工程兵团河流预报中心 70 年代中期研制.它认?16?为降雨径流模型实质上是一个扣损曲线流域模型,在流域内的降雨输入可以转化为径流,土壤含水量的增加和流域蒸散发损失三部分.由于洞庭湖区间大部分地区无流量观测资料,因此选择有流量资料的典型流域进行参数分析
9、,再根据有关地理因数,将参数换算到无资料地区.根据水力学模型的需要将整个湖区区间划分为 49 个子块,每个子块单独计算产流过程.(1)SMS 水力学模型边界条件.模型上边界:四水人流控制站湘潭,桃江,桃源,石门及长江宜昌,长阳及湖区区间产流流量.洞庭湖区沿湖区间面积的产流,使用 SSARR 水文学模型,根据降雨过程模拟出湖区区间流量过程.模型下边界:长江螺山站.由于河湖疏浚对螺山站的水位影响甚微,因此可以认为疏浚前后螺山站水位基本保持不变.故可将典型年螺山站的实际水位过程作为模型的下边界.(2)洪水典型年的选择.典型年主要选择近期的主要大水年 1996,1998,1999 年.其中 1996
10、年洪水为四水遭遇型洪水,1998 年洪水为 1954 年后长江流域全流域大洪水,1999 年洪水为湖区区间及长江干流遭遇的恶劣组合型洪水.(3)分析计算结果及原因分析.计算采用了 3个典型年,分别选择疏浚前后的地形资料计算三个典型河段影响区的水位,在疏浚区每隔 500m,模型输出一个水位值.计算的结果为:澧水洪道洪水位降低 0.20.3m;南洞庭湖洪水位降低 0.090.17m.在所选的典型河段中,澧水洪道的影响十分显着,南洞庭湖一带疏浚前后的影响次于澧水洪道.造成这一结果的原因主要是因为澧水洪道为一狭窄性河道,洪水期间经常出现碍洪现象.疏浚后河道横断面面积增加,且主河槽深度加深,水流阻力减小
11、,过流能力增加,洪水位降低比较明显;在南洞庭湖区,由于洪水期间水面宽广,疏挖增加的河道面积占整个断面面积的比重相对较小,虽然水流阻力也有所减小,但在影响湖区水流的复杂水力因素中,疏挖的影响仍不如澧水洪道.2.1.2 水文学分析法本次分析的二个典型河段位于澧水洪道和南洞庭湖区.在澧水洪道上有石龟山水文站实测水位和流量资料.南洞庭湖区沅江水位站仅有水位资料.根据两站资料情况,分析中采用不同的方法.基本思路是:澧水洪道采用单值化水位流量关系法,通过分析河道疏浚前后的单值化水位流量关系来分析疏浚对洪水位的影响;南洞庭规划戤略水利规划与设计 2003 年第 4 期湖通过疏浚前后南嘴沅江水位相关关系来分析
12、疏浚对洪水位的影响.(1)澧水洪道疏浚前后石龟山站水位流量关系变化.石龟山站水位流量关系受澧水和长江淞滋口来水的影响,同时还受到南嘴站水位的顶托,水位流量关系十分复杂.单值化处理的基本方法是综合落差指数法,其综合落差取津市至石龟山,石龟山至南咀的组合落差.典型年选 1991,1995,1996,1998,1999.对比疏浚前后单值化水位流量关系可得:同流量级水位降低.水位在 37.Om 以上,与疏浚前 1991 年相比,降低幅度一般处于 0.20.5m 之间.同水位级流量增加.在水位 37m 以上,疏浚后同水位级下,过流能力增加 200500m3/s.(2)南洞庭湖疏浚前后沅江站水位流量关系变
13、化.沅江站是南洞庭湖的水位站,选用南咀沅江洪峰水位相关关系来进行分析.资料选样以 1990 年1997 年资料作为清淤前资料,选用了 29 场洪水的南咀沅江洪峰水位资料;1997 年 42002 年资料作为清淤后资料,共选用了 2l 场洪水的南咀沅江洪峰水位资料.分别拟订疏浚南咀沅江洪峰前后两条关系线,可以看出两条关系线有一定的差别,说明南洞庭湖疏浚后,对南洞庭湖洪水位的影响较澧水洪道而言影响较小.1997 年以后在南洞庭湖莲花坳廖洋口以及实洲岭河段进行了一定规模的疏浚工作,其中实洲岭河段靠近沅江站附近.从关系图看,南洞庭湖沅江站洪峰水位疏浚前后在南嘴同等水位情况下,水位降低约 0.070.1
14、5m,这说明沅江与南嘴的落差加大,水流速度加快.很显然,由于清淤疏浚,河床加深,过流能力得到一定程度的提高,对高洪水位的降低有一定作用.2.1.3 典型河段疏浚对澧水洪道及湖泊传播时间的影响澧水洪道疏浚于 1994 年开始,根据掌握的资料疏浚前选用 19781994 年资料,疏浚后选用 19952O02 年资料.1995 年至今 9 场洪水平均传播时间为 18 小时;而 1978 年至 1994 年 27 场洪水平均传播时问为 26 小时,洪水平均传播时间缩短 8 小时.很显然澧水洪道由于河道疏浚,行洪能力增强,水流速度加快,洪水传播时间已发生显着变化,在原来的基础上已缩短近三分之一.南咀至营
15、田河段疏浚时间起于 1997 年,故可将 1997 年及其以前的资料,作为疏浚前的资料,由于疏浚时间持续到 2001 年,因而疏浚后的资料十分有限,考虑到 1998 年已完成了相当一部分工作,故将 1999 年及其以后的资料作为疏浚后的资料进行分析.由于湖区来水组合复杂,在上述统计中尽量采用反映南洞庭湖来水的洪水为主,以便使统计值能反映实际情况.通过对 1999 年至今 7 场洪水统计,平均传播时间为 22 小时,而 1978 年至1994 年 25 场洪水平均传播时间为 24 小时,两者相差 2 小时.由此可见在南洞庭湖进行疏浚,对南咀至营田洪水传播时间具有一定影响,但影响程度不如河道.2.
16、2 洞庭湖河湖疏浚对其洪水位影响预测根据洞庭湖河湖疏浚规划,疏挖,扩卡和扫障总土石方量达 33876.510m3.而且由于增加了行洪断面的面积和湖泊容量,相应增加了洪道的行洪能力,增强了湖泊的调蓄能力,对降低湖区高洪水位起积极作用.整个疏浚工程土石方量也就相当于洞庭湖增加了约 3.410.rn3 容积,约占洞庭湖总容积(城陵矶水位 33.5m 时容积 16710m.)的百分之二左右.采用前面已经建立的水力学模型,经水力学模型模拟计算结果如下:(1)四水尾闾及淞滋河,藕池河及汨罗江疏浚段附近洪水位的降低较明显.水位降低的程度与开挖的断面面积占总断面面积的比例及洪水级别有关.比例越大,水位降低愈明
17、显.洪水级别越大,水位降低越小.在计算河段中澧水尾闾可降低高洪水位 0.150.35m,其余河段一般可降低 0.10.25m,但在扩卡的局部区域,有时可降低水位0.3m 以上.(2)东洞庭湖洪水位可降低 0.O80.14m,南洞庭湖可降低 0.140.18m.湖区水位降低幅度仍然少于河道,这种趋势同典型河段的计算结果一致.将上述两项计算结果与湖南省九十年代洪灾成因及减灾对策研究的有关成果进行比较,可得出疏浚工程对洞庭湖的防洪作用相当于在四水干流修建一座防洪库容为 4510.m.的水库,对四水尾闾疏浚段的防洪作用相当于在四水干流兴建一座防洪库容为 1010.m.左右的水库.2.3 河湖疏浚工程的
18、防洪减灾效益2.3.1 典型河段疏浚效益分析(1)东南湖 万子湖横岭湖河段.据前述水文分析计算,实施该工程后,南洞庭湖地区水位降低分别为洪水位 0.0940.17m,枯水位 0.2?17?规笺 0 战路水利规划与设计 2003 年第 4 期0.25m.防洪效益:通过典型年洪灾损失调查统计,疏浚工程的防洪效益可分摊得 250010 元,疏浚弃土可对近 20kin 堤段进行加固处理,可得年分摊效益 30010 元.排涝工程效益:因水位下降,电排扬程降低,排水率提高,从而使沿河两岸农田免遭内涝而达到农作物高产稳产的目的.统计解放以来 23 个涝灾年份中因内涝致灾的总经济损失 6.0110 元,年平均
19、 261310 元,疏浚工程可分摊 90010 元;由于枯水季节外河水位降低,排水闸自排时间延长,电排开机时间减少,还可减少排涝费用 90l0 元,排涝年效益为 99010元;防汛抢险效益:南洞庭湖地区共有防洪堤长673km,其中湖堤长 213km.按全洞庭湖区年平均防汛抢险费用 2.010.元计,单位堤长的年防汛费用为 6x10 元,以疏浚工程实施后减少防汛费用 5,则每年可减少防汛费用 20010 元.三项合计,疏浚工程年效益可达 399010 元.共有疏浚土方 122510m.,按疏浚单价 l5 元/m.计,工程总造价 1.85l0.元.根据水利建设项目经济评价规范的规定,其经济内部收益率为 l5,经济效益费用比为 1.25.(2)澧水洪道. 据前述分析实施该工程后,澧水洪道水位降低分别为洪水位 0.20.3m,枯水位 0.30.35m.按照南洞庭湖洪道同样的分析计算方法,可得澧水洪道疏浚工程的防洪工程效益为l0l0 元,排涝工程效益为 30l0 元,防汛抢险效益为 46010 元,航运效益为 l0l0 元,总工程效益为 51010 元.阳由垸外洲和陈迹坪两段共有疏浚土方 20010m.,按疏浚单价 l5 元/m.计(含弃土区围堰等临时建筑工程),工程总造价 0.3xl0 元.根据水利建设项目经济评价规范的规定,其经济内部收益率为 l4,经济
