鄂北調水工程對漢江中下游水文情勢的影響

鄧志民，劉揚揚，樊 皓

(長江水資源保護科學研究所，武漢 430051)

0 引 言

漢江是長江中游最大的支流，干流全長1 577 km，全流域面積15.9 萬km2，多年平均徑流量566 億m3。丹江口以上為上游，長約925 km，流域面積9.52 萬km2；丹江口以下為中下游，長約652 km，流域面積6.38 萬 km2[1]。近期，為了解決湖北省鄂北地區資源型缺水問題，2015年7月，國家發改委批復了鄂北地區水資源配置工程(以下簡稱“鄂北調水工程”)可行性研究報告，該工程以丹江口水庫為水源，多年平均總引水量13.98 億m3，包含原《南水北調中線工程規劃》中供引丹灌區的11.07 億m3，其中已運行的唐西引丹灌區多年平均引水量6.28 億m3，鄂北受水區渠首多年平均引水量7.70 億m3，從漢江中下游干流用水區供水中調整2.91 億m3。那么，漢江中下游水量的減少，對漢江干流水文情勢將產生怎樣的影響，這是鄂北調水工程亟須解決的問題。

然而，漢江干流引調水工程眾多，根據2012年水利部長江水利委員會編制的《漢江干流綜合規劃報告》(2010年修編)[2]，推薦漢江干流梯級開發方案為黃金峽-石泉-喜河-安康-旬陽-蜀河-白河-孤山-丹江口-王甫洲-新集-崔家營-雅口-碾盤山-興隆共15級，其中漢江中下游七級開發方案中，王甫洲水利樞紐、崔家營航電樞紐和興隆樞紐已建，新集水電站環評已取得環保部批復，雅口水利樞紐和碾盤山水利樞紐正在開展前期工作；規劃有以丹江口水庫為水源的南水北調中線工程，及漢江中下游四項治理工程。南水北調中線一期工程從漢江丹江口水庫陶岔閘引水，年均調水量95 億m3，已于2014年12月12日通水。漢江中下游四項治理工程中引江濟漢工程是從長江荊州段龍洲垸引水至漢江潛江段高石碑，年平均輸水37 億m3，其中補漢江水量31 億m3，該工程已于2014年建成并運行。2014年9月，國家發改委批復陜西引漢濟渭工程可行性研究報告，引漢濟渭工程總調水規模的15 億m3，其中漢江支流子午河自流調水5 億m3，漢江干流黃金峽水庫引水10 億m3。漢江上游干流各調水工程的建設運行，也勢必對漢江中下游的水文情勢造成重大的影響，進而可能導致漢江中下游生態系統遭受破壞[3-6]。

因此，為了區分鄂北調水工程對漢江中下游水文情勢的影響，本文在已有的研究基礎上，綜合漢江上游干流各調水工程的規模、漢江中下游梯級開發以及治理工程，并結合有關規劃及水資源配置方案，設置了3種情景，運用MIKE模型對比分析不同情景下調水工程對漢江中下游水文情勢的影響，以為保障漢江中下游生態系統的完整性及可持續發展提供參考依據。

1 研究方法

本文采用MIKE11水動力模塊模擬漢江中下游水文情勢，該模塊是基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流或河口的水流狀態。方程組利用Abbott-Ionescu六點隱式差分格式求解，該格式在每一個網格點不同時計算水位和流量，而是按照順序交替計算水位或流量，具有穩定性好，計算精度高的特點[7]。該模型在進行完全水動力學模擬的同時，也可進行各種簡化的水流模擬，如擴散波、運動波及準穩定流的計算。MIKE11可以模擬各種水土建筑物(如箱涵、堰或泄流閘)及其運用規則。

本文采用納什效率系數NSE來判定模擬流量(水位)過程與實測流量(水位)過程的擬合程度；采用相對誤差RE來評判測流斷面不同點位流速、流向模擬值與實測值的偏差。其中，NSE可用來評價模型模擬的精度，反映了實測與模擬數據的吻合程度，其值在[0,1]之間，越接近于1表示模型模擬效果越好；RE則反映了模擬數據和實測數據相對誤差，計算公式如下[8]：

(1)

RE=(Vsim,i-Vobs,i)/Vobs,i

(2)

2 研究結果與分析

2.1 模型概化

研究區域為漢江中下游河段，即丹江口壩下～漢江匯口，根據漢江干流特點，將流域內影響水流運動的因素概化為一維模型(一維河道)和聯系要素(漢江水利樞紐等)，計算斷面334個，水工控制建筑物4個，分別為王甫洲水利樞紐、新集水電站、崔家營航電樞紐和興隆水利樞紐。

水文邊界以丹江口壩下為上邊界，以龍王廟水位站為下邊界。由于丹江口壩下至黃家港無大的支流匯入，沿程流量變化不大，因此上邊界流量利用黃家港斷面逐月流量成果，并考慮區間北河、南河、小清河、唐白河、蠻河、竹皮河、漢北河等主要支流的匯入以及主要引排水閘站取退水影響；下邊界水位則采用龍王廟水位站實測水位數據，并根據不同的來水條件適當進行調整。

2.2 模型率定與驗證

水動力模型參數主要包括糙率和與熱量有關的系數，其中河段糙率取值對模型計算最為關鍵。本文將漢江中下游劃分為7段，分別選取仙桃水文站2010和2011年的逐日實測流量數據以及襄陽水文站2010年6月和2013年5月逐日實測水位數據為率定期和驗證期。參數率定時首先根據沿程各河段比降和各水文站實測的相應水力因子，采用曼寧公式估算出河道糙率初始值，再根據試算結果與實測值的對比對參數進行調整，經反復試算，直至計算結果與實測值較好地吻合。本文優選出各河段水動力學模型糙率如表1所示，一維水動力模型率定與驗證結果如圖1和圖2所示。

表1 漢江中下游一維水動力模型率定的河床糙率Tab.1 River bed resistance of hydrodynamic model in the middle and lower reaches of Hanjiang River

圖1 仙桃水文站逐日流量過程率定與驗證Fig.1 Observed and simulated daily discharge for calibration and validation period

圖2 襄陽水文站逐日水位過程率定與驗證Fig.2 Observed and simulated daily water level for calibration and validation period

由圖1可知，除洪峰過程有所偏移外，仙桃水文站流量預測值與實測值吻合程度較好，率定期NSE為0.77，驗證期NSE為0.73。襄陽水文站水位預測值與實測值吻合程度較好，率定期和驗證期NSE分比為0.81和0.74(見圖2)。從一維水動力模型率定與驗證結果來看，模型計算的流量、水位過程與實測數據的NSE均可達0.7以上，因此，一維水動力模型能夠較真實地模擬研究區域的水文狀況，具有較高的可靠性。

2.3 水文情勢的影響分析

為了弄清鄂北調水工程實施后對漢江中下游干流水文情勢的影響，本文綜合漢江中下游干流規劃梯級開發(王甫洲、新集、崔家營、興隆)、引江濟漢等工程運行特點以及丹江口水庫調蓄作用，共設置了3種情景對比分析典型斷面在不同工程實施階段水文情勢的變化情況。由于本文主要考慮漢江上游干流調水情況，故引漢濟渭工程只考慮從黃金峽水利樞紐調水10 億m3，具體情景設置如表2所示。

表2 漢江中下游水文情勢影響分析情景設置Tab.2 The condition of three kinds of engineering and hydrology

2.3.1工程實施對典型斷面年平均流量、水位和流速的影響

本文按照S1、S2、S3三種情景設置，對漢江中下游江段進行了一維水動力模擬。綜合考慮水文站、梯級電站等因素，選取了黃家港水文站、王甫洲壩下、新集、崔家營、雅口、碾盤山、皇莊水文站、興隆、仙桃水文站、宗關10個斷面，選擇P=10%、P=50%、P=90% 3種典型年丹江口下泄來水條件，對比分析3種情景下工程實施對河道年平均流量、水位、流速的影響。

由模型MIKE11計算不同情景下不同設計頻率10個斷面的年平均流量、水位、流速，僅以平水年3種情景對比下各斷面年平均流量為例，結果如圖3所示。

圖3 平水年3種情景對比下漢江中下游各斷面年平均流量變化情況 Fig.3 Variation of annual discharge of each cross-section under three scenarios in normal year in the middle and lower reaches of Hanjiang Rvier(P=50%)

由圖3(a)可知，S3與S2相比，平水年各斷面年平均流量減小了17.5～29.9 m3/s，相對差值為1.7%～4.3%；水位下降了0.01～0.06 m、流速減小了0～0.05 m/s，相對差值為1.1%～35.7%。由此可見，清泉溝增加引水后，在各梯級不銜接的自然河段，水位、流速略微下降。

由圖3(b)可知，P=50%平水年， S3與S1相比，各斷面年平均流量減小了355.9～629.8 m3/s(24.8%～47.7%)，新集斷面水位上升了9.91 m，其余斷面水位下降了0.07～1.05 m，流速減小了0.06%～0.63m/s(10.1%～77.2%)。

綜上可知，從S1到S3情景，以P=50%平水年為例，各斷面流量、水位、流速最大降幅分別為629.8 m3/s、1.05 m、0.63 m/s。其中由鄂北調水工程對其貢獻率分別為3.4%、5.7%、1.0%，故鄂北調水對漢江中下游各斷面流量、水位、流速的影響較小。因此，漢江中下游流量、水位、流速下降主要是受已規劃的引調水工程實施以及規劃梯級開發的影響[9-12]。

2.3.2 漢江中下游水文情勢沿程累積變化

調水工程實施后，由于不斷受到沿途支流匯入的影響，沿程斷面流量變化規律性強，基本從上游至下游降幅逐漸減小。然而，流速和水位的沿程變化則呈現出無規律性，因為流速的變化不僅與流量有關，還受到河道地形、比降等因素的影響，而水位受河道寬度、地形以及梯級蓄水等因素的影響。因此，本文以年均流量變化為指標，對比分析3種情景下漢江中下游水文情勢沿程累積變化情況(見圖4)。

圖4 不同情景間沿程各斷面年平均流量降幅Fig.4 The decreasing amplitude of annual discharge of each cross-section along the way under three scenarios

S3與S2相比，清泉溝增加引水后沿程各斷面流量減幅度在5%以內。P=90%枯水年，沿程各斷面年平均流量下降幅度呈略微增加趨勢，因為該時段引水流量較小，各斷面流量變化主要受中下游河道外取用水影響，越往下游河道外取用水越多。P=10%豐水年、P=50%平水年，沿程各斷面平均流量降幅從上游至下游基本呈累積減少趨勢，其中黃家港、王甫洲、新集3個斷面平均流量降幅相對較大；崔家營斷面平均流量降幅相對前3個斷面的略有減小，因為新集以下有唐白河支流的匯入，漢江干流流量得到一定程度補給；崔家營以下隨著沿程支流不斷匯入，各斷面平均流量降幅逐漸減小，受引水的影響逐漸減弱。

S3與S1相比，沿程各斷面年均流量降幅較大。P=90%枯水年，除仙桃、宗關斷面因受引江濟漢工程補水的影響，年均流量有所增加外[3]，興隆以上沿程各斷面年均流量下降幅度呈累積降低趨勢，唐白河匯入前，黃家港、王甫洲、新集3個斷面年均流量降幅在57%左右；新集以下唐白河、蠻河、竹皮河等支流相繼匯入后，崔家營～興隆沿程斷面年均流量降幅減少至52.5%左右。P=50%平水年，沿程斷面年均流量減幅的累積降低趨勢顯著，黃家港、王甫洲、新集3個斷面年均流量降幅在47%左右；新集以下唐白河、蠻河、竹皮河等支流相繼匯入后，崔家營～興隆沿程斷面年均流量降幅減少至40%左右，表明支流匯入對干流流量的影響較大[13]；興隆以下由于引江濟漢補充了部分水量，仙桃、宗關斷面年均流量降幅累積減少至26%左右。P=10%豐水年，沿程各斷面年均流量降幅的變化趨同典型平水年。

3 結 語

本文根據上游調水工程實施情況，并綜合漢江中下游干流規劃梯級開發、引江濟漢等工程運行特點以及丹江口水庫調蓄作用，為了區分鄂北調水工程對漢江中下游水文情勢的影響，設置了3種情景對比分析不同工程實施對漢江中下游水文情勢的影響。結果表明：

(1)S3情景與S1情景相比，除枯水年仙桃和宗關兩個斷面由于引江濟漢工程補水導致其年均流量增大、新集斷面由于增加新集水電站工程導致其水位增大外，其余斷面年均流量、年均水位和年均流速均有不同程度地降低，P=50%平水年最大降幅分別為47.7%、14.9%、77.2%。S3情景與S2情景相比，各斷面年平均流量、水位過程呈微弱降低趨勢。

(2)除仙桃、宗關斷面因受引江濟漢工程補水的影響，年均流量有所增加外，沿程各斷面平均流量降幅從上游至下游基本呈累積減少趨勢。S3情景與S2情景相比，沿程各斷面流量減幅度在5%以內，總體上清泉溝增加引水后對漢江中下游流量、水位和流速的影響微弱，表明鄂北調水工程對漢江中下游的水文情勢影響較小。S3情景與S1情景相比，沿程各斷面流量降幅較大且基本分為3段，相同斷面不同典型水平年其降幅不同，表明各支流的匯入對干流流量的影響較大，已規劃的調水工程和梯級開發對漢江中下游的水文情勢影響較大。

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