水利工程論文-洞庭湖河湖疏浚防洪減災(zāi)效益研究.doc

水利工程論文-洞庭湖河湖疏浚防洪減災(zāi)效益研究摘要：洞庭湖是長江中游的重要調(diào)蓄湖泊，但由于接納湘、資、沅、澧四水和長江三口洪水、泥沙，使得河道湖泊泥沙淤積，洪水位抬高，在不斷加重湖區(qū)的防洪負(fù)擔(dān)的同時(shí)，造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。根據(jù)洞庭湖河湖疏浚規(guī)劃，通過對(duì)典型河段疏浚前后水情、堤防防洪能力和內(nèi)湖自排時(shí)間等的變化的深入分析，定量與定性相結(jié)合對(duì)洞庭湖河湖疏浚的防洪減災(zāi)效益進(jìn)行了分析研究和預(yù)測(cè)。關(guān)鍵詞：疏浚防洪減災(zāi)效益洞庭湖1問題的提出洞庭湖作為長江中游的調(diào)蓄湖泊，是長江中下游防洪體系中的重要組成部分。它不僅具有調(diào)蓄江河徑流、發(fā)展航運(yùn)、漁業(yè)和為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供豐富水資源等用途，還對(duì)調(diào)節(jié)湖區(qū)氣候和生態(tài)平衡也起著重要作用。由于洞庭湖接納湘、資、沅、澧四水和長江的松滋河、虎渡河、藕池河三口，每年有大量的泥沙進(jìn)入洞庭湖，其中約四分之一左右的泥沙由城陵磯注入長江，四分之三則淤積在洞庭湖，1975年與1952年比較，七里湖平均淤積達(dá)4m以上，南洞庭湖淤積近2m，東洞庭湖淤積近1m。由于泥沙淤積，造成四口洪道多呈淤積萎縮態(tài)勢(shì)，湖內(nèi)洲灘滋長、蘆柳叢生、滯流阻水嚴(yán)重，進(jìn)而加速泥沙淤積，并有惡性循環(huán)之勢(shì)。而且由于湖泊萎縮使得水系紊亂，相互頂托干擾。這些問題導(dǎo)致洞庭湖區(qū)調(diào)蓄容積減少、洪水位不斷抬升、江湖關(guān)系改變，加重湖區(qū)的防洪負(fù)擔(dān)、造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。因此，加強(qiáng)洞庭湖區(qū)河道整治、實(shí)施河湖疏浚工程、調(diào)整部分河段的河勢(shì)、改善水流條件、穩(wěn)定河床、減少泥沙淤積、延長河道壽命是非常迫切的。目前洞庭湖河湖疏浚規(guī)劃已經(jīng)完成，包括湘、資、沅、澧四水尾閭和松滋河、藕池河、南洞庭湖、東洞庭湖、汩羅江等疏挖總工程量達(dá)33876.40104m3，目前為止已經(jīng)付諸實(shí)施的有約4067.91104m3。為了客觀地反映河湖疏浚的實(shí)際效果和作用，必須正確全面地對(duì)河湖疏浚的防洪減災(zāi)效益進(jìn)行分析和研究，并作出合理的評(píng)價(jià)。2河湖疏浚對(duì)典型河段的洪水水位影響分析2.1水力學(xué)方法水力學(xué)法的主要思路是運(yùn)用洞庭湖水動(dòng)力學(xué)模型，在同樣的來水條件下，分別計(jì)算疏浚前后（地形和糙率不同）洞庭湖疏浚影響區(qū)的洪水水位，通過對(duì)水位差值的比較，得出疏浚對(duì)河湖洪水水位的影響。洞庭湖水系中，四水及長江三口控制斷面以下無流量站控制，區(qū)間面積約占洞庭湖水系總面積的20，與洞庭湖洪水的形成密切相關(guān)。本研究洪水演算采用SMS（地表水模擬系統(tǒng)）水力學(xué)模型，區(qū)間的產(chǎn)流計(jì)算采用SSARR（河流綜合預(yù)報(bào)與水庫調(diào)度模型）水文學(xué)模型。SMS模型(SurfaceWaterModelingSystem)是美國陸軍工程兵團(tuán)開發(fā)的水力學(xué)模型。該模型通過求解二維完全圣維南方程組，求解出計(jì)算時(shí)間內(nèi)整個(gè)研究區(qū)域的水位、流量及二維X、Y方向的水流速度。其顯著優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)一二維水力學(xué)模型的結(jié)合，這使得我們?cè)诮r(shí)可將河道概化為一維單元，湖泊等寬廣水面概化為二維單元，實(shí)現(xiàn)一、二維水力學(xué)模型的有機(jī)結(jié)合。SSARR模型是一種概念性河流系統(tǒng)水文預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型，由美國陸軍工程兵團(tuán)河流預(yù)報(bào)中心20世紀(jì)70年代中期研制。它認(rèn)為降雨徑流模型實(shí)質(zhì)上是一個(gè)扣損曲線流域模型，在流域內(nèi)的降雨輸入可以轉(zhuǎn)化為徑流、土壤含水量的增加和流域蒸散發(fā)損失三部分。由于洞庭湖區(qū)間大部分地區(qū)無流量觀測(cè)資料，因此選擇有流量資料的典型流域進(jìn)行參數(shù)分析，再根據(jù)有關(guān)地理因數(shù)，將參數(shù)換算到無資料地區(qū)。根據(jù)水力學(xué)模型的需要將整個(gè)湖區(qū)區(qū)間劃分為49個(gè)子塊，每個(gè)子塊單獨(dú)計(jì)算產(chǎn)流過程。2.1.1SMS水力學(xué)模型邊界條件模型上邊界：四水入流控制站湘潭、桃江、桃源、石門及長江宜昌、長陽及湖區(qū)區(qū)間產(chǎn)流流量。洞庭湖區(qū)沿湖區(qū)間面積的產(chǎn)流，使用SSARR水文學(xué)模型，根據(jù)降雨過程模擬出湖區(qū)區(qū)間流量過程。模型下邊界：長江螺山站。由于河湖疏浚對(duì)螺山站的水位影響甚微，因此可以認(rèn)為疏浚前后螺山站水位基本保持不變。故可將典型年螺山站的實(shí)際水位過程作為模型的下邊界。2.1.2洪水典型年的選擇為了保證分析成果的代表性，必須選擇不同類型的典型年進(jìn)行分析。典型年主要選擇近期的主要大水年1996、1998、1999年。其中1996年洪水為四水遭遇型洪水，1998年洪水為1954年后長江流域全流域大洪水，1999年洪水為湖區(qū)區(qū)間及長江干流遭遇的惡劣組合型洪水。2.1.3分析計(jì)算結(jié)果及原因分析對(duì)計(jì)算采用的3個(gè)典型年，分別選擇疏浚前后的地形資料計(jì)算三個(gè)典型河段影響區(qū)的水位，在疏浚區(qū)每隔500m，模型輸出一個(gè)水位值。計(jì)算的結(jié)果為：澧水洪道洪水水位降低0.20.3m；南洞庭湖洪水水位0.090.17m。在所選的典型河段中，澧水洪道的影響十分顯著，南洞庭湖一帶疏浚前后的影響次于澧水洪道。造成這一結(jié)果的原主要是因?yàn)殄⑺榈罏橐华M窄性河道，洪水期間經(jīng)常出現(xiàn)礙洪現(xiàn)象。疏浚后河道橫斷面面積增加，且主河槽深度加深，水流阻力減小，過流能力增加，洪水水位降低比較明顯；在南洞庭湖區(qū)，由于洪水期間水面寬廣，疏挖增加的河道面積占整個(gè)斷面面積的比重相對(duì)較小，雖然水流阻力也有所減小，但在影響湖區(qū)水流的復(fù)雜水力因素中，疏挖的影響仍不如澧水洪道。2.2水文學(xué)方法本次分析的二個(gè)典型河段位于澧水洪道和南洞庭湖區(qū)。在澧水洪道上有石龜山水文站實(shí)測(cè)水位和流量資料。南洞庭湖區(qū)有沅江水位站，僅有水位資料。根據(jù)兩站不同的資料情況，分析中采用不同的分析方法?；痉治鏊悸肥牵哄⑺榈啦捎脝沃祷涣髁筷P(guān)系法，通過分析河道疏浚前后的單值化水位流量關(guān)系來分析疏浚對(duì)洪水水位的影響；南洞庭湖的沅江站因其只有水位資料，所以通過分析疏浚前后南嘴沅江水位相關(guān)關(guān)系來分析疏浚對(duì)洪水水位的影響。2.2.1澧水洪道疏浚前后石龜山站水位流量關(guān)系變化分析石龜山站水位流量關(guān)系受澧水和長江淞滋口來水的影響，同時(shí)還受到南嘴站水位的頂托，水位流量關(guān)系十分復(fù)雜。單值化處理的基本方法是綜合落差指數(shù)法，其綜合落差取津市至石龜山、石龜山至南咀的組合落差。典型年選1991、1995、1996、1998、1999。各年單值化水位流量關(guān)系曲線均按國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)比各年單值化水位流量關(guān)系，可得：1)同流量級(jí)水位降低。澧水洪道疏浚前后石龜山站水位流量關(guān)系變化較大，水位在37.0m以上，與疏浚前1991年相比，降低幅度一般位于0.20.5m之間。2)同水位級(jí)流量增加。在水位37m以上，疏浚以后幾年的關(guān)系線均偏于疏浚前1991年的右方，疏浚后同水位級(jí)下，過流能力增加200500m3/s。2.2.2南洞庭湖疏浚前后沅江站水位流量關(guān)系變化分析沅江站是南洞庭湖的水位站，選用南咀沅江洪峰水位相關(guān)關(guān)系來進(jìn)行分析。資料選樣以19901997年資料作為清淤前資料，選用了29場(chǎng)洪水的南咀沅江洪峰水位資料；19972002年資料作為清淤后資料，共選用了21場(chǎng)洪水的南咀沅江洪峰水位資料。分別擬訂疏浚南咀沅江洪峰前后兩條關(guān)系線，可以看出兩條關(guān)系線有一定的差別，說明南洞庭湖疏浚后，對(duì)南洞庭湖洪水水位的影響較澧水洪道而言影響較小。1997年以后在南洞庭湖蓮花坳廖洋口以及實(shí)洲嶺河段進(jìn)行了一定規(guī)模的疏浚工作，其中實(shí)洲嶺河段靠近沅江站附近。從關(guān)系圖看，南洞庭湖沅江站洪峰水位，疏浚前后在南嘴同等水位情況下，水位降低約0.070.15m，這說明沅江與南嘴的落差加大，水流速度加快。很顯然，由于清淤疏浚，河床加深，過流能力得到一定程度的提高，對(duì)高洪水位的降低有一定作用。2.3河湖疏浚對(duì)典型河段洪水傳播時(shí)間影響分析澧水洪道疏浚于1994年開始，根據(jù)掌握的資料疏浚前選用19781994年資料，疏浚后選用19952002年資料。1995年至今9場(chǎng)洪水平均傳播時(shí)間為18h；而1978年至1994年27場(chǎng)洪水平均傳播時(shí)間為26h，洪水平均傳播時(shí)間縮短8h。很顯然澧水洪道由于河道疏浚，行洪能力增強(qiáng)，水流速度加快，洪水傳播時(shí)間已發(fā)生顯著變化，在原來的基礎(chǔ)上已縮短近三分之一。南咀至營田河段疏浚時(shí)間起于1997年，故可將1997年及其以前的資料，作為疏浚前的資料，由于疏浚時(shí)間持續(xù)到2001年，因而疏浚后的資料十分有限，考慮到1998年已完成了相當(dāng)一部分工作，故將1999年及其以后的資料作為疏浚后的資料進(jìn)行分析。由于湖區(qū)來水組合復(fù)雜，在上述統(tǒng)計(jì)中盡量采用反映南洞庭湖來水的洪水為主，以便使統(tǒng)計(jì)值能反映實(shí)際情況。通過對(duì)1999年至今7場(chǎng)洪水統(tǒng)計(jì)，平均傳播時(shí)間為22h，而1978年至1994年25場(chǎng)洪水平均傳播時(shí)間為24h，兩者相差2h。由此可見在南洞庭湖進(jìn)行疏浚，對(duì)南咀至營田洪水傳播時(shí)間具有一定影響，但影響程度不如河道。3洞庭湖河湖疏浚規(guī)劃對(duì)洞庭湖洪水水位影響預(yù)測(cè)根據(jù)洞庭湖河湖疏浚規(guī)劃，疏挖、擴(kuò)卡和掃障總土石方量33876.5104m3。由于增加了行洪斷面的面積和湖泊容量，相應(yīng)增加了洪道的行洪能力，增強(qiáng)了湖泊的調(diào)蓄能力，對(duì)降低湖區(qū)高洪水位起積極作用。整個(gè)疏浚工程土石方量也就相當(dāng)于洞庭湖增加了約3.4108m3容積，約占洞庭湖總?cè)莘e（城陵磯水位33.5m時(shí)容積167108m3）的百分之二左右。采用前面已經(jīng)建立的水力學(xué)模型，經(jīng)水力學(xué)模型模擬計(jì)算結(jié)果如下：（1）四水尾閭及淞滋河、藕池河及汨羅江疏浚段附近洪水水位的降低較明顯。水位降低的程度與開挖的斷面面積占總斷面面積的比例及洪水級(jí)別有關(guān)。比例越大，水位降低愈明顯。洪水級(jí)別越大，水位降低越小。在計(jì)算河段中澧水尾閭可降低高洪水位0.150.35m，其余河段一般可降低0.10.25m，但在擴(kuò)卡的局部區(qū)域，有時(shí)可降低水位0.3m以上。（2）東洞庭湖洪水水位可降低0.080.14m，南洞庭湖可降低0.10.18m。湖區(qū)水位降低幅度仍然少于河道，這種趨勢(shì)同典型河段的計(jì)算結(jié)果一致。將上述兩項(xiàng)計(jì)算結(jié)果與湖南省重點(diǎn)科研課題成果湖南省20世紀(jì)90年代洪災(zāi)成因及減災(zāi)對(duì)策研究比較，疏浚工程對(duì)洞庭湖的防洪作用相當(dāng)于在四水干流修建一座防洪庫容為45108m3的水庫，對(duì)四水尾閭疏浚段的防洪作用相當(dāng)于在四水干流興建一座防洪庫容為10108m3左右的水庫。4河湖疏浚工程的防洪減災(zāi)效益分析4.1典型河段疏浚效益分析（1）東南湖萬子湖橫嶺湖河段。據(jù)水文分析計(jì)算，實(shí)施該工程后，南洞庭湖地區(qū)水位降低分別為洪水位0.090.17m，枯水位0.20.25m。防洪效益：通過典型年洪災(zāi)損失調(diào)查統(tǒng)計(jì)，疏浚工程的防洪效益可分?jǐn)偟?500104元，疏浚棄土可對(duì)近20km堤段進(jìn)行加固處理，可得年分?jǐn)傂б?00104元；排澇工程效益：因水位下降，電排揚(yáng)程降低，排水率提高，從而使沿河兩岸農(nóng)田免遭內(nèi)澇而達(dá)到農(nóng)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的。統(tǒng)計(jì)解放以來23個(gè)澇災(zāi)年份中因內(nèi)澇致災(zāi)的總經(jīng)濟(jì)損失6.01108元，年平均2613104元，疏浚工程可分?jǐn)?00104元；由于枯水季節(jié)外河水位降低，排水閘自排時(shí)間延長，電排開機(jī)時(shí)間減少，還可減少排澇費(fèi)用90104元，排澇年效益為990104元；防汛搶險(xiǎn)效益：南洞庭湖地區(qū)共有防洪堤長673km，其中湖堤長213km。按全洞庭湖區(qū)年平均防汛搶險(xiǎn)費(fèi)用2.0108元計(jì)，單位堤長的年防汛費(fèi)用為6104元，以疏浚工程實(shí)施后減少防汛費(fèi)用5，則可每年減少防汛費(fèi)用200104元。合計(jì)疏浚工程年效益可達(dá)3990104元。共有疏浚土方1225104m3，按疏浚單價(jià)15元/m3計(jì)，工程總造價(jià)1.85108元。根據(jù)水利建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)規(guī)范的規(guī)定，其經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率為15，經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比為1.25。（2）澧水洪道。據(jù)前述分析實(shí)施該工程后，澧水洪道水位降低分別為洪水位0.20.3m,枯水位0.30.35m。按照南洞庭湖洪道同樣的分析計(jì)算方法，可得澧水洪道疏浚工程的防洪工程效益為10104元、排澇工程效益為30104元、防汛搶險(xiǎn)效益為460104元、航運(yùn)效益為10104元，總工程效益為510104元。陽由垸外洲和陳跡坪兩段共有疏浚土方200104m3，按疏浚單價(jià)15元/m3計(jì)（含棄土區(qū)圍堰等臨時(shí)建筑工程），工程總造價(jià)0.3108元。根據(jù)水利建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)