1 引言
洞庭湖位于荊江南岸，北緯28°44′~29°35′、東經111°53′~113°05′之間，是由西洞庭湖、南洞庭湖和東洞庭湖組成的淺碟狀季節性調蓄湖泊.洞庭湖區屬亞熱帶季風氣候，氣候溫潤，雨量充沛，光熱充足，多年平均氣溫16.4~17.0 ℃，年降水量1200~1450 mm.洞庭湖承納由長江松滋口、太平口、藕池口(簡稱三口)分泄入湖的水量和洞庭湖本地流域湘江、資江、沅江、澧水(簡稱四水)的匯入，經湖泊調蓄后，由城陵磯一處重新匯入長江.洞庭湖與長江干流、上游河流流域之間通過上述河網水系相互聯接耦合，形成錯綜復雜、動態變化的江湖、河湖關系.洞庭湖年內不同時期水位漲落變幅較大，湖區水面動態變化明顯，洲灘漫露過程交替進行，有高水湖相、低水河相的特征.近年來，受流域降雨偏枯及三峽水庫蓄水等影響，洞庭湖干旱事件頻發，嚴重影響洞庭湖濕地生態環境，威脅候鳥等珍貴物種棲息地.為有效緩解洞庭湖枯水期旱情，解決洞庭湖季節性水資源短缺、枯水期提前及延長等問題，改善湖區供水、灌溉、濕地生態、航運、水產等條件，充分發揮洞庭湖的生態服務功能，湖南省和湖北省政府提出了建設城陵磯綜合樞紐工程，綜合考慮生態、水環境、供水、灌溉、航運等不同要求，城陵磯綜合樞紐工程采用“控枯不控洪”的調度方式運行.城陵磯綜合樞紐工程的建設將對洞庭湖水動力條件產生重要影響，引起社會廣泛關注與爭論.因此，有必要對樞紐工程的影響進行研究和論證.
該研究以2010年的水文、氣象數據為基礎，綜合考慮洞庭湖水文節律與城陵磯綜合樞紐調度方式，應用MIKE 21構建洞庭湖二維水動力模型，模擬探討了不同時段(退水期(10—11月)、枯水期(12—翌年3月))擬建的城陵磯綜合樞紐工程對洞庭湖水位、流速分布特征的影響，揭示樞紐工程對湖區水動力條件的影響機制，以期為城陵磯綜合樞紐建設的科學論證提供理論參考.需要說明的是，根據城陵磯綜合樞紐調度方案，4月1日至8月31日，閘門全開，江湖連通，洞庭湖水動力特征不受影響，故該研究不對該時段進行模擬.
2 研究區域及方法
2.1 城陵磯綜合樞紐設計及調度方案概況
城陵磯綜合樞紐工程位于洞庭湖入江水道，壩址擬選定湖南省岳陽市洞庭湖出口河段岳陽洞庭湖第一大橋下游約1.8 km處，樞紐軸線總長3532.7 m.綜合考慮生態、水環境、供水、灌溉、航運等不同要求，城陵磯綜合樞紐工程采用“控枯不控洪”的調度方式運行.城陵磯綜合樞紐工程目前尚處于論證階段，其初步調度方案見表 1.
表 1 城陵磯綜合樞紐工程初步調度方案
?2.2 洞庭湖二維水動力模型構建
MIKE 21模型(DHI，2007)是丹麥水力研究所(DHI)開發的系列水力學軟件之一，MIKE 21水動力模塊是建立在二維數值求解方法的淺水方程基礎上，深度上集成三維不可壓縮和Reynolds值均布的納維-斯多克斯方程，并服從于Boussinesq假定和靜水壓力的假定.該模型采用有限體積算法，計算網格采用非結構網格，因此能夠靈活處理復雜地形和動態變化的水陸邊界.水動力模型控制方程如下：
水流連續性方程：
水流運動方程：
式中，t表示時間，x、y為笛卡爾坐標系坐標，η為水位，u、v分別為x、y方向上的速度分量，f是科氏力系數，f=2ωsinφ，ω為地球自轉角速度，φ為當地緯度，g為重力加速度，ρ為水的密度，sxx、sxy、syy分別為輻射應力分量，F為水平渦粘項，S為源項，us、vs為源項水流速度.
基于MIKE 21模型構建洞庭湖二維水動力模型，模型計算區域范圍為114 km×113 km，計算網格根據1995年洞庭湖1:10000水下地形構建，對洪道等高程變化大的網格進行加密，在地形變化不大的灘區則采用了較大的網格，共劃分節點29571個，網格單元55778個，網格分辨率為25~600 m.模型的上邊界為湘江、資水、沅江、澧水“四水”及長江松滋口、太平口、藕池口 “三口”的逐日流量，下邊界為出口城陵磯的逐日水位.入湖及出湖口地理位置如圖 1所示.水陸邊界采用水深干濕動態邊界判斷技術(干水深0.01 m，濕水深0.1 m).由于洞庭湖湖面寬廣，降雨量與蒸發量大致相抵，模型中未考慮湖面收納降雨量及蒸發量的影響，對于湖周因降雨產生的地表徑流的匯入，參考《城陵磯綜合樞紐對洞庭湖水質的影響及對策研究》報告中面源的輸入特征予以概化，最終概化為8個匯入點.風場：模型計算區域采用均勻風場，風速采用洞庭湖多年平均值2.88 m·s-1，風向采用最高頻率風向NNE.選取平水年2010年作為模擬計算的典型年份對模型參數進行率定，經率定后，洞庭湖洪道和主槽糙率在0.02~0.03之間，灘區糙率在0.03~0.04之間.渦粘系數采用Smagorinsky公式計算，Cs取值為0.28.
圖 1
圖 1 洞庭湖模擬區域及地形
水動力模型驗證分別選取洞庭湖東、南、西湖區不同位置的岳陽、鹿角、營田、小河嘴4個站點(見圖 1)的實測水位與模擬水位進行對比，結果如圖 2所示.4個水文站點水位模擬的Nash效率系數依次為0.999、0.995、0.972、0.883，模擬效果較好.小河嘴站點誤差相對較大，可能由地形數據(1995年)誤差造成.水位模擬能夠反映洞庭湖湖區水位季節性變化特征，洲灘漫露交替過程，模擬結果真實可靠.
圖 2
圖 2 洞庭湖2010年各水文站點水位模擬值和實測值比較
3 結果與討論
3.1 城陵磯樞紐工程對洞庭湖水位變化的影響
城陵磯綜合樞紐運行后，將抬升洞庭湖區水位，湖區各站點水位變化過程與下游閘壩控制邊界趨勢相同，湖體水動力條件與樞紐調度方案密切相關.城陵磯綜合樞紐調控對洞庭湖退水期、枯水期水位的影響具有明顯的空間異質性，東、南湖區的岳陽、鹿角、營田水位變化受影響較大，西洞庭湖幾乎不受樞紐的影響，呈現由東洞庭湖至南洞庭湖至西洞庭湖逐級遞減特征.
1)洞庭湖退水期(10—11月)，即湖泊由豐水時期轉變為枯水時期的階段：①無樞紐工程條件下，洞庭湖退水期平均出湖水位22.12 m，湖面面積1955 km2，湖容32.5億m3.湖區岳陽、鹿角、營田站點10月開始水位下降顯著，相比于9月份分別下降約3.54、3.13、2.63 m，南嘴、草尾次之，分別降低約0.9、0.95 m;受湖口水位拉空效應的影響，相比于10月，岳陽、鹿角、營田站點11月水位分別下降，3.41、3.00、2.66 m，湖泊退水速率較快，退水末期湖泊水位降至低枯水平，11月岳陽、鹿角、營田、南嘴、草尾平均水位分別降至20.42、21.29、22.64、28.03、27.2 m，東、南、西洞庭湖水位格局差異顯著，水位相差最高達7.61 m.②城陵磯綜合樞紐調控條件下，相比于9月洞庭湖岳陽、鹿角、營田站點10月水位下降1.70~1.98 m，至11月水位下降1.36~1.63 m，洞庭湖退水速率平穩，退水過程由樞紐建設前的迅速退水向穩定退水轉變，有效抬升湖區水位.由于洞庭湖水面面積及地形差異較大，一定水位條件下的湖體水動力條件反應過程是逐步顯現的，靠近樞紐的區域影響最大，即離樞紐位置越近，水位增幅越大.相比于無樞紐條件下，10月岳陽、鹿角、營田水位分別抬升1.28、0.99、0.73 m，11月分別抬升3.33、2.54、1.76 m，最高縮小各湖區間的水位差達3.33 m，湖體連通性好.平均出湖水位抬升2.28 m，隨著湖區水位的抬升，有效增加湖面面積212 km2，增幅為10.84%，約占湖泊總面積的8.02%，湖面面積增至2167 km2，有效增加湖容12.9億m3，增幅為39.69%，約占湖泊總容量的11.68%，湖容增至45.4億m3.洞庭湖呈現湖相特征，能夠在一定程度上緩解洞庭湖枯水期時間提前現象.見圖 3、圖 4.
圖 3
圖 3 城陵磯綜合樞紐建設前后洞庭湖退水期、枯水期水位對比
圖 4
圖 4 城陵磯樞紐工程建設前后退水期、枯水期水位影響空間變化(圖中數據為水位變幅△=工程建設后水位—工程建設前水位)
2)洞庭湖枯水期(12月—翌年3月)：①無樞紐工程條件下，洞庭湖維持較低水位，湖面面積平均1661 km2、湖容僅為18.73億m3，灘區多數出露，湖區水位由西向東遞減，岳陽、鹿角、營田、南嘴、小河嘴枯水期水位變化范圍分別為18.96~19.86、20.96~21.77、22.85~23.62、27.57~27.78、27.9~28.3 m.②樞紐工程調控下，枯水期洞庭湖水位明顯抬升，其中岳陽、鹿角、營田漲幅明顯，分別有效抬升3.61~4.23、2.03~2.38、1.14~1.32 m，各湖區水位差范圍由8.44~9.12 m縮小至4.71~4.89 m，湖泊面積增加99 km2，增幅為5.96%，約占湖泊總面積的3.74%，湖面面積增至1760 km2;湖容增加5.84億m3，增幅為31.18%，約占湖泊總容量的5.29%，湖容增至23.18億m3.枯水期樞紐工程水位控制在23~23.5 m之間，能夠緩解洞庭湖春旱現象，對增加洞庭湖水域面積、湖容作用顯著.見圖 3、圖 4.
3.2 城陵磯樞紐工程對洞庭湖流速變化的影響
城陵磯樞紐工程運行后，將改變洞庭湖湖區水動力條件，特別是與閘壩水力聯系緊密的東洞庭湖湖區，受閘壩蓄水頂托的影響，水體流速將變緩.
1)洞庭湖湖體典型水文站點流速變化.模擬結果顯示(見圖 5)，受樞紐工程調度的影響，洞庭湖退水期、枯水期平均流速由0.30 m·s-1和0.23 m·s-1降至0.28 m·s-1和0.19 m·s-1，分別降低了6.67%、17.39%，其中枯水期由于水位抬升幅度較大，湖區水位維持在較高水平，各湖區水位差減小，流速降幅最為明顯.從空間上看，與水位模擬結果較為一致，城陵磯綜合樞紐調控對洞庭湖東、南湖區的岳陽、鹿角、營田流速影響較大，西洞庭湖幾乎不受樞紐的影響，空間上變幅隨各站點空間分布位置不同而有所差異.退水期岳陽、鹿角、營田流速分別降低了0.06、0.1、0.05 m·s-1，降幅分別為19.36%、24.27%、29.07%;枯水期岳陽、鹿角、營田流速分別降低了0.1、0.12、0.06 m·s-1，降幅分別為33.5%、30.47%、25.39%.西洞庭湖各站點流速變幅在0.1%~0.4%之間，樞紐建設前后流速差異不明顯.
圖 5
圖 5 城陵磯綜合樞紐建設前后洞庭湖退水期、枯水期典型站點流速對比
2)洞庭湖湖體流場分布格局變化.將湖體劃分為閘前區域、主洪道、東洞庭湖灘區、南洞庭湖灘區、西洞庭湖灘區進行對比，結果如圖 6所示.無樞紐工程條件下，洞庭湖湖體流速空間上呈現主洪道>閘前區域>南洞庭湖灘區>西洞庭湖灘區>東洞庭湖灘區的分布特征.在城陵磯樞紐工程的調控下，洞庭湖各區域流速有不同程度的改變，其中閘前區域與主洪道流速降幅最大，退水期平均下降0.11、0.14 m·s-1，枯水期平均下降0.02、0.03 m·s-1，東洞庭湖灘區略有下降，西、南洞庭湖灘區流速變幅不大.
圖 6
圖 6 城陵磯綜合樞紐工程建設前后退水期、枯水期流速比較
圖 7
圖 7 城陵磯樞紐工程建設前后退水期、枯水期流速影響空間變化(圖中數據為流速變幅△=工程建設后流速—工程建設前流速)
3.3 討論
3.3.1 城陵磯樞紐工程對洞庭湖旱情的影響
受自然因素和人類活動導致的江湖關系變化等多因素影響，洞庭湖水情和湖泊調蓄能力顯著改變，流域內干旱頻發，季節性水文干旱問題凸顯(孫占東等，2015;李景保等，2011;徐俊杰等，2008;封國林等，2012;Dai et al.，2008).特別是近10 a來，一方面，受氣候條件、降雨量偏枯的影響，洞庭湖本地流域和長江上游天然流量整體偏少(Dai et al.，2008);另一方面，洞庭湖與長江通過長江三口(松滋口、太平口、藕池口)分流入湖以及城陵磯出湖吞吐長江，形成相互影響制約的復雜江湖關系，湖泊水情與長江干流密切相關(萬榮榮等，2014).三峽水庫蓄水運行后，蓄水期9—11月長江三口分流水量大幅減少甚至斷流，三口斷流時間每年達到5~6個月，康家崗站甚至長達8個月(張細兵等，2010;胡光偉等，2014)，洞庭湖來水減少明顯，導致湖泊提前進入枯水狀態，枯水期歷時增加，枯水期水位多次接近甚至低于歷史同期最枯水位(2006年、2009年、2011年)，洞庭湖水位呈現洪旱急轉情勢(孫占東等，2015;李景剛等，2010;Sun et al.，2014).同時，由于清水下泄，荊江河段沖刷嚴重，長江干流對洞庭湖湖口拉空效應明顯，同流量下城陵磯出流加快，加快了洞庭湖水位降低形勢，加重了洞庭湖干枯程度(賴錫軍等，2012;胡春宏等，2014).枯水期12月—次年3月，長江增加下泄流量對下游補水，但受流域來水偏少的影響，洞庭湖春旱事件依舊頻發(封國林等，2012).城陵磯綜合樞紐采取9月開始蓄水，最高蓄至27.5 m后按照天然水位節律下泄，至次年3月底，抬升枯水期水位至23.0~23.5 m的調度方式.城陵磯樞紐運行后，對增加洞庭湖水域面積、湖容作用顯著，湖泊水體由河道型向湖泊性轉變.退水階段能夠有效抬升全湖水位0.78 m，東洞庭湖水位平均抬升2.04 m，增加湖泊面積212 km2，增加湖容12.9億m3，洞庭湖呈現湖相特征，能夠在一定程度上緩解洞庭湖秋旱現象.枯水階段能夠有效抬升全湖水位1.06m，東洞庭湖水位平均抬升3.08 m，增加湖泊面積99 km2，增加湖容5.84億m3，能夠在一定程度上緩解洞庭湖春旱現象.同時，樞紐工程的建設能夠減緩湖口長江對洞庭湖的拉空效應，降低洞庭湖向長江下泄的流量.因此，樞紐工程對緩解洞庭湖秋季旱情、春季旱情作用明顯，能夠在一定程度上解決洞庭湖枯水期提前、枯水期延長、枯季水位偏低等問題.
3.3.2 城陵磯樞紐工程對洞庭湖富營養化風險的影響
氮、磷營養鹽是影響浮游植物生長的關鍵因子，也是發生富營養化的必要條件(Camargo et al.，2006).當營養鹽濃度含量較高時，營養物質不再是限制湖泊富營養化的因素，水文、水動力、氣象條件會起關鍵作用(吳鋒等，2012).水動力條件決定水體營養物質、泥沙、沉積物的遷移轉化過程，對浮游植物種類、數量也起重要作用(Arfi et al.，2008>).由于洞庭湖屬典型的過水吞吐型湖泊，水體滯留時間約為20 d，湖區水流速度較快，水循環周期短，湖區水體更新頻繁，對污染物自凈能力強，污染物質不易滯留于湖體，加之洞庭湖泥沙含量高，水體透明度低，不易于藻類生長繁殖，營養水平一直處于中營養狀態，未出現大面積富營養化特征(張建明等，2006;黃代中等，2013).近年來，隨著洞庭湖流域社會經濟快速發展，洞庭湖水體TN、TP超標現象嚴重，流域內工業化、城鎮化和農業產業化進程的推進大大加劇了營養物質在湖泊的富集過程，加重了洞庭湖水體的污染(王麗婧等，2013;王巖等，2014).此外，伴隨三峽水庫蓄水運行、長江三口來水來沙的大幅減少，洞庭湖水動力條件、水體透明度等亦發生著不利的改變(Dai et al.，2005;Xu et al.)，富營養化趨勢不容樂觀.
城陵磯綜合樞紐運行后，將進一步改變洞庭湖的江湖交換關系，特別是退水期、枯水期的水文情勢改變尤為顯著.隨著退水期、枯水期水位的抬升，湖面面積相應增大，湖區水體流速變緩.一方面影響湖區水體的自凈能力，可能導致洞庭湖污染物遷移轉化特性發生改變(王鵬等，2014)，另一方面會導致湖區泥沙沉積量加大、水體透明度增加，退水期、枯水期水體滯留時間分別延長約2.11、2.63 d，湖區由急流河流型水體向緩流湖泊型水體轉變.由于洞庭湖TN、TP濃度維持較高水平(TN年均2.34 mg·L-1、TP年均0.06 mg·L-1)(王雯雯等，2013;王巖等2014;秦迪嵐等，2011)，遠遠超出藻類水華時營養鹽臨界值(TN：0.2 mg·L-1、TP：0.02 mg·L-1)，洞庭湖富營養化的限制因素已不再是營養物質而是水動力條件.在適宜的光熱條件下，流速的減緩使得浮游植物有更長的時間、在更穩定的水流中生長繁殖(Kawara et al.，1998)，將進一步加大湖區富營養化風險(鐘成華，2004)，特別是在流速降低較為明顯的東洞庭湖湖區.具體參見 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。
4 結論
1)在城陵磯綜合樞紐的調控下，洞庭湖退水速率平穩，出湖水位抬升明顯，對增加洞庭湖水域面積、湖容作用顯著，湖泊水體由河道型向湖泊型轉變.空間上，東、南湖區的岳陽、鹿角、營田水位變化增幅較大，西洞庭湖幾乎不受樞紐的影響，呈現由東洞庭湖至南洞庭湖至西洞庭湖逐級遞減特征.退水階段能夠有效抬升全湖水位0.78 m，增加湖泊面積212 km2，增加湖容12.9億m3.枯水階段能夠有效抬升全湖水位1.06 m，增加湖泊面積99 km2，增加湖容5.84億m3.樞紐工程對緩解洞庭湖秋季旱情、春季旱情作用明顯，能夠在一定程度上解決洞庭湖枯水期提前、枯水期延長、枯季水位偏低等問題.
2)城陵磯樞紐工程運行后，與閘壩水力聯系緊密的東洞庭湖湖區，受閘壩蓄水頂托的影響，水體流速將變緩.枯水期由于水位抬升幅度較大，湖區水位維持在較高水平，各湖區水位差減小，流速降幅最為明顯.洞庭湖退水期、枯水期平均流速由0.30 m·s-1和0.23 m·s-1降至0.28 m·s-1和0.19 m·s-1，分別降低了6.67%、17.39%.
3)城陵磯綜合樞紐運行后，洞庭湖湖區水體流速降低、泥沙沉積量加大、水體滯留時間增大、水體透明度增加，湖區由急流河流型水體向緩流湖泊型水體轉變，加之營養鹽濃度維持較高水平，在適宜的光照條件下浮游植物生物量會顯著增長，將加大湖區富營養化風險.
4)城陵磯綜合樞紐的建設運行將不可避免地對洞庭湖水文情勢產生直接或間接影響，并進一步導致洞庭湖的江湖關系和湖區生態環境的變化.受數據的限制，該研究采用1995年的洞庭湖水下地形，精準性有所不足;同時，僅以平水年2010年的數據為例，探討城陵磯綜合樞紐對洞庭湖水動力參數的影響，其代表性亦有限，樞紐工程最終給洞庭湖水文情勢帶來何種程度的影響，有待進一步的研究.
