洞庭湖出口城陵矶站多年平均(三峡工程运行前)径流量为2 573亿m³，约占螺山站多年平均径流量(6 451亿m³)的39.88%^[1]。从时间分布来看，2—6月由于洞庭湖区来水相对较大，城陵矶站的径流量占同期螺山站径流量的43.79%~54.09%，是螺山站径流量的主要来源之一，其中径流量最大出现在4月，占长江干流径流量的54.09%；9—12月洞庭湖区汛期结束，洞庭湖区汇入长江的水量也相应减少，径流同期比例小于35%，其中10月份的径流量最小，只占长江干流的31.37%^[2]。

近年来，河道、湖泊的综合治理已经日渐凸显其重要性。目前国内外典型河湖建闸目标各有不同，通常包括航运、防洪、发电、灌溉，生态保护等各种功能^[3]。三峡水库汛后蓄水，长江干流水位下降，洞庭湖出湖水量增加，影响洞庭湖汛后蓄水量，从而使得洞庭湖水位下降、湿地环境发生变化。受流域降雨量偏枯以及三峡水库蓄水运行等综合影响，洞庭湖季节性干旱等问题日益突出。因此湖南和湖北省政府提出了建设城陵矶综合枢纽工程^[4]。

1 城陵矶综合枢纽初步调度方案

城陵矶综合枢纽实施后，在每年9月上中旬长江水位比较高的情况下，通过调节闸门开度控制出流，使湖区水位维持在三峡工程运行前多年平均水位；在三峡水库开始蓄水后的9，10月份逐步降低湖区水位，避免三峡水库枯水期对洞庭湖水量的影响，对枯水期下游补水预留一定水量。根据洞庭湖枢纽相关规划，初步拟定了城陵矶综合枢纽5个比选调度方案。从泥沙冲淤和防洪安全的角度，对比分析影响最小的最优调度方案。

方案1：9月11日至10月31日，闸上水位按闸址天然水位节律消落至26.0 m；在消落过程中若外江水位达到闸上水位，则闸门全开；至11月底，闸上水位消落至24.5 m；12月底，闸上水位消落至23.5 m；1月1日至3月上中旬，根据最小通航、生态流量等需求控制枢纽下泄流量，闸上水位在23.0~23.5 m之间波动，在此期间，若外江水位达到23.5 m，则闸门全开；4月上中旬若外江水位达到枯季枢纽控制水位，闸门全部敞开，直至8月31日，江湖连通。

方案2：9月11日至10月31日，闸上水位按闸址天然水位节律消落至26.0 m；在消落过程中若外江水位达到闸上水位，则闸门全开；至11月底，闸上水位消落至25.0 m；12月底，闸上水位消落至24.5 m；1月1日至3月底，根据最小通航、生态流量等需求控制枢纽下泄流量，闸上水位在24.0~24.5 m之间波动，在此期间，若外江水位达到24.5 m，则闸门全开；4月初若外江水位达到枯季枢纽控制水位，闸门全部敞开，直至8月31日，江湖连通。

方案3：9月11日至10月31日，闸上水位按闸址天然水位节律消落至26.0 m；在消落过程中若外江水位达到闸上水位，则闸门全开；至11月底，闸上水位消落至25.5 m；12月底，闸上水位消落至25.0 m；1月1日至4月上中旬，根据最小通航、生态流量等需求控制枢纽下泄流量，闸上水位在25.0~25.5 m之间波动，在此期间，若外江水位达到25.5 m，则闸门全开；4月上中旬若外江水位达到枯季枢纽控制水位，闸门全部敞开，直至8月31日，江湖连通。

方案4：9月1日至9月10日，当闸上水位高于29.5 m时，泄水闸门全开；当闸上水位降到29.5 m时，减少闸门开启孔数；9月11日至10月31日，闸上水位按闸址天然水位节律消落至26.5 m；在消落过程中若外江水位达到闸上水位，则闸门全开；11月1日至12月31日，根据最小通航、生态流量等需求控制枢纽下泄流量，闸上水位在26.0~26.5 m之间波动，在此期间，若外江水位达到26.5 m，则闸门全开。1月1日至2月底，根据最小通航、生态流量等需求控制枢纽下泄流量，闸上水位在26.0~26.5 m之间波动。3月1日至3月底，闸上水位逐步消落至25.0 m。在此期间，若外江水位达到25.0 m，则闸门全开。4月上中旬若外江水位达到枯季枢纽控制水位，闸门全部敞开，直至8月31日，江湖连通。

方案5：9月1日至9月10日，当闸上水位高于29.5 m时，泄水闸门全开；当闸上水位降到29.5 m时，减少闸门开启孔数，9月11日至10月10日，闸上水位按闸址天然水位节律消落至27.5 m；若外江水位达到27.5 m，则闸门全开。10月10日至12月31日，根据最小通航、生态流量等需求控制枢纽下泄流量，闸上水位在27.0~27.5 m之间波动，在此期间，若外江水位达到27.5 m，则闸门全开。1月1日至2月底，根据最小通航、生态流量等需求控制枢纽下泄流量，闸上水位在27.0~27.5 m之间波动。3月1日至3月底，闸上水位逐步消落至26.0 m。在此期间，若外江水位达到26.0 m，则闸门全开。4月上中旬若外江水位达到枯季枢纽控制水位，闸门全部敞开，直至8月31日，江湖连通。

2 城陵矶建闸方案计算分析

城陵矶建闸后将可能对长江中游地区的江湖关系产生影响，江湖关系涉及荆江三口分流、四口河系及四水尾闾河网区洪水演进、江河湖泊泥沙淤积。城汉河段是冲积性河道，根据已有文献资料^[5-9]，结合长江中游江湖水沙运动的特点及规律，在长江中下游水沙模型基础上，建立了一个能适应江湖分合、河网交错、分蓄滞泄、相互制约、堤垸溃决、吐纳交替等复杂水流条件和闸门调度要求的一二维汇合非恒定流水沙模型^[10-13]，重点针对城陵矶建闸及其调度后的影响开展深入研究。

长江中游水沙模型算法的基本方程式为：(1)水流运动方程式；(2)水流连续方程式；(3)泥沙连续方程式。其算法为二维有限控制体积高性能水沙算法。

依托长江中下游水沙模型，建立洞庭湖四口河系四水尾闾河网水沙数值模型。研究三峡水库蓄水运行后四口河系四水尾闾河网水沙输移、河道蓄泄关系和河势演变趋势。在此基础上，考虑城陵矶建闸对四口河系四水尾闾河网河道冲淤变化影响，综合原型观测、资料分析、数值模拟等方法，分析计算三峡工程及城陵矶建闸运行后，四口河系四水尾闾河网的泄流能力、泄流量变化，枯季、汛期及其全年的水位、流量等变化。

城陵矶闸设置于网格单元边上，网格单元边长按照闸门宽度设置，利用堰流公式计算单元之间的水流通量，衔接闸上闸下网格单元。

对闸坝所在河段网格进行加密处理，闸坝河段的网格边长按照闸门宽度设置，按照闸坝出流计算式计算闸门水流通量，再将水流通量乘以闸门处的含沙量得到水沙通量，具体闸门过流量计算式如下：

闸坝自由出流：

$ Q = {\mu _1}eB\sqrt {2g{H_0}} $

(1)

式中：μ₁为实用堰上闸孔的流量系数。

$ {\mu _1} = 0.65-0.186\frac{e}{h} + \left( {0.25-0.375\frac{e}{H}} \right){\rm{cos}}\theta $

(2)

式(1)适用于$ \frac{e}{H} = 0.05 \sim 0.75 $，θ=0°~90°，以及平面闸门位于堰顶最高点的情况。

闸坝淹没出流：

$ Q = {\mu _1}eB\sqrt {2g({H_0}-{h_{\rm{s}}})} $

(3)

式中：μ₁为实用堰上闸孔自由出流的流量系数；h₁为下游单元水位超过堰顶的高度；B为闸门宽度；H为闸上水位；e为开度；h_s为闸下水位；H₀为闸上水头。

2.1 实施建闸方案后长江干流河段冲淤变化

在长江干流2006年、四口河系2003年实测河道地形基础上，采用经三峡水库调蓄后的90系列水沙过程作为长江中下游水沙模型输入条件，其他采用各河流尾闾水文站的实测水沙过程作为模型边界。

三峡水库运行10，20和30年，按照建闸与不建闸两类5个方案计算，河道泥沙冲淤变化结果表明：(见表 1)(1)长江干流荆江河段泥沙冲淤变化不大；(2)洞庭湖全湖区域泥沙淤积量随着闸上运用水位升高而增加；(3)闸前泥沙淤积量，随着闸前控制水位的抬高，湖泊流速降低，湖泊泥沙进入闸前的量减少，使得泥沙淤积量有所减少；由于湖泊泥沙淤积量增加使得城陵矶闸下河段泥沙淤积量减少甚至略有冲刷。洞庭湖及七里山区域冲淤变化计算结果见表 1。

上述计算成果是根据规划的上游水库建设进程、理想的上游水库与三峡水库联合调度方式、中下游河湖冲淤的长远期预测成果以及中下游按理想的分洪效果调度运用等条件而计算得出的。远期长江中下游的实际超额洪量应视届时上游水库建设情况、实际联合调度情况、实测的中下游实际的河湖冲淤情况等进行分析计算。

2.2 建闸方案实施后四口河系、四水尾闾及湖泊水位流量变化

利用所建水沙模型，在城陵矶建闸运行现状(2006年地形)，10，20和30年地形上，采用经过三峡水库调度后的1954，1996，1998年典型洪水，进行洪水演进计算。

分洪后现状地形条件下城陵矶、汉口洪峰水位、流量值及其变化计算结果见表 2。可见，城陵矶建闸运行后，由于闸墩的阻水效应，闸上洪峰水位略有升高(升高0.03~0.05 m)，洪峰流量减少142~330 m³/s；由于汉口站为分洪控制水位站，控制水位29.50 m，其水位变化不大，流量减少93~141 m³/s。

2.3 水动力学计算超额洪量

淤积会影响闸坝的行洪能力，而冲刷容易引起闸基不稳。从表 1可以看出，方案3城陵矶闸下淤积最少，且其闸控水位与三峡工程建成前枯水期多年平均实际水位较接近。

超过城陵矶河段安全泄量的水量称为超额洪量，将溃口分洪流量计算模式嵌入河网方程, 采用隐式耦合方式, 形成河网洪水演进分洪方程组进行洪水河道演进和溃口分洪计算^[14]。

在城陵矶建闸运行现状(2006年地形)，10，20和30年地形条件下，采用1954年典型洪水经三峡水库调蓄后的泄流排沙条件，利用所建水沙模型，按照长江中下游洪水调度规则，分析计算不建闸和建闸方案3条件下长江中游各主要水文站的水位和各分洪区段的分洪量变化，由于各个建闸方案汛期调度规则一致，选用方案3进行分洪量对比分析。其中，长江中下游按沙市45.0 m，城陵矶34.4 m，汉口29.5 m和湖口22.5 m控制水位，分洪量计算结果见表 3。

从表 3可见，在现状地形条件下，考虑三峡水库调蓄，1954年典型洪水城陵矶附近分洪量为301亿m³，建闸后由于闸的阻水效应湖泊水位有所增高，导致洞庭湖24垸分洪量略有增加(增加0.10亿m³)，但由于干流水位有所降低，使得洪湖分洪区分洪量减少了1.40亿m³，武汉附近区和鄱阳湖附近区分洪量分别减少了0.94亿和0.75亿m³。统计城陵矶附近区的分洪量减少1.30亿m³。在运行10年条件下，建闸后洞庭湖24垸分洪量增加0.21亿m³，洪湖分洪区分洪量减少1.05亿m³，使得城陵矶附近区分洪量减少0.84亿m³，武汉附近区和鄱阳湖附近区分洪量分别减少0.74亿m³和0.42亿m³。在运行20年条件下，建闸后洞庭湖24垸分洪量增加0.80亿m³，洪湖分洪区分洪量减少1.41亿m³，使得城陵矶附近区分洪量减少0.88亿m³，武汉附近区分洪量减少0.53亿m³，鄱阳湖附近区分洪量增加0.14亿m³。在运行30年条件下，建闸后洞庭湖24垸分洪量增加0.98亿m³，洪湖分洪区分洪量减少0.76亿m³，武汉附近区分洪量减少0.34亿m³，鄱阳湖附近区分洪量增加0.07亿m³。同时，由表 3可见，随着三峡水库运行历时增加，坝下河道的冲刷发展，干流水位进一步降低，长江中下游各区的分洪量都进一步减少。

值得注意的是：随着三峡水库和闸门运行时间延长，建闸方案洞庭湖24垸分洪量相比不建闸方案洞庭湖24垸分洪量随着运行年份有所增加。分析原因为：现状地形条件下，不建闸情形下城陵矶附近的洞庭湖蓄洪垸已蓄满，建闸后洞庭湖水位有所升高，城陵矶闸上水位升高0.04 m，随着三峡水库和闸门运用时间延长，长江中游超额洪量减少，不建闸情形下洞庭湖区附近城西垸、义合垸、民主垸等蓄洪垸蓄不满，使得城陵矶建闸引起的湖泊水位升高增加超额洪量能够蓄于洞庭湖附近蓄洪垸，相应城陵矶闸上水位升高值有所下降，即升高为0.01~0.02 m。

3 结语

(1) 城陵矶建闸后，采用不同枯季控制水位，建闸10年、20年、30年，各建闸方案与不建闸方案相比，长江干流荆江河段泥沙冲淤变化不大；洞庭湖全湖区域泥沙淤积量随着各建闸方案闸上运行水位升高而增加；城陵矶闸下河段泥沙淤积量减少，甚至略有冲刷。

(2) 城陵矶建闸运行后，由于闸墩的阻水效应，城陵矶闸上洪峰水位略有升高(升高0.03~0.05 m)，洪峰流量减少142~330 m³/s。汉口站水位变化不大，流量减少93~141 m³/s。

(3) 优选调度方案3后，采用1954年典型洪水经三峡水库调蓄后的泄流排沙过程，分析计算建闸方案3条件下对长江中下游各分洪区段的分洪量的影响，其中，长江中下游按照沙市45.0 m、城陵矶34.4 m、汉口29.5 m和湖口22.5 m控制水位。根据计算结果，1954年典型洪水城陵矶附近区分洪量为301亿m³，建闸后由于闸的阻水效应湖泊水位有所增高，导致洞庭湖24垸分洪量略有增加，增加0.10亿m³，但由于干流水位有所降低，使得洪湖分洪区分洪量减少1.40亿m³，武汉附近区和鄱阳湖附近区分洪量分别减少0.94和0.75亿m³。

(4) 从泥沙冲淤和防洪安全的角度，对比分析得出方案3为影响最小的最优调度方案。今后应进一步论证该建闸方案对水资源与生态环境等方面的影响。