三峡水库运行期设计洪水及汛控水位初探

郭生练，熊 丰，王 俊，钟逸轩，田 晶，尹家波

（武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072）

1 研究背景

三峡工程是综合治理开发长江的关键工程，具有巨大的防洪、发电和航运等综合利用效益[1-2]。三峡水库初设洪水，依据三峡工程的开发任务和规模等，采用天然年最大洪水系列资料推求设计洪水特征值、确定水库防洪和调节库容及其特征水位，确定三峡大坝高程和溢洪道尺度，确保大坝自身和下游防洪安全。这些设计值选用了最恶劣的组合，从偏安全考虑取外包值，称为“建设期设计洪水”，并用汛期防洪限制水位（简称“汛限水位”）指导水库调度运行[3-4]。

长江上游干支流已形成和在建一批库容大、调节性能好的梯级水库群（见图1）[5-6]。受上游梯级水库群联合调度的影响，三峡水库的水文情势和功能需求与初设时期相比，已发生了显著变化。目前我国水库运行调度仍沿用建设期设计洪水及汛限水位，而忽略了上游梯级水库群的调蓄影响，导致三峡水库汛期运行水位偏低、综合利用效益有待提高等问题。因此，开展三峡水库运行期设计洪水及汛期防洪控制水位（汛控水位）研究，充分考虑上游水库群对三峡水库运行调度的影响，对提高三峡水库的综合利用效益意义重大。

研究探讨三峡水库运行期设计洪水及汛控水位，其核心就是推求三峡坝址以上各分区洪水的地区组成和洪水演算[7]。我国《水利水电工程设计洪水计算规范（SL44-2006）》[8]（简称《规范》）推荐采用典型年法和同频率法推求洪水地区组成。除《规范》中推荐的方法外，最可能地区组成法因统计基础较强、地区组成方案客观且唯一得到了广泛应用，闫宝伟等[9]、刘章君等[10]和熊丰等[11-12]研究表明：该方法能较好的应用于梯级水库洪水地区组成，设计成果客观合理。如何准确模拟各支流洪水至三峡的演进过程是另一研究重点。三峡以上支流众多，且各支流洪水至三峡传播时间较长。对此由水库、河网和区间流域所组成的长河系、多阻断汇流系统，其洪水模拟难以沿用物理或概念性水文模型方法。多输入单输出（MISO）模型属于黑箱模型的一种，该模型能够处理具有复杂因果关系和高维非线性映射问题，在实践中被广泛采用[13]。众多研究[13-14]均表明：MISO模型能较好地应用于复杂水文模拟问题。

本文首先分析向家坝至三峡水库区间流域典型年洪水的地区组成，并计算金沙江、岷江、嘉陵江、乌江梯级水库最可能设计洪水地区组成；采用各水库调度规则进行调洪演算，求得干支流屏山、高场、北碚、武隆控制站经梯级水库调蓄影响后的设计洪水过程线；然后构建三峡水库洪水模拟模型，将各支流控制站经调蓄后的洪水过程演进至坝址，并与未控区间洪水过程相叠加得到三峡水库运行期设计洪水过程线；最后根据三峡水库调洪演算求得汛控水位。

图1 长江上游流域水系图及梯级水库概化图

2 干支流控制站洪水地区组成及设计值

长江上游已建和在建30座大型水库和众多的中小型水库，洪水地区组成极为复杂。采用聚合分解的思路研究三峡水库流域的洪水地区组成。首先，将坝址洪水分配到各支流水文控制站以及未控区间来水，即金沙江屏山站、岷江高场站、沱江富顺站、嘉陵江北碚站、乌江武隆站、屏山-寸滩区间、寸滩-万县区间和寸滩-坝址区间来水；其次，再分别研究各支流水文控制站的洪水地区组成。

2.1 三峡水库洪水地区组成三峡水库在规划设计时选定1954、1981和1982年作为设计洪水典型年[3]，其中1954年洪水是1949年以来发生最大的流域性大洪水，长江流域防洪规划和大部分水库建设期设计洪水都是选择1954年作为典型年。因此，选择1954年作为典型年分析三峡坝址不同时段的洪水地区组成。宜昌站1954典型年不同时段的洪水地区组成如表1所示。由表1可见，1954年洪水过程中，金沙江屏山站来水占比在各时段洪量中均位于第1位，岷江高场站和嘉陵江北碚站来水所占比例均比多年均值偏小；乌江武隆站、屏-寸区间、寸-万区间、万-宜区间各时段洪量占比相对于多年均值明显偏大，未控区间洪水对1954年洪水的形成起到不可忽视的作用。所选取的1954典型年在洪水来源组成方面具有较强的代表性，包含了较不利的防洪边界条件，能基本反映三峡的洪水地区组成规律。

表1 宜昌站1954典型年洪水地区组成

2.2 长江上游干支流控制站设计洪水特征值和过程线采用最可能地区组成法分析各个支流水文控制站的洪水地区组成。该方法统计基础较强，组成方案数唯一，适用于梯级水库洪水地区组成的分析计算，相比于规范中的同频率法，其设计成果更为客观合理[11]。因篇幅限制，各支流水文控制站屏山、高场、北碚、武隆站的最可能组成结果，见参考文献[10-12]。

由最可能组成法得到各支流控制站的洪水地区组成后，可以求解各分区受梯级水库调蓄后的设计洪水过程线。各分区设计洪水过程亦选择1954典型年过程。以各个支流控制站的子分区分配到的相应洪量为控制，按各分区1954典型年洪水过程线同频率放大得到各分区的设计洪水过程线，分别输入到金沙江、岷江、嘉陵江和乌江梯级水库系统，采用各水库调度规则进行调洪演算，推求典型年受梯级水库调蓄影响的屏山、高场、北碚和武隆站的洪水过程。金沙江、岷江、嘉陵江、乌江梯级水库的总防洪库容分别为218.2、28.0、19.7、12.1亿m3。

长江上游干支流控制站建设期和运行期千年一遇设计洪水特征值及削减率的统计结果如表2所示，从表2可以看出，各个水文控制站受上游梯级水库的调蓄影响，其运行期设计洪水削减明显。

图2绘出1954典型年调蓄前后的设计洪水过程线，建设期设计洪水经过梯级水库调蓄后均变得平缓。金沙江梯级水库群的防洪库容较大，对屏山站洪水可以起到很强的削减作用，因此对三峡设计洪水的影响最为显著。

表2 干支流控制断面建设期和运行期千年一遇设计洪水特征值及削减率（1954典型年）

2.3 向家坝至三峡水库未控区间流域干支流洪水相关关系表3为屏山、高场、富顺、北碚、武隆站之间7 d年最大洪量的秩相关关系，见表3。结果表明，各站7 d年最大洪量间的相关性均较低，有的呈现较弱的负相关关系，可以说明各站年最大洪水系列近似相互独立。因此，不宜采用基于相关性统计分析的同频率组成法和最可能组成法推求三峡水库未控区间的洪水地区组成，2.1节中采用典型年法是合理的。

图2 长江上游干支流控制站建设期和运行期千年一遇设计洪水过程线（1954年典型年）

表3 干支流控制站7 d年最大洪量的秩相关关系

3 三峡水库运行期设计洪水

3.1 洪水演进模型屏山、高场、富顺、北碚、武隆站洪水至三峡坝址的传播时间分别为94、91、87、63、52 h，洪水演进若采用马斯京根法计算较为困难，且精度较差。现采用多输入单输出（MISO）系统模型模拟三峡入库洪水过程，MISO模型的概化图如图3所示。

图3 三峡水库未控区间流域MISO模型概化图

三峡入库MISO模型的输入为金沙江向家坝出库屏山站，支流高场站、富顺站、北碚站、武隆站流量，以及向家坝-寸滩、寸滩-万县、万县-三峡坝址子区间面净雨量，输出为三峡入库流量。MISO模型属于系统模型的一种，其基本方程可表示为：

式中：xj为第j个输入变量序列；y为输出序列；hj为第j个输入的脉冲响应函数的纵坐标。

如果xt为入流或者区间流域的净雨量，yt为流域出口断面的径流量，那么两者应该相等。但在实际的汇流过程中，不可避免地会出现水量的损失，即时间轴与脉冲响应函数所包围的面积常常不等于1，这个数值被定义为增益因子G，表示总净雨量转化为总径流量的比例。式（1）可表示为：

式中：u(j)、m(j)分别为第j个输入系列的标准脉冲响应函数的纵坐标值和记忆长度；et为误差项；n为输入的个数。

模型的关键在于求解脉冲响应函数的纵坐标值h以及确定记忆长度m的大小。脉冲响应函数H可采用最小二乘法进行估计。

选用2008—2016年汛期6—9月各控制站的降雨径流资料，计算时段为6 h，其中率定期为2008—2013年，检验期为2014—2016年。各子区间面雨量数据采用前期雨量指数模型（API）进行产流计算，得到的区间净雨量再作为模型输入。三峡入库MISO模型率定期和检验期的模型效率系数分别为97.76%和94.88%，平均水量误差分别为-0.82%和-2.72%，表明所建立的MISO模型能够很好地模拟三峡入库洪水，模拟精度很高。

3.2 三峡水库运行期设计洪水采用已率定的MISO模型，推求三峡水库运行期设计洪水过程。该模型共有8个输入，其中屏山、高场、北碚和武隆4站采用经过上游梯级水库调蓄后的设计洪水过程线（即图2中运行期设计洪水过程线）；三峡水库区间流域其他4个输入（富顺站、向家坝-寸滩、寸滩-万县、万县-三峡坝址区间面净雨量）没有大型水库调蓄和设计洪水过程，可采用初设成果（即图2中建设期设计洪水过程线）按流域面积比例推求。其中向家坝-寸滩区间降雨输入采用屏山、高场和北碚三站的初设洪水过程之和再按面积比缩小，寸滩-万县区间和万县-坝址区间分别采用武隆站和三峡水库的初设洪水过程按面积比缩小。MISO模型的输出为三峡水库运行期设计洪水过程线。

图4绘出三峡水库建设期和运行期的设计洪水过程线，可以看出3个设计洪峰均有一定程度的削减，主峰削减程度较大。研究结果表明，长江上游干支流大型水库群的调蓄作用，对三峡水库运行期设计洪水具有显著影响。

图4 三峡水库建设期和运行期千年一遇设计洪水过程线

表4中统计给出三峡水库建设期和运行期千年一遇设计洪水特征值。从表4可见，三峡运行期千年一遇设计洪峰流量为81 136 m3/s、3、7、15、30 d洪量分别为188.2、386.3、727.4、1320.9亿m3，相比建设期设计值的削减率分别为18.2%、23.8%、20.6%、20.2%和16.9%。维持初设阶段的防洪标准不变，三峡水库运行期千年一遇设计洪水过程线经过调洪演算，得到水库汛期防洪控制水位为155 m。

表4 三峡水库建设期和运行期千年一遇设计洪水特征值对比

4 分析讨论

与1992年三峡工程初设洪水相比，目前三峡水库的水文情势和功能需求等外部环境发生了巨大的变化，其运行调度规程和方案也应做出相应改变，即采用“运行期设计洪水”对应的“汛期控制水位”。下面分析讨论三峡水库优化运行调度方式的可行性和实用条件。

4.1 水库群调度金兴平[15]把水库群的调度分为3个层面：“一是规划设计层面。在进行水库规划设计时，根据工程的防洪标准、开发任务和规模等，拟定防洪库容、调节库容及其水库的调度运用方案。这时的入库或坝址设计洪水往往选取最恶劣的组合，从偏安全考虑一般都取外包值，调度运用方案也大多只考虑单库。二是联合运用层面。随着水库群的不断投运，不论是在发挥作用产生效益方面还是对下游水文过程的影响方面，必然造成连锁反应、叠加效应。三是实时调度层面，也可以称作预报调度层面”。1992年审定的三峡水库初设洪水（即建设期设计洪水）属于第1个层面，本文水库运行期设计洪水则属于第2个层面。因此，在实时调度层面依据水库运行期设计洪水及汛控水位，更加科学合理。

4.2 泥沙问题在三峡工程论证和可行性研究阶段，泥沙问题是关键技术问题之一。1998年长江流域大洪水后，大规模的水利水电工程建设和实施退耕还林等水土保持措施，导致三峡入库泥沙大量减少，淤积在有效库容内的泥沙量小于初设值。胡春宏等[16]系统分析了三峡水库“蓄清排浑”运行方式及其优化调整的利弊，包括汛期水位动态变化、汛末提前蓄水等对水库淤积和坝下游河道演变的影响，认为研究提高初设阶段确定的三峡水库汛限水位已具备条件，提出了进一步优化水库调度方式的建议。

4.3 气象水文预报随着科技高速发展，气象水文预报技术进步很快。准确的降水洪水预报对水库防洪兴利综合调度具有重要的价值。现有降雨预报产品从发布来源上分，有欧洲中心数值预报产品、日本数值预报产品、中国T639数值预报产品等。当前世界各地气候、气象中心的定量降水预报业务主要侧重于短中期预报，基本达到了实用的要求。中长期降水预报的合格率已经超过70%，对趋势判断有重要参考价值。长江流域的水文预报精度达到甲等水平[17]。因此，若预测预报长江上游流域将发生大洪水或超标准洪水，为确保大坝和防洪安全，各水库可降低水位，按初设阶段的汛限水位控制运行。

4.4 综合效益分析三峡及上游控制性水库总调节库容将超过1000亿m3，总防洪库容达500亿m3，汛期各水库分别承担相应的防洪任务，减轻了三峡水库的防洪压力。因此，三峡水库采取155 m“汛控水位”运行，减少消落期和蓄水期的水位变幅，这不仅有利于维护库岸稳定、保护消落区生态环境，显著改善重庆木洞至丰都河段的航道条件，提高三峡电站的发电能力；还可减少三峡水库蓄水期对中下游河道以及洞庭湖和鄱阳湖的影响。因此，提高运行水位能更好地拓展三峡工程综合效益。

5 结论

由于长江上游干支流水库群调蓄影响，三峡水库初设洪水已发生了显著变化。研究探讨了三峡水库“运行期设计洪水”及“汛控水位”，主要结论如下：（1）长江上游各支流梯级水库的调蓄作用，对三峡水库运行期的设计洪水影响显著；其中金沙江梯级水库影响尤甚。（2）三峡运行期千年一遇设计洪峰流量为81 136 m3/s、3、7、15和30 d洪量分别为188.2、386.3、727.4和1320.9亿m3，相比建设期设计值的削减率分别为18.2%、23.8%、20.6%、20.2%和16.9%。（3）在保证防洪标准不变的前提下，三峡水库运行期汛控水位（155 m）比汛限水位（145 m）抬高了10 m，不仅有利于库区航运和生态环境，还可增发电量41.6亿kW·h/年（+8.7%），减少蓄水期对洞庭湖和鄱阳湖的影响，经济社会和生态环境效益巨大。（4）建议从设计洪水理论方法、水库功能复核、调整控制和审批监管等方面，进一步开展水库汛限水位专题研究，修改和完善三峡水库调度规则。

本文对三峡水库运行期设计洪水进行了初步探讨，着重阐述水库运行期设计洪水的概念和研究意义，希望能引起学术界和应用研究人员的共鸣，深入开展水库设计洪水的研究和探讨，补充修改和完善我国现有的设计洪水计算规范。具体采用何种模型方法以及如何选取典型年洪水过程更为科学合理，有多少是方法差异造成的，有多少是水库群的累积影响效应，目前尚无法给出定量的结果，需要进一步深入探讨。