长江上游水库群调蓄对溪洛渡水库入库流量影响分析

杨 芳，梁志明，段尧彬，侯雨坤

（1.长江水资源保护科学研究所，武汉 430051；2.中国长江三峡集团公司，北京 100038；3.三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北 宜昌 443133；4.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉 430071）

金沙江为长江上游干流河段，自青海玉树至四川宜宾，流经青海、西藏、四川和云南四省。干流全长3 479 km，天然落差达5 100 m，径流丰沛稳定，水力资源丰富，位居我国十三大水电基地之首。其中，金沙江中游和下游是现阶段开发的重点。中游河段采用龙盘、两家人、梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉和观音岩的“一库八级”开发方案。下游河段按照乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝四级方案开发。雅砻江作为金沙江的最大支流，发源于巴颜喀拉山南麓，于四川攀枝花汇入金沙江，干流全长1 571 km，天然落差3 870 m，水力资源丰富。其中，雅砻江下游锦屏一级、锦屏二级、官地、二滩和桐子林五梯级具备优先开发条件。目前，金沙江中游除龙盘和两家人外6个水电站均已相继建成投运；金沙江下游的溪洛渡和向家坝已建成投运，乌东德和白鹤滩正在建设中，两电站将分别于2020年、2021年投运；雅砻江下游的五梯级水库均已建成投运。水库群及重要电站拓扑图见图1。

图1 长江上游流域水库群及重要电站拓扑图Fig.1 Topological graph of reservoirs and hydrologic stations in the upper Yangtze River

金沙江下游溪洛渡-向家坝梯级水库于2014年全部机组投产发电。梯级水库以上金沙江中游流域、雅砻江流域分布有十余座水库，其中，纳入长江流域联合防洪调度的关键控制性水库共计八座。这些控制性水库规模不同，运行特性不一，位置较为零散，运行管理关系复杂，不确定性较大，对溪洛渡-向家坝梯级水库流量预报作业、发电计划制定、实时调度造成了较大的影响。

围绕水库群下游的水文分析已进行了长期的研究。范继辉[1]以长江上游为例进行一系列流域生态模拟调度研究。常景坤等[2]以府河水系为例，根据区域水库实测调度成果资料对出库径流进行还原还现，将修正后的洪水进行区域设计洪水分析。舒为民等[3]结合上游主要水库的调度运行规则，分析了水库群建成后三峡入库流量年变化情况，并结合其影响对长江上游短期预报方法进行改进，提升了预报精度。国内外相关研究大多数着眼于水利工程建设和运行对水文情势下游生态环境等方面，在上游水库群对下游水库来水、运行调度影响方面研究较少。有鉴于此，本文开展上游水库群调蓄对溪洛渡-向家坝梯级水库运行影响分析，分析不同时间尺度内调蓄变化过程，探究不同调度时期调蓄影响规律，有助于客观、科学认识调蓄影响广度与深度，为溪洛渡-向家坝梯级水库高效运行提供决策参考。

1 上游水库群调蓄能力分析

根据水利部批复的《2019年长江流域水工程联合调度运用计划》，溪洛渡-向家坝梯级水库上游纳入长江流域联合调度范围的水库共有8座，其中雅砻江流域共2座，金沙江中游流域共6座。如表1所示，这8座水库总调节库容达1.008×1010m3，总防洪库容达4.278×109m3，分别为溪洛渡-向家坝梯级水库总调节库容（7.363×109m3）的1.37倍、总防洪库容（5.553×109m3）的0.77倍。

表1 上游流域水库群信息Table 1 Information of reservoir group in the upstream Yangtze river basin

在调节库容流域分布上，金沙江中游流域六座水库总调节库容为1.802×109m3，占比17.87%，防洪库容1.778×109m3，占比41.56%。雅砻江流域两座水库总调节库容8.280×109m3，占比82.13%，防洪库容2.500×109m3，占比58.44%。在调节库容分布上，雅砻江流域占据八成以上，调蓄空间较大；在防洪库容流域分布上，两个流域基本相当[4-7]。

从调节性能上来看，金沙江中游流域六座水库，梨园、阿海、龙开口均为日调节水库，金安桥、鲁地拉、观音岩为周调节水库；雅砻江流域锦屏一级为年调节水库，二滩为季调节水库，中长期调蓄规律较为明显。

2 调蓄影响分析

2.1 调蓄流量（水量）计算方法

水库调蓄本质上是水库通过自身调节库容，对入库流量进行时空再分配过程。用水库库容变化值表征水库调蓄量。根据水量平衡公式，可知各水库t时段调蓄水量、调蓄流量计算公式如下：

式中：Wtx为调蓄水量，108m3；Vt+1为t时段末库容值，108m3；Vt为t时段初库容值，108m3；Qtx为调蓄流量，m3/s；Δt为t时段长，s。库容值根据水位值查算水库水位-库容关系曲线获取。

根据计算公式，可知：当Qtx(Wtx＞0)时，该水库泄水，Qtx(Wtx)为泄水流量（泄水量）；Qtx(Wtx＜0)时，该水库蓄水，Qtx(Wtx)为蓄水流量（蓄水量）。

为有效衡量上游水库群调蓄对溪洛渡水库的影响，定义调蓄占比Rtx指标，为上游水库群旬调蓄流量Qtx与溪洛渡入库流量Qrk比值，衡量上游水库群调蓄流量占溪洛渡实际入库流量的比重。调蓄占比绝对值|Rtx|：由于调蓄占比有正有负，为衡量上游水库群调蓄整体影响，引入调蓄占比绝对值。本次数据资料采用溪洛渡-向家坝梯级水库以上8座重要调节水库2018年旬实际运行数据。

2.2 调蓄过程分析

2.2.1 分期调蓄规律

根据溪洛渡-向家坝梯级水库运行特性，将一个完整水文年划分为汛期（7—8月）、蓄水期（9月）与其他时期（1—6月及10—12月）。对溪洛渡-向家坝上游水库群年调蓄水量、汛期调蓄水量、蓄水期调蓄水量、其他时期调蓄水量进行对比分析（表2）发现：（1）金沙江中游流域、雅砻江流域全年调蓄趋势基本一致，呈现出汛期拦洪、蓄水期蓄水、其他时期补水的态势。在汛期，拦蓄水量达6.007×109m3，减轻了溪洛渡-向家坝梯级水库的防洪压力。在其他时期，补水量达5.410×109m3，为溪洛渡-向家坝梯级水库枯期运行提供了帮助。（2）分流域来看，在汛期及蓄水期，雅砻江流域调蓄量较金沙江中游流域调蓄量偏大。这与两流域水库调节特性有关。雅砻江流域两座水库均为年调节水库，年内调节空间较大，年度总调蓄水量接近0。金沙江中游流域六座水库均为周调节、日调节水库，在旬尺度调蓄分析中，其部分调蓄作用难以凸显。

表2 溪洛渡-向家坝上游流域水库群分期调蓄水量统计表Table 2 Water storage of reservoir group in the upstream Yangtze river basin

2.2.2 调蓄量分旬分析

研究选取的八座梯级水库调度分期与溪洛渡-向家坝梯级水库调度分期并不一致。单一地按照溪洛渡-向家坝梯级水库分期进行分析，无法细致体现上游水库群调蓄过程。因此，对调蓄影响进行分旬分析。由逐旬调蓄流量（图2）和逐旬调蓄占比绝对值（图3）可知：（1）旬调蓄流量过程由雅砻江流域占主导地位。两流域总计调蓄流量曲线与雅砻江流域调蓄流量曲线在大多数时段趋势一致。1—5月，两流域调蓄流量基本均为补水过程。6—7月，两流域调蓄流量基本为蓄水过程。8月金沙江中流域除观音岩外，其他五座水库，雅砻江流域两座水库均需蓄水，因此，两流域调蓄均呈现出蓄水状态。9—12月，雅砻江流域处于出入库平衡，调蓄过程为少量补水。10月观音岩水库蓄水，11月中旬，金沙江流域适当蓄水以抬高水位。（2）上游流域调蓄占比绝对值最大值为59.14%，出现在6月中旬，全年平均值为17.74%。从各调度分期来看，其他时期调蓄占比最大，均值为20.61%。在溪洛渡-向家坝梯级水库蓄水期，由于上游水库群已基本蓄水完毕，调蓄空间较小，因此，调蓄占比仅为1.4%。汛期调蓄占比为12.96%，这是由于溪洛渡入库流量较大，调蓄相对值较小。

图2 上游流域水库群调蓄流量逐旬过程图Fig.2 The ten-day averaged storage capacity of reservoirs in

图3 上游流域水库群调蓄占比绝对值逐旬过程图Fig.3 Absolute value of ten-day averaged storage ratio for reservoirs in the upper reaches of the Yangtze river basin

2.3 典型调蓄案例分析

为细致剖析上游水库群对溪洛渡入库流量影响，选取2018年典型入库流量过程进行日尺度调蓄影响分析。

2.3.1 7月上中旬拦蓄洪水

7月8—11日，受高空槽和副高外围暖湿气流的共同影响，四川盆地西部一线出现持续性强降水，强度以暴雨、局地大暴雨为主。受降雨影响，长江上游出现大或特大洪水，经长江上游水库群拦洪削峰、错峰并演进叠加后，“长江2018年第2号洪水”形成。2号洪水期间，溪洛渡遭遇了建库以来最大洪水，2018年7月16日14时，入库洪峰流量达到16 300 m3/s。前期，金沙江中游流域、雅砻江流域水库群大量拦洪蓄水，减轻了溪洛渡防洪压力[8-13]。

分析上游八座梯级水库群7月1—16日出入库流量过程（图4）和水位过程（表3）发现：（1）锦屏一级、二滩两座水库防洪库容较大，在遭遇洪水时，均具备一定的调蓄能力，水位持续抬升。至16日末，锦屏一级水库为防洪累计抬升水位25.92 m，拦蓄洪量1.809×109m3；二滩水库累积抬升水位18.09 m，拦蓄洪量1.481×109m3。（2）金沙江中游流域六座水库单库防洪库容较为有限，在应对洪水过程时，采取的是逐级拦蓄方式。7月1—16日期间，金沙江中游流域总共拦蓄洪量为3.40×108m3。值得注意的是，因水库调节性能、防洪目标及洪水过程不同，金沙江中游流域在7月1日至16日运行过程中，部分水库出现了出库流量大于入库流量的情况。

表3 上游流域水库群2018年7月1—16日调蓄统计Table 3 Storage of the upstream reservoirs from July 1st to 16th of 2018

图4 上游流域水库群2018年7月1日至16日运行过程图Fig.4 Operation process of reservoir group in the upstream Yangtze river basin from July 1st to 16th in 2018

2.3.2 11月中旬金沙江中游流域回蓄

在2018年11月中旬，金沙江中游流域出现了回蓄现象。现对回蓄过程进一步分析。由图5可知，在11月1日至20日，除观音岩水库外，金沙江中游流域其他五座水库均呈现出“先消落，后回蓄”的过程[14]。流域水库群六座水库在运行过程中，由于其调节能力、调节性能限制，在中长期尺度上进行分析，易掩盖其内在调蓄规律，因此，对日尺度调蓄规律跟踪与研究，分析其内在规律。

图5 金沙江中游流域水库群水位运行过程图Fig.5 Operation process of water level for reservoirs in the middle reaches of the Jinsha River

3 结论

本文从溪洛渡上游流域梯级水库群调节能力着手，以2018年实际调度过程为例，定量分析了上游水库群调蓄对溪洛渡入库流量影响程度，细致分析了在溪洛渡水库各调度分期内，上游水库群调蓄影响类型、范围及水平。针对金沙江中游流域与雅砻江流域水库调节特性不同，选取2018年7月洪水过程、2018年11月金沙江中游流域水库群回蓄过程作为典型案例，对在两种不同调节情况下水库群调蓄影响差异进行了分析，初步探讨了不同时间尺度、调节类型与上游水库群调蓄影响关系。

（1）金沙江中游流域六座水库均为周调节、日调节水库，旬尺度调节规律不明显；在雅砻江流域，旬调蓄流量过程占主导地位。

（2）由于金沙江中游流域六座水库单库防洪库容较为有限，其调节能力、调节性能受到限制，后续发展过程中需更多考虑有限库容下的联合调度问题。相关研究成果可为溪洛渡水库中长期发电计划制订、实时调度提供有效参考。下一步研究将会对各流域梯级电站运行调蓄规律进行探讨，尝试提炼出一般性规律，为溪洛渡水库优化调度提供技术支撑。