水工程联合调度在2020年长江洪水防御中的作用

金 兴 平

(水利部长江水利委员会，湖北 武汉 430010)

以三峡水库为核心的长江流域水库群是目前世界上最大规模的巨型水库群，在长江流域防洪、生态、供水、发电、航运等方面发挥着重要作用。2009年以来，水利部长江水利委员会(以下简称“长江委”)开展了以三峡水库为核心的长江干支流控制性水库群综合调度研究，提出了科学协调防洪、发电、航运、供水、泥沙、生态等多目标的长江水库群联合调度方式[1]，为充分发挥水库群综合效益提供了有效手段，尤其是在长江流域水旱灾害防御方面，效果显著。最近20 a，长江流域先后经历了2010、2012年上中游区域性较大洪水，2016、2017年中下游区域性大洪水[2-3]，2020年流域性大洪水，这5场洪水基本包含了长江流域洪水的主要形式，对后三峡时期的水库群防洪调度进行了全方位的检验。其中2010、2012年洪水主要产生于长江上游地区，水库群主要对荆江河段实施防洪补偿调度；2016、2017年洪水主要产生于长江中下游地区，水库群主要对城陵矶附近地区实施防洪补偿调度；2020年则是流域性洪水，洪水先是出现在中下游地区，而后上中游同时发生洪水，水库群先是主要对城陵矶附近地区实施防洪补偿调度，而后同时对荆江河段和城陵矶附近地区实施防洪补偿调度。3种不同来源、不同类型的洪水，防洪调度方式不尽相同，调度难度一次比一次大。

2020年7～8月长江发生流域性大洪水，其中长江干流发生5次编号洪水，经水库群尽力调蓄后中下游莲花塘至大通江段洪峰水位仍列有实测记录以来的第2～5位，马鞍山至镇江江段潮位超历史；鄱阳湖区域发生流域性超历史大洪水，上游支流岷江发生超历史洪水，沱江、涪江、嘉陵江以及干流朱沱至寸滩江段发生超保证洪水，三峡水库出现建库以来最大入库流量。

1 长江流域水工程联合调度体系

2012年国家防总首次批复了《2012年度长江上游水库群联合调度方案》，对三峡、二滩、紫坪埔、构皮滩、碧口等10座水库的调度原则和目标、洪水调度、蓄水调度、应急调度、调度权限、信息报送和共享等方面进行了明确，为水库群联合统一调度提供了依据[4]。2016年纳入水库群联合调度范围的水库增加到21座[5]，2017年又扩展到了城陵矶河段以上的长江上中游28座水库[6]，2018年长江中游汉江梯级、鄱阳湖水系、陆水等重要控制性水库也进一步纳入联合调度范围，长江上中游联合调度水库数量增加到40座[7]，以三峡水库为核心，溪洛渡和向家坝水库为骨干，金沙江中游群(以下简称金中)、雅砻江群、岷江群、嘉陵江群、乌江群、清江群、洞庭湖“四水”群和鄱阳湖“五河”群等8个水库群组相配合的涵盖长江湖口以上的中上游水库群联合调度体系逐步形成[8]。

2019年除长江上中游40座控制性水库外，长江中下游地区的46处蓄滞洪区、宜昌至湖口河段(含洞庭湖区和鄱阳湖区)的10座重要排涝泵站以及南水北调中线引江济汉工程、南水北调中线一期工程、南水北调东线一期工程、引江济太等4项引调水工程也纳入到了联合调度范围，长江流域水工程联合调度体系初步形成。2020年金沙江乌东德水库也纳入了联合调度范围，长江上中游控制性水库数量增加至41座(见图1)，长江流域防洪能力进一步增强。

至此，纳入长江流域联合调度范围的水工程共计101座(处)，其中：控制性水库总调节库容884亿m3，防洪库容598亿m3；蓄滞洪区总蓄洪容积591亿m3，排涝泵站总设计排涝能力1 562 m3/s，引调水工程年设计引调水规模241亿m3[9]。

2 长江中下游流域水工程防洪调度目标

长江的防洪调度坚持“蓄泄兼筹，以泄为主”的指导方针及“江湖两利，左右岸兼顾，上中下游协调”的指导原则[10]。长江流域防洪的重点和难点在长江中下游地区，以防御新中国成立以来发生的最大洪水——1954年洪水为目标。水库工程的防洪调度目标是三峡及上游干支流水库联合调度，通过拦洪、削峰和错峰，使荆江河段的防洪标准达到100 a一遇以上，遇100 a一遇及以下洪水不需要启用蓄滞洪区；遇1 000 a一遇洪水或类似1870年洪水时，配合蓄滞洪区运用，可以避免荆江两岸发生毁灭性洪水灾害；同时，使长江中下游防洪能力进一步提高，遇1954年洪水，超额洪量大幅度减少，蓄滞洪区运用的机率和数量均进一步减少[11]。此外，当沙市水位超过44.5 m、城陵矶水位超过34.0 m、汉口水位超过29.0 m或者湖口水位超过22.0 m时，排涝泵站服从统一调度，部分泵站停止或者限制运行，以配合保证相应河段防洪安全。

3 2020年水工程联合调度实践及成效

3.1 水工程联合调度过程

2020年汛前，40座水库水位全部按照调度计划消落到汛限水位以下，为防洪调度留足库容777亿m3(其中汛限水位以下217亿m3)。在水利部的组织下，还专题开展了1954年洪水预报调度演练、大洪水水文监测演练、预报调度方案的修订完善，为迎战可能发生的大洪水做好了坚实的技术准备。7～8月大洪水期间，长江委强化监测预报预警、日夜会商分析研判，共向三峡等水库发出调度指令94份，向相关省市发出有关蓄滞洪区、洲滩民垸、排涝泵站等防洪工程运用文件8份。根据对水库群拦蓄洪水的统计，2020年长江流域联合调度水库群拦蓄洪水约490亿m3。水工程调度情况见表1和图2。

3.1.1长江1号洪水期间水工程调度

2020年7月上旬(7月1～13日)，主要以控制城陵矶水文站不超过保证水位34.4 m、降低鄱阳湖区水位为调度目标，并利用三峡水库158 m以下库容对城陵矶附近地区实施防洪补偿调度，同时限制城陵矶、湖口河段农田涝片排涝泵站对江、对湖排涝，必要时启用鄱阳湖区洲滩民垸分蓄洪水，全力减轻长江中下游防洪压力。

图1 长江上中游联合调度水库群(40座)Fig.1 Joint operation reservoir groups in upper and middle reaches of Changjiang River(40 reservoirs)

表1 2020年长江流域性大洪水期间水工程拦蓄量Tab.1 Storage capacity of water conservancy projects during Changjiang River Basin flood in 2020 亿m3

在此期间的防洪调度以三峡水库为主，长江上游水库群联合运用施以配合。三峡水库自2020年7月1日起控制出库流量在35 000 m3/s左右，此后逐步压减至19 000 m3/s左右，以调度城陵矶水文站不超过保证水位34.4 m。7月2日14：00，三峡水库入库洪峰流量53 000 m3/s，削峰率约34%，库水位由146.5 m左右涨至149.6 m左右后波动，三峡水库共拦蓄洪量约25亿m3。与此同时，调度上游水库群拦蓄洪水，减少进入三峡水库洪量，三峡以上上游水库群合计拦蓄约34亿m3。同期，洞庭湖水系多条支流发生多次较快涨水过程，各主要水库预泄腾库，适时拦蓄，减轻洞庭湖区防洪压力，合计拦蓄约15亿m3。鄱阳湖水系水库群拦蓄约5亿m3。在上中游水库群的全力配合下，延缓了中下游主要控制站水位上涨速度，减小了上涨幅度，莲花塘站、湖口站水位均未超过保证水位。

3.1.2长江2号洪水期间水工程调度

2020年7月中旬(7月14～21日)，主要以控制城陵矶站尽量不超过保证水位为目标，在保证荆江河段和三峡库区防洪安全的前提下，继续兼顾城陵矶附近地区防洪。洞庭湖水系主要水库在确保自身安全前提下，减少入湖水量，减轻中下游干流的防汛压力。在预报长江上游还有较大暴雨洪水的情况下，利用后续洪水来临前的间歇期，在保证中游干流堤防安全和汉口站水位不超过29.00m的前提下，将莲花塘站调度目标水位适当提高至34.90 m，三峡水库适时加大下泄流量，尽量降低水位腾出库容。

图2 2020年长江流域性大洪水水工程防洪调度目标及三峡水库运行过程Fig.2 Flood control scheduling objectives of various water conservancy projects and operation progress of Three Gorges Reservoir during Changjiang River Rasin flood in 2020

2020年7月14～21日期间，长江上游地区暴雨范围扩大，来水增加，金沙江、雅砻江主要水库继续发挥拦洪作用，合计拦蓄约59亿m3。三峡水库7月13日02：00出现37 000 m3/s最大流量后小幅消退，随后又快速上涨，18日08：00出现入库洪峰流量61 000 m3/s。此次过程，三峡水库最高调洪水位为164.58 m(20日05：00，三峡建成以来7月最高调洪水位)，该阶段三峡水库共拦蓄洪水约88亿m3，出库流量由31 000 m3/s左右逐步增加至41 000 m3/s左右，但削峰率仍达到46%左右。按照调度规程，三峡水库水位超过155 m之后，一般情况不再对城陵矶附近地区实施防洪补偿调度。但由于洞庭湖和鄱阳湖地区防汛形势非常严峻，中下游干流及其两湖地区堤防持续高水位运行，通盘考虑后期水文气象预报和流域整体防洪形势、水库群运用状况后，经请示水利部同意，三峡水库在对荆江河段实施防洪补偿调度的同时，继续对城陵矶地区实施防洪补偿调度，避免城陵矶附近地区动用蓄滞洪区分洪。同时洞庭湖、鄱阳湖水系水库群也拦蓄洪水约6.4亿m3。通过上中游水库群的联合调度，莲花塘站没有超过保证水位。

3.1.3长江3号洪水期间水工程调度

2020年7月下旬(7月22～30日)，主要以三峡水库以最高调洪水位不超过165 m(为实现荆江河段100 a一遇防御目标和三峡大坝防御特大洪水留有调度空间)、控制城陵矶站水位不超过34.9 m、尽量避免启动蓄滞洪区为目标，合理利用三峡及其他干支流水库为洞庭湖洪水拦洪、错峰，实现上游洪水与洞庭湖洪水有序错峰，全力减少湖区防洪压力。

在此期间，长江上游主要水库继续不同程度拦蓄，合计拦蓄约15亿m3。鉴于预报后期仍有较大量级的洪水过程，为统筹上下游防洪安全，三峡水库及时逐步加大出库流量至45 000 m3/s，预泄腾库，7月25日12：00库水位降至158.56 m，准备迎战后续洪水。27日14：00，三峡水库出现入库洪峰流量60 000 m3/s，最大出库流量在40 000 m3/s左右，削峰率约36%，29日08：00最高调洪水位163.36 m，该阶段三峡水库共拦蓄洪水约33亿m3。同时洞庭湖、鄱阳湖水系水库群共拦蓄约3.9亿m3。通过水库拦洪削峰错峰，莲花塘站洪峰水位(34.59 m，7月28日12：00)没有超过34.90 m，超过34.40 m的幅度控制在0.2 m以内。

3.1.48月上旬洪水间歇期水工程调度

2020年8月上旬(7月31日至8月10日)，长江流域有快速移动的降雨过程，雨强整体偏弱，降雨中心分散，流域水情出现平稳间歇期，为腾库创造了难得的机遇期。因此该阶段的调度主要以预泄腾库、同时保证中下游干流水位持续消退为目标。

接上次洪水过程，三峡水库7月29日08：00调洪高水位为163.36 m，此后持续预泄腾库，至8月14日12：00库水位消落至153.03 m，累计腾出防洪库容约72亿m3。上游水库群亦借机腾库，7月底至8月上旬累计腾出防洪库容13亿m3。及时腾出的库容为迎战接下来的长江上游100 a一遇的复式洪水提供了宝贵的“武器”。

3.1.5长江4号、5号洪水期间水工程调度

2020年8月中下旬(8月11日至9月1日)，长江2020年第4号洪水、第5号洪水接连形成。两次洪水洪峰流量大、间隔期短，三峡及上游水库群的大量防洪库容在前期洪水过程中已经被运用，洞庭湖地区降雨过程没有结束、中下游干流及两湖地区水位仍处在高位，这是水库群防洪调度最艰难的时期。拟定该阶段水工程防洪调度目标为减轻川渝河段(特别是重庆市主城区)防洪压力、降低三峡水库库尾淹没风险、同时保障中下游地区防洪安全。

2020年8月11～31日期间，暴雨主要出现在岷江、沱江、嘉陵江、涪江以及上游干流区间，两次暴雨过程强度巨大、落区基本重叠、且基本没有间歇，致使岷江高场站发生超历史记录洪水，沱江、涪江、嘉陵江以及干流朱沱至寸滩江段发生超保证洪水，除了发挥暴雨区的水库群为该流域防洪拦蓄洪水之外，动用金沙江、雅砻江和乌江水库群全力拦蓄水量，其中金沙江最下游梯级向家坝水库出库流量一度减小至4 000 m3/s，乌江流域水库群也通过上下游梯级配合，将彭水水库的日均下泄流量减小至300 m3/s。长江上游水库群(不含三峡)累计拦蓄洪量约82.1亿m3。其中，4号洪水期间总拦蓄洪量约20.5亿m3，5号洪水期间总拦蓄洪量约61.6亿m3。正是这些水库的拦蓄，才将寸滩站90 a一遇的洪峰削减至20 a一遇，将130 a一遇的7 d洪量减小至40 a一遇。经过上游水库群全力拦蓄之后，4号和5号洪水三峡水库入库洪峰流量仍分别达到62 000 m3/s和75 000 m3/s。三峡水库的调度既需要满足中下游地区防洪要求，又要最大程度地降低三峡水库库尾淹没风险，减轻库区防洪压力。由于三峡水库为河道性水库，库尾水面线受到入库洪峰、坝前水位和出库流量等因素的影响，这也是调度的关键点之一，需要通过上游水库削减入库洪峰，控制三峡水库坝前水位降低洪水的起调水位，从而减小库尾洪水楔形体、降低库尾水位。在此过程中三峡水库控制出库流量由41 500 m3/s逐步增加至49 400 m3/s，削峰率分别达到33%和34%，库水位最高涨至167.65 m。三峡水库4号、5号洪水期间分别拦蓄洪水25.65亿m3和81.89亿m3，累计拦蓄约108亿m3，避免了使用荆江分洪区分洪。

3.2 水工程调度成效

据长江委水文局反演计算，通过上中游水库群的联合运用，可降低长江干流川渝河段洪峰水位2.9～3.3 m，降低中下游干流宜昌至大通河段最高水位0.3～3.6 m，避免了宜昌至石首河段水位超保证水位，缩短中下游干流各站超警时间8～22 d。长江干流主要控制站还原特征值见表2。

2020年1号洪水期间(7月2～12日)，上中游水库群拦蓄洪水约73亿m3，降低城陵矶莲花塘洪峰水位0.8 m左右，降低汉口站洪峰水位0.5 m左右，降低湖口站洪峰水位0.2 m左右；其中，三峡水库共拦蓄洪水约25亿m3，降低莲花塘洪峰水位0.2 m左右，降低汉口站洪峰水位0.1 m左右，降低湖口站洪峰水位0.1 m左右。此外，根据江西省提供的信息，截至7月15日，鄱阳湖区185座单退圩全部运用，蓄洪容积总计约24亿m3，经初步分析，降低鄱阳湖湖区水位约0.2～0.3 m。

2020年2号洪水期间(7月12～21日)，上中游水库群拦蓄洪水约173亿m3。其中，长江上游水库群(不含三峡水库)拦蓄洪水约59亿m3，将三峡水库入库洪峰流量从70 000 m3/s削减至61 000 m3/s；三峡水库拦蓄洪水约88亿m3。长江上中游水库群联合运用，降低沙市站、监利站、莲花塘站、汉口站洪峰水位分别约1.0，1.5，1.6，1.7 m，其中三峡水库发挥了50%以上的作用。

2020年3号洪水期间(7月25～28日)，上中游水库群拦蓄洪水约56亿m3。其中，长江上游水库群(不含三峡水库)拦蓄洪水约15.5亿m3，将三峡水库入库洪峰流量从67 000 m3/s削减至60 000 m3/s，三峡水库拦蓄洪水约33亿m3；洞庭湖主要水库拦蓄约3.5亿m3，清江梯级水库拦蓄约2亿m3，其他水库拦蓄约2亿m3。长江上中游水库群联合运用，降低莲花塘站洪峰水位约0.6 m，降低汉口站洪峰水位约0.4 m，其中三峡水库发挥了60%以上的作用。

2020年8月洪水为长江上游发生的一次复式洪水过程，相继出现4号和5号编号洪水，上游水库群实施联合调度，累计拦蓄约190亿m3。其中，三峡水库拦蓄约108亿m3，其它水库拦蓄约82亿m3。通过上中游水库群联合调度，降低李庄、泸州、朱沱、寸滩站洪峰水位分别约为3.2，2.9，3.3，3.0 m，降低宜昌至莲花塘江段洪峰水位2.0～3.6 m，降低汉口至大通江段 水位1.1～2.0m。经水库群拦蓄后，宜昌及以下各站仅为常遇洪水，避免了荆江分洪区的启用。

4 启示与思考

经过10多年持续不断的研究、实践、再研究、再实践，长江流域水工程联合防洪调度体系逐渐打磨成型，经历2010、2012、2016、2017、2020年上中游、中下游、全流域3种不同洪水类型的检验，防洪预报调度方式等技术手段也日趋成熟完善。水工程联合调度的防洪减灾成效非常显著，但也还存在一些值得深入思考和研究的问题。

4.1 实时调度中需要把握的问题

长江流域的水库大多以防洪作为首要任务，只有首先落实防洪安全的前提下，才能发挥好水库的综合效益。笔者曾提出将水库调度划分为规划设计、联合运用和实时调度三个层面[8]或者称为三个调度场景，郭生练也提出梯级水库运行期设计洪水[12]，试图提出处理好联合调度与单库调度、实时调度与调度规程之间关系的一些办法。水库的调度规程基本以典型设计洪水为分析基础，确定其调度目标、任务和原则，一般采用最大的外包边界条件，条款也较为宽泛，灵活性较大，遇重要节点调度决策难度大，但它是水库调度的根本大法，是调度决策的主要依据。实时调度过程中面对的是各种各样的的场次洪水过程，加上上游水库的调节影响，其洪水来源、组成、洪峰、洪量及其过程与天然条件下的设计值差别很大。一方面应当按照流域整体防洪目标和任务，根据流域水库群投运后的水文情势变化，研究制定水库群联合调度计划，将防洪任务分解落实到每一座水库或群组；另一方面在实时调度层面需要通过分析研判流域整体防洪形势(包括水库群运用状况)、各场次洪水的来源和组成及其未来一段时间内的变化趋势，以调度规程(联合调度计划)为依据，确定每场洪水过程的阶段调度目标及其调度方案。因为大的洪水过程总是在不断发展变化的，因此每一次洪水过程调度方案的确定要立足于短期水文气象预报，调度策略上则根据暴雨洪水过程的中期预测适度把握，但是任何情况下都需要留有余地或者后手。其中对流域整体防洪形势的研判和对未来短期雨水情预报及其中期水文气象变化趋势的预测是科学制定阶段调度方案的关键，滚动分析预报、综合会商是避免由于预报的不确定性带来调度决策失误的有效方法和措施。

4.2 期待水文气象预报技术新的突破

在水库调度中是否使用水文气象预报是一个有争议的话题，鉴于预报具有不确定性，以前从偏安全的角度考虑只是将预报作为参考，而不是作为调度的边界条件之一。但如果不使用预报，三峡水库汛期的运行水位将会是始终维持在汛限水位一条线上，防洪是也有可能出现下游防洪异常紧张或者需要运用蓄滞洪区分蓄洪水，而水库还剩余大量调节库容的情况。从长江水工程联合调度实践来看，水文气象预报的使用对于充分发挥水工程的防洪减灾等综合效益具有重要作用。但是随着水工程调度范围的不断扩大，对水文预报预见期的要求越来越长，对预报精度的要求也越来越高，传统的水文预报已经无法满足像长江这样大流域水工程联合调度的需要。一方面需要向气象预报要预见期，将水文预见期内的降雨作为输入，减小由于预见期降雨带来的过大的水文预报误差；另一方面要创新水文预报方法，将传统的以机理方法为主的水文预报模型与数据驱动模型结合起来，走机理模型与数据模型融合发展之路。既发挥传统模型具有很强的物理基础的优势，建立模型库；又发挥大数据和机器学习在相似性分类分析、迭代学习等方面的优势， 从时空等维度精细化模型参数，实现模型参数自优化、预报成果的自校正，分类分型模拟水文过程，提升对不同类型、组成水文过程的预报能力和水平；基于调度目标、对象和调度规则建立全河系预报调度知识图谱，基于历史预报调度案例建立典型洪水预报调度知识图谱，建设长江洪水预报调度规则库和长江历史洪水预报调度案例库。

4.3 建设以长江流域水模拟为基础的控制性水利工程综合调度支持系统

首先建立从大气降水-坡面产流-河道汇流-湖库调蓄的覆盖全流域的水模拟系统，对江河湖库水文要素进行实时动态评价与预警，对各主要节点水位、流量等要素未来的变化作出预报，根据调度规则库模拟水工程进行调节，从而自动模拟流域水文要素的发展变化，为水工程联合调度中的预报调度一体化提供统一的基础算法。在长江上中游水库群联合调度基础上，将调度对象从目前40座水库扩展至165座引调水工程、涵闸、泵站等控制性水利工程，调度目标从防洪、水量调度扩展至水生态、泥沙、应急等方面，构建基于统一技术架构的多源数据汇集平台、综合调度数据库、应用支撑平台、应用为一体的综合调度支持系统。拟建中的系统采用数据服务、计算服务与业务应用解耦分离的设计，以微服务模式构建业务系统，实现业务协同，且更有利于数据、模型、业务拓展的更新迭代。系统的建设将提高信息化支撑服务能力，提升调度决策智能化水平，实现流域防洪、水量、水生态等多目标综合调度，为全面推进长江经济带高质量发展提供强有力的水利支撑与保障。

致 谢

本文中有关调度效益计算和洪水还原计算由长江水利委员会水旱灾害防御局和水文局提供，特表感谢！本文2020年水文要素的统计分析源自报汛数据。