长江水工程现状条件下防御1954年洪水联合调度策略

张 潇，李 玉 荣，牛 文 静

(长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010)

近70 a来，随着一大批水利工程的建设，长江防洪工程体系得到了根本性的改变，流域整体防洪能力显著提高[1]。通过贯彻“蓄泄兼筹，以泄为主”的治江方针，遵照“江湖两利，上中下游协调，左右岸兼顾”的原则，目前长江流域基本形成了以堤防为基础、三峡水库为骨干，其他干支流水库、蓄滞洪区、河道整治相配合，以及平垸行洪、退田还湖等工程措施与监测预报、防洪调度、洪水管理等非工程措施相结合的综合防洪减灾体系[2-3]。长江中下游总体防洪标准为防御1949年以来发生的最大洪水——1954年流域性特大洪水，荆江河段的防洪标准为100 a一遇，同时对遭遇类似1870年洪水有可靠的措施保证防洪安全；汉江中下游防洪标准为防御1935年洪水(相当于100 a一遇)。洞庭湖湘、资、沅、澧，鄱阳湖赣、抚、信、饶、修等支流，总体防洪标准为20 a一遇；长江中下游其他支流防洪标准多为 10～20 a 一遇[4-5]。

随着长江流域水工程联合调度事业不断推进，纳入联合调度的水工程规模也在不断扩大[6]。根据水利部最新的《2020年长江流域水工程联合调度批复》[7]，纳入联合调度的水工程共计101处，其中，控制性水库41座,总调节库容达884亿m3,总防洪库容598亿m3；蓄滞洪区46处(含滁河4处)，总蓄洪容积591亿m3；排涝泵站10座，总排涝能力1 562 m3/s；引调水工程4项，年设计总引调水规模241亿m3。其中，上中游水库群作为流域防洪调度的“主力军”，近年来防洪效益显著，先后成功应对了2012，2016，2017年以及2018年洪水。但随着全球气候变化的影响，长江流域极端暴雨事件频发，亟需高度警惕流域大洪水“黑天鹅”事件的发生，流域大洪水伴随的巨大洪水来量与河道安全泄量的矛盾依然突出。蓄滞洪区作为综合防洪体系的最后一道防线，是妥善安置长江超额洪量的兜底手段，分析流域水库群与蓄滞洪区的联合调度策略，研究水库与蓄滞洪区组合运用时机和效率，是提升应对流域性大洪水的关键所在。目前，已有诸多学者从洪水遭遇组成[8-9]、防洪库容分配[10-11]、联合调度方式[12-13]等方面对长江流域水库群联合防洪调度开展了较为深入的研究，但在面对流域性大洪水时的水库群与蓄滞洪区联合调度方面，特别是能适用于实时调度层面的研究成果较少。

为了适应新形势下防御流域大洪水的需求，本文将侧重于探索控制性水库与蓄滞洪区联合防洪调度策略，主要从长江流域水库群、蓄滞洪区的防洪目标和任务，实时调度层面的联合调度初步策略以及现状工况条件下的1954年洪水模拟效果3个方面来提炼长江上中游水工程联合调度的策略，为长江大洪水防御提供参考和借鉴。

1 防洪目标与任务

1.1 长江上中游水库群

长江上游水库群联合防洪调度目标是在确保自身安全的同时，通过拦洪、削峰、错峰等手段提高攀枝花、宜宾、泸州、重庆等重要城市的防洪能力，还需配合三峡水库调度，减少汇入三峡水库的洪量；三峡水库则应保证其下游荆江河段防洪标准达100 a一遇，遇1 000 a一遇洪水或1870年型历史同大洪水时，配合蓄滞洪区运用，保证其不发生毁灭性灾害，减轻长江中下游防洪压力；清江、两湖及汉江水系水库群，在满足本流域防洪要求的前提下，需与干流防洪调度相协调，实施联合防洪调度，尽可能减轻长江中下游防洪压力。由此可见，长江上中游水库承担着水库所在河流、川渝河段、长江中下游等多重防洪任务，加之流域水系众多、空间分布错综复杂，流域面积广大等因素，致使洪水组成和遭遇十分复杂，防洪需求和目标众多，防洪控制对象分布离散，同时又嵌套着强弱关系。因此，在实际操作层面，需根据实际来水情况、水文气象预报、水库群运行工况等，明确总体与阶段性调度目标，层层理清防洪任务，精细调配防洪库容，科学制定联合调度方案。根据防洪任务特点，流域内各水库(不含三峡水库)大体可分三大类。

(1) 本流域无特定防洪任务，可配合三峡水库对长江中下游防洪的水库，包括：金沙江中游梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉水库，雅砻江锦屏一级、二滩水库。

(2) 既有本流域防洪任务，又可配合三峡水库对长江中下游防洪的水库，包括：金沙江中游观音岩(为攀枝花防洪)、金沙江下游溪洛渡、向家坝(为川江防洪)、大渡河瀑布沟(成昆铁路沙坪段)、岷江紫坪铺(下游金马河)、嘉陵江碧口、宝珠寺、亭子口、草街(本流域下游重点城市防洪)、乌江构皮滩、思林、沙沱、彭水(本流域下游重点区域防洪)、清江水布垭、隔河岩(本流域下游重点区域防洪)、汉江石泉、安康、潘口、黄龙滩、丹江口、三里坪、鸭河口(本流域下游重点区域防洪)、陆水水库(承担赤壁市防洪)。

(3) 承担本流域防洪任务的水库，包括：洞庭湖水系柘溪、凤滩、五强溪、江垭、皂市水库(提高下游及尾闾地区防洪能力)，鄱阳湖水系万安、峡江、廖坊、柘林水库(提高下游及尾闾地区防洪能力)。

在遇1954年型洪水时，本流域无特定防洪任务的水库，长江上游金沙江中游梯级(观音岩水库预留2.53亿m3)、雅砻江梯级合计防洪库容有40.25亿m3，这部分库容可率先用于配合三峡水库对中下游进行防洪，库容运用比例可根据汛情情势进行调整。此外，金沙江下游溪洛渡、向家坝梯级因有川江防洪任务，在配合三峡水库对长江中下游防洪时，需以准确的水文气象预报为依据，适机运用防洪库容。其余有本流域防洪任务的水库，在运用防洪库容时要相对谨慎，需结合本流域来水及防洪任务适当分配一定的防洪库容。

1.2 蓄滞洪区

以防御1954年型洪水为目标，为保障重点地区防洪安全，长江中下游干流安排了42处蓄滞洪区，总面积约1.2万km2，有效蓄洪容积约590.00亿m3，其中荆江地区4处、城陵矶附近区27处(洞庭湖区24处，洪湖区3处)、武汉附近区6处、湖口附近区5处(鄱阳湖区4处，华阳河区1处)。按照蓄滞洪区启用几率和保护对象的重要性，确定荆江分洪区为重点蓄滞洪区，并将除荆江分洪区以外的长江中下游蓄滞洪区分为重要、一般和蓄滞洪保留区三类。重要蓄滞洪区为使用几率较大的蓄滞洪区，共计12处，有效蓄洪容积180.71亿m3；一般蓄滞洪区是指除重要蓄滞洪区外，为防御1954年洪水还需启用的蓄滞洪区，共计13处，有效蓄洪容积215.13亿m3；蓄滞洪保留区为用于防御超标准洪水或特大洪水的蓄滞洪区，共计16处，有效蓄洪容积140.06亿m3。长江中下游蓄滞洪区基本情况列于表1。

三峡工程投入使用后若遇1954年洪水，按拟定的三峡工程对荆江补偿调度后，仍有398亿m3的超额洪量。因此在实际蓄滞洪区运用过程中，需根据来水及预报情况，综合考虑蓄滞洪区的建设情况、启用次序、运用时机、分洪效率等。

2 水工程联合防洪实时调度策略

2.1 预报水平分析

准确的水文气象预报是实时调度决策的重要依据，依托信息处理与共享技术、水雨情监视以及相对丰富的预报调度模型库，当前长江流域已形成覆盖流域重要控制站及水工程的洪水预报方案体系。该套方案体系长期实践运用于长江流域洪水预报调度，具有较高的精度，在实际作业中通常采用短中长期水文气象相结合，模型与实时校正、人工经验相结合，主要控制站的预见期72 h内流量预报基本准确，城陵矶至大通各站水位预报平均误差在0.2 m以内，关键性的预报能提前3～5 d[14-15]。

表1 长江中下游蓄滞洪区概况Tab.1 Overview of flood detention zones at the middle-lower reaches of the Yangtze River

本文通过概化蓄滞洪区溃口进洪过程，并与长江洪水预报方案体系进行耦合，形成以流域控制性水库、蓄滞洪区、重要河道控制站节点的水工程调度一体化模型，用于1954年洪水模拟分析。

2.2 总体策略及流程

根据水利部《2020年长江流域水工程联合调度运用计划的批复》，参与运用的101座水工程均有相应的防洪调度方案予以遵照。该方案从规划层面框定了各水工程的运用方式，是实时调度过程中的主要依据。

根据《长江流域防洪规划》《长江流域综合规划(2012-2030)》以及《长江洪水调度方案》等系列文件，同时结合自2012～2019年的长江防洪调度实践，在防御如1954年型洪水时，在水工程实时调度的过程中，方案制定的总体策略和流程可分为以下步骤。

(1) 防洪调度目标的确定，明确阶段性的调度目标，包括长江中下游主要防洪控制性断面水位，三峡水库起调水位及最高调洪水位等。

(2) 根据长江中下游的防洪调度目标，制定三峡水库和清江、两湖、汉江水库的调度方案，清江及两湖水库群因其拦洪调度将直接影响中下游河道洪水情势，因此需以拦洪错峰、削峰的形式，并与三峡水库调度相协调；汉江丹江口等水库调度，需优先满足汉江中下游防洪调度，同时尽量拦蓄为武汉地区防洪减轻压力。

(3) 完成三峡水库调度方案制定后，梳理并制定长江上游干支流控制性水库(不含三峡水库)的拦洪时机及拦洪库容。根据干支流洪水预报，分河系制定不同支流的调度方案，长江上游干支流水库主要以拦洪量为主配合三峡水库对中下游进行防洪调度，具有单独防洪任务的水库需考虑预留相应的防洪库容，在此前提下完成水库群运用防洪库容的分配，同时启用时机需根据洪水传播时间确定。

(4) 方案复核。在当前来水预报前提下，经风险分析，若以三峡水库为核心的水库群在防洪安全裕度内均已发挥最大防洪能力，长江中下游仍有超额洪量不能消纳，则需根据超额洪量多少，分析是否承担一定风险进一步挖掘水库潜力、抬高堤防运行水位，或启用蓄滞洪区。

2.3 实时调度策略

在实时调度层面，因洪水发展的复杂性，以及预期损失与兑现损失的博弈、多利益主体之间的矛盾和水利工程运行状况的不确定性等因素，需结合实际情况在遵从现有各项规程规定的前提下，评估防洪风险，动态调整方案。制定水工程调度策略一方面需依据当前水雨情预报水平，同时还需考虑现状条件下的江湖蓄泄关系及水工程运行情况，特别是水库群作为最为灵活调配的防洪手段，如何准确制定库容分配量以及运用时机显得特别重要。

2020年5月28日，水利部在长江水利委员会组织开展了长江1954年洪水防洪调度演练。在调度推演的过程中，采用了上述水工程调度一体化模型，并根据调度方案总体策略和制定流程，结合1954年洪水特性，并考虑5 d洪水预报有效预见期，制定了水库群实时调度策略如下：在总体策略的框架内，考虑防洪库容预留时间、是否有单独防洪任务等因素区别设计各水库策略，其中金沙江中游(除观音岩)、雅砻江、两湖等水库7月底、8月初拦至正常高水位；观音岩、紫坪铺、瀑布沟、金沙江下游梯级水库等因有本流域等防洪任务，分别按本流域防洪库容预留值或最大可用防洪库容的80%设计(该比例亦可根据实际情况动态调整)；三峡水库、丹江口水库因有对下游补偿调度需求，暂不设最高库水位值，但实时模拟调度时需综合权衡大坝自身、库区及下游的防洪形势和防洪风险。

在设计具体调度方式时，基于现有规程基础，综合考虑日涨幅、不同阶段拦洪速率、水资源利用率等因素，制定了相关细则，如图1所示。

注：石泉、安康、潘口、黄龙滩、三里坪、鸭河口等6座水库无天然入库过程，暂按出入库平衡处理。图1 1954年洪水长江上中游控制性水库实时调度策略Tab.1 Real-time operation strategy of reservoirs in the upper-middle reaches of the Yangtze River for flood of 1954

3 洪水模拟及效果分析

基于制定的调度策略细则，在完成1954年洪水调度模拟全过程的基础上，选择7月下旬城陵矶地区分洪决策作为关键节点，对水工程联合调度策略及效果进行系统性分析。

3.1 模拟调度全过程

1954年雨带长期徘徊于长江流域，上游洪水到来之前，中下游湖泊洼地均已满盈，且中下游又连续不断发生洪水遭遇。宜昌自6月25日起至9月6日陆续发生4次洪水。1954洪水在宜昌、隔河岩、四水合成、丹江口4次洪峰流量比较列于表2。

表2 1954洪水在宜昌、隔河岩、四水合成、丹江口4次洪峰流量比较Tab.2 The comparison of four peak discharges of Yichang,Geheyan,four tributaries in Dongting Lake and Danjiangkou in 1954 flood

本文按照实时调度策略总体思路，设计了各控制性水库拦洪最高水位、防洪库容预留时间、防洪库容运用时机，同时考虑堤防与蓄滞洪区当前实际情况，适当抬升了堤防运行水位，同时启用了部分蓄滞洪区用于消纳超额洪量。通过连续模拟、水库还现调度，将1954年6～9月干支流主要断面洪水过程还现。其中三峡水库还现过程及模拟调度如图2～3所示。

图2 三峡水库入库还现(上游水库拦蓄)与天然径流对比Fig.2 The comparison between current and nature flow of TGR

整个过程上中游水库群联合拦蓄洪量近450亿m3，其中上游水库群(含三峡水库)拦蓄291亿m3，投入防洪库容占比达到80%，三峡水库拦蓄188亿m3，最高调洪水位达171.60 m，最大削峰29 000 m3/s；中游水库群(含丹江口水库)拦蓄洪量158亿m3，投入防洪库容占比达75%，丹江口水库拦蓄73亿m3，最高调洪水位168.00 m，最大削峰9 400 m3/s。

图3 三峡水库模拟调度过程Fig.3 Simulation operation process of TGR

与此同时，自7月下旬起，在上中游水库群的配合下，三峡水库开始对荆江进行补偿调度的同时兼顾城陵矶地区防洪。自7月底开始，根据来水情况及超额洪量，城陵矶地区共计运用了7处蓄滞洪区，分别为钱粮湖垸、大通湖东垸、共双茶垸、洪湖东中西三块(洪湖东中西隔堤尚未建成，现状条件按整体运用)和城西垸，总分洪量约228亿m3，同时考虑当前干堤、支堤、湖区及尾闾地区堤防现状，将干流莲花塘运行水位抬高至34.90 m运行(保证水位34.40 m)。中下游沙市、莲花塘、汉口、湖口水位模拟过程见图4～7，由图可以看出：在调度模拟全过程中，沙市水位最高44.50 m，未超过保证水位45.00 m；莲花塘最高水位34.86 m，超保证水位34.40 m共21 d，未超过34.90 m控制目标；汉口站最高水位29.73 m，历时1 d；湖口站最高水位22.67 m，超保证水位22.50 m共5 d。

图4 沙市水位过程Fig.4 Water stage process of Shashi

以上调度效果是建立在充分发挥水库群拦蓄作用，城陵矶河段抬高河道行洪水位，洪湖蓄滞洪区整体投入运用的基础上取得的。受益于三峡水库、丹江口水库充分拦蓄洪水和洪湖蓄滞洪区整体运用，虽然抬高了城陵矶河段河道行洪水位，但汉口水位未超过保证水位，未运用武汉附近蓄滞洪区。

图5 汉口站水位过程Fig.5 Water stage process of Hankou

图6 莲花塘水位过程Fig.6 Water stage process of Lianhuatang

图7 湖口水位过程Fig.7 Water stage process of Hukou

由此可见，在宏观调度策略的框架下，通过明确调度目标，结合各干支流的来水情况，根据各水库所属河流水系的空间关系及防洪任务，细化制定的水库群联合调度方案、蓄滞洪区启用方案以及堤防抬高运行方案，均得到了较好的效果。三峡水库最高调洪水位、中下游干流主要控制站控制水位以及充分发挥水库群潜力减少蓄滞洪区启用的总体目标均得以实现，模拟效果良好。

3.2 关键调度节点分析

为进一步了解实时调度过程中，关键节点水工程联合调度面临的难点及方案选择问题。本文将选取调度推演7月23日为关键节点，前期通过模拟三峡水库为城陵矶补偿调度水位已达到150.90 m，而上中游水库合计已使用防洪库容120亿m3，中下游控制站距保证水位均在1 m以内，其中莲花塘距保证水位仅0.2 m。此时三峡水库入库流量已现峰转退，入库洪峰为49 200 m3/s(22日)，后续因长江上中游仍有持续大范围降雨，28日以后将有一次55 000 m3/s量级涨水过程。根据当前长江流域水文气象预报水平，在实时调度过程中，三峡水库入库及长江中下游的有效预见期在5 d左右，5 d以上预报可作为趋势参考。此时，流域水工程实时调度决策将面临诸多错综复杂的问题： ① 三峡水库能否继续为城陵矶地区补偿运用抬升水位至158.00 m；② 中下游是否需要启用蓄滞洪区；③ 城陵矶、汉口附近堤防运行水位是否抬高等。

针对上述3类问题，分别从以下几个方面设计了4组方案进行比选：① 规程调度；② 抬高三峡水库运行水位至158.00 m结合分洪措施为城陵矶补偿调度；③ 抬高三峡水库运行水位且中下游堤防超高运行；④ 进一步挖掘三峡水库潜力等，方案列于表3。综合考虑调度目标控制效果、蓄滞洪区损失兑现、库区洪水淹没分析、后续对长江中下游防洪库容裕度等因素。方案1，2，4均可将城陵矶、莲花塘、汉口水位控制在保证水位(34.40 m)以内；但方案1，2蓄滞洪区损失会立即兑现，分洪损失较大；方案4三峡水库调洪水位过高后接28 d后的明显涨水过程，考虑来水不确定性将承担较大的库区淹没风险；而方案3由于现状堤防建设情况总体良好，具备抬高运行的条件，风险总体可控且相比其他方案损失最小。因此在实时调度决策过程中最佳的调度方案是三峡水库拦蓄至158.00 m，同时联合堤防适当抬高运行水位，充分发挥河道宣泄能力。

由此可见，在实时调度过程中，在关键调度节点时，通过明确阶段性调度目标，综合考虑来水不确定性、防洪风险、预期损失与兑现损失等因素，科学制定调度水工程联合调度方案十分重要。

3.3 洪水模拟效果分析

从规划层面来看[5,14,16]，三峡工程建成后，遇1954年洪水，长江中下游分洪量将有所减少。其中三峡工程初步设计拟定的对荆江补偿的调度方式，长江中下游总分洪量有398亿m3，城陵矶附近区280亿m3；若 对城陵矶补偿调度方式，长江中下游总分洪量有336亿m3，城陵矶附近分洪量为218亿m3。而从本次模拟实时调度的层面来看，中下游总分洪量为228亿m3(均在城陵矶地区)，主要防洪控制站沙市站最高水位44.50 m，未超保证水位45.00 m；莲花塘站最高水位34.86 m，未超过34.90 m控制目标；汉口站最高水位29.73 m，与保证水位相平，历时1 d，湖口站最高水位22.67 m，超保证水位22.50 m共5 d。

表3 实时调度模拟方案Tab.3 Real-time scheduling simulation scheme

同时，根据现状条件，蓄滞洪区与水利工程在联合运用时，仍然存在一定的薄弱环节。一方面是蓄滞洪区围堤、分洪闸口等建设尚未完成，因此在进退洪运用时，不能完全满足设计要求。另一方面，在蓄滞洪区和水库配合运用时，蓄滞洪区在分洪运用控制方面把控难度较大，其分洪时机是影响分洪效果的重要因素，特别是时机滞后影响较大，在模拟过程中城陵矶附近的蓄滞洪区运用普遍需提前1～2 d，若分洪时机滞后，其分洪效率将大打折扣[17]，同时在蓄滞洪区的选择方面需采用就近分洪的原则，在预见期干流超额洪量较大时，适合运用干流附近蓄滞洪区，而湖区来水较大时，则运用湖区附近蓄滞洪区。

4 结 论

本文通过梳理长江上中游流域控制水库与蓄滞洪区的防洪目标及任务，结合防御1954年的洪水特性，初步提出了水工程联合防洪实时调度策略，并应用于1954年洪水防洪调度模拟当中，对模拟效果进行了分析，得出主要结论与思考如下。

(1) 从规划层面来看，现状条件下的长江流域防洪工程体系能基本满足1954年洪水防御需求，随着乌东德、白鹤滩、两河口等控制性水库以及蓄滞洪区进退闸口、隔堤等相继建成，并纳入长江防洪综合体系，长江流域综合防洪能力将进一步得以提升，应对流域性大洪水将更加从容。由此可见，加快推进长江流域控制性水库与蓄滞洪区的建设对提升长江流域整体防洪能力意义重大。

(2) 从实时调度层面来看，基于当前的水文气象预报水平，在制定调度方案时，需围绕调度总体和阶段性目标，综合权衡预期损失与兑现损失、堤防、库区防洪风险等因素，并评估各类调度方案的效益和风险后再统筹确定。根据1954年洪水模拟调度全过程效果分析，通过堤防、水库群、洲滩民垸及蓄滞洪区的联合运用，结合水文气象预报，充分挖掘防洪工程体系潜力，长江中下游分洪总量明显减少，各主要控制站控制目标基本达到，能进一步减轻损失。

(3) 在蓄滞洪区模拟运用中发现：分洪启用时机对分洪效果有着决定性作用，提前或推后都将影响分洪效率，但一般情况下提前运用好于推迟运用；分洪效果随距离增加而降低，因此在蓄滞洪区选择时建议按照就近原则；蓄滞洪区与水库联合调度的运用方式，建议蓄滞洪区以“削峰”为主，上游水库群以“拦量”减少底水为主，而当前蓄滞洪区进退洪闸尚未完全建成的条件下，进洪过程无法完全控制，因此蓄滞洪区运用对蓄洪容积使用效率将大打折扣，部分库容在蓄洪时将成为无效库容。

(4) 通过水库群与蓄滞洪区联合模拟调度分析发现，加强水工程联合调度的基础研究、拓展水工程调度的适用范围、提升流域水文气象预报水平、推进流域综合调度和信息化共享平台建设、健全联合调度体制机制，都将有助于进一步提高防范流域性大洪水的能力，为科学应对大洪水提供支撑。