金沙江下游梯级及三峡水库消落次序研究

龚 文 婷，李 帅，胡 挺，邢 龙，王 玮 玉

(中国长江三峡集团有限公司，湖北 宜昌 443133)

0 引 言

长江上游河段水头落差大、水能资源丰富，建有多个梯级电站，是中国重要的水电能源基地[1]。2021年，随着金沙江下游干流乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝等4座电站的全部完建，其与三峡水库形成了世界上最大的巨型梯级水库群，在长江流域水资源开发利用方面发挥着关键作用[2-3]。然而，梯级水库的建成投运，也将水库调度方式由原有的单库调度转变为梯级水库联合调度[4-5]，调度目标从追求单方面效益转变为实现综合效益最大化[6]。消落期作为水库发电、供水、航运、生态等综合效益发挥的重要阶段[7-8]，不同消落方式会改变流域梯级水库枯期径流量分配[9]，从而影响流域梯级水库消落期综合效益的发挥，因此如何合理地安排梯级水库消落次序，在确保防洪安全的前提下，尽可能减少弃水[10-11]，实现发电、航运、生态、补水等综合效益最大化[12-16]，是消落期调度的关键。

近年来，针对单库消落方式或是多年调节水库年末消落方案已开展大量研究[17-18]。鲍正风等[19]以三峡水库为研究对象，重点分析了汛前消落优化调度方式来提高电站水能利用率；石萍等[20]基于金沙江中游梯级水库优化调度规律，建立了龙盘水库年末消落水位预测模型；张双虎等[21]建立了判别多年调节水库年末消落水位的决策树，并应用于乌江梯级水库调度。而针对流域梯级水库的联合消落调度，张睿等[22]以溪洛渡、向家坝水库为对象，分析两库消落深度对水库总体运行调度的影响，并开展了金沙江下游四库联合运行时枯期消落方式初步探究；符芳明等[23]以溪洛渡、向家坝、三峡、葛洲坝四库为对象，建立了消落期随机联合优化调度模型，明确四库协同消落策略；黄草等[24]以长江上游水库为研究对象，分析了水库群联合调度的汛前放水次序。但目前针对金沙江下游四库消落次序研究鲜有报道，也未探究金下梯级-三峡水库五座控制性水库在整个消落周期最佳联合消落调度方式[25]。因此，本研究以金下梯级与三峡水库为研究对象，针对整个消落期开展五库联合消落分析，制定梯级水库协同消落方案，以期实现金下梯级及三峡水库消落期发电、航运、生态、补水综合效益最大化。

1 金下梯级-三峡水库概况

金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝梯级和三峡五座水库[26]总调节库容429.69亿m3，总防洪库容376.43亿m3，总装机容量达67 300 MW(见表1和图1)，是世界上最大的清洁能源走廊。近年来，通过以三峡水库为核心的梯级水库联合调度，梯级水库防洪、发电、航运、水资源利用等效益显著发挥，为长江经济带高质量发展提供了重要保障[27]，在能源保供和实现“双碳”目标方面发挥着极其重要作用。

表1 金下梯级-三峡水库概况Tab.1 The general situation of cascade reservoirs of the downstream Jinsha River and Three Gorges Reservoir

2 梯级水库消落方案拟定

根据调度规程，流域梯级水库均从年末开始消落，汛前消落至汛限水位以下，消落期间应控制消落速率不超过水位变幅上限。目前，水库消落常设定为3种方式：提前消落、均匀消落、推迟消落[19]。其中，提前消落是指在消落前期采用最大变幅集中消落至汛限水位，后维持低水位运行；均匀消落是指每日按照相同速率逐步消落，在汛前消落至汛限水位；推迟消落方式是指消落前期一直维持高水位运行，在消落后期以日水位最大变幅集中消落至汛限水位。各水库消落计划及消落方式如表2所列。

表2 金下梯级-三峡水库消落计划及消落方式Tab.2 The plan and method of drawdown operation for cascade reservoirs of the downstream Jinsha River and Three Gorges Reservoir

综合考虑金下梯级-三峡水库汛期、蓄水期、消落期的一致性以及水力联系上的密切程度，将其分为不同的研究单元，其中乌东德-白鹤滩梯级(乌-白梯级)为第一个研究单元，溪洛渡-向家坝梯级(溪-向梯级)为第二个研究单元，三峡水库为第三个研究单元；每个单元按照提前消落、均匀消落、推迟消落的不同消落方式进行组合[19]，形成27种消落方案(见表3)

本研究选取各水库设计依据站华弹站(乌东德、白鹤滩水库)、屏山站(溪洛渡、向家坝水库)、宜昌站(三峡水库)1950～2020年长系列资料，分析在不同消落方案下流域梯级水库发电、补水、航运、生态几方面的效益情况，各效益指标如下：

(1)发电效益。多年平均发电量E均：

En=kq发电ht

(1)

(2)

式中：k，q发电，h分别为水电站出力系数、发电流量、净水头；t为时间；En为第n年溪-向梯级年发电量；Nmax为计算总年数。

(2)补水效益。年均弃水量Q：

(3)

式中：qn为第n年水库弃水量。

(3)航运效益。年均禁航天数D：

(4)

式中：dn为第n年水库禁航天数，从0开始计数，当水库出库流量小于最低下泄流量标准或高于最大通航流量上限时，dn=dn+1。

(4)生态效益。年均低于最低生态流量天数M：

(5)

式中：mn为第n年水库出库低于最低生态流量天数，从0开始计数，当出库流量小于最低生态流量标准时，mn=mn+1。

若第n年不具备开展针对产漂流性或产黏沉性卵鱼类的各类生态调度条件，则直接判定该年生态效益受到影响。

3 不同消落方案综合效益分析

3.1 发电效益分析

乌-白梯级、溪-向梯级、三峡水库分别采取不同消落方式，以乌东德入库作为流域梯级水库的入库流量，考虑各水库间的区间流量，逐级演算，不同消落方案下各水库发电效益如表3所列。

表3 金下梯级-三峡水库组合消落方案及发电效益Tab.3 The combined drawdown schemes and power generation for cascade reservoirs of the downstream Jinsha River and Three Gorges Reservoir

综合不同消落方案下的发电情况，当采用乌-白梯级均匀消落、溪-向梯级推迟消落、三峡水库推迟消落组合方案时，梯级消落期总发电量最大，为1 039.22亿kW·h。考虑到不同电站供电区域不同[28]，现分析各消落单元各自最佳消落方案：

(1)乌东德-白鹤滩梯级。不同消落方式下乌-白梯级发电效益如图2所示。从图2中可知，乌-白梯级均匀消落方式时发电量最大，推迟消落次之，提前消落时发电量最小。原因如下：提前消落时消落期平均运行水头较低，且集中消落弃水较多，发电量较低；推迟消落时入库流量较大，与集中消落水量叠加，增加水库弃水，导致发电量较低。

(2)溪洛渡-向家坝梯级。有无考虑乌-白梯级消落方式的溪-向梯级消落期发电情况如图3所示。从图3(a)可以看出，不论乌-白梯级采取何种消落方式，溪-向梯级推迟消落时发电量最大、均匀消落次之、提前消落发电量最小。原因如下：溪-向梯级提前消落时，弃水过多，导致发电量较低；推迟消落时，溪洛渡水库处于回蓄阶段，对入库流量产生调节作用，有效减少弃水，且向家坝水库采取分阶段消落，不会产生过多弃水。

考虑乌-白梯级消落影响(见图3(b))，溪-向梯级在乌-白均匀消落时发电量最大，提前消落次之，推迟消落发电量最小。原因如下：乌-白梯级推迟消落时，大幅增加溪-向梯级入库，与汛前天然来水叠加，产生大量弃水，减少部分发电量；乌-白梯级提前消落时溪-向梯级入库流量较小，可有效增加入库流量，从而增加部分发电量。

此外，由于向家坝水电站调节库容较小，库水位消落过快对电站出力影响较大，因此在短期内电力需求较大时，仍将溪-向梯级看做一个整体，优先考虑加大溪洛渡电站出力，控制向家坝水库水位维持较高水位运行，梯级出库流量由向家坝水库出库控制。

综合金下梯级发电情况，当乌-白梯级均匀消落、溪-向梯级推迟消落时，金下梯级发电量最大。

(3)三峡水库。有无考虑金下梯级消落方式的三峡水库消落期发电情况如图4所示。从图4(a)可以看出，不论金下梯级采取何种消落方式，三峡水库推迟消落时发电量最大、均匀消落次之、提前消落发电量最小。原因如下：三峡水库日消落变幅较小，对下泄流量影响不大，且三峡电站装机较大，天然来水与补水流量叠加，不会产生过多弃水，因此高水位运行时段越长，发电量越大。

考虑金下梯级消落影响(见图4(b))，三峡水库在金下梯级均提前消落时发电量最大，均推迟消落时发电量最小，且乌-白梯级推迟消落时，不论溪-向梯级采取何种消落方式，三峡水库发电量均明显低于其他消落组合方案时对应发电量。原因如下：提前消落时三峡水库天然入库流量较小，上游水库消落可有效补偿三峡水库入库，弃水量较小；推迟消落时三峡水库已进入汛前时段，天然入库流量较大，产生弃水风险较高，且乌-白梯级调节库容较大，集中消落会大幅增加三峡水库弃水风险。

综合分析，在乌-白梯级均匀消落、溪-向梯级推迟消落、三峡水库推迟消落的组合调度方式下，流域梯级发电量最大。

3.2 航运及生态效益

各水库消落期间的航运、生态等对下泄流量及水位变幅的要求如表4～5所列[14，29]。

表4 金下梯级和三峡水库下泄流量标准Tab.4 The outflow standards of cascade reservoirs of the downstream Jinsha River and Three Gorges Reservoir

表5 金下梯级-三峡水库生态调度要求Tab.5 The ecological operation requirements for cascade reservoirs of the downstream Jinsha River and Three Gorges Reservoir

(1)乌-白梯级提前、均匀消落时，乌东德水库低于下泄标准年均天数分别为6，0.23 d；推迟消落时，不存在低于下泄标准情况；白鹤滩水库不存在低于下泄流量情况。乌-白梯级均匀或推迟消落时，3～4月坝下江段水位变幅较小，可满足产黏沉性卵鱼类生态调度需求；汛前5～6月出库流量较大，可通过调节出库流量满足产漂流性卵鱼类生态调度需求；同时可满足分层取水调度维持较高库水位运行的要求。

(2)不论乌-白梯级按照何种方式消落，溪洛渡水库仅在溪-向梯级提前消落时存在低于下泄标准的情况，年均天数为0.08 d左右；向家坝水库不存在低于下泄标准情况，但乌-白梯级、溪-向梯级均采用推迟消落方式时，汛前向家坝水库下游存在停航风险。溪洛渡、向家坝水库采用均匀或推迟消落方式时可满足各自生态调度需求。

(3)不论金下梯级采取何种消落方式，三峡水库提前、均匀消落时低于下泄标准年均天数分别为23，0.1 d；推迟消落时，不存在低于下泄标准情况。各种消落方式下，三峡水库在3～4月均存在库区水位变幅较小时段，可满足产黏沉性卵鱼类生态调度需求，且5～6月均出库流量较大，可通过调节出库流量满足产漂流性卵鱼类生态调度需求。

综合分析，在金下梯级均匀、三峡水库均匀或推迟消落的组合方式下，金下梯级和三峡水库可满足航运及生态调度需求。

3.3 补水效益

以27种不同消落方案下的弃水量作为补水效益指标，弃水量越小，水资源利用效率越高，反之则利用效率越低，结果如图5所示。

(1)金沙江下游补水情况。不考虑区间流量，2014～2020年消落期金沙江下游多年平均补水流量仅200 m3/s，以向家坝水库出库与乌东德天然入库差值作为金沙江下游补水指标。经计算，不同消落方案下，金沙江下游补水流量约为990 m3/s，因此流域梯级水库联合消落可增加金沙江下游补水流量约790 m3/s，但消落期内不同时段补水流量大小分布不均。受水库兴利库容及电站机组容量影响，当乌-白梯级推迟消落时弃水量最大、提前消落次之、均匀消落最小；不论乌-白梯级采取何种方式消落，溪-向梯级均在集中消落时弃水量较大(提前消落、推迟消落)、均匀消落较小。综合各库补水情况，乌-白梯级均匀消落、溪-向梯级提前消落时，金下梯级弃水量最小。

(2)长江中下游补水情况。自2010年三峡水库蓄水至175.00 m以来，消落期多年平均补水流量为1 380 m3/s，以三峡水库出库流量与宜昌站天然流量差值作为流域梯级水库消落补水指标。由于三峡水库消落期与金下梯级不同，因此不同消落方案下，对长江中下游补水流量不同：金下梯级、三峡水库均提前消落时，三峡水库对长江中下游补水流量最大，约为3 130 m3/s；金下梯级、三峡水库均推迟消落时，三峡水库对长江中下游补水流量最小，约为2 270 m3/s。因此流域梯级水库联合消落至少可增加长江中下游补水流量约890 m3/s，但消落期内不同时段补水流量大小分布不均。由于三峡水电站机组容量大，不同消落方式下弃水量均较小，其中推迟消落弃水量最大、均匀消落次之、提前消落最小，最大年均弃水量控制在4亿m3左右。

综合分析，在乌-白梯级均匀消落、溪-向梯级提前消落、三峡水库提前消落的组合方式下，金下梯级-三峡水库的消落总弃水量最小，为22.45亿m3。

3.4 防洪影响

消落期内防洪安全是制约消落方式的重要因素，主要包括保证下游防洪安全和防止库尾淹没两方面。现选取水库高水位运行期1月作为防洪库尾淹没风险分析时段，选取汛前对应的水库消落末期6月作为对下游防洪风险分析时段，结果如下：

(1)金下梯级。根据初步设计成果，金沙江下游1月入库流量为1 290 m3/s，按最大补水流量计算，金下梯级最大入库流量为15 100 m3/s，该流量低于乌东德水库土地征用线5 a一遇洪水标准(18 500 m3/s)，因此不存在库尾淹没风险；6月入库流量为4 340 m3/s，按最大补水流量计算，金下梯级最大出库流量为14 300 m3/s，低于川渝河段20 a一遇洪水标准(28 200 m3/s)，因此不会增加下游防洪风险。

(2)三峡水库。根据初步设计成果，三峡水库1月入库流量为4 530 m3/s，按最大补水流量计算，三峡水库最大入库流量为23 100 m3/s，低于20 a一遇的移民迁移线和5 a一遇土地征用线对应洪水流量标准，不会出现库尾淹没风险；汛前6月上旬入库流量为14 400 m3/s，按最大补水流量计算，三峡水库最大出库流量为21 400 m3/s，远低于三峡水库5 a一遇的设计洪水标准(60 500 m3/s)，且此时库水位维持在150.00 m以下，具有足够防洪调节能力。

此外，为兼顾三峡水库对洞庭湖城陵矶地区的防洪补偿任务，现统计三峡水库建库以来(2003～2021年)出库流量和下游城陵矶地区水位的关系。经分析，城陵矶地区水位即将超警(32.50 m)对应三峡水库最小下泄流量为29 700 m3/s，大于消落期间三峡水库最大出库流量，因此消落期间不会增加城陵矶地区防洪风险。

3.5 消落方式综合分析

综合上述分析，乌-白梯级采用均匀消落时发电效益最佳，通过合理调度，出库流量可满足下泄流量标准，且可兼顾生态调度需求，补水效益最佳；溪-向梯级采用均匀消落时发电量仅次于推迟消落，通过合理调度，出库流量可满足下泄流量标准，且补水效益较好；三峡水库采用推迟消落时发电量最大，出库流量可满足下泄流量标准，且可兼顾生态调度需求，尽管推迟消落弃水量略多于其他消落方式，但梯级总体弃水量较小。因此金下梯级均匀消落、三峡水库推迟消落时，可在不影响防洪安全的前提下，实现发电、航运、生态、补水等综合效益最大化。

3.6 典型年消落方式综合分析

为分析不同频率来水条件下，水库最佳消落次序，本研究选取30%，50%，70%频率旬尺度来水条件，计算了金下梯级及三峡水库采取不同消落方式的综合效益(见表6)。

表6 不同频率来水条件下金下梯级及三峡水库综合效益Tab.6 The comprehensive benefit for cascade reservoirs of the downstream Jinsha River and Three Gorges Reservoir under different frequency of the inflow

经计算，不同频率来水条件下，采用乌-白梯级均匀消落、溪-向梯级推迟消落、三峡水库推迟消落时，金下梯级-三峡水库消落期发电量最大。来水越枯，金下梯级及三峡水库出库流量低于最低下泄流量标准天数越多，其中70%频率来水条件下，金下梯级及三峡水库均提前消落时，消落期低于最小下泄流量天数最多。乌-白梯级、溪-向梯级、三峡水库均采用均匀消落方式时，金下梯级及三峡水库均能满足航运及生态调度对水位流量控制要求；金下梯级及三峡水库均采用均匀消落方式时，总弃水量最小，补水效益最大。防洪影响方面，30%频率来水条件下，若金下梯级和三峡水库均采用集中消落，乌东德水库1月最大入库流量为15 300 m3/s，金下梯级6月最大出库流量为16 800 m3/s，满足防洪安全要求，但会为向家坝水库下游带来停航风险，三峡水库1月最大入库流量为23 500 m3/s，6月最大出库流量为23 600 m3/s，满足防洪安全要求，但出库流量大于多年平均来水条件下对应出库流量。综合上述分析，建议实际调度中结合预报来水情况，当来水偏丰(30%频率)、偏枯(70%频率)时金下梯级-三峡水库及时调整为均匀消落。

为进一步分析不同频率来水条件下，来水组合偏早、正常、偏迟时梯级水库消落期效益变化情况，本研究考虑最不利条件，以30%，70%频率来水作为偏早、偏迟的极端来水情况，以50%频率来水作为正常来水情况。其中，偏早(迟)分为偏早(迟)1，2，3旬3个等级，由此金下梯级和三峡水库来水共有49种组合方式。

经计算，不同极端来水条件下，发电、航运、生态、补水效益变化情况与不同频率来水条件下变化规律一致。但在来水极枯时(70%来水偏迟3旬)，若金下梯级及三峡水库均采用提前消落方式，出库流量低于下泄流量标准天数达90 d，难以满足生态及航运要求；在来水极丰时(30%来水偏早3旬)，若金下梯级及三峡水库均采取推迟消落方式，按最大补水流量计算，金下梯级6月下旬最大出库流量达20 000 m3/s，三峡水库6月上旬最大出库流量达38 000 m3/s，均已超过历年汛期梯级水库遭遇洪水时的下泄流量水平，会增加下游荆江河段及城陵矶地区防洪风险，同时为向家坝及三峡水库下游江段带来停航风险，应开展防洪调度，控制出库流量。而乌-白梯级、溪-向梯级、三峡水库均采用提前或均匀消落的方式时，金下梯级6月下旬最大出库流量可控制在10 000 m3/s，三峡水库最大出库流量可控制在30 000 m3/s，可保证下游防洪安全。综合上述分析，当来水极丰时，为满足防洪等需求，各水库应采取提前或均匀消落方式，当来水极枯时，为满足下泄流量要求，应采取均匀或推迟消落方式。因此，在上述极端来水条件下，金下梯级-三峡水库应结合预报来水情况，及时调整为均匀消落方式，以满足防洪、发电、航运、生态、补水等各方面调度需求。

4 结 论

本文以金下梯级及三峡水库为研究对象，以乌-白梯级、溪-向梯级、三峡水库作为消落单元，采取不同消落方式加以组合，形成多种消落方案，根据不同消落方案下梯级水库综合效益的变化情况，得出合理消落次序，结论如下。

(1)多年平均来水条件下，乌-白梯级均匀消落、溪-向梯级推迟消落、三峡水库推迟消落的组合调度方式下，流域梯级发电量最大；金下梯级均匀消落、三峡水库均匀或推迟消落的组合方式下，各水库可满足航运及生态调度需求；乌-白梯级均匀消落、溪-向梯级提前消落、三峡水库提前消落的组合方式下，流域梯级水库总弃水量最小，补水效率最高，且各种组合消落方式不会增加防洪风险。综合各方面效益，梯级水库推荐采用金下梯级均匀消落、三峡水库推迟消落的方式开展联合消落调度。

(2)实际消落过程中要密切关注预报情况，若出现来水偏丰或偏枯甚至是极端来水条件，为满足防洪、发电、航运、生态补水调度需求，应结合预报及时调整为均匀消落方式。