应对2022年枯水的长江上游水库群联合调度方案

丁 胜 祥，张 俊，牛 文 静，张 虎

(1.长江水利委员会 水旱灾害防御局，湖北 武汉 430010； 2.长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010)

0 引 言

长江流域主要位于亚热带季风气候区[1]，受季风影响显著，水旱灾害频繁，在全球气候变暖的背景下，极端气候事件发生频率增加，长江流域洪涝和干旱灾害事件均在增多、增强。2022年，长江遭遇罕见的全流域性枯水[2-3]：6月中旬开始涝旱急转，7～10月流域累计面雨量为1961年以来同期最少，流域降雨少、气温高，上中下游同枯，江河来水显著偏少。下游大通站径流较同期30 a均值偏少近5成，流量比往年早3个月达到多年平均的最枯值；中下游主要站8～10月均创有实测记录以来历史同期最低水位；洞庭湖、鄱阳湖先后于8月4日和6日提前进入枯水期。流域共11省(市)发生不同程度旱情，旱情最严重时农作物受旱面积285.2万hm2，因旱影响供水473万人。

当前，针对长江流域对洪涝灾害的应对策略和调度方案研究，以及对干旱发生规律和判别方法的研究相对较多，但对旱灾防御尤其是应对流域性枯水的研究则相对较少。刘振胜等[4]提出了长江下游干流枯季水量分配的原则、目标及应对干旱的预案；针对长江流域2000年以来的典型枯水年份尤其是秋季(蓄水期)的调度，要威等[5]研究了长江上游水库调度缓解鄱阳湖枯水形势的作用；冯宝飞等[6]分析了2016年秋长江中下游枯水并提出了对水库调度的启示；杨光等[7]总结了长江中下游地区2019年夏秋冬三季连旱的特点和应对经验；夏军等[8]基于长系列历史资料统计分析了长江流域历史典型干旱及其致灾情况，并提出了科学抗旱减灾对策。

2022年，水利部已将长江流域51座控制性水库纳入联合调度[9]，总调节库容1 160亿m3，总防洪库容705亿m3，在流域防洪减灾、水资源综合利用、改善流域生态、畅通黄金水道、保障清洁能源供应等方面发挥着越来越重要的作用。其中，长江上游27座控制性水库总调节库容662.4亿m3，总防洪库容482.4亿m3。本文针对2022年长江流域性枯水，通过分析蓄水期、枯水期流域用水需求，研究满足沿江用水的长江上游水库群联合蓄水和补水调度方案。

1 面临的问题

2022年的流域性枯水给长江上游水库群联合调度尤其是枯水期调度带来了极大挑战。一方面前期(2022年7～8月)流域来水特枯加上遭遇大范围长历时的高温热浪天气，长江上游水库群2022年9月初的底水(蓄水量)明显偏低，要蓄至往年水平的差额(待蓄)水量明显增加；另一方面上游水库群后期保障的主要对象，即长江中下游干流水位均跌至同期极值以下，加上后期区间来水预报偏枯，中下游长时间低水位对上游水库群后期下泄流量的要求也将更高。长江上游水库群蓄水期调度面临前期水库群蓄量少、来水少、待蓄水量多和枯水期供水形势严峻等多重困难。

(1) 2022年7～8月来水特枯，主要水库主汛期水位持续降低。6月中旬开始，长江流域降水由丰转枯，7月流域来水由偏多转为偏少，随后来水偏枯程度持续加剧。7～8月，长江流域来水偏少3成多，其中，干流寸滩、汉口、大通站来水偏少3～4成，较多年均值分别偏少271亿，428亿，441亿m3；上游主要支流岷江、嘉陵江、乌江来水偏少5成左右；中下游两湖来水偏少4～5成；三峡水库来水较多年同期分别偏少近5成(偏少366亿m3)，为有资料以来倒数第1位。受来水严重偏枯影响，原本可以在8月份开始蓄水的雅砻江梯级、金沙江中游梯级，以及金沙江下游乌东德、白鹤滩等水库，不仅未蓄到水，水位反而持续降低。

(2) 2022年7～8月高温形势罕见，迎峰度夏发电保供进一步降低了水库水位。与来水偏少同步，7～8月长江流域控制性水库群主要送电区域遭遇大范围、长历时高温热浪天气，多地最高气温破历史极值，为配合电网迎峰度夏保障高温时段电力供应，上游几乎全部的控制性水库均持续加大调峰调频力度和发电流量，前文所说的一些原本可以在8月份逐步蓄水的水库水位不升反降，上游水库主汛期多数维持在死水位(部分水库在汛限水位)附近运行。来水严重偏少加上用电负荷显著增加，使得上游水库群9月初蓄水量明显偏少。截至2022年9月1日，上游水库群死水位以上蓄水量仅153.7亿m3，比近5 a均值少114.4亿m3，正常蓄水位以下待蓄水量达537.2亿m3，比近5 a均值多246.5亿m3，具体见表1。

表1 截至2022年9月1日长江上游水库群待蓄水量Tab.1 Storage capacity needed to be filled at upper reservoir groups of Changjiang River on Sep.1st,2022 亿m3

(3) 长江中下游水位破历史极值，低水位条件下后期供水需求预计更大。与来水特枯相应，中下游干流及洞庭湖、鄱阳湖水位持续降低。2022年8月1日08：00，沙市、汉口、城陵矶(七里山)、湖口站水位分别为34.25，19.43，25.20，13.16 m，较同期均值分别偏低5.09，5.21，4.92，4.59 m；2022年9月1日08：00，沙市、汉口、城陵矶(七里山)、湖口站水位分别为31.14，14.77，21.09，8.50 m，较同期均值分别偏低7.41，7.72，8.04，7.61 m；大通站8月1日、9月1日08：00流量分别较同期均值偏少19 800，26 900 m3/s。水位的异常偏低使得中下游均提前进入枯水期，枯水期的低水位将较往年更低，低水位的历时也将较往年偏长，这使枯水期长江中下游干流及洞庭湖、鄱阳湖周边的预期取水条件较往年更差。因此，为了保障枯水期沿江供水工程取水水位等条件，上游水库群在枯水期要保障的下泄流量预计要比往年大幅增加，初步估计上游水库群总出口三峡水库枯水期的最小下泄流量需比往年增加1 000 m3/s或以上。

2 来水预测

2022年9月初，长江水利委员会(以下简称“长江委”)水文局根据8月下旬大气环流状况和海温场演变趋势，综合数值模式预测、数理统计方法及相似年分析等方法，对长江流域蓄水期(9～11月)、枯水期(12月至次年4月)的降水及来水做了预测。

根据降水预测，2022年9～10月，长江上游降水量正常偏多，其中，金沙江流域和乌江流域正常偏少，岷沱江、嘉陵江正常偏多，长江中下游降水量偏少。11月，长江上游降水量偏多，中下游基本正常。在降水预测的基础上，再综合考虑9月初土壤含水量、江河底水与中小型水库蓄水量明显偏低等情况，预测流域主要支流9～11月天然来水(不考虑水库群调度情况下的来水)见表2。9～11月，三峡水库天然来水较多年均值偏少1～4成，长江中下游主要支流来水偏少4～7成。

表2 2022年长江上游9～11月天然来水预报Tab.2 Forecast on natural water flow of upper reaches of Changjiang River from Sep.to Nov.in 2022

枯水期(12月至次年4月)来水预测结果见表3，三峡水库以上天然来水(不考虑水库群调度情况下的来水)较多年均值偏少，各月偏少幅度约1～2成；长江中下游主要支流来水偏少2～8成。

表3 长江枯水期天然来水流量预测Tab.3 Forecast on natural water flow in dry season of Changjiang River

3 预报来水条件下枯水期中下游缺水量分析

考虑到长江中下游控制性水库主要分布在清江、汉江及洞庭湖、鄱阳湖水系的支流上，其中洞庭湖、鄱阳湖水系水库2022年9月份前均已结束蓄水，后期水库群调度应满足所在支流抗旱供水需求，出库流量调整空间不大，汉江梯级因要满足南水北调中线一期工程调水需求，12月至次年4月丹江口水库下泄流量也已基本确定。因此，枯水期长江中下游来水边界基本已固定，中下游缺水量分析以上游(三峡水库以上)、中下游(三峡水库以下)来水预测为边界，分析上游水库群的总出口(三峡水库)若按预报来水下泄，距满足枯水期(12月至次年4月)中下游干流的供水、航运、发电、生态等用水需求的缺水量。

3.1 保障目标

枯水期用水保障目标包括长江中下游干流供水、航运、发电、生态等。

(1) 供水。根据长江委2022年8～9月对长江中下游干流沿江供水水厂取水口取水条件的实地调查和分析结论，保障中下游沿江供水安全的难点在荆江河段和武汉河段。当满足沙市站水位不低于29.50 m、汉口站水位不低于12.50 m(极限情况不低于12.00 m)时，可基本保障中下游沿线城乡供水水厂取水。根据沙市、汉口站水位流量关系和预报的区间来水条件分析，当三峡水库下泄流量为7 000 m3/s左右时，可保证沙市站水位不低于29.50 m和汉口站水位不低于12.00 m。要保障汉口站水位不低于12.50 m，则需三峡水库下泄流量在7 500 m3/s左右。

(2) 航运和发电。根据三峡水库调度规程[10]，每年11月份和12月份，水库最小下泄流量按葛洲坝下游庙嘴水位不低于39.00 m且三峡电站发电出力不小于保证出力对应的流量控制；1～2月份水库下泄流量按不小于6 000 m3/s控制；3～5月份的最小下泄流量应满足葛洲坝下游庙嘴水位不低于39.00 m。根据三峡水库实际运行资料，三峡水库水位在175.00 m左右时发保证出力对应的流量约为5 000 m3/s，库水位在155.00 m左右时发保证出力对应的流量约为6 000 m3/s；庙嘴水位39.00 m相应的三峡水库出库流量约为 5 500～5 800 m3/s。需要指出的是，为保障三峡水库库区航运，一般要求4月底三峡水库水位不低于155.00 m。

(3) 生态。根据水利部印发的第一批重点河湖生态流量保障目标[11]，宜昌、汉口、大通站的生态基流分别为5 500，7 026，10 000 m3/s。其中，宜昌站生态基流保障主要靠三峡水库调度，而汉口、大通站生态流量保障则需上、中游水库群共同保障，上游水库群枯水期增加供水保障，也有利于进一步增加汉口、大通站流量。

综合以上分析，上游水库群联合调度保障三峡水库下泄流量为7 000～7 500 m3/s，即可基本满足中下游干流枯水期(12月至次年4月)的供水、航运、发电、生态等需求，大通站生态基流能否满足虽有不确定性，但也可得到较大程度改善。

3.2 中下游缺水量分析

考虑2022年来水实际，供水、航运、发电、生态4个目标中，保障了供水目标(即三峡水库下泄流量不小于7 000 m3/s)，则航运、发电、生态调度目标均可保障。因此，本文在分析长江中下游枯水期缺水量时，以预报的中下游来水条件为固定边界，重点分析上游水库群的总出口(三峡水库)若按预报来水下泄，距满足枯水期(12月至次年4月)中下游干流供水需求的缺水量，并以此缺水量为基础反算上游水库群在蓄水期应蓄水量，开展后续的蓄水和补水联合调度方案研究。

根据枯水期(12月至次年4月)来水预测成果，三峡水库12月至次年4月预测天然来水562.0亿m3，保障7 000 m3/s的下泄流量共需水量913.0亿m3，预计缺水351.0亿m3；若保障7 500 m3/s的下泄流量则共需水量978.5亿m3，预计缺水416.5亿m3。若进一步考虑预报来水的不确定性，从不利角度认为上游12月至次年4月来水可能发生实测的逐月最小来水组合(来水量451.0亿m3)，则保障7 000，7 500 m3/s下泄流量的缺水量将分别达462.0亿，527.5亿m3。

考虑到长江上游汛期晚于中下游，5月份上游一般来水仍偏少，所有水库均降至死水位对5，6月份供电及航运安全有一定影响，4月底上游水库群不宜将死水位以上水量全部补完，还需预留部分水量以满足航运(如三峡水库一般要求4月底库水位不低于155.00 m)和水电站调峰调频需求。根据近5 a(2018～2022年)资料统计，4月底上游水库群死水位以上平均仍有蓄水量195.0亿m3，最少仍有蓄水量150.5亿m3(2020年)。因此，为保障枯水期中下游用水，同时考虑5月份及之后上游水库群发电、航运等需求(4月底上游水库群死水位以上仍预备2018～2022年中的最小蓄水量150.5亿m3)，上游水库群应在9月1日已蓄水量的基础上，再蓄水350.0亿～415.0亿m3水量才能满足预报来水条件下的中下游补水需求，并在4月底仍有适当水量保障水电站调峰调频和三峡水库库区等航运需求。若实际来水比预报来水还要偏小，如遇逐月最小来水组合的极端枯水情形，则通过适当减小调峰调频、放宽三峡水库库区航运要求等措施，进一步运用预备的死水位以上150.5亿m3水量才可保障供水安全。

4 上游水库群蓄水期联合蓄水及枯水期联合补水调度方案

在考虑预报来水的基础上，以满足当前抗旱保供为约束，以保障枯水期长远用水需求为目标，研究制定蓄水期蓄水和枯水期补水调度方案。

4.1 上游水库群联合蓄水方案

在满足蓄水期长江中下游抗旱保供用水的前提下，为实现上游水库群9～11月增加蓄水350亿～415亿m3的目标，按照大系统分解协调的思路，将上游水库群蓄水任务按照水系的拓扑关系首先分解到各主要支流，在综合考虑各支流来水、蓄水期最小下泄流量、水库蓄水期要求等条件后，确定各支流梯级水库的蓄水方案；再根据各支流的蓄水方案，分析各支流蓄水后的干流来水变化，重点聚焦金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝水库和三峡水库(上游控制性水库群总出口)的蓄水方案。

4.1.1主要支流蓄水方案

(1) 与预报来水相比，金沙江中游梯级的14.25亿m3待蓄库容较小，可在9月底基本蓄满(其中观音岩水库9月份仍需预留2.53亿m3防洪库容，10月份再蓄)。

(2) 根据9～11月长期预测，雅砻江二滩水库以上天然来水148亿m3，考虑两河口水库(其2022年为初期蓄水)蓄水期在保障生态流量的前提下适当拦蓄，预计11月底蓄至2 845.00 m左右；锦屏一级水库可在9月底蓄至正常蓄水位左右，此后按入出库平衡调度；二滩水库8月底已基本蓄满，维持前期水位运行即可。按此计算，9～11月，雅砻江梯级水库群预计共蓄水60亿m3。

(3) 根据预测，岷江、嘉陵江、乌江3条支流9～10月来水量总计400亿m3左右，其流域上的控制性水库待蓄库容共90.2亿m3，占来水比重相对较小。因此，这3条支流上的控制性水库群可按来水和调度规程择机安排蓄水，在10月底前可逐步蓄至正常蓄水位。

因此，金沙江中游、雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江等支流梯级水库预计总蓄水量165亿m3左右。

4.1.2金沙江下游梯级与三峡水库联合蓄水方案比选以满足3.2节分析得出的缺水量(即水库群应蓄水量)为上游水库群蓄水目标，分析金沙江下游梯级和三峡水库在雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江等主要支流按照前面所述的方案蓄水后的来水，以此为基础研究满足缺水量的蓄水方案。

分析蓄水方案时，还需考虑水库最小下泄流量的制约及蓄水后对长江中下游的影响，要在蓄够满足枯水期补水需求所差水量的同时，维持蓄水期较大的下泄流量，尽量满足相关调度方案和规程对蓄水期下泄流量的要求。这里先拟定不同的三峡水库下泄流量方案，分析三峡水库及金沙江下游梯级在不同下泄流量情形下的可蓄水量，并分析蓄水期间对中下游水位的影响，最后再择优选择方案。

(1) 蓄水期不同下泄流量的可蓄水量分析。根据来水预测，9～11月三峡水库以上来水量在982亿m3左右。在对多组方案比选后，优选出4组调度方案进行对比，方案如表4所列。方案1～4蓄水期下泄水量逐渐减小，相应的可蓄水量在逐步增加；方案1三峡水库9～11月合计下泄水量在638亿m3左右，上游水库群可蓄水量在344亿m3。方案2，3，4的可蓄水量分别为388亿，397亿，406亿m3。

表4 2022年上游水库群可蓄水量分析Tab.4 Accessible water for reservoir storage of upper reservoir group in Changjiang River in 2022

(2) 不同方案的中下游水位预测情况。分析各方案蓄水期对长江中下游水位影响(见表5)可知：方案1～4的9，10月累计下泄水量依次减少，沙市、汉口、七里山、湖口等站水位依次递减，但因11月份下泄流量均为7 000 m3/s，各方案11月份各站水位和大通站流量基本相当。对比为保障中下游供水而确定的沙市、汉口站水位控制目标，各方案沙市站水位均在29.50 m以上，汉口站水位则在12.70 m左右，均满足要求。

表5 2022年蓄水期不同调度方案中下游水位预测Tab.5 Forecast on water levels of middle and lower Changjiang River during water impoundment period under different dispatch schemes in 2022 m

因蓄水期中下游水位和可蓄水量两个目标是矛盾的，4个方案各有优点和不足，但方案1～4均可满足中下游蓄水期的用水需求，同时也基本可蓄足保障枯水期补水需求仍缺的350亿～415亿m3水量(方案1略有欠缺)，理论上4个方案均是可行的，具体实施时可视实际来水与预报来水的差别以及中下游水位变化情况进行动态调整。

4.1.3上游水库群蓄水方案实施情况

以上述长江上游水库群联合蓄水方案为指导，根据实际来水实时优化蓄水进程。11月上旬上游水库群蓄水基本结束(11月中旬开始，上游水库群逐步利用已蓄水量向中下游补水)，11月10日水库群死水位以上蓄水量达495亿m3(见表6)，9～11月上旬共蓄水量341亿m3，达到预期蓄水目标。总体来看，蓄水过程中三峡水库9月份平均下泄7 960 m3/s，10月份平均下泄8 590 m3/s，11月上旬平均下泄6 990 m3/s，9～11月上旬三峡水库平均下泄流量8 100 m3/s，蓄水期间三峡水库下泄基本在方案1～4分析的下泄流量范围内，蓄水期间沙市、汉口站最低水位分别为29.60，12.56 m，最小流量分别为6 730，8 660 m3/s。需要指出的是，蓄水期间，针对长江中下游地区持续发展的旱情以及长江口咸潮入侵等情况，上游水库群还分别于9月12日、10月2日进行了两次补水专项行动，其中三峡水库下泄流量分别最大加大至9 210 m3/s(9月14日)和12 800 m3/s(10月10日)，补水期间沙市、汉口站最高水位分别为33.00，15.04 m。

表6 2022年11月10日长江上游水库群实际蓄水统计Tab.6 Realistic water storage of reservoir group in upper reaches on Nov.10th,2022 亿m3

4.2 上游水库群枯水期联合补水计划

长江上游水库群11月10日前后基本完成蓄水，11月中旬开始，为满足中下游用水需求，开始利用已蓄水量向中下游补水，预计11月底上游水库群死水位以上蓄水量在480亿m3左右。根据预测，2022年12月至2023年4月，三峡水库天然来水总量约562亿m3，为满足中下游供水等各项用水(三峡水库维持7 000 m3/s的下泄流量)，上游水库群需向中下游补水351亿m3。根据2022年9月份上游各水库考虑发电初步编制的枯水期发电计划，上游水库群枯水期12月至次年4月计划共向中下游补水303.70亿m3(4月底上游水库群死水位以上仍有库容179.17亿m3)，与维持三峡水库不小于7 000 m3/s所需的水量913亿m3相比，存在48.3亿m3水量缺口，需要协调上游水库群相应调整发电计划，在发电计划基础上增加补水48.3亿m3(见表7)。

表7 枯水期上游水库群补水计划Tab.7 Plan of water discharge of upper reservoir group

5 结 语

2022年长江遭遇流域性枯水，水库群9月初蓄水量严重不足，加上来水预测偏少，枯水期抗旱保供水存在较大水量缺口，仍按往年的常规方式调度水库群蓄水难以保障枯水期供水安全。本文充分考虑特枯水条件下的调度约束，分阶段明确2022～2023年蓄水期、枯水期调度目标，适当压减了蓄水期下泄流量，提出了保障流域供水和航运等多目标需求的联合调度方案并付诸调度实践，为枯水期综合用水需求提供了水资源保障。

随着长江流域控制性水库群的形成，水库群蓄丰补枯已成为保障枯水期供水安全最可靠的措施。当前对流域水库群枯水条件的联合蓄水研究相对较少，迫切需要进一步开展枯水条件下的水库群蓄水相关研究，合理安排各水库特枯条件下的下泄流量，协调好蓄水期和枯水期用水的关系，指导编制更加合理的联合蓄水方案。2022年长江流域夏秋连旱的范围和持续时间均极为罕见，洞庭湖、鄱阳湖水位8月初即已提前退至枯水水平以下，上游水库群9～10月蓄水反而对其影响较小，将来应加强相关研究，针对不同的两湖地区水文情势，科学确定水库群蓄水期间的下泄流量。