丹江口水利枢纽汛末提前蓄水方案研究

董付强，穆青青，王伟，丁洪亮，李加乐

摘要：丹江口水利枢纽是汉江综合利用开发治理的关键性水利工程，是南水北调中线工程的水源水库，按照调度规程，丹江口水库汛末蓄满率低。为提高丹江口水库水资源利用效率，在充分分析汛末提前蓄水必要性的基础上，通过水文气象预报耦合，提出了汛末提前蓄水方案。结合2021年汛末提前蓄水实践，对提前蓄水的风险和效益进行了分析。结果表明：实施汛末提前蓄水至少能提高27%以上蓄满率。蓄水方案可操作性强，能够为丹江口水库实际调度提供可靠的技术支撑，以进一步发挥丹江口水利枢纽的综合效益。

关键词：水库调度； 汛末蓄水； 提前蓄水； 丹江口水库

中图法分类号：TV697文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.013

文章编号：1006-0081（2023）09-0079-07

0引言

汛末蓄水是水库运用过程中的关键阶段，直接关系到水库效益的充分发挥［1］，随着经济社会发展，对汛末蓄水提出了更高的要求。丹江口水利枢纽是汉江综合利用开发治理的关键性水利工程，也是南水北调中线一期工程的水源水库，汛期为了下游防洪保护区的安全，丹江口水库严格按照汛限水位运行，预留较多的防洪库容，造成弃水较多，平均每年弃水70亿～80亿m3。汛后水库难以蓄满，年蓄满率仅为13%左右，蓄满率低［2-3］。随着南水北调中线一期工程供水需求的增加，丹江口水库已由规划时的补充水源转变为主要水源，为提高水库的蓄满率，充分发挥水库综合效益，研究汛末提前蓄水十分必要。

目前，对丹江口水库汛末提前蓄水已有不少研究成果。霍军军等［4］提出若将水库蓄水时机提前至9月下旬，提前蓄水期控制高水位取164.3 m，水库汛末年均蓄水量可增加3.3亿m3；汪芸等［5］提出汛末最佳起蓄时间为9月15日，9月蓄水水位上限值为166 m；张婉蕾等［6］提出9月21日起，水库逐步充蓄，汛末平均蓄水位提高0.8 m；洪兴骏等［7］提出9月下旬自165.5 m起开始逐步蓄水，汛后蓄满率可提高27%；郭生练等［8］提出9月15日之后，在预报判断华西秋雨不大的情况下，水位可逐步上浮至166.0～167.5 m。

总体而言，现有研究主要集中在结合汛限水位动态控制的情况下实施汛末提前蓄水，尚缺乏水文气象耦合的汛末提前蓄水研究。本文从汛末提前蓄水的必要性、可行性进行分析，结合降雨预报的汛末提前蓄水进行研究，并基于2021年汛末提前蓄水实践，对提前蓄水的风险和效益进行分析，以期全面发挥水库综合利用效益。

1丹江口水利枢纽概况

丹江口水利枢纽位于湖北省丹江口市境内，坝址位于汉江干流与其支流丹江汇合口的下游800 m处，控制流域面积9.52万km2。工程分两期建设，初期工程1958年开工建设，1973年底全部建成，大坝加高工程于2005年开工建设，2013年8月通过蓄水验收，2014年12月南水北调中线一期工程正式通水。丹江口水利枢纽转入后期规模运行，枢纽坝顶高程176.6 m，正常蓄水位170 m，死水位150 m，汛限水位160.0/163.5 m（夏汛/秋汛），水利枢纽的任务为以防洪、供水为主，结合发电、航运等综合利用。

按照调度规程规定，在汛期未发生洪水时，水库按不高于防洪限制水位运行，夏汛期6月21日至8月20日防洪限制水位为160.0 m；8月21～31日为夏汛期向秋汛期的过渡期；秋汛期9月1日至10月10日，其中9月1～30日防洪限制水位为163.5 m。10月1日起，视汉江汛情和水文气象预报，水库可以逐步充蓄，10日之后可蓄至正常蓄水位170.0 m。考虑泄水设施启闭运行、水情预报误差等因素，实时调度时水库运行水位可在防洪限制水位上下0.5 m范围内变动。

2汛末提前蓄水必要性与可行性分析

2.1通水以来蓄水情况分析

丹江口水库通水以来蓄满率较低，初期工程蓄到正常蓄水位157.0 m的机率只有23%左右。大坝加高后，水库正常蓄水位从157.0 m提高到170.0 m，相应的秋季汛限水位由152.5 m提高到163.5 m，但汛末蓄水启蓄时间仍然限定在10月1日。大坝加高前从汛限水位152.5 m蓄水到157.0 m，需蓄水31.30亿m3；大坝加高后从163.5 m蓄水到170 m，需蓄水62.54亿m3，是大坝加高前的2倍［4］。汛末蓄水压力陡增，汛末水库蓄不满的情形更加显著，水库蓄满率仅为11%。2014年南水北调中线一期工程通水至2020年，历年蓄水情况如表1所示。由表1可以看出，丹江口水库汛末蓄水情况较不理想，水库最高蓄水位为167.0 m（2017年10月29日），因此有必要实施汛末提前蓄水，争取多拦蓄有效径流，使水库蓄至各阶段目标蓄水位。

2.2秋汛期降雨来水分析

受季风气候影响，丹江口水库以上流域降水年内分配不均，据统计历史数据分析，9月中旬及以后降雨明显减少，发生洪水的概率也较小，防洪压力相对降低，丹江口水库9月中旬实施提前蓄水是可行的［5］。通过对丹江口水库以上流域1986～2015年面均降雨量分析，其中，9月面平均雨量115.8 mm，10月面平均雨量总计69.1  mm（表2），发现9月中下旬开始，降雨量开始呈现减少趋势。若在水库调度中统一以10月1日开始蓄水，易产生前期弃水过多，后期无法蓄满现象，大大降低水资源利用率，因此应在9月实施提前蓄水，提高蓄满率。

2.3蓄水期汉江上游径流特性分析

丹江口水库多年平均入库径流量374亿m3（1956～2018年），通过对径流年内分配进行分析（表3），发现年内分配非常不均，汛期5～10月来水量占年径流总量的77.6%，年内来水有两个明显的峰值，分别为7月和9月，来水占年内来水量的百分比分别为17.2%与16.3%。根据调度实践经验，11～12月丹江口水库来水显著减小，在保证供水计划执行的前提下，基本已无余水充蓄水库。通过对1956年5月至2018年4月的径流进行分析（图1），发现水库4～6月平均入库流量接近多年平均流量，7～10月平均入库流量大于多年平均流量，11月至次年3月平均入库流量小于多年平均流量。进一步对1956～2018年长系列9～10月旬径流来水频率进行分析（图2～3），可以看出9月仍然来水较丰，但是年际之间极不均匀，60%的年份9月来水低于1 000 m3/s。10月上旬多年平均来水也较丰，但从频率曲线上可以看出，主要是由于少数年份10月上旬发生洪水，大部分年份10月来水已经开始骤减。由此表明：按照调度规程，从10月1日开始蓄水，蓄水压力大，不利于水库蓄满，需要抓住9月来水较丰的有利时机，實施提前蓄水。

2.4水库防洪能力分析

丹江口水库大坝加高工程完成后，预留防洪库容由初期的夏-秋汛期的77.2亿～55.0亿m3提高至110.21亿～80.53亿m3，汉江中下游河道的防洪能力从20 a一遇提高至100 a一遇，大大减轻了下游的防洪压力。

按照汉江干流15级梯级开发，随着上中游石泉、安康、黄龙滩、潘口、鸭河口、三里坪等具有防洪功能的水库先后建成投运，汉江流域基本建成了以堤防为基础，丹江口水库为骨干，其他干支流水库、蓄滞洪区、分流道、河道整治相配合等工程措施与防洪非工程措施相结合的防洪减灾体系，防洪能力显著提高。同时，根据长江水利委员会组织编制的《2021年长江流域水工程联合调度运用计划》，汉江流域7座水库纳入联合调度，汉江上中游水库群联合实施洪水调度，进一步提高汉江流域防洪安全保障，为丹江口水库提前蓄水创造了有利条件。

3汛末提前蓄水方案研究

2020～2022年，长江水利委员会组织开展了丹江口水库优化调度方案的研究工作，获得水利部批复［9］。按照优化调度方案，丹江口水库在具备条件的前提下，可以实施提前蓄水，具体条件为：根据水文气象预报，丹江口水库以上9月中下旬不发生中等强度以上降雨和较大洪水过程时，丹江口水利枢纽管理局可根据当年天气形势和水雨情情况编制提前蓄水计划，经批准后实施。本文按照9月中下旬（9月10日以后）蓄水时机对汛末提前蓄水方案进行研究。

3.1起蓄时机分析

汉江流域具有明显秋汛和径流月内分布不均匀性等特点，9月中旬后半段至9月底是丹江口入库的相对低值区。同时，9月是丹江口-皇庄区间来水低值区，入库洪水和丹江口-皇庄区间遭遇洪水的频率不高，故重点分析9月中下旬蓄水时机。

目前，短期1～3 d的定量面雨量预报精度较高，可直接用于水文预报，4～7 d的降雨过程预报较准确，可为水文预报提供更长的预见期。在延伸期预报方面，延伸期预报（一般为10～30 d）作为现有中期预报的延伸，衔接了现有天气预报（≤10 d）和气候预测（≥30 d）之间的时间缝隙。为了定量化评价汉江流域延伸期降雨预报效果，以降雨过程来评定延伸期降雨预报，对汉江流域2016～2019年延伸期预报进行评分分析（表4），具体评定标准为：汉江上游及汉江中下游2个分区任意分区有1 d或以上时间面雨量大于等于10 mm降雨记为有一次降雨过程。定义如下降雨过程预报评定方式：若预报有n次（n为自然数）降雨过程，实况有相应次数的降雨过程，得100分；若预报发生n次降雨过程，实况为n-1次或n+1次得80分；实况为n-2次或n+2次得60分；实况为n-3次或n+3次得40分；实况为n-4次或n+4次得0分。通过分析发现，延伸期降雨预报可以较为准确地判断出预报时效内可能出现的降雨过程次数，但其难以较为准确判断降雨过程的具体发生时间和落区。本文重点研究9月中下旬（9月10日以后）的蓄水时机和方式，在延伸期降雨预报基础上，滚动短中期降雨水文预报，制定调度方案，为实际调度提供决策支撑。

3.2提前蓄水方案研究

按照水利部批复的优化调度方案，根据水文气象预报，在9月中下旬（9月10日以后）不发生中等强度以上降雨和较大洪水过程时，丹江口水库可以实施提前蓄水。考虑结合定量降水预报，3 d预见期的丹江口入库预报成果可靠性较高，故实际调度中制作洪水预报时考虑3 d为预见期，并实时滚动预报。将丹江口水库蓄水运行以来1968～2020年秋季洪峰流量超过10 000 m3/s的25场实际场次入库洪水作为研究对象。根据径流系数（RC）和土壤前期含水量（PA）对暴雨产流的影响，将场次洪水的3 d洪量转化为预见期内的累积过程降雨量，推求遭遇典型洪水允许起调水位（提前蓄水期间的控蓄水位上限）与面雨量对应关系（表5），进而分析提前蓄水方案，以指导实际调度工作。若可靠预见期预报洪水不超过某一量级，则水库运行水位相应抬升，预先充蓄扣除相应预留库容ΔV后正常蓄水位170.0 m以下的剩余库容，水位抬升值为ΔH=H［V（170）-ΔV］-H0式中：H（·）为库容-水位转化关系，V（·）为水位-库容转化关系，H0为秋汛期防洪限制水位。

从表5中看出，假设前期汉江流域降雨持续时间长，前期土壤湿度较大，以径流系数0.5或PA=70 mm对应的累积过程降雨量与场次洪量对应关系为例，当有效预见期内预报累积过程面雨量不超过40 mm左右时，可认为场次洪水的3 d洪量不超18.90亿m3，相应预留防洪库容不超过15.27亿m3，提前蓄水期间水位可按不超过168.5 m控制。通过对蓄水方案分析，在蓄水期根据降雨预报，通过气象水文耦合预报，在有效预见期内，可以判别不同量级洪水，进而得到水库提前蓄水可蓄至的最高水位，由此可为实时调度提供更具有前瞻性的防洪形势预判，并作为蓄水期实施提前蓄水方案的判断依据。

3.3提前蓄水实例

基于2021年的防洪形势和来水预测预报情况，利用秋汛期的雨洪资源，丹江口水利枢纽实施了汛末提前蓄水，效果显著。2021年汉江秋雨开始时间较常年偏早明显，秋雨量明显偏多，8月下旬至10月，汉江上游总降雨量为1960年以来历史同期第1位，汉江流域发生了超20 a一遇的洪水，丹江口水库自8月23日发生首场秋季洪水，至10月16日发生最后一次秋季洪水，期间共发生8场秋季洪水，持续时间长达54 d，秋汛累计来水为1969年以来历史同期第1位。其中最大入库洪峰24 900 m3/s（9月29日），为近10 a来最大入库洪峰洪水；最大30 d洪量（天然洪量，229亿m3）超全年20 a一遇（226亿m3）。

受多场秋季洪水过程影响，丹江口水库抓住有利时机，实施了汛期运行水位动态控制和汛末提前蓄水，9月1日水位165.27 m，达到优化调度方案汛期动态运行水位。之后根据短中期及延伸期降雨预报，并通过对比分析海温外强迫因子、前期大气环流、台风特征等主要气候系统，均显示1983年與2021年的前期大气环流和后期演变存在较大差异，汉江流域后期出现类似于 1983 年全流域持续性强降水的概率较小，故9月上中旬开始提前编制汛末提前蓄水计划。该计划为：根据短中期及延伸期来水预报，后期无较大场次洪水发生，且10月预报来水偏枯，建议9月下旬承接9月中旬运行水位实施提前蓄水，按照提前蓄水方案研究，提出9月下旬至10月上旬提前蓄水过程建议（表6）。由表可知，9月中旬末水位控制在167.5～168.0 m，9月末水位控制在169.0～169.5 m，10月上旬末水位控制在169.5～170.0 m。实际调度过程中，按照蓄水计划，抓住雨洪有利时机，水库稳步蓄水，于9月底蓄水至169.45 m，10月10日蓄至170.0 m正常蓄水位（图4）。这是自2013年大坝加高后首次实现满蓄，为南水北调中线工程和汉江中下游供水打下坚实基础，同时秋汛期间丹江口水库累计拦洪约107亿m3，有效降低汉江中下游干流洪峰水位1.5～3.5 m，缩短超警天数8～14 d，与唐白河超历史洪水成功错峰，避免了皇庄以下河段水位超保证水位和杜家台蓄滞洪区分洪运用，极大减轻了汉江中下游防洪压力，综合利用效益显著。

4汛末提前蓄水风险与效益

丹江口水库汛末提前蓄水秉承“防洪安全第一、稳妥积极渐进、分级分段控制”的总体原则，以切实保障防洪安全为前提，以提高丹江口水库汛后蓄满程度和供水保证率为目标，以流域水文预报技术和水库风险管理理念为依托，以合理利用汛末洪水资源为手段，结合预报分析，合理利用汛期末段洪水资源，在9月提前拦蓄部分水量，抬升9月末控制水位，以减轻10月蓄水压力，有效提高水库蓄满率，进一步发挥水库综合利用效益。

4.1风险分析

4.1.1遭遇不同频率洪水防洪能力分析

实施汛末提前蓄水，相应会减少预留防洪库容，如在蓄水期发生较大洪水，对库区、枢纽和汉江中下游防洪安全产生影响。因此，实施汛末提前蓄水，应充分依托短中期降水预报成果，结合实时雨水情，滚动预测会商研判，合理控制蓄水进程。

通过对不同频率洪水防洪能力分析（表7），发现若实施汛末提前蓄水，自166.0 m起调，可基本保证遭遇20 a一遇洪水丹江口水库调洪最高水位不超过正常蓄水位；自167.0 m起调，可基本保证遭遇10 a一遇洪水丹江口水庫调洪最高水位不超过正常蓄水位；自168.40 m起调，可基本保证遭遇5 a一遇洪水丹江口水库调洪最高水位不超过正常蓄水位。各条件下水库最大下泄流量10 866 m3/s，基本没有因为水库下泄加重汉江中下游的防洪负担，保证了汉江中下游的防洪安全。此外，自正常蓄水位170.00 m起调，不预留防洪库容，遭遇2 a一遇洪水时，实施预泄调度，调洪最高水位169.82 m，也可以保证防洪安全。

4.1.2库岸地质灾害风险分析

丹江口水库库区处于低山丘陵区，地形高差不大，除局部碳酸盐岩地段坡度较大外，其他库岸段大部分为中等－中缓坡角。自初期工程运行近40 a来，水库区未发生较大规模的岸坡失稳事件而影响水库的正常运行情况，岸坡总体稳定性较好。大坝加高正常蓄水后，受库水位影响，预测稳定性好的库段约占17.3%；稳定性较好的库段约占63.5%；稳定性较差的库段约占13.3%；稳定性差的库段约占5.9%。其中，稳定性较差、差的库段主要集中于汉江库段的堵河口，如孤山中低山峡谷区、郧县盆地、均县盆地、丹江库段的淅川盆地、支流堵河右岸等库段，绝大部分为土质岸坡，少量为岩质岸坡，易产生较严重的塌岸，同时，这些库段崩滑体较发育，蓄水后一般稳定性差。

丹江口水库2017年首次蓄水试验蓄至167 m以来，通过进一步完善监测体系和地质灾害防治队伍、丹江口水库地质灾害防治工作体系，群测群防、安全监测、专业巡视、专家现场研判、应急避险搬迁等各项防灾工作有序开展，蓄水期间严格按照规程控制水位变幅，加强监测与信息传递沟通。通过以上措施，丹江口水库库岸地质灾害风险大大降低，有效防止了地质灾害风险的发生，未出现库岸失稳重大事件。

4.2效益分析

丹江口水库实施汛末提前蓄水可增加水库汛末蓄水量，对满足和保障下年度南水北调中线工程和汉江中下游供水具有重要意义。通过汛末提前蓄水，能有效提高水库汛末蓄满率。通过对1956～2018年共63 a长系列分析计算（表8），若汛末蓄水时间提前至9月21日，相较由调度规程规定的10月1日起蓄，从秋汛期运行水位动态控制上限水位165.5 m起蓄，丹江口水库蓄满率由15.9%可提高至27%，如起蓄水位进一步提高，蓄满率逐步增加。

5结语

本文通过对丹江口水库汛末提前蓄水研究，提出了应对不同量级洪水的蓄水方案，为水库精确、精细、精准调度提供了理论和实践参考。随着社会经济发展和人们对美好生活的需求，维系良好生态环境是丹江口水库的重要任务，围绕汉江流域生态问题，应在保证防洪安全和满足南水北调中线工程供水的前提下，深入开展丹江口水库的蓄水及调度方式研究，以应对和预防汉江中下游水华，改善汉江中下游水生态环境，充分发挥水库的防洪、供水、生态等综合效益。

参考文献：

［1］侯贵兵，徐爽，廖小龙，等.长洲水利枢纽汛末蓄水策略探讨［J］.人民珠江，2017，38（9）：15-19.

［2］张婉蕾.满足调度管理体制要求的大型水库提前蓄水方案研究［D］.武汉：武汉大学，2018.

［3］郭生练，刘攀，王俊，等.再论水库汛期水位动态控制的必要性和可行性［J］.水利学报，2023，54（1）：1-12.

［4］霍军军，许继军，张莉莉.丹江口水库汛末提前蓄水策略探讨［J］.长江科学院院报，2011，28（12）：68-71，81.

［5］汪芸，郭生练，李天元.丹江口水库提前蓄水方案［J］.武汉大学学报（工学版），2014，47（4）：433-439.

［6］张婉蕾，胡铁松.丹江口水库提前蓄水的二层规划模型［J］.水电与新能源，2018，32（3）：5-9，17.

［7］洪兴骏，余蔚卿，任金秋，等.丹江口水利枢纽汛期运行水位优化研究与应用［J］.人民长江，2022，53（2）：27-34.

［8］郭生练，田晶，杨光，等．汉江流域水文模拟预报与水库水资源优化调度配置［Ｍ］.北京：中国水利水电出版社，2020．

［9］丁洪亮，董付强，穆青青，等.丹江口水利枢纽实施汛期运行水位动态控制防洪调度风险初步探讨［J］.中国防汛抗旱，2021，31（增1）：61-65.

（编辑：唐湘茜，张爽）

Preliminary study on impoundment in advance at end of flood season for Danjiangkou Reservoir

DONG Fuqiang，MU Qingqing，WANG Wei，DING Hongliang，LI Jiale

（Reservoir Dispatch Center，Hanjiang Water Resources & Hydropower Group Co.，Ltd.，Wuhan 430048，China）

Abstract： Danjiangkou Reservoir is a key water conservancy project for the comprehensive utilization and development of Hanjiang River.The reservoir is the water source reservoir for the Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project.According to the dispatching regulations，Danjiangkou Reservoir has a low storage rate at the end of the flood season.In order to improve the utilization efficiency of water resources in Danjiangkou Reservoir，based on the full analysis of the necessity and feasibility of early impoundment at the end of flood season，the research scheme of early impoundment is proposed through the coupling of hydrometeorological forecasting.Combined with the practice of early impoundment at the end of flood season in 2021，the risks and benefits of early impoundment were analyzed.The results showed that the implementation of water storage in advance at the end of flood can increase the storage rate by more than 27% at least.The water storage scheme was operable and can provide reliable technical support for the actual operation of Danjiangkou Reservoir，so as to give a further full play to the comprehensive benefits of Danjiangkou Reservoir.

Key words： reservoir regulation； advanced impoundment； impoundment at end of flood season； Danjiangkou Reservoir