以三峡为核心的长江上游水库群防洪优化调度策略

邹 强,丁 毅,肖 扬 帆,喻 杉,徐 兴 亚

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430010; 2.流域水安全保障湖北省重点实验室,湖北 武汉 430010; 3.中国长江三峡集团有限公司,湖北 宜昌 443133)

0 引 言

长江在中国经济社会发展中拥有举足轻重的地位。洪涝灾害历来是中华民族心腹之患[1-3],长江流域暴雨洪涝频发,严重威胁沿岸防洪安全。作为长江流域治理开发保护的骨干性工程,长江上游巨型水库群在保障流域防洪安全、供水安全、生态安全等方面发挥着重要作用,有力支撑和保障了国家经济社会发展[4-6]。但是,受全球气候变化和人类活动的影响,长江流域极端暴雨事件频发,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[7]。

长江干流中下游总体防洪标准为防御新中国成立以来发生的最大洪水,即1954年洪水,荆江河段防洪标准为100 a一遇,同时对遭遇类似1870年洪水应有可靠的措施保证荆江两岸干堤防洪安全,防止发生毁灭性灾害;上游一般地区防洪标准为20～50 a一遇,宜宾、泸州主城区防洪标准为50 a一遇,重庆市主城区防洪标准为100 a一遇[1,7-8]。

目前,长江防洪减灾体系基本建立。长江上游初步形成了由干支流水库、河道整治、堤防护岸等组成的防洪工程体系,已建成三峡、溪洛渡、乌东德等众多防洪控制性水库;长江中下游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、河道整治工程、平垸行洪、退田还湖等相配合的防洪工程体系。长江流域建成的各类水利工程数量庞大,干支流已建成水库5.2万座,其中,已建成大型水库303座,总调节库容1 500亿m3,总防洪库容约800亿m3。同时,长江流域气象水文站网已基本控制流域降雨水情变化,流域水文气象自动测报系统、预报调度系统为防洪减灾提供了良好的技术支撑。

长江防洪调度坚持“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。长江流域防洪以防御1954年洪水为目标,重点和难点在长江中游地区。1954年长江洪水造成了大范围的洪灾,长江中下游地区灾情严重,分洪溃口水量达1 023亿m3,损失巨大。1954年洪水特点有[9-10]:① 洪水量大,洪峰水位、流量高。洞庭湖水系、鄱阳湖水系等重要支流、湖泊的洪量几乎全部超过或接近各水系的大洪水年份,最大流量自城陵矶以下均突破历史实测纪录。宜昌、汉口、大通等主要水文站汛期洪量的频率相当于100～200 a一遇。② 峰型肥胖、洪水历时长。长江上游金沙江及岷江、嘉陵江、乌江等主要支流汇入干流后,在宜昌形成较肥胖的洪峰,全年流量超过40 000 m3/s的持续时间达45 d,这是有记载以来持续时间较长的一年。③ 上、中、下游洪水发生遭遇。中下游地区洪水推迟到7月份,较一般年份迟了将近1个月,上游的洪水又提前发生,如此遭遇情况使得全江各河段干支流洪水过程叠加,相互影响,形成长江全流域型特大洪水。

近年来,以防御1954年洪水为目标,相关学者进行了重点研究。金兴平[7]在分析长江洪水特性和重要防洪对象需求的基础上,采用集合与解耦相结合的方法,基于就近有效与遏制洪源的原则,提出了长江上游水库群“一个核心、一组骨干和五大群组”的联合防洪调度总体布局,分析了长江上游21座水库群的联合防洪调度效果。喻杉等[10]结合批复的长江上游水库群联合调度方案,基于洪水特性分析将1954年洪水分为4场洪水进行调度,分析了长江上游21座水库群联合调度的防洪作用,并指出如果要进一步减轻中下游防洪压力,需对三峡水库防洪库容实行优化利用。张潇等[11]通过梳理长江上中游流域控制性水库与蓄滞洪区的防洪目标及任务,探索了控制性水库与蓄滞洪区联合防洪调度方式。上述研究以2020年前建库水平的长江上游21座水库群为对象开展研究,优化了长江上游水库群联合防洪调度方案,取得的研究成果有力支撑了实际洪水调度,并展望了乌东德、白鹤滩、两河口等水库投入后的防洪调度格局,为本文提供了研究思路和技术支撑。然而,上述研究主要基于已批复水库群联合调度方案开展研究,尚需在细化控制指标、开展防洪风险的基础上优化调度策略,探索扩大三峡水库对城陵矶防洪库容、进一步减少中下游超额洪量的可行性。

因此,为适应新形势下防御流域大洪水的重大需求,优化完善长江水库群联合防洪调度的技术手段,本文针对实际发生的1954年流域性大洪水,基于长江上游大规模控制性水库配合三峡水库联合防洪调度方案,侧重探索基于防洪控制条件优化、防洪风险研判应对的联合防洪优化调度策略,并分析比较以三峡水库为核心的长江上游水库群联合防洪优化调度效果,提高干支流水库群防洪能力,为长江防御大洪水实时调度决策和联合调度方案优化提供新思路。

1 纳入联合调度范围的长江流域水工程

2012年起,随着调度研究和管理工作的持续深入推进,长江水利委员会每年组织编制年度水库群联合调度方案(2019年后改称联合调度运用计划),并逐步扩大水库群规模以及拓展深度广度。长江流域水工程由最初的10座水库(2012年),逐步扩展到17座(2013年)、21座(2014～2016年)、28座(2017年)和40座(2018年);2019年首次纳入蓄滞洪区、排涝泵站和引调水工程,数量达到100座;2020年又新增纳入乌东德水库;2021年新增纳入白鹤滩、两河口、猴子岩、长河坝、大岗山、江坪河6座水库;2022年新增纳入涔天河、东江、三板溪、托口4座水库。2023年新增江口、武都2座水库。联合调度范围从长江上游逐步延展至上中游乃至全流域,联合调度目标从单一防洪为主向防洪、蓄水、供水、生态、应急等多目标综合调度转变,逐步形成了以三峡水库为核心,金沙江下游四座梯级水库为骨干,金沙江中游水库群、雅砻江水库群、岷江水库群、嘉陵江水库群、乌江水库群、“两江两湖水库群”(清江群、洞庭湖“四水”群、汉江群、鄱阳湖“五河”群)等9个上中游梯级水库群组相配合的长江水库群联合调度体系[12]。

至此,根据水利部最新批复的《2023年度长江流域水工程联合调度运用计划》[13],纳入长江流域联合调度范围的水工程共计125处,包括:控制性水库53座,总调节库容达1 169亿m3,总防洪库容706亿m3;蓄滞洪区46处,总蓄洪容积583.68亿m3;排涝泵站11座,总排涝能力约1 880 m3/s;水闸9座,总设计泄流能力约8 078 m3/s;引调水工程6项,年设计总引调水规模284亿m3。

长江水库群是流域防洪体系的重要组成部分,根据流域防洪规划和总体安排,上游干支流水库群预留了大量防洪库容,除承担所在河流(河段)防洪任务外,还配合三峡水库承担长江中下游防洪任务;长江中下游支流水库主要承担所在流域尾闾防洪任务,与长江干流水库群防洪调度相协调。按照2023年度长江流域水工程联合调度运用计划[13],当长江中下游发生大洪水时,三峡水库联合上游金沙江、雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江等干支流水库,以及清江、洞庭湖水系水库,以沙市水文站、城陵矶水文站为主要控制目标,实施以三峡水库为核心的水库群联合防洪补偿调度。同时,考虑到洪水地区组成和遭遇特性,结合多区域协同防洪任务,长江上中游水库群联合防洪调度投入次序原则为:长江上游先动用雅砻江与金沙江中游梯级水库拦蓄,再动用金沙江下游梯级拦蓄,必要时动用岷江、嘉陵江、乌江梯级水库拦蓄;长江中游清江、洞庭湖四水、汉江、鄱阳湖五河水库群在满足本流域防洪要求的前提下,与三峡水库相机配合调度[7-8,14]。

长江水库群作为流域防洪调度的“王牌”,近年来防洪效益显著,先后成功应对了2010,2012,2016,2017年和2020年洪水[12,15-16]。综合考虑水库的工程规模、防洪能力、控制作用、运行情况等因素,本次选取长江上游具有控制性的25座水库群进行研究,分布于金沙江中游(梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉、观音岩6座水库)、金沙江下游(乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4座水库)、雅砻江(两河口、锦屏一级、二滩3座水库)、岷江大渡河(双江口、瀑布沟、紫坪铺3座水库)、嘉陵江(碧口、宝珠寺、亭子口、草街4座水库)、乌江(构皮滩、思林、沙沱、彭水4座水库)和长江干流三峡水库[17]。25座水库的拓扑结构如图1所示,总库容1 512亿m3,防洪库容为489亿m3,其中上游水库群可用于配合三峡水库对长江中下游防洪调度的防洪库容为229.61亿m3,分别为金沙江中游梯级15.25亿m3、雅砻江梯级45亿m3、金沙江下游梯级140.33 m3、岷江梯级12.63亿m3、嘉陵江梯级14.4亿m3和乌江梯级2亿m3。

图1 长江上游25座水库群示意Fig.1 Schematic diagram of 25 reservoirs in the upper reaches of the Changjiang River

2 针对1954年洪水的长江上游水库群联合防洪优化调度策略

根据搭建完成的具有“时-空-量-序-效”多维度属性的水库群多区域协同防洪调度模型,耦合上游干支流梯级水库、三峡水库、河道于一体的具有洪水演进、回水推算、调洪计算等功能模块,形成以三峡水库为核心的长江上游水库群联合防洪调度模型[18],如图2所示。以1954年洪水为例进行研究,计算分析以三峡水库为核心的长江上游水库群联合防洪调度效果。

图2 以三峡水库为核心的长江上游水库群联合防洪调度模型Fig.2 The joint flood control operation model of reservoirs in Upper Changjiang River with Three Gorges Reservoir as the core

依据最新的联合防洪调度方案[13],针对1954年洪水,在长江上游水库群联合调度模式下,三峡水库调洪高水位为160.45 m,已超过158.00 m,此时三峡水库对城陵矶防洪库容76.9亿m3已用完,长江中下游已出现超额洪量。在留有对干支流水库所在区域防洪库容的前提下,上游水库群可用于配合三峡水库继续对长江中下游防洪的库容为40.45亿m3;三峡水库尚有剩余防洪库容127.59亿m3,后续仍有较大防洪能力。而7月29日三峡水库水位超过158.00 m后,城陵矶地区将会出现超额洪量,有必要针对1954年洪水优化以三峡为核心的长江上游水库群联合防洪调度方式,以充分利用防洪库容,进一步减少长江中下游超额洪量。

通过对流域防洪需求和调度方式进行梳理,基于不同视角和相关研究思路[15-16,19],考虑水库群防洪调度风险分析理论与方法[20-21],提出3种优化调度策略:

(1) 继续对城陵矶防洪补偿调度策略。根据上游水库群配合三峡水库联合调度方式,1954年,三峡水库水位在158 m后转入对荆江防洪调度时,上游水库和三峡水库均有较大的剩余防洪库容,可进一步配合三峡水库对中下游进行防洪调度。而此时如果城陵矶地区来水较大,防洪形势依然较为严峻,且结合来水预报,预判后续不会发生坝址百年一遇洪水甚至特大洪水的前提下,三峡水库有可能、也有条件在158 m以上继续实施对城陵矶防洪补偿调度。

(2) 优化对荆江防洪补偿调度策略。由于1954年全流域来水均较大,且中下游区间来水大、水位高,从长江上游水库群联合防洪调度过程来看,在三峡水库水位达到158.00 m前基本所有时段按照城陵矶不超保证水位34.40 m进行控制;在三峡水库水位达到158.00 m以后,按沙市不超44.50 m进行控制。为减少三峡水库水位158.00 m之后的中下游超额洪量,考虑按沙市不超44.00 m进行控制,通过减少三峡水库出库流量,来减少中下游超额洪量。

(3) 考虑库区回水淹没影响的调度策略。以上两种调度策略均会抬升库水位,但随着三峡水库水位逐步抬升,三峡库区将面临回水淹没问题。需要比较荆江河段、回水末端弹子田、城陵矶地区、库区长寿县的损失承受能力和控制条件,对三峡库区回水淹没风险和中下游分洪风险作出快速判断和有效决策,以充分利用和科学调配上游水库群防洪库容。为此,本文考虑库区回水淹没影响,动态调整三峡水库防洪调度过程,以减少中下游超额洪量。

2.1 继续对城陵矶防洪补偿调度策略

在上游水库群配合下,考虑在三峡水库水位超158.00 m后,继续实施对城陵矶防洪补偿调度,三峡水库对城陵矶防洪补偿调度控制水位分别设置为161.00,163.00,164.00 m。考虑4种调度方案:

(1) 方案1。基本方案,即当三峡水库水位不超过158.00 m时,实施对城陵矶防洪补偿调度;当三峡水库水位在158.00 m以上时,转为对荆江防洪补偿调度。

(2) 方案2。对城陵矶防洪补偿控制水位为161.00 m,即当三峡水库水位不超过161.00 m时,实施对城陵矶防洪补偿调度;当三峡水库水位在161.00 m 以上时,转为对荆江防洪补偿调度。

(3) 方案3。对城陵矶防洪补偿控制水位为163.00 m,即当三峡水库水库在163.00 m以上时,转为对荆江防洪补偿调度。

(4) 方案4。对城陵矶防洪补偿控制水位为164.00 m,即当三峡水库水位在164.00 m以上时,转为对荆江防洪补偿调度。

不同调度情形的三峡水库水位过程如图3所示。

图3 上游水库群配合下三峡水库水位调度过程(继续对城陵矶防洪调度策略)Fig.3 Water level process of Three Gorges Reservoir operation under the cooperation of upstream reservoirs with the strategy of continuous flood control for Chenglingji area

针对不同的三峡水库对城陵矶防洪补偿控制水位方案,分别统计上游水库群配合三峡水库投入防洪库容和长江中下游超额洪量,如表1所列。由调度过程分析可知,如果采取方案4进行调度,在8月3日和8月8日库区会出现回水淹没损失。为安全起见,本次推荐选取方案3,即三峡水库继续对城陵矶防洪补偿调度的控制水位为163.00 m,此时三峡水库调洪高水位为165.12 m,长江中下游超额洪量为256亿m3,相比基本方案减幅为12.3%。

表1 上游水库群配合三峡水库优化防洪调度成果(继续对城陵矶防洪调度策略)Tab.1 Results of optimal flood control operation of upstream reservoir group combined with Three Gorges Reservoir with the strategy of continuous flood control for Chenglingji area 亿m3

2.2 优化对荆江防洪补偿调度策略

考虑优化三峡水库对荆江防洪补偿调度方式,三峡水库水位在158.00 m以上时按沙市站不超 44.00 m 进行控制,对应的枝城流量为51 700 m3/s左右。此时,考虑宜昌-枝城区间防洪补偿,三峡水库出库流量将相应减小,使得汇入中下游的洪水减少,进而减少中下游超额洪量。基于对荆江防洪补偿调度策略优化,考虑以下3种调度方案:

(1) 常规防洪调度方案,即上述方案1。

(2) 方案5。158.00 m优化荆江方案,即当三峡水库水位不超过158.00 m时,实施对城陵矶防洪补偿调度,按照沙市站不超44.50 m、城陵矶站不超34.40 m 控制;当三峡水库水位超158.00 m时调整对荆江防洪补偿调度方式,按沙市站不超44.00 m进行控制。

(3) 方案6。161.00 m优化荆江方案。即当三峡水库水位不超过158.00 m时,实施对城陵矶防洪补偿调度,按照沙市站不超44.50 m、城陵矶站不超34.40 m控制;当三峡水库水位在158.00～161.00 m时维持现有对荆江防洪补偿调度方式;当三峡水库水位超161.00 m时调整对荆江防洪补偿调度方式,按沙市站不超44.00 m进行控制。

不同调度情形的三峡水库水位过程如图4所示。

图4 上游水库群配合下三峡水库水位-流量调度过程(优化对荆江防洪调度策略)Fig.4 Water level process of Three Gorges Reservoir under the cooperation of upstream reservoir groups with the optimization strategy of flood control for Jingjiang reach

由图4调度过程可知,水库群联合调度条件下,三峡水库水位于7月28日超过158.00 m,而后期中下游来水仍然较大,特别是洞庭湖区间来水大,可考虑按沙市站水位不超44.00 m进行控制。但发现采用方案6时,三峡水库8月8日库水位为166.66 m,此时会出现库区回水淹没,即便是三峡水库水位在159.00 m或160.00 m时按沙市站水位不超44.00 m进行控制,库区仍然会发生回水淹没。因此,安全起见,推荐选取方案5。

基于对荆江防洪补偿调度策略优化,相应的水库群联合防洪优化调度成果见表2。可见,当三峡水库水位在158.00 m以上时优化荆江防洪调度方式,按沙市不超44.00 m减少三峡水库出库流量,三峡水库调洪高水位为166.18 m,三峡库区没有回水淹没,长江中下游超额洪量为249亿m3,相比基本方案减少14.7%。

表2 上游水库群配合三峡水库优化防洪调度成果(优化对荆江防洪调度策略)Tab.2 Results of optimal flood control operation of upstream reservoir group combined with Three Gorges Reservoir with the optimization strategy of flood control for Jingjiang reach 亿m3

2.3 考虑库区回水淹没影响的调度策略

上述两种调度策略,分别结合荆江和城陵矶不同防洪对象,实施三峡水库防洪调度方式优化,且方案选择时尽量不影响库区回水安全。如果结合工程处理措施,在库区回水断面可能受到影响时进行有效处置,可为上游水库群配合三峡水库联合调度提供更大裕度。

按照防洪对象重要层次,三峡水库库区防洪控制条件排序为:库区弹子田重要于库区长寿县,其中前者一般为库区回水淹没末端附近,后者是库区最可能淹没断面。在库区防洪安全和中下游防洪安全之间作出权衡和决策时,若判断库区可能发生回水淹没,则应适时加大出库流量,避免库区回水淹没。需要说明的是,本次针对1954年洪水,在对荆江防洪调度策略优化的基础上考虑库区回水,发现库区回水淹没发生在三峡水库水位高于158.00 m时,此时为确保荆江防洪安全,不会加大出库流量。为此,基于考虑库区回水淹没影响的调度策略,提出3种调度方案:

(1) 常规防洪调度方案,即上述方案1。

(2) 方案7。考虑库区回水淹没影响且对城陵矶防洪补偿控制水位为167.00 m,即在调度过程中考虑库区回水淹没影响,在判断库区可能发生淹没时,适时加大出库流量,确保库区防洪安全,当三峡水库水位超过167.00 m时,转为对荆江防洪调度。

(3) 方案8。考虑库区回水淹没影响且对城陵矶防洪补偿控制水位为168.00 m,即在调度过程中考虑库区回水淹没影响,在判断库区可能发生淹没时,适时加大出库流量,确保库区防洪安全,当三峡水库水位超过168.00 m时,转为对荆江防洪调度。

不同调度情形的三峡水库水位过程如图5所示。三峡水库调洪高水位分别为160.45,168.06,168.87 m。除了基本方案外,方案7和8均充分利用了三峡水库防洪库容。

图5 上游水库群配合下三峡水库水位调度过程(考虑库区回水淹没影响的调度策略)Fig.5 Water level process of Three Gorges Reservoir operation under the cooperation of upstream reservoirs with the strategy of considering backwater inundation

基于考虑库区回水淹没影响的调度策略,相应的水库群联合防洪优化调度成果见表3。可知,当进一步抬高三峡水库对城陵矶防洪补偿控制水位且考虑库区回水淹没影响,方案7和8均为可行方案,分别减少中下游超额洪量64亿m3和71亿m3,相比基本方案分别减少22.0%和24.3%,可有效降低长江中下游超额洪量。

表3 上游水库群配合三峡水库优化防洪调度成果(考虑库区回水淹没的调度策略)Tab.3 Results of optimal flood control operation of upstream reservoir group combined with Three Gorges Reservoir with the strategy considering backwater inundation 亿m3

当三峡水库水位在城陵矶防洪补偿控制水位158.00 m 以上时,为减少库区尤其是长寿县附近断面的回水淹没损失,表4给出了不同水位情况下三峡库区回水即将超过移民迁移线对应的最大入库流量。也就是说,考虑长江上游水库群对三峡水库入库拦蓄作用,当预见期内三峡水库入库来水不小于当前水位对应的最大入库流量时,应在面临时段适当加大三峡水库出库流量,及时降低坝前水位,以确保库区回水安全。当然,在实时防洪调度中,三峡水库出库流量需统筹上下游防洪形势和库区水面线状况,并协调多区域协同防洪的控制目标和条件,以保障长江流域防洪安全。

表4 三峡库区回水即将超过移民迁移线对应的最大入库流量Tab.4 Corresponding maximum inflow of migration line for backwater immigrants of Three Gorges Reservoir

3 结 语

针对长江1954年流域性大洪水,综合考虑上游水库群配合方式、三峡水库防洪调度方式、中下游防洪调度控制条件和三峡库区回水安全,基于不同调度思路,探索性提出了以三峡水库为核心的长江上游水库群联合防洪调度的3种不同优化策略,包括继续对城陵矶防洪补偿的策略、优化对荆江防洪补偿的调度策略、考虑库区回水淹没影响的调度策略,均可有效减少中下游超额洪量,减幅均达10%以上,发挥了积极有效的防洪减灾效益。下一步,将围绕以下重难点问题开展深入研究,以提升流域大洪水综合应对能力:

(1) 不同优化策略的有机嵌套和滚动实施。结合不同洪水类型认知和流域防洪调度实践,探究3种优化调度策略的适应性与局限性,通过深化完善相应策略以寻求更为适宜的调度策略;同时,各种优化调度策略并非是孤立的,可在调度时段相机进行耦合嵌套,以从容可靠地应对调度难题。

(2) 上游水库群配合三峡水库精细化防洪调度。本次重在上游水库群联合调度模式下,优化三峡水库防洪调度方式,且主要针对荆江防洪补偿调度阶段,此时上游水库均按照现有调度方式配合三峡水库进行拦蓄。下一步,需综合流域洪水地区组成特性、各水库拦蓄能力、防洪调度运用条件,优化细化上游水库群配合三峡水库的拦蓄时机和方式。

(3) 多类型水工程协同联合防洪调度研究。在长江流域水工程调度中,水库群联合防洪调度相对成熟,但随着水工程协同联合防洪调度的对象全覆盖、内容全涵盖和应用全链条,亟待开展面向不同洪水类型和适应多区域防洪目标的水库群、蓄滞洪区、涵闸泵站等多类别水工程的协同联合防洪调度,实现中小洪水减压、大洪水保安、超标洪水降损。