丹江口水库汛期优化调度实践及风险效益分析

任 金 秋,董 付 强,洪 兴 骏,饶 光 辉,张 利 升

(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.长江水利委员会水旱灾害防御创新团队,湖北 武汉 430010; 4.汉江水利水电(集团)有限责任公司,湖北 武汉 430048)

0 引 言

丹江口水库是汉江流域的控制性防洪工程[1],初期工程于1973年底建成,加高工程于2005年开工建设,2014年12月丹江口水利枢纽正式向北方通水。丹江口大坝加高后,水库的综合利用效益得到进一步提升,不仅可以提高汉江中下游防洪安全的保障程度,而且可以满足调水需求,合理配置水资源[2-3]。2015～2020年丹江口水库共拦蓄了13场洪峰流量超过5 000 m3/s的入库洪水,极大减轻了汉江中下游防洪压力,避免了汉江中下游蓄滞洪区的运用,防洪效益显著[4]。作为南水北调中线工程的水源工程,在满足本流域用水需求的前提下,丹江口水库设计多年平均向北方受水区调水95亿m3[5],中线一期工程通水运行以来,调水量逐年增加,至2020年11月,累计输水340.53亿m3[6]。生态方面,丹江口水库于2018年首次进行了汉江中下游梯级联合生态调度的尝试[7-8]。丹江口水库在发挥综合利用效益的同时,也出现了防洪库容利用效率不高、防洪供水协调存在矛盾、供水地位变化等一些新情况、新问题,需要对水库调度方式进行优化,在保证流域防洪安全的前提下,统筹兴利与除害的关系[9-11]。

目前,已有学者针对三峡[12-13]、溪洛渡[14]、向家坝[15]、亭子口[16]、安康[17]等水库进行了大量水库汛期调度方式优化的研究,奠定了一定的研究基础。对于丹江口水库,贺平等[18]在早期针对丹江口水库汛期运行水位实施动态控制的可行性进行了分析,认为丹江口水库汛期运行水位实施动态控制是可行的,且能提高水库兴利效益。张睿等[19]从综合利用的角度研究了丹江口水库防洪、供水、发电、航运调度方式,在防洪方面提出了预报预泄、分级补偿、汛期运行动态水位控制的调度方式,对支撑丹江口水库调度研究具有重要意义,但是相关调度方式仍需根据实际调度进一步细化。段唯鑫等[20]对丹江口水库运行方式进行了模拟调度和预泄能力分析,并根据汉江流域洪水特性,提出了不同时期丹江口水库运行水位的动态控制方案,受来水影响,提出的方案尚未在实际调度中进行实践运用。张俊等[21]针对丹江口水库汛期运行水位动态控制需求,研究并提出了实时操作层面的实用技术体系,为水库综合效益的发挥提供了技术支撑,但是有待在洪水调度实践中进一步完善。洪兴骏等[22]在防洪和供水风险可控的前提下,开展了丹江口水库汛初水位控制、汛期运行水位动态控制、秋汛末提前蓄水等优化调度研究,为丹江口水库汛期调度提供了重要支撑。可以看出,当前针对丹江口水库汛期优化调度的研究集中在汛期运行水位动态控制方面,对于消落及蓄水方式的优化仍需进一步细化。与此同时,受汉江流域来水影响,优化调度方案尚未经过实际洪水调度的充分检验,其带来的风险和效益仍需结合调度实践进一步分析总结。

2021年汉江洪水期间,基于精准的降雨、洪水预报,水利部长江水利委员会对洪水过程进行了科学的精细化调度,不仅保障了汉江中下游的防洪安全,而且提高了南水北调中线工程的供水效益,丹江口水库也首次实现了170 m的蓄水目标。本文以2021年丹江口水库调度过程为例,结合消落期、汛期、蓄水期的优化调度方案,分析丹江口水库优化调度在防洪、供水等方面取得的效益,针对丹江口水库汛期水位上浮运用带来的风险提出相应控制措施,并给出进一步完善丹江口水库调度方式的建议,为丹江口水库汛期调度研究提供技术支撑。

1 丹江口水库调度方式

1.1 丹江口水库调度规程

2016年,水利部批复了《丹江口水利枢纽调度规程(试行)》(以下简称《规程》),作为丹江口水库加高工程建成后转入后期规模正常调度运用的权威指导性文件。根据《规程》:

(1) 汛前水位消落方面,为保证防洪需要,丹江口水库汛前水位应逐步平稳消落,6月20日消落至160.00 m。

(2) 汛期运行水位控制方面,在汛期未发生洪水时,水库按不高于防洪限制水位运行;考虑泄水设施启闭运行、水情预报误差,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。

(3) 汛末蓄水方面,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170.00 m。

1.2 丹江口水库近年调度实践分析

2014年汛期,受9月份华西秋雨的影响,丹江口水库连续发生2场入库洪峰流量大于5 000 m3/s的洪水,最大洪峰流量13 700 m3/s,均被水库全部拦蓄,整个汛期水库最大出库流量仅为954 m3/s。

2015年汛期,仅在6月底7月初发生1场入库洪峰流量大于5 000 m3/s的洪水,洪峰6 660 m3/s,入库洪水总量24.58亿m3,为一般性常遇洪水;由于洪水入库时水库水位较低,洪水被全部拦蓄,水库仅以满发流量下泄,削峰率73.9%。

2016年汛期,因水库来水持续特枯,整个汛期,水库入库洪峰流量均在5 000 m3/s以下,水库最高运行水位仅155.92 m,未超汛限水位。

2017年水库来水整体偏丰,汛期来水丰枯不均,枯丰急转。入库洪峰流量超过5 000 m3/s的洪水共有5场,削峰率均达50%以上,充分发挥了水库的拦洪削峰作用,降低汉江中游干流皇庄水位2 m左右,避免了蓄滞洪区运用。特别地,自8月28日开始,汉江流域发生“华西秋雨”,最大入库洪峰流量18 600 m3/s,水库实施控泄,拦洪削峰,本场洪水水库最大出库流量为7 550 m3/s,削峰率59%,库水位最高上涨至165.82 m。

2018年水库来水呈现整体偏枯、丰枯不均、丰枯急转等特点。上半年来水特丰,主汛期7～10月来水特枯,特别是10月份平均入库流量仅240 m3/s,为1956年以来历史第二低值。水库仅在6月中旬和7月中旬发生2场入库洪峰大于5 000 m3/s的常遇洪水,最大入库洪峰流量6 800 m3/s。水库充分发挥了拦洪削峰作用,两场洪水的削峰率分别为50.9%和66.0%,库水位最高涨至160.98 m。

2019年水库来水整体正常,与多年均值持平,前枯后丰。在8月上中旬和9月中下旬发生2场入库洪峰大于5 000 m3/s的洪水;两场洪水均为常遇洪水,最大入库洪峰流量16 000 m3/s。其中,第一场洪水全部被水库拦蓄,削峰率85%;第二场洪水库水位最高达164.00 m(25日21:00),削峰率为52%;整个汛期水库最大出库流量为7 690 m3/s,充分发挥了水库的拦洪削峰作用。汛末水库成功蓄水至166.00 m以上,最高运行水位166.35 m。

可以看出,自丹江口大坝加高以来,汉江来水以偏枯为主,尚未经历大洪水的考验。而2017年10月,为确保秋汛防洪安全,丹江口水库合理蓄泄,有效兼顾了上下游防洪安全。为充分合理利用水资源,仍需探索积极稳妥的汛期运行水位动态控制方式。

2 丹江口水库汛期调度优化方案

根据丹江口水库调度实践,主要从汛前消落、汛期运行水位动态控制、汛末提前蓄水3个方面考虑丹江口水库汛期调度方案的优化,整体思路如图1所示。

图1 丹江口水库优化调度方案Fig.1 Optimized scheduling for Danjiangkou Reservoir

6月20日前为丹江口水库的消落期,为避免集中消落水位可能产生的弃水问题,可采取提前逐步增加水库下泄流量、陶岔供水量等增加汉江中下游以及南水北调中线一期工程供水的方式,使得库水位尽快消落至160.00 m以下。根据近年丹江口水库实际调度情况,为减少弃水,进入3月份后,即开始结合中长期水文预报编制消落计划,4月份开始即进入加大消落状态,如2020年从4月开始将出库流量加大至约1 400 m3/s,在汛前使库水位从162.20 m消落至158.00 m。因此,为了充分利用水资源,减少因消落不足产生的弃水,汛前3～5月即开始水位消落调度。表1统计了不同汛前水位条件下后续汛期关键节点库水位的变化情况,图2为不同消落方式下的弃水量变化,其中弃水量为丹江口水库下泄流量中超过满发流量的部分。进入汛期后,由于水库利用洪水资源逐渐回蓄至汛限水位,汛前消落幅度越大,6月下旬至7月中旬洪水资源利用程度越高,产生的弃水量也越小。随着拦洪充蓄水库,大部分年份在8月20日之前库水位可蓄至夏汛期汛限水位160.00 m,汛前加大消落水位对水库蓄水的影响在7月下旬之后也已经基本消除,弃水量与消落至160.00 m的情况差别不大。因此,为在消落期充分利用水资源,可在4～6月通过汉江中下游、陶岔、清泉沟3个口门加大供水降低汛前水位。

表1 不同汛前水位方案与160.00 m方案汛期水位差异年数Tab.1 Years of water level difference in flood season between different pre-flood water level schemes and 160.00 m scheme

丹江口水库汛期为6月20日至9月30日,其中6月20日至8月20日为夏汛期,8月21～30日为过渡期,9月1～30日为秋汛期。在汛期运行水位动态控制方面,近几年汉江流域1～3 d短期定量降雨预报准确率较高,合格率均在85%以上,中期降雨预报对未来4～7 d的降雨过程预报准确率也较高,有很好的预报警示作用[21]。考虑结合水文预报信息,在防洪风险可控的前提下进行运行水位动态控制。表2～3为遭遇不同频率设计洪水时的丹江口水库预泄模拟结果。由表2～3可知,考虑不同降雨预见期,按照规定的预泄方式,遭遇不同频率、不同典型设计洪水时,均可在启动正常防洪调度前将库水位由汛期运行水位安全预泄至夏、秋季汛限水位。因此,结合降雨洪水预报,在汛期使库水位在汛限水位以上浮动1.5～2.0 m,可以提高水资源综合利用效率,防洪风险也是可控的。

表2 夏汛期不同设计洪水在不同预见期内的预泄后水位Tab.2 Water level after pre-release based on different forecasting time in summer flood season m

表3 秋汛期不同设计洪水在不同预见期内的预泄后水位Tab.3 Water level after pre-release based on different forecasting time in autumn flood season m

在汛末蓄水方面,基于调度规程的蓄水方式,丹江口水库于10月1日转入蓄水期,利用10月径流蓄满库容较为困难,水库蓄满率仅为11%。考虑根据天气形势和水雨情预报,在防洪风险可控的前提下利用部分洪水资源,进行提前蓄水。9月10日、20日以后开始抬高水库运行水位,10月末水库蓄水情况见图3～4。随着9月末库水位逐步抬高,10月末库水位逐渐增加,在防洪风险可控的前提下,有效拦蓄秋汛期中小量级洪水,是保障汛末蓄水的关键。为充分发挥丹江口水库综合利用效益,保障下一个供水年度的供水安全,9月中下旬可考虑在保障防洪安全的前提下,结合秋汛来水预报,合理利用汛期末段洪水资源,开展有条件的提前蓄水。

图3 9月10日不同起蓄水位对应10月末蓄水情况Fig.3 The water storage situation at the end of October under the impact of different water level on Sep.10

图4 9月20日不同起蓄水位对应10月末蓄水情况Fig.4 The water storage situation at the end of October under the impact of different water level on Sep.20

3 丹江口水库2021年汛期调度过程

3.1 2021年洪水特性

2021年,汉江流域出现罕见秋汛。8月下旬开始,汉江上、中游出现持续强降雨,丹江口水库出现7次入库洪峰流量超过10 000 m3/s的洪水,9月29日入库洪峰流量达24 900 m3/s,为近10 a最大。汉江中下游皇庄以下河段3次全线超警戒水位,高峰时超警戒堤段达885 km,超设防堤段达1 437 km。汉江秋汛历时47 d,降水主要集中在两个阶段,一是8月下旬至9月初,二是9月中旬至10月初。这两个阶段的降水均造成了丹江口入库流量的显著增加及汉江中下游干流水位的上涨。

3.1.1汉江上游来水

汉江上游第一阶段的降雨主要集中在8月19日至9月6日,累计面平均雨量达269 mm;本轮丹江口水库洪水过程主要时间为8月22日至9月8日,此期间丹江口水库的入库洪量为153.5亿m3。汉江上游第二阶段的降雨主要集中在9月15～19日,累计面平均雨量92.1 mm;本轮丹江口水库洪水过程主要时间为9月17～22日,此期间丹江口水库的入库洪量为42.3亿m3。

受以上两个阶段降雨的影响,丹江口水库出现7次入库洪峰超过10 000 m3/s的洪水过程,水库最大入库流量24 900 m3/s(9月29日03:00),如表4所列。

表4 2021年丹江口水库秋汛期入库洪水概况Tab.4 Characteristics of the floods in Danjianngkou Reservoir in autumn flood season in 2021

3.1.2汉江中下游洪水

8月中下旬,汉江中游丹江口-皇庄区间出现持续强降雨过程。8月11～13日,面平均雨量 96.5 mm;8月28～29日区间面平均雨量28.2 mm,其中唐白河12 h面平均雨量达55 mm。受上游来水及中游降雨双重影响,汉江中游宜城以下各站均出现超警戒洪水,其中宜城超警3 d、皇庄超警9 d、沙洋超警12 d、仙桃超警11 d、汉川超警25 d。

3.2 丹江口水库2021年汛期调度过程

丹江口水库2021年实际汛期调度过程如图5所示,针对不同时期分析实际的调度效果。

图5 丹江口水库2021年实际调度过程Fig.5 Actual scheduling process of Danjiangkou Reservoir in 2021

(1) 4月1日至6月20日(汛前消落期)。2020年10月31日,丹江口水库蓄至当年最高蓄水位164.77 m。承接4月中下旬洪峰流量7 500 m3/s量级中小洪水防洪调度后,丹江口水库向汉江中下游、清泉沟渠首、陶岔渠首同步加大供水,出库流量逐步加大至1 670 m3/s左右,较年度供水计划同期3个口门正常供水流量增加近一倍,至5月底水位消落至夏季防洪限制水位160.00 m。结合中长期来水预判,水库维持加大供水流量稳步消落,至6月14日降至最低水位159.09 m左右,增加了汛期可用于防洪的库容约7.2亿m3,提高了水库抵御后期洪水的能力,也可减少后期弃水,保障有效供水量。

(2) 6月21日至8月18日(夏汛期)。汛期6月下旬至7月中旬,汉江流域天气形势较好,未发生较大洪水。结合短期降雨预报,汛期运行水位逐步上浮至161.50 m并维持至8月上旬。

(3) 8月18～29日(夏秋汛过渡期)。8月18日起,安康以上流域发生强降雨过程,上游石泉、安康水库相继开闸泄洪。受此影响,水库发生了入库洪峰为14 400 m3/s的洪水过程,入库洪量37.34亿m3。与此同时,中游丹江口-皇庄区间多条支流发生较大涨水过程,中下游干流主要控制站水位逐步上涨。

根据实时预报,若丹江口等上游水库群不拦蓄,汉江中下游皇庄以下各控制站水位均将超过警戒水位。为保证汉江中下游河段水位不超警,同时兼顾丹江口水库自夏汛期向秋汛期过渡,水库于20日14:00开始预泄,洪峰入库时库水位最高涨至164.09 m,随后在丹江口-皇庄区间发生较大洪水时进行了错峰调度,保证中下游防洪安全。2021年夏秋汛过渡期,通过适当拦蓄洪水资源,同时在兼顾下游防洪的基础上调整下泄流量,使得库水位顺利蓄至163.50 m,完成了夏秋汛期的过渡。

(4) 8月25日至9月28日(秋汛期)。8月25日至9月6日,丹江口水库以上流域连续发生3次强降雨过程,累计面雨量最大达80.1 mm。8月30日出现第1次较大入库洪峰,洪峰流量23 400 m3/s,入库水量44.29亿m3;9月2日06:00,形成16 400 m3/s的入库洪峰,入库洪量31.61亿m3;9月6日22:00第3次洪水过程出现,入库洪峰18 800 m3/s,入库洪量55.17亿m3。根据实时预报,这3次洪水过程中,若丹江口等上游水库群不拦蓄,汉江中下游皇庄以下各控制站水位均将超过警戒水位。为保证防洪安全,丹江口水库在这3次洪水过程中逐步加大出库流量,由7 200 m3/s加大至9 100 m3/s,库水位于9月7日凌晨突破历史最高水位167.00 m,9月8日01:00达到调洪最高水位167.46 m。调度过程中,皇庄站最大流量为11 800 m3/s,有效避免了汉江中下游超保证水位情况的发生。

9月14日气象预报显示丹江口水库以上流域将有较大强度降雨过程,为确保防洪安全,丹江口预降水位至166.60 m。9月15～19日,石泉至丹江口区间发生强降雨,丹江口水库入库洪峰22 800 m3/s,入库洪量48.1亿m3。为保证汉江中下游河段水位不超警,丹江口水库对洪峰进行拦蓄,水库水位最高涨至168.25 m,本场洪水过程共拦蓄洪量16.12亿m3,最大出库流量7 800 m3/s,削峰率66%。

9月22～28日,安康以上及北岸丹江流域发生强降雨过程,累计面雨量101.1 mm,石泉、安康水库均开闸泄洪,受此影响,丹江口水库入库洪峰达到24 900 m3/s,入库洪量76.41亿m3,为近10 a来最大入库洪水。丹江口水库水位自167.46 m开始起涨。由于25日唐白河鸭河口水库发生超历史特大洪水,为保证汉江中下游河段水位不超保,丹江口于25日减小下泄流量,与唐白河洪水进行错峰;顺利错峰后,因本次过程量级较大,为确保防洪安全,丹江口水库逐渐加大下泄流量至10 200 m3/s。水库水位29日04:00突破169.00 m,此时上游来水现峰转退,下泄流量逐渐减小,水位最高涨至169.63 m后缓慢回落。本场洪水过程共拦蓄洪量21.78亿m3,最大出库流量11 100 m3/s,削峰率55%,经过调度避免了皇庄以下河段水位超保证和杜家台分蓄洪区分洪运用。

(5) 进入10月份,受9月末拦削洪峰的影响,库水位已达169.63 m,为丹江口水库蓄满提供了有利条件。根据水文预报,10月初丹江口水库上游将发生一次较大降雨,为保证防洪安全同时兼顾蓄水,丹江口水库进行了一定量的腾库预泄,库水位逐渐回落,10月6日03:00降至最低水位168.99 m。10月7日12:00,入库洪水出现10 500 m3/s的洪峰,库水位自168.99 m开始起涨,随着洪水过程逐步消退,水库调度目标由防洪安全转为蓄水调度,通过精细化调度逐步减小下泄流量,丹江口水库于10日14:00首次蓄至170.00 m。10日后水库保持169.96～170.00 m高水位波动运行,对工程高水位运行工况和库岸稳定进行检验。本场洪水过程共拦蓄洪量10.36亿m3,最大出库流量8 090 m3/s,削峰率23%。

4 丹江口水库2021年优化调度优势和风险分析

4.1 优化调度优势及效益

4.1.1通过优化调度运用,丹江口防洪作用发挥显著

2021年进入汛期以来,丹江口水库通过优化调度运用,保证了汉江中下游的防洪安全。汉江中下游防洪控制站皇庄站2021年6～10月的水位流量过程如图6所示。在夏汛期,丹江口水库未发生较大入库洪水,水库上浮运行水位至161.50 m,出库流量较为稳定,皇庄站流量主要受丹江口-皇庄区间来流影响,最大流量6 690 m3/s,远低于皇庄站的允许泄量。进入秋汛期,汉江流域发生几次较大洪水,丹江口水库充分发挥水库拦蓄作用,为汉江中下游防洪提供了保障。8月30日丹江口入库洪峰达到23 400 m3/s,经丹江口水库拦蓄后,皇庄最高水位为48.26 m,仅超警戒水位0.26 m。9月2～6日,汉江上游再次发生强降雨过程,经丹江口削峰后皇庄断面仍基本保持在警戒水位。9月下旬,丹江口入库出现本年度最大洪峰,峰值流量为24 900 m3/s,丹江口再次进行拦蓄,洪水期间最大出库流量11 100 m3/s,相应皇庄最大流量为11 600 m3/s,最高水位48.09 m,仅超警戒水位0.09 m。经丹江口水库的运用,在遭遇近10 a最大洪水的情况下,仍然保证皇庄流量不超过12 000 m3/s,综合来看,2021年8月中旬至10月上旬,丹江口水库通过拦洪、错峰、削峰等系列调度措施,发挥了显著的防洪作用。秋汛期水库累计拦洪约107亿m3,有效降低汉江中下游干流水位1.5～3.5 m,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,水库防洪效益显著。其中在防御近10 a 来最大入库洪峰洪水时,水库最大出库流量为11 100 m3/s,削峰率约55%,有力保证皇庄站最大流量未超12 000 m3/s。

图6 皇庄站2021年6～10月水位流量过程Fig.6 Flood process at Huangzhuang station from Jun. to Oct., 2021

4.1.2结合中长期降雨预报,统筹考虑防洪与蓄水进行精细化调度

随着水文预报精度的提升,在进行汛期防洪调度时,统筹考虑水库后期蓄水进行精细化调度成为可能。2021年实际调度中,为了充分利用洪水资源,在保障中下游防洪安全的前提下,考虑夏秋汛期过渡、汛末蓄水等需求,结合中长期水文预报对丹江口水库洪峰过后的水库腾库阶段进行了精细化调度。

2021年夏汛期,水库未发生较大洪水,7月24日出现6 140 m3/s的入库洪峰,拦蓄后库水位最高至161.81 m,洪峰过后水库进行腾库,考虑预报未来天气形势较好,腾库至161.5 m后维持该水位运行;随后进入夏秋汛期过渡期,8月23日水库发生14 300 m3/s的入库洪峰,经拦蓄后库水位最高达到164.08 m,后经腾库降至163.65 m,完成了夏秋汛期的过渡;进入秋汛期,连续发生3次超10 000 m3/s的洪水,9月8日库水位达到167.46 m,根据预报9月8～14日汉江上游无较大洪水,考虑后期蓄水需求,水库腾库幅度减小,库水位降至167.20 m左右运行;进入9月中下旬,基于对未来两场20 000 m3/s量级洪水的精准预报,结合蓄水需求,拦蓄洪水后水库腾库水位逐步抬升,分别降至167.46,169.00 m,在10月初衔接一场10 000 m3/s量级洪水后成功蓄至170.00 m。

结合中长期降雨预报充分分析后续防洪风险,当调度期靠近汛末时,考虑后续更加迫切的蓄水需求,进行精细化腾库调度,逐步调整腾库幅度,不仅保障了后续防洪安全,还为后续蓄满提供了宝贵的洪水资源,这是一次非常有益的尝试,对类似调度具有重要参考意义。

4.1.3供水量提升较大,兴利作用明显增强

陶岔渠首2020～2021年度计划供水量与实际供水量对比如图7所示。可以看出,随着5月中下旬和6月上中旬的加大消落,陶岔渠首供水量较计划供水量有明显的提升,5月、6月计划供水量分别为6.91亿,7.02亿m3,实际供水量大幅提升至9.38亿,9.16亿m3。

图7 陶岔渠首2020～2021年度计划供水量与实际供水量对比Fig.7 Comparison of planned and actual water supply of Taocha canal headwork in 2020～2021

进入夏汛期后,在满足供水需求的前提下,利用多余洪量充蓄水库,库水位上浮至161.50 m,随后在夏汛期与秋汛期的过渡期利用洪水资源顺利蓄至163.50 m,完成了夏秋汛的过渡,7月、8月陶岔渠首实际供水量略大于计划供水量。9月汉江上游发生罕见秋汛,在秋汛期运行水位上浮以及提前蓄水调度的帮助下,丹江口水库于10月10日14:00首次蓄至170.00 m,陶岔渠首供水量较计划供水量大幅增加,9、10月计划供水量分别为6.92亿,6.83亿m3,实际供水量大幅提升至9.72亿,10.62亿m3。在丹江口水库优化调度的帮助下,2020～2021年度陶岔渠首供水量由计划的74.23亿m3大幅提升至90.54亿m3,增加了约27%,供水效益显著。

4.1.4与原规程调度方式的差异

为分析2021年丹江口水库优化调度相较于原规程调度方式的差异,进一步明确优化调度的优越性,基于《规程》中的防洪运用方式对2021年秋汛期调度过程(自过渡期开始)进行复演,丹江口水库的出库流量和水位变化过程如图8所示。对比分析图5中的实际调度过程和图8中按规程运用方式计算的调度过程,主要差异在9月8～18日汉江流域未发生较大洪水期间,9月24日至10月1日鸭河口水库发生超历史特大洪水期间以及10月1日后的蓄水期。

图8 基于调度规程还原的丹江口水库秋汛期调度过程Fig.8 Flood process of Danjiangkou Reservoir during theautumn flood according to Scheduling protocols

在9月8～18日期间,汉江流域未发生较大的洪水过程。按照《规程》的调度方式,为抵御后续可能洪水,在洪水过后迅速腾库,便于丹江口水库尽快降至汛限水位运行,在腾库期间,共下泄水量22.90亿m3。在实际调度中由于天气形势较好,为减轻汉江中下游防洪压力,库水位下降幅度较小,基本维持在167.20 m左右。

在9月24日至10月1日洪水期间,鸭河口水库发生超历史特大洪水,实际调度过程中,丹江口水库进行了错峰调度,对汉江上游来水进一步拦蓄,有效减轻了皇庄河段水位防洪压力。《规程》调度方式中,鸭河口防洪调度期间,丹江口水库对皇庄进行补偿调度,平均下泄流量较实际调度过程偏大约1 120 m3/s,汉江中下游面临的防洪风险更大。

10月1日进入蓄水期后,为保障防洪安全,实际调度过程中丹江口水库逐渐回落,为可能发生的洪水留出一定空间,在统筹防洪、供水和蓄水需求的条件下逐步蓄至170.00 m。《规程》调度方式中,由于前期库水位较低,依靠径流蓄水有一定困难,利用10月6～10日洪水过程最终蓄至168.21 m,较正常蓄水位170.00 m仍有约18.2亿m3库容待充蓄。

总体而言,实际调度过程较好地完成了减轻汉江中下游防洪压力和汛末兴利蓄水任务;执行调度规程则更偏于安全稳妥,对枢纽的防洪压力较小。

4.2 实施优化调度的风险及控制措施

4.2.1汉江中下游防洪风险

丹江口水库汛期运行水位上浮后,当预报流域可能发生中等强度降雨过程和较大洪水时,需结合汉江中下游防洪形势进行预泄调度,尽快降低库水位。由于预泄调度过程中采用补偿调度的方式严格控制丹江口水库下泄流量,使皇庄流量不超过11 000 m3/s,因此与从汛限水位起调方案相比,预泄调度未加重下游防洪负担。

除控制皇庄流量以外,预泄过程中不加重中下游防洪负担,一是要控制中下游重要站点(如仙桃站)不超警,二是要控制汉口站不超警。根据汉江干流洪峰与东荆河分流比例的关系,当汉江干流洪峰流量为10 000 m3/s时,东荆河分流量约为2 000 m3/s,分流比约为20%。丹江口水库遭遇典型实际洪水预泄时皇庄夏、秋汛期的最大泄量分别为9 400,10 000 m3/s,东荆河分流20%后,仙桃在夏、秋汛期需过流7 520,8 000 m3/s左右。汉江中下游江段河道过流能力受到汉口水位的顶托影响,考虑预泄过程中控制仙桃江段不超过其警戒水位35.1 m,则汉口水位分别在27.0、25.5 m以下时,其过流能力基本满足仙桃河段下泄需求。此外,预泄过程中不应加重汉口站防洪负担,从相对稳定的水位流量关系判断,汉口水位在26.0 m以下时,接纳上述预泄水量后水位可不超过警戒水位27.3 m。综合考虑仙桃过流能力限制及汉口站防洪安全,从偏于安全的角度考虑,则在预泄启动时汉口水位不宜超过25 m,以避免水位顶托对中下游防洪产生影响。

4.2.2丹江口水库防洪风险

考虑到水文预报的不确定性,在库水位上浮运行时,若遭遇较大来水,可能会给枢纽本身带来较大的防洪风险。根据汉江流域产汇流特性分析,丹江口入库来水平均汇流时间1～2 d,皇庄区间来水平均汇流时间1～2 d,结合已发生的落地降雨产汇流条件,即使发生漏报,一般在1.5 d内也可采取措施应对洪水。水位上浮1.00 m时,夏汛期预泄1.5 d后终末水位为160.40 m左右,秋汛期最高水位为163.90 m左右;水位上浮1.50 m时,夏汛期最高预泄终末水位为160.80 m 左右,秋汛期最高水位为164.30 m左右;水位上浮2.00 m时,夏汛期最高水位为161.40 m左右,秋汛期最高水位为164.90 m左右。以上述提前预泄1.5 d后最高库水位作为起调水位,采用1935年7月夏季典型设计洪水、1964年10月秋季典型设计洪水,按照《规程》提出的预报预泄、分级补偿方式进行防洪调度,结果如表5所列。

表5 预泄1.5 d后遭遇不同量级洪水最高调洪水位Tab.5 Maximum water level after 1.5 d pre-release encountered different magnitude flood

结果表明,当水位上浮1.00 m和1.50 m时,丹江口水库有效利用1.5 d预见期进行预泄后,遭遇P=5%以下量级设计洪水,调洪最高水位均可不超过规程编制阶段对应调洪最高水位成果。当水位上浮2.00 m 时,丹江口水库有效利用1.5 d预见期进行预泄后,遭遇夏、秋季P=10%和P=5%洪水,调洪最高水位则基本不超过现行规程规定的允许调洪最高水位。考虑到当前汉江流域气象水文预报能力的提升,在结合预报采取预泄等防洪风险控制措施的条件下,丹江口水库遭遇P=5%及以下量级洪水对枢纽造成的防洪风险基本可控。在预报流域无雨或发生小雨的情况下,浮动运用时突降暴雨的可能性较小,遭遇P=1%量级洪水时,采取预泄措施虽无法完全消除其超蓄影响,但也可明显减小枢纽防洪风险。

4.2.3库区淹没风险

丹江口库区土地征用线标准是5 a一遇,人口迁移线标准是20 a一遇,调度过程中需评估对库区淹没的影响。遭遇不同频率设计洪水和不同场次典型洪水条件下,丹江口水库汛限水位起调方案和上浮1.00,1.50 m和2.00 m方案下,库区回水外包线均不超相应量级土地征用线和人口迁移线。为进一步降低防洪调度过程中回水高程,可以采用适时加大下泄流量,或利用上游安康水库的调节能力开展联合调度对丹江口水库入库洪水进行拦洪错峰等方式,减少丹江口水库入库洪量,降低调洪最高水位和回水高程的规避措施。

5 结论及建议

在保证流域防洪安全的前提下,为了实现“一库多利、一水多用”,对丹江口水库的汛期消落、汛期运行水位浮动、汛末提前蓄水等调度方式进行了优化,提出了丹江口水库优化调度方案,并对2021年汉江洪水期间丹江口水库实际调度过程进行了分析。实际调度效果表明,丹江口优化调度方案不仅保障了汉江中下游的防洪安全,还增加了南水北调中线工程的供水效益,为丹江口水库首次实现170.00 m的蓄水目标提供了重要支撑。

2021年的实际调度检验,充分验证了丹江口水库优化调度方案的优势,对汉江流域及其他流域水库的调度运行有重要的指导意义。然而,实际调度过程中也存在一些问题需要进一步考量和研究,为此提出如下建议:

(1) 进一步提高流域水雨情预报的预报精度并延长预见期,一是为调度方案的进一步优化提供基础,二是为汛期运行水位上浮以及汛末提前蓄水时的防洪风险控制提供保障。

(2) 结合来水预测,适当加大汛前消落深度,以增加汛期调度的灵活度,进一步提高水资源利用率。

(3) 在分期汛限(夏、秋)及上浮运行基础上,应根据洪水汛期、汛中、汛末特征,细化考虑蓄水秋汛期防汛限制水位台阶,以满足防洪和蓄水(供水)双重目标要求。