清江梯级配合三峡水库对城陵矶防洪调度方式探究

摘要：

为充分挖掘清江梯级水库10亿m3防洪库容的防洪效益，构建了长江上游水库群与清江梯级水库联合防洪调度模型，定量分析了清江梯级水库配合三峡水库对荆江河段实施联合防洪调度的防洪作用和库容使用情况，探讨了清江梯级水库配合三峡水库对城陵矶联合防洪调度的必要性；在此基础上，开展了不同水库群联合防洪调度方案防洪效果的比较分析，提出了清江梯级水库配合三峡水库对城陵矶防洪调度的分级拦蓄方式。研究表明：提出的分级拦蓄方式为当来水小于4 000 m3/s，清江梯级水库各拦蓄流量为2 500 m3/s；当来水不小于4 000 m3/s，清江梯级水库各拦蓄流量为3 000 m3/s；拦蓄时机与三峡水库同步，在拦蓄过程中兼顾了发电因素。该方案可有效发挥清江梯级水库的防洪作用，减少长江上游水库群动用防洪库容。研究成果量化了清江梯级水库的防洪作用，可有力支撑长江水库群联合防洪调度方案编制。

关" 键" 词：

联合防洪调度； 防洪效果分析； 清江梯级水库； 三峡水库； 城陵矶地区

中图法分类号： TV697.1

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.004

收稿日期：

2024-03-27；接受日期：

2024-05-05

基金项目：

国家重点研发计划项目（2021YFC3200302）；中国长江三峡集团有限公司科研项目（0704188）；国家自然科学基金项目（52109004）；长江勘测规划设计研究有限责任公司自主创新项目（CX2019Z44）

作者简介：

邹" 强，男，高级工程师，博士，主要从事水工程联合调度研究。E-mail：zouqianghust@163.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2024） 07-0029-06

引用本文：

邹强，张松，郭俊，等.

清江梯级配合三峡水库对城陵矶防洪调度方式探究

［J］.人民长江，2024，55（7）：29-34，43.

0" 引 言

清江位于湖北省境内，在长江荆江河段上游汇入长江，是长江出三峡水库之后，三峡水库至荆江河段间的最大支流［1-2］。清江流域已基本形成了以水布垭、隔河岩水库为骨干，大龙潭、车坝、老渡口等干支流水库、堤防、河道整治等工程措施与防洪非工程措施相配套的综合防洪体系［3］。在确保枢纽本身防洪安全的前提下，水布垭、隔河岩水库联合拦蓄清江洪水，提高清江下游沿江城镇的防洪能力，配合三峡水库进行联合防洪调度。

清江水布垭、隔河岩梯级水库（以下简称“清江梯级水库”）除承担清江下游长阳县城防洪任务外，还承担为长江干流荆江河段错峰任务。依据现行《清江水布垭、隔河岩、高坝洲梯级水库调度规程》［2］，清江梯级水库为荆江河段预留10亿m3防洪库容配合三峡水库错峰调度。以往针对清江梯级水库配合三峡水库联合防洪调度的研究，主要是结合荆江河段削峰需要，构建三峡水库与清江梯级水库联合防洪优化调度最大削峰准则模型［4］，提出主汛期清江梯级水库防洪库容的投入时机和投入次序［5］，进而提高荆江河段的防洪标准。

事实上，清江梯级水库预留10亿m3防洪库容为荆江错峰是在三峡水库建设之前的统筹安排。三峡水库是长江中下游防洪的关键性骨干工程，建成后，能有效调控长江上游洪水，中游各地区防洪能力有较大提高，特别是荆江河段防洪形势发生了根本性变化，可使荆江河段达到100 a一遇防洪标准。随着长江上游金沙江下游4座梯级水库等巨型水库群相继建成投运，长江干流汛期水库群防洪库容显著增加，上游水库群对荆江河段防洪能力显著提高。可见，荆江河段防洪能力已明显改善，错峰需求很少。然而，城陵矶地区是长江中下游洪灾最频发区域，是长江水库群防洪的重点保护对象，是长江防洪的关键点和最难点［6］。为此，在相关批复的调度文件中［7-8］，要求“当预报清江流域或长江上游可能发生大洪水时，水布垭、隔河岩水库水位应尽快降至防洪限制水位或相应的控制水位”；同时在确保清江流域和荆江河段防洪安全的前提下，为充分发挥清江梯级水库配合以三峡水库为核心的长江干流水库群联合防洪调度的作用，也指出“必要时，清江梯级水库与三峡水库实施联合防洪调度，以缓解长江干流防洪压力”。正在修编的长江流域防洪规划也要求，结合流域防洪调度格局变化，开展清江梯级水库配合三峡水库对长江中下游联合防洪调度研究［3］。

针对城陵矶地区防洪调度问题，已开展了较多以三峡水库为核心的水库群联合防洪调度研究，包括调度方式研究［9-11］、调度策略优化［12-13］、控制水位优化［14-15］、调度效益分析［16-19］等方面。上游水库群在协同多区域防洪要求的前提下，配合三峡水库对中下游联合防洪调度，有效提高了城陵矶地区的防洪能力，是本次研究的重要基础。

本文依托长江上游水库群联合防洪调度研究成果，考虑清江梯级水库增量作用，定量分析清江梯级水库配合三峡水库对城陵矶地区防洪补偿调度的必要性和可行性，提出清江梯级水库配合三峡水库联合防洪调度的拦蓄方式，以进一步明晰清江梯级水库10亿m3防洪库容在长江防洪体系中的作用，以期扩大长江上中游水库群配合三峡水库对城陵矶地区的防洪能力，充分发挥长江上中游水库群联合防洪效益。

1" 长江上游水库群与清江梯级水库联合防洪调度模型

1.1" 研究对象

以长江上游25座水库群为基础［20］，新增水布垭、隔河岩2座水库纳入联合调度，以探究清江梯级水库配合三峡水库对城陵矶地区的防洪调度方式以及防洪增量作用。长江上中游27座水库群总防洪库容达499亿m3，拓扑关系见图1。其中，上游水库群在满足所在河流防洪要求的前提下，配合三峡水库防洪库容总体为229.61亿m3，上游干支流梯级水库多区域防洪库容安排详见文献［13，20］，清江梯级水库预留10亿m3防洪库容配合三峡水库进行联合防洪调度。

1.2" 调度方案

按照2024年度长江流域水工程联合调度运用计划［8］，长江中下游干流防洪任务为总体达到防御1954年洪水标准，减少分洪量和蓄滞洪区的使用几率［17，19］。

当荆江河段发生洪水时，充分利用河道下泄洪水，利用三峡水库等联合拦蓄洪水。其中，梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉、锦屏一级、二滩等水库，与三峡水库同步拦蓄洪水；乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝、观音岩、瀑布沟、亭子口、草街、构皮滩、思林、沙沱、彭水等具有防洪双重任务的水库，结合所在河流防洪任务，配合其他水库降低长江干流洪峰流量，减少三峡水库入库洪量；清江梯级水库与三峡水库实施联合防洪调度，减轻长江干流荆江河段防洪压力。

当城陵矶地区发生洪水时，充分利用河湖泄蓄洪水，利用三峡等水库联合拦蓄洪水，控制城陵矶站水位不超过34.40 m。其中：梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉、观音岩、锦屏一级、二滩、瀑布沟、亭子口、草街、构皮滩、思林、沙沱、彭水等水库，结合所在河流防洪任务，与三峡水库同步拦蓄洪水；乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝水库在留足川渝河段所需防洪库容的前提下，结合三峡水库来水采取分级控泄或削峰错峰配合调度；清江梯级水库相机配合调度。

1.3" 模型构建

基于水库群“时-空-量-序-效”多区域协同防洪调度模型［20］，进一步耦合集成清江梯级水库防洪调度方案，搭建形成以三峡为核心的上游干支流水库群-三峡水库-清江梯级水库27库联合防洪调度模型，见图2。本文不改变上游水库群联合防洪调度方式，主要针对清江梯级配合三峡水库联合防洪调度的拦蓄方式、防洪效益等开展计算分析比较研究。

1.4" 不同典型洪水选取

为全面考虑荆江河段和城陵矶地区防洪需求，根据长江干流、清江以及洞庭湖“四水”洪水特性分析，选取1954、1998、2020年等16个典型年进行计算分析，具体包括：1935、1954、1968、1998、2020年洪水，长江干流、洞庭湖和清江来水均较大；1969、1980、1983、1996、2016年洪水，洞庭湖、清江来水较大；1931、1988、1999、2003年洪水，长江干流、洞庭湖来水较大；2002、2017年，洞庭湖来水较大。可见，所选典型洪水覆盖长江不同洪水地区组成类型，可有效反映荆江河段、城陵矶地区防洪形势［21］。

2" 清江梯级水库不同配合方式的水库群联合防洪调度效果分析

2.1" 仅考虑荆江河段防洪需求

首先，为分析清江梯级纳入联合调度后的防洪效果，设置两种调度方案：

（1） 方案0，上游水库群联合防洪调度方案［13，15，20］。此时上游水库群配合三峡水库对荆江河段和城陵矶地区防洪调度；清江梯级水库不纳入联合调度，仅考虑清江流域防洪要求。

（2） 方案1（基本方案），现行调度规程方案，即纳入清江梯级水库实施联合调度，清江梯级水库配合三峡水库对荆江防洪补偿调度［2］。此时水布垭、隔河岩水库各5亿m3防洪库容同步投入，最大拦蓄流量分别为5 000 m3/s。

清江梯级纳入联合调度，长江上中游水库群联合调度防洪效果见表1。

结合调度方案1（基本方案），清江梯级在1935、1954、1969、1999、2016年和2020年

会动用防洪库容，其中1969年和2016年因时段来水

较大导致被动滞洪。也就是说，当清江梯级仅考虑荆江河段防洪需求时，在1935、1954、1999、2020年等4个年份，清江梯级配合长江上游水库群联合调度，动用防洪库容分别为8.57亿，5.70亿，3.49亿，8.13亿m3，对荆江河段防洪发挥了拦蓄作用。

按照调度方案1，此时长江上游水库群统筹荆江和城陵矶防洪需求，而清江梯级仅考虑荆江防洪需求，其作用在于：通过拦蓄减少汇入长江干流洪量，减少宜昌—枝城合成流量，进而增加三峡水库对荆江防洪补偿调度出库流量，以减少动用三峡水库防洪库容。需要说明的是，1999年清江梯级拦蓄后腾库会增加宜昌—枝城区间流量，此时延缓三峡水库腾库时机，在迎接后续洪水时三峡库水位（150.14 m）略高于清江梯级不腾库时水位（149.97 m），但防洪风险可控。为确保防洪安全，在清江梯级配合三峡水库拦洪后，应相机实施退水调度。由于清江梯级水库防洪库容相较三峡水库占比小，本次研究还是优先考虑清江梯级水库腾库。

然而，针对16个典型年，仅在1935、1954、1999、2020年等4个年份，实施了清江梯级配合三峡水库对荆江河段防洪调度，动用机会并不多，大多数年份都不会针对荆江河段动用防洪库容；即便是在这4个年份，由于清江梯级拦蓄能力有限，实质上大多数时段中下游防洪需求是以城陵矶地区为主，这些时段上游水库群是针对城陵矶地区实施防洪补偿，因此上游水库群动用防洪库容改变不大，如1954年清江梯级动用防洪库容5.7亿m3，但减少动用上游水库群防洪库容仅为0.31亿m3。

1931、1968、1980、1983、1996、1998、2002、2003、2017年等年份，荆江河段无防洪需求，为了尽可能多的利用清江梯级防洪库容以减轻长江干流防洪压力，可考虑在这些年份将城陵矶地区作为清江梯级兼顾考虑的防洪对象。由于城陵矶地区距离清江梯级地理位置较远，从实施联合防洪调度的可行性和快速性而言，荆江河段仍然是首要目标。

因此，为提高清江梯级防洪库容投入规模和时机，减少上游水库群动用防洪库容，有必要研究清江梯级水库配合长江上游水库群对城陵矶地区联合防洪调度。

2.2" 兼顾考虑城陵矶地区防洪需求

清江主汛期（6月21日至7月31日）城陵矶地区有防洪需求的时段统计见表2。16个典型年中，除了1988年，城陵矶地区均有防洪调度需求，年均9 d左右。因此，为缓解长江中游干流防洪压力，可实施清江梯级水库与三峡水库联合防洪调度。

由于清江洪水多以尖瘦型洪水为主，陡涨陡落、历时短，清江梯级防洪库容越早投入运用，拦蓄清江洪水效果越明显，长江上游水库群动用防洪库容也越小，有利于上游水库群拦蓄后续更大洪水。为此，清江梯级防洪库容投入时机与三峡水库同步，在城陵矶地区有防洪需求时投入运用。设置3种调度方案：

（1） 方案2（类似荆江河段拦蓄方案）。参考方案1，当城陵矶地区有防洪需求时，清江梯级水库配合三峡水库对城陵矶进行防洪调度，水布垭、隔河岩水库分别按照最大拦蓄流量为5 000 m3/s进行拦蓄，可视为与方案1类似拦蓄方式，区别在于新增考虑城陵矶地区防洪需求。

（2） 方案3（机组满发流量控制方案）。当城陵矶地区有防洪需求时，清江来水大多在满发流量以上，为兼顾发电效益，水布垭、隔河岩水库按照相应机组满发流量1 110 m3/s和1 300 m3/s进行控制。

（3） 方案4。为提高考虑清江梯级防洪库容使用效率，在城陵矶地区有防洪需求时，结合清江梯级水库来水情况，实施分级拦蓄，即当来水小于4 000 m3/s，清江梯级水库各拦蓄流量均为1 500 m3/s；当来水不小于4 000 m3/s，清江梯级水库各拦蓄流量均为2 000 m3/s，在拦蓄过程中兼顾考虑发电因素。

表3给出了方案2与方案1调度效益的对比情况。可知，在满足荆江河段防洪需求的基础上，清江梯级水库兼顾城陵矶地区防洪需求，可减少动用长江上游水库群防洪库容，与上游水库群起到库容置换的作用，也会增加一定的发电效益，表明本文提出拓展清江防洪对象是必要的。

进一步，基于16个典型年的实际洪水，1%、2%和3.33%洪水进行调洪演算，方案3、方案4与方案2调度效益的对比情况见表4。可知，从整体上来看，方案3和方案2类似，灵活性较好，按满发流量即可快速操作控制；方案4防洪效益优于方案2和方案3，但发电效益小，可平均减少上游水库群防洪库容0.09亿m3，平均损失发电量为0.08亿kW·h，相对于防洪效益增量来讲，发电量损失稍小。从兼顾防洪与发电的角度出发，暂推荐方案4，通过清江梯级分级拦蓄方式配合三峡水库对城陵矶地区进行防洪调度。

2.3" 进一步细化联合防洪调度方案

结合城陵矶地区成灾时段的清江来水流量分布特性，进行清江梯级水库拦蓄参数优化分析。按照拦蓄流量级别不同，设置调度方案5、方案6和方案7，具体如下：

（1） 方案5。在方案4的基础上，适度减少清江梯级拦蓄能力，即当来水小于4 000 m3/s，清江梯级水库各拦蓄流量均为1 000 m3/s；当来水不小于4 000 m3/s，清江梯级水库各拦蓄流量均为1 500 m3/s，在拦蓄过程中兼顾发电因素。

（2） 方案6。在方案4的基础上，适度加大清江梯级拦蓄能力，即当来水小于4 000 m3/s，清江梯级水库各拦蓄流量均为2 000 m3/s；当来水不小于4 000 m3/s，清江梯级水库各拦蓄流量均为2 500 m3/s，在拦蓄过程中兼顾发电因素。

（3） 方案7。在方案6的基础上，进一步加大清江梯级拦蓄能力，即当来水小于4 000 m3/s，清江梯级水库各拦蓄流量均为2 500 m3/s；当来水不小于4 000 m3/s，清江梯级水库各拦蓄流量均为3 000 m3/s，在拦蓄过程中兼顾发电因素。

与前述计算方式类似，得到各方案相比方案4的变化值，见表5。可知，方案7在进一步增加清江梯级防洪库容投入的基础上，可平均减少上游水库群动用防洪库容0.09亿m3，清江梯级增发电量为0.08亿kW·h左右，此时联合调度效益更优。

需要说明的是，由于清江梯级水库10亿m3防洪库容相对长江上游水库群489亿m3防洪库容比重不大，方案7相比方案3（机组满发流量控制方案）效益好但也并非十分显著，在实际调度过程中，可直接按照机组满发流量控制，以方便快速决策操作。

3" 结 论

本文以长江上游水库群与清江梯级水库27库联合防洪调度模型为基础，定量分析了基于现行规程方案的清江梯级水库配合三峡水库对荆江河段的防洪作用，阐明了清江梯级水库配合三峡水库对城陵矶地区防洪调度的必要性，以提高清江梯级防洪库容投入和置换上游水库群动用防洪库容。在此基础上，探讨了清江梯级水库配合三峡水库对城陵矶地区防洪补偿调度方式，基于16场典型洪水分析了不同拦蓄方案的联合防洪效果，从综合防洪与兴利的角度，建议清江梯级水库防洪库容投入使用时机与三峡水库同步，并采取精细化的分级拦蓄方式配合三峡水库联合防洪调度以减轻城陵矶地区防洪压力，即：当来水小于4 000 m3/s，清江梯级水库各拦蓄流量为2 500 m3/s；当来水不小于4 000 m3/s，清江梯级水库各拦蓄流量为3 000 m3/s，在拦蓄过程中兼顾发电因素。

研究过程中发现，大多数年份清江中下游及长江中游防洪需求时段并不多，清江来水主要以中小洪水为主，为充分发挥清江梯级水库洪水资源利用效益，提升汛期梯级水库调度运用灵活性，有必要在确保清江梯级水库防洪调度安全的基础上，进一步开展清江梯级水库汛期运行水位动态控制方案研究，为清江梯级水库调度规程修编提供技术支撑。

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（编辑：郭甜甜）

Flood control operation scheme for Chenglingji area by combining Qingjiang cascade reservoirs with Three Gorges Reservoir

ZOU Qiang1，2，3，ZHANG Song1，GUO Jun4，LI Xiaonan2，HUANG Di5，ZHU Tianlong2

（1.China Three Gorges Corporation，Yichang 443133，China；" 2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；" 3.State Key Laboratory of Water Resources Engineering and Management，Wuhan University，Wuhan 430072，China；" 4.School of Civil and Hydraulic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；" 5.Qingjiang Hydropower Development Co.，Ltd.，Yichang 443000，China）

Abstract：

In order to fully exploit the flood control benefit of 1 billion cubic meters of Qingjiang cascade reservoirs，this study constructed a joint flood control operation model of cascade reservoirs in the upper reaches of Changjiang River and Qingjiang cascade reservoirs.We quantitatively analyzed the flood control effect and storage capacity utilization of Qingjiang cascade reservoirs under cooperation with the Three Gorges Reservoir to Jingjiang Reach.The necessity of joint flood control operation to Chenglingji Area by Three Gorges Reservoir with the cooperation of Qingjiang cascade reservoirs was discussed.Based on the comparative analysis of joint flood control effect with different operation schemes，the graded storage scheme to Chenglingji Area by combining Qingjiang cascade reservoirs with Three Gorges Reservoir was proposed.The proposed graded storage scheme is that： when the inflow is less than 4 000 m3/s，the stored flow of each Qingjiang cascade reservoir is 2 500 m3/s；when the inflow is not less than 4 000 m3/s，the stored flow of each Qingjiang cascade reservoir is 3 000 m3/s.And during the water storage process，the impounding timing is synchronized with the Three Gorges Reservoir，and the power generation factor is also taken into account.The research quantified the flood control function of Qingjiang cascade reservoirs and strongly supported the formulation of joint flood control operation scheme of Changjiang River reservoir group.

Key words：

joint flood control operation； flood control effect analysis； Qingjiang cascade reservoirs； Three Gorges Reservoir； Chenglingji area