長江大型水庫群聯合調度問題探討

陳 進

(長江科學院院長辦公室，武漢 430010)

至2009年底，長江流域已經建成各類水庫4.6萬座，總庫達到2 500多億m3，總興利庫容超過1 200多億 m3［1，2］。其中大型水庫 166 座，總庫容1 908億m3，總興利庫容983億m3，分別占長江流域水庫總庫容和總興利水庫比例的76%和81%，因此，大型水庫在長江流域水資源利用中占據重要的地位，是水庫群聯合調度的重點對象。長江流域屬于水資源量相對豐富地區，多年平均地表徑流量達9 856億m3，而目前大型水庫總庫容及總興利庫容分別占長江地表徑流量的19%和10%，真正可供調度運用的庫容有限。隨著長江上游大型水庫的逐步建成，興利庫容會有所增加，但可調度的總庫容仍然不大，而流域水資源的利用對于水庫群調度的期望值很大，要求越來越高。本文根據長江流域大型水庫建設和運行情況，討論流域聯合調度的實際需求［3］，分析聯合調度的制約因素、啟動條件和聯合調度的模式，為制訂科學的聯合調度方案提供參考。

1 長江大型水庫的現狀分析

長江流域總面積180萬km2，其中上游、中游和下游面積分別為100，68，12萬km2。表1列出長江流域已建大型水庫的地區分布和調節能力參數。從表中可見:長江流域雖然已經建成166座大型水庫，但地區分布廣，上游地區僅有38座，中游地區有114座，下游地區有14座。按流域面積比例來看，上游地區每2.6萬km2僅有1座，中游地區每0.6萬km2有1座，下游地區每 1.2萬km2有1座。中游地區大型水庫分布最多，其次是下游地區，最少是上游地區。原因是中游地區人口多，供水和灌溉需求大，修建水庫的地理和交通條件好，過去大型水庫修得比較多，而目前在建和規劃將要建的大型水庫絕大多數在上游地區。

從水庫控制徑流的能力來看，排在前列的是清江、漢江和烏江，其他水系和支流水庫的總體調節能力還比較低，都不到10%。長江流域大型水庫多數建在支流上，而且相當多的修在二級甚至三級支流上，在這些支流上，如果建了大型水庫，水庫控制該河流水流的能力就強，如清江，由于有隔河巖和水布埡2個大型水庫，所以，清江上水庫的調節能力最強。從防洪和水能利用等技術角度，一條支流上一般需要修建1～2個大型控制性水庫比較科學，而在干流上，由于距離長，支流匯入多，則需要建設更多的大型水庫才能比較有效地調節長江的水流。

由于地區分布和上下游的關系，上游水庫調節都會直接影響下游河流及下游水庫的調節，而下游水庫對上游地區水流控制沒有直接影響。對于長江中下游比較突出的防洪和抗旱問題，支流水庫主要解決本河流的問題，不能解決上游的問題，也不能單獨解決中下游全局的問題，需要靠上游控制性水庫調度來解決。對于抗旱問題，目前上游大型水庫總的興利庫容只有411億m3，占上游多年平均徑流量的9.5%，遇枯水年，所占比例更低，抵御長江中下游低水位和干旱問題的能力不足。對于中下游的防洪，目前上游大型水庫防洪總庫容僅276億m3，遇特大洪水，防洪庫容仍然是有限的，需要動用分蓄洪區。

表1 長江流域已建大型水庫分布Table 1 Distribution of constructed large reservoirs in Yangtze River basin

長江流域雖然水庫數量多，但具有較強調節性能的大型水庫并不多，而且地域分布廣，過去各水庫根據自己的調度計劃進行單獨調度很自然，而水庫群的聯合調度主要體現在發電調度和大洪水來臨時的防洪調度上。隨著三峽工程的完工和長江上游一批大型水庫將要建成，流域各水庫單獨調度與流域綜合利用和保護的矛盾日益突出，聯合調度的需求越來越大。

2 聯合調度的需求

水庫群聯合調度主要包括防洪、發電、航運、水資源和生態調度等，除發電和航運調度主要涉及單一部門外，其他調度都具有公益性，不僅涉及利益相關者多，而且調度效果的社會和生態環境價值大，經濟價值較難確定。從調度對象和相互影響來看，水力發電調度可以通過河流上下游河道中的水流，也可以通過電網在空中進行聯合調度，而其他調度必須通過河道從上游向下游，從支流到干流逐級進行。長江流域水庫群聯合調度的主要需求體現在以下幾方面。

2.1 防洪調度

防洪調度是根據《防洪法》，由國家、流域和省市各級防辦進行統一調度。隨著三峽和上游大型水庫的建成，中下游地區防洪保護區，特別是規劃的分蓄洪區等地方希望三峽水庫起到更大的作用，不僅期望水庫攔蓄大洪水，也希望攔蓄中小洪水。這些要求涉及到長江防洪體系的戰略調整，包括堤防、水庫和分蓄洪區定位和使用先后次序等問題，也涉及到長江上游大型水庫防洪庫容優化調度等技術問題。

2.2 水庫群蓄水和預泄調度

由于長江干流和主要支流徑流量較大，在其上修建年調節以上水庫比較困難，大部分水庫都僅具有不完全年調度(季、月、日和徑流調節)能力［2］，這意味著具有防洪功能的大型水庫水位汛前都需要下降至汛限水位，留下防洪庫容，調蓄洪水，即使沒有防洪任務的水庫，為了大壩安全度汛和排沙等需要，也會適當降低運行水位，這樣到汛末9－10月份，都需要蓄水到設計水位，流域水庫群存在集中蓄水和競爭性蓄水問題。由于各水庫隸屬于不同的業主和地區，如果不采取統一蓄水調度，不僅難以保證各水庫汛后蓄滿率，還會引起下游河道枯季提前，影響這些地區用水安全。各個水庫汛前預泄也有同樣的問題，如果不統一考慮，會使中下游出現超高水位，增加中下游地區的防洪壓力。

2.3 抗旱和補水調度

近些年來，長江流域干旱問題日益突出，如:2006年四川重慶大旱，2009年的西南地區大旱、近10年來，洞庭湖和鄱陽湖連續多年出現的低水位、2011年中下游的大旱等，都對三峽等大型水庫聯合抗旱和補水調度提出了新的要求［4－6］。

2.4 生態與環境調度

由于大壩的建設，河流水文和物理化學過程發生變化，以滿足珍稀魚類和4大家魚等洄游性魚類、水生動物、濕地水鳥需要的水位、流量和水溫過程的生態調度要求越來越多［7，8］。同時，各水庫預防水華發生和突發性水污染事故等需求的環境調度也越來越重要。

3 聯合調度的技術條件和制約因素

3.1 防洪聯合調度

長江流域防洪保護區面積為 15.38萬km2，其中上游面積為 1.34萬km2，中下游防洪區面積為14.04萬km2，中下游地區是長江防洪的重點地區。長江的防洪體系主要包括堤防、水庫和分蓄洪區3部分，根據洪水的規模和發生的區域，一般3方面措施綜合使用，其中堤防是基本，水庫是主要調控手段，分蓄洪區是最后的辦法。洪水來臨時，先用堤防擋水，發揮河道槽蓄的能力，這樣可以抵御中小洪水;然后是水庫，調蓄中到大洪水;遇特大洪水，水庫防洪庫容不夠用時，且下游河道達到安全泄量時，需要使用分蓄洪區，保障大壩安全和重點地區堤防的安全。

長江已經建成總長約30 000 km的堤防體系，堤防設計洪水下有近1 000億m3的河道槽蓄能力。當然，由于堤防是歷史時期逐漸建成，質量千差萬別，到警戒水位時，需要人員上堤查防。長江已建大型水庫總的防洪庫容588億m3，其中長江上游水庫防洪庫容僅276億m3，遇1954年大洪水，超過槽蓄能力還有1 000億m3的洪水需要調蓄，雖然未來長江上游干支流在建和將建水庫預留了340～360億m3的防洪庫容，但這些水庫的防洪和興利庫容是相互結合的，與三峽防洪庫容作用不同，主要預防9月以前的洪水，對于后汛期防洪作用有限。長江中下游雖然已經建設和規劃了可以蓄滯627億m3洪水的分蓄洪區，但由于分蓄洪區建設滯后，分蓄洪區內生活著近700萬人，使用的代價很高，真正能夠使用的分蓄洪區不多。所以，防洪聯合調度需要分別考慮水庫群在空間的分布和攔蓄洪水時間上的特點，即分別面對區域型大洪水與流域型大洪水的防洪庫容優化調度、前汛期與后汛期防洪庫容的優化調度等問題。

防洪聯合調度在技術上分為2個層面，一是綜合考慮堤防、水庫和分蓄洪區使用的調度方式，二是僅考慮水庫群的聯合調度。顯然前者更為宏觀，具有戰略意義，后者偏重戰術層面。隨著三峽等長江上游大型水庫的建成，中下游地區及社會各界希望水庫發揮更大的作用，盡量不使主要堤防水位超過警戒水位，同時能夠減少分蓄洪區使用的機率，從社會經濟效益講可能是合理的，但從技術和風險控制角度，存在較大的問題:過分依靠水庫的防洪作用，對于堤防和分蓄洪區的建設、維護和管理不一定有利。三峽水庫防洪主要對象是攔蓄中到大洪水，調度方針是蓄泄兼顧，以泄為主，不宜改為以蓄為主，這樣會增加水庫的防洪風險。要想充分發揮三峽等上游水庫防洪作用，必須提高洪水預報的精度，控制洪峰連續出現時水庫的防洪風險，同時需要解決好水庫泥沙淤積和長期使用問題。表2給出了典型洪水調度防洪綜合措施。對于山洪，由于突發性，地處偏遠山溝，非工程措施是主要方法。對于川江、重慶和長江上游大洪水，主要靠金沙江，雅礱江、岷江和嘉陵江上的大型水庫聯合調度，三峽可以起到調蓄作用，減輕對中下游影響。如果超過千年一遇洪水時(如1870年洪水)，需要啟動中下游分蓄洪區。對于洞庭湖、鄱陽湖和漢江區域型洪水，主要依靠當地水庫，三峽等上游水庫可以采用控泄措施，減輕中下游地區防洪壓力，必要時啟動當地分蓄洪區。對于全流域大洪水，不僅要實行全流域水庫的防洪聯合調度，還必須依次啟動分蓄洪區，保證大壩和重要防洪區的安全。

3.2 水資源聯合調度

長江流域傳統的干旱缺水地區是滇中高原、四川盆地、湘中南地區、贛吉太盆地、豫鄂南陽盆地等。這些地區處于氣候相對干旱區，或者是山丘地區和分水嶺地區，難以修建大型水庫或者灌渠。近30年來，由于經濟社會的快速發展，各地水資源利用量增加，再加上氣候變化的影響，重慶、云貴川、洞庭湖、鄱陽湖和江漢平原也常常出現嚴重干旱，早先建設的大型水庫大多數都有供水和灌溉功能，建設有配套的引水灌渠，而近30年和正在建設的大型水庫大多數以水力發電為主，沒有將灌溉和抗旱作為主要目的，當下游發生干旱時，由于缺乏配套灌渠，不能直接向干旱地區供水和灌溉，只能加大下泄，向下游河道補水，間接參與抗旱，例如三峽等長江上游水庫不可能直接向中下游干旱地區供水，一般是通過抬高干流水位間接緩解旱情［8］。

表2 長江典型洪水水庫群聯合調度及其他措施Table 2 Joint regulation of reservoir groups and other measures for typical floods in Yangtze River

抗旱一般需要采取綜合措施才能起到效果，水庫聯合調度需要滿足一定的條件才會有成效，如①上游地區發生干旱，下游水庫不能發揮作用;②低海拔水庫，如果沒有經濟上合算的泵站及灌渠，對高海拔地區不能發揮作用;③上游水庫不可能通過加大下泄，直接幫助長江河口解決鹽水倒灌問題;④先當地水庫，后其它地區水庫。三峽水庫距離長江河口有1 750 km，下泄水流到河口不僅需要10～15 d時間，而且沿江與洞庭湖、鄱陽湖、淮河和太湖關系復雜，水量交換多，中下游沿岸還有大量通江河流和取水設施。這些水利工程的取水能力超過20 000 m3/s，而三峽興利庫容僅165億m3，在1－4月最多增加泄量1 000～3 000 m3/s，遠不夠維持大通站15 000 m3/s(低于該流量，長江口可能出現咸潮倒灌)以上的流量。所以，雖然三峽工程是長江干流最重要的控制性水庫，但它的抗旱能力是有限的。對于洞庭湖、鄱陽湖和長江中下游出現低水位時，三峽加大下泄可以起到一定的作用，但應該首先利用當地水庫抗旱和補水，其次才是三峽水庫參與聯合調度，更為重要的是需要同時在干旱地區進行取水和用水的需求管理。當長江中下游出現長時間的嚴重干旱時，沿岸地區取水和用水的需求管理比水庫群聯合調度作用更顯著。所以，在解決長江中下游干旱時，當地水庫應該先調度，然后三峽水庫配合。洞庭湖和鄱陽湖與長江連通，除洪水來臨時，大部分時間兩湖水位比長江水面高，三峽水庫多泄水的主要作用是抬高長江水位，延緩兩湖水流入長江的時間。表3給出長江流域典型地區出現干旱時應采取的綜合抗旱措施。從表中可見，無論哪個地區出現干旱，當地水庫調度和水資源需求管理都是首先的措施，三峽等干流水庫可以發揮補水的重要作用，能夠發揮作用的時間主要在11月到第二年的5月。

表3 長江典型干旱水庫調度及其他對策Table 3 Reservoir regulation and other measures for typical droughts in Yangtze River basin

3.3 發電調度和航運調度

發電調度主要通過電網進行，但一條河上的梯級水電站仍然有優化調度的潛力，當一條河上的控制性水庫建成后，在水位銜接和綜合發揮水能利用效率上應該開展聯合調度，將顯著提高下游水電站的保障出力及發電能力，應該注意，發電聯合調度需要與水資源調度和航運調度協調，一般應該遵守電調服從水調、興利調度服從公益性調度的原則，當然這涉及到經濟利益協調和綜合管理問題。

長江干支流通航里程達6.7萬多km，占全國內河通航總里程的52.8%，2005年長江水系水路完成貨運量14.6億t，長江航運發展迅速。隨著梯級水庫的建成，航運水位保證率會顯著提高，聯合調度時需要重點考慮梯級水庫水位銜接、預防水電站調峰引起下游河道非恒定流的問題。

3.4 生態與環境調度

生態調度特別需要水庫群的聯合調度機制，如下泄生態流量、制造洪水過程等都需要上下游水庫相互配合。至今為止，由于水生態系統的復雜性，長江流域大型水庫的生態調度還沒有真正納入調度規程，最多是保證最小下泄流量(常稱為生態基流)。隨著經濟社會的發展，對河流生態系統重要性認識的不斷加深，為修復和改善河流生態系統，維護環境流的生態調度會越來越受到重視［10］。

水庫下泄最小生態流量是生態調度的初級階段，實際上包含了下游人們生活生產用水和保證水功能區水質目標的環境用水，離保證水生態系統結構完整和良好的目標還有很大的差距。以長江魚類為例，魚類生活需要三場一道(繁殖場、產卵場、越冬場和洄游通道)，不僅需要一定的洪水過程，還需要特定的水溫等物理化學過程。表4給出了長江幾種典型魚類產卵需要的水文特性和時間，如果再考慮其他兩場和洄游通道，要求更高。目前水庫群的聯合調度還不能完全滿足這些要求，未來的生態調度應該向這方面不斷努力。

表4 長江重要魚類對于水流的基本要求Table 4 Demand for spawning environmental flow of important fishes in Yangtze River

除了生態調度外，考慮庫灣水華，解決突發水污染事故的應急調度是水庫群環境調度的重要內容，前者技術難度較大，需要考慮水庫多目標要求和庫岸問題等，利用適當時機，通過調度加快庫區水體流動速度，而突發水污染事故的處理是所有水庫必須考慮的應急調度方案。

4 結語

從長江流域防洪、供水、灌溉、抗旱、發電、航運和生態等多目標綜合效益最大角度來看，大型水庫群進行聯合調度是十分必要的，但要達到預期的目的，還有許多科學技術和管理問題需要研究和解決。從科學技術角度來看，首先需要建立和完善全流域的氣候和水文站點自動監測網絡，建立流域級降雨徑流模型，提高中期水文預報的精度，為水庫聯合調度提供及時、準確的預報調度信息;其次，研究和制定不同河段(地區)、不同層次和不同對象水庫群聯合調度啟動條件(域值)，同時建立起聯合調度效果監測和評價方法，為利益協調和補償提供依據;第三，需要研究和提出將防洪、生態、抗旱等公益調度與興利調度有效結合的調度方法和實施步驟。從管理角度來看，大型水庫群聯合調度產生的綜合效益肯定比單個水庫調度好，但由于水庫隸屬于不同地區和不同的業主，聯合調度涉及的利益相關者多［2，8，9］，利益關系復雜，統一調度綜合管理和利益協調難度大。因此，整體綜合效益好，不一定單個水庫興利效益好;社會效益好，不一定經濟效益好。防洪、抗旱和生態調度基本上屬于公益性，社會效益和間接經濟效益大，受益面廣，但受益主體難以確定，經濟效益難以評估。水庫群聯合調度方案技術要求高，來水情況、調度效果和影響都具有較大的隨機性，調度本身也承擔一定的風險，所以，水庫群聯合調度的最大難點是效果評估管理體制機制、利益協調和補償制度的建立。

［1］陳 進，黃 薇.長江水庫群聯合調度可能性分析［J］.長江科學院院報，2008，25(1):1－5.(CHEN Jin，HUANG Wei.Possibility Analysis of the United Regulating of Reservoir Groups in Changjiang River Basin［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2008，25(1):1－5.(in Chinese))

［2］陳 進.長江流域大型水庫群統一蓄水調度問題探討［J］.中國水利，2010，(8):10－13.(CHEN Jin.The Uniform ImpoundmentProblemsofLarge Reservoir Groups in Yangtze River Basin［J］.China Water Resources，2010，(8):10－13.(in Chinese))

［3］許繼軍，陳 進.長江上游大型水電站群聯合調度發展戰略研究［J］.中國水利，2011，(4):24－28.(XU Ji-jun，CHEN Jin.Development Strategy Study on Combined Management Stations on the Upper Yangtze River［J］.China Water Resources，2011，(4):24－28.(in Chinese))

［4］陳 進.南方水資源管理問題的討論［J］.中國水利，2009，(15):24－27.(CHEN Jin.Discussion on Water Resources Management in South China［J］.China Water Resources，2009，(15):24－27.(in Chinese))

［5］陳 進，朱延龍.長江流域用水總量控制探討［J］.中國水利，2011，(5):42－44.(CHEN Jin，ZHU Yanlong.Discuss on Total Water Use in Changjiang River Basin［J］.China Water Resources，2011，(5):42－44.(in Chinese))

［6］陳 進.三峽水庫抗旱調度問題的探討［J］.長江科學院院報，2010，27(5):19－23.(CHEN Jin.Approach on Drought Relief Operation of the Three Gorges Reservoir［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27(5):19－23.(in Chinese))

［7］陳 進，黃 薇.長江的生態流量問題［J］.長江科學院院報，2007，24(6):1－5.(CHEN Jin，HUANG Wei.Environmental Flow of the Changjiang River［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2007，24(6):1－5.(in Chinese))

［8］陳 進，黃 薇.長江環境流量問題及管理對策［J］.人民長江，2009，4(8):17－19.(CHEN Jin，HUANG Wei.Environment Flows and Its Management Measures in the Changjiang River［J］.Yangtze River，2009，4(8):17－19.(in Chinese))

［9］黃 薇，陳 進.長江控制性水庫聯合調度體制及機制探討——以湘江抗旱調度為例［J］.長江科學院院報，2010，27(12):12－16.(HUANG Wei，CHEN Jin.Exploration on System and Mechanism of Joint Dispatch of Dominant Reservoirs in Yangtze River Basin:Dispatch of Drought Control in Xiangjiang River as an Example［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27(12):12－16.(in Chinese))

［10］陳 進.中國環境流研究與實踐［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.(CHEN Jin.Research and Practice of Environmental Flows in China［M］.Beijing:China Water Power Press，2011.(in Chinese))