水工程聯合調度在2020年長江洪水防御中的作用

金 興 平

(水利部長江水利委員會，湖北 武漢 430010)

以三峽水庫為核心的長江流域水庫群是目前世界上最大規模的巨型水庫群，在長江流域防洪、生態、供水、發電、航運等方面發揮著重要作用。2009年以來，水利部長江水利委員會(以下簡稱“長江委”)開展了以三峽水庫為核心的長江干支流控制性水庫群綜合調度研究，提出了科學協調防洪、發電、航運、供水、泥沙、生態等多目標的長江水庫群聯合調度方式[1]，為充分發揮水庫群綜合效益提供了有效手段，尤其是在長江流域水旱災害防御方面，效果顯著。最近20 a，長江流域先后經歷了2010、2012年上中游區域性較大洪水，2016、2017年中下游區域性大洪水[2-3]，2020年流域性大洪水，這5場洪水基本包含了長江流域洪水的主要形式，對后三峽時期的水庫群防洪調度進行了全方位的檢驗。其中2010、2012年洪水主要產生于長江上游地區，水庫群主要對荊江河段實施防洪補償調度；2016、2017年洪水主要產生于長江中下游地區，水庫群主要對城陵磯附近地區實施防洪補償調度；2020年則是流域性洪水，洪水先是出現在中下游地區，而后上中游同時發生洪水，水庫群先是主要對城陵磯附近地區實施防洪補償調度，而后同時對荊江河段和城陵磯附近地區實施防洪補償調度。3種不同來源、不同類型的洪水，防洪調度方式不盡相同，調度難度一次比一次大。

2020年7～8月長江發生流域性大洪水，其中長江干流發生5次編號洪水，經水庫群盡力調蓄后中下游蓮花塘至大通江段洪峰水位仍列有實測記錄以來的第2～5位，馬鞍山至鎮江江段潮位超歷史；鄱陽湖區域發生流域性超歷史大洪水，上游支流岷江發生超歷史洪水，沱江、涪江、嘉陵江以及干流朱沱至寸灘江段發生超保證洪水，三峽水庫出現建庫以來最大入庫流量。

1 長江流域水工程聯合調度體系

2012年國家防總首次批復了《2012年度長江上游水庫群聯合調度方案》，對三峽、二灘、紫坪埔、構皮灘、碧口等10座水庫的調度原則和目標、洪水調度、蓄水調度、應急調度、調度權限、信息報送和共享等方面進行了明確，為水庫群聯合統一調度提供了依據[4]。2016年納入水庫群聯合調度范圍的水庫增加到21座[5]，2017年又擴展到了城陵磯河段以上的長江上中游28座水庫[6]，2018年長江中游漢江梯級、鄱陽湖水系、陸水等重要控制性水庫也進一步納入聯合調度范圍，長江上中游聯合調度水庫數量增加到40座[7]，以三峽水庫為核心，溪洛渡和向家壩水庫為骨干，金沙江中游群(以下簡稱金中)、雅礱江群、岷江群、嘉陵江群、烏江群、清江群、洞庭湖“四水”群和鄱陽湖“五河”群等8個水庫群組相配合的涵蓋長江湖口以上的中上游水庫群聯合調度體系逐步形成[8]。

2019年除長江上中游40座控制性水庫外，長江中下游地區的46處蓄滯洪區、宜昌至湖口河段(含洞庭湖區和鄱陽湖區)的10座重要排澇泵站以及南水北調中線引江濟漢工程、南水北調中線一期工程、南水北調東線一期工程、引江濟太等4項引調水工程也納入到了聯合調度范圍，長江流域水工程聯合調度體系初步形成。2020年金沙江烏東德水庫也納入了聯合調度范圍，長江上中游控制性水庫數量增加至41座(見圖1)，長江流域防洪能力進一步增強。

至此，納入長江流域聯合調度范圍的水工程共計101座(處)，其中：控制性水庫總調節庫容884億m3，防洪庫容598億m3；蓄滯洪區總蓄洪容積591億m3，排澇泵站總設計排澇能力1 562 m3/s，引調水工程年設計引調水規模241億m3[9]。

2 長江中下游流域水工程防洪調度目標

長江的防洪調度堅持“蓄泄兼籌，以泄為主”的指導方針及“江湖兩利，左右岸兼顧，上中下游協調”的指導原則[10]。長江流域防洪的重點和難點在長江中下游地區，以防御新中國成立以來發生的最大洪水——1954年洪水為目標。水庫工程的防洪調度目標是三峽及上游干支流水庫聯合調度，通過攔洪、削峰和錯峰，使荊江河段的防洪標準達到100 a一遇以上，遇100 a一遇及以下洪水不需要啟用蓄滯洪區；遇1 000 a一遇洪水或類似1870年洪水時，配合蓄滯洪區運用，可以避免荊江兩岸發生毀滅性洪水災害；同時，使長江中下游防洪能力進一步提高，遇1954年洪水，超額洪量大幅度減少，蓄滯洪區運用的機率和數量均進一步減少[11]。此外，當沙市水位超過44.5 m、城陵磯水位超過34.0 m、漢口水位超過29.0 m或者湖口水位超過22.0 m時，排澇泵站服從統一調度，部分泵站停止或者限制運行，以配合保證相應河段防洪安全。

3 2020年水工程聯合調度實踐及成效

3.1 水工程聯合調度過程

2020年汛前，40座水庫水位全部按照調度計劃消落到汛限水位以下，為防洪調度留足庫容777億m3(其中汛限水位以下217億m3)。在水利部的組織下，還專題開展了1954年洪水預報調度演練、大洪水水文監測演練、預報調度方案的修訂完善，為迎戰可能發生的大洪水做好了堅實的技術準備。7～8月大洪水期間，長江委強化監測預報預警、日夜會商分析研判，共向三峽等水庫發出調度指令94份，向相關省市發出有關蓄滯洪區、洲灘民垸、排澇泵站等防洪工程運用文件8份。根據對水庫群攔蓄洪水的統計，2020年長江流域聯合調度水庫群攔蓄洪水約490億m3。水工程調度情況見表1和圖2。

3.1.1長江1號洪水期間水工程調度

2020年7月上旬(7月1～13日)，主要以控制城陵磯水文站不超過保證水位34.4 m、降低鄱陽湖區水位為調度目標，并利用三峽水庫158 m以下庫容對城陵磯附近地區實施防洪補償調度，同時限制城陵磯、湖口河段農田澇片排澇泵站對江、對湖排澇，必要時啟用鄱陽湖區洲灘民垸分蓄洪水，全力減輕長江中下游防洪壓力。

圖1 長江上中游聯合調度水庫群(40座)Fig.1 Joint operation reservoir groups in upper and middle reaches of Changjiang River(40 reservoirs)

表1 2020年長江流域性大洪水期間水工程攔蓄量Tab.1 Storage capacity of water conservancy projects during Changjiang River Basin flood in 2020 億m3

在此期間的防洪調度以三峽水庫為主，長江上游水庫群聯合運用施以配合。三峽水庫自2020年7月1日起控制出庫流量在35 000 m3/s左右，此后逐步壓減至19 000 m3/s左右，以調度城陵磯水文站不超過保證水位34.4 m。7月2日14：00，三峽水庫入庫洪峰流量53 000 m3/s，削峰率約34%，庫水位由146.5 m左右漲至149.6 m左右后波動，三峽水庫共攔蓄洪量約25億m3。與此同時，調度上游水庫群攔蓄洪水，減少進入三峽水庫洪量，三峽以上上游水庫群合計攔蓄約34億m3。同期，洞庭湖水系多條支流發生多次較快漲水過程，各主要水庫預泄騰庫，適時攔蓄，減輕洞庭湖區防洪壓力，合計攔蓄約15億m3。鄱陽湖水系水庫群攔蓄約5億m3。在上中游水庫群的全力配合下，延緩了中下游主要控制站水位上漲速度，減小了上漲幅度，蓮花塘站、湖口站水位均未超過保證水位。

3.1.2長江2號洪水期間水工程調度

2020年7月中旬(7月14～21日)，主要以控制城陵磯站盡量不超過保證水位為目標，在保證荊江河段和三峽庫區防洪安全的前提下，繼續兼顧城陵磯附近地區防洪。洞庭湖水系主要水庫在確保自身安全前提下，減少入湖水量，減輕中下游干流的防汛壓力。在預報長江上游還有較大暴雨洪水的情況下，利用后續洪水來臨前的間歇期，在保證中游干流堤防安全和漢口站水位不超過29.00m的前提下，將蓮花塘站調度目標水位適當提高至34.90 m，三峽水庫適時加大下泄流量，盡量降低水位騰出庫容。

圖2 2020年長江流域性大洪水水工程防洪調度目標及三峽水庫運行過程Fig.2 Flood control scheduling objectives of various water conservancy projects and operation progress of Three Gorges Reservoir during Changjiang River Rasin flood in 2020

2020年7月14～21日期間，長江上游地區暴雨范圍擴大，來水增加，金沙江、雅礱江主要水庫繼續發揮攔洪作用，合計攔蓄約59億m3。三峽水庫7月13日02：00出現37 000 m3/s最大流量后小幅消退，隨后又快速上漲，18日08：00出現入庫洪峰流量61 000 m3/s。此次過程，三峽水庫最高調洪水位為164.58 m(20日05：00，三峽建成以來7月最高調洪水位)，該階段三峽水庫共攔蓄洪水約88億m3，出庫流量由31 000 m3/s左右逐步增加至41 000 m3/s左右，但削峰率仍達到46%左右。按照調度規程，三峽水庫水位超過155 m之后，一般情況不再對城陵磯附近地區實施防洪補償調度。但由于洞庭湖和鄱陽湖地區防汛形勢非常嚴峻，中下游干流及其兩湖地區堤防持續高水位運行，通盤考慮后期水文氣象預報和流域整體防洪形勢、水庫群運用狀況后，經請示水利部同意，三峽水庫在對荊江河段實施防洪補償調度的同時，繼續對城陵磯地區實施防洪補償調度，避免城陵磯附近地區動用蓄滯洪區分洪。同時洞庭湖、鄱陽湖水系水庫群也攔蓄洪水約6.4億m3。通過上中游水庫群的聯合調度，蓮花塘站沒有超過保證水位。

3.1.3長江3號洪水期間水工程調度

2020年7月下旬(7月22～30日)，主要以三峽水庫以最高調洪水位不超過165 m(為實現荊江河段100 a一遇防御目標和三峽大壩防御特大洪水留有調度空間)、控制城陵磯站水位不超過34.9 m、盡量避免啟動蓄滯洪區為目標，合理利用三峽及其他干支流水庫為洞庭湖洪水攔洪、錯峰，實現上游洪水與洞庭湖洪水有序錯峰，全力減少湖區防洪壓力。

在此期間，長江上游主要水庫繼續不同程度攔蓄，合計攔蓄約15億m3。鑒于預報后期仍有較大量級的洪水過程，為統籌上下游防洪安全，三峽水庫及時逐步加大出庫流量至45 000 m3/s，預泄騰庫，7月25日12：00庫水位降至158.56 m，準備迎戰后續洪水。27日14：00，三峽水庫出現入庫洪峰流量60 000 m3/s，最大出庫流量在40 000 m3/s左右，削峰率約36%，29日08：00最高調洪水位163.36 m，該階段三峽水庫共攔蓄洪水約33億m3。同時洞庭湖、鄱陽湖水系水庫群共攔蓄約3.9億m3。通過水庫攔洪削峰錯峰，蓮花塘站洪峰水位(34.59 m，7月28日12：00)沒有超過34.90 m，超過34.40 m的幅度控制在0.2 m以內。

3.1.48月上旬洪水間歇期水工程調度

2020年8月上旬(7月31日至8月10日)，長江流域有快速移動的降雨過程，雨強整體偏弱，降雨中心分散，流域水情出現平穩間歇期，為騰庫創造了難得的機遇期。因此該階段的調度主要以預泄騰庫、同時保證中下游干流水位持續消退為目標。

接上次洪水過程，三峽水庫7月29日08：00調洪高水位為163.36 m，此后持續預泄騰庫，至8月14日12：00庫水位消落至153.03 m，累計騰出防洪庫容約72億m3。上游水庫群亦借機騰庫，7月底至8月上旬累計騰出防洪庫容13億m3。及時騰出的庫容為迎戰接下來的長江上游100 a一遇的復式洪水提供了寶貴的“武器”。

3.1.5長江4號、5號洪水期間水工程調度

2020年8月中下旬(8月11日至9月1日)，長江2020年第4號洪水、第5號洪水接連形成。兩次洪水洪峰流量大、間隔期短，三峽及上游水庫群的大量防洪庫容在前期洪水過程中已經被運用，洞庭湖地區降雨過程沒有結束、中下游干流及兩湖地區水位仍處在高位，這是水庫群防洪調度最艱難的時期。擬定該階段水工程防洪調度目標為減輕川渝河段(特別是重慶市主城區)防洪壓力、降低三峽水庫庫尾淹沒風險、同時保障中下游地區防洪安全。

2020年8月11～31日期間，暴雨主要出現在岷江、沱江、嘉陵江、涪江以及上游干流區間，兩次暴雨過程強度巨大、落區基本重疊、且基本沒有間歇，致使岷江高場站發生超歷史記錄洪水，沱江、涪江、嘉陵江以及干流朱沱至寸灘江段發生超保證洪水，除了發揮暴雨區的水庫群為該流域防洪攔蓄洪水之外，動用金沙江、雅礱江和烏江水庫群全力攔蓄水量，其中金沙江最下游梯級向家壩水庫出庫流量一度減小至4 000 m3/s，烏江流域水庫群也通過上下游梯級配合，將彭水水庫的日均下泄流量減小至300 m3/s。長江上游水庫群(不含三峽)累計攔蓄洪量約82.1億m3。其中，4號洪水期間總攔蓄洪量約20.5億m3，5號洪水期間總攔蓄洪量約61.6億m3。正是這些水庫的攔蓄，才將寸灘站90 a一遇的洪峰削減至20 a一遇，將130 a一遇的7 d洪量減小至40 a一遇。經過上游水庫群全力攔蓄之后，4號和5號洪水三峽水庫入庫洪峰流量仍分別達到62 000 m3/s和75 000 m3/s。三峽水庫的調度既需要滿足中下游地區防洪要求，又要最大程度地降低三峽水庫庫尾淹沒風險，減輕庫區防洪壓力。由于三峽水庫為河道性水庫，庫尾水面線受到入庫洪峰、壩前水位和出庫流量等因素的影響，這也是調度的關鍵點之一，需要通過上游水庫削減入庫洪峰，控制三峽水庫壩前水位降低洪水的起調水位，從而減小庫尾洪水楔形體、降低庫尾水位。在此過程中三峽水庫控制出庫流量由41 500 m3/s逐步增加至49 400 m3/s，削峰率分別達到33%和34%，庫水位最高漲至167.65 m。三峽水庫4號、5號洪水期間分別攔蓄洪水25.65億m3和81.89億m3，累計攔蓄約108億m3，避免了使用荊江分洪區分洪。

3.2 水工程調度成效

據長江委水文局反演計算，通過上中游水庫群的聯合運用，可降低長江干流川渝河段洪峰水位2.9～3.3 m，降低中下游干流宜昌至大通河段最高水位0.3～3.6 m，避免了宜昌至石首河段水位超保證水位，縮短中下游干流各站超警時間8～22 d。長江干流主要控制站還原特征值見表2。

2020年1號洪水期間(7月2～12日)，上中游水庫群攔蓄洪水約73億m3，降低城陵磯蓮花塘洪峰水位0.8 m左右，降低漢口站洪峰水位0.5 m左右，降低湖口站洪峰水位0.2 m左右；其中，三峽水庫共攔蓄洪水約25億m3，降低蓮花塘洪峰水位0.2 m左右，降低漢口站洪峰水位0.1 m左右，降低湖口站洪峰水位0.1 m左右。此外，根據江西省提供的信息，截至7月15日，鄱陽湖區185座單退圩全部運用，蓄洪容積總計約24億m3，經初步分析，降低鄱陽湖湖區水位約0.2～0.3 m。

2020年2號洪水期間(7月12～21日)，上中游水庫群攔蓄洪水約173億m3。其中，長江上游水庫群(不含三峽水庫)攔蓄洪水約59億m3，將三峽水庫入庫洪峰流量從70 000 m3/s削減至61 000 m3/s；三峽水庫攔蓄洪水約88億m3。長江上中游水庫群聯合運用，降低沙市站、監利站、蓮花塘站、漢口站洪峰水位分別約1.0，1.5，1.6，1.7 m，其中三峽水庫發揮了50%以上的作用。

2020年3號洪水期間(7月25～28日)，上中游水庫群攔蓄洪水約56億m3。其中，長江上游水庫群(不含三峽水庫)攔蓄洪水約15.5億m3，將三峽水庫入庫洪峰流量從67 000 m3/s削減至60 000 m3/s，三峽水庫攔蓄洪水約33億m3；洞庭湖主要水庫攔蓄約3.5億m3，清江梯級水庫攔蓄約2億m3，其他水庫攔蓄約2億m3。長江上中游水庫群聯合運用，降低蓮花塘站洪峰水位約0.6 m，降低漢口站洪峰水位約0.4 m，其中三峽水庫發揮了60%以上的作用。

2020年8月洪水為長江上游發生的一次復式洪水過程，相繼出現4號和5號編號洪水，上游水庫群實施聯合調度，累計攔蓄約190億m3。其中，三峽水庫攔蓄約108億m3，其它水庫攔蓄約82億m3。通過上中游水庫群聯合調度，降低李莊、瀘州、朱沱、寸灘站洪峰水位分別約為3.2，2.9，3.3，3.0 m，降低宜昌至蓮花塘江段洪峰水位2.0～3.6 m，降低漢口至大通江段 水位1.1～2.0m。經水庫群攔蓄后，宜昌及以下各站僅為常遇洪水，避免了荊江分洪區的啟用。

4 啟示與思考

經過10多年持續不斷的研究、實踐、再研究、再實踐，長江流域水工程聯合防洪調度體系逐漸打磨成型，經歷2010、2012、2016、2017、2020年上中游、中下游、全流域3種不同洪水類型的檢驗，防洪預報調度方式等技術手段也日趨成熟完善。水工程聯合調度的防洪減災成效非常顯著，但也還存在一些值得深入思考和研究的問題。

4.1 實時調度中需要把握的問題

長江流域的水庫大多以防洪作為首要任務，只有首先落實防洪安全的前提下，才能發揮好水庫的綜合效益。筆者曾提出將水庫調度劃分為規劃設計、聯合運用和實時調度三個層面[8]或者稱為三個調度場景，郭生練也提出梯級水庫運行期設計洪水[12]，試圖提出處理好聯合調度與單庫調度、實時調度與調度規程之間關系的一些辦法。水庫的調度規程基本以典型設計洪水為分析基礎，確定其調度目標、任務和原則，一般采用最大的外包邊界條件，條款也較為寬泛，靈活性較大，遇重要節點調度決策難度大，但它是水庫調度的根本大法，是調度決策的主要依據。實時調度過程中面對的是各種各樣的的場次洪水過程，加上上游水庫的調節影響，其洪水來源、組成、洪峰、洪量及其過程與天然條件下的設計值差別很大。一方面應當按照流域整體防洪目標和任務，根據流域水庫群投運后的水文情勢變化，研究制定水庫群聯合調度計劃，將防洪任務分解落實到每一座水庫或群組；另一方面在實時調度層面需要通過分析研判流域整體防洪形勢(包括水庫群運用狀況)、各場次洪水的來源和組成及其未來一段時間內的變化趨勢，以調度規程(聯合調度計劃)為依據，確定每場洪水過程的階段調度目標及其調度方案。因為大的洪水過程總是在不斷發展變化的，因此每一次洪水過程調度方案的確定要立足于短期水文氣象預報，調度策略上則根據暴雨洪水過程的中期預測適度把握，但是任何情況下都需要留有余地或者后手。其中對流域整體防洪形勢的研判和對未來短期雨水情預報及其中期水文氣象變化趨勢的預測是科學制定階段調度方案的關鍵，滾動分析預報、綜合會商是避免由于預報的不確定性帶來調度決策失誤的有效方法和措施。

4.2 期待水文氣象預報技術新的突破

在水庫調度中是否使用水文氣象預報是一個有爭議的話題，鑒于預報具有不確定性，以前從偏安全的角度考慮只是將預報作為參考，而不是作為調度的邊界條件之一。但如果不使用預報，三峽水庫汛期的運行水位將會是始終維持在汛限水位一條線上，防洪是也有可能出現下游防洪異常緊張或者需要運用蓄滯洪區分蓄洪水，而水庫還剩余大量調節庫容的情況。從長江水工程聯合調度實踐來看，水文氣象預報的使用對于充分發揮水工程的防洪減災等綜合效益具有重要作用。但是隨著水工程調度范圍的不斷擴大，對水文預報預見期的要求越來越長，對預報精度的要求也越來越高，傳統的水文預報已經無法滿足像長江這樣大流域水工程聯合調度的需要。一方面需要向氣象預報要預見期，將水文預見期內的降雨作為輸入，減小由于預見期降雨帶來的過大的水文預報誤差；另一方面要創新水文預報方法，將傳統的以機理方法為主的水文預報模型與數據驅動模型結合起來，走機理模型與數據模型融合發展之路。既發揮傳統模型具有很強的物理基礎的優勢，建立模型庫；又發揮大數據和機器學習在相似性分類分析、迭代學習等方面的優勢， 從時空等維度精細化模型參數，實現模型參數自優化、預報成果的自校正，分類分型模擬水文過程，提升對不同類型、組成水文過程的預報能力和水平；基于調度目標、對象和調度規則建立全河系預報調度知識圖譜，基于歷史預報調度案例建立典型洪水預報調度知識圖譜，建設長江洪水預報調度規則庫和長江歷史洪水預報調度案例庫。

4.3 建設以長江流域水模擬為基礎的控制性水利工程綜合調度支持系統

首先建立從大氣降水-坡面產流-河道匯流-湖庫調蓄的覆蓋全流域的水模擬系統，對江河湖庫水文要素進行實時動態評價與預警，對各主要節點水位、流量等要素未來的變化作出預報，根據調度規則庫模擬水工程進行調節，從而自動模擬流域水文要素的發展變化，為水工程聯合調度中的預報調度一體化提供統一的基礎算法。在長江上中游水庫群聯合調度基礎上，將調度對象從目前40座水庫擴展至165座引調水工程、涵閘、泵站等控制性水利工程，調度目標從防洪、水量調度擴展至水生態、泥沙、應急等方面，構建基于統一技術架構的多源數據匯集平臺、綜合調度數據庫、應用支撐平臺、應用為一體的綜合調度支持系統。擬建中的系統采用數據服務、計算服務與業務應用解耦分離的設計，以微服務模式構建業務系統，實現業務協同，且更有利于數據、模型、業務拓展的更新迭代。系統的建設將提高信息化支撐服務能力，提升調度決策智能化水平，實現流域防洪、水量、水生態等多目標綜合調度，為全面推進長江經濟帶高質量發展提供強有力的水利支撐與保障。

致 謝

本文中有關調度效益計算和洪水還原計算由長江水利委員會水旱災害防御局和水文局提供，特表感謝！本文2020年水文要素的統計分析源自報汛數據。