長江流域水庫群風險防洪調度分析

趙 文 煥，李 榮 波，訾 麗

(1.長江水利委員會 水旱災害防御局，湖北 武漢 430010； 2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 3.長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010)

我國大部分地區水資源時程分配極不均勻，占全年70%以上的降水集中于汛期，60%以上的河川徑流在汛期以洪水形式棄水入海[1]。自古以來，人們都是想方設法把洪水排入大海，避免洪水對兩岸造成災害。現今隨著經濟社會的發展和科學技術水平的提高，流域防洪減災能力不斷增強，而淡水資源日趨緊張，洪水是可以利用的水資源這一觀點已被接受并在實踐中得到檢驗。隨著水庫群大規模建設，流域對防御大洪水能力顯著增強，流域安全得到保障；同時隨著預報技術水平的不斷進步，流域對常遇洪水調控更有裕度，通過適當靈活利用，可提高洪水資源利用效率，以解決水資源短缺問題的迫切性和時代性。因此如何在以“水利工程補短板、水利行業強監管”水利改革發展總基調為根本遵循，依靠科技進步，在風險可控條件下充分發揮水庫的綜合效益，通過優化水庫的調度運行方式來獲取洪水的資源效益，為推動經濟社會高質量發展提供有力支撐，已成為治水管水的新需求。但目前，如何在防洪調度和洪水資源高效利用之間尋找平衡點，仍是一個需要不斷思考和探討的問題。

1 長江流域水庫群防洪調度現狀

長江流域已建成大型水庫300余座，總調節庫容1 800余億m3，防洪庫容約800億m3。目前納入《2020年長江流域水工程聯合調度運用計劃》的水庫共計41座，其中長江上游22座，已形成一個核心(三峽水庫)、一組骨干(金沙江下游梯級)、5個群組(金沙江中游梯級、雅礱江梯級、岷江大渡河梯級、嘉陵江梯級、烏江梯級)的調度格局；長江中下游防洪水庫主要分布在兩江(清江梯級、漢江梯級)、兩湖(洞庭湖“四水”梯級和鄱陽湖“五河”梯級)，巨型水庫群共同構成了長江流域水庫群防洪調度格局，如圖1所示。

水庫群聯合調度的實施提升了長江干流防洪能力。上游，攀枝花城區的防洪標準可由30 a一遇提高到50 a一遇，宜賓和瀘州城區的防洪標準由20 a一遇提高到50 a一遇，重慶主城區由50 a一遇提高到100 a一遇。中下游，荊江河段遇100 a一遇及以下洪水可控制沙市水位不超過44.50 m；遇1 000 a一遇或類似 1870年特大洪水，配合荊江分洪區分洪運用，可控制沙市水位不超過45.0m。城陵磯及以下干流河段通過三峽水庫及其他支流水庫調蓄，考慮蓄滯洪區運用，可防御類似1954年洪水。

圖1 長江流域水庫群防洪調度格局Fig.1 Flood control operation pattern of reservoirs in the Changjiang River Basin

防洪能力的提升為洪水資源的利用提供了可能。2015年國務院批復的《長江防御洪水方案》指出：“在確保防洪安全的前提下，根據防洪形勢、氣象水文預報，綜合考慮水資源、水生態等需求，經批準后，長江干支流控制性水庫可采取汛期適度蓄水、汛末提前蓄水、流域調水補水等措施，合理利用洪水資源?！?/p>

通過科學精細調度以三峽為核心的長江干支流控制性水庫，顯著發揮了防洪減災效益。三峽水庫自2008年試驗性蓄水以來，先后應對了12次超過50 000 m3/s的入庫流量，總攔蓄水量超1 500億m3，多次避免荊江河段、城陵磯河段超警、超保，免于啟用蓄滯洪區。2010，2012年三峽水庫最大入庫流量分別為70 000，71 200 m3/s，通過科學調度，下泄流量分別為40 000，45 000 m3/s，削峰率分別達42%和36%。據統計，2020年長江流域2 587座(次)大中型水庫攔蓄洪水1 029億m3，減淹城鎮615個(次)、減淹耕地面積9 771.4 km2，通過水庫、堤防、排澇泵站、分蓄洪區等水工程聯合調度，成功防御了長江流域性大洪水。與此同時，加強監管督查，消除風險隱患，有力有效。2020年，以“線上線下”監管方式，分類分級加強長江流域1 420座大中型水庫調度運用和汛限水位監管，尤其是納入2020年長江流域水工程聯合調度的控制性水庫，對發現問題的水庫以“一省(庫)一單”的形式提出整改要求，嚴禁擅自違規超汛限水位運行，確保了防洪安全和工程安全。

另外應該看到，汛期中出現的水庫被動棄水、庫區水華等問題依然存在，“生態優先、綠色發展”理念已在長江落地生根，迫切需要以保長江安瀾為根本前提，努力化解汛期中出現的水資源綜合利用問題。當前，水庫調度不僅依法，也要科學的理念在國家層面已經形成。對長江流域來說，水資源的時空分布不均和現階段經濟社會發展需求之間的矛盾，可以通過工程和非工程措施，在保障防洪安全的前提下，使部分還沒有得到有效利用的長江洪水資源在空間和時間上進行合理的分配，以滿足流域內不同地區在不同季節的供水需求[2]，水庫調度是關鍵的非工程措施之一。在防洪保安的根本前提下，充分發揮水庫的供水、生態、發電、航運等綜合效益十分必要，也迫切需要。

2 防洪調度與洪水資源利用的辯證關系

2.1 防洪調度與洪水資源利用的矛盾

大中型水庫為了防洪安全，設計標準一般較高。傳統的水庫調度是根據水庫調度規程進行調度，汛期水庫的水位一般不得超過汛限水位，發生洪水時利用防洪庫容進行洪水調節，此時水位可突破汛限水位，洪水過后要盡快降到汛限水位以下，以利于攔蓄后面可能發生的洪水。發生中小洪水時，從防洪方面考慮水庫可以不進行調節[3]。簡言之，迎洪削峰錯峰攔洪、峰后退水騰庫[4]。

洪水的發生為隨機事件，一般來說發生中小洪水的次數較多。汛期，水庫始終預留較大庫容以防御設計或罕見洪水，導致大量洪水受汛限水位限制被迫下泄，不僅未能充分減輕下游防洪壓力，部分洪水資源也未能得以利用；汛期過后又往往由于降雨偏少，造成水庫難以蓄滿，出現非汛期供水嚴重不足的尷尬局面，水庫防洪調度與洪水資源利用的矛盾由此凸顯。

經分析，若溪洛渡、向家壩梯級水庫汛期水位分別按560 m和370 m汛限水位控制，利用1954～2014年長系列汛期6～9月實測徑流資料計算可知，兩座水庫多年平均棄水量將分別達168.09億m3和330.28億m3，分別占屏山站汛期多年徑流量的19%和37%[5]。

2.2 防洪安全與洪水資源利用的協調

水利部相繼印發《汛限水位監督管理規定》《水工程防洪抗旱調度運用監督檢查辦法》，對依法依規、科學精細調度水庫提出了明確要求。江河安瀾是社會經濟發展的基礎，在保障防洪安全的同時，還應將水資源利用和生態環境保護作為追求的重要目標[6]。

防洪安全與洪水資源利用既有共同點又有差異性。都依靠工程和非工程措施是兩者的共同點，區別在于目標不一樣，防洪安全以確保人民生命財產安全為根本目標，竭盡全力減輕洪災影響，洪水資源利用是把洪水變為可利用的資源，發揮興利作用。雖有區別，但兩者在實際運用中又有緊密聯系，是一種遞進的協調關系，即必須在保證防洪安全的前提下開展洪水資源利用工作，比如科學精細調度水庫，既是防洪的措施，又是洪水資源利用的措施，先蓄后用，達到防洪與洪水資源的結合[7]。

為充分利用水資源和發揮三峽工程綜合效益，經科學論證，三峽水庫汛末蓄水時間不斷優化，由初設階段提出的10月1日逐步提前至9月10日。2020年10月28日，三峽水庫水位蓄至175.0 m正常蓄水位，標志著自2010年以來連續11 a完成175.0 m蓄水任務，為今冬明春有效發揮供水、生態、發電、航運等綜合效益奠定了良好基礎，也為三峽工程竣工驗收轉入正常運行創造了有利條件[8]。

3 洪水資源高效利用的技術途徑

3.1 實施水庫汛期運行水位動態控制

理論研究和實踐應用可知，固定的汛限水位是洪水資源利用的主要限制因素之一。為提高汛期水資源綜合利用效益，部分水庫實行了分期汛限水位控制，即把汛期分為不同階段，各個階段汛限水位不同，但都是一個固定值。一般情況下，前汛期和后汛期發生的洪水相對較小，汛限水位適當抬高。但不是每個流域都存在明顯的季節性變化規律，比如主汛期的洪水較大，但是在前汛期或后汛期因天氣形勢的變化發生與主汛期同等大洪水是完全可能的，所以確定水庫的分期汛限水位有其合理性，但也有局限性和使用條件[3]。此外，汛期維持汛限水位運行會帶來因發電水頭較低造成機組出力受阻嚴重的問題。為此，在確保防洪安全的前提下，實施水庫汛期運行水位動態控制是科學利用洪水資源，發揮水庫綜合效益的重要技術途徑之一。

實施汛期運行水位動態控制必須具備一定條件，比如：下游河道水位較低、預見期內發生大洪水的可能性不大、水庫有能力預泄至汛限水位或以下且下游防洪壓力不大等?？梢钥闯?，洪水資源的“增量”效益與“潛在”防洪風險并存，加強流域站網水位流量監測，提高降雨洪水短期及實時預報精度，是規避風險的有效措施，實踐證明目前基本已經實現。

3.2 開展汛末提前蓄水

考慮到防洪安全，水庫一般在汛末和汛后才開始蓄水，蓄水時間會相對集中在8～10月份，蓄水時間相對集中且總蓄量大，且蓄水期往往成為一年之中用水需求最集中的時期，涉及防洪、生態、供水、發電、航運等多重調度目標。以三峽水庫為例，初步設計擬定汛后10月1日開始蓄水，蓄水量達221.5億m3，蓄水期間還需滿足下游河道航運要求。長江上游來水和下游供水情況發生了較大變化，若三峽水庫仍安排汛后10月1日開始蓄水,控制下泄流量8 000 m3/s,庫水位在10月底則蓄不到正常運行水位175.0 m,水庫蓄滿的保證率大大降低[2]。三峽水庫為季調節水庫，未蓄至正常蓄水位勢必嚴重影響三峽工程發揮綜合效益。為此，《三峽水庫優化調度方案》明確了興利蓄水時間不早于9月15日，2015年批復的《三峽(正常運行期)—葛洲壩水利樞紐梯級調度規程》(以下簡稱“三峽調度規程”)將興利蓄水時間進一步提前至9月10日，2019年批復的三峽調度規程修訂版維持了9月10日的起蓄方式。汛末蓄水時間的提前，有效利用了一部分洪水資源，在提高水庫蓄至正常蓄水位保證率的同時，也可以提高蓄水期的下泄流量，減少蓄水對生態環境造成的不利影響，緩解水庫蓄水與下游用水之間的矛盾。

后汛期發生大洪水的可能性依然存在，實施汛末提前蓄水仍需防范水庫自身及下游的防洪風險，以及可能對庫尾泥沙淤積造成的不利影響。三峽調度規程明確指出，“在蓄水期間，當預報短期內沙市站、城陵磯(蓮花塘)站水位將達到警戒水位，或三峽入庫流量達到35 000 m3/s并預報可能繼續增加時，水庫暫緩興利蓄水，按防洪要求進行調度”。在發揮長江流域控制性水庫群統一調度制度作用下，監測預報技術的進步、上游水庫群的攔沙作用以及水土保持工作的強化等，為三峽水庫汛末提前蓄水創造了條件[9]。

綜上所述，要改變水庫汛期棄水而汛后又缺水的矛盾局面，需要突破兩個關鍵難題：①實施水庫汛期運行水位動態控制，對常遇洪水進行攔蓄，實現防洪效益與興利效益在時間和庫容空間上的轉換；②有序協調梯次蓄水，充分挖掘水庫預報調度的潛力，實現水庫安全有效的汛期提前蓄水，提高流域水庫群的整體蓄滿率。同時需要高度警惕一個風險，即汛期利用少量洪水資源，占用部分防洪庫容帶來的防洪風險。長江流域水文站網布設時間早、控制范圍廣、觀測項目多，氣象水文預報的精度和預見期比較可靠，聯合調度管理體制機制比較完善，為有效控制防洪風險提供了技術支撐和制度保障。

4 三峽水庫洪水資源利用關鍵因素分析

汛限水位是水庫在汛期允許興利蓄水的上限水位，也是防洪調度的起調水位，更是協調水庫運行管理中防洪與興利矛盾的關鍵。在確保水庫及上下游防洪安全的前提下，科學合理運用汛限水位，合理利用水庫防洪與興利的共用庫容，是發揮水庫綜合效益、緩解水資源防洪與興利矛盾的有效措施。

三峽水庫在汛期(6～9月)因防洪需要,按汛限水位145.0 m運用。三峽電站32臺單機額定容量70萬kW水輪發電機組引用流量為30 000～31 000 m3/s。汛期入庫流量小于引用流量,全部通過機組下泄,超過引用流量則需動用大壩泄洪深孔泄流。據宜昌站1954～2014年6～9月水文資料統計(見圖2)，汛期日平均流量Q≥30 000 m3/s的天數最多一年為75 d,最少有2 a未出現大于30 000 m3/s的流量,多年均值為32 d。進一步統計不同日尺度下的年份數(見圖3)，當宜昌站日平均流量Q≥30 000 m3/s時，有16 a超過40 d,尚有45 a未超過40 d。三峽水庫在常年汛期將有2/3的天數由于流量小于30 000 m3/s,機組不能全部運用。但入庫流量大于30 000 m3/s時,為控制壩前水位不超過汛限水位,仍需動用大壩泄洪深孔宣泄,而未能有效利用這部分水資源。

圖2 汛期宜昌站日平均流量大于30 000 m3/s天數統計Fig.2 Statistics of days of average daily flow over 30 000 m3/s at Yichang Station in flood season from 1954 to 2014

2008年汛期,三峽工程防洪要求控制壩前水位在144.9～146.0 m，實際發生最大流量41 000 m3/s,防洪調度運行水位為144.97～145.98 m,壩前水位日最大變幅在0.5 m以內,不僅未利用一部分洪水資源,也不利于水庫水體交換,在汛期庫內部分支流仍發生了水華現象[2]。2019年汛期，三峽水庫實時調度要求壩前水位控制在144.90～146.50 m，6月中下旬三峽水庫共出現3次漲水過程(6月16～18日，22～25日及29～30日)，最大入庫流量分別為20 800，31 000，35 000 m3/s。因電網不具備加負荷條件和嚴格控制水位不超汛限要求，三峽水庫分別于6月17日、23～25日2次開閘泄洪，棄水量分別約為1.48億m3和8.67億m3。

圖3 宜昌站1954～2014年日平均流量超過30 000 m3/s的年數統計Fig.3 Statistics of years of the average daily flow over 30 000 m3/s at Yichang Station in flood season from 1954 to 2014

5 三峽水庫常遇洪水調度效果分析

近年來，三峽水庫實施汛期運行水位動態控制，通過常遇洪水的科學調度，有效減輕了長江中游的防洪壓力，增加了發電量和改善了航運條件，發揮了洪水的資源特性。表1列舉了2011年以來三峽水庫應對常遇洪水的調度情況，表2統計了與之對應的長江中游干流主要站點水位，圖4給出了各年三峽水庫動態控制調度過程。

2011年汛期長江上游來水偏少，6月下旬、7月上旬和8月上旬出現了3次洪峰流量分別為39 000，36 000，38 000 m3/s的洪水過程，都進行了動態控制調度，最大出庫流量控制在28 000 m3/s左右，最高調洪水位分別為149.80，148.47 m和153.84 m。

2013年，三峽水庫對7月發生的3次洪水進行攔蓄，洪峰流量分別為37 000，40 000，49 000 m3/s，最大出庫流量分別控制在28 900，31 400，35 000 m3/s，最高調洪水位分別為148.59，151.28，155.94 m。

2014年7月中旬和8月中下旬出現了5次洪水過程，三峽水庫實時動態控制調度，最高調洪水位分別為147.86，151.08，151.39，154.97 m和162.97 m，沙市、城陵磯(蓮花塘)最高水位分別為42.21，32.42 m，分別低于警戒水位0.09，0.08 m，有效緩解了荊江和城陵磯地區的防洪壓力。

2015年7月上旬和8月下旬出現了2次洪峰流量分別為39 000 m3/s和36 000 m3/s的洪水過程，通過動態控制調度，最大出庫流量控制分別在317 000 m3/s和19 000 m3/s左右，最高庫水位分別為146.56 m和153.11 m。

2019年，三峽水庫分別對7月下旬和8月上旬出現的兩次洪水過程進行攔蓄，洪峰流量分別為42 500和45 000 m3/s，最大出庫流量控制分別在31 000 m3/s和32 000 m3/s左右，最高庫水位分別為145.66 m和149.17 m，為避免湖口地區長時間超警創造了條件。

表1 近年來三峽水庫常遇洪水調度指標Tab.1 Flood dispatching index of ordinary flood in Three Gorges Reservoir in recent years

表2 常遇洪水調度時長江中游干流主要站點水位Tab.2 Water levels of main stations in the middle reaches of the Changjiang River during the flood dispatching

圖4 近年來三峽水庫動態控制調度過程Fig.4 Dynamic control operation process of the Three Gorges Reservoir in recent years

6 大洪水風險規避措施

隨著數值預報技術的發展，降水預報的精度和預見期得到有效提高及延長，中期及延伸期降水預報在洪水預報方面的應用越來越廣泛和重要。長江流域中期及延伸期降水預報在參考歐洲中心(ECMWF)、美國NCEP及CFS、日本、德國及中國GRAPES的基礎上，結合ECMWF和CFS的環流形勢預報，預報員綜合分析后給出預報結論。

長江流域中期降水預報著重降水過程的有無及整體強度，延伸期降水預報著重過程的有無。對長江上游2008～2018年防汛中期降水過程進行統計發現，128次樣本中僅有1次未預報，現有的降水預報已經基本可以預測出即將出現的降水過程。再針對2016～2020年典型致災降水過程，統計中期及延伸期預報效果(見表3)。由統計結果可以看出，對于近5 a典型致災降水過程，中期均能提前4～7 d、延伸期均能提前8～15 d給出降水過程有無的預報，對降水過程強度預報的把握有偏差，整體上偏弱，但是預報的降水強度無中雨及以下強度，大多都是中到大雨或者大雨、局地暴雨，這與預報員的心理因素有一定的關系，由于預見期較長，對強降水過程的預報更傾向于中到大雨這個利于不斷滾動調整的強度，避免忽大忽小預報的出現。當延伸期不斷地預報有降水過程，中期預報又不斷有中雨及以上強度的降水時，可有效預警可能出現的大洪水。

表3 近5 a典型致災降水過程Tab.3 Typical disaster-causing precipitation process in recent five years

7 建 議

當前我國水旱災害頻發的老問題依然存在，但同時水資源短缺、水生態損害、水環境污染等新問題更加突出。在確保防洪安全的根本前提下，適度利用洪水資源是解決“一老三新”水問題技術體系的重要組成。洪水具有災害性和資源性，防洪調度側重于消除洪水的災害性，在發揮洪水資源性方面的實踐還有限。洪水資源的高效利用與防洪風險密不可分，但兩者之間不匹配、不平衡的現象依然存在，強化洪水風險認知，開展精細化研究是關鍵。

為此，建議在小概率防洪風險研究應用成果的基礎上，進一步扎實推進降雨洪水預報、洪水地區組成和洪水特性分析等基礎工作，構建面向“時(汛前期、主汛期、后汛期)-空(庫容空間、梯級空間、區域空間)-量(常與洪水、標準洪水、超標洪水)”的多級防洪調度體系，緊緊抓住水位控制這個關鍵，提出相應的調度方式，有效協調防洪與興利、風險與效益的關系，充分發揮水庫綜合利用效益。

說 明

本文2020年水文要素的統計分析源自報汛數據。