三峽水庫對城陵磯地區防洪補償調度方式探討

馮寶飛 許銀山 李潔

摘要：城陵磯地區歷來是長江流域防洪的重點，也是長江上中游水庫群的重要防洪調度目標。通過構建長江干流及洞庭湖區水動力學模型，模擬分析了不同典型洪水、不同調度方式下三峽水庫對城陵磯地區的調度效果，提出了三峽水庫對城陵磯地區的實時補償調度方式。結果表明：在綜合考慮補償調度效果及水文氣象預報的不確定性下，若預見期內預報城陵磯（蓮花塘站）水位將達到或超過目標控制水位，則提前4～5 d開始控制三峽水庫出庫流量為宜，并應結合水文氣象預報情況逐步減小或增加出庫流量。

關 鍵 詞：防洪; 實時補償調度; 水動力學模型; 城陵磯地區; 三峽水庫

中圖法分類號： TV697.1

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.005

0 引 言

萬里長江，險在荊江，難在洞庭！城陵磯地區地處江湖匯流區，承接長江上游及洞庭湖等地區來水，是長江中游防洪控制的關鍵節點。蔡其華[1]、鄭守仁[2]、陳桂亞[3]等均從不同角度論證了三峽水庫針對城陵磯地區的防洪補償調度作用，然而相關調度規程及研究成果提出的補償調度方式在指導實時預報調度時，其可操作性有待進一步提高。

以現行調度規程為例，水利部批復的《三峽（正常運行期）——葛洲壩水利樞紐梯級調度規程（2019年修訂版）》[4]和《2020年長江流域水工程聯合調度運用計劃》[5]中提出：當城陵磯地區發生洪水時，充分利用河湖泄蓄洪水，利用三峽等水庫聯合攔蓄洪水，控制城陵磯（蓮花塘站）水位不超過34.4 m。其中，長江上游金沙江中游、雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江水庫群，結合所在河流防洪任務，實施與三峽水庫同步攔蓄洪水的調度方式;金沙江下游梯級水庫在留足川渝河段所需防洪庫容的前提下，結合水文氣象預報，削減進入三峽水庫的洪峰及洪量;洞庭湖水庫在滿足本流域防洪要求的前提下，與干流防洪調度相協調。當三峽水庫對城陵磯地區的防洪補償調度庫容用完后，預報城陵磯水位仍將達到34.4 m并繼續上漲，視實時水情工情，相機運用蓄滯洪區分洪，控制城陵磯水位不高于34.9 m。

上述方案及規程中，明確了針對城陵磯地區進行防洪補償調度時，長江上中游水庫群的調度原則和控制指標。按上述規程，實時調度中當預報蓮花塘站水位將達到34.4 m并繼續上漲時，啟動對城陵磯地區的防洪補償調度。若考慮到水文氣象預報具有一定的不確定性，例如三峽水庫入庫流量預報3 d預見期平均相對誤差在10%左右，蓮花塘站水位預報3 d預見期平均誤差在0.2 m左右，在實時預報調度中難以按照34.4 m進行精準補償;三峽水庫至城陵磯地區洪水平均傳播時間約36 h，當洞庭湖區發生強降雨時，區間來水匯流快，蓮花塘站水位漲勢迅猛（1996，1998年和2017年最大日漲幅均在0.7 m以上），三峽水庫可能會錯過最佳補償調度時機。因此，深入探討城陵磯地區實時防洪調度方式，優化三峽水庫補償調度時機和控泄方式十分必要[6-7]。

本文針對不同洪水組成的典型洪水過程，模擬分析三峽水庫不同調度方案的調度效果，探討了三峽水庫針對城陵磯地區的防洪調度方式，可為指導城陵磯地區實時調度、充分發揮工程綜合效益提供技術支撐。

1 研究區域及方法

1.1 研究區域

城陵磯地區地處長江及洞庭湖匯流之處，扼守荊江和洞庭湖出口[8]，其洪水受長江上游（宜昌）來水及洞庭湖四水（湘江、資水、沅江、澧水）來水共同影響，同時荊江南岸有松滋、太平、藕池三口分流進入洞庭湖后再匯入長江，洪水地區組成及江湖關系復雜[9]。相對于長江上游及洞庭湖洪水來量，荊江河段及城陵磯地區設計防洪水位對應的泄洪能力偏小[10]（見圖1）。近年來，城陵磯地區多次發生超警及以上洪水，2016，2017年連續發生超警洪水（經上中游水庫群全力攔蓄后，洪峰水位仍接近保證水位），2020年發生超保證水位洪水，針對上述洪水，長江上中游水庫群均實施了聯合防洪補償調度，效益顯著[11-13]。

1.2 研究方法

隨著水文科學及計算機技術的發展，長江中下游作業預報方法不斷豐富完善。自20世紀50年代開始，長江水利委員會正式開展長江中下游水位預報，主要采用相關圖模型[14];20世紀60年代，創新了湖泊演算法進行河道洪水預報的技術途徑，提出了大湖演算模型[15];20世紀80年代后期，提出了CRFPDP模型，并在荊江及城陵磯地區實踐應用，首次實現了水位動態跟蹤預報[16];進入21世紀以后，在日常作業預報中逐步引入水動力學模型，并應用卡爾曼濾波研發了水動力學模型實時校正技術[17]。

受洞庭湖調蓄影響，城陵磯地區水位影響因素較為復雜，僅根據傳播時間及水位流量關系無法判定三峽水庫出庫流量變化對城陵磯地區水位的影響。為定量分析不同三峽水庫調度方案對城陵磯地區的影響，本文基于長江洪水作業預報方案中構建的水動力學模型，針對不同洪水組成的典型洪水，模擬不同調度方案的調度過程，并評價調度效果，探討三峽水庫針對城陵磯地區的實時補償調度方式。文中數據均來源于相關水文、氣象及水利工程管理單位的監測資料。

1.2.1 模型構建

本研究采用MIKE11全動力波模式構建研究區域的水文水動力學模型，具體采用了HD水動力模塊、RR降雨徑流模塊，實現了降雨徑流模型和水動力學模型的耦合。針對三峽水庫至螺山江段，沿程河道斷面資料采用2019年測量成果，河網概化考慮支流清江、洞庭湖“四水”來水，兼顧荊江三口分流至洞庭湖的連通關系，對洞庭湖區進行一維河道概化處理，分為南洞庭湖和東洞庭湖，分別按湖區容蓄比例進行虛擬河道斷面設置，使虛擬的河道槽蓄量與湖泊容積一致。模型上邊界條件為宜昌站、清江（高壩洲）站、洞庭湖“四水”（石門、桃源、桃江、湘潭站）流量，下邊界為干流螺山站水位流量關系（率定模型時為實況水位過程），模型概化見圖2。

1.2.2 模型率定與檢驗

以2016～2018年為率定期，2019～2020年為驗證期，對模型進行率定與檢驗，模型精度見表1，率定期和驗證期蓮花塘站洪峰水位誤差在0.5 m以內，確定性系數在0.9以上，總體來看模型精度較高，能夠滿足模擬計算的要求，2016年蓮花塘站高洪期間模擬過程見圖3。

1.3 實時預報調度不確定性分析

通過多方法綜合并結合預報員經驗，近10 a，三峽水庫入庫流量1～3 d預報平均誤差均小于9%，合格率在90%以上，累計水量1～3 d預報平均誤差均小于4.5%，合格率在93%以上。長江中下游干流蓮花塘至大通江段主要控制站，3 d預見期平均預報誤差在0.2 m以內，合格率在85%以上;5 d預見期平均預報誤差在0.3 m以內，合格率在75%以上。總體而言，3 d預見期內的三峽水庫入庫流量、水量預報以及蓮花塘站預報較為可靠，可作為調度依據;5 d預見期的蓮花塘站預報精度較高，對實時調度指導作用顯著。

2020年1號洪水期間，采用水動力學及大湖演算模型綜合分析預報，經水庫群攔蓄后蓮花塘站洪峰水位34.35 m，實況洪峰水位34.34 m，誤差僅0.01 m，成功實現了補償調度目標，為防洪預報調度決策提供了有力的技術支撐。

2 城陵磯地區實時補償調度方式探討

2.1 宜昌至蓮花塘江段傳播時間分析

采用峰谷特征識別法，對實測來水過程進行選樣，分析三峽水庫試驗性蓄水前后宜昌至蓮花塘江段（螺山站）洪水傳播時間（見表2）。結果表明：三峽水庫試驗性蓄水前（采用1992～2008年實測資料），宜昌至蓮花塘江段洪水傳播時間為47 h;試驗性蓄水后（采用2009～2019年實測資料），傳播時間為35 h，縮短了12 h，其中監利以下江段洪水傳播時間變化不大。

采用水動力學模型，以2017年為典型年，模擬分析不同三峽水庫出庫流量方案對蓮花塘站水位的影響時間，設置4組方案（見圖4），方案1～4分別為維持當前出庫流量26 000 m3/s、減至20 000 m3/s、減至15 000 m3/s、減至8 000 m3/s，模擬計算結果見圖5。結果表明：與方案1相比，三峽水庫減小出庫流量約15～18 h開始小幅影響蓮花塘站水位，約36 h蓮花塘站水位小時變幅達到最大，維持60 h左右后水位小時變幅開始顯著減小，總體而言對蓮花塘站水位影響程度最大的時間在三峽水庫減小出庫后36～60 h之間，此后方案2～4較方案1水位差的變化幅度較小。

2.2 不同典型年洪水調度時機模擬分析

城陵磯地區來水受長江上游及洞庭湖來水共同影響，以2017年（洞庭湖來水為主）、2018年（上游來水為主）和2020年（上游與洞庭湖洪水遭遇）典型洪水為例，分析不同洪水組成下三峽水庫對城陵磯地區補償調度效果。

2.2.1 長江2020年第1號洪水

2020年汛期，長江發生流域性大洪水，長江干流共發生5次編號洪水。2020年7月上旬，長江1號洪水在長江上游形成，疊加兩湖水系及干流附近區間來水，長江中下游干流水主要控制站陸續突破警戒水位，并接近保證水位。若上中游水庫群不進行調度，蓮花塘站水位于7月10日14：00超過保證。洪水期間，三峽水庫以控制城陵磯地區不超保證水位為目標，自7月1日起控制出庫流量在35 000 m3/s左右，7日起（較還原超保證水位時間提前3 d）逐步壓減至19 000 m3/s左右，14日開始逐步加大出庫流量至40 000 m3/s左右。

以三峽水庫實際調度過程為比較基礎，控制三峽水庫使用防洪庫容不變，分別按較實際出庫過程提前1，2，3，4，5 d 5個方案減小三峽水庫出庫流量（見圖6），模擬不同調度方案下蓮花塘站水位過程，并與實際水位過程進行對比分析。其中，方案1為提前1 d（2020年7月6日起）減小三峽水庫出庫流量，最小出庫流量23 000 m3/s;方案2為提前2 d減小三峽出庫流量，最小出庫流量為24 500 m3/s;方案3為提前3 d減小三峽水庫出庫流量，最小出庫流量為26 000 m3/s;方案4為提前4 d減小三峽水庫出庫流量，最小出庫流量為27 000 m3/s;方案5為提前5 d減小三峽水庫出庫流量，最小出庫流量為27 700 m3/s。蓮花塘站模擬結果見表3及圖7。

與實況過程相比，方案1～5蓮花塘站洪峰水位偏低0.13～0.21 m，其中在實況調度過程基礎上提前3 d減小出庫流量為最佳方案（相對于蓮花塘站超保提前6 d左右），但方案2～4洪峰水位相差不大（較水位超保提前5～7 d）。

2.2.2 長江2017年第1號洪水

2017年7月，主要受洞庭湖四水來水快速增加的影響，2017年長江第1號洪水在長江中下游形成。若水庫群不攔蓄，蓮花塘站將于7月3日超保證水位。為應對長江2017年第1號洪水，7月1日12：00（較還原超保證水位時間提前2 d左右），三峽水庫出庫流量由27 300 m3/s逐步減至8 000 m3/s。同樣，控制三峽水庫使用防洪庫容不變，分別較實際調度過程提前1～5 d 5個方案減小三峽水庫出庫流量（見圖8），模擬結果見表4及圖9。

與實況過程相比，方案1～5蓮花塘站洪峰水位偏低0.15～0.19 m，峰現時間均推后12～24 h，其中在實況調度的基礎上提前2～5 d控制三峽水庫出庫流量（相對于蓮花塘站超保證水位提前4～7 d），對蓮花塘站洪峰水位的影響幅度相對較大，各方案間差別較小。

2.2.3 長江2018年第1號、2號洪水

2018年7月，長江上游接連發生2次編號洪水，三峽水庫出庫流量自7月3日起（1號洪峰出現時間7月5日），由27 000 m3/s逐步增加至40 000 m3/s左右，在20日前后逐步削減至30 000 m3/s左右，期間三峽水庫最高調洪水位156.83 m，最大攔蓄量62.75億m3。考慮在三峽水庫使用防洪庫容不變的條件下，分別提前1～5 d增加三峽水庫出庫流量（見圖10），各方案較1號洪峰出現前提前3～7 d增加出庫流量，模擬結果見表5及圖11。

與實況調度過程相比，方案1～5蓮花塘站洪峰水位偏低0.06～0.11 m，其中方案2最優，方案2和方案3差別較小。由圖9可知，在宜昌江段來水為主的情況下，控制三峽水庫使用防洪庫容不變，提前加大出庫流量將加快蓮花塘站水位漲水速率，降低洪峰水位，加快退水速率。

2.3 調度方式模擬分析

2.3.1 長江2020年第1號洪水

在圖6中實況出庫、方案3、方案5的基礎上，分別設置逐步減小（階梯）及恒定出庫兩種調度方式，進行模擬分析，其中方案3的三峽水庫調度過程及相應蓮花塘站水位過程如圖12～13所示。

在實況基礎上，兩種出庫方式蓮花塘站洪峰水位分別為34.34 m和34.15 m，恒定出庫下洪峰水位偏低0.19 m左右;在方案3基礎上，兩種出庫方式蓮花塘站洪峰水位分別為34.13 m和34.14 m，基本無差別;在方案5基礎上，兩種出庫方式蓮花塘站洪峰水位分別為34.17 m和34.19 m。

綜合上述結果可知，在蓮花塘站水位超目標控制水位前，提前3 d控制三峽水庫出庫流量，一次性減至控制流量對蓮花塘站補償調度效果較好;在蓮花塘站水位超目標控制水位前，提前5～8 d控制三峽水庫出庫流量，逐級減小出庫流量與恒定出庫兩種調度方式的調度效果無明顯差別。

2.3.2 長江2018年第1號和2號洪水

在2018年方案2的基礎上，分別按恒定出庫及逐步增加（階梯）進行模擬分析，結果見圖14～15。兩種出庫方式下，蓮花塘站洪峰水位分別為31.32 m和31.41 m，恒定出庫下洪峰水位偏小0.09 m。在以宜昌江段來水為主的情況下，三峽水庫按恒定出庫對城陵磯地區補償效果更好。

調度三峽水庫控制蓮花塘站水位不超目標水位時，離控制目標水位出現時間較長時（5 d以上），建議逐步減小或增加出庫流量;臨近控制目標水位時（3 d以內），建議一次性調整到位。

2.4 實時補償調度方式探討

基于上述分析，對于以洞庭湖來水為主或洞庭湖與上游來水遭遇的情景（2017年1號洪水和2020年1號洪水），若三峽水庫投入的總防洪庫容不變，在蓮花塘站水位將達到目標控制水位前4～7 d，減小三峽水庫出庫流量，對城陵磯地區防洪較為有利。相較于提前2～3 d減小三峽水庫出庫流量，提前4～7 d的方案可小幅降低蓮花塘站洪峰水位;對整體過程而言，漲水速率變緩，漲水面水位偏低，若此后水情情勢發生變化，主動性更強;由于最大出庫流量較實況偏大，退水速率也較實況偏小，退水面水位偏高。

對于以上游來水為主的情況（2018年1號和2號洪水），兼顧上下游防洪需求，三峽水庫若需要控制最高庫水位，在1號洪峰出現前提前4～5 d增加出庫流量也將更為有利。較1號洪峰出現前提前2 d增加出庫流量（實況調度過程），提前4～5 d加大三峽水庫出庫流量，控制使用庫容不變，由于最大出庫流量減小，蓮花塘站洪峰水位也較實況偏低;對整體過程來說，漲水面偏快，退水也略快。

在實際調度過程中，考慮中下游短中期（5 d預見期）的預報較為可靠，建議在預報蓮花塘站將超過目標控制水位前4～5 d開始控制三峽水庫出庫流量為最宜，具體應結合實際洪水過程中防洪形勢的發展進行判斷;對于調度方式來說，考慮水文預報預見期越短，精度越高，建議出庫流量逐步遞減，在對未來水情發展把握較大的情況下，一次性將出庫流量調整到位。

3 結 論

本文探討了不同典型洪水、不同調度方式下三峽水庫對城陵磯地區的實時補償調度效果，主要結論如下：

（1） 在三峽水庫投入防洪庫容一定的基礎上，若預見期內預報城陵磯地區（蓮花塘站）水位將達到或超過目標控制水位時，綜合考慮洪水傳播時間、補償調度效果及水文氣象預報的不確定性，提前4～5 d控制三峽水庫出庫流量，對城陵磯地區防洪更為有利。

（2） 對三峽水庫出庫流量調整方式來說，應結合水庫入庫及下游區間水文氣象預報，階梯式調整出庫流量;此后，隨著預見期臨近，對水情發展把握較大時將出庫流量一次調整到位。

本文僅以典型洪水探討了三峽水庫對城陵磯地區的實時補償調度方式，相關結論需要在實時調度中進一步檢驗。水文氣象預報精度、預見期是制約防洪補償調度效果的關鍵因素之一;同時，上中游水庫群之間如何配合，水庫與蓄滯洪區之間如何統一調度，不同調度目標之間的風險轉移問題等等，也與城陵磯地區防洪密切相關，相關技術工作仍需要深入研究。

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（編輯：謝玲嫻）

Discussion on flood control compensation operation mode of Three Gorges Reservoir to Chenglingji Reach

FENG Baofei，XU Yinshan，LI Jie

（Hydrology Bureau，Changjiang Water Resource Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The Chenglingji area has always been the focus of flood control in the Changjing River Basin，as well as an important target of flood control for reservoir group in the upper and middle reaches of the Changjing River.In this paper，a hydrodynamic model for the Changjing River Basin and Dongting Lake area was constructed to simulate and analyze the operation effects of the Three Gorges Reservoir on the Chenglingji reach under various typical floods and different operation modes.Following the results，the real-time compensation operation mode of the Three Gorges Reservoir was proposed for the Chenglingji reach.The results showed that considering the effect of compensation operation and the uncertainty of hydrometeorological forecasts，if the water level of the Chenglingji （Lianhuatang Station） would reach or exceed the target control level at the forecast time，it was appropriate to restrict the discharges of the Three Gorges Reservoir 4～5 days in advance，and gradually adjusted the discharges according to hydrometeorological forecasts.

Key words：

flood control;real-time compensation operation;hydrodynamic model;Chenglingji area;Three Gorges Reservoir