2021年金沙江下游梯級水庫蓄水實踐研究

田 銳，舒衛民，阮燕云，馮志洲

(1.三峽水利樞紐梯級調度通信中心，湖北 宜昌 443002； 2.智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

2021年6月28日，白鶴灘水電站首批機組投產發電，標志著白鶴灘水庫正式并入金沙江下游梯級(以下簡稱“金下梯級”)水庫調度序列，金下梯級四庫調度格局已經形成，從上游至下游依次為烏東德水庫、白鶴灘水庫、溪洛渡水庫和向家壩水庫。

金下梯級位于金沙江下游和長江上游干流(以下簡稱“長上干”)的交界點，作為承擔長江流域開發及治理的骨干工程之一，具有防洪、發電、航運、補水等綜合效益。近年來，隨著烏東德水電站、白鶴灘水電站陸續投產發電，金下梯級水庫蓄水形勢發生改變。前期研究大都集中于溪洛渡水庫和向家壩水庫(以下簡稱“溪向”)梯級水庫蓄水過程，針對梯級四庫蓄水期運行方式的研究尚且不足。2021年金下梯級水庫蓄水調度實踐表明：在四庫聯合調度的新形勢下，基于中長期來水預報，合理控制梯級水庫水位控制節點，在兼顧金下梯級水庫蓄滿的同時，保障梯級電站綜合效益，是研究金下梯級水庫蓄水期控制的主要目標。本文對2021年金下梯級水庫蓄水實踐進行分析，探究滿足蓄水需求和綜合效益的水位控制策略，為實時調度水位控制和計劃編制提供參考[1]。

1 蓄水影響因素

1.1 上游水庫群調蓄

金下梯級徑流主要受金沙江上中游梯級水庫和雅礱江梯級影響，其中，已經建成的大型水庫有梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯地拉、觀音巖、錦一、二灘等水庫[2]；正在建設的水庫有蘇洼龍、楊房溝、兩河口等水庫。雅礱江水庫及金沙江中游梯級水庫調蓄特征值見表1。考慮上述在建水庫正常運行，按照流域防洪統一調度安排，金中梯級和雅礱江梯級集中于8～10月蓄水，總待蓄庫容55.98億m3，其中雅礱江梯級待蓄水量40.9億m3，占比約73%；8月份待蓄水量40.07億m3，占比約72%。

表1 雅礱江及金沙江中游梯級水庫調蓄特征值Tab.1 Characteristic values of regulation and storage of cascade reservoirs of Yalong River and middle Jinsha River

1.2 梯級水庫蓄水形勢變化

近年來，隨著烏東德電站、白鶴灘電站建成投產，金下梯級水庫蓄水形勢愈發復雜，與上游水庫蓄水期的重疊將顯著減少金下梯級來水，形成與上游水庫爭水的事實。同時，8～9月仍處于洪水多發期，金下梯級水庫在蓄水的同時，需兼顧下游荊江河段防洪需求。因此，需要進一步研究防洪庫容的科學釋放。目前，烏東德水庫、白鶴灘水庫集中于8月蓄水，總待蓄庫容99.42億m3，其中，烏東德待蓄庫容24.43億m3，白鶴灘待蓄庫容74.99億m3；溪洛渡水庫集中于8～9月份蓄水，總待續庫容46.51億m3；向家壩水庫集中于9月蓄水，待蓄庫容9.03億m3。表2為金下梯級水庫蓄水特征值。

表2 金下梯級水庫蓄水特征值Tab.2 Storage characteristic values of cascade reservoirs in the lower reaches of Jinsha River

2 2021年蓄水實踐

2.1 實況來水

(1) 降雨。2021年金下梯級水庫蓄水期間，金沙江降雨階段性特征明顯。圖1為2021年金沙江流域8～10月降水量距平圖。從時間上看，8～10月金沙江流域降雨偏少，金沙江流域降水在8月中旬、9月中旬分別經歷了“由少轉多”“由多轉少”的迅速轉換。從空間上看，降雨偏豐區域集中于金沙江上游和雅礱江上游。流域降雨呈時空分布不均、秋季連陰雨的特征。

圖1 2021年金沙江流域8～10月降水量距平圖Fig.1 Precipitation anomaly map of Jinsha River Basin from August to October 2021

(2) 來水。以金下梯級的龍頭水庫烏東德水庫為例(下同)，2021年8月烏東德水庫平均入庫流量6 660 m3/s，相應來水頻率70.3%；9月烏東德水庫平均入庫流量8 850 m3/s，相應來水頻率42.2%。8月、9月來水偏豐時段集中于8月下旬至9月中旬，其中，8月烏東德水庫入庫流量偏少，年均值偏枯20%，8月上中旬偏枯明顯，下旬受華西秋雨影響，枯豐轉換迅猛，下旬流量逐步加大至與多年均值持平；9月上中旬烏東德入庫流量較多年均值偏豐10%～20%，下旬豐枯急轉，入庫流量退至較多年均值偏枯20%。表3為2021年金下梯級蓄水期烏東德水庫分旬來水統計。

表3 2021年蓄水期烏東德水庫分旬來水統計Tab.3 Statistics of inflow from Wudongde Reservoir in 10 days during the storage period in 2021

2.2 預報精度

2021年8月1日至9月30日，烏東德水庫12，24，36，48，60，72，84，96，108 h平均誤差和最大誤差如圖2所示。隨著預見期的延長，預報精度逐步降低。評價上述預見期內所有預報點預報精度，可為金下梯級的日計劃滾動編制、水位精準控制提供技術保障。

圖2 2021年8～10月烏東德水庫入庫流量預報誤差統計Fig.2 Error of predicted inflow of Wudongde Reservoir from August to October，2021

烏東德水庫建成后，由于上游水庫到烏東德洪水傳播時間大幅縮短[3]，入庫預報精度受上游水庫調蓄影響極大，12 h最大預報誤差達 25.71%。以烏東德水庫蓄水期平均入庫6 660 m3/s測算，由預報誤差引起的單日水位偏差達1.5 m。

2.3 蓄水進程

金下梯級水庫起蓄時間自2021年8月1日起，至10月10日溪洛渡水庫蓄滿為止，歷時71 d，累計蓄水量135.16億m3。金下梯級水庫蓄水特征指標見表4。金下梯級蓄水過程見圖3。8月底烏東德水庫迎來首輪12 000 m3/s量級的漲水過程，為配合下游防洪，逐步攔蓄至 965.00 m以上，于9月上旬蓄至最高水位974.51 m；9月上旬末，烏東德水庫迎來第二輪12 000 m3/s量級的漲水過程。由于此時烏東德水庫已無調蓄能力，以白鶴灘水庫攔蓄為主，且延伸期預報長江上游流域后續無明顯漲水過程，9月14日，白鶴灘水庫啟用800.00 m以上庫容攔蓄洪水尾巴，于9月30日蓄至816.00 m左右后維持。烏東德水庫利用965.00 m以上庫容攔蓄棄水11億m3，白鶴灘水庫利用800.00 m以上庫容攔蓄棄水32億m3，烏東德水庫、白鶴灘水庫(以下簡稱“烏白水庫”)共攔蓄棄水達43億m3。

圖3 蓄水期金下梯級調度過程Fig.3 Dispatch process of cascade reservoirs in the lower reaches of Jinsha River during impoundment period

表4 梯級水庫蓄水關鍵指標Tab.4 Key indicators of cascade reservoir in impoundment period in 2021

通過對金沙江下游遭遇的兩場洪水攔蓄，證明了烏白水庫防洪庫容潛力有進一步挖掘空間。

2.4 調度評價

汛前、蓄水前來水預測見圖4，由于8月長江上游流域來水整體偏枯，8月中旬上游水庫待蓄水量高達480億m3，上游水庫群蓄滿壓力大，且各單位蓄水前對蓄水期來水預測均偏枯。為保證三峽水庫完成175 m年度蓄水任務，8月1日至10月10日金下梯級水庫蓄水期間，長江水利委員會(以下簡稱“長江委”)下達4次調度意見，要求加快金下梯級水庫蓄水進度。按調令要求，8月底金下梯級水庫預留防洪庫容30億m3。蓄水期間調令執行情況見圖5，金下梯級8月底預留防洪庫容40億m3，向家壩水庫下泄流量均為發電流量。

圖4 長期預報評定Fig.4 Long-term forecast assessment

圖5 蓄水期間調令執行情況Fig.5 Implementation of dispatch order during the impoundment period

2021年8月下旬，中期預報后續來水情況較蓄水前預報偏豐，金下梯級需預留充足防洪庫容，避免因前期減少出庫造成“前蓄后棄”的風險。通過調整計劃，8月底預留防洪庫容40億m3，較調度意見多預留10億m3，有效減少9月中旬棄水量。9月烏東德水庫實際入庫流量8 850 m3/s，與多年均值持平；烏東德水庫入庫流量直至9月底仍在6 000 m3/s以上。由于金下梯級水庫已基本蓄滿，造成9月中下旬溪向梯級存在棄水情況。

3 啟示與思考

3.1 蓄水期間來水特性分析

受上游水庫群調蓄影響，金下梯級水庫入庫流量在7～8月有所減少、枯水期1～5月流量則有所增大。以二灘水庫建成前(1959～1998年)金下梯級入庫流量作為天然情況下來水資料，并與多年均值(1959～2013年)及近10 a均值(2012～2021年)比較(表5)。由表5可以看出，近10 a均值較天然來水系列及多年均值系列8月流量降幅分別達16.5%和16.7%，而9月流量則與天然來水系列及多年均值系列基本持平，主要原因為金中梯級及雅礱江梯級水庫集中蓄水期為8月，9月蓄水占比少。

表5 蓄水期烏東德水庫不同歷史時段來水情況Tab.5 Inflow from Wudongde Reservoir in different historical periods during impoundment period m3/s

3.2 優化剩余防洪庫容分配

考慮上游兩河口水庫建成后8～9月均勻蓄水影響，金下梯級8～9月月均入庫流量分別減少1 500 m3/s和540 m3/s。以此對天然系列(1959～1998年)還現處理后，得到烏東德水庫8～9月月均入庫流量分別為7 030 m3/s和7 740 m3/s，對應月均水量分別為188.29億m3和200.62億m3。

規程要求考慮金下梯級7月均按汛限水位左右運行，按烏白梯級集中于8月蓄水、溪向梯級集中于9月蓄水考慮：烏白梯級8月待蓄水量99.42億m3，多年平均流量下來水量為205.4億m3(考慮烏白區間8月多年平均流量為640 m3/s)，烏白梯級蓄滿條件下向家壩出庫流量5 010 m3/s(考慮白溪區間8月多年平均流量為1 050 m3/s)，金下梯級預留防洪庫容55.54億m3。溪向梯級9月待蓄水量55.54億m3，多年平均流量下來水量為244.9億m3(考慮烏溪區間9月多年平均流量為1 710 m3/s)，溪向梯級蓄滿條件下向家壩出庫流量7 310 m3/s。此時會出現“前蓄后棄”的情況，對梯級水庫綜合效益及防洪安全產生不利影響。

將金下梯級作為整體考慮：金下梯級水庫8～9月總待蓄庫容達154.96億m3，8～9月總來水量478.5億m3(考慮烏溪區間8，9月多年平均流量分別為1 690 m3/s和1 710 m3/s)，金下梯級水庫蓄滿情況下，出口斷面(向家壩水電站)8～9月平均出庫流量6 140 m3/s，與向家壩電站滿發流量基本一致，在8月底預留充足防洪庫容的同時能有效減小棄水(表6)。

表6 金下梯級水庫防洪庫容釋放方案對比Tab.6 Comparison of flood control capacity release schemes of cascade reservoirs on the Lower Jinsha River

4 結 論

(1) 在2021年金下梯級水庫蓄水調度過程中，以中期滾動預報指導計劃編制的模式，能兼顧下游蓄水及防洪需求，確保梯級水庫完成蓄水任務，為充分發揮梯級水庫綜合效益提供保障。

(2) 上游水庫的陸續建成影響了烏東德水庫短期入庫的預報精度，進而影響日內水位控制精度；中長期預報對未來金下梯級水庫蓄水調度過程影響進一步加大；后期調度過程中，應進一步加強金下梯級來水預報。

(3) 上游水庫群調蓄對金下梯級水庫來水的影響以雅礱江梯級為主，主要集中于8月。通過對金下梯級水庫蓄水過程分析，整體考慮梯級水庫蓄水調度，蓄水期均勻釋放防洪庫容，在預留充足防洪庫容的同時，可充分發揮梯級水庫綜合效益。