應對2022年枯水的長江上游水庫群聯合調度方案

丁 勝 祥，張 俊，牛 文 靜，張 虎

(1.長江水利委員會 水旱災害防御局，湖北 武漢 430010； 2.長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010)

0 引 言

長江流域主要位于亞熱帶季風氣候區[1]，受季風影響顯著，水旱災害頻繁，在全球氣候變暖的背景下，極端氣候事件發生頻率增加，長江流域洪澇和干旱災害事件均在增多、增強。2022年，長江遭遇罕見的全流域性枯水[2-3]：6月中旬開始澇旱急轉，7～10月流域累計面雨量為1961年以來同期最少，流域降雨少、氣溫高，上中下游同枯，江河來水顯著偏少。下游大通站徑流較同期30 a均值偏少近5成，流量比往年早3個月達到多年平均的最枯值；中下游主要站8～10月均創有實測記錄以來歷史同期最低水位；洞庭湖、鄱陽湖先后于8月4日和6日提前進入枯水期。流域共11省(市)發生不同程度旱情，旱情最嚴重時農作物受旱面積285.2萬hm2，因旱影響供水473萬人。

當前，針對長江流域對洪澇災害的應對策略和調度方案研究，以及對干旱發生規律和判別方法的研究相對較多，但對旱災防御尤其是應對流域性枯水的研究則相對較少。劉振勝等[4]提出了長江下游干流枯季水量分配的原則、目標及應對干旱的預案；針對長江流域2000年以來的典型枯水年份尤其是秋季(蓄水期)的調度，要威等[5]研究了長江上游水庫調度緩解鄱陽湖枯水形勢的作用；馮寶飛等[6]分析了2016年秋長江中下游枯水并提出了對水庫調度的啟示；楊光等[7]總結了長江中下游地區2019年夏秋冬三季連旱的特點和應對經驗；夏軍等[8]基于長系列歷史資料統計分析了長江流域歷史典型干旱及其致災情況，并提出了科學抗旱減災對策。

2022年，水利部已將長江流域51座控制性水庫納入聯合調度[9]，總調節庫容1 160億m3，總防洪庫容705億m3，在流域防洪減災、水資源綜合利用、改善流域生態、暢通黃金水道、保障清潔能源供應等方面發揮著越來越重要的作用。其中，長江上游27座控制性水庫總調節庫容662.4億m3，總防洪庫容482.4億m3。本文針對2022年長江流域性枯水，通過分析蓄水期、枯水期流域用水需求，研究滿足沿江用水的長江上游水庫群聯合蓄水和補水調度方案。

1 面臨的問題

2022年的流域性枯水給長江上游水庫群聯合調度尤其是枯水期調度帶來了極大挑戰。一方面前期(2022年7～8月)流域來水特枯加上遭遇大范圍長歷時的高溫熱浪天氣，長江上游水庫群2022年9月初的底水(蓄水量)明顯偏低，要蓄至往年水平的差額(待蓄)水量明顯增加；另一方面上游水庫群后期保障的主要對象，即長江中下游干流水位均跌至同期極值以下，加上后期區間來水預報偏枯，中下游長時間低水位對上游水庫群后期下泄流量的要求也將更高。長江上游水庫群蓄水期調度面臨前期水庫群蓄量少、來水少、待蓄水量多和枯水期供水形勢嚴峻等多重困難。

(1) 2022年7～8月來水特枯，主要水庫主汛期水位持續降低。6月中旬開始，長江流域降水由豐轉枯，7月流域來水由偏多轉為偏少，隨后來水偏枯程度持續加劇。7～8月，長江流域來水偏少3成多，其中，干流寸灘、漢口、大通站來水偏少3～4成，較多年均值分別偏少271億，428億，441億m3；上游主要支流岷江、嘉陵江、烏江來水偏少5成左右；中下游兩湖來水偏少4～5成；三峽水庫來水較多年同期分別偏少近5成(偏少366億m3)，為有資料以來倒數第1位。受來水嚴重偏枯影響，原本可以在8月份開始蓄水的雅礱江梯級、金沙江中游梯級，以及金沙江下游烏東德、白鶴灘等水庫，不僅未蓄到水，水位反而持續降低。

(2) 2022年7～8月高溫形勢罕見，迎峰度夏發電保供進一步降低了水庫水位。與來水偏少同步，7～8月長江流域控制性水庫群主要送電區域遭遇大范圍、長歷時高溫熱浪天氣，多地最高氣溫破歷史極值，為配合電網迎峰度夏保障高溫時段電力供應，上游幾乎全部的控制性水庫均持續加大調峰調頻力度和發電流量，前文所說的一些原本可以在8月份逐步蓄水的水庫水位不升反降，上游水庫主汛期多數維持在死水位(部分水庫在汛限水位)附近運行。來水嚴重偏少加上用電負荷顯著增加，使得上游水庫群9月初蓄水量明顯偏少。截至2022年9月1日，上游水庫群死水位以上蓄水量僅153.7億m3，比近5 a均值少114.4億m3，正常蓄水位以下待蓄水量達537.2億m3，比近5 a均值多246.5億m3，具體見表1。

表1 截至2022年9月1日長江上游水庫群待蓄水量Tab.1 Storage capacity needed to be filled at upper reservoir groups of Changjiang River on Sep.1st,2022 億m3

(3) 長江中下游水位破歷史極值，低水位條件下后期供水需求預計更大。與來水特枯相應，中下游干流及洞庭湖、鄱陽湖水位持續降低。2022年8月1日08：00，沙市、漢口、城陵磯(七里山)、湖口站水位分別為34.25，19.43，25.20，13.16 m，較同期均值分別偏低5.09，5.21，4.92，4.59 m；2022年9月1日08：00，沙市、漢口、城陵磯(七里山)、湖口站水位分別為31.14，14.77，21.09，8.50 m，較同期均值分別偏低7.41，7.72，8.04，7.61 m；大通站8月1日、9月1日08：00流量分別較同期均值偏少19 800，26 900 m3/s。水位的異常偏低使得中下游均提前進入枯水期，枯水期的低水位將較往年更低，低水位的歷時也將較往年偏長，這使枯水期長江中下游干流及洞庭湖、鄱陽湖周邊的預期取水條件較往年更差。因此，為了保障枯水期沿江供水工程取水水位等條件，上游水庫群在枯水期要保障的下泄流量預計要比往年大幅增加，初步估計上游水庫群總出口三峽水庫枯水期的最小下泄流量需比往年增加1 000 m3/s或以上。

2 來水預測

2022年9月初，長江水利委員會(以下簡稱“長江委”)水文局根據8月下旬大氣環流狀況和海溫場演變趨勢，綜合數值模式預測、數理統計方法及相似年分析等方法，對長江流域蓄水期(9～11月)、枯水期(12月至次年4月)的降水及來水做了預測。

根據降水預測，2022年9～10月，長江上游降水量正常偏多，其中，金沙江流域和烏江流域正常偏少，岷沱江、嘉陵江正常偏多，長江中下游降水量偏少。11月，長江上游降水量偏多，中下游基本正常。在降水預測的基礎上，再綜合考慮9月初土壤含水量、江河底水與中小型水庫蓄水量明顯偏低等情況，預測流域主要支流9～11月天然來水(不考慮水庫群調度情況下的來水)見表2。9～11月，三峽水庫天然來水較多年均值偏少1～4成，長江中下游主要支流來水偏少4～7成。

表2 2022年長江上游9～11月天然來水預報Tab.2 Forecast on natural water flow of upper reaches of Changjiang River from Sep.to Nov.in 2022

枯水期(12月至次年4月)來水預測結果見表3，三峽水庫以上天然來水(不考慮水庫群調度情況下的來水)較多年均值偏少，各月偏少幅度約1～2成；長江中下游主要支流來水偏少2～8成。

表3 長江枯水期天然來水流量預測Tab.3 Forecast on natural water flow in dry season of Changjiang River

3 預報來水條件下枯水期中下游缺水量分析

考慮到長江中下游控制性水庫主要分布在清江、漢江及洞庭湖、鄱陽湖水系的支流上，其中洞庭湖、鄱陽湖水系水庫2022年9月份前均已結束蓄水，后期水庫群調度應滿足所在支流抗旱供水需求，出庫流量調整空間不大，漢江梯級因要滿足南水北調中線一期工程調水需求，12月至次年4月丹江口水庫下泄流量也已基本確定。因此，枯水期長江中下游來水邊界基本已固定，中下游缺水量分析以上游(三峽水庫以上)、中下游(三峽水庫以下)來水預測為邊界，分析上游水庫群的總出口(三峽水庫)若按預報來水下泄，距滿足枯水期(12月至次年4月)中下游干流的供水、航運、發電、生態等用水需求的缺水量。

3.1 保障目標

枯水期用水保障目標包括長江中下游干流供水、航運、發電、生態等。

(1) 供水。根據長江委2022年8～9月對長江中下游干流沿江供水水廠取水口取水條件的實地調查和分析結論，保障中下游沿江供水安全的難點在荊江河段和武漢河段。當滿足沙市站水位不低于29.50 m、漢口站水位不低于12.50 m(極限情況不低于12.00 m)時，可基本保障中下游沿線城鄉供水水廠取水。根據沙市、漢口站水位流量關系和預報的區間來水條件分析，當三峽水庫下泄流量為7 000 m3/s左右時，可保證沙市站水位不低于29.50 m和漢口站水位不低于12.00 m。要保障漢口站水位不低于12.50 m，則需三峽水庫下泄流量在7 500 m3/s左右。

(2) 航運和發電。根據三峽水庫調度規程[10]，每年11月份和12月份，水庫最小下泄流量按葛洲壩下游廟嘴水位不低于39.00 m且三峽電站發電出力不小于保證出力對應的流量控制；1～2月份水庫下泄流量按不小于6 000 m3/s控制；3～5月份的最小下泄流量應滿足葛洲壩下游廟嘴水位不低于39.00 m。根據三峽水庫實際運行資料，三峽水庫水位在175.00 m左右時發保證出力對應的流量約為5 000 m3/s，庫水位在155.00 m左右時發保證出力對應的流量約為6 000 m3/s；廟嘴水位39.00 m相應的三峽水庫出庫流量約為 5 500～5 800 m3/s。需要指出的是，為保障三峽水庫庫區航運，一般要求4月底三峽水庫水位不低于155.00 m。

(3) 生態。根據水利部印發的第一批重點河湖生態流量保障目標[11]，宜昌、漢口、大通站的生態基流分別為5 500，7 026，10 000 m3/s。其中，宜昌站生態基流保障主要靠三峽水庫調度，而漢口、大通站生態流量保障則需上、中游水庫群共同保障，上游水庫群枯水期增加供水保障，也有利于進一步增加漢口、大通站流量。

綜合以上分析，上游水庫群聯合調度保障三峽水庫下泄流量為7 000～7 500 m3/s，即可基本滿足中下游干流枯水期(12月至次年4月)的供水、航運、發電、生態等需求，大通站生態基流能否滿足雖有不確定性，但也可得到較大程度改善。

3.2 中下游缺水量分析

考慮2022年來水實際，供水、航運、發電、生態4個目標中，保障了供水目標(即三峽水庫下泄流量不小于7 000 m3/s)，則航運、發電、生態調度目標均可保障。因此，本文在分析長江中下游枯水期缺水量時，以預報的中下游來水條件為固定邊界，重點分析上游水庫群的總出口(三峽水庫)若按預報來水下泄，距滿足枯水期(12月至次年4月)中下游干流供水需求的缺水量，并以此缺水量為基礎反算上游水庫群在蓄水期應蓄水量，開展后續的蓄水和補水聯合調度方案研究。

根據枯水期(12月至次年4月)來水預測成果，三峽水庫12月至次年4月預測天然來水562.0億m3，保障7 000 m3/s的下泄流量共需水量913.0億m3，預計缺水351.0億m3；若保障7 500 m3/s的下泄流量則共需水量978.5億m3，預計缺水416.5億m3。若進一步考慮預報來水的不確定性，從不利角度認為上游12月至次年4月來水可能發生實測的逐月最小來水組合(來水量451.0億m3)，則保障7 000，7 500 m3/s下泄流量的缺水量將分別達462.0億，527.5億m3。

考慮到長江上游汛期晚于中下游，5月份上游一般來水仍偏少，所有水庫均降至死水位對5，6月份供電及航運安全有一定影響，4月底上游水庫群不宜將死水位以上水量全部補完，還需預留部分水量以滿足航運(如三峽水庫一般要求4月底庫水位不低于155.00 m)和水電站調峰調頻需求。根據近5 a(2018～2022年)資料統計，4月底上游水庫群死水位以上平均仍有蓄水量195.0億m3，最少仍有蓄水量150.5億m3(2020年)。因此，為保障枯水期中下游用水，同時考慮5月份及之后上游水庫群發電、航運等需求(4月底上游水庫群死水位以上仍預備2018～2022年中的最小蓄水量150.5億m3)，上游水庫群應在9月1日已蓄水量的基礎上，再蓄水350.0億～415.0億m3水量才能滿足預報來水條件下的中下游補水需求，并在4月底仍有適當水量保障水電站調峰調頻和三峽水庫庫區等航運需求。若實際來水比預報來水還要偏小，如遇逐月最小來水組合的極端枯水情形，則通過適當減小調峰調頻、放寬三峽水庫庫區航運要求等措施，進一步運用預備的死水位以上150.5億m3水量才可保障供水安全。

4 上游水庫群蓄水期聯合蓄水及枯水期聯合補水調度方案

在考慮預報來水的基礎上，以滿足當前抗旱保供為約束，以保障枯水期長遠用水需求為目標，研究制定蓄水期蓄水和枯水期補水調度方案。

4.1 上游水庫群聯合蓄水方案

在滿足蓄水期長江中下游抗旱保供用水的前提下，為實現上游水庫群9～11月增加蓄水350億～415億m3的目標，按照大系統分解協調的思路，將上游水庫群蓄水任務按照水系的拓撲關系首先分解到各主要支流，在綜合考慮各支流來水、蓄水期最小下泄流量、水庫蓄水期要求等條件后，確定各支流梯級水庫的蓄水方案；再根據各支流的蓄水方案，分析各支流蓄水后的干流來水變化，重點聚焦金沙江下游烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩水庫和三峽水庫(上游控制性水庫群總出口)的蓄水方案。

4.1.1主要支流蓄水方案

(1) 與預報來水相比，金沙江中游梯級的14.25億m3待蓄庫容較小，可在9月底基本蓄滿(其中觀音巖水庫9月份仍需預留2.53億m3防洪庫容，10月份再蓄)。

(2) 根據9～11月長期預測，雅礱江二灘水庫以上天然來水148億m3，考慮兩河口水庫(其2022年為初期蓄水)蓄水期在保障生態流量的前提下適當攔蓄，預計11月底蓄至2 845.00 m左右；錦屏一級水庫可在9月底蓄至正常蓄水位左右，此后按入出庫平衡調度；二灘水庫8月底已基本蓄滿，維持前期水位運行即可。按此計算，9～11月，雅礱江梯級水庫群預計共蓄水60億m3。

(3) 根據預測，岷江、嘉陵江、烏江3條支流9～10月來水量總計400億m3左右，其流域上的控制性水庫待蓄庫容共90.2億m3，占來水比重相對較小。因此，這3條支流上的控制性水庫群可按來水和調度規程擇機安排蓄水，在10月底前可逐步蓄至正常蓄水位。

因此，金沙江中游、雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江等支流梯級水庫預計總蓄水量165億m3左右。

4.1.2金沙江下游梯級與三峽水庫聯合蓄水方案比選以滿足3.2節分析得出的缺水量(即水庫群應蓄水量)為上游水庫群蓄水目標，分析金沙江下游梯級和三峽水庫在雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江等主要支流按照前面所述的方案蓄水后的來水，以此為基礎研究滿足缺水量的蓄水方案。

分析蓄水方案時，還需考慮水庫最小下泄流量的制約及蓄水后對長江中下游的影響，要在蓄夠滿足枯水期補水需求所差水量的同時，維持蓄水期較大的下泄流量，盡量滿足相關調度方案和規程對蓄水期下泄流量的要求。這里先擬定不同的三峽水庫下泄流量方案，分析三峽水庫及金沙江下游梯級在不同下泄流量情形下的可蓄水量，并分析蓄水期間對中下游水位的影響，最后再擇優選擇方案。

(1) 蓄水期不同下泄流量的可蓄水量分析。根據來水預測，9～11月三峽水庫以上來水量在982億m3左右。在對多組方案比選后，優選出4組調度方案進行對比，方案如表4所列。方案1～4蓄水期下泄水量逐漸減小，相應的可蓄水量在逐步增加；方案1三峽水庫9～11月合計下泄水量在638億m3左右，上游水庫群可蓄水量在344億m3。方案2，3，4的可蓄水量分別為388億，397億，406億m3。

表4 2022年上游水庫群可蓄水量分析Tab.4 Accessible water for reservoir storage of upper reservoir group in Changjiang River in 2022

(2) 不同方案的中下游水位預測情況。分析各方案蓄水期對長江中下游水位影響(見表5)可知：方案1～4的9，10月累計下泄水量依次減少，沙市、漢口、七里山、湖口等站水位依次遞減，但因11月份下泄流量均為7 000 m3/s，各方案11月份各站水位和大通站流量基本相當。對比為保障中下游供水而確定的沙市、漢口站水位控制目標，各方案沙市站水位均在29.50 m以上，漢口站水位則在12.70 m左右，均滿足要求。

表5 2022年蓄水期不同調度方案中下游水位預測Tab.5 Forecast on water levels of middle and lower Changjiang River during water impoundment period under different dispatch schemes in 2022 m

因蓄水期中下游水位和可蓄水量兩個目標是矛盾的，4個方案各有優點和不足，但方案1～4均可滿足中下游蓄水期的用水需求，同時也基本可蓄足保障枯水期補水需求仍缺的350億～415億m3水量(方案1略有欠缺)，理論上4個方案均是可行的，具體實施時可視實際來水與預報來水的差別以及中下游水位變化情況進行動態調整。

4.1.3上游水庫群蓄水方案實施情況

以上述長江上游水庫群聯合蓄水方案為指導，根據實際來水實時優化蓄水進程。11月上旬上游水庫群蓄水基本結束(11月中旬開始，上游水庫群逐步利用已蓄水量向中下游補水)，11月10日水庫群死水位以上蓄水量達495億m3(見表6)，9～11月上旬共蓄水量341億m3，達到預期蓄水目標。總體來看，蓄水過程中三峽水庫9月份平均下泄7 960 m3/s，10月份平均下泄8 590 m3/s，11月上旬平均下泄6 990 m3/s，9～11月上旬三峽水庫平均下泄流量8 100 m3/s，蓄水期間三峽水庫下泄基本在方案1～4分析的下泄流量范圍內，蓄水期間沙市、漢口站最低水位分別為29.60，12.56 m，最小流量分別為6 730，8 660 m3/s。需要指出的是，蓄水期間，針對長江中下游地區持續發展的旱情以及長江口咸潮入侵等情況，上游水庫群還分別于9月12日、10月2日進行了兩次補水專項行動，其中三峽水庫下泄流量分別最大加大至9 210 m3/s(9月14日)和12 800 m3/s(10月10日)，補水期間沙市、漢口站最高水位分別為33.00，15.04 m。

表6 2022年11月10日長江上游水庫群實際蓄水統計Tab.6 Realistic water storage of reservoir group in upper reaches on Nov.10th,2022 億m3

4.2 上游水庫群枯水期聯合補水計劃

長江上游水庫群11月10日前后基本完成蓄水，11月中旬開始，為滿足中下游用水需求，開始利用已蓄水量向中下游補水，預計11月底上游水庫群死水位以上蓄水量在480億m3左右。根據預測，2022年12月至2023年4月，三峽水庫天然來水總量約562億m3，為滿足中下游供水等各項用水(三峽水庫維持7 000 m3/s的下泄流量)，上游水庫群需向中下游補水351億m3。根據2022年9月份上游各水庫考慮發電初步編制的枯水期發電計劃，上游水庫群枯水期12月至次年4月計劃共向中下游補水303.70億m3(4月底上游水庫群死水位以上仍有庫容179.17億m3)，與維持三峽水庫不小于7 000 m3/s所需的水量913億m3相比，存在48.3億m3水量缺口，需要協調上游水庫群相應調整發電計劃，在發電計劃基礎上增加補水48.3億m3(見表7)。

表7 枯水期上游水庫群補水計劃Tab.7 Plan of water discharge of upper reservoir group

5 結 語

2022年長江遭遇流域性枯水，水庫群9月初蓄水量嚴重不足，加上來水預測偏少，枯水期抗旱保供水存在較大水量缺口，仍按往年的常規方式調度水庫群蓄水難以保障枯水期供水安全。本文充分考慮特枯水條件下的調度約束，分階段明確2022～2023年蓄水期、枯水期調度目標，適當壓減了蓄水期下泄流量，提出了保障流域供水和航運等多目標需求的聯合調度方案并付諸調度實踐，為枯水期綜合用水需求提供了水資源保障。

隨著長江流域控制性水庫群的形成，水庫群蓄豐補枯已成為保障枯水期供水安全最可靠的措施。當前對流域水庫群枯水條件的聯合蓄水研究相對較少，迫切需要進一步開展枯水條件下的水庫群蓄水相關研究，合理安排各水庫特枯條件下的下泄流量，協調好蓄水期和枯水期用水的關系，指導編制更加合理的聯合蓄水方案。2022年長江流域夏秋連旱的范圍和持續時間均極為罕見，洞庭湖、鄱陽湖水位8月初即已提前退至枯水水平以下，上游水庫群9～10月蓄水反而對其影響較小，將來應加強相關研究，針對不同的兩湖地區水文情勢，科學確定水庫群蓄水期間的下泄流量。