清江梯級水庫防洪庫容分配方案研究

摘要：針對清江梯級水庫10億m³防洪庫容分配問題，在探明清江梯級水庫防洪調度控制條件和調度方式的基礎上，設置了7種防洪庫容分配可行方案，分析了不同分配方案下清江梯級水庫配合三峽水庫對荊江河段的防洪效果和基于長系列徑流資料的清江梯級電站發電效益。研究結果表明：相比于原均勻分配方案，在確保上下游防洪安全的前提下，建議多預留一定防洪庫容至下游隔河巖水庫，推薦水布埡、隔河巖水庫庫容按照“水4隔6”“水3隔7”方案進行防洪庫容分配，以提升防洪、發電兩方面的效益。研究成果可為清江梯級水庫防洪庫容科學運用提供決策參考。

關 鍵 詞：防洪調度；防洪庫容分配；效益分析；荊江河段；清江梯級水庫；三峽水庫

中圖法分類號：TV697.1

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.10.009

0 引 言

清江位于湖北省境內，是長江中游宜昌至荊江河段最大支流。清江流域本身防洪任務不重，但入長江洪水直接影響荊江河段的行洪流量。為有效控制清江洪水，清江水布埡、隔河巖梯級水庫（以下簡稱“清江梯級水庫”）預留10億m³防洪庫容配合三峽水庫防洪調度，提高了荊江防洪能力^［1］。針對清江梯級水庫調度的研究，集中在調度規則提取^［2］、運行水位動態控制^［3-4］等方面，一些學者更為關注清江梯級水庫與三峽水庫的聯合優化調度研究，分別以發電量最大、發電效益最大、保證出力最大為目標，建立了三峽水庫與清江梯級水庫的聯合優化調度模型^［5-8］，計算表明聯合優化調度后發電效益顯著，應持續推動水庫群聯合優化調度研究^［9］。特別地，關于清江梯級水庫與三峽水庫聯合防洪調度問題，李雨等^［10］建立了單獨防洪優化調度與水庫群聯合防洪優化調度2種數學模型，針對三峽壩址1954，1981，1982年和1998年典型洪水開展計算，研究結果表明水庫群聯合防洪優化調度效果更優，能有效提高荊江河段防洪標準，但該研究選取的典型洪水為長江來水較大典型洪水，對清江來水較大典型洪水研究不足，需進一步分析清江梯級水庫配合三峽水庫的防洪作用。陳炯宏等^［11］研究了清江梯級水庫投入運用方式，選取“81·7”“89·7”長江較大洪水以及“97·7” 清江較大洪水等典型洪水過程開展推演，提出水布埡、隔河巖水庫各5億m³防洪庫容同時投入運用，對荊江河段防洪調度效果更好，但還需探討10億m³防洪庫容動態分配的防洪效果。實際上，經水布埡水庫攔蓄后洪水仍會流入下游隔河巖水庫以進一步調蓄，且隔河巖水庫距防洪對象長陽縣城近，清江洪水對下游的威脅主要由隔河巖水庫泄量決定，因此清江梯級水庫防洪庫容存在優化分配的必要性，以最大程度發揮防洪保障能力。

為此，針對清江梯級水庫10億m³防洪庫容分配的問題，馬安國等^［12］從防洪庫容分配對發電效益影響的角度，開展了清江梯級水庫防洪庫容優化分配方案研究；郭生練等^［13］在清江梯級水庫10億m³防洪庫容不變的前提下，構建了清江梯級水庫汛限水位聯合設計與運用模型，進而提出了多年平均發電量最大的清江梯級水庫防洪庫容分配方案。但上述研究未全面考慮清江上下游乃至長江干流荊江河段防洪控制條件，且發電效益計算未考慮上游干支流梯級調蓄對清江梯級水庫動能指標的影響。此外，熊豐等^［14］以長陽縣城為防洪保護對象，基于不降低設計防洪標準的原則，推求了不同洪水地區組成情景下水布埡、隔河巖水庫防洪庫容的互補關系，提高了清江梯級水庫防洪決策能力，但選取的設計洪水均為清江大洪水典型，重點考慮了20～200 a一遇設計洪水，屬于超標準洪水研究范疇，實際上隔河巖水庫從198.00 m起調已能確保長陽縣城20 a一遇防洪標準。

為統籌考慮長江與清江不同來水典型、清江上下游防洪要求以及清江上游建庫影響等各種變化條件，本文首先梳理明確清江梯級水庫防洪調度控制條件，并以荊江河段為防洪對象，分別選取以長江洪水為主和清江洪水為主的2種典型洪水，開展清江梯級水庫不同防洪庫容分配方案下的防洪作用與興利效益分析，提出合理可行的清江梯級水庫防洪庫容分配方案，為清江梯級水庫防洪調度決策和清江調度規程修編提供技術支撐。

1 清江梯級水庫防洪調度控制條件與方式

1.1 清江梯級水庫防洪任務和原則

結合現行《清江水布埡、隔河巖、高壩洲梯級水庫調度規程》^［15］，清江梯級水庫的防洪任務和原則為：水布埡、隔河巖水庫在確保樞紐本身防洪安全的前提下，攔蓄洪水，提高下游沿江城鎮的防洪能力，配合三峽水庫對長江荊江河段防洪調度。

1.2 水布埡庫區防洪控制要求

水布埡水庫設置庫區防洪運行控制水位397.00 m，控制時間為5月21日至8月10日。當汛期發生20 a一遇洪水（洪峰流量為10 800 m³/s）時，壩前水位在397.00 m以下，可避免對恩施城區的影響。也就是說，在水布埡水庫入庫流量不大于10 800 m³/s時，控制壩前水位不超過397.00 m，可保證水布埡庫區防洪安全^［16］。

1.3 長陽縣城防洪控制要求

隔河巖水庫下游約9 km為長陽縣城，清江干流長陽城區段設計防洪標準為20 a一遇。根據長陽縣城的防洪要求和安全行洪能力，在遭遇20 a一遇洪水時，允許隔河巖水庫最大下泄流量為11 000 m³/s^［16］。

1.4 主汛期防洪調度方式

清江梯級水庫主汛期防洪調度方式簡述如下^［17］。

（1） 水布埡水庫。6月21日至7月31日的防洪限制水位為391.80 m，當入庫流量小于等于20 a一遇洪水洪峰流量（10 800 m³/s）時，最小下泄流量按1 110 m³/s控制，最高庫水位按397.00 m控制；當入庫流量大于20 a一遇洪水洪峰流量后，最大攔蓄流量為5 000 m³/s；當水布埡水庫水位達到400.00 m后，按保證樞紐安全方式進行調度。當長江干流發生洪水需要配合攔蓄清江洪水實施錯峰調度時，利用庫水位391.80～400.00 m之間的庫容，按有調度權限的調度管理部門的調度指令攔蓄洪水。

（2） 隔河巖水庫。6月21日至7月31日的防洪限制水位為193.60 m，需配合三峽水庫防洪聯合調度與長江干流洪水錯峰時，提前預泄至192.20 m。當隔河巖水庫水位低于防洪限制水位時，按發電調度方式調度；當隔河巖水庫水位達到或高于防洪限制水位、但低于200.00 m時，按長江荊江河段錯峰調度要求攔蓄洪水，控制水庫最大下泄流量按11 000 m³/s控制；當隔河巖水庫水位達到或高于200.00 m、但低于203.00 m時，水庫最大下泄流量按13 000 m³/s控制；當隔河巖水庫水位達到203.00 m、水位繼續上升時，按保證樞紐安全方式調度。

2 清江梯級水庫不同防洪庫容分配方案的防洪作用分析2.1 不同防洪庫容分配方案設置

為分析清江梯級水庫不同防洪庫容分配方案的防洪調度效果，以1億m³的防洪庫容為步長，將10億m³防洪庫容依次在水布埡、隔河巖兩座水庫之間進行分配，總計11種組合方案。其中，“水10隔0”方案，即水布埡水庫預留10億m³，隔河巖水庫不預留庫容；“水9隔1”方案，即水布埡水庫、隔河巖水庫分別預留9億m³和1億m³；“水5隔5”方案，即水布埡水庫、隔河巖水庫分別預留5億m³和5億m³；依此類推。其中“水5隔5”方案為調度規程方案^［15］。

結合水布埡庫尾恩施城區的防洪要求，水布埡水庫主汛期按不超397.00 m控制，考慮一定裕度，則水布埡水庫至少應預留2億m³防洪庫容；同時，考慮隔河巖水庫下游長陽縣城的防洪要求，隔河巖水庫從198.00 m起調能滿足長陽縣城防洪需求，考慮一定裕度，則隔河巖水庫至少應預留2億m³防洪庫容。因此，為確保清江梯級水庫庫區及下游的防洪安全，本文重點考察“水8隔2”“水7隔3”“水6隔4”“水5隔5”“水4隔6”“水3隔7”“水2隔8”等7種可行方案。

2.2 不同防洪庫容分配方案的效果分析

選取長江發生過的較大洪水“1981·7”（主汛期）、“1989·7”（主汛期）、“1974·8”（后汛期）、“1998·8”（后汛期）以及清江較大洪水“1969·7”（主汛期）、“1997·7”（主汛期）、“1979·8”（后汛期）、“1980·8”（后汛期）共8個典型洪水過程，按枝城站7 d洪量倍比進行放大，經調洪演算，得到不同防洪庫容分配組合方案下，清江梯級水庫配合三峽水庫對荊江河段防洪作用的計算結果。

為節約篇幅，表1給出主汛期設計洪水時“水5隔5”方案的計算結果，其他庫容分配方案的計算結果見附件。

基于清江梯級水庫不同防洪庫容分配方案，實施清江梯級水庫配合三峽水庫對荊江河段防洪調度，由調度結果可知：

（1） 清江梯級配合三峽水庫聯合調度，可有效控制枝城站洪水。本次針對荊江河段防洪，以枝城站泄量56 700 m³/s進行聯合防洪補償控制。對于8個典型的100 a一遇洪水，依據前述7種不同防洪庫容分配可行方案，清江水布埡、隔河巖水庫配合三峽水庫對荊江河段攔蓄后，考慮三峽水庫和清江梯級水庫攔蓄作用，合成的枝城站流量均不大于56 700 m³/s，確保了荊江河段遭遇100 a一遇洪水時的防洪安全。

（2） 對于不同洪水地區組成情況，清江梯級水庫防洪作用各異。對于長江洪水為主、清江洪水為主等不同典型洪水，清江梯級水庫不同防洪庫容分配方案下的防洪庫容利用率有所差別：① 當長江來水較大時，清江梯級水庫防洪庫容使用率一般在90%以上，具有較好的防洪配合作用，且來水量級越大，防洪庫容有效系數越高，甚至可達到100%；② 當清江來水較大時，由于長江干流來水不大，三峽水庫實施對荊江防洪補償調度時段少，清江梯級水庫主要是通過攔蓄洪水對本流域進行防洪調度，但也會減少匯入長江干流的洪水，也可減少三峽水庫動用防洪庫容。

（3） 清江梯級配合三峽水庫聯合調度，可減少三峽水庫動用防洪庫容。由于“1981·7”和“1974·8”典型洪水為長江洪水較大情形，清江來水小，清江梯級水庫基本按出入庫平衡調度，不能發揮對荊江河段防洪作用。而對于“1989·7”“1969·7”“1997·7”“1998·8”“1979·8”“1980·8”等6個典型洪水而言，清江洪水與長江洪水遭遇，清江梯級水庫攔蓄清江洪水后，可減少三峽水庫動用防洪庫容。

表2給出了針對不同典型洪水的不同防洪庫容分配方案下的防洪效果，可知在實際洪水來臨時一般按照調度規程方案執行，但隨著洪水量級增加，隔河巖水庫多預留一定庫容時，減少三峽水庫動用的防洪庫容更多；且洪水量級越大，即超過10 a一遇洪水，隔河巖水庫多預留防洪庫容時，防洪效果更好，如“水4隔6”“水3隔7”“水2隔8”方案。雖然“水2隔8”方案減少三峽水庫動用防洪庫容更多，但此時水布埡水庫、隔河巖水庫水位分別為396.80 m和186.80 m，水布埡水庫水位距離397.00 m較近，為確保庫尾恩施城區防洪安全，在調度過程中一般不建議使用。因此，推薦“水4隔6”“水3隔7”方案，以提高清江梯級水庫配合三峽水庫防洪調度效益。

（4） 隔河巖水庫預留更多防洪庫容時，清江梯級水庫防洪庫容有效系數更高。圖1給出了不同防洪庫容分配方案下的清江梯級水庫防洪庫容有效系數。分析可知，隨著水布埡水庫預留防洪庫容逐步減少，清江梯級水庫防洪庫容有效系數逐漸增大，這是因為隔河巖水庫防洪庫容較多時，既控制了水布埡水庫出庫流量，又攔蓄了水布埡—隔河巖區間來水，防洪作用更好。清江梯級水庫防洪庫容有效系數存在差異性的原因主要為：① 當水布埡水庫來水不超20 a一遇洪峰流量10 800 m³/s但又需攔蓄洪水時，考慮到庫區按防洪控制運行水位397.00 m控制，限制了水布埡水庫防洪庫容投入使用。② 隔河巖水庫動用防洪庫容的機會更多，兩座水庫滿發流量分別為1 110 m³/s和1 300 m³/s，基本相當，在荊江河段有防洪需求時，當水布埡水庫來水較大，其攔蓄后下泄加上水布埡—隔河巖區間來水，隔河巖水庫基本也有水可攔；反之，當水布埡水庫來水不大時攔不到水，如果水布埡—隔河巖區間來水較大，此時隔河巖仍需動用防洪庫容進行攔蓄。

（5）可相機根據防洪形勢，優化調整水布埡、隔河巖水庫預留庫容。為提高清江梯級水庫防洪庫容有效利用效率，建議在現階段調度規程方案（水布埡水庫、隔河巖水庫各預留5億m³防洪庫容）的基礎上，在荊江河段有防洪需求時，相機增加隔河巖水庫防洪庫容至6億～7億m³，即“水4隔6”“水3隔7”方案。為確保庫尾恩施城區防洪安全，不建議采用“水2隔8”方案。因此，推薦“水4隔6”“水3隔7”方案，以有效利用清江梯級水庫防洪庫容。

考慮到兩庫地理分布位置，在實時調度中，可依據相關水文氣象預報成果，適時調整兩庫間預留的防洪庫容：① 當清江地區洪水以水布埡壩址以上洪水為主時，適當增加水布埡水庫防洪庫容以有效攔蓄上游洪水，更有利于流域防洪；② 當清江地區洪水以水布埡—隔河巖區間洪水為主或者洪水地區組成不明確時，將防洪庫容預留在下游隔河巖水庫相對更為有利。需要說明的是，鑒于清江水布埡水庫以上和水布埡—隔河巖區間屬于同一暴雨區，洪水同步性很高，對兩部分來水組成進行更細區分，難度較大。

（6）實際洪水來臨時清江梯級水庫防洪庫容動用少，可適當優化聯合調度方式。針對主汛期實際較大洪水，按照目前“水5隔5”方案，長江洪水較大的“1981·7”典型洪水、“1989·7”典型洪水發生時，清江梯級水庫合計動用防洪庫容分別為0和6.14億m³，清江洪水較大的“1969·7”典型洪水、“1997·7”典型洪水發生時，清江梯級水庫合計動用防洪庫容分別為4.46億m³和5.50億m³，距離總體10億m³防洪庫容尚有一定空間，均剩余較多防洪庫容可用。為此，可在清江梯級水庫僅考慮荊江河段防洪需求的基礎上，探究考慮長江中游城陵磯地區防洪需求的必要性和可行性，以優化清江梯級水庫配合三峽水庫聯合防洪調度方案，進一步有效發揮清江梯級水庫防洪作用^［17］。

3 清江梯級水庫不同防洪庫容分配方案的發電效益分析

隨著清江流域干支流水庫數量的不斷增加，眾多水庫形成有水力聯系和電力聯系并相互作用的流域水庫群，勢必對水布埡、隔河巖、高壩洲等目標電站的入庫徑流產生影響，進而對發電量產生影響。除水布埡、隔河巖、高壩洲3座水電站外，本次計算考慮了清江干流的大龍潭，支流忠建河的桐子營、龍洞、洞坪，馬水河的老渡口等5座調節庫容較大的已建成運用水庫的調蓄作用，水庫群拓撲關系見圖2。

采用清江流域長系列徑流資料進行徑流調節計算，考慮水位頂托影響、水頭損失、出力系數與發電流量關系等多種因素^［18］，分析清江梯級水庫防洪庫容不同分配方案對應的發電效益情況。水庫群聯合調度模型的計算框圖和計算公式等具體參見文獻［19］。

清江梯級水庫不同防洪庫容分配方案的發電效益結果見表3和圖3。分析可知，對于清江梯級水庫不同的防洪庫容分配方案，水布埡、隔河巖、高壩洲3個水庫的發電量及發電量的差異性表現為：

（1） 對于單個水庫發電量，水布埡、隔河巖水庫預留防洪庫容越小，庫水位越高，發電水頭越大，發電量越大；高壩洲水庫則由于幾乎沒有調節能力，發電量變化不大。

（2） 對于梯級總體發電量，隨著隔河巖水庫預留防洪庫容的增加，梯級水庫發電量呈現先增加后減小的變化趨勢，即在一定范圍內，隔河巖水庫預留防洪庫容越大，梯級發電量越高，隔河巖水庫預留防洪庫容為6億～7億m³時最多，此后梯級總體發電量逐步變少。水布埡水庫預留防洪庫容越少，相應防洪限制水位越高，導致梯級發電量越大。具體原因分析如下：水布埡、隔河巖水庫額定發電水頭分別為183.50 m和103.00 m，多年實際發電水頭分析表明水布埡電站存在一定的出力受阻現象，為此抬高水布埡水庫運行水位、降低隔河巖水庫運行水位，可一定程度上增加水布埡電站的水頭和發電量，也可減少隔河巖庫水位對水布埡尾水的頂托影響，進而增加清江梯級總體發電量。

因此，考慮清江梯級水庫預留防洪庫容的分配對梯級發電量的影響，可將更多的防洪庫容預留在下游隔河巖水庫（按照“水4隔6”“水3隔7”方案）。實際調度中，視來水情況和當前狀況，在確保清江流域防洪安全的前提下，可根據具體場次洪水的發生時間、發生區段，靈活分配水布埡水庫和隔河巖水庫的預留防洪庫容。

4 清江梯級水庫防洪庫容分配方案推薦

基于前述清江梯級水庫不同防洪庫容分配方案的防洪效果、發電效益兩方面綜合分析，建議結合水文氣象預報成果，當洪水量級較大時，可適時在原分配方案基礎上，相機動態分配清江梯級水庫防洪庫容，靈活運用兩庫10億m³防洪庫容以有效應對洪水。推薦按照“水4隔6”“水3隔7”方案進行防洪庫容分配，既可利用清江梯級水庫預留防洪庫容以有效控制清江來水、減少匯入長江干流洪水，從而減少三峽水庫動用防洪庫容，又可適時抬高水布埡水庫運行水位，減少水布埡水庫水頭受阻情況，增加清江梯級水庫總體發電量。

另外，在實際調度中，在推薦方案的基礎上，還可相機進一步細化和調整兩庫預留防洪庫容：當清江洪水以水布埡壩址以上洪水為主時，可適當增加水布埡水庫預留防洪庫容、降低水布埡水庫水位，進一步確保庫尾恩施城區的防洪安全；當水布埡—隔河巖區間洪水較大時，防洪庫容盡可能多配置在隔河巖水庫，可有效防御清江來水，提高對隔河巖水庫下游長陽縣城乃至長江中下游的防洪能力。

5 結 論

本文按照相關批復文件確定的主汛期水布埡水庫、隔河巖水庫的防洪調度方式，考慮上下游防洪需求，設置了水布埡、隔河巖兩座水庫10億m³防洪庫容的7種可行分配方案，結合不同防洪庫容分配方案的防洪作用分析和發電效益分析，建議在現行調度規程方案“水5隔5”的基礎上，推薦按照“水4隔6”“水3隔7”方案進行防洪庫容分配，以進一步發揮清江梯級水庫防洪和興利效益。

此外，研究也發現，如果清江梯級水庫配合三峽水庫僅針對荊江河段開展錯峰調度，在實際長江或清江發生洪水時，清江梯級水庫動用防洪庫容的數量和機會并不多。而目前，隨著以三峽水庫為核心的上游水庫群的建成投運，荊江河段防洪需求已明顯改善，需錯峰時段很少，而城陵磯地區是長江中下游洪災最頻發的地區，上游干支流水庫群在確保本河段、川渝河段防洪安全的前提下，均安排配合三峽水庫攔蓄以減輕城陵磯地區防洪壓力^［20-21］。因此，為最大程度發揮清江梯級水庫配合以三峽水庫為核心的長江干流水庫群聯合防洪調度效益，應充分利用清江梯級水庫10億m³防洪庫容，后續研究將重點關注清江梯級水庫配合三峽水庫對城陵磯防洪調度的方式和作用。

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附件

完整計算結果請掃碼查看：

（編輯：郭甜甜）

Flood control capacity allocation scheme for Qingjiang cascade reservoirsZOU Qiang^1，2，TAN Zhengyu¹，HUANG Di³，FU Qiaoping²，GUO Jun⁴，WEN Yan³

（1.China Three Gorges Corporation，Yichang 443133，China； 2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 3.Qingjiang Hydropower Development Co.，Ltd.，Yichang 443000，China； 4.School of Civil and Hydraulic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

Abstract： Aiming at the total 1 billion cubic meter flood control capacity allocation problem of Qingjiang cascade reservoirs，based on the control conditions and flood control scheduling of Qingjiang cascade reservoirs，seven feasible flood control capacity allocation schemes were present.Then the flood control effects of Qingjiang cascade reservoir that serves as a complement to Three Gorges reservoirs to Jingjiang River Reach as well as the power generation benefits of Qingjiang cascade power stations based on long series of runoff data were analyzed.The research results showed that compared with the original allocation scheme，on the premise of ensuring the safety of upstream and downstream flood control，it was recommended to reserve more flood control storage capacity to the downstream Geheyan Reservoir with the better effect of flood control and power generation.The research conclusions can provide decision-making reference for the scientific application of flood control capacity in actual operation of Qingjiang Cascade Reservoir.

Key words： flood control scheduling；allocation of flood control capacity；benefit analysis；Jingjiang Reach；Qingjiang cascade reservoirs；Three Gorges Reservoir