三峽水庫綜合利用調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐

劉丹雅，紀(jì)國強(qiáng)，安有貴

（長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010）

三峽水庫綜合利用調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐

劉丹雅，紀(jì)國強(qiáng)，安有貴

（長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010）

為全面提升三峽工程的綜合利用效益，三峽水庫蓄水以來對規(guī)劃設(shè)計的水庫調(diào)度方式進(jìn)行了優(yōu)化研究與實(shí)踐。文章對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析總結(jié)，主要有協(xié)調(diào)防洪、發(fā)電、航運(yùn)、供水和生態(tài)等多目標(biāo)需求的技術(shù)、調(diào)度風(fēng)險控制技術(shù)、調(diào)度決策優(yōu)化技術(shù)、編制調(diào)度規(guī)程以規(guī)范調(diào)度工作等。通過分析以尋求不斷完善三峽水庫綜合利用調(diào)度方式的路徑，力求實(shí)現(xiàn)三峽工程效益最優(yōu)，成為環(huán)境友好且對社會公益性貢獻(xiàn)突出的跨世紀(jì)宏偉工程。

三峽水庫；綜合利用；優(yōu)化調(diào)度決策；風(fēng)險控制

1 前言

三峽工程具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)和枯期向下游補(bǔ)水等巨大的綜合利用效益，其水庫調(diào)度運(yùn)用是實(shí)現(xiàn)這些效益的重要手段。三峽水庫正常蓄水位為175 m，有防洪庫容 221.5億 m3，興利調(diào)節(jié)庫容165億m3，具有年調(diào)節(jié)能力。三峽水庫蓄水運(yùn)用以來，為提前、高效、全面發(fā)揮三峽工程的綜合效益，實(shí)現(xiàn)蓄水175 m的目標(biāo)，結(jié)合水庫蓄水運(yùn)用的實(shí)踐，開展了一系列水庫調(diào)度運(yùn)用方案的深入研究和優(yōu)化工作以及調(diào)度規(guī)程編制工作，為三峽工程的科學(xué)調(diào)度運(yùn)用提供了技術(shù)支撐，對推進(jìn)三峽工程全面發(fā)揮效益起了重要作用。

2 三峽—葛洲壩梯級調(diào)度規(guī)程編制

2003年6月三峽工程開始蓄水至135 m，實(shí)現(xiàn)圍堰發(fā)電及通航，這標(biāo)志著三峽工程從勘測設(shè)計、建設(shè)走向運(yùn)用且逐步發(fā)揮效益的階段。編制調(diào)度規(guī)程、規(guī)范調(diào)度運(yùn)用工作是做好調(diào)度運(yùn)用的重要一環(huán)。長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院負(fù)責(zé)了調(diào)度規(guī)程編制的起草工作。

1）規(guī)程適用階段的劃分。按工程運(yùn)用時段劃分編制相應(yīng)規(guī)程：根據(jù)三峽工程“一級開發(fā)，一次建成，分期蓄水，連續(xù)移民”的建設(shè)方針和工程總體施工安排，三峽工程運(yùn)用要經(jīng)歷圍堰發(fā)電期、初期運(yùn)行期、正常運(yùn)行期等時期。由于各時期工程具備的條件、綜合利用任務(wù)、調(diào)度運(yùn)用都有明顯不同，調(diào)度規(guī)程也按上述3個時期分別編制。隨著三峽工程的建設(shè)進(jìn)程，已編制了圍堰發(fā)電期規(guī)程、初期運(yùn)行期（水位156 m、2007年修訂版）規(guī)程。為了指導(dǎo)175 m試驗蓄水期調(diào)度，2009年編制了《三峽水庫優(yōu)化調(diào)度方案》（以下簡稱《方案》）。按照上述規(guī)程與《方案》，三峽工程取得了巨大的效益。針對三峽工程建設(shè)的特點(diǎn)，按運(yùn)用時段分別編制相應(yīng)規(guī)程的方法不但較好地協(xié)調(diào)了綜合利用各方面的要求，也較好協(xié)調(diào)了工程建設(shè)與初步發(fā)揮效益的矛盾，為調(diào)度規(guī)程逐步完善和提高、形成正常運(yùn)行期規(guī)程打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

2）與葛洲壩水利樞紐的關(guān)系。在流域規(guī)劃及葛洲壩、三峽工程的設(shè)計文件中，都明確指出：有了三峽工程以后，葛洲壩樞紐的主要任務(wù)是進(jìn)行反調(diào)節(jié)，以適應(yīng)航運(yùn)需要，同時兼顧發(fā)電。規(guī)程編制把三峽—葛洲壩梯級作為一個整體，編制了梯級調(diào)度規(guī)程，規(guī)定了兩樞紐聯(lián)合調(diào)度的原則、方式等，也包含葛洲壩樞紐調(diào)度的主要控制條件。

3）規(guī)程的內(nèi)容。主要包含保障安全所需要的對樞紐運(yùn)行控制指標(biāo)的規(guī)定、對建筑物安全監(jiān)測規(guī)定、水文氣象保障方面的內(nèi)容；發(fā)揮防洪、發(fā)電、航運(yùn)效益的調(diào)度內(nèi)容；規(guī)范調(diào)度工作所需進(jìn)行各方面管理的內(nèi)容和加強(qiáng)各方面運(yùn)行管理的原則要求等。三峽工程調(diào)度運(yùn)用涉及面廣、影響范圍大，規(guī)程在總則中明確了調(diào)度權(quán)限、協(xié)調(diào)機(jī)制、管理方式、執(zhí)行程序等重大問題。

4）全面協(xié)調(diào)各方面關(guān)系。三峽工程調(diào)度運(yùn)用要統(tǒng)籌考慮防洪、發(fā)電、航運(yùn)、枯期向下游供水等綜合利用任務(wù)和水庫的長期利用；水庫對水資源調(diào)配要兼顧生態(tài)和下游用水需求；庫水位變動需考慮庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治的要求等多方面；建設(shè)期還需結(jié)合工程建設(shè)的條件，協(xié)調(diào)初步發(fā)揮效益與施工建設(shè)安全。三峽—葛洲壩梯級調(diào)度規(guī)程是全面協(xié)調(diào)各方面需求、規(guī)范調(diào)度管理的重要文件。規(guī)程對協(xié)調(diào)各方面需求的一些重大問題加以明確，制定了相應(yīng)的條款，以便在處理調(diào)度中出現(xiàn)的矛盾時有所遵循。如施工期滯洪措峰的防洪調(diào)度方式、汛期日常運(yùn)行水位問題、汛末蓄水調(diào)度方式、電站調(diào)峰與航運(yùn)要求等。

在《方案》中，還根據(jù)工程運(yùn)用兼顧了供水、生態(tài)等需求，明確了水資源調(diào)度也是三峽水庫的調(diào)度任務(wù)之一，規(guī)定了提高三峽綜合效益的防洪調(diào)度（明確對城陵磯補(bǔ)償調(diào)度的安排）、汛期水位控制運(yùn)用、兼顧下游用水的提前蓄水調(diào)度方式、考慮枯期供水和庫岸穩(wěn)定的水庫消落方式等。

5）調(diào)度專題研究是重要的技術(shù)支撐。規(guī)程的編制建立在大量專題研究基礎(chǔ)上，每個階段的調(diào)度規(guī)程都結(jié)合三峽工程當(dāng)時的運(yùn)用條件、各方面的要求，列出相應(yīng)專題開展研究。正因為有大量研究成果的技術(shù)支撐，加上防洪、發(fā)電、航運(yùn)和運(yùn)行管理等部門參與了規(guī)程的編制工作，才使規(guī)程具有較強(qiáng)的可操作性。

3 提高三峽工程效益的專題研究

3.1 圍堰發(fā)電期提前發(fā)揮補(bǔ)償航運(yùn)流量調(diào)度方案

長江是我國的“黃金水道”，航運(yùn)事業(yè)發(fā)展非常迅速。尤其是三峽工程建成后，淹沒灘險，加大枯期下泄流量，使三峽工程上下游航道條件大為改善。三峽壩下游的葛洲壩樞紐受三峽水庫下泄流量的補(bǔ)償，可以較好地解決因壩下游河床沖刷下切而減小引航道內(nèi)水深，從而影響過閘船舶通行的問題。

根據(jù)葛洲壩船閘運(yùn)行的條件，在枯水期遇來水較少的年份，需要三峽水庫進(jìn)行下泄流量的補(bǔ)償。但在圍堰發(fā)電期，初步設(shè)計安排庫水位維持135 m運(yùn)行，水庫無調(diào)蓄能力。如何應(yīng)對圍堰發(fā)電期遭遇枯水的情況，需針對三峽工程正處在施工階段的建設(shè)條件，研究水庫汛后適當(dāng)抬高蓄水位的調(diào)度運(yùn)行方式，發(fā)揮對航運(yùn)流量的補(bǔ)償作用，以改善葛洲壩下游枯水期通航條件。

圍堰發(fā)電期利用三期圍堰擋水發(fā)電，汛期100年一遇洪水保堰水位為139.8 m，堰頂高程為140.0 m，其上設(shè)有高1.5 m的防浪墻。根據(jù)圍堰運(yùn)用條件，利用汛期度汛庫容，水庫可在汛后蓄水至139.0 m， 庫 水 位 135.0 ～139.0 m 有 庫 容18.4億m3?？菟诳衫眠@部分庫容來補(bǔ)償航運(yùn)流量，提前發(fā)揮三峽水庫改善航運(yùn)條件的作用。

2003年，在確保工程施工安全和增加少量投資的情況下，研究提出了《三峽（圍堰發(fā)電期）水庫汛后蓄水至139 m補(bǔ)償枯水期航運(yùn)流量調(diào)度方案》。在蓄水前完成了相關(guān)工程加固措施和移民安置工作后，2003年11月實(shí)施了汛后蓄水至139 m的方案，枯水期水庫具備了寶貴的調(diào)蓄能力，使三峽工程在圍堰發(fā)電期就開始向下游補(bǔ)水調(diào)度，有效應(yīng)對枯水時可能出現(xiàn)下游航深不足的情況，提前發(fā)揮了三峽水庫改善航運(yùn)條件的作用。利用這部分調(diào)節(jié)庫容，可增加枯期平均下泄流量約230 m3／s，同時抬高了枯期運(yùn)行水頭，增加了圍堰發(fā)電期電站的電量、容量效益，并有利于機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，圍堰發(fā)電期（2003年汛后—2006年汛前）累計增加發(fā)電效益約40億kW·h。

3.2 汛期水位運(yùn)行方式研究

根據(jù)長江中下游防洪的需要和水庫“蓄清排渾”的要求，初步設(shè)計報告中安排三峽水庫汛期（6月中旬—9月底）按汛期防洪限制水位145 m（以下簡稱汛限水位）運(yùn)行，以保證在發(fā)生洪水時，有足夠的防洪庫容進(jìn)行防洪調(diào)度。當(dāng)發(fā)生較大洪水時，水庫攔蓄洪水，水位升高；洪水過后，庫水位逐步降至汛限水位，騰空庫容，以迎接下一場洪水，同時有利于排泄泥沙、控制水庫淤積。

根據(jù)工程運(yùn)行操作的需要（如閘門啟閉時效、來水預(yù)報誤差、日調(diào)節(jié)需要等），并為利用汛期水資源提高工程發(fā)電效益和改善電站機(jī)組運(yùn)行條件，須研究在確保防洪安全的前提下，在汛限水位之上設(shè)置一定的水位上浮運(yùn)行范圍。在尚未來洪水時，庫水位可上浮運(yùn)行，在預(yù)報來洪水時，采取預(yù)報預(yù)泄的調(diào)度方式，使庫水位降至汛限水位。由于在預(yù)報來洪水前須預(yù)泄一定的水量，抬高了下游水位，故要研究不增加長江中下游防洪壓力的控制條件。

三峽水庫的首要任務(wù)是防洪，汛期水位上浮運(yùn)行方式研究的關(guān)鍵技術(shù)是控制防洪風(fēng)險。為確保防洪安全，該方案上浮運(yùn)行水位范圍的選擇原則為，預(yù)泄后：a.保證不影響三峽工程防洪作用的發(fā)揮，即要能保證在洪水到來前庫水位降至汛限水位；b.盡量不增加中下游防洪負(fù)擔(dān)，即水庫上浮運(yùn)行及預(yù)泄至汛限水位期間，下游防洪控制站沙市、城陵磯站水位距堤防警戒水位（該水位是我國防汛部門規(guī)定的各江河堤防需要處于防守戒備狀態(tài)的水位）有充足的余地，也就是下游河道要留有承接預(yù)泄水量的空間，以使水庫預(yù)泄后，上述控制站水位仍可保持在安全狀態(tài)。根據(jù)上述原則，對不同典型的洪水進(jìn)行模擬計算，以預(yù)泄后下游控制站水位不超過允許的安全水位來反推三峽水庫可上浮運(yùn)行的水位。水庫上浮運(yùn)行調(diào)度方式如圖1所示。

圖1 三峽水庫水位上浮運(yùn)行調(diào)度方式示意圖Fig.1 Regulation mode of up－floating water level of Three Gorges Reservoir

水庫上浮運(yùn)行調(diào)度方式以下游控制站水位和上游來水作判別條件，動態(tài)控制水位上浮的最高水位、預(yù)泄時機(jī)、流量，該調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)確保了防洪安全，使防洪風(fēng)險在可控范圍內(nèi)。這種以下游防洪控制站水位所處的狀態(tài)來決策實(shí)時調(diào)度時水庫上浮運(yùn)行的水位，為洪水組成復(fù)雜、下游防洪目標(biāo)重要的三峽水庫找到了可操作的有效調(diào)度方式，同時也為大江大河上防洪任務(wù)重的水庫如何利用汛期水資源提供了可借鑒的經(jīng)驗。

隨著水文預(yù)報水平的逐步提高，留給水庫預(yù)泄的時間可延長，預(yù)泄時平均增加的泄流量可相對減少，對下游水位的影響將減小，利用汛期水資源力度還可加大。以下游控制站水位和上游來水作判別條件，動態(tài)控制水位上浮的最高水位，采取預(yù)報預(yù)泄的運(yùn)行方式較好地實(shí)踐了洪水資源化的理念，合理可行，穩(wěn)妥安全，基本不增加下游的防洪負(fù)擔(dān)。按已實(shí)施的汛限水位上浮1.5 m的調(diào)度方案，可增加年均發(fā)電量1億～4億kW·h。

4 協(xié)調(diào)多目標(biāo)蓄水調(diào)度方式研究

三峽水庫汛后蓄水至正常蓄水位175 m是保障三峽工程綜合利用效益發(fā)揮的控制性指標(biāo)。初步設(shè)計階段考慮防洪和泥沙，安排水庫汛后（10月1日后）由汛限水位145 m開始蓄水，按發(fā)電和下游航運(yùn)要求，蓄水期間下泄流量按不低于電站發(fā)出保證出力相應(yīng)的發(fā)電流量控制。由于三峽水庫汛后蓄水庫容達(dá)221.5億m3，蓄水量大，蓄水期間下泄流量一般比來量減少較多，而三峽工程地處經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，加上汛后天然來水減少和中下游旱情多發(fā)，水庫蓄水與下游各用水要求之間會出現(xiàn)較大的矛盾。近年來，航運(yùn)流量補(bǔ)償、下游取水與抗旱、兩湖（鄱陽湖、洞庭湖）補(bǔ)水需求、防范長江口咸潮入侵等對三峽水庫汛后蓄水期及枯水期下泄流量有了更高的要求。中下游各用水及航運(yùn)、發(fā)電部門希望蓄水前后三峽水庫下泄流量變化盡量平穩(wěn)，并要求提高三峽水庫蓄水期間的最小下泄流量。

三峽水庫汛末蓄水調(diào)度是多目標(biāo)需求最為集中的調(diào)度時段，針對蓄水與下游用水矛盾，研究在確保防洪安全和對泥沙影響不大條件下，利用汛末洪水資源，水庫開始興利蓄水的時間比原初步設(shè)計適當(dāng)提前。在來水較好的9月中下旬，先攔蓄部分庫容，拉長蓄水過程，以提高蓄水期間水庫的下泄流量，減小水庫蓄水對各用水方面的不利影響，保證水庫蓄滿率及保障枯水期調(diào)蓄能力。水庫提前在汛期開始蓄水，主要涉及水庫的防洪和走沙等問題，同時由于改變了初步設(shè)計的調(diào)度方式，還需分析水庫淹沒等方面的約束條件。要解決的主要問題是控制防洪風(fēng)險和減輕對庫尾淤積的影響。研究的主要方面有：

1）汛期洪水特性分析。針對三峽水庫控制流域面積大、洪水組成復(fù)雜和洪水分期不明顯的特點(diǎn)，采用根據(jù)歷史統(tǒng)計資料和對上游支流分期洪水分析，研究提出三峽水庫具有9月中旬后洪水量級明顯小于主汛期的特性，并據(jù)此跨期選樣，設(shè)計9月中旬后的洪水，為汛期分段采用不同調(diào)度方式提供了水文基礎(chǔ)依據(jù)。為考查蓄水時的防洪安全，9月中旬前仍采用設(shè)計的全年洪水，9月中旬后采用設(shè)計的9月中旬后的洪水。

2）分時段擬定調(diào)度控制參數(shù)。為減少9月開始蓄水對防洪、泥沙淤積的影響，研究分時段控制蓄水位上升進(jìn)程，設(shè)定9月底水庫最高控制蓄水位。該水位設(shè)定一方面要考慮控制防洪風(fēng)險，即當(dāng)庫水位已上蓄到某一水位，且又遭遇上游發(fā)生洪水時，在此水位下，水庫實(shí)施防洪調(diào)度要確保中下游防洪安全和大壩安全；另一方面為減輕對庫尾泥沙淤積的影響，分析當(dāng)水位蓄到某水位時，水庫回水會影響到庫尾，在此水位下，水庫走沙影響有多大，是否會造成局部淤積等問題。分段控制下泄流量，根據(jù)下游用水需求的特性，分析水庫蓄滿率與下泄流量的關(guān)系，研究分時段控制水庫蓄水期間的下泄流量，分別設(shè)定9月、10月、11月的水庫下泄流量控制值。

3）汛期水位上浮與汛末蓄水相結(jié)合。針對三峽水庫蓄水期間可能遭遇的上下游來水均枯的情況，水庫采取9月上旬先按汛期水位上浮稍大的方式運(yùn)行，水庫預(yù)蓄一部分，接著汛末蓄水，該蓄水方式可較好應(yīng)對各種來水情況，實(shí)現(xiàn)了在確保防洪安全的條件下有效地利用水資源的目標(biāo)。

4）控制風(fēng)險的調(diào)度措施。包括以下游水位和來水預(yù)報為開始蓄水的判別條件等防范風(fēng)險的調(diào)度措施，即上游來水少，下游水位低時，可進(jìn)一步提前蓄水；反之，將在洪水過后開始蓄水調(diào)度。該判別條件可有效應(yīng)對發(fā)生洪水或旱情等不同來水情況。

5）協(xié)調(diào)多目標(biāo)需求的汛末蓄水調(diào)度方案。分析水庫蓄水任務(wù)，比較不同下泄流量要求下的水庫蓄滿率，研究利用汛末水資源提前蓄水對防洪和泥沙的影響，以及應(yīng)對措施。綜合分析擬定汛后提前蓄水的起始時間、下泄流量控制條件、水庫水位逐步抬升的控制時段和9月底控制蓄水位，提出動態(tài)控制的蓄水方案。

優(yōu)化蓄水調(diào)度方案與初步設(shè)計方案相比，10月蓄水期間的下泄流量可增加約2000 m3／s；在蓄水期間下泄流量提高的條件下，水庫蓄滿率仍可保持在90%左右；提高水資源利用率，可增加年發(fā)電量9億～12億kW·h。2010年三峽水庫實(shí)施了優(yōu)化蓄水調(diào)度方式，在較好地滿足下游用水的條件下，水庫成功實(shí)現(xiàn)了蓄水175 m的目標(biāo)，開始全面發(fā)揮最終規(guī)模的綜合利用效益。

5 結(jié)語

三峽工程投運(yùn)以來，各用水部門結(jié)合運(yùn)用環(huán)境變化，在提高綜合利用效益、保障供水安全和維護(hù)河流生態(tài)方面，對水庫調(diào)度提出了更新、更高的要求。圍繞這些方面開展了大量的協(xié)調(diào)多目標(biāo)需求的綜合利用調(diào)度運(yùn)用方式研究。除上述關(guān)鍵技術(shù)研究涉及的調(diào)度方面外，還對三峽水庫防洪補(bǔ)償調(diào)度方式、枯水期供水及生態(tài)調(diào)度方式等進(jìn)行了研究與實(shí)踐。這幾年的運(yùn)用實(shí)踐表明，通過運(yùn)用不斷分析總結(jié)，逐步研究完善三峽水庫綜合利用調(diào)度方式，可使三峽工程實(shí)現(xiàn)科學(xué)調(diào)度，取得巨大的綜合利用效益。

The research and practice for key techniques of comprehensive utilization and regulation for Three Gorges Reservoir

Liu Danya， Ji Guoqiang， An Yougui

（Changjiang Institute of Survey， Planning， Design and Research， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430010， China）

In order to improve the comprehensive benefits of Three Gorges Project（TGP），the optimal research and practice of planned reservoir regulation mode have been made since the impoundment of Three Gorges Reservoir.Several key techniques are analyzed and summarized， including coordination of multipurpose demands on flood control，power generation， navigation， water supply and ecological protection， risk control of reservoir regulation， optimization of regulation decision and preparation of regulation rules for standardizing the regulation work.The purpose is to seek new ways of improving comprehensive utilization and regulation，so as to realize the maximum economic and social benefits and to make the TGP become an environment－friendly and great trans－century project.

Three Gorges Reservoir； comprehensive utilization； optimal regulation decision； risk control

TV697

A

1009－1742（2011）07－0066－04

2011－05－12

“十一五”國家科技支撐計劃項目（2008BAB29B08）；水利部公益性行業(yè)專項經(jīng)費(fèi)項目（200801035）

劉丹雅（1954—），女，湖南新田縣人，教授級高級工程師，主要從事水利水電規(guī)劃、水庫調(diào)度等方面的研究；E－mail： liudanya＠cjwsjy .com.cn