三峽水庫汛限水位動態(tài)控制可行性研究

李 響，郭生練，趙云發(fā)，胡曉勇

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；2.三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443133）

1 三峽水庫概況

三峽水利樞紐位于湖北省宜昌市三斗坪鎮(zhèn)，壩址控制流域面積100萬 km2。三峽水庫屬河道型水庫，長570～650 km，水面平均寬僅為1.1 km。其壩址（宜昌站）多年 （1882年～2009年）平均流量為14 100 m3/s，平均年徑流量為4 460億 m3，庫容系數(shù)不足4%，具有季調(diào)節(jié)性能 （詳見表1）。

表1 三峽水庫主要特征指標(biāo)

三峽水庫以防洪、抗旱、發(fā)電、航運為主要功能，其中發(fā)電、航運服從于防洪安全。其正常運行期汛期 （6月1日～9月30日）的設(shè)計運用方式是：6月初降至枯水期消落水位155 m，至6月10日水位降低到汛限水位145 m，此后保持該水位運行至9月底，僅當(dāng)長江中下游防洪需要時，水庫按防洪調(diào)度方案攔蓄洪水，庫水位抬高，洪峰過后，庫水位仍降至汛限水位運行[1]。

三峽工程于2003年6月1日開始蓄水，6月10日蓄水至135 m，進(jìn)入圍堰發(fā)電期；2006年10月27日，蓄水至156 m，進(jìn)入初期運行期；2008年，三峽電站26臺機(jī)組全部投入運行，汛后進(jìn)行了175 m試驗性蓄水，最高蓄水位至172.8 m；2009年9月，三峽樞紐三期工程通過驗收，除升船機(jī)外，初步設(shè)計中的各項目已全部完成，汛末從9月15日開始試驗性蓄水，最高蓄水位至171.43 m。

2002年，國家防汛抗旱總指揮部辦公室組織有關(guān)高校和科研院所，對水庫汛限水位動態(tài)控制理論和技術(shù)問題進(jìn)行了專題研究，并已在全國組織兩批水庫進(jìn)行應(yīng)用試點，取得了較好效果。根據(jù)國家防汛抗旱總指揮部關(guān)于開展水庫汛限水位動態(tài)控制試點工作的意見 （國汛 [2005]7號），分析認(rèn)為：三峽水庫具備實施汛限水位動態(tài)控制的條件。

2 水文氣象預(yù)報成果精度分析

2.1 入庫洪水預(yù)報精度分析

一般認(rèn)為，三峽入庫流量由三部分組成，即上游干流寸灘站入流、烏江武隆站入流以及三峽區(qū)間產(chǎn)流 （寸灘、武隆至宜昌段，匯流面積55 907 km2）。三峽水利樞紐蓄水后，河道水力學(xué)特性和洪水特性都發(fā)生了較大改變，三峽區(qū)間預(yù)報進(jìn)行了細(xì)化分區(qū)，重新率定了模型參數(shù)，同時研究了新的預(yù)報方法和手段，建立了長江專家交互式洪水預(yù)報系統(tǒng)[5,6]。

采用三峽水庫2003年～2009年汛期1 d、2 d、3 d預(yù)報 （每日8時預(yù)報）和實際入庫流量資料，根據(jù)SL 250—2000《水文預(yù)報情報規(guī)范》，分析研究三峽水庫汛期入庫流量預(yù)報精度。

由表2可知，三峽水庫1 d、2 d、3 d入庫流量預(yù)報絕對誤差 （AE）最大分別為12 700、144 000、16 900 m3/s，平均值分別為687、1 179、1 763 m3/s；1 d、2 d、3 d預(yù)報相對誤差合格率 （QR）分別為98.59%、96.48%、92.11%，達(dá)到國家水情預(yù)報規(guī)范的甲級標(biāo)準(zhǔn)；1 d、2 d預(yù)報成果的確定性系數(shù)（DC）分別為97.56%、94.12%，達(dá)到甲級標(biāo)準(zhǔn)，3 d預(yù)報成果的確定性系數(shù)為88.52%，達(dá)到乙級標(biāo)準(zhǔn)。實際入庫流量大于55 000 m3/s的1 d、2 d、3 d預(yù)報合格率均是100%，實際入庫流量小于35 000 m3/s的預(yù)報合格率均大于93%。這些說明：三峽水庫大量級和小量級入庫流量預(yù)報較準(zhǔn)確，有利于實施汛限水位動態(tài)控制，有利于充分利用中小洪水資源。

旬平均相對誤差 （MRE）統(tǒng)計如表3所示，1 d預(yù)見期旬平均相對誤差均小于5%，7月中旬以后均小于3%，各旬預(yù)報誤差合格率均大于95%，預(yù)報精度很高；2 d預(yù)見期旬平均相對誤差均在8%以內(nèi)，7月中旬以后均小于6%；各旬合格率均達(dá)到甲級標(biāo)準(zhǔn)，除6月上旬外，均大于95%；除6月上旬，3 d預(yù)見期旬平均預(yù)報誤差均小于10%，7月中旬以后均小于7%，預(yù)報誤差合格率均達(dá)到甲級標(biāo)準(zhǔn)，7月中旬以后均大于90%。表3顯示，整個汛期三峽水庫入庫流量預(yù)報精度都較高，尤其是7月中旬后。

表2 三峽水庫2003年～2009年汛期入庫流量預(yù)報精度統(tǒng)計

表4表明，三峽水庫洪峰流量和峰現(xiàn)時間預(yù)報都較準(zhǔn)確，預(yù)見期大部分達(dá)到了2 d以上；2007年7月28、29日，三峽區(qū)間 （重慶—宜昌）連降暴雨，7月30日8時較29日8時入庫流量增幅達(dá)17 700 m3/s，入庫流量和峰現(xiàn)時間預(yù)報精度相對較差。

表3 三峽水庫2003年～2009年汛期入庫流量旬平均預(yù)報誤差統(tǒng)計 %

表4 三峽水庫2003年～2010年最大入庫洪峰預(yù)報誤差統(tǒng)計

以上統(tǒng)計分析表明，三峽水庫入庫洪水1 d、2 d、3 d預(yù)報，無論從整體和各量級洪水預(yù)報，還是洪峰預(yù)報，精度都較高，洪水預(yù)報信息可以應(yīng)用于防洪預(yù)報調(diào)度和汛限水位動態(tài)控制，提供決策支持。

3.2 降雨預(yù)報精度分析

三峽區(qū)間流域 （上段重慶—萬縣，下段萬縣—宜昌）短期降水預(yù)報內(nèi)容為流域未來12 h、24 h、24～48 h的面平均雨量上下限及相關(guān)天氣形勢分析，本文采用預(yù)報面雨量上下限的平均值作為流域 （重慶—萬縣、萬縣—宜昌）平均面雨量。取2003年～2009年每年4月1日至10月31日 （部分日期無記錄）未來24 h、24～48 h降雨預(yù)報資料為樣本，統(tǒng)計分析降雨預(yù)報的準(zhǔn)確率、空報率、漏報率等特征指標(biāo)值[7]：

降雨預(yù)報確率

漏報率

空報率

式中，n為預(yù)報次數(shù)，m為實際值落于預(yù)報等級區(qū)域內(nèi)的次數(shù)，u是發(fā)布預(yù)報漏報 （實際降雨大于預(yù)報等級域值上限）的次數(shù)。

由以上各式計算的 三峽區(qū)間流域未來降雨預(yù)報精度分析見表5，6。

由表5、6可知，四級降雨預(yù)報對應(yīng)的三峽區(qū)間流域?qū)嶋H日降雨量分布屬于偏態(tài)型，以確率為中心，空報率大于漏報率。三峽區(qū)間流域未來24 h、24-48 h無雨和小雨預(yù)報信息可以用于三峽水庫汛期實時調(diào)度中，中雨預(yù)報信息可以為防洪調(diào)度決策提供參考依據(jù)。

3 來沙特性分析

三峽水庫采用 “蓄清排渾”的調(diào)度原則，減少水庫泥沙淤積。采用1961年～1970年 （初設(shè)采用）和1993年～2009年水沙系列，分析三峽工程1993年初開工以來上游水沙條件變化情況。

表5 三峽區(qū)間流域未來24 h降雨預(yù)報精度分析

長江干流朱沱的水沙特征值，與1961年～1970年系列平均值比較，1993年～2002年系列年均徑流量偏小3.93%，年均輸沙量偏小9.81%，汛期平均徑流量偏小3.55%，汛期平均輸沙量偏小6.71%；2003年～2009系列年均徑流量偏小8.66%，年均輸沙量偏小44.32%，汛期平均徑流量偏小12.36%，汛期平均輸沙量偏小43.4%。

長江支流嘉陵江北碚、烏江武隆的水沙特征值，與1961年～1970年系列平均值比較，1993年～2002年系列年均徑流量偏小30.5%、偏大6.5%，年均輸沙量偏小81.93%、30.03%，汛期平均徑流量偏小28.3%、20.01%，而汛期平均輸沙量偏小80.25%、25.45%；2003年～2009系列年均徑流量偏小19.02%、15.79%，輸沙量偏小86.84%、76.07%；汛期平均徑流量偏小15.92%、19.27%，而輸沙量偏小85.98%、77.31%。

表6 三峽區(qū)間流域未來24～48 h降雨預(yù)報精度分析

與初設(shè)階段1961年～1970年系列比較，三峽工程開工以來的入庫水量相差不大，但上游干支流年均來沙量偏少很多，1993年～2002年系列偏少9.81%～81.93%，2003年～2009年系列偏少44.32%～86.84%。

截至2008年底，長江上中游水土保持重點防治工程累計完成水土流失治理面積9.6萬km2，水土流失面積逐步減少。隨著 “長治”工程的深入實施和上游干支流水庫群的建設(shè)，三峽水庫來沙量將進(jìn)一步減少。上游來沙量的減少，有利于三峽水庫汛期實施汛限水位實時動態(tài)控制。

4 結(jié)語

水庫汛限水位動態(tài)控制充分利用水文氣象預(yù)報和實時工況等信息，在不降低水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)的前提下，實現(xiàn)洪水資源利用。三峽水庫水文氣象預(yù)報精度較高，能夠為汛限水位動態(tài)控制提供準(zhǔn)確預(yù)報信息；長江上中游水土保持重點防治工程取得的重大進(jìn)展和上游水庫群的開發(fā)建設(shè)，使得水庫來沙量較設(shè)計論證階段大幅減少，為實施汛限水位動態(tài)控制提供了有利條件。研究和實施三峽水庫汛限水位動態(tài)控制，不僅能夠充分發(fā)揮其綜合利用效益，而且對其他水庫具有借鑒意義，提升整體水庫調(diào)度管理水平。同時，三峽水庫實施汛限水位實時動態(tài)控制，需進(jìn)一步研究提高入庫流量尤其是三峽區(qū)間洪水預(yù)報精度和延長預(yù)見期，深入研究考慮綜合利用要求的汛限水位動態(tài)控制域和實時控制模型，以及洪水預(yù)報誤差帶來的風(fēng)險和應(yīng)對措施。

［1］長江水利委員會.三峽工程綜合利用與水庫調(diào)度研究［M］.武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

［2］鄭守仁.三峽工程優(yōu)化調(diào)度與洪水資源利用問題的思考 ［J］.武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2009，42（5）:545-549，564.

［3］戴會超，董前進(jìn)，曹廣晶.三峽-葛洲壩梯級水利樞紐調(diào)度技術(shù)集成研究的現(xiàn)狀與展望 ［J］.四川大學(xué)學(xué)報：工程科學(xué)版， 2009，41（4）:1-7.

［4］劉心愿，郭生練，劉攀，等.考慮綜合利用要求的三峽水庫提前蓄水方案［J］.水科學(xué)進(jìn)展， 2009， 20（6）:851-856.

［5］李玉榮，閔要武，鄒紅梅.三峽工程蓄水水文特性變化淺析［J］.水文， 2009， 29（4）:37-39.

［6］曹廣晶，蔡治國.三峽水利樞紐綜合調(diào)度管理研究與實踐［J］.人民長江， 2008， 39（2）:1-4.

［7］王本德，周惠成.水庫汛限水位動態(tài)控制理論與方法及其應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.