氣候變化對(duì)三峽水庫運(yùn)行調(diào)度的影響及對(duì)策研究

王方方，鮑正風(fēng)，許 浩

(1. 峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443133；2. 中國電建昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650000)

三峽水利樞紐是長江流域骨干控制工程，具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)、供水等綜合效益，是長江流域防洪體系的重要組成部分，是發(fā)揮長江黃金水道作用的重要樞紐，是穩(wěn)定電網(wǎng)安全的支撐電源點(diǎn)，在長江流域乃至全國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要地位。

三峽水利樞紐正常蓄水位175 m，防洪限制水位145 m，防洪庫容221.5億m3，調(diào)節(jié)庫容165億m3，樞紐建設(shè)經(jīng)歷了圍堰發(fā)電期、初期運(yùn)行期、試驗(yàn)蓄水期到正常運(yùn)行四個(gè)階段。于2010年首次成功蓄水175 m；2016年正式轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行期。

流域氣候變化會(huì)引起流域降水量的改變，從而間接影響流域徑流總量及年內(nèi)分布。三峽水庫建庫以來，長江上游流域干流及各支流降水特征的變化對(duì)水庫入庫過程造成一定影響，水庫來水特征的變化對(duì)水庫原有設(shè)計(jì)調(diào)度方式的適用性提出挑戰(zhàn)。另一方面，氣候變化引起的極端天氣事件如高溫持續(xù)干旱、超強(qiáng)秋汛、汛期大洪水等，對(duì)三峽水庫供水、蓄水、防洪以及應(yīng)急調(diào)度都提出了新的挑戰(zhàn)和更高要求。

綜上所述，氣候變化條件下，三峽水庫來水系列水文特性已發(fā)生一定程度的改變，有必要對(duì)氣候的影響進(jìn)行量化分析，研究來水變化及演變規(guī)律，分析氣候環(huán)境變化對(duì)水庫調(diào)度的新需求，并針對(duì)性從技術(shù)層面和管理層面提出對(duì)策，以指導(dǎo)三峽水庫更有效更充分地發(fā)揮綜合效益。

1 三峽水庫設(shè)計(jì)調(diào)度方式

三峽水庫設(shè)計(jì)調(diào)度方式主要根據(jù)歷史降水特性和水沙條件以及防洪、航運(yùn)、發(fā)電、供水等需求確定，分時(shí)期設(shè)計(jì)調(diào)度方式為：汛期三峽水庫一般按照汛限水位運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生洪水需水庫攔洪消峰時(shí)，三峽水庫在保證大壩安全的前提下，對(duì)長江上游洪水進(jìn)行調(diào)控，提高下游荊江河段的防洪標(biāo)準(zhǔn)至百年一遇，在逢百年一遇至千年一遇洪水時(shí)，配合蓄滯洪區(qū)運(yùn)用，保證荊江河段行洪安全，避免兩岸干堤潰決；蓄水期間水庫最小下泄流量不低于下游航運(yùn)及保證出力相應(yīng)的流量要求，并在滿足防洪、補(bǔ)水等條件下逐步蓄至正常蓄水位，枯水年蓄水過程可適當(dāng)延長；消落期逐步降低庫水位，為下游實(shí)施供水、抗旱、航運(yùn)、生態(tài)等補(bǔ)水調(diào)度?？菟谙溲a(bǔ)水主要滿足不低于電站保證出力及通航流量要求，在汛前逐步消落至防洪汛限水位[1]。

2 長江上游流域氣候變化

氣候變化對(duì)人類生活的影響直觀表現(xiàn)在降雨和氣溫的變化。本文以1963～2017年的55年長系列氣象資料為基礎(chǔ)，針對(duì)降水、氣溫變化展開長江上游流域氣候變化分析。

1)降水量。寸灘站為三峽水庫上游流域控制站，因此以寸灘站為分析站點(diǎn)，分析其55年來降水量變化。結(jié)果顯示：上世紀(jì)60年代以來，上游流域年平均降水量總體呈下降趨勢(shì)(見圖1)。其中上世紀(jì)80年代為節(jié)點(diǎn)，之前降水偏多，之后逐漸下降，下降速率約為17.4 mm/10 a。5年滑動(dòng)平均結(jié)果顯示，降水呈波動(dòng)性變化，波峰主要出現(xiàn)在上世紀(jì)80年代初，2000～2010年間，波谷有多個(gè)，但均相對(duì)較弱，分別出現(xiàn)在上世紀(jì)70年代初、中期、90年代中后期和近幾年。對(duì)于年內(nèi)分布，上游流域整體變化表現(xiàn)為春季、秋季和冬季降水量呈減少趨勢(shì)，而夏季降水由于強(qiáng)度變化影響，降水量呈增加趨勢(shì)。年均降水量的空間分布呈東多西少中間最多。

圖1 上游流域歷年降水量變化過程

2)降雨日數(shù)和強(qiáng)度。分析寸灘站歷年降雨日數(shù)發(fā)現(xiàn)(見圖2)，長江上游流域平均年降水日數(shù)(降雨量≥0.1 mm作為一個(gè)降雨日)也呈顯著下降趨勢(shì)，下降速率為2.9 d/10 a(α=0.001)。5年滑動(dòng)平均結(jié)果顯示，年降水日數(shù)在上世紀(jì)90年代前均高于平均值，波峰分別在70年代后期和80年代中期；90年代變化開始減小。而日平均降水強(qiáng)度則呈增加趨勢(shì)，增大了洪水發(fā)生的概率。

圖2 歷年降水日數(shù)和強(qiáng)度變化過程

3)暴雨日數(shù)和強(qiáng)度。分析寸灘站歷年暴雨日數(shù)和強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)(見圖3)，流域年平均暴雨日數(shù)(降雨量≥50 mm作為一個(gè)暴雨日)呈微弱不顯著的上升趨勢(shì)。從5年滑動(dòng)平均上看，年暴雨日數(shù)有波動(dòng)，但幅度不大，在上世紀(jì)70年代初期和90年代后期出現(xiàn)波谷，70年代后到90年代前期出現(xiàn)3次連續(xù)波峰。暴雨強(qiáng)度也呈輕微的上升趨勢(shì)，80年代后暴雨強(qiáng)度均值大于常年值，且主要集中在汛期，6～8月降水量占全年的一半，同時(shí)也導(dǎo)致大暴雨、特大暴雨次數(shù)和極端降水事件的增多。

圖3 歷年暴雨日數(shù)和暴雨強(qiáng)度變化過程

4)氣溫。長江流域年平均氣溫呈升高趨勢(shì)，平均每10年升高約0.14℃。上游流域西北部由于其特定的地質(zhì)條件和海拔特征，升高趨勢(shì)更為明顯。經(jīng)過預(yù)測(cè)，在三種溫室氣體排放背景下，未來50年流域氣溫總體呈上升趨勢(shì)，增溫幅度約為0.25～0.41℃/10 a[2]。

5)極端天氣事件。①1日極端降水。三峽水庫上游流域1963～2017年中1日極端干旱事件有3個(gè)站點(diǎn)發(fā)生超過10次，主要分布于流域西北和東南。流域中部萬縣市最少為2次。三峽上游最大1日降水量共有2個(gè)站點(diǎn)達(dá)到300 mm以上，出現(xiàn)在流域中部都江堰和峨眉山；中部其他地區(qū)為200～300 mm；其次為流域南部和東部；西北部共23個(gè)站點(diǎn)1日降水量最大值在100 mm以下。②3日極端降水。三峽水庫上游1963～2017年3日降水量極端事件中，有14個(gè)站點(diǎn)發(fā)生9次及以上，流域西北部(金沙江上游源頭)依然最嚴(yán)峻，其次為中部的曲麻萊和南充，出現(xiàn)15次。三峽上游最大3日降水量的分布形勢(shì)同1日最大降雨量分布形勢(shì)。中部都江堰居首，達(dá)694.9 mm；中東部最大3日降水量區(qū)間為300～600 mm，其他地區(qū)則分布在200 mm左右。③連續(xù)極端干旱。三峽上游1963～2017年連續(xù)極端干旱事件有14個(gè)站點(diǎn)發(fā)生10次以上，清水河最多，為20次，其次為遵義14次，其他大部地區(qū)為3～9次。三峽上游最大連續(xù)降水日數(shù)有5個(gè)站點(diǎn)達(dá)到40 d以上，分布在流域中東地區(qū)；金沙江中部和岷沱江西南部共有13個(gè)站點(diǎn)最大連續(xù)降水日數(shù)達(dá)到30 d及以上；其他地區(qū)則為20 d左右。

3 氣候變化對(duì)三峽水庫的影響

氣候變化對(duì)三峽水庫運(yùn)行調(diào)度的影響主要表現(xiàn)在兩方面，一是流域氣候變化引起降水量及氣溫變化，從而改變流域徑流量，進(jìn)而引起三峽來水的變化，對(duì)設(shè)計(jì)調(diào)度方式的適用性提出新的挑戰(zhàn)；二是氣候變化引起極端天氣及特殊水文事件的發(fā)生，對(duì)水庫應(yīng)急調(diào)度也提出更高要求。因此，有必要對(duì)水庫來水變化特性進(jìn)行分析，同時(shí)總結(jié)極端事件對(duì)調(diào)度運(yùn)行的需求，為新環(huán)境下水庫調(diào)度方式的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

3.1 三峽入庫徑流趨勢(shì)性變化

通過對(duì)三峽入庫1963～2017年(2003年以前為宜昌站流量)的年均徑流量變化趨勢(shì)進(jìn)行分析(見圖4)，結(jié)果表明，1963～2017年的年徑流量整體呈下降趨勢(shì)。通過線性趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)，以上世紀(jì)80年代初為節(jié)點(diǎn)，80年代之前實(shí)測(cè)徑流量的平均值大于全系列的多年平均值，之后則相反。

圖4 三峽入庫流量年際變化

進(jìn)一步對(duì)三峽入庫徑流的年內(nèi)分配變化進(jìn)行分析。以2003年為時(shí)間界線，對(duì)比分析2003年前后三峽入庫控制站宜昌站月均流量(見圖5)，結(jié)果可知，2003年之后的多年平均月均流量明顯減少。從分月來看，1～4月份月均流量比2003年之前略有增加；6～12月份的月均流量均有不同程度的下降，主要表現(xiàn)在7～11月，其中8、10月份徑流的下降幅度較為顯著，分別減少3 638 m3/s和6 747 m3/s，其中10月份徑流量所占比例減少最多為3%，汛期來水減少主要受制于降水減少，而蓄水期一方面受上游水庫蓄水搶水，主要原因還是降水減少。在汛期來水減少的背景下，如果三峽水庫在汛期繼續(xù)控制于汛限水位145 m運(yùn)行，洪水將完全作為棄水，無法被資源化利用；蓄水期來水呈明顯減少趨勢(shì)，如繼續(xù)保持10月份起蓄的方式，勢(shì)必造成水庫難以蓄滿，枯水期下游的用水需求將難以保障。

圖5 宜昌站2003年之前和2003年之后月均流量

3.2 年內(nèi)極端豐枯來水明顯增多

通過總結(jié)近5年三峽水庫來水情況發(fā)現(xiàn)，汛期和蓄水期三峽入庫出現(xiàn)4次嚴(yán)重偏枯，1次嚴(yán)重偏豐事件。

1)2013年蓄水期后期，長江流域出現(xiàn)極端干旱。9月下旬和10月上旬較歷史同期大幅減少，分別減少30%和73%，給水庫蓄水帶來很大壓力。

2)2015年汛期，長江上游來水整體偏枯，尤其7、8兩月較多年均值偏枯較嚴(yán)重。三峽壩址來水較多年均值偏枯量達(dá)34%和38%。

3)2016年汛期，長江上游再次出現(xiàn)極端干旱，整體偏枯達(dá)3成，特別是三峽水庫汛末來水異常偏枯，三峽水庫8月下旬平均流量為歷史同期倒數(shù)第7(共計(jì)135年)；三峽 9月上旬平均流量為歷史同期倒數(shù)第1，創(chuàng)歷史同期新低。

4)2017年主汛期長江上游來水較多年平均值整體偏枯，在7月和8月分別偏枯34%和30%。然而到9月中旬蓄水期初期，長江流域降水偏多近二成，其中三峽壩址偏多五成多。受三峽區(qū)間連續(xù)強(qiáng)降雨影響，三峽水庫10月6日8時(shí)入庫流量達(dá)建庫以來同期最大值。

頻繁的極端豐枯來水，給預(yù)報(bào)工作帶來一定困難，同樣精度范圍的預(yù)報(bào)下，極端來水造成的預(yù)報(bào)流量誤差與洪水量級(jí)幾乎成正比。極端來水下的預(yù)報(bào)調(diào)度工作由于不可預(yù)見程度的增加，在極端洪水的防洪調(diào)度中將面臨更大風(fēng)險(xiǎn)，在極端干旱中加大了蓄水難度。

3.3 中下游應(yīng)急調(diào)度對(duì)三峽水庫提出更高要求

高頻的極端天氣事件在長江中下游也產(chǎn)生了不同程度的影響，主要表現(xiàn)在強(qiáng)對(duì)流天氣和極端強(qiáng)降雨造成的次生災(zāi)害。通過長江中下游的極端天氣事件進(jìn)行案例分析，論證極端天氣給水庫防洪、蓄水、消落等工作帶來的挑戰(zhàn)，同時(shí)對(duì)水庫應(yīng)急調(diào)度工作提出更高的要求。

2011年5月期間，長江中下游地區(qū)降水與多年同期相比減少4～6成，遭遇60年來最嚴(yán)重干旱。部分水庫接近死水位，給湖區(qū)生態(tài)和百姓生活帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)。三峽水庫加大下泄力度，為長江中下游補(bǔ)水，一定程度緩解旱情。

2015年6月1日，長江中下游出現(xiàn)龍卷風(fēng)，造成“東方之星”客輪傾覆。72 h內(nèi)三峽水庫出庫流量下降10 000 m3/s，配合在長江下游河段進(jìn)行的“東方之星”游輪救援。

2016年長江中下游在6月30日至7月4日連續(xù)強(qiáng)降雨，長江中下游干流及兩湖幾乎全線超警。2017年同期，長江中下游再次出現(xiàn)大到暴雨，多數(shù)支流站水位達(dá)歷史最高。三峽水庫及時(shí)攔洪錯(cuò)峰，避免了長江上游與中下游洪水的疊加，有效控制險(xiǎn)情。

長江中下游分布的城市承擔(dān)著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中堅(jiān)力量，三峽水庫作為長江流域骨干工程，其應(yīng)急協(xié)助對(duì)流域正常發(fā)展和事件的處理發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。由于長江流域中下游范圍較廣且沿江城市快速發(fā)展，突發(fā)事件增多且隱患增大，對(duì)三峽水庫的應(yīng)急調(diào)度提出更高要求和更多目標(biāo)。

4 應(yīng)對(duì)措施及對(duì)策研究

針對(duì)氣候變化給三峽水庫調(diào)度帶來的影響，分別從技術(shù)層面和管理層面提出對(duì)策和應(yīng)對(duì)措施。一方面，有必要優(yōu)化水庫調(diào)度方式以適應(yīng)氣候變化影響下水庫新的來水條件；另一方面，亟需加強(qiáng)水庫應(yīng)急調(diào)度管理，通過管理體系的完善加強(qiáng)水庫應(yīng)對(duì)災(zāi)害性天氣事件的處置能力。

4.1 基于水文預(yù)報(bào)的水庫優(yōu)化調(diào)度方式

精準(zhǔn)的水情預(yù)報(bào)是水庫展開優(yōu)化調(diào)度的有力工具，基于水文預(yù)報(bào)的三峽水庫汛期及蓄水期調(diào)度方式的優(yōu)化，可保障水庫防洪、航運(yùn)、發(fā)電、供水和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等綜合效益的充分發(fā)揮。氣候變化下降水的減少主要對(duì)蓄水期造成影響，對(duì)水庫的水利蓄滿帶來困難。對(duì)此主要考慮從汛期和蓄水期來展開優(yōu)化調(diào)度。而消落期由于上游水庫的消落，加大了三峽梯級(jí)的來水，緩解了降水減少造成的影響。

1)汛期洪水資源利用。汛期洪水資源利用主要表現(xiàn)在兩方面，其一：主汛期水位抬高保證夏季電力旺盛需求，增加電量效益；其二，汛末適當(dāng)抬高水位，為后期蓄水過程奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)汛期天然來水變少的變化態(tài)勢(shì)，同時(shí)隨著水文預(yù)報(bào)技術(shù)和能力的提升，三峽水庫改變其洪水治理思路，在防洪風(fēng)險(xiǎn)可控前提下，從防御控制洪水逐步往洪水資源化利用轉(zhuǎn)變。汛期結(jié)合短中期水文預(yù)報(bào)，利用有限庫容調(diào)蓄中小洪水，抬高汛期運(yùn)行水位，充分發(fā)揮水庫水頭效益。

另外，三峽水庫在近幾年開始在汛末實(shí)施優(yōu)化調(diào)度。結(jié)合汛末以及蓄水期的來水預(yù)報(bào)，兼顧防洪和蓄水，在趨勢(shì)性及預(yù)報(bào)來水偏枯的情況下，攔蓄汛末洪水資源，利用棄水預(yù)報(bào)預(yù)蓄水，通過提前蓄水、抬高起蓄水位，為水庫的順利蓄滿創(chuàng)造有利條件。

通過兩個(gè)案例證明優(yōu)化調(diào)度方式的有效性。2017年7月中下旬，長江流域持續(xù)高溫少雨，結(jié)合來水預(yù)報(bào)三峽水庫逐步降低控泄標(biāo)準(zhǔn)從28 000 m3/s減到18 000 m3/s，保持較高水位運(yùn)行，在汛期嚴(yán)重干旱的情況下利用水頭效益保障電網(wǎng)迎峰度夏。2015年汛末期，在預(yù)報(bào)近期來水較小，長江中下游地區(qū)防洪壓力不大的情況下，為充分利用水資源并與后期蓄水相結(jié)合，三峽水庫運(yùn)行水位逐步抬升，8月下旬按照葛洲壩滿發(fā)不棄水控制出庫攔蓄洪水， 至9月1日0時(shí)，三峽庫水位152.83 m。為枯水年水庫的蓄滿奠定良好基礎(chǔ)。

2)蓄水期實(shí)施梯級(jí)水庫聯(lián)合調(diào)度。三峽水庫在9月1日進(jìn)入蓄水期。在預(yù)報(bào)蓄水期來水偏枯的情況下，延緩上游溪洛渡和向家壩水庫的蓄水到位時(shí)間，以增加三峽水庫的入庫，一方面有利于三峽水庫的蓄水過程，另一方面可增加三峽水庫的水頭,以發(fā)揮電站水頭效益[3]。

2016年9月，三峽入庫來水偏枯較多，蓄水困難。溪洛渡配合三峽蓄水，在原計(jì)劃9月底蓄水到位的基礎(chǔ)上適當(dāng)延遲，利用溪洛渡國慶期間低負(fù)荷蓄水，增加9月三峽入庫水量3.75億m3，同時(shí)增加三峽水庫水位更大發(fā)揮梯級(jí)水庫的水頭效益。

通過上述兩種方式優(yōu)化調(diào)度，三峽水庫結(jié)合水文預(yù)報(bào)，通過提前蓄水、抬高起蓄水位和聯(lián)合調(diào)度的方式來優(yōu)化水庫蓄水進(jìn)程。從2010年開始三峽水庫連續(xù)8年成功蓄至175 m，歷年實(shí)際蓄水過程見圖6。三峽水庫將汛末蓄水與前期防洪運(yùn)用相結(jié)合，汛末洪水資源得到了充分利用，抬高蓄水初期各階段運(yùn)行水位，增加前期蓄水量，有效提高了水庫蓄滿率，同時(shí)減少后期蓄水量，有效減輕了蓄水后期蓄水對(duì)下游的影響。

圖6 三峽水庫2010年～2017年歷年蓄水水位過程

4.2 應(yīng)急調(diào)度管理體系

作為長江流域的骨干工程，三峽水庫在確保防洪發(fā)電安全的前提下，針對(duì)應(yīng)急事件及特殊調(diào)度也作了很多嘗試與貢獻(xiàn)。中國南方雨雪冰凍救災(zāi)；長江口壓咸潮，東方之星施救，為長江中下游防洪補(bǔ)償調(diào)度，寒潮增加出力加大調(diào)峰為電網(wǎng)保電等，逐步形成一套完整的應(yīng)急事件處理體系。

應(yīng)急調(diào)度事件中，三峽水庫以保障社會(huì)利益和生命財(cái)產(chǎn)安全作為出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，通過系統(tǒng)高效的管理方式最大限度地減少或減輕事件損失。在事故發(fā)生之前加強(qiáng)事故預(yù)想和應(yīng)急演練；在事故中高效應(yīng)急會(huì)商，多方面有效溝通，以對(duì)事件進(jìn)行高效處理；在事故解決后對(duì)其做好總結(jié)分析，以為后期工作提供參考。

三峽水庫通過對(duì)特殊事件的應(yīng)急調(diào)度，提高自身對(duì)突發(fā)性事件的應(yīng)急處理能力，并在公共活動(dòng)的助力配合中，帶來顯著社會(huì)效益，凸顯其政治意義和公益價(jià)值。

5 總結(jié)展望

本文重點(diǎn)分析了氣候變化環(huán)境下降雨量的減少對(duì)三峽水庫徑流量的影響，并針對(duì)性提出基于水文預(yù)報(bào)的汛期洪水資源化和蓄水期分期抬高水位的優(yōu)化調(diào)度方式，并實(shí)踐表明改進(jìn)調(diào)度策略的有效性和適用性。進(jìn)一步對(duì)三峽水庫在應(yīng)對(duì)極端天氣造成的特殊事件中的應(yīng)急管理措施進(jìn)行歸納，證實(shí)應(yīng)急調(diào)度體系的積極意義。同時(shí)，隨著今后上游庫群規(guī)模的完善以及水庫調(diào)度經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，可通過流域整體的信息共享提高徑流預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，以協(xié)調(diào)梯級(jí)水庫的調(diào)度運(yùn)行方式，來優(yōu)化流域庫群蓄泄結(jié)構(gòu)。目前流域上游庫群投產(chǎn)時(shí)間較短，大規(guī)模庫群在應(yīng)對(duì)氣候變化中的的聯(lián)合調(diào)度還有待進(jìn)一步深入研究，優(yōu)化潛力有待進(jìn)一步挖掘，以更好地應(yīng)對(duì)氣候變化，發(fā)揮流域統(tǒng)籌協(xié)調(diào)作用。