長江上游水庫群調(diào)蓄對溪洛渡水庫入庫流量影響分析

楊 芳，梁志明，段堯彬，侯雨坤

（1.長江水資源保護科學(xué)研究所，武漢 430051；2.中國長江三峽集團公司，北京 100038；3.三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心，湖北 宜昌 443133；4.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，武漢 430071）

金沙江為長江上游干流河段，自青海玉樹至四川宜賓，流經(jīng)青海、西藏、四川和云南四省。干流全長3 479 km，天然落差達5 100 m，徑流豐沛穩(wěn)定，水力資源豐富，位居我國十三大水電基地之首。其中，金沙江中游和下游是現(xiàn)階段開發(fā)的重點。中游河段采用龍盤、兩家人、梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯?shù)乩陀^音巖的“一庫八級”開發(fā)方案。下游河段按照烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩四級方案開發(fā)。雅礱江作為金沙江的最大支流，發(fā)源于巴顏喀拉山南麓，于四川攀枝花匯入金沙江，干流全長1 571 km，天然落差3 870 m，水力資源豐富。其中，雅礱江下游錦屏一級、錦屏二級、官地、二灘和桐子林五梯級具備優(yōu)先開發(fā)條件。目前，金沙江中游除龍盤和兩家人外6個水電站均已相繼建成投運；金沙江下游的溪洛渡和向家壩已建成投運，烏東德和白鶴灘正在建設(shè)中，兩電站將分別于2020年、2021年投運；雅礱江下游的五梯級水庫均已建成投運。水庫群及重要電站拓撲圖見圖1。

圖1 長江上游流域水庫群及重要電站拓撲圖Fig.1 Topological graph of reservoirs and hydrologic stations in the upper Yangtze River

金沙江下游溪洛渡-向家壩梯級水庫于2014年全部機組投產(chǎn)發(fā)電。梯級水庫以上金沙江中游流域、雅礱江流域分布有十余座水庫，其中，納入長江流域聯(lián)合防洪調(diào)度的關(guān)鍵控制性水庫共計八座。這些控制性水庫規(guī)模不同，運行特性不一，位置較為零散，運行管理關(guān)系復(fù)雜，不確定性較大，對溪洛渡-向家壩梯級水庫流量預(yù)報作業(yè)、發(fā)電計劃制定、實時調(diào)度造成了較大的影響。

圍繞水庫群下游的水文分析已進行了長期的研究。范繼輝[1]以長江上游為例進行一系列流域生態(tài)模擬調(diào)度研究。常景坤等[2]以府河水系為例，根據(jù)區(qū)域水庫實測調(diào)度成果資料對出庫徑流進行還原還現(xiàn)，將修正后的洪水進行區(qū)域設(shè)計洪水分析。舒為民等[3]結(jié)合上游主要水庫的調(diào)度運行規(guī)則，分析了水庫群建成后三峽入庫流量年變化情況，并結(jié)合其影響對長江上游短期預(yù)報方法進行改進，提升了預(yù)報精度。國內(nèi)外相關(guān)研究大多數(shù)著眼于水利工程建設(shè)和運行對水文情勢下游生態(tài)環(huán)境等方面，在上游水庫群對下游水庫來水、運行調(diào)度影響方面研究較少。有鑒于此，本文開展上游水庫群調(diào)蓄對溪洛渡-向家壩梯級水庫運行影響分析，分析不同時間尺度內(nèi)調(diào)蓄變化過程，探究不同調(diào)度時期調(diào)蓄影響規(guī)律，有助于客觀、科學(xué)認識調(diào)蓄影響廣度與深度，為溪洛渡-向家壩梯級水庫高效運行提供決策參考。

1 上游水庫群調(diào)蓄能力分析

根據(jù)水利部批復(fù)的《2019年長江流域水工程聯(lián)合調(diào)度運用計劃》，溪洛渡-向家壩梯級水庫上游納入長江流域聯(lián)合調(diào)度范圍的水庫共有8座，其中雅礱江流域共2座，金沙江中游流域共6座。如表1所示，這8座水庫總調(diào)節(jié)庫容達1.008×1010m3，總防洪庫容達4.278×109m3，分別為溪洛渡-向家壩梯級水庫總調(diào)節(jié)庫容（7.363×109m3）的1.37倍、總防洪庫容（5.553×109m3）的0.77倍。

表1 上游流域水庫群信息Table 1 Information of reservoir group in the upstream Yangtze river basin

在調(diào)節(jié)庫容流域分布上，金沙江中游流域六座水庫總調(diào)節(jié)庫容為1.802×109m3，占比17.87%，防洪庫容1.778×109m3，占比41.56%。雅礱江流域兩座水庫總調(diào)節(jié)庫容8.280×109m3，占比82.13%，防洪庫容2.500×109m3，占比58.44%。在調(diào)節(jié)庫容分布上，雅礱江流域占據(jù)八成以上，調(diào)蓄空間較大；在防洪庫容流域分布上，兩個流域基本相當(dāng)[4-7]。

從調(diào)節(jié)性能上來看，金沙江中游流域六座水庫，梨園、阿海、龍開口均為日調(diào)節(jié)水庫，金安橋、魯?shù)乩?、觀音巖為周調(diào)節(jié)水庫；雅礱江流域錦屏一級為年調(diào)節(jié)水庫，二灘為季調(diào)節(jié)水庫，中長期調(diào)蓄規(guī)律較為明顯。

2 調(diào)蓄影響分析

2.1 調(diào)蓄流量（水量）計算方法

水庫調(diào)蓄本質(zhì)上是水庫通過自身調(diào)節(jié)庫容，對入庫流量進行時空再分配過程。用水庫庫容變化值表征水庫調(diào)蓄量。根據(jù)水量平衡公式，可知各水庫t時段調(diào)蓄水量、調(diào)蓄流量計算公式如下：

式中：Wtx為調(diào)蓄水量，108m3；Vt+1為t時段末庫容值，108m3；Vt為t時段初庫容值，108m3；Qtx為調(diào)蓄流量，m3/s；Δt為t時段長，s。庫容值根據(jù)水位值查算水庫水位-庫容關(guān)系曲線獲取。

根據(jù)計算公式，可知：當(dāng)Qtx(Wtx＞0)時，該水庫泄水，Qtx(Wtx)為泄水流量（泄水量）；Qtx(Wtx＜0)時，該水庫蓄水，Qtx(Wtx)為蓄水流量（蓄水量）。

為有效衡量上游水庫群調(diào)蓄對溪洛渡水庫的影響，定義調(diào)蓄占比Rtx指標(biāo)，為上游水庫群旬調(diào)蓄流量Qtx與溪洛渡入庫流量Qrk比值，衡量上游水庫群調(diào)蓄流量占溪洛渡實際入庫流量的比重。調(diào)蓄占比絕對值|Rtx|：由于調(diào)蓄占比有正有負，為衡量上游水庫群調(diào)蓄整體影響，引入調(diào)蓄占比絕對值。本次數(shù)據(jù)資料采用溪洛渡-向家壩梯級水庫以上8座重要調(diào)節(jié)水庫2018年旬實際運行數(shù)據(jù)。

2.2 調(diào)蓄過程分析

2.2.1 分期調(diào)蓄規(guī)律

根據(jù)溪洛渡-向家壩梯級水庫運行特性，將一個完整水文年劃分為汛期（7—8月）、蓄水期（9月）與其他時期（1—6月及10—12月）。對溪洛渡-向家壩上游水庫群年調(diào)蓄水量、汛期調(diào)蓄水量、蓄水期調(diào)蓄水量、其他時期調(diào)蓄水量進行對比分析（表2）發(fā)現(xiàn)：（1）金沙江中游流域、雅礱江流域全年調(diào)蓄趨勢基本一致，呈現(xiàn)出汛期攔洪、蓄水期蓄水、其他時期補水的態(tài)勢。在汛期，攔蓄水量達6.007×109m3，減輕了溪洛渡-向家壩梯級水庫的防洪壓力。在其他時期，補水量達5.410×109m3，為溪洛渡-向家壩梯級水庫枯期運行提供了幫助。（2）分流域來看，在汛期及蓄水期，雅礱江流域調(diào)蓄量較金沙江中游流域調(diào)蓄量偏大。這與兩流域水庫調(diào)節(jié)特性有關(guān)。雅礱江流域兩座水庫均為年調(diào)節(jié)水庫，年內(nèi)調(diào)節(jié)空間較大，年度總調(diào)蓄水量接近0。金沙江中游流域六座水庫均為周調(diào)節(jié)、日調(diào)節(jié)水庫，在旬尺度調(diào)蓄分析中，其部分調(diào)蓄作用難以凸顯。

表2 溪洛渡-向家壩上游流域水庫群分期調(diào)蓄水量統(tǒng)計表Table 2 Water storage of reservoir group in the upstream Yangtze river basin

2.2.2 調(diào)蓄量分旬分析

研究選取的八座梯級水庫調(diào)度分期與溪洛渡-向家壩梯級水庫調(diào)度分期并不一致。單一地按照溪洛渡-向家壩梯級水庫分期進行分析，無法細致體現(xiàn)上游水庫群調(diào)蓄過程。因此，對調(diào)蓄影響進行分旬分析。由逐旬調(diào)蓄流量（圖2）和逐旬調(diào)蓄占比絕對值（圖3）可知：（1）旬調(diào)蓄流量過程由雅礱江流域占主導(dǎo)地位。兩流域總計調(diào)蓄流量曲線與雅礱江流域調(diào)蓄流量曲線在大多數(shù)時段趨勢一致。1—5月，兩流域調(diào)蓄流量基本均為補水過程。6—7月，兩流域調(diào)蓄流量基本為蓄水過程。8月金沙江中流域除觀音巖外，其他五座水庫，雅礱江流域兩座水庫均需蓄水，因此，兩流域調(diào)蓄均呈現(xiàn)出蓄水狀態(tài)。9—12月，雅礱江流域處于出入庫平衡，調(diào)蓄過程為少量補水。10月觀音巖水庫蓄水，11月中旬，金沙江流域適當(dāng)蓄水以抬高水位。（2）上游流域調(diào)蓄占比絕對值最大值為59.14%，出現(xiàn)在6月中旬，全年平均值為17.74%。從各調(diào)度分期來看，其他時期調(diào)蓄占比最大，均值為20.61%。在溪洛渡-向家壩梯級水庫蓄水期，由于上游水庫群已基本蓄水完畢，調(diào)蓄空間較小，因此，調(diào)蓄占比僅為1.4%。汛期調(diào)蓄占比為12.96%，這是由于溪洛渡入庫流量較大，調(diào)蓄相對值較小。

圖2 上游流域水庫群調(diào)蓄流量逐旬過程圖Fig.2 The ten-day averaged storage capacity of reservoirs in

圖3 上游流域水庫群調(diào)蓄占比絕對值逐旬過程圖Fig.3 Absolute value of ten-day averaged storage ratio for reservoirs in the upper reaches of the Yangtze river basin

2.3 典型調(diào)蓄案例分析

為細致剖析上游水庫群對溪洛渡入庫流量影響，選取2018年典型入庫流量過程進行日尺度調(diào)蓄影響分析。

2.3.1 7月上中旬?dāng)r蓄洪水

7月8—11日，受高空槽和副高外圍暖濕氣流的共同影響，四川盆地西部一線出現(xiàn)持續(xù)性強降水，強度以暴雨、局地大暴雨為主。受降雨影響，長江上游出現(xiàn)大或特大洪水，經(jīng)長江上游水庫群攔洪削峰、錯峰并演進疊加后，“長江2018年第2號洪水”形成。2號洪水期間，溪洛渡遭遇了建庫以來最大洪水，2018年7月16日14時，入庫洪峰流量達到16 300 m3/s。前期，金沙江中游流域、雅礱江流域水庫群大量攔洪蓄水，減輕了溪洛渡防洪壓力[8-13]。

分析上游八座梯級水庫群7月1—16日出入庫流量過程（圖4）和水位過程（表3）發(fā)現(xiàn)：（1）錦屏一級、二灘兩座水庫防洪庫容較大，在遭遇洪水時，均具備一定的調(diào)蓄能力，水位持續(xù)抬升。至16日末，錦屏一級水庫為防洪累計抬升水位25.92 m，攔蓄洪量1.809×109m3；二灘水庫累積抬升水位18.09 m，攔蓄洪量1.481×109m3。（2）金沙江中游流域六座水庫單庫防洪庫容較為有限，在應(yīng)對洪水過程時，采取的是逐級攔蓄方式。7月1—16日期間，金沙江中游流域總共攔蓄洪量為3.40×108m3。值得注意的是，因水庫調(diào)節(jié)性能、防洪目標(biāo)及洪水過程不同，金沙江中游流域在7月1日至16日運行過程中，部分水庫出現(xiàn)了出庫流量大于入庫流量的情況。

表3 上游流域水庫群2018年7月1—16日調(diào)蓄統(tǒng)計Table 3 Storage of the upstream reservoirs from July 1st to 16th of 2018

圖4 上游流域水庫群2018年7月1日至16日運行過程圖Fig.4 Operation process of reservoir group in the upstream Yangtze river basin from July 1st to 16th in 2018

2.3.2 11月中旬金沙江中游流域回蓄

在2018年11月中旬，金沙江中游流域出現(xiàn)了回蓄現(xiàn)象。現(xiàn)對回蓄過程進一步分析。由圖5可知，在11月1日至20日，除觀音巖水庫外，金沙江中游流域其他五座水庫均呈現(xiàn)出“先消落，后回蓄”的過程[14]。流域水庫群六座水庫在運行過程中，由于其調(diào)節(jié)能力、調(diào)節(jié)性能限制，在中長期尺度上進行分析，易掩蓋其內(nèi)在調(diào)蓄規(guī)律，因此，對日尺度調(diào)蓄規(guī)律跟蹤與研究，分析其內(nèi)在規(guī)律。

圖5 金沙江中游流域水庫群水位運行過程圖Fig.5 Operation process of water level for reservoirs in the middle reaches of the Jinsha River

3 結(jié)論

本文從溪洛渡上游流域梯級水庫群調(diào)節(jié)能力著手，以2018年實際調(diào)度過程為例，定量分析了上游水庫群調(diào)蓄對溪洛渡入庫流量影響程度，細致分析了在溪洛渡水庫各調(diào)度分期內(nèi)，上游水庫群調(diào)蓄影響類型、范圍及水平。針對金沙江中游流域與雅礱江流域水庫調(diào)節(jié)特性不同，選取2018年7月洪水過程、2018年11月金沙江中游流域水庫群回蓄過程作為典型案例，對在兩種不同調(diào)節(jié)情況下水庫群調(diào)蓄影響差異進行了分析，初步探討了不同時間尺度、調(diào)節(jié)類型與上游水庫群調(diào)蓄影響關(guān)系。

（1）金沙江中游流域六座水庫均為周調(diào)節(jié)、日調(diào)節(jié)水庫，旬尺度調(diào)節(jié)規(guī)律不明顯；在雅礱江流域，旬調(diào)蓄流量過程占主導(dǎo)地位。

（2）由于金沙江中游流域六座水庫單庫防洪庫容較為有限，其調(diào)節(jié)能力、調(diào)節(jié)性能受到限制，后續(xù)發(fā)展過程中需更多考慮有限庫容下的聯(lián)合調(diào)度問題。相關(guān)研究成果可為溪洛渡水庫中長期發(fā)電計劃制訂、實時調(diào)度提供有效參考。下一步研究將會對各流域梯級電站運行調(diào)蓄規(guī)律進行探討，嘗試提煉出一般性規(guī)律，為溪洛渡水庫優(yōu)化調(diào)度提供技術(shù)支撐。