丹江口水利樞紐汛期運行水位優(yōu)化研究與應(yīng)用

洪興駿　余蔚卿　任金秋　饒光輝　張利升

摘要：丹江口水利樞紐是漢江流域治理開發(fā)保護的關(guān)鍵性控制工程。協(xié)調(diào)防洪與供水等綜合利用任務(wù)，優(yōu)化水庫調(diào)度運行方式，是實現(xiàn)丹江口水庫和南水北調(diào)中線工程安全、平穩(wěn)、高質(zhì)量運行的重要保障。在系統(tǒng)梳理南水北調(diào)中線工程通水以來丹江口水庫調(diào)度所面臨的形勢與問題的基礎(chǔ)上，以汛期運行水位優(yōu)化為主線，在切實保障工程及上下游防洪、供水安全的前提下，開展了汛初控制水位優(yōu)化、汛期運行水位動態(tài)控制、汛末提前蓄水等汛期調(diào)度運用方式的研究和論證。結(jié)果表明：結(jié)合來水預(yù)報，通過對水庫運行條件按照偏于安全的原則進行界定，給予水庫汛期運行水位一定的浮動范圍，可在減少汛前集中消落和汛期棄水的同時，顯著提高丹江口水利樞紐的水資源利用率和后續(xù)供水保障能力。研究成果可為提高丹江口水庫水資源利用率和供水保障程度提供技術(shù)支撐，有利于科學(xué)發(fā)揮丹江口水利樞紐的綜合利用效益。

關(guān)鍵詞：汛初控制水位; 汛期運行水位; 汛末提前蓄水; 動態(tài)控制; 優(yōu)化調(diào)度; 丹江口水利樞紐

中圖法分類號： TV697

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.005

0引? 言

丹江口水利樞紐位于湖北省漢江干流與其支流丹江匯合點下游800 m處，是漢江流域治理開發(fā)保護的關(guān)鍵性骨干工程，也是南水北調(diào)中線工程的供水水源工程，具有防洪、供水、發(fā)電、航運等綜合利用效益。

漢江中下游地區(qū)是漢江防洪的重點，也是長江中下游防洪重點區(qū)之一[1]。漢江流域暴雨具有強度大、歷時短、雨量集中的特點，極易在漢江中下游形成峰高、量大的洪水，加上河道泄流能力沿程減小，洪水來量大和泄流能力不足的矛盾十分突出[2]。丹江口水利樞紐作為漢江流域治理開發(fā)保護的控制性工程，防洪是其首要任務(wù)。為保障漢江中下游防洪安全，要求丹江口水利樞紐汛期預(yù)留足夠的防洪庫容。

同時，丹江口水利樞紐是南水北調(diào)中線工程的水源工程，供水是大壩加高后的首要興利任務(wù)，關(guān)乎國家戰(zhàn)略的支撐保障[3]。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，漢江流域及南水北調(diào)中線受水區(qū)用水需求有所增加，特別是中線供水正從設(shè)計之初的補充水源逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐€受水省市的重要水源，對丹江口供水穩(wěn)定性和保證程度的要求也逐步提高。將汛期較豐來水盡量留蓄在庫中，提高可供水量，是丹江口水庫調(diào)度運行面臨的迫切現(xiàn)實需求。

不難發(fā)現(xiàn)，在丹江口水庫實際調(diào)度中，汛期運行水位是協(xié)調(diào)水庫防洪和供水之間關(guān)系的關(guān)鍵控制變量。圍繞水庫汛期運行水位優(yōu)化控制和中小洪水利用方式，已有了較為系統(tǒng)的理論探討和較為成熟的工程應(yīng)用[4-7]。對于丹江口水庫，也有不少專家學(xué)者圍繞汛期運行水位動態(tài)控制方式進行了探討。賀平等[8]從流域梯級開發(fā)現(xiàn)狀和調(diào)度管理經(jīng)驗等方面，詳細論證了丹江口水庫實施汛期運行水位動態(tài)控制的可行性和條件。周惠成等[9]對漢江流域各分區(qū)不同量級降雨短期預(yù)報的預(yù)見期和可用性進行了比較分析。張艷平等[10]基于漢江流域夏季致洪天氣系統(tǒng)分類，按照預(yù)泄能力約束法，推求了面臨臺風(fēng)或低渦冷鋒等不同成因暴雨洪水類型時，丹江口水庫汛期運行水位變動上限。

總體而言，學(xué)界對于丹江口水庫實施洪水資源化利用的必要性具有一致而明確的共識，但現(xiàn)有研究主要針對水庫主汛期運行水位上浮運用的條件和空間進行論證，而水庫年內(nèi)運用的不同時段，其洪水資源化利用的途徑和面臨的風(fēng)險有所不同，目前尚缺乏對于全汛期不同階段水位控制策略的系統(tǒng)研究。因此，本文擬以切實保障防洪安全為前提，以提高丹江口水庫汛后蓄滿程度和供水保證率為目標(biāo)，以先進的流域水文預(yù)報技術(shù)和水庫風(fēng)險管理理念為依托，以合理利用汛期洪水資源為手段，統(tǒng)籌兼顧，綜合協(xié)調(diào)生態(tài)、電網(wǎng)和航運等需要，對丹江口水庫汛期運行水位進行優(yōu)化，以期全面發(fā)揮水庫綜合利用效益。

1丹江口水庫汛期調(diào)度運用方式與優(yōu)化需求

1.1設(shè)計階段提出的調(diào)度運行方式

丹江口水利樞紐于1958年9月動工興建，1962年后國務(wù)院決定采取分期興建方式，分初期規(guī)模和后期規(guī)模兩期興建，初期工程于1973年底建成。丹江口水利樞紐是南水北調(diào)中線工程的水源工程，大壩加高是南水北調(diào)中線工程的重要組成部分?！兜そ谒麡屑~大壩加高工程初步設(shè)計報告》（以下簡稱《初步設(shè)計報告》）是丹江口水庫建設(shè)規(guī)模論證和正常運行期調(diào)度運用方式制定的重要基礎(chǔ)[11]。

《初步設(shè)計報告》確定水庫防洪調(diào)度采用“預(yù)報預(yù)泄、補償調(diào)節(jié)、分級控泄”的方式進行。在汛期，水庫不發(fā)生洪水時，庫水位不得超過防洪限制水位，防洪限制線為：5月1日起，庫水位逐漸降低，6月20日降至160.00 m（以下除特別注明外，均為資用吳淞高程），6月21日至8月20日為160.00 m，8月21日至9月1日由160.0 m向163.5 m過渡，9月1～30日為163.50 m，10月1～10月10日起可逐步充蓄至170.00 m。在考慮洪水短期預(yù)報的基礎(chǔ)上，根據(jù)下游防洪控制點皇莊站預(yù)報來水的期望值，分級控泄;當(dāng)洪水量級超過1935年同大洪水或秋季P=1%洪水時，不考慮下游防洪要求，轉(zhuǎn)為保證大壩安全。

根據(jù)加高初步設(shè)計階段研究成果，丹江口水利樞紐興利調(diào)度需在優(yōu)先滿足水源區(qū)用水要求的基礎(chǔ)上，盡可能多向北方調(diào)水，并按庫水位高低，分區(qū)進行調(diào)度，盡可能使供水均勻，提高枯水年調(diào)水量。在滿足漢江流域中下游多年平均用水量162億m3、清泉溝多年平均用水量6.28億m3的前提下，向北方受水區(qū)多年平均調(diào)水95億m3。利用向漢江中下游供水流量發(fā)電，電站裝機容量900 MW，多年平均發(fā)電量33.78億kW·h。

1.2調(diào)度規(guī)程提出的汛期水位控制方式

2016年，水利部以水建管〔2016〕377號文批復(fù)了《丹江口水利樞紐調(diào)度規(guī)程（試行）》（以下簡稱《規(guī)程》）[12]，作為加高工程建成后轉(zhuǎn)入后期規(guī)模正常調(diào)度運用的權(quán)威指導(dǎo)性文件。根據(jù)《規(guī)程》：

（1） 汛前水位消落方面，為保證防洪需要，丹江口水庫汛前水位應(yīng)逐步平穩(wěn)消落，6月20日（以下簡稱“汛初”）消落至160.00 m。

（2） 汛期運行水位控制方面，在汛期未發(fā)生洪水時，水庫按不高于防洪限制水位運行;考慮泄水設(shè)施啟閉運行、水情預(yù)報誤差，實時調(diào)度時水庫運行水位可在防洪限制水位以下0.50 m至以上0.50 m范圍內(nèi)變動。

（3） 汛末蓄水方面，10月1日起，視漢江汛情和水文氣象預(yù)報，水庫可以逐步充蓄，10日之后可蓄至正常蓄水位170.00 m。

1.3現(xiàn)行汛期調(diào)度方式優(yōu)化潛力分析

丹江口水利樞紐向北方通水運行以來，以充分發(fā)揮水庫防洪與供水功能為目標(biāo)，有力保障了漢江流域防洪、供水安全和南水北調(diào)中線一期工程安全平穩(wěn)運行，綜合利用效益顯著。然而，受漢江流域來水年際年內(nèi)變化較大的制約，在丹江口水庫汛期調(diào)度運用實踐中，仍然存在庫容使用效率偏低、水資源利用率不高、防洪供水矛盾有待協(xié)調(diào)等問題，調(diào)度方式仍有優(yōu)化潛力。

（1） 由于丹江口水利樞紐機組過流能力相對較小，庫水位160.00 m時滿發(fā)流量僅1 500 m3/s左右。汛初6月20日水位如果按160.00 m控制，若汛期來水偏大，極易造成棄水。

（2） 丹江口水利樞紐日常供水調(diào)度出庫流量接近1 000 m3/s，隨著鄂北水資源配置工程等漢江上游引調(diào)水工程將于近期通水運行，將進一步增加常態(tài)供水任務(wù)。在年際年內(nèi)徑流分配嚴(yán)重不均的情況下，為更好地適應(yīng)新形勢下的常態(tài)供水要求，有必要在防洪風(fēng)險可控的前提下，適當(dāng)抬高汛期運行水位，合理利用洪水資源，以增加丹江口水庫可供水量和汛期調(diào)度的靈活性。

（3） 丹江口水庫年內(nèi)徑流分配相對集中，扣除供水計劃水量，丹江口水庫10月1日之后依靠徑流充蓄163.50～170.00 m之間約62.5億m3庫容的壓力較大，蓄滿率和汛后蓄水位偏低，水庫蓄至170.00 m蓄滿率僅約11%，將對受水對象后續(xù)供水安全保障帶來較大風(fēng)險，不利于水庫供水期綜合利用效益發(fā)揮。

1.4汛期運行水位優(yōu)化目標(biāo)與原則

丹江口水利樞紐汛期運行水位優(yōu)化的目標(biāo)是在切實保障工程及流域防洪安全的前提下，減少棄水，提高水資源利用率，增加可調(diào)水量，提高供水保障程度，為充分發(fā)揮樞紐綜合利用效益提供支撐。

丹江口水利樞紐汛期運行水位優(yōu)化的原則包括：① 切實保障防洪安全，盡可能不降低原規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn);② 合理利用洪水資源，提高供水保證率;③ 統(tǒng)籌兼顧多目標(biāo)需求，實現(xiàn)水庫綜合利用效益最大;④ 與時俱進，采用先進的預(yù)報調(diào)度技術(shù)和理念。

本研究擬圍繞上述目標(biāo)與原則，從汛前水位消落、汛期運行水位動態(tài)控制和汛末蓄水等關(guān)鍵調(diào)度期水庫控制運用方式入手，開展運行水位優(yōu)化，提高水庫全汛期調(diào)度的靈活性和運行效益。

2汛初控制水位優(yōu)化

2.1優(yōu)化思路與研究方法

為減少汛前集中消落及汛期棄水，結(jié)合水庫蓄水情況和汛期來水豐枯程度預(yù)判，在來水偏豐年份，允許水庫自消落期通過適時加大向漢江中下游、清泉溝渠首、陶岔渠首3個口門供水，以增加庫水位消落幅度，控制汛初水位降至160.00 m以下。隨后通過汛期相對豐沛的來水進行回蓄，不但可以增加有效防洪庫容，提高防洪保障能力，還可減少汛期棄水幾率，提高水資源利用率。

由于長期來水預(yù)測存在一定的不確定性，如果汛初控制水位過低，遇汛期來水偏枯年景，水庫利用汛期來水無法充分回蓄，則可能影響漢江中下游及南水北調(diào)中線受水區(qū)供水安全及水庫汛后蓄水。汛期，水庫處于年內(nèi)來水集中時段，一般情況下可按計劃滿足供水需求，降低汛初控制水位對于供水的影響主要體現(xiàn)在汛后蓄水位和下一年度供水的保證程度。

為分析不同汛初控制水位對供水的影響，采用如下分析步驟：以160.00 m作為6月20日控制水位基準(zhǔn)方案，采用1956～2018年長系列旬入庫徑流與近景（考慮鄂北水資源配置工程通水運行）條件下3個供水口門匹配的需水過程，進行逐年水量調(diào)度模擬;設(shè)置156.00，157.00，158.00，159.00 m等4個汛初控制水位加大消落方案，以盡可能減少棄水為原則，允許水庫汛前通過加大供水將水位消落至各控制水位，對比分析不同方案與160.00 m方案在汛期不同時段的水位差異以及對后期供水和蓄水的影響程度。

2.2計算結(jié)果與方案論證

為保證防洪安全，汛期當(dāng)下游沒有防洪需求時，水庫水位一般按不超過防洪限制水位運行。因此，對于不同汛初控制水位，水庫如果能夠利用汛期來水充蓄至防洪限制水位，則此后水庫運行過程只與來水相關(guān)，與汛初按160.00 m控制相比沒有差別，可認為對后續(xù)運行過程沒有影響。特別地，丹江口水庫采用夏、秋季分期汛限水位控制，則水庫能夠利用夏汛期來水蓄至夏季防洪限制水位160.00 m或利用夏-秋汛期來水蓄至秋季防洪限制水位163.50 m，均可不影響后續(xù)供水調(diào)度。6月20日不同控制水位汛期回蓄情況統(tǒng)計如表1所列。

分析表1可知，丹江口水庫即使適當(dāng)降低汛初控制水位，利用6月21日至9月30日期間來水，一般可回蓄至防洪限制水位，不影響汛末蓄水和下一年度供水。汛初水位按159.00，158.00，157.00 m和156.00 m控制，回蓄年份分別減少4，7，10 a和11 a。由于各對比方案均存在汛末水位存在差異的年份，因此有必要分析對后續(xù)供水的影響。考慮丹江口水庫的多年調(diào)節(jié)特性和漢江流域徑流年際變化較大的特點，本文采用6月20日不同控制水位方案下各供水口門多年平均供水量和歷時保證率與160.0 m方案的差別，表征汛前水位加大消落對長期供水的影響，如表2所列。

分析表2可知，隨著汛初控制水位的降低，在汛期來水不足的情況下，水庫水位無法充分回蓄到汛限水位的年份增多，丹江口水庫向陶岔渠首和清泉溝渠首的多年平均供水量和歷時保證率均有所降低。對于漢江中下游，由于汛前消落過程中，相較于向陶岔和清泉溝渠首所增加的供水流量，通過增加機組下泄流量向漢江中下游供水，在供水總增量中的占比升高，顯著增加了這一階段向漢江中下游的供水流量。即便由于汛期來水不足，水庫回蓄不夠充分，供水歷時保證率有所降低，但多年平均供水量與160.00 m方案相比依然有所增加。另一方面，隨著汛初控制水位降低，顯著減少了運行棄水。

總體而言，汛初控制水位159.00，158.00 m方案與160.00 m相比，對供水影響不大。由表2可知，汛初水位按158.00～159.00 m控制，向陶岔渠首多年平均供水量僅減少0.3億m3，供水歷時保證率僅減少0.3%～0.5%。由此可知，夏汛期來水偏豐的年份，在一定范圍內(nèi)降低汛初控制水位，對后期供水影響風(fēng)險可控。綜合考慮上述各方案的回蓄風(fēng)險及實時預(yù)報調(diào)度需要，丹江口水庫6月20日水位在不高于160.00 m的基礎(chǔ)上，為減少汛前集中消落棄水，并與實際調(diào)度銜接，應(yīng)結(jié)合實時水情與預(yù)報動態(tài)調(diào)整，若預(yù)報來水偏豐，控制水位可適當(dāng)降低，以進一步提高庫容利用效率。

2.3調(diào)度實例與效果分析

以丹江口水利樞紐2020年汛前消落期——夏汛期調(diào)度實踐為例，分析汛前加大消落策略對于汛期調(diào)度的作用，水庫運行過程如圖1所示。

分析圖1可知，2020年3月初，水庫水位比年度計劃同期水位161.31 m高1.20 m左右。為避免汛前集中消落棄水，自3月中下旬開始，丹江口水庫向漢江中下游、清泉溝渠首、陶岔渠首同步加大供水，出庫流量逐步加大至1 500 m3/s左右，較年度供水計劃同期3個口門正常供水流量750 m3/s左右增加近一倍，至5月上旬，水位消落至夏季防洪限制水位160.00 m。結(jié)合長期來水預(yù)判認為夏汛期來水正常，水庫維持加大供水流量穩(wěn)步消落，至6月11日降至最低157.97 m，增加了汛期可用于防洪的庫容約16億m3，也避免了漢江中下游防洪形勢尚不緊張的6月下旬至7月上旬期間不必要的棄水。

3汛期運行水位動態(tài)控制方式

3.1優(yōu)化思路與研究方法

汛期考慮根據(jù)降雨洪水滾動預(yù)報，在上下游水情、工情條件許可的前提下，或在洪水過后水位消落過程中，當(dāng)預(yù)報天氣形勢明朗、無雨無洪時，允許庫水位適度上浮運行，可有效提高水資源利用效率。

丹江口水庫汛期運行水位動態(tài)方案控制參數(shù)的確定主要受預(yù)報信息可用性和預(yù)泄時段內(nèi)漢江中下游允許安全泄量限制。漢江流域短中期降雨預(yù)報精度評定表明[13]：當(dāng)預(yù)見期內(nèi)預(yù)報無雨時，實際發(fā)生中雨及以上量級的頻率很低;3 d預(yù)見期內(nèi)短期降雨預(yù)報合格率較高、漏報率較低;4～7 d預(yù)見期內(nèi)中期降雨預(yù)報對降雨過程有較好把握。根據(jù)匯流時間和短中期降雨預(yù)報成果，丹江口水庫入庫洪水的可靠預(yù)見期可采用2～3 d、洪水過程預(yù)報一般采用3～7 d，皇莊站洪水的可靠預(yù)見期可取2～3 d，本研究中漢江流域降雨洪水可靠預(yù)見期取為3 d。考慮無雨無洪時，長江干流水位較低，對漢江中下游泄流能力的頂托影響較小，預(yù)泄期間皇莊站安全泄量夏汛期取為11 000 m3/s，秋汛期取為12 000 m3/s。

綜合考慮丹江口水庫需在可靠預(yù)見期內(nèi)加泄騰出上浮運用庫容和加泄過程盡可能不增加下游防洪壓力的要求，提出如下汛期運行水位分級分段上浮運用方案：① 若預(yù)報3 d內(nèi)丹江口水庫入庫流量與丹江口-皇莊區(qū)間流量之和（以下簡稱“皇莊總?cè)肓鳌保┎怀^5 000 m3/s（夏）或7 000 m3/s（秋），水庫水位可按不超過161.50 m（夏）或165.00 m（秋）運行;② 若預(yù)報3 d內(nèi)皇莊總?cè)肓鞑怀^3 000 m3/s（夏）或5 000 m3/s（秋），水庫水位可在①的基礎(chǔ)上繼續(xù)上浮不超過0.5 m，即按不超過162.00 m（夏）或165.50 m（秋）運行。相應(yīng)地，水位上浮后：① 若預(yù)報3 d內(nèi)皇莊總?cè)肓鲗⒊^3 000 m3/s（夏）或5 000 m3/s（秋），丹江口水庫應(yīng)加大下泄流量，將水位降至防洪限制水位以上1.5 m以內(nèi);② 若洪水進一步發(fā)展，預(yù)報3 d內(nèi)皇莊總?cè)肓鲗⒊^5 000 m3/s（夏）或7 000 m3/s（秋）時，丹江口水庫應(yīng)進一步加大下泄流量，及時將庫水位降至防洪限制水位。

采用以皇莊站為控制站的“1935.07”和“1975.08”等2個夏季典型洪水，“1964.10”和“1983.10”等2個秋季典型洪水的丹江口水庫入庫、丹江口-皇莊區(qū)間實際洪水地區(qū)組成和P=20%、P=10%、P=5%等不同頻率中小量級設(shè)計洪水過程，利用3 d滾動預(yù)報，在不加重漢江中下游防洪壓力的前提下，按照皇莊站流量不超過11 000（夏）～12 000 m3/s（秋）進行丹江口水利樞紐預(yù)泄能力復(fù)核。對于水庫未能充分預(yù)泄而遭遇較大洪水的不利工況，通過調(diào)洪演算分析對樞紐本身、漢江中下游以及庫區(qū)產(chǎn)生的防洪風(fēng)險。

3.2計算結(jié)果與方案論證

庫水位上浮運行期間，若預(yù)報短中期流域內(nèi)將發(fā)生較強降雨和較大洪水過程，則需在可靠預(yù)見期內(nèi)利用樞紐和漢江中下游河道泄流能力，在保證樞紐和漢江中下游防洪安全的前提下及時宣泄庫中防洪限制水位以上超蓄水量，降低庫水位運行。可靠預(yù)見期內(nèi)不同場次洪水預(yù)泄庫容量統(tǒng)計如表3所列。

分析表3可知：遭遇各場次洪水，滾動預(yù)報皇莊總?cè)肓鲗⑦_到3 000 m3/s（夏）或5 000 m3/s（秋）時，按照下游河道允許安全泄量11 000（夏）～12 000 m3/s（秋）啟動提前預(yù)泄;當(dāng)預(yù)報洪水量級上漲至5 000 m3/s（夏）或7 000 m3/s（秋）之前，丹江口水庫最小可預(yù)泄水量為4.28億m3（夏）和4.85億m3（秋），均大于對應(yīng)需預(yù)泄水量，即夏汛期水位161.50～162.00 m之間庫容4.21億m3，秋汛期水位165.00～165.50 m之間庫容4.67億m3，水庫能夠在可靠預(yù)見期內(nèi)將水位預(yù)降至防洪限制水位以上1.5 m以內(nèi)。同樣地，啟動防洪調(diào)度前，可靠預(yù)見期內(nèi)最小可預(yù)泄水量分別為17.92億m3（夏）和18.59億m3（秋），均大于對應(yīng)需預(yù)泄水量，即水位160.00～162.00 m之間庫容16.60億m3，163.50～165.50 m之間庫容18.24億m3，水庫可在洪水來臨前將庫水位安全預(yù)泄至防洪限制水位。

考慮降雨預(yù)報的不確定性，若出現(xiàn)漏報而遭遇較大洪水時，水庫及漢江中下游可能面臨防洪風(fēng)險。根據(jù)漢江流域落地雨產(chǎn)匯流特性分析，丹江口水庫入庫來水平均匯流時間1～2 d，皇莊區(qū)間來水平均匯流時間1～2 d。結(jié)合已發(fā)生的落地降雨產(chǎn)匯流條件，考慮水庫上浮2.0 m運行后，僅提前1.5 d進行預(yù)泄，此時庫水位可能無法完全回落到防洪限制水位。以遭遇各場次洪水提前預(yù)泄1.5 d后最高庫水位作為起調(diào)水位，采用夏、秋季惡劣典型設(shè)計洪水，按照《規(guī)程》提出的預(yù)報預(yù)泄、分級補償方式進行防洪調(diào)度，并考慮在盡可能不加重下游防洪負擔(dān)的前提下，充分利用河道和杜家臺分蓄洪區(qū)過流能力優(yōu)化泄流過程，結(jié)果如表4所列。

分析表4可知，丹江口水庫夏、秋季汛期運行水位上浮2.0 m后只提前預(yù)泄1.5 d，夏汛期最高起調(diào)水位為161.40 m，秋汛期為164.90 m。遭遇量級小于P=1%設(shè)計洪水，調(diào)洪最高水位均不超過正常蓄水170.00 m，且基本不增加漢江中下游防洪風(fēng)險;遭遇1935年同大洪水或秋季P=1%設(shè)計洪水，為使調(diào)洪最高水位不超防洪高水位171.70 m，夏汛期峰后退水時段最大下泄流量增加6 226 m3/s，但不增加洪峰前后防洪最為緊張時段內(nèi)的下泄流量，秋汛期則增加不明顯?？傮w而言，結(jié)合當(dāng)前水文預(yù)報能力水平，丹江口水庫實施汛期運行水平動態(tài)控制的防洪風(fēng)險基本可控。

庫區(qū)防洪風(fēng)險方面，丹江口水庫庫區(qū)土地征用和移民遷移標(biāo)準(zhǔn)分別為P=20%和P=5%。上浮運用后水庫預(yù)泄不及，起調(diào)水位將高于防洪限制水位，通過上游安康、潘口等控制性水庫攔洪削峰，可有效降低干流入庫點白河站及支流堵河相應(yīng)時段入庫流量，降低回水高程。采用丹江口水庫庫區(qū)斷面和河段糙率資料，構(gòu)建了丹江口水庫庫區(qū)回水計算模型，推求了自預(yù)泄終末最高水位起調(diào)進行防洪調(diào)度過程中庫區(qū)沿程水面線。研究表明，遭遇P=20%和P=5%設(shè)計洪水，丹江口水庫回水外包線分別不超過土地征用線和移民遷移線。綜上，庫區(qū)防洪風(fēng)險可控。

綜合以上分析，考慮到當(dāng)前漢江流域氣象水文預(yù)報能力的提升，在預(yù)報流域無雨或發(fā)生小雨的情況下，流域發(fā)生中等強度以上降雨可以看作小概率事件，因而推薦當(dāng)滿足一定的水工情條件時，水庫運行水位變動上限可在《規(guī)程》規(guī)定的±0.5 m的基礎(chǔ)上，進一步

上浮1.0～1.5 m，即夏汛期運行水位不超過161.50～162.00 m，秋汛期運行水位不超過165.00～165.50 m。當(dāng)預(yù)報水庫將發(fā)生較強降雨和較大洪水時，應(yīng)及時、有效地采取預(yù)泄措施，降低庫水位。

3.3調(diào)度實例與效果分析

以丹江口水利樞紐2021年夏汛期調(diào)度實踐為例，分析汛期運行水位動態(tài)控制對于汛期調(diào)度的作用，如圖2所示。

分析圖2可知，2021年丹江口水庫進入夏汛期后來水較為豐沛平穩(wěn)，考慮上游安康等水庫水位及下游漢口站同期水位均偏低，7月上中旬水庫通過攔蓄徑流逐步上浮水位，至7月下旬初水位上浮至161.00 m。7月下旬水庫遭遇洪峰流量7 310 m3/s的中小量級洪水，丹江口水庫充分發(fā)揮攔洪削峰作用，調(diào)洪最高水位達到161.80 m左右。洪峰過后的退水階段，丹江口入庫流量波動緩?fù)耍紤]漢江中下游防洪形勢，為防范后期遭遇洪水過程水庫預(yù)泄不及的風(fēng)險，丹江口水庫加大下泄流量降低庫水位至161.50 m左右并維持，水庫在滿足供水計劃要求的基礎(chǔ)上，按照機組滿發(fā)流量向漢江中下游供水，增加供水量的同時，提高了發(fā)電效益，綜合效益顯著。8月上旬末，考慮預(yù)報后期將發(fā)生新一輪降雨過程，丹江口水庫及時開啟閘門加大下泄。通過實施汛期運行水位上浮運行，也為順利過渡至秋汛期防洪限制水位163.50 m奠定了良好的基礎(chǔ)。

4汛末運行水位優(yōu)化

4.1優(yōu)化思路與研究方法

考慮到11～12月丹江口水庫來水較少，在保證供水計劃執(zhí)行的前提下，基本已無余水充蓄水庫。因此，在保障防洪安全的前提下，結(jié)合秋汛期來水預(yù)報，在來水相對較豐的9月份適當(dāng)提前預(yù)蓄一部分水量，將有效減少10月份蓄水壓力。水庫實施提前蓄水的關(guān)鍵制約因素在于實施提前蓄水、水位上浮運用之后發(fā)生較大洪水，對樞紐、漢江中下游和庫區(qū)防洪安全的影響。水庫起蓄時機和9月份提前蓄水期間的控蓄水位，是實施提前蓄水的兩個重要控制參數(shù)。

過往研究表明，從丹江口水庫入庫洪峰、洪量和日平均流量等角度來看，9月中旬后段至9月底是丹江口入庫的相對低值區(qū);同時，9月份是丹江口-皇莊區(qū)間來水低值區(qū)，入庫洪水和丹江口-皇莊區(qū)間洪水遭遇的頻率不高[14]。然而，考慮到漢江流域的明顯秋汛特點和徑流月內(nèi)分布的不均勻性，丹江口水庫實施提前蓄水的時機不宜早于9月中下旬。

為分析丹江口水庫秋汛末提前蓄水的空間與風(fēng)險，采用場次實際洪水和不同頻率秋汛期設(shè)計洪水，按照《規(guī)程》提出的防洪調(diào)度方式，對相應(yīng)區(qū)間洪水過程進行補償調(diào)度。根據(jù)不同場次洪水調(diào)洪最高水位與洪水量級的對應(yīng)關(guān)系，可以確定遭遇不超過某一量級洪水所需要預(yù)留的防洪庫容上限;若可靠預(yù)見期預(yù)報洪水不超過某一量級，則水庫運行水位相應(yīng)抬升，預(yù)先充蓄扣除相應(yīng)預(yù)留庫容ΔV后正常蓄水位170.00 m以下的剩余庫容，水位抬升值為

ΔH=H[V（170）-ΔV]-H0

式中：H（·）為庫容-水位轉(zhuǎn)化關(guān)系，V（·）為水位-庫容轉(zhuǎn)化關(guān)系，H0為秋汛期防洪限制水位。

4.2計算結(jié)果與方案論證

采用丹江口水庫蓄水運行以來1968～2020年秋季（9月1日至10月10日前后）洪峰值超過10 000 m3/s的約25場實際場次入庫洪水作為研究對象，分析提前預(yù)蓄空間。統(tǒng)計表明：上述洪水中發(fā)生在9月上、中、下旬和10月上旬的洪水共有9，7，7，2場;入庫洪水洪峰量級基本都不超過秋季10 a一遇（26 800 m3/s），另有大約2/3的典型入庫洪水量級小于秋季5 a一遇秋季入庫洪峰流量（20 900 m3/s）。

考慮到降雨預(yù)報相對于洪水具有相對較長的預(yù)見期，通過氣象水文耦合預(yù)報，可為實時調(diào)度提供更具有前瞻性的防洪形勢預(yù)判。根據(jù)徑流系數(shù)（RC）和土壤前期含水量（PA）對暴雨產(chǎn)流的影響，將場次洪水的3 d洪量轉(zhuǎn)化為預(yù)見期內(nèi)的累積過程降雨量，推求遭遇典型洪水允許起調(diào)水位（提前蓄水期間的控蓄水位上限）與面雨量對應(yīng)關(guān)系，如表5所列。

從偏于安全考慮，以RC=0.5對應(yīng)的累積過程降雨量與場次洪量對應(yīng)關(guān)系作為蓄水期洪水量級的判斷依據(jù)為例，當(dāng)預(yù)見期內(nèi)預(yù)報累積過程面雨量不超過40 mm左右時，可認為場次洪水的3 d洪量不超18.90億m3，相應(yīng)預(yù)留防洪庫容不超過15.27億m3，提前蓄水期間水位可按不超過168.5 m控制。

當(dāng)?shù)そ谒畮炜匦钏惠^高，而預(yù)報的洪水量級較大，丹江口水庫可能存在高水位運行防洪風(fēng)險。水庫剩余防洪能力是蓄水期防洪風(fēng)險動態(tài)評估的有效指標(biāo)。

考慮長期降雨徑流預(yù)報的不確定性，根據(jù)不同起蓄水位及蓄水時間條件下的丹江口水庫蓄水形勢以及防洪能力，推薦9月下旬提前蓄水方案集如表6所列。分析表6可知，如果丹江口水庫在承接前期汛期運行水位上浮運用或防洪調(diào)度后，自165.50 m水位開始逐步蓄水，當(dāng)起蓄時機提前至9月20日，汛后蓄滿率可由15.9%提高至27.0%，此時水庫剩余防洪能力尚可防御20 a一遇左右量級秋汛期洪水;如果起蓄水位進一步由165.50 m抬升至168.50 m，則汛后蓄滿率可相應(yīng)提高至50.8%，但剩余防洪能力僅可防御約5 a一遇量級秋汛期洪水。因此，建議實時調(diào)度過程中，密切關(guān)注來水情況，及時調(diào)整蓄水進程，切實保障丹江口水利樞紐、漢江中下游及庫區(qū)防洪安全。

4.3調(diào)度實例與效果分析

以丹江口水利樞紐2021年秋汛期調(diào)度實踐為例，分析汛末提前蓄水對于水庫首次蓄至正常蓄水位170.00 m的支撐作用，如圖3所示。

2021年，漢江流域遭遇罕見秋汛，8月下旬至10月上旬，共發(fā)生了7次洪峰流量超過10 000 m3/s以上量級的洪水，來水形勢較好，為丹江口首次170.00 m蓄水試驗創(chuàng)造了有利條件。承接過渡期來水，9月初丹江口水庫水位即達到165.20 m。秋汛期水庫調(diào)度運用始終堅持上下游兩利的調(diào)度原則，在防洪風(fēng)險可控的前提下兼顧洪水資源利用實施汛末提前蓄水，結(jié)合來水預(yù)報動態(tài)評估水庫剩余防洪能力，合理制定峰間騰庫和攔洪蓄水策略。進入蓄水期后，水庫又迎來1次洪峰流量超過10 000 m3/s的入庫洪水過程，根據(jù)來水情況實時優(yōu)化調(diào)整出庫流量，精準(zhǔn)控制蓄水進程，于10月10日圓滿完成蓄水任務(wù)。

5結(jié)語與展望

本研究緊密圍繞丹江口水庫汛期運行水位這一關(guān)鍵變量，在辨析流域水文規(guī)律、評估實時預(yù)報精度的基礎(chǔ)上，在防洪和供水風(fēng)險可控的前提下，開展了丹江口水利樞紐汛初水位控制、汛期運行水位動態(tài)控制、秋汛末提前蓄水方式等優(yōu)化研究。以短中期降雨洪水過程預(yù)報信息為基礎(chǔ)，根據(jù)可靠預(yù)見期內(nèi)來水量級，對汛期不同時段設(shè)置了分級判別條件和分段運用空間，形成了全汛期運行水位優(yōu)化控制策略。研究表明：結(jié)合來水預(yù)報，通過對水庫運行條件按照偏于安全的原則進行界定，給予水庫汛期運行水位一定的浮動范圍，可在減少汛前集中消落和汛期棄水的同時，顯著提高丹江口水利樞紐的水資源利用率和后續(xù)供水保障能力，為實施水庫精準(zhǔn)控制提供了理論和實踐參考。

當(dāng)前，生態(tài)環(huán)境保護已成為漢江流域開發(fā)和發(fā)展的必然要求，也對丹江口水庫調(diào)度運用提出了更高的要求。有必要圍繞漢江流域突出水環(huán)境問題和水生態(tài)系統(tǒng)保護痛點，深入開展丹江口水庫應(yīng)急和生態(tài)調(diào)度方式研究，為推進綠色發(fā)展提供支撐。另一方面，漢江上游已建安康、潘口等控制性水庫，可在保證樞紐安全及滿足自身開發(fā)任務(wù)要求的前提下，與丹江口水庫實施聯(lián)合調(diào)度[15]：防洪方面可進行攔洪錯峰，減輕丹江口水庫及漢江中下游防洪壓力;供水方面可適時調(diào)整下泄流量，必要時提高丹江口水庫供水保證程度。因此，有必要在充分依靠和利用水文氣象情報與預(yù)報，堅持預(yù)報調(diào)度的基礎(chǔ)上，進一步與漢江上游控制性水庫群協(xié)同運用，實施聯(lián)合調(diào)度，提升水資源綜合利用效益。

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（編輯：謝玲嫻）

Abstract：Danjiangkou Reservoir is a key control project for the harnessing，development and protection of the Hanjiang River Basin.Coordinating the comprehensive utilization tasks such as flood control and water supply by optimizing the reservoir operation scheme，is an important guarantee for the safe，stable and high-quality operation of Danjiangkou Reservoir and the middle route of South-to-North Water Transfer Project（MSNWTP）.The situation and problems faced by Danjiangkou Reservoir operation since the water supply of the MSNWTP was systematically analyzed.Taking the optimization of operating water level during the flood season as the core，under the premise of ensuring the flood control and water supply safety of the project and upstream and downstream of Hanjiang River Basin，the dynamic control schemes of operating water level from the beginning to the end of flood season were investigated，including optimization of control water level at the beginning of flood season，dynamic control of water level during flood season，and early water storage at the end of the flood season.The results show that relying on the inflow forecast and giving relative safe operation conditions for the reservoir，rising operating water level in a range in the flood season can significantly improve the utilization rate of water resources and the follow-up water supply guarantee capacity of Danjiangkou Reservoir while reduce the centralized fluctuation before the flood season and the abandoned water in the flood season.The research results can provide technical support for improving the utilization rate of water resources and water supply guarantee degree of Danjiangkou Reservoir，which is conducive to scientifically exerting the comprehensive utilization benefits of Danjiangkou Reservoir.

Key words：limited water level at the beginning of flood season;operating water level during flood season;advanced water storage at end of flood season;dynamic control;optimal operation;Danjiangkou Reservoir