丹江口水利樞紐汛末提前蓄水方案研究

董付強，穆青青，王偉，丁洪亮，李加樂

摘要：丹江口水利樞紐是漢江綜合利用開發(fā)治理的關(guān)鍵性水利工程，是南水北調(diào)中線工程的水源水庫，按照調(diào)度規(guī)程，丹江口水庫汛末蓄滿率低。為提高丹江口水庫水資源利用效率，在充分分析汛末提前蓄水必要性的基礎(chǔ)上，通過水文氣象預報耦合，提出了汛末提前蓄水方案。結(jié)合2021年汛末提前蓄水實踐，對提前蓄水的風險和效益進行了分析。結(jié)果表明：實施汛末提前蓄水至少能提高27%以上蓄滿率。蓄水方案可操作性強，能夠為丹江口水庫實際調(diào)度提供可靠的技術(shù)支撐，以進一步發(fā)揮丹江口水利樞紐的綜合效益。

關(guān)鍵詞：水庫調(diào)度； 汛末蓄水； 提前蓄水； 丹江口水庫

中圖法分類號：TV697文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.013

文章編號：1006-0081（2023）09-0079-07

0引言

汛末蓄水是水庫運用過程中的關(guān)鍵階段，直接關(guān)系到水庫效益的充分發(fā)揮［1］，隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，對汛末蓄水提出了更高的要求。丹江口水利樞紐是漢江綜合利用開發(fā)治理的關(guān)鍵性水利工程，也是南水北調(diào)中線一期工程的水源水庫，汛期為了下游防洪保護區(qū)的安全，丹江口水庫嚴格按照汛限水位運行，預留較多的防洪庫容，造成棄水較多，平均每年棄水70億～80億m3。汛后水庫難以蓄滿，年蓄滿率僅為13%左右，蓄滿率低［2-3］。隨著南水北調(diào)中線一期工程供水需求的增加，丹江口水庫已由規(guī)劃時的補充水源轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕?，為提高水庫的蓄滿率，充分發(fā)揮水庫綜合效益，研究汛末提前蓄水十分必要。

目前，對丹江口水庫汛末提前蓄水已有不少研究成果?；糗娷姷龋?］提出若將水庫蓄水時機提前至9月下旬，提前蓄水期控制高水位取164.3 m，水庫汛末年均蓄水量可增加3.3億m3；汪蕓等［5］提出汛末最佳起蓄時間為9月15日，9月蓄水水位上限值為166 m；張婉蕾等［6］提出9月21日起，水庫逐步充蓄，汛末平均蓄水位提高0.8 m；洪興駿等［7］提出9月下旬自165.5 m起開始逐步蓄水，汛后蓄滿率可提高27%；郭生練等［8］提出9月15日之后，在預報判斷華西秋雨不大的情況下，水位可逐步上浮至166.0～167.5 m。

總體而言，現(xiàn)有研究主要集中在結(jié)合汛限水位動態(tài)控制的情況下實施汛末提前蓄水，尚缺乏水文氣象耦合的汛末提前蓄水研究。本文從汛末提前蓄水的必要性、可行性進行分析，結(jié)合降雨預報的汛末提前蓄水進行研究，并基于2021年汛末提前蓄水實踐，對提前蓄水的風險和效益進行分析，以期全面發(fā)揮水庫綜合利用效益。

1丹江口水利樞紐概況

丹江口水利樞紐位于湖北省丹江口市境內(nèi)，壩址位于漢江干流與其支流丹江匯合口的下游800 m處，控制流域面積9.52萬km2。工程分兩期建設(shè)，初期工程1958年開工建設(shè)，1973年底全部建成，大壩加高工程于2005年開工建設(shè)，2013年8月通過蓄水驗收，2014年12月南水北調(diào)中線一期工程正式通水。丹江口水利樞紐轉(zhuǎn)入后期規(guī)模運行，樞紐壩頂高程176.6 m，正常蓄水位170 m，死水位150 m，汛限水位160.0/163.5 m（夏汛/秋汛），水利樞紐的任務(wù)為以防洪、供水為主，結(jié)合發(fā)電、航運等綜合利用。

按照調(diào)度規(guī)程規(guī)定，在汛期未發(fā)生洪水時，水庫按不高于防洪限制水位運行，夏汛期6月21日至8月20日防洪限制水位為160.0 m；8月21～31日為夏汛期向秋汛期的過渡期；秋汛期9月1日至10月10日，其中9月1～30日防洪限制水位為163.5 m。10月1日起，視漢江汛情和水文氣象預報，水庫可以逐步充蓄，10日之后可蓄至正常蓄水位170.0 m?？紤]泄水設(shè)施啟閉運行、水情預報誤差等因素，實時調(diào)度時水庫運行水位可在防洪限制水位上下0.5 m范圍內(nèi)變動。

2汛末提前蓄水必要性與可行性分析

2.1通水以來蓄水情況分析

丹江口水庫通水以來蓄滿率較低，初期工程蓄到正常蓄水位157.0 m的機率只有23%左右。大壩加高后，水庫正常蓄水位從157.0 m提高到170.0 m，相應的秋季汛限水位由152.5 m提高到163.5 m，但汛末蓄水啟蓄時間仍然限定在10月1日。大壩加高前從汛限水位152.5 m蓄水到157.0 m，需蓄水31.30億m3；大壩加高后從163.5 m蓄水到170 m，需蓄水62.54億m3，是大壩加高前的2倍［4］。汛末蓄水壓力陡增，汛末水庫蓄不滿的情形更加顯著，水庫蓄滿率僅為11%。2014年南水北調(diào)中線一期工程通水至2020年，歷年蓄水情況如表1所示。由表1可以看出，丹江口水庫汛末蓄水情況較不理想，水庫最高蓄水位為167.0 m（2017年10月29日），因此有必要實施汛末提前蓄水，爭取多攔蓄有效徑流，使水庫蓄至各階段目標蓄水位。

2.2秋汛期降雨來水分析

受季風氣候影響，丹江口水庫以上流域降水年內(nèi)分配不均，據(jù)統(tǒng)計歷史數(shù)據(jù)分析，9月中旬及以后降雨明顯減少，發(fā)生洪水的概率也較小，防洪壓力相對降低，丹江口水庫9月中旬實施提前蓄水是可行的［5］。通過對丹江口水庫以上流域1986～2015年面均降雨量分析，其中，9月面平均雨量115.8 mm，10月面平均雨量總計69.1? mm（表2），發(fā)現(xiàn)9月中下旬開始，降雨量開始呈現(xiàn)減少趨勢。若在水庫調(diào)度中統(tǒng)一以10月1日開始蓄水，易產(chǎn)生前期棄水過多，后期無法蓄滿現(xiàn)象，大大降低水資源利用率，因此應在9月實施提前蓄水，提高蓄滿率。

2.3蓄水期漢江上游徑流特性分析

丹江口水庫多年平均入庫徑流量374億m3（1956～2018年），通過對徑流年內(nèi)分配進行分析（表3），發(fā)現(xiàn)年內(nèi)分配非常不均，汛期5～10月來水量占年徑流總量的77.6%，年內(nèi)來水有兩個明顯的峰值，分別為7月和9月，來水占年內(nèi)來水量的百分比分別為17.2%與16.3%。根據(jù)調(diào)度實踐經(jīng)驗，11～12月丹江口水庫來水顯著減小，在保證供水計劃執(zhí)行的前提下，基本已無余水充蓄水庫。通過對1956年5月至2018年4月的徑流進行分析（圖1），發(fā)現(xiàn)水庫4～6月平均入庫流量接近多年平均流量，7～10月平均入庫流量大于多年平均流量，11月至次年3月平均入庫流量小于多年平均流量。進一步對1956～2018年長系列9～10月旬徑流來水頻率進行分析（圖2～3），可以看出9月仍然來水較豐，但是年際之間極不均勻，60%的年份9月來水低于1 000 m3/s。10月上旬多年平均來水也較豐，但從頻率曲線上可以看出，主要是由于少數(shù)年份10月上旬發(fā)生洪水，大部分年份10月來水已經(jīng)開始驟減。由此表明：按照調(diào)度規(guī)程，從10月1日開始蓄水，蓄水壓力大，不利于水庫蓄滿，需要抓住9月來水較豐的有利時機，實施提前蓄水。

2.4水庫防洪能力分析

丹江口水庫大壩加高工程完成后，預留防洪庫容由初期的夏-秋汛期的77.2億～55.0億m3提高至110.21億～80.53億m3，漢江中下游河道的防洪能力從20 a一遇提高至100 a一遇，大大減輕了下游的防洪壓力。

按照漢江干流15級梯級開發(fā)，隨著上中游石泉、安康、黃龍灘、潘口、鴨河口、三里坪等具有防洪功能的水庫先后建成投運，漢江流域基本建成了以堤防為基礎(chǔ)，丹江口水庫為骨干，其他干支流水庫、蓄滯洪區(qū)、分流道、河道整治相配合等工程措施與防洪非工程措施相結(jié)合的防洪減災體系，防洪能力顯著提高。同時，根據(jù)長江水利委員會組織編制的《2021年長江流域水工程聯(lián)合調(diào)度運用計劃》，漢江流域7座水庫納入聯(lián)合調(diào)度，漢江上中游水庫群聯(lián)合實施洪水調(diào)度，進一步提高漢江流域防洪安全保障，為丹江口水庫提前蓄水創(chuàng)造了有利條件。

3汛末提前蓄水方案研究

2020～2022年，長江水利委員會組織開展了丹江口水庫優(yōu)化調(diào)度方案的研究工作，獲得水利部批復［9］。按照優(yōu)化調(diào)度方案，丹江口水庫在具備條件的前提下，可以實施提前蓄水，具體條件為：根據(jù)水文氣象預報，丹江口水庫以上9月中下旬不發(fā)生中等強度以上降雨和較大洪水過程時，丹江口水利樞紐管理局可根據(jù)當年天氣形勢和水雨情情況編制提前蓄水計劃，經(jīng)批準后實施。本文按照9月中下旬（9月10日以后）蓄水時機對汛末提前蓄水方案進行研究。

3.1起蓄時機分析

漢江流域具有明顯秋汛和徑流月內(nèi)分布不均勻性等特點，9月中旬后半段至9月底是丹江口入庫的相對低值區(qū)。同時，9月是丹江口-皇莊區(qū)間來水低值區(qū)，入庫洪水和丹江口-皇莊區(qū)間遭遇洪水的頻率不高，故重點分析9月中下旬蓄水時機。

目前，短期1～3 d的定量面雨量預報精度較高，可直接用于水文預報，4～7 d的降雨過程預報較準確，可為水文預報提供更長的預見期。在延伸期預報方面，延伸期預報（一般為10～30 d）作為現(xiàn)有中期預報的延伸，銜接了現(xiàn)有天氣預報（≤10 d）和氣候預測（≥30 d）之間的時間縫隙。為了定量化評價漢江流域延伸期降雨預報效果，以降雨過程來評定延伸期降雨預報，對漢江流域2016～2019年延伸期預報進行評分分析（表4），具體評定標準為：漢江上游及漢江中下游2個分區(qū)任意分區(qū)有1 d或以上時間面雨量大于等于10 mm降雨記為有一次降雨過程。定義如下降雨過程預報評定方式：若預報有n次（n為自然數(shù)）降雨過程，實況有相應次數(shù)的降雨過程，得100分；若預報發(fā)生n次降雨過程，實況為n-1次或n+1次得80分；實況為n-2次或n+2次得60分；實況為n-3次或n+3次得40分；實況為n-4次或n+4次得0分。通過分析發(fā)現(xiàn)，延伸期降雨預報可以較為準確地判斷出預報時效內(nèi)可能出現(xiàn)的降雨過程次數(shù)，但其難以較為準確判斷降雨過程的具體發(fā)生時間和落區(qū)。本文重點研究9月中下旬（9月10日以后）的蓄水時機和方式，在延伸期降雨預報基礎(chǔ)上，滾動短中期降雨水文預報，制定調(diào)度方案，為實際調(diào)度提供決策支撐。

3.2提前蓄水方案研究

按照水利部批復的優(yōu)化調(diào)度方案，根據(jù)水文氣象預報，在9月中下旬（9月10日以后）不發(fā)生中等強度以上降雨和較大洪水過程時，丹江口水庫可以實施提前蓄水?？紤]結(jié)合定量降水預報，3 d預見期的丹江口入庫預報成果可靠性較高，故實際調(diào)度中制作洪水預報時考慮3 d為預見期，并實時滾動預報。將丹江口水庫蓄水運行以來1968～2020年秋季洪峰流量超過10 000 m3/s的25場實際場次入庫洪水作為研究對象。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）與面雨量對應關(guān)系（表5），進而分析提前蓄水方案，以指導實際調(diào)度工作。若可靠預見期預報洪水不超過某一量級，則水庫運行水位相應抬升，預先充蓄扣除相應預留庫容ΔV后正常蓄水位170.0 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。

從表5中看出，假設(shè)前期漢江流域降雨持續(xù)時間長，前期土壤濕度較大，以徑流系數(shù)0.5或PA=70 mm對應的累積過程降雨量與場次洪量對應關(guān)系為例，當有效預見期內(nèi)預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，相應預留防洪庫容不超過15.27億m3，提前蓄水期間水位可按不超過168.5 m控制。通過對蓄水方案分析，在蓄水期根據(jù)降雨預報，通過氣象水文耦合預報，在有效預見期內(nèi)，可以判別不同量級洪水，進而得到水庫提前蓄水可蓄至的最高水位，由此可為實時調(diào)度提供更具有前瞻性的防洪形勢預判，并作為蓄水期實施提前蓄水方案的判斷依據(jù)。

3.3提前蓄水實例

基于2021年的防洪形勢和來水預測預報情況，利用秋汛期的雨洪資源，丹江口水利樞紐實施了汛末提前蓄水，效果顯著。2021年漢江秋雨開始時間較常年偏早明顯，秋雨量明顯偏多，8月下旬至10月，漢江上游總降雨量為1960年以來歷史同期第1位，漢江流域發(fā)生了超20 a一遇的洪水，丹江口水庫自8月23日發(fā)生首場秋季洪水，至10月16日發(fā)生最后一次秋季洪水，期間共發(fā)生8場秋季洪水，持續(xù)時間長達54 d，秋汛累計來水為1969年以來歷史同期第1位。其中最大入庫洪峰24 900 m3/s（9月29日），為近10 a來最大入庫洪峰洪水；最大30 d洪量（天然洪量，229億m3）超全年20 a一遇（226億m3）。

受多場秋季洪水過程影響，丹江口水庫抓住有利時機，實施了汛期運行水位動態(tài)控制和汛末提前蓄水，9月1日水位165.27 m，達到優(yōu)化調(diào)度方案汛期動態(tài)運行水位。之后根據(jù)短中期及延伸期降雨預報，并通過對比分析海溫外強迫因子、前期大氣環(huán)流、臺風特征等主要氣候系統(tǒng)，均顯示1983年與2021年的前期大氣環(huán)流和后期演變存在較大差異，漢江流域后期出現(xiàn)類似于 1983 年全流域持續(xù)性強降水的概率較小，故9月上中旬開始提前編制汛末提前蓄水計劃。該計劃為：根據(jù)短中期及延伸期來水預報，后期無較大場次洪水發(fā)生，且10月預報來水偏枯，建議9月下旬承接9月中旬運行水位實施提前蓄水，按照提前蓄水方案研究，提出9月下旬至10月上旬提前蓄水過程建議（表6）。由表可知，9月中旬末水位控制在167.5～168.0 m，9月末水位控制在169.0～169.5 m，10月上旬末水位控制在169.5～170.0 m。實際調(diào)度過程中，按照蓄水計劃，抓住雨洪有利時機，水庫穩(wěn)步蓄水，于9月底蓄水至169.45 m，10月10日蓄至170.0 m正常蓄水位（圖4）。這是自2013年大壩加高后首次實現(xiàn)滿蓄，為南水北調(diào)中線工程和漢江中下游供水打下堅實基礎(chǔ)，同時秋汛期間丹江口水庫累計攔洪約107億m3，有效降低漢江中下游干流洪峰水位1.5～3.5 m，縮短超警天數(shù)8～14 d，與唐白河超歷史洪水成功錯峰，避免了皇莊以下河段水位超保證水位和杜家臺蓄滯洪區(qū)分洪運用，極大減輕了漢江中下游防洪壓力，綜合利用效益顯著。

4汛末提前蓄水風險與效益

丹江口水庫汛末提前蓄水秉承“防洪安全第一、穩(wěn)妥積極漸進、分級分段控制”的總體原則，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，以流域水文預報技術(shù)和水庫風險管理理念為依托，以合理利用汛末洪水資源為手段，結(jié)合預報分析，合理利用汛期末段洪水資源，在9月提前攔蓄部分水量，抬升9月末控制水位，以減輕10月蓄水壓力，有效提高水庫蓄滿率，進一步發(fā)揮水庫綜合利用效益。

4.1風險分析

4.1.1遭遇不同頻率洪水防洪能力分析

實施汛末提前蓄水，相應會減少預留防洪庫容，如在蓄水期發(fā)生較大洪水，對庫區(qū)、樞紐和漢江中下游防洪安全產(chǎn)生影響。因此，實施汛末提前蓄水，應充分依托短中期降水預報成果，結(jié)合實時雨水情，滾動預測會商研判，合理控制蓄水進程。

通過對不同頻率洪水防洪能力分析（表7），發(fā)現(xiàn)若實施汛末提前蓄水，自166.0 m起調(diào)，可基本保證遭遇20 a一遇洪水丹江口水庫調(diào)洪最高水位不超過正常蓄水位；自167.0 m起調(diào)，可基本保證遭遇10 a一遇洪水丹江口水庫調(diào)洪最高水位不超過正常蓄水位；自168.40 m起調(diào)，可基本保證遭遇5 a一遇洪水丹江口水庫調(diào)洪最高水位不超過正常蓄水位。各條件下水庫最大下泄流量10 866 m3/s，基本沒有因為水庫下泄加重漢江中下游的防洪負擔，保證了漢江中下游的防洪安全。此外，自正常蓄水位170.00 m起調(diào)，不預留防洪庫容，遭遇2 a一遇洪水時，實施預泄調(diào)度，調(diào)洪最高水位169.82 m，也可以保證防洪安全。

4.1.2庫岸地質(zhì)災害風險分析

丹江口水庫庫區(qū)處于低山丘陵區(qū)，地形高差不大，除局部碳酸鹽巖地段坡度較大外，其他庫岸段大部分為中等－中緩坡角。自初期工程運行近40 a來，水庫區(qū)未發(fā)生較大規(guī)模的岸坡失穩(wěn)事件而影響水庫的正常運行情況，岸坡總體穩(wěn)定性較好。大壩加高正常蓄水后，受庫水位影響，預測穩(wěn)定性好的庫段約占17.3%；穩(wěn)定性較好的庫段約占63.5%；穩(wěn)定性較差的庫段約占13.3%；穩(wěn)定性差的庫段約占5.9%。其中，穩(wěn)定性較差、差的庫段主要集中于漢江庫段的堵河口，如孤山中低山峽谷區(qū)、鄖縣盆地、均縣盆地、丹江庫段的淅川盆地、支流堵河右岸等庫段，絕大部分為土質(zhì)岸坡，少量為巖質(zhì)岸坡，易產(chǎn)生較嚴重的塌岸，同時，這些庫段崩滑體較發(fā)育，蓄水后一般穩(wěn)定性差。

丹江口水庫2017年首次蓄水試驗蓄至167 m以來，通過進一步完善監(jiān)測體系和地質(zhì)災害防治隊伍、丹江口水庫地質(zhì)災害防治工作體系，群測群防、安全監(jiān)測、專業(yè)巡視、專家現(xiàn)場研判、應急避險搬遷等各項防災工作有序開展，蓄水期間嚴格按照規(guī)程控制水位變幅，加強監(jiān)測與信息傳遞溝通。通過以上措施，丹江口水庫庫岸地質(zhì)災害風險大大降低，有效防止了地質(zhì)災害風險的發(fā)生，未出現(xiàn)庫岸失穩(wěn)重大事件。

4.2效益分析

丹江口水庫實施汛末提前蓄水可增加水庫汛末蓄水量，對滿足和保障下年度南水北調(diào)中線工程和漢江中下游供水具有重要意義。通過汛末提前蓄水，能有效提高水庫汛末蓄滿率。通過對1956～2018年共63 a長系列分析計算（表8），若汛末蓄水時間提前至9月21日，相較由調(diào)度規(guī)程規(guī)定的10月1日起蓄，從秋汛期運行水位動態(tài)控制上限水位165.5 m起蓄，丹江口水庫蓄滿率由15.9%可提高至27%，如起蓄水位進一步提高，蓄滿率逐步增加。

5結(jié)語

本文通過對丹江口水庫汛末提前蓄水研究，提出了應對不同量級洪水的蓄水方案，為水庫精確、精細、精準調(diào)度提供了理論和實踐參考。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和人們對美好生活的需求，維系良好生態(tài)環(huán)境是丹江口水庫的重要任務(wù)，圍繞漢江流域生態(tài)問題，應在保證防洪安全和滿足南水北調(diào)中線工程供水的前提下，深入開展丹江口水庫的蓄水及調(diào)度方式研究，以應對和預防漢江中下游水華，改善漢江中下游水生態(tài)環(huán)境，充分發(fā)揮水庫的防洪、供水、生態(tài)等綜合效益。

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（編輯：唐湘茜，張爽）

Preliminary study on impoundment in advance at end of flood?season for Danjiangkou Reservoir

DONG Fuqiang，MU Qingqing，WANG Wei，DING Hongliang，LI Jiale

（Reservoir Dispatch Center，Hanjiang Water Resources & Hydropower Group Co.，Ltd.，Wuhan 430048，China）

Abstract： Danjiangkou Reservoir is a key water conservancy project for the comprehensive utilization and development of Hanjiang River.The reservoir is the water source reservoir for the Middle Route of the South-to-North Water Diversion Project.According to the dispatching regulations，Danjiangkou Reservoir has a low storage rate at the end of the flood season.In order to improve the utilization efficiency of water resources in Danjiangkou Reservoir，based on the full analysis of the necessity and feasibility of early impoundment at the end of flood season，the research scheme of early impoundment is proposed through the coupling of hydrometeorological forecasting.Combined with the practice of early impoundment at the end of flood season in 2021，the risks and benefits of early impoundment were analyzed.The results showed that the implementation of water storage in advance at the end of flood can increase the storage rate by more than 27% at least.The water storage scheme was operable and can provide reliable technical support for the actual operation of Danjiangkou Reservoir，so as to give a further full play to the comprehensive benefits of Danjiangkou Reservoir.

Key words： reservoir regulation； advanced impoundment； impoundment at end of flood season； Danjiangkou Reservoir