以三峽為核心的長(zhǎng)江上游水庫群防洪優(yōu)化調(diào)度策略

鄒 強(qiáng),丁 毅,肖 揚(yáng) 帆,喻 杉,徐 興 亞

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010; 2.流域水安全保障湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430010; 3.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司,湖北 宜昌 443133)

0 引 言

長(zhǎng)江在中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中擁有舉足輕重的地位。洪澇災(zāi)害歷來是中華民族心腹之患[1-3],長(zhǎng)江流域暴雨洪澇頻發(fā),嚴(yán)重威脅沿岸防洪安全。作為長(zhǎng)江流域治理開發(fā)保護(hù)的骨干性工程,長(zhǎng)江上游巨型水庫群在保障流域防洪安全、供水安全、生態(tài)安全等方面發(fā)揮著重要作用,有力支撐和保障了國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展[4-6]。但是,受全球氣候變化和人類活動(dòng)的影響,長(zhǎng)江流域極端暴雨事件頻發(fā),流域大洪水伴隨的巨大洪水來量與河道安全泄量的矛盾依然突出[7]。

長(zhǎng)江干流中下游總體防洪標(biāo)準(zhǔn)為防御新中國(guó)成立以來發(fā)生的最大洪水,即1954年洪水,荊江河段防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇,同時(shí)對(duì)遭遇類似1870年洪水應(yīng)有可靠的措施保證荊江兩岸干堤防洪安全,防止發(fā)生毀滅性災(zāi)害;上游一般地區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20～50 a一遇,宜賓、瀘州主城區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇,重慶市主城區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇[1,7-8]。

目前,長(zhǎng)江防洪減災(zāi)體系基本建立。長(zhǎng)江上游初步形成了由干支流水庫、河道整治、堤防護(hù)岸等組成的防洪工程體系,已建成三峽、溪洛渡、烏東德等眾多防洪控制性水庫;長(zhǎng)江中下游基本形成了以堤防為基礎(chǔ),三峽水庫為骨干,其他干支流水庫、蓄滯洪區(qū)、河道整治工程、平垸行洪、退田還湖等相配合的防洪工程體系。長(zhǎng)江流域建成的各類水利工程數(shù)量龐大,干支流已建成水庫5.2萬座,其中,已建成大型水庫303座,總調(diào)節(jié)庫容1 500億m3,總防洪庫容約800億m3。同時(shí),長(zhǎng)江流域氣象水文站網(wǎng)已基本控制流域降雨水情變化,流域水文氣象自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)、預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)為防洪減災(zāi)提供了良好的技術(shù)支撐。

長(zhǎng)江防洪調(diào)度堅(jiān)持“蓄泄兼籌,以泄為主”的指導(dǎo)方針及“江湖兩利,左右岸兼顧,上中下游協(xié)調(diào)”的指導(dǎo)原則。長(zhǎng)江流域防洪以防御1954年洪水為目標(biāo),重點(diǎn)和難點(diǎn)在長(zhǎng)江中游地區(qū)。1954年長(zhǎng)江洪水造成了大范圍的洪災(zāi),長(zhǎng)江中下游地區(qū)災(zāi)情嚴(yán)重,分洪潰口水量達(dá)1 023億m3,損失巨大。1954年洪水特點(diǎn)有[9-10]:① 洪水量大,洪峰水位、流量高。洞庭湖水系、鄱陽湖水系等重要支流、湖泊的洪量幾乎全部超過或接近各水系的大洪水年份,最大流量自城陵磯以下均突破歷史實(shí)測(cè)紀(jì)錄。宜昌、漢口、大通等主要水文站汛期洪量的頻率相當(dāng)于100～200 a一遇。② 峰型肥胖、洪水歷時(shí)長(zhǎng)。長(zhǎng)江上游金沙江及岷江、嘉陵江、烏江等主要支流匯入干流后,在宜昌形成較肥胖的洪峰,全年流量超過40 000 m3/s的持續(xù)時(shí)間達(dá)45 d,這是有記載以來持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的一年。③ 上、中、下游洪水發(fā)生遭遇。中下游地區(qū)洪水推遲到7月份,較一般年份遲了將近1個(gè)月,上游的洪水又提前發(fā)生,如此遭遇情況使得全江各河段干支流洪水過程疊加,相互影響,形成長(zhǎng)江全流域型特大洪水。

近年來,以防御1954年洪水為目標(biāo),相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了重點(diǎn)研究。金興平[7]在分析長(zhǎng)江洪水特性和重要防洪對(duì)象需求的基礎(chǔ)上,采用集合與解耦相結(jié)合的方法,基于就近有效與遏制洪源的原則,提出了長(zhǎng)江上游水庫群“一個(gè)核心、一組骨干和五大群組”的聯(lián)合防洪調(diào)度總體布局,分析了長(zhǎng)江上游21座水庫群的聯(lián)合防洪調(diào)度效果。喻杉等[10]結(jié)合批復(fù)的長(zhǎng)江上游水庫群聯(lián)合調(diào)度方案,基于洪水特性分析將1954年洪水分為4場(chǎng)洪水進(jìn)行調(diào)度,分析了長(zhǎng)江上游21座水庫群聯(lián)合調(diào)度的防洪作用,并指出如果要進(jìn)一步減輕中下游防洪壓力,需對(duì)三峽水庫防洪庫容實(shí)行優(yōu)化利用。張瀟等[11]通過梳理長(zhǎng)江上中游流域控制性水庫與蓄滯洪區(qū)的防洪目標(biāo)及任務(wù),探索了控制性水庫與蓄滯洪區(qū)聯(lián)合防洪調(diào)度方式。上述研究以2020年前建庫水平的長(zhǎng)江上游21座水庫群為對(duì)象開展研究,優(yōu)化了長(zhǎng)江上游水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度方案,取得的研究成果有力支撐了實(shí)際洪水調(diào)度,并展望了烏東德、白鶴灘、兩河口等水庫投入后的防洪調(diào)度格局,為本文提供了研究思路和技術(shù)支撐。然而,上述研究主要基于已批復(fù)水庫群聯(lián)合調(diào)度方案開展研究,尚需在細(xì)化控制指標(biāo)、開展防洪風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上優(yōu)化調(diào)度策略,探索擴(kuò)大三峽水庫對(duì)城陵磯防洪庫容、進(jìn)一步減少中下游超額洪量的可行性。

因此,為適應(yīng)新形勢(shì)下防御流域大洪水的重大需求,優(yōu)化完善長(zhǎng)江水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度的技術(shù)手段,本文針對(duì)實(shí)際發(fā)生的1954年流域性大洪水,基于長(zhǎng)江上游大規(guī)模控制性水庫配合三峽水庫聯(lián)合防洪調(diào)度方案,側(cè)重探索基于防洪控制條件優(yōu)化、防洪風(fēng)險(xiǎn)研判應(yīng)對(duì)的聯(lián)合防洪優(yōu)化調(diào)度策略,并分析比較以三峽水庫為核心的長(zhǎng)江上游水庫群聯(lián)合防洪優(yōu)化調(diào)度效果,提高干支流水庫群防洪能力,為長(zhǎng)江防御大洪水實(shí)時(shí)調(diào)度決策和聯(lián)合調(diào)度方案優(yōu)化提供新思路。

1 納入聯(lián)合調(diào)度范圍的長(zhǎng)江流域水工程

2012年起,隨著調(diào)度研究和管理工作的持續(xù)深入推進(jìn),長(zhǎng)江水利委員會(huì)每年組織編制年度水庫群聯(lián)合調(diào)度方案(2019年后改稱聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃),并逐步擴(kuò)大水庫群規(guī)模以及拓展深度廣度。長(zhǎng)江流域水工程由最初的10座水庫(2012年),逐步擴(kuò)展到17座(2013年)、21座(2014～2016年)、28座(2017年)和40座(2018年);2019年首次納入蓄滯洪區(qū)、排澇泵站和引調(diào)水工程,數(shù)量達(dá)到100座;2020年又新增納入烏東德水庫;2021年新增納入白鶴灘、兩河口、猴子巖、長(zhǎng)河壩、大崗山、江坪河6座水庫;2022年新增納入涔天河、東江、三板溪、托口4座水庫。2023年新增江口、武都2座水庫。聯(lián)合調(diào)度范圍從長(zhǎng)江上游逐步延展至上中游乃至全流域,聯(lián)合調(diào)度目標(biāo)從單一防洪為主向防洪、蓄水、供水、生態(tài)、應(yīng)急等多目標(biāo)綜合調(diào)度轉(zhuǎn)變,逐步形成了以三峽水庫為核心,金沙江下游四座梯級(jí)水庫為骨干,金沙江中游水庫群、雅礱江水庫群、岷江水庫群、嘉陵江水庫群、烏江水庫群、“兩江兩湖水庫群”(清江群、洞庭湖“四水”群、漢江群、鄱陽湖“五河”群)等9個(gè)上中游梯級(jí)水庫群組相配合的長(zhǎng)江水庫群聯(lián)合調(diào)度體系[12]。

至此,根據(jù)水利部最新批復(fù)的《2023年度長(zhǎng)江流域水工程聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃》[13],納入長(zhǎng)江流域聯(lián)合調(diào)度范圍的水工程共計(jì)125處,包括:控制性水庫53座,總調(diào)節(jié)庫容達(dá)1 169億m3,總防洪庫容706億m3;蓄滯洪區(qū)46處,總蓄洪容積583.68億m3;排澇泵站11座,總排澇能力約1 880 m3/s;水閘9座,總設(shè)計(jì)泄流能力約8 078 m3/s;引調(diào)水工程6項(xiàng),年設(shè)計(jì)總引調(diào)水規(guī)模284億m3。

長(zhǎng)江水庫群是流域防洪體系的重要組成部分,根據(jù)流域防洪規(guī)劃和總體安排,上游干支流水庫群預(yù)留了大量防洪庫容,除承擔(dān)所在河流(河段)防洪任務(wù)外,還配合三峽水庫承擔(dān)長(zhǎng)江中下游防洪任務(wù);長(zhǎng)江中下游支流水庫主要承擔(dān)所在流域尾閭防洪任務(wù),與長(zhǎng)江干流水庫群防洪調(diào)度相協(xié)調(diào)。按照2023年度長(zhǎng)江流域水工程聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃[13],當(dāng)長(zhǎng)江中下游發(fā)生大洪水時(shí),三峽水庫聯(lián)合上游金沙江、雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江等干支流水庫,以及清江、洞庭湖水系水庫,以沙市水文站、城陵磯水文站為主要控制目標(biāo),實(shí)施以三峽水庫為核心的水庫群聯(lián)合防洪補(bǔ)償調(diào)度。同時(shí),考慮到洪水地區(qū)組成和遭遇特性,結(jié)合多區(qū)域協(xié)同防洪任務(wù),長(zhǎng)江上中游水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度投入次序原則為:長(zhǎng)江上游先動(dòng)用雅礱江與金沙江中游梯級(jí)水庫攔蓄,再動(dòng)用金沙江下游梯級(jí)攔蓄,必要時(shí)動(dòng)用岷江、嘉陵江、烏江梯級(jí)水庫攔蓄;長(zhǎng)江中游清江、洞庭湖四水、漢江、鄱陽湖五河水庫群在滿足本流域防洪要求的前提下,與三峽水庫相機(jī)配合調(diào)度[7-8,14]。

長(zhǎng)江水庫群作為流域防洪調(diào)度的“王牌”,近年來防洪效益顯著,先后成功應(yīng)對(duì)了2010,2012,2016,2017年和2020年洪水[12,15-16]。綜合考慮水庫的工程規(guī)模、防洪能力、控制作用、運(yùn)行情況等因素,本次選取長(zhǎng)江上游具有控制性的25座水庫群進(jìn)行研究,分布于金沙江中游(梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯?shù)乩?、觀音巖6座水庫)、金沙江下游(烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4座水庫)、雅礱江(兩河口、錦屏一級(jí)、二灘3座水庫)、岷江大渡河(雙江口、瀑布溝、紫坪鋪3座水庫)、嘉陵江(碧口、寶珠寺、亭子口、草街4座水庫)、烏江(構(gòu)皮灘、思林、沙沱、彭水4座水庫)和長(zhǎng)江干流三峽水庫[17]。25座水庫的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,總庫容1 512億m3,防洪庫容為489億m3,其中上游水庫群可用于配合三峽水庫對(duì)長(zhǎng)江中下游防洪調(diào)度的防洪庫容為229.61億m3,分別為金沙江中游梯級(jí)15.25億m3、雅礱江梯級(jí)45億m3、金沙江下游梯級(jí)140.33 m3、岷江梯級(jí)12.63億m3、嘉陵江梯級(jí)14.4億m3和烏江梯級(jí)2億m3。

圖1 長(zhǎng)江上游25座水庫群示意Fig.1 Schematic diagram of 25 reservoirs in the upper reaches of the Changjiang River

2 針對(duì)1954年洪水的長(zhǎng)江上游水庫群聯(lián)合防洪優(yōu)化調(diào)度策略

根據(jù)搭建完成的具有“時(shí)-空-量-序-效”多維度屬性的水庫群多區(qū)域協(xié)同防洪調(diào)度模型,耦合上游干支流梯級(jí)水庫、三峽水庫、河道于一體的具有洪水演進(jìn)、回水推算、調(diào)洪計(jì)算等功能模塊,形成以三峽水庫為核心的長(zhǎng)江上游水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度模型[18],如圖2所示。以1954年洪水為例進(jìn)行研究,計(jì)算分析以三峽水庫為核心的長(zhǎng)江上游水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度效果。

圖2 以三峽水庫為核心的長(zhǎng)江上游水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度模型Fig.2 The joint flood control operation model of reservoirs in Upper Changjiang River with Three Gorges Reservoir as the core

依據(jù)最新的聯(lián)合防洪調(diào)度方案[13],針對(duì)1954年洪水,在長(zhǎng)江上游水庫群聯(lián)合調(diào)度模式下,三峽水庫調(diào)洪高水位為160.45 m,已超過158.00 m,此時(shí)三峽水庫對(duì)城陵磯防洪庫容76.9億m3已用完,長(zhǎng)江中下游已出現(xiàn)超額洪量。在留有對(duì)干支流水庫所在區(qū)域防洪庫容的前提下,上游水庫群可用于配合三峽水庫繼續(xù)對(duì)長(zhǎng)江中下游防洪的庫容為40.45億m3;三峽水庫尚有剩余防洪庫容127.59億m3,后續(xù)仍有較大防洪能力。而7月29日三峽水庫水位超過158.00 m后,城陵磯地區(qū)將會(huì)出現(xiàn)超額洪量,有必要針對(duì)1954年洪水優(yōu)化以三峽為核心的長(zhǎng)江上游水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度方式,以充分利用防洪庫容,進(jìn)一步減少長(zhǎng)江中下游超額洪量。

通過對(duì)流域防洪需求和調(diào)度方式進(jìn)行梳理,基于不同視角和相關(guān)研究思路[15-16,19],考慮水庫群防洪調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)分析理論與方法[20-21],提出3種優(yōu)化調(diào)度策略:

(1) 繼續(xù)對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償調(diào)度策略。根據(jù)上游水庫群配合三峽水庫聯(lián)合調(diào)度方式,1954年,三峽水庫水位在158 m后轉(zhuǎn)入對(duì)荊江防洪調(diào)度時(shí),上游水庫和三峽水庫均有較大的剩余防洪庫容,可進(jìn)一步配合三峽水庫對(duì)中下游進(jìn)行防洪調(diào)度。而此時(shí)如果城陵磯地區(qū)來水較大,防洪形勢(shì)依然較為嚴(yán)峻,且結(jié)合來水預(yù)報(bào),預(yù)判后續(xù)不會(huì)發(fā)生壩址百年一遇洪水甚至特大洪水的前提下,三峽水庫有可能、也有條件在158 m以上繼續(xù)實(shí)施對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償調(diào)度。

(2) 優(yōu)化對(duì)荊江防洪補(bǔ)償調(diào)度策略。由于1954年全流域來水均較大,且中下游區(qū)間來水大、水位高,從長(zhǎng)江上游水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度過程來看,在三峽水庫水位達(dá)到158.00 m前基本所有時(shí)段按照城陵磯不超保證水位34.40 m進(jìn)行控制;在三峽水庫水位達(dá)到158.00 m以后,按沙市不超44.50 m進(jìn)行控制。為減少三峽水庫水位158.00 m之后的中下游超額洪量,考慮按沙市不超44.00 m進(jìn)行控制,通過減少三峽水庫出庫流量,來減少中下游超額洪量。

(3) 考慮庫區(qū)回水淹沒影響的調(diào)度策略。以上兩種調(diào)度策略均會(huì)抬升庫水位,但隨著三峽水庫水位逐步抬升,三峽庫區(qū)將面臨回水淹沒問題。需要比較荊江河段、回水末端彈子田、城陵磯地區(qū)、庫區(qū)長(zhǎng)壽縣的損失承受能力和控制條件,對(duì)三峽庫區(qū)回水淹沒風(fēng)險(xiǎn)和中下游分洪風(fēng)險(xiǎn)作出快速判斷和有效決策,以充分利用和科學(xué)調(diào)配上游水庫群防洪庫容。為此,本文考慮庫區(qū)回水淹沒影響,動(dòng)態(tài)調(diào)整三峽水庫防洪調(diào)度過程,以減少中下游超額洪量。

2.1 繼續(xù)對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償調(diào)度策略

在上游水庫群配合下,考慮在三峽水庫水位超158.00 m后,繼續(xù)實(shí)施對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償調(diào)度,三峽水庫對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償調(diào)度控制水位分別設(shè)置為161.00,163.00,164.00 m。考慮4種調(diào)度方案:

(1) 方案1?；痉桨?即當(dāng)三峽水庫水位不超過158.00 m時(shí),實(shí)施對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償調(diào)度;當(dāng)三峽水庫水位在158.00 m以上時(shí),轉(zhuǎn)為對(duì)荊江防洪補(bǔ)償調(diào)度。

(2) 方案2。對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償控制水位為161.00 m,即當(dāng)三峽水庫水位不超過161.00 m時(shí),實(shí)施對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償調(diào)度;當(dāng)三峽水庫水位在161.00 m 以上時(shí),轉(zhuǎn)為對(duì)荊江防洪補(bǔ)償調(diào)度。

(3) 方案3。對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償控制水位為163.00 m,即當(dāng)三峽水庫水庫在163.00 m以上時(shí),轉(zhuǎn)為對(duì)荊江防洪補(bǔ)償調(diào)度。

(4) 方案4。對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償控制水位為164.00 m,即當(dāng)三峽水庫水位在164.00 m以上時(shí),轉(zhuǎn)為對(duì)荊江防洪補(bǔ)償調(diào)度。

不同調(diào)度情形的三峽水庫水位過程如圖3所示。

圖3 上游水庫群配合下三峽水庫水位調(diào)度過程(繼續(xù)對(duì)城陵磯防洪調(diào)度策略)Fig.3 Water level process of Three Gorges Reservoir operation under the cooperation of upstream reservoirs with the strategy of continuous flood control for Chenglingji area

針對(duì)不同的三峽水庫對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償控制水位方案,分別統(tǒng)計(jì)上游水庫群配合三峽水庫投入防洪庫容和長(zhǎng)江中下游超額洪量,如表1所列。由調(diào)度過程分析可知,如果采取方案4進(jìn)行調(diào)度,在8月3日和8月8日庫區(qū)會(huì)出現(xiàn)回水淹沒損失。為安全起見,本次推薦選取方案3,即三峽水庫繼續(xù)對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償調(diào)度的控制水位為163.00 m,此時(shí)三峽水庫調(diào)洪高水位為165.12 m,長(zhǎng)江中下游超額洪量為256億m3,相比基本方案減幅為12.3%。

表1 上游水庫群配合三峽水庫優(yōu)化防洪調(diào)度成果(繼續(xù)對(duì)城陵磯防洪調(diào)度策略)Tab.1 Results of optimal flood control operation of upstream reservoir group combined with Three Gorges Reservoir with the strategy of continuous flood control for Chenglingji area 億m3

2.2 優(yōu)化對(duì)荊江防洪補(bǔ)償調(diào)度策略

考慮優(yōu)化三峽水庫對(duì)荊江防洪補(bǔ)償調(diào)度方式,三峽水庫水位在158.00 m以上時(shí)按沙市站不超 44.00 m 進(jìn)行控制,對(duì)應(yīng)的枝城流量為51 700 m3/s左右。此時(shí),考慮宜昌-枝城區(qū)間防洪補(bǔ)償,三峽水庫出庫流量將相應(yīng)減小,使得匯入中下游的洪水減少,進(jìn)而減少中下游超額洪量?；趯?duì)荊江防洪補(bǔ)償調(diào)度策略優(yōu)化,考慮以下3種調(diào)度方案:

(1) 常規(guī)防洪調(diào)度方案,即上述方案1。

(2) 方案5。158.00 m優(yōu)化荊江方案,即當(dāng)三峽水庫水位不超過158.00 m時(shí),實(shí)施對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償調(diào)度,按照沙市站不超44.50 m、城陵磯站不超34.40 m 控制;當(dāng)三峽水庫水位超158.00 m時(shí)調(diào)整對(duì)荊江防洪補(bǔ)償調(diào)度方式,按沙市站不超44.00 m進(jìn)行控制。

(3) 方案6。161.00 m優(yōu)化荊江方案。即當(dāng)三峽水庫水位不超過158.00 m時(shí),實(shí)施對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償調(diào)度,按照沙市站不超44.50 m、城陵磯站不超34.40 m控制;當(dāng)三峽水庫水位在158.00～161.00 m時(shí)維持現(xiàn)有對(duì)荊江防洪補(bǔ)償調(diào)度方式;當(dāng)三峽水庫水位超161.00 m時(shí)調(diào)整對(duì)荊江防洪補(bǔ)償調(diào)度方式,按沙市站不超44.00 m進(jìn)行控制。

不同調(diào)度情形的三峽水庫水位過程如圖4所示。

圖4 上游水庫群配合下三峽水庫水位-流量調(diào)度過程(優(yōu)化對(duì)荊江防洪調(diào)度策略)Fig.4 Water level process of Three Gorges Reservoir under the cooperation of upstream reservoir groups with the optimization strategy of flood control for Jingjiang reach

由圖4調(diào)度過程可知,水庫群聯(lián)合調(diào)度條件下,三峽水庫水位于7月28日超過158.00 m,而后期中下游來水仍然較大,特別是洞庭湖區(qū)間來水大,可考慮按沙市站水位不超44.00 m進(jìn)行控制。但發(fā)現(xiàn)采用方案6時(shí),三峽水庫8月8日庫水位為166.66 m,此時(shí)會(huì)出現(xiàn)庫區(qū)回水淹沒,即便是三峽水庫水位在159.00 m或160.00 m時(shí)按沙市站水位不超44.00 m進(jìn)行控制,庫區(qū)仍然會(huì)發(fā)生回水淹沒。因此,安全起見,推薦選取方案5。

基于對(duì)荊江防洪補(bǔ)償調(diào)度策略優(yōu)化,相應(yīng)的水庫群聯(lián)合防洪優(yōu)化調(diào)度成果見表2?？梢?當(dāng)三峽水庫水位在158.00 m以上時(shí)優(yōu)化荊江防洪調(diào)度方式,按沙市不超44.00 m減少三峽水庫出庫流量,三峽水庫調(diào)洪高水位為166.18 m,三峽庫區(qū)沒有回水淹沒,長(zhǎng)江中下游超額洪量為249億m3,相比基本方案減少14.7%。

表2 上游水庫群配合三峽水庫優(yōu)化防洪調(diào)度成果(優(yōu)化對(duì)荊江防洪調(diào)度策略)Tab.2 Results of optimal flood control operation of upstream reservoir group combined with Three Gorges Reservoir with the optimization strategy of flood control for Jingjiang reach 億m3

2.3 考慮庫區(qū)回水淹沒影響的調(diào)度策略

上述兩種調(diào)度策略,分別結(jié)合荊江和城陵磯不同防洪對(duì)象,實(shí)施三峽水庫防洪調(diào)度方式優(yōu)化,且方案選擇時(shí)盡量不影響庫區(qū)回水安全。如果結(jié)合工程處理措施,在庫區(qū)回水?dāng)嗝婵赡苁艿接绊憰r(shí)進(jìn)行有效處置,可為上游水庫群配合三峽水庫聯(lián)合調(diào)度提供更大裕度。

按照防洪對(duì)象重要層次,三峽水庫庫區(qū)防洪控制條件排序?yàn)?庫區(qū)彈子田重要于庫區(qū)長(zhǎng)壽縣,其中前者一般為庫區(qū)回水淹沒末端附近,后者是庫區(qū)最可能淹沒斷面。在庫區(qū)防洪安全和中下游防洪安全之間作出權(quán)衡和決策時(shí),若判斷庫區(qū)可能發(fā)生回水淹沒,則應(yīng)適時(shí)加大出庫流量,避免庫區(qū)回水淹沒。需要說明的是,本次針對(duì)1954年洪水,在對(duì)荊江防洪調(diào)度策略優(yōu)化的基礎(chǔ)上考慮庫區(qū)回水,發(fā)現(xiàn)庫區(qū)回水淹沒發(fā)生在三峽水庫水位高于158.00 m時(shí),此時(shí)為確保荊江防洪安全,不會(huì)加大出庫流量。為此,基于考慮庫區(qū)回水淹沒影響的調(diào)度策略,提出3種調(diào)度方案:

(1) 常規(guī)防洪調(diào)度方案,即上述方案1。

(2) 方案7?？紤]庫區(qū)回水淹沒影響且對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償控制水位為167.00 m,即在調(diào)度過程中考慮庫區(qū)回水淹沒影響,在判斷庫區(qū)可能發(fā)生淹沒時(shí),適時(shí)加大出庫流量,確保庫區(qū)防洪安全,當(dāng)三峽水庫水位超過167.00 m時(shí),轉(zhuǎn)為對(duì)荊江防洪調(diào)度。

(3) 方案8。考慮庫區(qū)回水淹沒影響且對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償控制水位為168.00 m,即在調(diào)度過程中考慮庫區(qū)回水淹沒影響,在判斷庫區(qū)可能發(fā)生淹沒時(shí),適時(shí)加大出庫流量,確保庫區(qū)防洪安全,當(dāng)三峽水庫水位超過168.00 m時(shí),轉(zhuǎn)為對(duì)荊江防洪調(diào)度。

不同調(diào)度情形的三峽水庫水位過程如圖5所示。三峽水庫調(diào)洪高水位分別為160.45,168.06,168.87 m。除了基本方案外,方案7和8均充分利用了三峽水庫防洪庫容。

圖5 上游水庫群配合下三峽水庫水位調(diào)度過程(考慮庫區(qū)回水淹沒影響的調(diào)度策略)Fig.5 Water level process of Three Gorges Reservoir operation under the cooperation of upstream reservoirs with the strategy of considering backwater inundation

基于考慮庫區(qū)回水淹沒影響的調(diào)度策略,相應(yīng)的水庫群聯(lián)合防洪優(yōu)化調(diào)度成果見表3。可知,當(dāng)進(jìn)一步抬高三峽水庫對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償控制水位且考慮庫區(qū)回水淹沒影響,方案7和8均為可行方案,分別減少中下游超額洪量64億m3和71億m3,相比基本方案分別減少22.0%和24.3%,可有效降低長(zhǎng)江中下游超額洪量。

表3 上游水庫群配合三峽水庫優(yōu)化防洪調(diào)度成果(考慮庫區(qū)回水淹沒的調(diào)度策略)Tab.3 Results of optimal flood control operation of upstream reservoir group combined with Three Gorges Reservoir with the strategy considering backwater inundation 億m3

當(dāng)三峽水庫水位在城陵磯防洪補(bǔ)償控制水位158.00 m 以上時(shí),為減少庫區(qū)尤其是長(zhǎng)壽縣附近斷面的回水淹沒損失,表4給出了不同水位情況下三峽庫區(qū)回水即將超過移民遷移線對(duì)應(yīng)的最大入庫流量。也就是說,考慮長(zhǎng)江上游水庫群對(duì)三峽水庫入庫攔蓄作用,當(dāng)預(yù)見期內(nèi)三峽水庫入庫來水不小于當(dāng)前水位對(duì)應(yīng)的最大入庫流量時(shí),應(yīng)在面臨時(shí)段適當(dāng)加大三峽水庫出庫流量,及時(shí)降低壩前水位,以確保庫區(qū)回水安全。當(dāng)然,在實(shí)時(shí)防洪調(diào)度中,三峽水庫出庫流量需統(tǒng)籌上下游防洪形勢(shì)和庫區(qū)水面線狀況,并協(xié)調(diào)多區(qū)域協(xié)同防洪的控制目標(biāo)和條件,以保障長(zhǎng)江流域防洪安全。

表4 三峽庫區(qū)回水即將超過移民遷移線對(duì)應(yīng)的最大入庫流量Tab.4 Corresponding maximum inflow of migration line for backwater immigrants of Three Gorges Reservoir

3 結(jié) 語

針對(duì)長(zhǎng)江1954年流域性大洪水,綜合考慮上游水庫群配合方式、三峽水庫防洪調(diào)度方式、中下游防洪調(diào)度控制條件和三峽庫區(qū)回水安全,基于不同調(diào)度思路,探索性提出了以三峽水庫為核心的長(zhǎng)江上游水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度的3種不同優(yōu)化策略,包括繼續(xù)對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償?shù)牟呗浴?yōu)化對(duì)荊江防洪補(bǔ)償?shù)恼{(diào)度策略、考慮庫區(qū)回水淹沒影響的調(diào)度策略,均可有效減少中下游超額洪量,減幅均達(dá)10%以上,發(fā)揮了積極有效的防洪減災(zāi)效益。下一步,將圍繞以下重難點(diǎn)問題開展深入研究,以提升流域大洪水綜合應(yīng)對(duì)能力:

(1) 不同優(yōu)化策略的有機(jī)嵌套和滾動(dòng)實(shí)施。結(jié)合不同洪水類型認(rèn)知和流域防洪調(diào)度實(shí)踐,探究3種優(yōu)化調(diào)度策略的適應(yīng)性與局限性,通過深化完善相應(yīng)策略以尋求更為適宜的調(diào)度策略;同時(shí),各種優(yōu)化調(diào)度策略并非是孤立的,可在調(diào)度時(shí)段相機(jī)進(jìn)行耦合嵌套,以從容可靠地應(yīng)對(duì)調(diào)度難題。

(2) 上游水庫群配合三峽水庫精細(xì)化防洪調(diào)度。本次重在上游水庫群聯(lián)合調(diào)度模式下,優(yōu)化三峽水庫防洪調(diào)度方式,且主要針對(duì)荊江防洪補(bǔ)償調(diào)度階段,此時(shí)上游水庫均按照現(xiàn)有調(diào)度方式配合三峽水庫進(jìn)行攔蓄。下一步,需綜合流域洪水地區(qū)組成特性、各水庫攔蓄能力、防洪調(diào)度運(yùn)用條件,優(yōu)化細(xì)化上游水庫群配合三峽水庫的攔蓄時(shí)機(jī)和方式。

(3) 多類型水工程協(xié)同聯(lián)合防洪調(diào)度研究。在長(zhǎng)江流域水工程調(diào)度中,水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度相對(duì)成熟,但隨著水工程協(xié)同聯(lián)合防洪調(diào)度的對(duì)象全覆蓋、內(nèi)容全涵蓋和應(yīng)用全鏈條,亟待開展面向不同洪水類型和適應(yīng)多區(qū)域防洪目標(biāo)的水庫群、蓄滯洪區(qū)、涵閘泵站等多類別水工程的協(xié)同聯(lián)合防洪調(diào)度,實(shí)現(xiàn)中小洪水減壓、大洪水保安、超標(biāo)洪水降損。