丹江口水庫汛期優(yōu)化調(diào)度實(shí)踐及風(fēng)險(xiǎn)效益分析

任 金 秋,董 付 強(qiáng),洪 興 駿,饒 光 輝,張 利 升

(1.長江勘測(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.長江水利委員會(huì)水旱災(zāi)害防御創(chuàng)新團(tuán)隊(duì),湖北 武漢 430010; 4.漢江水利水電(集團(tuán))有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430048)

0 引 言

丹江口水庫是漢江流域的控制性防洪工程[1],初期工程于1973年底建成,加高工程于2005年開工建設(shè),2014年12月丹江口水利樞紐正式向北方通水。丹江口大壩加高后,水庫的綜合利用效益得到進(jìn)一步提升,不僅可以提高漢江中下游防洪安全的保障程度,而且可以滿足調(diào)水需求,合理配置水資源[2-3]。2015～2020年丹江口水庫共攔蓄了13場(chǎng)洪峰流量超過5 000 m3/s的入庫洪水,極大減輕了漢江中下游防洪壓力,避免了漢江中下游蓄滯洪區(qū)的運(yùn)用,防洪效益顯著[4]。作為南水北調(diào)中線工程的水源工程,在滿足本流域用水需求的前提下,丹江口水庫設(shè)計(jì)多年平均向北方受水區(qū)調(diào)水95億m3[5],中線一期工程通水運(yùn)行以來,調(diào)水量逐年增加,至2020年11月,累計(jì)輸水340.53億m3[6]。生態(tài)方面,丹江口水庫于2018年首次進(jìn)行了漢江中下游梯級(jí)聯(lián)合生態(tài)調(diào)度的嘗試[7-8]。丹江口水庫在發(fā)揮綜合利用效益的同時(shí),也出現(xiàn)了防洪庫容利用效率不高、防洪供水協(xié)調(diào)存在矛盾、供水地位變化等一些新情況、新問題,需要對(duì)水庫調(diào)度方式進(jìn)行優(yōu)化,在保證流域防洪安全的前提下,統(tǒng)籌興利與除害的關(guān)系[9-11]。

目前,已有學(xué)者針對(duì)三峽[12-13]、溪洛渡[14]、向家壩[15]、亭子口[16]、安康[17]等水庫進(jìn)行了大量水庫汛期調(diào)度方式優(yōu)化的研究,奠定了一定的研究基礎(chǔ)。對(duì)于丹江口水庫,賀平等[18]在早期針對(duì)丹江口水庫汛期運(yùn)行水位實(shí)施動(dòng)態(tài)控制的可行性進(jìn)行了分析,認(rèn)為丹江口水庫汛期運(yùn)行水位實(shí)施動(dòng)態(tài)控制是可行的,且能提高水庫興利效益。張睿等[19]從綜合利用的角度研究了丹江口水庫防洪、供水、發(fā)電、航運(yùn)調(diào)度方式,在防洪方面提出了預(yù)報(bào)預(yù)泄、分級(jí)補(bǔ)償、汛期運(yùn)行動(dòng)態(tài)水位控制的調(diào)度方式,對(duì)支撐丹江口水庫調(diào)度研究具有重要意義,但是相關(guān)調(diào)度方式仍需根據(jù)實(shí)際調(diào)度進(jìn)一步細(xì)化。段唯鑫等[20]對(duì)丹江口水庫運(yùn)行方式進(jìn)行了模擬調(diào)度和預(yù)泄能力分析,并根據(jù)漢江流域洪水特性,提出了不同時(shí)期丹江口水庫運(yùn)行水位的動(dòng)態(tài)控制方案,受來水影響,提出的方案尚未在實(shí)際調(diào)度中進(jìn)行實(shí)踐運(yùn)用。張俊等[21]針對(duì)丹江口水庫汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制需求,研究并提出了實(shí)時(shí)操作層面的實(shí)用技術(shù)體系,為水庫綜合效益的發(fā)揮提供了技術(shù)支撐,但是有待在洪水調(diào)度實(shí)踐中進(jìn)一步完善。洪興駿等[22]在防洪和供水風(fēng)險(xiǎn)可控的前提下,開展了丹江口水庫汛初水位控制、汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制、秋汛末提前蓄水等優(yōu)化調(diào)度研究,為丹江口水庫汛期調(diào)度提供了重要支撐。可以看出,當(dāng)前針對(duì)丹江口水庫汛期優(yōu)化調(diào)度的研究集中在汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制方面,對(duì)于消落及蓄水方式的優(yōu)化仍需進(jìn)一步細(xì)化。與此同時(shí),受漢江流域來水影響,優(yōu)化調(diào)度方案尚未經(jīng)過實(shí)際洪水調(diào)度的充分檢驗(yàn),其帶來的風(fēng)險(xiǎn)和效益仍需結(jié)合調(diào)度實(shí)踐進(jìn)一步分析總結(jié)。

2021年漢江洪水期間,基于精準(zhǔn)的降雨、洪水預(yù)報(bào),水利部長江水利委員會(huì)對(duì)洪水過程進(jìn)行了科學(xué)的精細(xì)化調(diào)度,不僅保障了漢江中下游的防洪安全,而且提高了南水北調(diào)中線工程的供水效益,丹江口水庫也首次實(shí)現(xiàn)了170 m的蓄水目標(biāo)。本文以2021年丹江口水庫調(diào)度過程為例,結(jié)合消落期、汛期、蓄水期的優(yōu)化調(diào)度方案,分析丹江口水庫優(yōu)化調(diào)度在防洪、供水等方面取得的效益,針對(duì)丹江口水庫汛期水位上浮運(yùn)用帶來的風(fēng)險(xiǎn)提出相應(yīng)控制措施,并給出進(jìn)一步完善丹江口水庫調(diào)度方式的建議,為丹江口水庫汛期調(diào)度研究提供技術(shù)支撐。

1 丹江口水庫調(diào)度方式

1.1 丹江口水庫調(diào)度規(guī)程

2016年,水利部批復(fù)了《丹江口水利樞紐調(diào)度規(guī)程(試行)》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》),作為丹江口水庫加高工程建成后轉(zhuǎn)入后期規(guī)模正常調(diào)度運(yùn)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日消落至160.00 m。

(2) 汛期運(yùn)行水位控制方面,在汛期未發(fā)生洪水時(shí),水庫按不高于防洪限制水位運(yùn)行;考慮泄水設(shè)施啟閉運(yùn)行、水情預(yù)報(bào)誤差,實(shí)時(shí)調(diào)度時(shí)水庫運(yùn)行水位可在防洪限制水位上下0.5 m范圍內(nèi)變動(dòng)。

(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(bào),水庫可以逐步充蓄,10日之后可蓄至正常蓄水位170.00 m。

1.2 丹江口水庫近年調(diào)度實(shí)踐分析

2014年汛期,受9月份華西秋雨的影響,丹江口水庫連續(xù)發(fā)生2場(chǎng)入庫洪峰流量大于5 000 m3/s的洪水,最大洪峰流量13 700 m3/s,均被水庫全部攔蓄,整個(gè)汛期水庫最大出庫流量僅為954 m3/s。

2015年汛期,僅在6月底7月初發(fā)生1場(chǎng)入庫洪峰流量大于5 000 m3/s的洪水,洪峰6 660 m3/s,入庫洪水總量24.58億m3,為一般性常遇洪水;由于洪水入庫時(shí)水庫水位較低,洪水被全部攔蓄,水庫僅以滿發(fā)流量下泄,削峰率73.9%。

2016年汛期,因水庫來水持續(xù)特枯,整個(gè)汛期,水庫入庫洪峰流量均在5 000 m3/s以下,水庫最高運(yùn)行水位僅155.92 m,未超汛限水位。

2017年水庫來水整體偏豐,汛期來水豐枯不均,枯豐急轉(zhuǎn)。入庫洪峰流量超過5 000 m3/s的洪水共有5場(chǎng),削峰率均達(dá)50%以上,充分發(fā)揮了水庫的攔洪削峰作用,降低漢江中游干流皇莊水位2 m左右,避免了蓄滯洪區(qū)運(yùn)用。特別地,自8月28日開始,漢江流域發(fā)生“華西秋雨”,最大入庫洪峰流量18 600 m3/s,水庫實(shí)施控泄,攔洪削峰,本場(chǎng)洪水水庫最大出庫流量為7 550 m3/s,削峰率59%,庫水位最高上漲至165.82 m。

2018年水庫來水呈現(xiàn)整體偏枯、豐枯不均、豐枯急轉(zhuǎn)等特點(diǎn)。上半年來水特豐,主汛期7～10月來水特枯,特別是10月份平均入庫流量僅240 m3/s,為1956年以來歷史第二低值。水庫僅在6月中旬和7月中旬發(fā)生2場(chǎng)入庫洪峰大于5 000 m3/s的常遇洪水,最大入庫洪峰流量6 800 m3/s。水庫充分發(fā)揮了攔洪削峰作用,兩場(chǎng)洪水的削峰率分別為50.9%和66.0%,庫水位最高漲至160.98 m。

2019年水庫來水整體正常,與多年均值持平,前枯后豐。在8月上中旬和9月中下旬發(fā)生2場(chǎng)入庫洪峰大于5 000 m3/s的洪水;兩場(chǎng)洪水均為常遇洪水,最大入庫洪峰流量16 000 m3/s。其中,第一場(chǎng)洪水全部被水庫攔蓄,削峰率85%;第二場(chǎng)洪水庫水位最高達(dá)164.00 m(25日21:00),削峰率為52%;整個(gè)汛期水庫最大出庫流量為7 690 m3/s,充分發(fā)揮了水庫的攔洪削峰作用。汛末水庫成功蓄水至166.00 m以上,最高運(yùn)行水位166.35 m。

可以看出,自丹江口大壩加高以來,漢江來水以偏枯為主,尚未經(jīng)歷大洪水的考驗(yàn)。而2017年10月,為確保秋汛防洪安全,丹江口水庫合理蓄泄,有效兼顧了上下游防洪安全。為充分合理利用水資源,仍需探索積極穩(wěn)妥的汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制方式。

2 丹江口水庫汛期調(diào)度優(yōu)化方案

根據(jù)丹江口水庫調(diào)度實(shí)踐,主要從汛前消落、汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制、汛末提前蓄水3個(gè)方面考慮丹江口水庫汛期調(diào)度方案的優(yōu)化,整體思路如圖1所示。

圖1 丹江口水庫優(yōu)化調(diào)度方案Fig.1 Optimized scheduling for Danjiangkou Reservoir

6月20日前為丹江口水庫的消落期,為避免集中消落水位可能產(chǎn)生的棄水問題,可采取提前逐步增加水庫下泄流量、陶岔供水量等增加漢江中下游以及南水北調(diào)中線一期工程供水的方式,使得庫水位盡快消落至160.00 m以下。根據(jù)近年丹江口水庫實(shí)際調(diào)度情況,為減少棄水,進(jìn)入3月份后,即開始結(jié)合中長期水文預(yù)報(bào)編制消落計(jì)劃,4月份開始即進(jìn)入加大消落狀態(tài),如2020年從4月開始將出庫流量加大至約1 400 m3/s,在汛前使庫水位從162.20 m消落至158.00 m。因此,為了充分利用水資源,減少因消落不足產(chǎn)生的棄水,汛前3～5月即開始水位消落調(diào)度。表1統(tǒng)計(jì)了不同汛前水位條件下后續(xù)汛期關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)庫水位的變化情況,圖2為不同消落方式下的棄水量變化,其中棄水量為丹江口水庫下泄流量中超過滿發(fā)流量的部分。進(jìn)入汛期后,由于水庫利用洪水資源逐漸回蓄至汛限水位,汛前消落幅度越大,6月下旬至7月中旬洪水資源利用程度越高,產(chǎn)生的棄水量也越小。隨著攔洪充蓄水庫,大部分年份在8月20日之前庫水位可蓄至夏汛期汛限水位160.00 m,汛前加大消落水位對(duì)水庫蓄水的影響在7月下旬之后也已經(jīng)基本消除,棄水量與消落至160.00 m的情況差別不大。因此,為在消落期充分利用水資源,可在4～6月通過漢江中下游、陶岔、清泉溝3個(gè)口門加大供水降低汛前水位。

表1 不同汛前水位方案與160.00 m方案汛期水位差異年數(shù)Tab.1 Years of water level difference in flood season between different pre-flood water level schemes and 160.00 m scheme

丹江口水庫汛期為6月20日至9月30日,其中6月20日至8月20日為夏汛期,8月21～30日為過渡期,9月1～30日為秋汛期。在汛期運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制方面,近幾年漢江流域1～3 d短期定量降雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高,合格率均在85%以上,中期降雨預(yù)報(bào)對(duì)未來4～7 d的降雨過程預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率也較高,有很好的預(yù)報(bào)警示作用[21]?？紤]結(jié)合水文預(yù)報(bào)信息,在防洪風(fēng)險(xiǎn)可控的前提下進(jìn)行運(yùn)行水位動(dòng)態(tài)控制。表2～3為遭遇不同頻率設(shè)計(jì)洪水時(shí)的丹江口水庫預(yù)泄模擬結(jié)果。由表2～3可知,考慮不同降雨預(yù)見期,按照規(guī)定的預(yù)泄方式,遭遇不同頻率、不同典型設(shè)計(jì)洪水時(shí),均可在啟動(dòng)正常防洪調(diào)度前將庫水位由汛期運(yùn)行水位安全預(yù)泄至夏、秋季汛限水位。因此,結(jié)合降雨洪水預(yù)報(bào),在汛期使庫水位在汛限水位以上浮動(dòng)1.5～2.0 m,可以提高水資源綜合利用效率,防洪風(fēng)險(xiǎn)也是可控的。

表2 夏汛期不同設(shè)計(jì)洪水在不同預(yù)見期內(nèi)的預(yù)泄后水位Tab.2 Water level after pre-release based on different forecasting time in summer flood season m

表3 秋汛期不同設(shè)計(jì)洪水在不同預(yù)見期內(nèi)的預(yù)泄后水位Tab.3 Water level after pre-release based on different forecasting time in autumn flood season m

在汛末蓄水方面,基于調(diào)度規(guī)程的蓄水方式,丹江口水庫于10月1日轉(zhuǎn)入蓄水期,利用10月徑流蓄滿庫容較為困難,水庫蓄滿率僅為11%?？紤]根據(jù)天氣形勢(shì)和水雨情預(yù)報(bào),在防洪風(fēng)險(xiǎn)可控的前提下利用部分洪水資源,進(jìn)行提前蓄水。9月10日、20日以后開始抬高水庫運(yùn)行水位,10月末水庫蓄水情況見圖3～4。隨著9月末庫水位逐步抬高,10月末庫水位逐漸增加,在防洪風(fēng)險(xiǎn)可控的前提下,有效攔蓄秋汛期中小量級(jí)洪水,是保障汛末蓄水的關(guān)鍵。為充分發(fā)揮丹江口水庫綜合利用效益,保障下一個(gè)供水年度的供水安全,9月中下旬可考慮在保障防洪安全的前提下,結(jié)合秋汛來水預(yù)報(bào),合理利用汛期末段洪水資源,開展有條件的提前蓄水。

圖3 9月10日不同起蓄水位對(duì)應(yīng)10月末蓄水情況Fig.3 The water storage situation at the end of October under the impact of different water level on Sep.10

圖4 9月20日不同起蓄水位對(duì)應(yīng)10月末蓄水情況Fig.4 The water storage situation at the end of October under the impact of different water level on Sep.20

3 丹江口水庫2021年汛期調(diào)度過程

3.1 2021年洪水特性

2021年,漢江流域出現(xiàn)罕見秋汛。8月下旬開始,漢江上、中游出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)降雨,丹江口水庫出現(xiàn)7次入庫洪峰流量超過10 000 m3/s的洪水,9月29日入庫洪峰流量達(dá)24 900 m3/s,為近10 a最大。漢江中下游皇莊以下河段3次全線超警戒水位,高峰時(shí)超警戒堤段達(dá)885 km,超設(shè)防堤段達(dá)1 437 km。漢江秋汛歷時(shí)47 d,降水主要集中在兩個(gè)階段,一是8月下旬至9月初,二是9月中旬至10月初。這兩個(gè)階段的降水均造成了丹江口入庫流量的顯著增加及漢江中下游干流水位的上漲。

3.1.1漢江上游來水

漢江上游第一階段的降雨主要集中在8月19日至9月6日,累計(jì)面平均雨量達(dá)269 mm;本輪丹江口水庫洪水過程主要時(shí)間為8月22日至9月8日,此期間丹江口水庫的入庫洪量為153.5億m3。漢江上游第二階段的降雨主要集中在9月15～19日,累計(jì)面平均雨量92.1 mm;本輪丹江口水庫洪水過程主要時(shí)間為9月17～22日,此期間丹江口水庫的入庫洪量為42.3億m3。

受以上兩個(gè)階段降雨的影響,丹江口水庫出現(xiàn)7次入庫洪峰超過10 000 m3/s的洪水過程,水庫最大入庫流量24 900 m3/s(9月29日03:00),如表4所列。

表4 2021年丹江口水庫秋汛期入庫洪水概況Tab.4 Characteristics of the floods in Danjianngkou Reservoir in autumn flood season in 2021

3.1.2漢江中下游洪水

8月中下旬,漢江中游丹江口-皇莊區(qū)間出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)降雨過程。8月11～13日,面平均雨量 96.5 mm;8月28～29日區(qū)間面平均雨量28.2 mm,其中唐白河12 h面平均雨量達(dá)55 mm。受上游來水及中游降雨雙重影響,漢江中游宜城以下各站均出現(xiàn)超警戒洪水,其中宜城超警3 d、皇莊超警9 d、沙洋超警12 d、仙桃超警11 d、漢川超警25 d。

3.2 丹江口水庫2021年汛期調(diào)度過程

丹江口水庫2021年實(shí)際汛期調(diào)度過程如圖5所示,針對(duì)不同時(shí)期分析實(shí)際的調(diào)度效果。

圖5 丹江口水庫2021年實(shí)際調(diào)度過程Fig.5 Actual scheduling process of Danjiangkou Reservoir in 2021

(1) 4月1日至6月20日(汛前消落期)。2020年10月31日,丹江口水庫蓄至當(dāng)年最高蓄水位164.77 m。承接4月中下旬洪峰流量7 500 m3/s量級(jí)中小洪水防洪調(diào)度后,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1 670 m3/s左右,較年度供水計(jì)劃同期3個(gè)口門正常供水流量增加近一倍,至5月底水位消落至夏季防洪限制水位160.00 m。結(jié)合中長期來水預(yù)判,水庫維持加大供水流量穩(wěn)步消落,至6月14日降至最低水位159.09 m左右,增加了汛期可用于防洪的庫容約7.2億m3,提高了水庫抵御后期洪水的能力,也可減少后期棄水,保障有效供水量。

(2) 6月21日至8月18日(夏汛期)。汛期6月下旬至7月中旬,漢江流域天氣形勢(shì)較好,未發(fā)生較大洪水。結(jié)合短期降雨預(yù)報(bào),汛期運(yùn)行水位逐步上浮至161.50 m并維持至8月上旬。

(3) 8月18～29日(夏秋汛過渡期)。8月18日起,安康以上流域發(fā)生強(qiáng)降雨過程,上游石泉、安康水庫相繼開閘泄洪。受此影響,水庫發(fā)生了入庫洪峰為14 400 m3/s的洪水過程,入庫洪量37.34億m3。與此同時(shí),中游丹江口-皇莊區(qū)間多條支流發(fā)生較大漲水過程,中下游干流主要控制站水位逐步上漲。

根據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào),若丹江口等上游水庫群不攔蓄,漢江中下游皇莊以下各控制站水位均將超過警戒水位。為保證漢江中下游河段水位不超警,同時(shí)兼顧丹江口水庫自夏汛期向秋汛期過渡,水庫于20日14:00開始預(yù)泄,洪峰入庫時(shí)庫水位最高漲至164.09 m,隨后在丹江口-皇莊區(qū)間發(fā)生較大洪水時(shí)進(jìn)行了錯(cuò)峰調(diào)度,保證中下游防洪安全。2021年夏秋汛過渡期,通過適當(dāng)攔蓄洪水資源,同時(shí)在兼顧下游防洪的基礎(chǔ)上調(diào)整下泄流量,使得庫水位順利蓄至163.50 m,完成了夏秋汛期的過渡。

(4) 8月25日至9月28日(秋汛期)。8月25日至9月6日,丹江口水庫以上流域連續(xù)發(fā)生3次強(qiáng)降雨過程,累計(jì)面雨量最大達(dá)80.1 mm。8月30日出現(xiàn)第1次較大入庫洪峰,洪峰流量23 400 m3/s,入庫水量44.29億m3;9月2日06:00,形成16 400 m3/s的入庫洪峰,入庫洪量31.61億m3;9月6日22:00第3次洪水過程出現(xiàn),入庫洪峰18 800 m3/s,入庫洪量55.17億m3。根據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào),這3次洪水過程中,若丹江口等上游水庫群不攔蓄,漢江中下游皇莊以下各控制站水位均將超過警戒水位。為保證防洪安全,丹江口水庫在這3次洪水過程中逐步加大出庫流量,由7 200 m3/s加大至9 100 m3/s,庫水位于9月7日凌晨突破歷史最高水位167.00 m,9月8日01:00達(dá)到調(diào)洪最高水位167.46 m。調(diào)度過程中,皇莊站最大流量為11 800 m3/s,有效避免了漢江中下游超保證水位情況的發(fā)生。

9月14日氣象預(yù)報(bào)顯示丹江口水庫以上流域?qū)⒂休^大強(qiáng)度降雨過程,為確保防洪安全,丹江口預(yù)降水位至166.60 m。9月15～19日,石泉至丹江口區(qū)間發(fā)生強(qiáng)降雨,丹江口水庫入庫洪峰22 800 m3/s,入庫洪量48.1億m3。為保證漢江中下游河段水位不超警,丹江口水庫對(duì)洪峰進(jìn)行攔蓄,水庫水位最高漲至168.25 m,本場(chǎng)洪水過程共攔蓄洪量16.12億m3,最大出庫流量7 800 m3/s,削峰率66%。

9月22～28日,安康以上及北岸丹江流域發(fā)生強(qiáng)降雨過程,累計(jì)面雨量101.1 mm,石泉、安康水庫均開閘泄洪,受此影響,丹江口水庫入庫洪峰達(dá)到24 900 m3/s,入庫洪量76.41億m3,為近10 a來最大入庫洪水。丹江口水庫水位自167.46 m開始起漲。由于25日唐白河鴨河口水庫發(fā)生超歷史特大洪水,為保證漢江中下游河段水位不超保,丹江口于25日減小下泄流量,與唐白河洪水進(jìn)行錯(cuò)峰;順利錯(cuò)峰后,因本次過程量級(jí)較大,為確保防洪安全,丹江口水庫逐漸加大下泄流量至10 200 m3/s。水庫水位29日04:00突破169.00 m,此時(shí)上游來水現(xiàn)峰轉(zhuǎn)退,下泄流量逐漸減小,水位最高漲至169.63 m后緩慢回落。本場(chǎng)洪水過程共攔蓄洪量21.78億m3,最大出庫流量11 100 m3/s,削峰率55%,經(jīng)過調(diào)度避免了皇莊以下河段水位超保證和杜家臺(tái)分蓄洪區(qū)分洪運(yùn)用。

(5) 進(jìn)入10月份,受9月末攔削洪峰的影響,庫水位已達(dá)169.63 m,為丹江口水庫蓄滿提供了有利條件。根據(jù)水文預(yù)報(bào),10月初丹江口水庫上游將發(fā)生一次較大降雨,為保證防洪安全同時(shí)兼顧蓄水,丹江口水庫進(jìn)行了一定量的騰庫預(yù)泄,庫水位逐漸回落,10月6日03:00降至最低水位168.99 m。10月7日12:00,入庫洪水出現(xiàn)10 500 m3/s的洪峰,庫水位自168.99 m開始起漲,隨著洪水過程逐步消退,水庫調(diào)度目標(biāo)由防洪安全轉(zhuǎn)為蓄水調(diào)度,通過精細(xì)化調(diào)度逐步減小下泄流量,丹江口水庫于10日14:00首次蓄至170.00 m。10日后水庫保持169.96～170.00 m高水位波動(dòng)運(yùn)行,對(duì)工程高水位運(yùn)行工況和庫岸穩(wěn)定進(jìn)行檢驗(yàn)。本場(chǎng)洪水過程共攔蓄洪量10.36億m3,最大出庫流量8 090 m3/s,削峰率23%。

4 丹江口水庫2021年優(yōu)化調(diào)度優(yōu)勢(shì)和風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 優(yōu)化調(diào)度優(yōu)勢(shì)及效益

4.1.1通過優(yōu)化調(diào)度運(yùn)用,丹江口防洪作用發(fā)揮顯著

2021年進(jìn)入汛期以來,丹江口水庫通過優(yōu)化調(diào)度運(yùn)用,保證了漢江中下游的防洪安全。漢江中下游防洪控制站皇莊站2021年6～10月的水位流量過程如圖6所示。在夏汛期,丹江口水庫未發(fā)生較大入庫洪水,水庫上浮運(yùn)行水位至161.50 m,出庫流量較為穩(wěn)定,皇莊站流量主要受丹江口-皇莊區(qū)間來流影響,最大流量6 690 m3/s,遠(yuǎn)低于皇莊站的允許泄量。進(jìn)入秋汛期,漢江流域發(fā)生幾次較大洪水,丹江口水庫充分發(fā)揮水庫攔蓄作用,為漢江中下游防洪提供了保障。8月30日丹江口入庫洪峰達(dá)到23 400 m3/s,經(jīng)丹江口水庫攔蓄后,皇莊最高水位為48.26 m,僅超警戒水位0.26 m。9月2～6日,漢江上游再次發(fā)生強(qiáng)降雨過程,經(jīng)丹江口削峰后皇莊斷面仍基本保持在警戒水位。9月下旬,丹江口入庫出現(xiàn)本年度最大洪峰,峰值流量為24 900 m3/s,丹江口再次進(jìn)行攔蓄,洪水期間最大出庫流量11 100 m3/s,相應(yīng)皇莊最大流量為11 600 m3/s,最高水位48.09 m,僅超警戒水位0.09 m。經(jīng)丹江口水庫的運(yùn)用,在遭遇近10 a最大洪水的情況下,仍然保證皇莊流量不超過12 000 m3/s,綜合來看,2021年8月中旬至10月上旬,丹江口水庫通過攔洪、錯(cuò)峰、削峰等系列調(diào)度措施,發(fā)揮了顯著的防洪作用。秋汛期水庫累計(jì)攔洪約107億m3,有效降低漢江中下游干流水位1.5～3.5 m,與唐白河超歷史洪水成功錯(cuò)峰,避免了皇莊以下河段水位超保證水位和杜家臺(tái)蓄滯洪區(qū)分洪運(yùn)用,極大減輕了漢江中下游防洪壓力,水庫防洪效益顯著。其中在防御近10 a 來最大入庫洪峰洪水時(shí),水庫最大出庫流量為11 100 m3/s,削峰率約55%,有力保證皇莊站最大流量未超12 000 m3/s。

圖6 皇莊站2021年6～10月水位流量過程Fig.6 Flood process at Huangzhuang station from Jun. to Oct., 2021

4.1.2結(jié)合中長期降雨預(yù)報(bào),統(tǒng)籌考慮防洪與蓄水進(jìn)行精細(xì)化調(diào)度

隨著水文預(yù)報(bào)精度的提升,在進(jìn)行汛期防洪調(diào)度時(shí),統(tǒng)籌考慮水庫后期蓄水進(jìn)行精細(xì)化調(diào)度成為可能。2021年實(shí)際調(diào)度中,為了充分利用洪水資源,在保障中下游防洪安全的前提下,考慮夏秋汛期過渡、汛末蓄水等需求,結(jié)合中長期水文預(yù)報(bào)對(duì)丹江口水庫洪峰過后的水庫騰庫階段進(jìn)行了精細(xì)化調(diào)度。

2021年夏汛期,水庫未發(fā)生較大洪水,7月24日出現(xiàn)6 140 m3/s的入庫洪峰,攔蓄后庫水位最高至161.81 m,洪峰過后水庫進(jìn)行騰庫,考慮預(yù)報(bào)未來天氣形勢(shì)較好,騰庫至161.5 m后維持該水位運(yùn)行;隨后進(jìn)入夏秋汛期過渡期,8月23日水庫發(fā)生14 300 m3/s的入庫洪峰,經(jīng)攔蓄后庫水位最高達(dá)到164.08 m,后經(jīng)騰庫降至163.65 m,完成了夏秋汛期的過渡;進(jìn)入秋汛期,連續(xù)發(fā)生3次超10 000 m3/s的洪水,9月8日庫水位達(dá)到167.46 m,根據(jù)預(yù)報(bào)9月8～14日漢江上游無較大洪水,考慮后期蓄水需求,水庫騰庫幅度減小,庫水位降至167.20 m左右運(yùn)行;進(jìn)入9月中下旬,基于對(duì)未來兩場(chǎng)20 000 m3/s量級(jí)洪水的精準(zhǔn)預(yù)報(bào),結(jié)合蓄水需求,攔蓄洪水后水庫騰庫水位逐步抬升,分別降至167.46,169.00 m,在10月初銜接一場(chǎng)10 000 m3/s量級(jí)洪水后成功蓄至170.00 m。

結(jié)合中長期降雨預(yù)報(bào)充分分析后續(xù)防洪風(fēng)險(xiǎn),當(dāng)調(diào)度期靠近汛末時(shí),考慮后續(xù)更加迫切的蓄水需求,進(jìn)行精細(xì)化騰庫調(diào)度,逐步調(diào)整騰庫幅度,不僅保障了后續(xù)防洪安全,還為后續(xù)蓄滿提供了寶貴的洪水資源,這是一次非常有益的嘗試,對(duì)類似調(diào)度具有重要參考意義。

4.1.3供水量提升較大,興利作用明顯增強(qiáng)

陶岔渠首2020～2021年度計(jì)劃供水量與實(shí)際供水量對(duì)比如圖7所示?？梢钥闯?隨著5月中下旬和6月上中旬的加大消落,陶岔渠首供水量較計(jì)劃供水量有明顯的提升,5月、6月計(jì)劃供水量分別為6.91億,7.02億m3,實(shí)際供水量大幅提升至9.38億,9.16億m3。

圖7 陶岔渠首2020～2021年度計(jì)劃供水量與實(shí)際供水量對(duì)比Fig.7 Comparison of planned and actual water supply of Taocha canal headwork in 2020～2021

進(jìn)入夏汛期后,在滿足供水需求的前提下,利用多余洪量充蓄水庫,庫水位上浮至161.50 m,隨后在夏汛期與秋汛期的過渡期利用洪水資源順利蓄至163.50 m,完成了夏秋汛的過渡,7月、8月陶岔渠首實(shí)際供水量略大于計(jì)劃供水量。9月漢江上游發(fā)生罕見秋汛,在秋汛期運(yùn)行水位上浮以及提前蓄水調(diào)度的幫助下,丹江口水庫于10月10日14:00首次蓄至170.00 m,陶岔渠首供水量較計(jì)劃供水量大幅增加,9、10月計(jì)劃供水量分別為6.92億,6.83億m3,實(shí)際供水量大幅提升至9.72億,10.62億m3。在丹江口水庫優(yōu)化調(diào)度的幫助下,2020～2021年度陶岔渠首供水量由計(jì)劃的74.23億m3大幅提升至90.54億m3,增加了約27%,供水效益顯著。

4.1.4與原規(guī)程調(diào)度方式的差異

為分析2021年丹江口水庫優(yōu)化調(diào)度相較于原規(guī)程調(diào)度方式的差異,進(jìn)一步明確優(yōu)化調(diào)度的優(yōu)越性,基于《規(guī)程》中的防洪運(yùn)用方式對(duì)2021年秋汛期調(diào)度過程(自過渡期開始)進(jìn)行復(fù)演,丹江口水庫的出庫流量和水位變化過程如圖8所示。對(duì)比分析圖5中的實(shí)際調(diào)度過程和圖8中按規(guī)程運(yùn)用方式計(jì)算的調(diào)度過程,主要差異在9月8～18日漢江流域未發(fā)生較大洪水期間,9月24日至10月1日鴨河口水庫發(fā)生超歷史特大洪水期間以及10月1日后的蓄水期。

圖8 基于調(diào)度規(guī)程還原的丹江口水庫秋汛期調(diào)度過程Fig.8 Flood process of Danjiangkou Reservoir during theautumn flood according to Scheduling protocols

在9月8～18日期間,漢江流域未發(fā)生較大的洪水過程。按照《規(guī)程》的調(diào)度方式,為抵御后續(xù)可能洪水,在洪水過后迅速騰庫,便于丹江口水庫盡快降至汛限水位運(yùn)行,在騰庫期間,共下泄水量22.90億m3。在實(shí)際調(diào)度中由于天氣形勢(shì)較好,為減輕漢江中下游防洪壓力,庫水位下降幅度較小,基本維持在167.20 m左右。

在9月24日至10月1日洪水期間,鴨河口水庫發(fā)生超歷史特大洪水,實(shí)際調(diào)度過程中,丹江口水庫進(jìn)行了錯(cuò)峰調(diào)度,對(duì)漢江上游來水進(jìn)一步攔蓄,有效減輕了皇莊河段水位防洪壓力?！兑?guī)程》調(diào)度方式中,鴨河口防洪調(diào)度期間,丹江口水庫對(duì)皇莊進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)度,平均下泄流量較實(shí)際調(diào)度過程偏大約1 120 m3/s,漢江中下游面臨的防洪風(fēng)險(xiǎn)更大。

10月1日進(jìn)入蓄水期后,為保障防洪安全,實(shí)際調(diào)度過程中丹江口水庫逐漸回落,為可能發(fā)生的洪水留出一定空間,在統(tǒng)籌防洪、供水和蓄水需求的條件下逐步蓄至170.00 m。《規(guī)程》調(diào)度方式中,由于前期庫水位較低,依靠徑流蓄水有一定困難,利用10月6～10日洪水過程最終蓄至168.21 m,較正常蓄水位170.00 m仍有約18.2億m3庫容待充蓄。

總體而言,實(shí)際調(diào)度過程較好地完成了減輕漢江中下游防洪壓力和汛末興利蓄水任務(wù);執(zhí)行調(diào)度規(guī)程則更偏于安全穩(wěn)妥,對(duì)樞紐的防洪壓力較小。

4.2 實(shí)施優(yōu)化調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)及控制措施

4.2.1漢江中下游防洪風(fēng)險(xiǎn)

丹江口水庫汛期運(yùn)行水位上浮后,當(dāng)預(yù)報(bào)流域可能發(fā)生中等強(qiáng)度降雨過程和較大洪水時(shí),需結(jié)合漢江中下游防洪形勢(shì)進(jìn)行預(yù)泄調(diào)度,盡快降低庫水位。由于預(yù)泄調(diào)度過程中采用補(bǔ)償調(diào)度的方式嚴(yán)格控制丹江口水庫下泄流量,使皇莊流量不超過11 000 m3/s,因此與從汛限水位起調(diào)方案相比,預(yù)泄調(diào)度未加重下游防洪負(fù)擔(dān)。

除控制皇莊流量以外,預(yù)泄過程中不加重中下游防洪負(fù)擔(dān),一是要控制中下游重要站點(diǎn)(如仙桃站)不超警,二是要控制漢口站不超警。根據(jù)漢江干流洪峰與東荊河分流比例的關(guān)系,當(dāng)漢江干流洪峰流量為10 000 m3/s時(shí),東荊河分流量約為2 000 m3/s,分流比約為20%。丹江口水庫遭遇典型實(shí)際洪水預(yù)泄時(shí)皇莊夏、秋汛期的最大泄量分別為9 400,10 000 m3/s,東荊河分流20%后,仙桃在夏、秋汛期需過流7 520,8 000 m3/s左右。漢江中下游江段河道過流能力受到漢口水位的頂托影響,考慮預(yù)泄過程中控制仙桃江段不超過其警戒水位35.1 m,則漢口水位分別在27.0、25.5 m以下時(shí),其過流能力基本滿足仙桃河段下泄需求。此外,預(yù)泄過程中不應(yīng)加重漢口站防洪負(fù)擔(dān),從相對(duì)穩(wěn)定的水位流量關(guān)系判斷,漢口水位在26.0 m以下時(shí),接納上述預(yù)泄水量后水位可不超過警戒水位27.3 m。綜合考慮仙桃過流能力限制及漢口站防洪安全,從偏于安全的角度考慮,則在預(yù)泄啟動(dòng)時(shí)漢口水位不宜超過25 m,以避免水位頂托對(duì)中下游防洪產(chǎn)生影響。

4.2.2丹江口水庫防洪風(fēng)險(xiǎn)

考慮到水文預(yù)報(bào)的不確定性,在庫水位上浮運(yùn)行時(shí),若遭遇較大來水,可能會(huì)給樞紐本身帶來較大的防洪風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)漢江流域產(chǎn)匯流特性分析,丹江口入庫來水平均匯流時(shí)間1～2 d,皇莊區(qū)間來水平均匯流時(shí)間1～2 d,結(jié)合已發(fā)生的落地降雨產(chǎn)匯流條件,即使發(fā)生漏報(bào),一般在1.5 d內(nèi)也可采取措施應(yīng)對(duì)洪水。水位上浮1.00 m時(shí),夏汛期預(yù)泄1.5 d后終末水位為160.40 m左右,秋汛期最高水位為163.90 m左右;水位上浮1.50 m時(shí),夏汛期最高預(yù)泄終末水位為160.80 m 左右,秋汛期最高水位為164.30 m左右;水位上浮2.00 m時(shí),夏汛期最高水位為161.40 m左右,秋汛期最高水位為164.90 m左右。以上述提前預(yù)泄1.5 d后最高庫水位作為起調(diào)水位,采用1935年7月夏季典型設(shè)計(jì)洪水、1964年10月秋季典型設(shè)計(jì)洪水,按照《規(guī)程》提出的預(yù)報(bào)預(yù)泄、分級(jí)補(bǔ)償方式進(jìn)行防洪調(diào)度,結(jié)果如表5所列。

表5 預(yù)泄1.5 d后遭遇不同量級(jí)洪水最高調(diào)洪水位Tab.5 Maximum water level after 1.5 d pre-release encountered different magnitude flood

結(jié)果表明,當(dāng)水位上浮1.00 m和1.50 m時(shí),丹江口水庫有效利用1.5 d預(yù)見期進(jìn)行預(yù)泄后,遭遇P=5%以下量級(jí)設(shè)計(jì)洪水,調(diào)洪最高水位均可不超過規(guī)程編制階段對(duì)應(yīng)調(diào)洪最高水位成果。當(dāng)水位上浮2.00 m 時(shí),丹江口水庫有效利用1.5 d預(yù)見期進(jìn)行預(yù)泄后,遭遇夏、秋季P=10%和P=5%洪水,調(diào)洪最高水位則基本不超過現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定的允許調(diào)洪最高水位?？紤]到當(dāng)前漢江流域氣象水文預(yù)報(bào)能力的提升,在結(jié)合預(yù)報(bào)采取預(yù)泄等防洪風(fēng)險(xiǎn)控制措施的條件下,丹江口水庫遭遇P=5%及以下量級(jí)洪水對(duì)樞紐造成的防洪風(fēng)險(xiǎn)基本可控。在預(yù)報(bào)流域無雨或發(fā)生小雨的情況下,浮動(dòng)運(yùn)用時(shí)突降暴雨的可能性較小,遭遇P=1%量級(jí)洪水時(shí),采取預(yù)泄措施雖無法完全消除其超蓄影響,但也可明顯減小樞紐防洪風(fēng)險(xiǎn)。

4.2.3庫區(qū)淹沒風(fēng)險(xiǎn)

丹江口庫區(qū)土地征用線標(biāo)準(zhǔn)是5 a一遇,人口遷移線標(biāo)準(zhǔn)是20 a一遇,調(diào)度過程中需評(píng)估對(duì)庫區(qū)淹沒的影響。遭遇不同頻率設(shè)計(jì)洪水和不同場(chǎng)次典型洪水條件下,丹江口水庫汛限水位起調(diào)方案和上浮1.00,1.50 m和2.00 m方案下,庫區(qū)回水外包線均不超相應(yīng)量級(jí)土地征用線和人口遷移線。為進(jìn)一步降低防洪調(diào)度過程中回水高程,可以采用適時(shí)加大下泄流量,或利用上游安康水庫的調(diào)節(jié)能力開展聯(lián)合調(diào)度對(duì)丹江口水庫入庫洪水進(jìn)行攔洪錯(cuò)峰等方式,減少丹江口水庫入庫洪量,降低調(diào)洪最高水位和回水高程的規(guī)避措施。

5 結(jié)論及建議

在保證流域防洪安全的前提下,為了實(shí)現(xiàn)“一庫多利、一水多用”,對(duì)丹江口水庫的汛期消落、汛期運(yùn)行水位浮動(dòng)、汛末提前蓄水等調(diào)度方式進(jìn)行了優(yōu)化,提出了丹江口水庫優(yōu)化調(diào)度方案,并對(duì)2021年漢江洪水期間丹江口水庫實(shí)際調(diào)度過程進(jìn)行了分析。實(shí)際調(diào)度效果表明,丹江口優(yōu)化調(diào)度方案不僅保障了漢江中下游的防洪安全,還增加了南水北調(diào)中線工程的供水效益,為丹江口水庫首次實(shí)現(xiàn)170.00 m的蓄水目標(biāo)提供了重要支撐。

2021年的實(shí)際調(diào)度檢驗(yàn),充分驗(yàn)證了丹江口水庫優(yōu)化調(diào)度方案的優(yōu)勢(shì),對(duì)漢江流域及其他流域水庫的調(diào)度運(yùn)行有重要的指導(dǎo)意義。然而,實(shí)際調(diào)度過程中也存在一些問題需要進(jìn)一步考量和研究,為此提出如下建議:

(1) 進(jìn)一步提高流域水雨情預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)精度并延長預(yù)見期,一是為調(diào)度方案的進(jìn)一步優(yōu)化提供基礎(chǔ),二是為汛期運(yùn)行水位上浮以及汛末提前蓄水時(shí)的防洪風(fēng)險(xiǎn)控制提供保障。

(2) 結(jié)合來水預(yù)測(cè),適當(dāng)加大汛前消落深度,以增加汛期調(diào)度的靈活度,進(jìn)一步提高水資源利用率。

(3) 在分期汛限(夏、秋)及上浮運(yùn)行基礎(chǔ)上,應(yīng)根據(jù)洪水汛期、汛中、汛末特征,細(xì)化考慮蓄水秋汛期防汛限制水位臺(tái)階,以滿足防洪和蓄水(供水)雙重目標(biāo)要求。