清江梯級配合三峽水庫對城陵磯防洪調(diào)度方式探究

摘要：

為充分挖掘清江梯級水庫10億m3防洪庫容的防洪效益，構(gòu)建了長江上游水庫群與清江梯級水庫聯(lián)合防洪調(diào)度模型，定量分析了清江梯級水庫配合三峽水庫對荊江河段實施聯(lián)合防洪調(diào)度的防洪作用和庫容使用情況，探討了清江梯級水庫配合三峽水庫對城陵磯聯(lián)合防洪調(diào)度的必要性；在此基礎上，開展了不同水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度方案防洪效果的比較分析，提出了清江梯級水庫配合三峽水庫對城陵磯防洪調(diào)度的分級攔蓄方式。研究表明：提出的分級攔蓄方式為當來水小于4 000 m3/s，清江梯級水庫各攔蓄流量為2 500 m3/s；當來水不小于4 000 m3/s，清江梯級水庫各攔蓄流量為3 000 m3/s；攔蓄時機與三峽水庫同步，在攔蓄過程中兼顧了發(fā)電因素。該方案可有效發(fā)揮清江梯級水庫的防洪作用，減少長江上游水庫群動用防洪庫容。研究成果量化了清江梯級水庫的防洪作用，可有力支撐長江水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度方案編制。

關" 鍵" 詞：

聯(lián)合防洪調(diào)度； 防洪效果分析； 清江梯級水庫； 三峽水庫； 城陵磯地區(qū)

中圖法分類號： TV697.1

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.07.004

收稿日期：

2024-03-27；接受日期：

2024-05-05

基金項目：

國家重點研發(fā)計劃項目（2021YFC3200302）；中國長江三峽集團有限公司科研項目（0704188）；國家自然科學基金項目（52109004）；長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司自主創(chuàng)新項目（CX2019Z44）

作者簡介：

鄒" 強，男，高級工程師，博士，主要從事水工程聯(lián)合調(diào)度研究。E-mail：zouqianghust@163.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 07-0029-06

引用本文：

鄒強，張松，郭俊，等.

清江梯級配合三峽水庫對城陵磯防洪調(diào)度方式探究

［J］.人民長江，2024，55（7）：29-34，43.

0" 引 言

清江位于湖北省境內(nèi)，在長江荊江河段上游匯入長江，是長江出三峽水庫之后，三峽水庫至荊江河段間的最大支流［1-2］。清江流域已基本形成了以水布埡、隔河巖水庫為骨干，大龍?zhí)?、車壩、老渡口等干支流水庫、堤防、河道整治等工程措施與防洪非工程措施相配套的綜合防洪體系［3］。在確保樞紐本身防洪安全的前提下，水布埡、隔河巖水庫聯(lián)合攔蓄清江洪水，提高清江下游沿江城鎮(zhèn)的防洪能力，配合三峽水庫進行聯(lián)合防洪調(diào)度。

清江水布埡、隔河巖梯級水庫（以下簡稱“清江梯級水庫”）除承擔清江下游長陽縣城防洪任務外，還承擔為長江干流荊江河段錯峰任務。依據(jù)現(xiàn)行《清江水布埡、隔河巖、高壩洲梯級水庫調(diào)度規(guī)程》［2］，清江梯級水庫為荊江河段預留10億m3防洪庫容配合三峽水庫錯峰調(diào)度。以往針對清江梯級水庫配合三峽水庫聯(lián)合防洪調(diào)度的研究，主要是結(jié)合荊江河段削峰需要，構(gòu)建三峽水庫與清江梯級水庫聯(lián)合防洪優(yōu)化調(diào)度最大削峰準則模型［4］，提出主汛期清江梯級水庫防洪庫容的投入時機和投入次序［5］，進而提高荊江河段的防洪標準。

事實上，清江梯級水庫預留10億m3防洪庫容為荊江錯峰是在三峽水庫建設之前的統(tǒng)籌安排。三峽水庫是長江中下游防洪的關鍵性骨干工程，建成后，能有效調(diào)控長江上游洪水，中游各地區(qū)防洪能力有較大提高，特別是荊江河段防洪形勢發(fā)生了根本性變化，可使荊江河段達到100 a一遇防洪標準。隨著長江上游金沙江下游4座梯級水庫等巨型水庫群相繼建成投運，長江干流汛期水庫群防洪庫容顯著增加，上游水庫群對荊江河段防洪能力顯著提高。可見，荊江河段防洪能力已明顯改善，錯峰需求很少。然而，城陵磯地區(qū)是長江中下游洪災最頻發(fā)區(qū)域，是長江水庫群防洪的重點保護對象，是長江防洪的關鍵點和最難點［6］。為此，在相關批復的調(diào)度文件中［7-8］，要求“當預報清江流域或長江上游可能發(fā)生大洪水時，水布埡、隔河巖水庫水位應盡快降至防洪限制水位或相應的控制水位”；同時在確保清江流域和荊江河段防洪安全的前提下，為充分發(fā)揮清江梯級水庫配合以三峽水庫為核心的長江干流水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度的作用，也指出“必要時，清江梯級水庫與三峽水庫實施聯(lián)合防洪調(diào)度，以緩解長江干流防洪壓力”。正在修編的長江流域防洪規(guī)劃也要求，結(jié)合流域防洪調(diào)度格局變化，開展清江梯級水庫配合三峽水庫對長江中下游聯(lián)合防洪調(diào)度研究［3］。

針對城陵磯地區(qū)防洪調(diào)度問題，已開展了較多以三峽水庫為核心的水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度研究，包括調(diào)度方式研究［9-11］、調(diào)度策略優(yōu)化［12-13］、控制水位優(yōu)化［14-15］、調(diào)度效益分析［16-19］等方面。上游水庫群在協(xié)同多區(qū)域防洪要求的前提下，配合三峽水庫對中下游聯(lián)合防洪調(diào)度，有效提高了城陵磯地區(qū)的防洪能力，是本次研究的重要基礎。

本文依托長江上游水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度研究成果，考慮清江梯級水庫增量作用，定量分析清江梯級水庫配合三峽水庫對城陵磯地區(qū)防洪補償調(diào)度的必要性和可行性，提出清江梯級水庫配合三峽水庫聯(lián)合防洪調(diào)度的攔蓄方式，以進一步明晰清江梯級水庫10億m3防洪庫容在長江防洪體系中的作用，以期擴大長江上中游水庫群配合三峽水庫對城陵磯地區(qū)的防洪能力，充分發(fā)揮長江上中游水庫群聯(lián)合防洪效益。

1" 長江上游水庫群與清江梯級水庫聯(lián)合防洪調(diào)度模型

1.1" 研究對象

以長江上游25座水庫群為基礎［20］，新增水布埡、隔河巖2座水庫納入聯(lián)合調(diào)度，以探究清江梯級水庫配合三峽水庫對城陵磯地區(qū)的防洪調(diào)度方式以及防洪增量作用。長江上中游27座水庫群總防洪庫容達499億m3，拓撲關系見圖1。其中，上游水庫群在滿足所在河流防洪要求的前提下，配合三峽水庫防洪庫容總體為229.61億m3，上游干支流梯級水庫多區(qū)域防洪庫容安排詳見文獻［13，20］，清江梯級水庫預留10億m3防洪庫容配合三峽水庫進行聯(lián)合防洪調(diào)度。

1.2" 調(diào)度方案

按照2024年度長江流域水工程聯(lián)合調(diào)度運用計劃［8］，長江中下游干流防洪任務為總體達到防御1954年洪水標準，減少分洪量和蓄滯洪區(qū)的使用幾率［17，19］。

當荊江河段發(fā)生洪水時，充分利用河道下泄洪水，利用三峽水庫等聯(lián)合攔蓄洪水。其中，梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯?shù)乩?、錦屏一級、二灘等水庫，與三峽水庫同步攔蓄洪水；烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩、觀音巖、瀑布溝、亭子口、草街、構(gòu)皮灘、思林、沙沱、彭水等具有防洪雙重任務的水庫，結(jié)合所在河流防洪任務，配合其他水庫降低長江干流洪峰流量，減少三峽水庫入庫洪量；清江梯級水庫與三峽水庫實施聯(lián)合防洪調(diào)度，減輕長江干流荊江河段防洪壓力。

當城陵磯地區(qū)發(fā)生洪水時，充分利用河湖泄蓄洪水，利用三峽等水庫聯(lián)合攔蓄洪水，控制城陵磯站水位不超過34.40 m。其中：梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯?shù)乩?、觀音巖、錦屏一級、二灘、瀑布溝、亭子口、草街、構(gòu)皮灘、思林、沙沱、彭水等水庫，結(jié)合所在河流防洪任務，與三峽水庫同步攔蓄洪水；烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩水庫在留足川渝河段所需防洪庫容的前提下，結(jié)合三峽水庫來水采取分級控泄或削峰錯峰配合調(diào)度；清江梯級水庫相機配合調(diào)度。

1.3" 模型構(gòu)建

基于水庫群“時-空-量-序-效”多區(qū)域協(xié)同防洪調(diào)度模型［20］，進一步耦合集成清江梯級水庫防洪調(diào)度方案，搭建形成以三峽為核心的上游干支流水庫群-三峽水庫-清江梯級水庫27庫聯(lián)合防洪調(diào)度模型，見圖2。本文不改變上游水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度方式，主要針對清江梯級配合三峽水庫聯(lián)合防洪調(diào)度的攔蓄方式、防洪效益等開展計算分析比較研究。

1.4" 不同典型洪水選取

為全面考慮荊江河段和城陵磯地區(qū)防洪需求，根據(jù)長江干流、清江以及洞庭湖“四水”洪水特性分析，選取1954、1998、2020年等16個典型年進行計算分析，具體包括：1935、1954、1968、1998、2020年洪水，長江干流、洞庭湖和清江來水均較大；1969、1980、1983、1996、2016年洪水，洞庭湖、清江來水較大；1931、1988、1999、2003年洪水，長江干流、洞庭湖來水較大；2002、2017年，洞庭湖來水較大?？梢?，所選典型洪水覆蓋長江不同洪水地區(qū)組成類型，可有效反映荊江河段、城陵磯地區(qū)防洪形勢［21］。

2" 清江梯級水庫不同配合方式的水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度效果分析

2.1" 僅考慮荊江河段防洪需求

首先，為分析清江梯級納入聯(lián)合調(diào)度后的防洪效果，設置兩種調(diào)度方案：

（1） 方案0，上游水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度方案［13，15，20］。此時上游水庫群配合三峽水庫對荊江河段和城陵磯地區(qū)防洪調(diào)度；清江梯級水庫不納入聯(lián)合調(diào)度，僅考慮清江流域防洪要求。

（2） 方案1（基本方案），現(xiàn)行調(diào)度規(guī)程方案，即納入清江梯級水庫實施聯(lián)合調(diào)度，清江梯級水庫配合三峽水庫對荊江防洪補償調(diào)度［2］。此時水布埡、隔河巖水庫各5億m3防洪庫容同步投入，最大攔蓄流量分別為5 000 m3/s。

清江梯級納入聯(lián)合調(diào)度，長江上中游水庫群聯(lián)合調(diào)度防洪效果見表1。

結(jié)合調(diào)度方案1（基本方案），清江梯級在1935、1954、1969、1999、2016年和2020年

會動用防洪庫容，其中1969年和2016年因時段來水

較大導致被動滯洪。也就是說，當清江梯級僅考慮荊江河段防洪需求時，在1935、1954、1999、2020年等4個年份，清江梯級配合長江上游水庫群聯(lián)合調(diào)度，動用防洪庫容分別為8.57億，5.70億，3.49億，8.13億m3，對荊江河段防洪發(fā)揮了攔蓄作用。

按照調(diào)度方案1，此時長江上游水庫群統(tǒng)籌荊江和城陵磯防洪需求，而清江梯級僅考慮荊江防洪需求，其作用在于：通過攔蓄減少匯入長江干流洪量，減少宜昌—枝城合成流量，進而增加三峽水庫對荊江防洪補償調(diào)度出庫流量，以減少動用三峽水庫防洪庫容。需要說明的是，1999年清江梯級攔蓄后騰庫會增加宜昌—枝城區(qū)間流量，此時延緩三峽水庫騰庫時機，在迎接后續(xù)洪水時三峽庫水位（150.14 m）略高于清江梯級不騰庫時水位（149.97 m），但防洪風險可控。為確保防洪安全，在清江梯級配合三峽水庫攔洪后，應相機實施退水調(diào)度。由于清江梯級水庫防洪庫容相較三峽水庫占比小，本次研究還是優(yōu)先考慮清江梯級水庫騰庫。

然而，針對16個典型年，僅在1935、1954、1999、2020年等4個年份，實施了清江梯級配合三峽水庫對荊江河段防洪調(diào)度，動用機會并不多，大多數(shù)年份都不會針對荊江河段動用防洪庫容；即便是在這4個年份，由于清江梯級攔蓄能力有限，實質(zhì)上大多數(shù)時段中下游防洪需求是以城陵磯地區(qū)為主，這些時段上游水庫群是針對城陵磯地區(qū)實施防洪補償，因此上游水庫群動用防洪庫容改變不大，如1954年清江梯級動用防洪庫容5.7億m3，但減少動用上游水庫群防洪庫容僅為0.31億m3。

1931、1968、1980、1983、1996、1998、2002、2003、2017年等年份，荊江河段無防洪需求，為了盡可能多的利用清江梯級防洪庫容以減輕長江干流防洪壓力，可考慮在這些年份將城陵磯地區(qū)作為清江梯級兼顧考慮的防洪對象。由于城陵磯地區(qū)距離清江梯級地理位置較遠，從實施聯(lián)合防洪調(diào)度的可行性和快速性而言，荊江河段仍然是首要目標。

因此，為提高清江梯級防洪庫容投入規(guī)模和時機，減少上游水庫群動用防洪庫容，有必要研究清江梯級水庫配合長江上游水庫群對城陵磯地區(qū)聯(lián)合防洪調(diào)度。

2.2" 兼顧考慮城陵磯地區(qū)防洪需求

清江主汛期（6月21日至7月31日）城陵磯地區(qū)有防洪需求的時段統(tǒng)計見表2。16個典型年中，除了1988年，城陵磯地區(qū)均有防洪調(diào)度需求，年均9 d左右。因此，為緩解長江中游干流防洪壓力，可實施清江梯級水庫與三峽水庫聯(lián)合防洪調(diào)度。

由于清江洪水多以尖瘦型洪水為主，陡漲陡落、歷時短，清江梯級防洪庫容越早投入運用，攔蓄清江洪水效果越明顯，長江上游水庫群動用防洪庫容也越小，有利于上游水庫群攔蓄后續(xù)更大洪水。為此，清江梯級防洪庫容投入時機與三峽水庫同步，在城陵磯地區(qū)有防洪需求時投入運用。設置3種調(diào)度方案：

（1） 方案2（類似荊江河段攔蓄方案）。參考方案1，當城陵磯地區(qū)有防洪需求時，清江梯級水庫配合三峽水庫對城陵磯進行防洪調(diào)度，水布埡、隔河巖水庫分別按照最大攔蓄流量為5 000 m3/s進行攔蓄，可視為與方案1類似攔蓄方式，區(qū)別在于新增考慮城陵磯地區(qū)防洪需求。

（2） 方案3（機組滿發(fā)流量控制方案）。當城陵磯地區(qū)有防洪需求時，清江來水大多在滿發(fā)流量以上，為兼顧發(fā)電效益，水布埡、隔河巖水庫按照相應機組滿發(fā)流量1 110 m3/s和1 300 m3/s進行控制。

（3） 方案4。為提高考慮清江梯級防洪庫容使用效率，在城陵磯地區(qū)有防洪需求時，結(jié)合清江梯級水庫來水情況，實施分級攔蓄，即當來水小于4 000 m3/s，清江梯級水庫各攔蓄流量均為1 500 m3/s；當來水不小于4 000 m3/s，清江梯級水庫各攔蓄流量均為2 000 m3/s，在攔蓄過程中兼顧考慮發(fā)電因素。

表3給出了方案2與方案1調(diào)度效益的對比情況?？芍?，在滿足荊江河段防洪需求的基礎上，清江梯級水庫兼顧城陵磯地區(qū)防洪需求，可減少動用長江上游水庫群防洪庫容，與上游水庫群起到庫容置換的作用，也會增加一定的發(fā)電效益，表明本文提出拓展清江防洪對象是必要的。

進一步，基于16個典型年的實際洪水，1%、2%和3.33%洪水進行調(diào)洪演算，方案3、方案4與方案2調(diào)度效益的對比情況見表4。可知，從整體上來看，方案3和方案2類似，靈活性較好，按滿發(fā)流量即可快速操作控制；方案4防洪效益優(yōu)于方案2和方案3，但發(fā)電效益小，可平均減少上游水庫群防洪庫容0.09億m3，平均損失發(fā)電量為0.08億kW·h，相對于防洪效益增量來講，發(fā)電量損失稍小。從兼顧防洪與發(fā)電的角度出發(fā)，暫推薦方案4，通過清江梯級分級攔蓄方式配合三峽水庫對城陵磯地區(qū)進行防洪調(diào)度。

2.3" 進一步細化聯(lián)合防洪調(diào)度方案

結(jié)合城陵磯地區(qū)成災時段的清江來水流量分布特性，進行清江梯級水庫攔蓄參數(shù)優(yōu)化分析。按照攔蓄流量級別不同，設置調(diào)度方案5、方案6和方案7，具體如下：

（1） 方案5。在方案4的基礎上，適度減少清江梯級攔蓄能力，即當來水小于4 000 m3/s，清江梯級水庫各攔蓄流量均為1 000 m3/s；當來水不小于4 000 m3/s，清江梯級水庫各攔蓄流量均為1 500 m3/s，在攔蓄過程中兼顧發(fā)電因素。

（2） 方案6。在方案4的基礎上，適度加大清江梯級攔蓄能力，即當來水小于4 000 m3/s，清江梯級水庫各攔蓄流量均為2 000 m3/s；當來水不小于4 000 m3/s，清江梯級水庫各攔蓄流量均為2 500 m3/s，在攔蓄過程中兼顧發(fā)電因素。

（3） 方案7。在方案6的基礎上，進一步加大清江梯級攔蓄能力，即當來水小于4 000 m3/s，清江梯級水庫各攔蓄流量均為2 500 m3/s；當來水不小于4 000 m3/s，清江梯級水庫各攔蓄流量均為3 000 m3/s，在攔蓄過程中兼顧發(fā)電因素。

與前述計算方式類似，得到各方案相比方案4的變化值，見表5?？芍桨?在進一步增加清江梯級防洪庫容投入的基礎上，可平均減少上游水庫群動用防洪庫容0.09億m3，清江梯級增發(fā)電量為0.08億kW·h左右，此時聯(lián)合調(diào)度效益更優(yōu)。

需要說明的是，由于清江梯級水庫10億m3防洪庫容相對長江上游水庫群489億m3防洪庫容比重不大，方案7相比方案3（機組滿發(fā)流量控制方案）效益好但也并非十分顯著，在實際調(diào)度過程中，可直接按照機組滿發(fā)流量控制，以方便快速決策操作。

3" 結(jié) 論

本文以長江上游水庫群與清江梯級水庫27庫聯(lián)合防洪調(diào)度模型為基礎，定量分析了基于現(xiàn)行規(guī)程方案的清江梯級水庫配合三峽水庫對荊江河段的防洪作用，闡明了清江梯級水庫配合三峽水庫對城陵磯地區(qū)防洪調(diào)度的必要性，以提高清江梯級防洪庫容投入和置換上游水庫群動用防洪庫容。在此基礎上，探討了清江梯級水庫配合三峽水庫對城陵磯地區(qū)防洪補償調(diào)度方式，基于16場典型洪水分析了不同攔蓄方案的聯(lián)合防洪效果，從綜合防洪與興利的角度，建議清江梯級水庫防洪庫容投入使用時機與三峽水庫同步，并采取精細化的分級攔蓄方式配合三峽水庫聯(lián)合防洪調(diào)度以減輕城陵磯地區(qū)防洪壓力，即：當來水小于4 000 m3/s，清江梯級水庫各攔蓄流量為2 500 m3/s；當來水不小于4 000 m3/s，清江梯級水庫各攔蓄流量為3 000 m3/s，在攔蓄過程中兼顧發(fā)電因素。

研究過程中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)年份清江中下游及長江中游防洪需求時段并不多，清江來水主要以中小洪水為主，為充分發(fā)揮清江梯級水庫洪水資源利用效益，提升汛期梯級水庫調(diào)度運用靈活性，有必要在確保清江梯級水庫防洪調(diào)度安全的基礎上，進一步開展清江梯級水庫汛期運行水位動態(tài)控制方案研究，為清江梯級水庫調(diào)度規(guī)程修編提供技術支撐。

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（編輯：郭甜甜）

Flood control operation scheme for Chenglingji area by combining Qingjiang cascade reservoirs with Three Gorges Reservoir

ZOU Qiang1，2，3，ZHANG Song1，GUO Jun4，LI Xiaonan2，HUANG Di5，ZHU Tianlong2

（1.China Three Gorges Corporation，Yichang 443133，China；" 2.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；" 3.State Key Laboratory of Water Resources Engineering and Management，Wuhan University，Wuhan 430072，China；" 4.School of Civil and Hydraulic Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；" 5.Qingjiang Hydropower Development Co.，Ltd.，Yichang 443000，China）

Abstract：

In order to fully exploit the flood control benefit of 1 billion cubic meters of Qingjiang cascade reservoirs，this study constructed a joint flood control operation model of cascade reservoirs in the upper reaches of Changjiang River and Qingjiang cascade reservoirs.We quantitatively analyzed the flood control effect and storage capacity utilization of Qingjiang cascade reservoirs under cooperation with the Three Gorges Reservoir to Jingjiang Reach.The necessity of joint flood control operation to Chenglingji Area by Three Gorges Reservoir with the cooperation of Qingjiang cascade reservoirs was discussed.Based on the comparative analysis of joint flood control effect with different operation schemes，the graded storage scheme to Chenglingji Area by combining Qingjiang cascade reservoirs with Three Gorges Reservoir was proposed.The proposed graded storage scheme is that： when the inflow is less than 4 000 m3/s，the stored flow of each Qingjiang cascade reservoir is 2 500 m3/s；when the inflow is not less than 4 000 m3/s，the stored flow of each Qingjiang cascade reservoir is 3 000 m3/s.And during the water storage process，the impounding timing is synchronized with the Three Gorges Reservoir，and the power generation factor is also taken into account.The research quantified the flood control function of Qingjiang cascade reservoirs and strongly supported the formulation of joint flood control operation scheme of Changjiang River reservoir group.

Key words：

joint flood control operation； flood control effect analysis； Qingjiang cascade reservoirs； Three Gorges Reservoir； Chenglingji area