长江大型水库群联合调度问题探讨

陈 进

(长江科学院院长办公室，武汉 430010)

至2009年底，长江流域已经建成各类水库4.6万座，总库达到2 500多亿m3，总兴利库容超过1 200多亿 m3［1，2］。其中大型水库 166 座，总库容1 908亿m3，总兴利库容983亿m3，分别占长江流域水库总库容和总兴利水库比例的76%和81%，因此，大型水库在长江流域水资源利用中占据重要的地位，是水库群联合调度的重点对象。长江流域属于水资源量相对丰富地区，多年平均地表径流量达9 856亿m3，而目前大型水库总库容及总兴利库容分别占长江地表径流量的19%和10%，真正可供调度运用的库容有限。随着长江上游大型水库的逐步建成，兴利库容会有所增加，但可调度的总库容仍然不大，而流域水资源的利用对于水库群调度的期望值很大，要求越来越高。本文根据长江流域大型水库建设和运行情况，讨论流域联合调度的实际需求［3］，分析联合调度的制约因素、启动条件和联合调度的模式，为制订科学的联合调度方案提供参考。

1 长江大型水库的现状分析

长江流域总面积180万km2，其中上游、中游和下游面积分别为100，68，12万km2。表1列出长江流域已建大型水库的地区分布和调节能力参数。从表中可见:长江流域虽然已经建成166座大型水库，但地区分布广，上游地区仅有38座，中游地区有114座，下游地区有14座。按流域面积比例来看，上游地区每2.6万km2仅有1座，中游地区每0.6万km2有1座，下游地区每 1.2万km2有1座。中游地区大型水库分布最多，其次是下游地区，最少是上游地区。原因是中游地区人口多，供水和灌溉需求大，修建水库的地理和交通条件好，过去大型水库修得比较多，而目前在建和规划将要建的大型水库绝大多数在上游地区。

从水库控制径流的能力来看，排在前列的是清江、汉江和乌江，其他水系和支流水库的总体调节能力还比较低，都不到10%。长江流域大型水库多数建在支流上，而且相当多的修在二级甚至三级支流上，在这些支流上，如果建了大型水库，水库控制该河流水流的能力就强，如清江，由于有隔河岩和水布垭2个大型水库，所以，清江上水库的调节能力最强。从防洪和水能利用等技术角度，一条支流上一般需要修建1～2个大型控制性水库比较科学，而在干流上，由于距离长，支流汇入多，则需要建设更多的大型水库才能比较有效地调节长江的水流。

由于地区分布和上下游的关系，上游水库调节都会直接影响下游河流及下游水库的调节，而下游水库对上游地区水流控制没有直接影响。对于长江中下游比较突出的防洪和抗旱问题，支流水库主要解决本河流的问题，不能解决上游的问题，也不能单独解决中下游全局的问题，需要靠上游控制性水库调度来解决。对于抗旱问题，目前上游大型水库总的兴利库容只有411亿m3，占上游多年平均径流量的9.5%，遇枯水年，所占比例更低，抵御长江中下游低水位和干旱问题的能力不足。对于中下游的防洪，目前上游大型水库防洪总库容仅276亿m3，遇特大洪水，防洪库容仍然是有限的，需要动用分蓄洪区。

表1 长江流域已建大型水库分布Table 1 Distribution of constructed large reservoirs in Yangtze River basin

长江流域虽然水库数量多，但具有较强调节性能的大型水库并不多，而且地域分布广，过去各水库根据自己的调度计划进行单独调度很自然，而水库群的联合调度主要体现在发电调度和大洪水来临时的防洪调度上。随着三峡工程的完工和长江上游一批大型水库将要建成，流域各水库单独调度与流域综合利用和保护的矛盾日益突出，联合调度的需求越来越大。

2 联合调度的需求

水库群联合调度主要包括防洪、发电、航运、水资源和生态调度等，除发电和航运调度主要涉及单一部门外，其他调度都具有公益性，不仅涉及利益相关者多，而且调度效果的社会和生态环境价值大，经济价值较难确定。从调度对象和相互影响来看，水力发电调度可以通过河流上下游河道中的水流，也可以通过电网在空中进行联合调度，而其他调度必须通过河道从上游向下游，从支流到干流逐级进行。长江流域水库群联合调度的主要需求体现在以下几方面。

2.1 防洪调度

防洪调度是根据《防洪法》，由国家、流域和省市各级防办进行统一调度。随着三峡和上游大型水库的建成，中下游地区防洪保护区，特别是规划的分蓄洪区等地方希望三峡水库起到更大的作用，不仅期望水库拦蓄大洪水，也希望拦蓄中小洪水。这些要求涉及到长江防洪体系的战略调整，包括堤防、水库和分蓄洪区定位和使用先后次序等问题，也涉及到长江上游大型水库防洪库容优化调度等技术问题。

2.2 水库群蓄水和预泄调度

由于长江干流和主要支流径流量较大，在其上修建年调节以上水库比较困难，大部分水库都仅具有不完全年调度(季、月、日和径流调节)能力［2］，这意味着具有防洪功能的大型水库水位汛前都需要下降至汛限水位，留下防洪库容，调蓄洪水，即使没有防洪任务的水库，为了大坝安全度汛和排沙等需要，也会适当降低运行水位，这样到汛末9－10月份，都需要蓄水到设计水位，流域水库群存在集中蓄水和竞争性蓄水问题。由于各水库隶属于不同的业主和地区，如果不采取统一蓄水调度，不仅难以保证各水库汛后蓄满率，还会引起下游河道枯季提前，影响这些地区用水安全。各个水库汛前预泄也有同样的问题，如果不统一考虑，会使中下游出现超高水位，增加中下游地区的防洪压力。

2.3 抗旱和补水调度

近些年来，长江流域干旱问题日益突出，如:2006年四川重庆大旱，2009年的西南地区大旱、近10年来，洞庭湖和鄱阳湖连续多年出现的低水位、2011年中下游的大旱等，都对三峡等大型水库联合抗旱和补水调度提出了新的要求［4－6］。

2.4 生态与环境调度

由于大坝的建设，河流水文和物理化学过程发生变化，以满足珍稀鱼类和4大家鱼等洄游性鱼类、水生动物、湿地水鸟需要的水位、流量和水温过程的生态调度要求越来越多［7，8］。同时，各水库预防水华发生和突发性水污染事故等需求的环境调度也越来越重要。

3 联合调度的技术条件和制约因素

3.1 防洪联合调度

长江流域防洪保护区面积为 15.38万km2，其中上游面积为 1.34万km2，中下游防洪区面积为14.04万km2，中下游地区是长江防洪的重点地区。长江的防洪体系主要包括堤防、水库和分蓄洪区3部分，根据洪水的规模和发生的区域，一般3方面措施综合使用，其中堤防是基本，水库是主要调控手段，分蓄洪区是最后的办法。洪水来临时，先用堤防挡水，发挥河道槽蓄的能力，这样可以抵御中小洪水;然后是水库，调蓄中到大洪水;遇特大洪水，水库防洪库容不够用时，且下游河道达到安全泄量时，需要使用分蓄洪区，保障大坝安全和重点地区堤防的安全。

长江已经建成总长约30 000 km的堤防体系，堤防设计洪水下有近1 000亿m3的河道槽蓄能力。当然，由于堤防是历史时期逐渐建成，质量千差万别，到警戒水位时，需要人员上堤查防。长江已建大型水库总的防洪库容588亿m3，其中长江上游水库防洪库容仅276亿m3，遇1954年大洪水，超过槽蓄能力还有1 000亿m3的洪水需要调蓄，虽然未来长江上游干支流在建和将建水库预留了340～360亿m3的防洪库容，但这些水库的防洪和兴利库容是相互结合的，与三峡防洪库容作用不同，主要预防9月以前的洪水，对于后汛期防洪作用有限。长江中下游虽然已经建设和规划了可以蓄滞627亿m3洪水的分蓄洪区，但由于分蓄洪区建设滞后，分蓄洪区内生活着近700万人，使用的代价很高，真正能够使用的分蓄洪区不多。所以，防洪联合调度需要分别考虑水库群在空间的分布和拦蓄洪水时间上的特点，即分别面对区域型大洪水与流域型大洪水的防洪库容优化调度、前汛期与后汛期防洪库容的优化调度等问题。

防洪联合调度在技术上分为2个层面，一是综合考虑堤防、水库和分蓄洪区使用的调度方式，二是仅考虑水库群的联合调度。显然前者更为宏观，具有战略意义，后者偏重战术层面。随着三峡等长江上游大型水库的建成，中下游地区及社会各界希望水库发挥更大的作用，尽量不使主要堤防水位超过警戒水位，同时能够减少分蓄洪区使用的机率，从社会经济效益讲可能是合理的，但从技术和风险控制角度，存在较大的问题:过分依靠水库的防洪作用，对于堤防和分蓄洪区的建设、维护和管理不一定有利。三峡水库防洪主要对象是拦蓄中到大洪水，调度方针是蓄泄兼顾，以泄为主，不宜改为以蓄为主，这样会增加水库的防洪风险。要想充分发挥三峡等上游水库防洪作用，必须提高洪水预报的精度，控制洪峰连续出现时水库的防洪风险，同时需要解决好水库泥沙淤积和长期使用问题。表2给出了典型洪水调度防洪综合措施。对于山洪，由于突发性，地处偏远山沟，非工程措施是主要方法。对于川江、重庆和长江上游大洪水，主要靠金沙江，雅砻江、岷江和嘉陵江上的大型水库联合调度，三峡可以起到调蓄作用，减轻对中下游影响。如果超过千年一遇洪水时(如1870年洪水)，需要启动中下游分蓄洪区。对于洞庭湖、鄱阳湖和汉江区域型洪水，主要依靠当地水库，三峡等上游水库可以采用控泄措施，减轻中下游地区防洪压力，必要时启动当地分蓄洪区。对于全流域大洪水，不仅要实行全流域水库的防洪联合调度，还必须依次启动分蓄洪区，保证大坝和重要防洪区的安全。

3.2 水资源联合调度

长江流域传统的干旱缺水地区是滇中高原、四川盆地、湘中南地区、赣吉太盆地、豫鄂南阳盆地等。这些地区处于气候相对干旱区，或者是山丘地区和分水岭地区，难以修建大型水库或者灌渠。近30年来，由于经济社会的快速发展，各地水资源利用量增加，再加上气候变化的影响，重庆、云贵川、洞庭湖、鄱阳湖和江汉平原也常常出现严重干旱，早先建设的大型水库大多数都有供水和灌溉功能，建设有配套的引水灌渠，而近30年和正在建设的大型水库大多数以水力发电为主，没有将灌溉和抗旱作为主要目的，当下游发生干旱时，由于缺乏配套灌渠，不能直接向干旱地区供水和灌溉，只能加大下泄，向下游河道补水，间接参与抗旱，例如三峡等长江上游水库不可能直接向中下游干旱地区供水，一般是通过抬高干流水位间接缓解旱情［8］。

表2 长江典型洪水水库群联合调度及其他措施Table 2 Joint regulation of reservoir groups and other measures for typical floods in Yangtze River

抗旱一般需要采取综合措施才能起到效果，水库联合调度需要满足一定的条件才会有成效，如①上游地区发生干旱，下游水库不能发挥作用;②低海拔水库，如果没有经济上合算的泵站及灌渠，对高海拔地区不能发挥作用;③上游水库不可能通过加大下泄，直接帮助长江河口解决盐水倒灌问题;④先当地水库，后其它地区水库。三峡水库距离长江河口有1 750 km，下泄水流到河口不仅需要10～15 d时间，而且沿江与洞庭湖、鄱阳湖、淮河和太湖关系复杂，水量交换多，中下游沿岸还有大量通江河流和取水设施。这些水利工程的取水能力超过20 000 m3/s，而三峡兴利库容仅165亿m3，在1－4月最多增加泄量1 000～3 000 m3/s，远不够维持大通站15 000 m3/s(低于该流量，长江口可能出现咸潮倒灌)以上的流量。所以，虽然三峡工程是长江干流最重要的控制性水库，但它的抗旱能力是有限的。对于洞庭湖、鄱阳湖和长江中下游出现低水位时，三峡加大下泄可以起到一定的作用，但应该首先利用当地水库抗旱和补水，其次才是三峡水库参与联合调度，更为重要的是需要同时在干旱地区进行取水和用水的需求管理。当长江中下游出现长时间的严重干旱时，沿岸地区取水和用水的需求管理比水库群联合调度作用更显著。所以，在解决长江中下游干旱时，当地水库应该先调度，然后三峡水库配合。洞庭湖和鄱阳湖与长江连通，除洪水来临时，大部分时间两湖水位比长江水面高，三峡水库多泄水的主要作用是抬高长江水位，延缓两湖水流入长江的时间。表3给出长江流域典型地区出现干旱时应采取的综合抗旱措施。从表中可见，无论哪个地区出现干旱，当地水库调度和水资源需求管理都是首先的措施，三峡等干流水库可以发挥补水的重要作用，能够发挥作用的时间主要在11月到第二年的5月。

表3 长江典型干旱水库调度及其他对策Table 3 Reservoir regulation and other measures for typical droughts in Yangtze River basin

3.3 发电调度和航运调度

发电调度主要通过电网进行，但一条河上的梯级水电站仍然有优化调度的潜力，当一条河上的控制性水库建成后，在水位衔接和综合发挥水能利用效率上应该开展联合调度，将显著提高下游水电站的保障出力及发电能力，应该注意，发电联合调度需要与水资源调度和航运调度协调，一般应该遵守电调服从水调、兴利调度服从公益性调度的原则，当然这涉及到经济利益协调和综合管理问题。

长江干支流通航里程达6.7万多km，占全国内河通航总里程的52.8%，2005年长江水系水路完成货运量14.6亿t，长江航运发展迅速。随着梯级水库的建成，航运水位保证率会显著提高，联合调度时需要重点考虑梯级水库水位衔接、预防水电站调峰引起下游河道非恒定流的问题。

3.4 生态与环境调度

生态调度特别需要水库群的联合调度机制，如下泄生态流量、制造洪水过程等都需要上下游水库相互配合。至今为止，由于水生态系统的复杂性，长江流域大型水库的生态调度还没有真正纳入调度规程，最多是保证最小下泄流量(常称为生态基流)。随着经济社会的发展，对河流生态系统重要性认识的不断加深，为修复和改善河流生态系统，维护环境流的生态调度会越来越受到重视［10］。

水库下泄最小生态流量是生态调度的初级阶段，实际上包含了下游人们生活生产用水和保证水功能区水质目标的环境用水，离保证水生态系统结构完整和良好的目标还有很大的差距。以长江鱼类为例，鱼类生活需要三场一道(繁殖场、产卵场、越冬场和洄游通道)，不仅需要一定的洪水过程，还需要特定的水温等物理化学过程。表4给出了长江几种典型鱼类产卵需要的水文特性和时间，如果再考虑其他两场和洄游通道，要求更高。目前水库群的联合调度还不能完全满足这些要求，未来的生态调度应该向这方面不断努力。

表4 长江重要鱼类对于水流的基本要求Table 4 Demand for spawning environmental flow of important fishes in Yangtze River

除了生态调度外，考虑库湾水华，解决突发水污染事故的应急调度是水库群环境调度的重要内容，前者技术难度较大，需要考虑水库多目标要求和库岸问题等，利用适当时机，通过调度加快库区水体流动速度，而突发水污染事故的处理是所有水库必须考虑的应急调度方案。

4 结语

从长江流域防洪、供水、灌溉、抗旱、发电、航运和生态等多目标综合效益最大角度来看，大型水库群进行联合调度是十分必要的，但要达到预期的目的，还有许多科学技术和管理问题需要研究和解决。从科学技术角度来看，首先需要建立和完善全流域的气候和水文站点自动监测网络，建立流域级降雨径流模型，提高中期水文预报的精度，为水库联合调度提供及时、准确的预报调度信息;其次，研究和制定不同河段(地区)、不同层次和不同对象水库群联合调度启动条件(域值)，同时建立起联合调度效果监测和评价方法，为利益协调和补偿提供依据;第三，需要研究和提出将防洪、生态、抗旱等公益调度与兴利调度有效结合的调度方法和实施步骤。从管理角度来看，大型水库群联合调度产生的综合效益肯定比单个水库调度好，但由于水库隶属于不同地区和不同的业主，联合调度涉及的利益相关者多［2，8，9］，利益关系复杂，统一调度综合管理和利益协调难度大。因此，整体综合效益好，不一定单个水库兴利效益好;社会效益好，不一定经济效益好。防洪、抗旱和生态调度基本上属于公益性，社会效益和间接经济效益大，受益面广，但受益主体难以确定，经济效益难以评估。水库群联合调度方案技术要求高，来水情况、调度效果和影响都具有较大的随机性，调度本身也承担一定的风险，所以，水库群联合调度的最大难点是效果评估管理体制机制、利益协调和补偿制度的建立。

［1］陈 进，黄 薇.长江水库群联合调度可能性分析［J］.长江科学院院报，2008，25(1):1－5.(CHEN Jin，HUANG Wei.Possibility Analysis of the United Regulating of Reservoir Groups in Changjiang River Basin［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2008，25(1):1－5.(in Chinese))

［2］陈 进.长江流域大型水库群统一蓄水调度问题探讨［J］.中国水利，2010，(8):10－13.(CHEN Jin.The Uniform ImpoundmentProblemsofLarge Reservoir Groups in Yangtze River Basin［J］.China Water Resources，2010，(8):10－13.(in Chinese))

［3］许继军，陈 进.长江上游大型水电站群联合调度发展战略研究［J］.中国水利，2011，(4):24－28.(XU Ji-jun，CHEN Jin.Development Strategy Study on Combined Management Stations on the Upper Yangtze River［J］.China Water Resources，2011，(4):24－28.(in Chinese))

［4］陈 进.南方水资源管理问题的讨论［J］.中国水利，2009，(15):24－27.(CHEN Jin.Discussion on Water Resources Management in South China［J］.China Water Resources，2009，(15):24－27.(in Chinese))

［5］陈 进，朱延龙.长江流域用水总量控制探讨［J］.中国水利，2011，(5):42－44.(CHEN Jin，ZHU Yanlong.Discuss on Total Water Use in Changjiang River Basin［J］.China Water Resources，2011，(5):42－44.(in Chinese))

［6］陈 进.三峡水库抗旱调度问题的探讨［J］.长江科学院院报，2010，27(5):19－23.(CHEN Jin.Approach on Drought Relief Operation of the Three Gorges Reservoir［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27(5):19－23.(in Chinese))

［7］陈 进，黄 薇.长江的生态流量问题［J］.长江科学院院报，2007，24(6):1－5.(CHEN Jin，HUANG Wei.Environmental Flow of the Changjiang River［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2007，24(6):1－5.(in Chinese))

［8］陈 进，黄 薇.长江环境流量问题及管理对策［J］.人民长江，2009，4(8):17－19.(CHEN Jin，HUANG Wei.Environment Flows and Its Management Measures in the Changjiang River［J］.Yangtze River，2009，4(8):17－19.(in Chinese))

［9］黄 薇，陈 进.长江控制性水库联合调度体制及机制探讨——以湘江抗旱调度为例［J］.长江科学院院报，2010，27(12):12－16.(HUANG Wei，CHEN Jin.Exploration on System and Mechanism of Joint Dispatch of Dominant Reservoirs in Yangtze River Basin:Dispatch of Drought Control in Xiangjiang River as an Example［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27(12):12－16.(in Chinese))

［10］陈 进.中国环境流研究与实践［M］.北京:中国水利水电出版社，2011.(CHEN Jin.Research and Practice of Environmental Flows in China［M］.Beijing:China Water Power Press，2011.(in Chinese))