丹江口水库汛末提前蓄水策略探讨

霍军军，许继军，张莉莉

（长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010）

丹江口水库汛末提前蓄水策略探讨

霍军军，许继军，张莉莉

（长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010）

丹江口水库是南水北调中线工程的重要水源地，按原设计蓄水方案水库汛末蓄满率较低。在分析丹江口水库汛期最后一场洪水出现时间分布规律的基础上，提出将水库的蓄水时机从10月上旬提前至9月下旬。并通过防洪稳妥性分析得出，该方案能够保证原设计防洪标准。同时根据实际入库流量数据对水库不同运行方式下的兴利效益进行了比较，结果表明汛末提前蓄水方案能明显提高水库兴利效益。

丹江口水库；提前蓄水；洪水资源利用

1 概 述

丹江口水库位于汉江与支流丹江汇合口下的丹江口市，是一座以防洪为主，兼顾发电、灌溉、航运、养殖等综合利用效益的大型水利工程，是治理开发汉水的关键工程，也是南水北调中线工程的水源地。水库控制流域面积9.5万km2，占汉江流域总面积的60%；坝址处多年平均来水量387.8亿m3，主要集中在汛期5－9月份，约占全年66.1%。丹江口水库初期规模正常蓄水位157 m，总库容174.5亿m3，随着南水北调中线工程建设的进行，丹江口水库大坝将在其初建基础上增高，设计蓄水水位将由157 m提高到170 m，相应库容也将增加116亿m3达到290.5亿m3。

近年来，一方面水库上游来水减少明显［1］，另一方面由于城镇用水与农业灌溉用水的加大，尤其是南水北调中线工程建成运行后，按规划每年需向北方供水约90亿～130亿m3（约占多年平均入库径流量的1／4）［2］，供水压力骤然加大。而随着水库大坝的加高，库容系数将达到0.77，水库按设计要求每年10月1日放弃汛限控制水位开始蓄水的运行方式，能够蓄满的机率将更低。因此，在水库运行中选择合适的汛末蓄水时机将汛末最后一次洪峰过后的后续洪水留存至水库中，以提高水库的蓄满保证率及供水、灌溉、发电等保证程度，是十分必要的。

目前国内在汛末提前蓄水方面的研究主要集中在三峡水库上。李义天等分别比较了三峡水库汛末推迟蓄水方案和提前蓄水方案对三峡工程防洪、发电及航运的影响，对汛末提前的效益进行了分析［3］；刘心愿等建立了多目标蓄水调度模型，结果表明提前蓄水的最优方案在满足上下游防洪安全要求的前提下，蓄水期可增发电量17%，减少弃水44%，蓄满率和通航保证率显著提高［4］。

本文通过分析丹江口水库运行多年来汛末洪水时间的分布规律，在保证防洪安全的前提下探讨汛末提前蓄水方案，以在汛末截蓄更多的洪水，提高水库的蓄满率及汛后对南水北调中线工程的供水保证程度，充分发挥水库的供水、发电等兴利效益。

2 水库汛末蓄水存在的问题

丹江口水库自1973年建成运行以来，防洪与兴利矛盾一直十分突出。汛期为了下游防洪保护区的安全，须预留较大的防洪库容，造成弃水较多，平均每年弃水70亿～80亿m3［5］，汛后水库又很难蓄满。丹江口水库按大坝加高前的设计要求，每年从10月1日放弃汛限水位开始蓄水，但能蓄到正常蓄水位157.0 m的机率只有23%左右［6］。大坝加高后，按设计要求正常蓄水位从157.0 m提高到170.0 m，相应的秋季汛限水位由152.5 m提高到163.5 m，但汛末蓄水时间仍然限定在10月1日。大坝加高前从汛限水位152.5 m蓄水到157.0 m，需蓄水31.30亿m3；大坝加高后从163.5 m蓄水到170 m，需蓄水67.95亿m3，是大坝加高前的2倍多。

丹江口水库1991－2008年间汛末来水情况如图1所示。这期间10月上旬多年平均来水量为16.47亿m3，只相当于加高前汛末水库蓄满所需水量的1／2，加高后水库蓄满水量的1／4；即使加上10月份中旬，多年平均来水量也只有25.86亿m3，接近加高前汛末水库蓄满所需水量而不到大坝加高后所需水量的1／2。按年份进行统计，大坝加高前若按设计要求从10月1日开始蓄水，库水位达到或接近正常蓄水位157 m的机率只有27.8%；大坝加高后库水位达到或接近正常蓄水位170 m的机率只有11.1%。汛末水库蓄不满水的情形严重影响了水库在枯水季节的效率发挥，尤其是在丹江口水库大坝加高工程完成后，如果继续维持从10月1日开始的蓄水时间，则很难保证丹江口水库汛末蓄满率。

图1 丹江口水库1991－2008年期间的汛末来水情况Fig.1 Inflow of Danjiangkou Reservoir at the end of flood season from 1991 to 2008

随着汉江流域水资源开发利用程度的不断提高，以及南水北调中线干渠的即将运作，丹江口水库不仅要保证流域内的供水灌溉和发电效益，还要保证枯季向北方地区供水的安全，对水资源的供给要求会更高，而另一方面大坝加高后水库汛末蓄不满的概率将更大。因此，在水库运行中，依据汛末最后一场洪水的发生规律选择合适时机提前蓄水具有十分迫切的现实需求。这样待汛末最后一场洪水的洪峰过后，将其后继洪水截留在水库中，既可以为供水期多蓄水，又不会危及防洪安全。

3 水库汛末提前蓄水方案研究

丹江口水库的集水区域位于我国南北气候过渡地带，汛期降雨量大且集中，但结束时间极不稳定。5－10月汛期的降雨量约占全年的75%～85%，7－10月的入库径流占全年的65%左右；但从汛末最后一场洪水出现的时间看，有的年份整个汛期没有洪水出现，有的年份在11月尚有较大洪水发生。本文对丹江口水库汛期最后一场洪水出现时间的分布规律进行分析，并在此基础上探讨汛末提前蓄水的时机。

3.1 汛末洪水出现规律分析

按照丹江口水库的设计防洪要求，当水库的入库洪水洪峰超过10 000 m3／s时，若不进行调蓄，则下游可能会产生洪水灾害。另一方面，汛末洪水的洪峰若大于5 000 m3／s，则对水库蓄水较为有利。表1分别列出了1929－2008年（缺1987－1990年）共76 a洪水的时间分布情况及各年最后一场洪水的时间分布，从表1中可以看出水库汛末洪水分布有以下几个特点：

（1）丹江口水库汛期主要结束于9月下旬到l0月上旬。统计的76 a间，汛期最后一场洪水有30 a发生在这两旬，占39.4%，接近于9月21日以前出现最后一场洪水的频率44.7%；并且在9月下旬到10月上旬这两旬中，共有25 a的本年最后一场洪水结束于9月21日至10月5日的半个月中，占32.9%。尤其对于9月26日至10月5日的10 d中，共有20 a出现本年最后一场洪水，占26.3%；同时，76 a来发生在这10 d内17场洪峰大于10 000 m3／s的洪水中，共有14场是本年度最后一场洪水。

表1 丹江口水库入库洪水及每年最后一场洪水情况统计（1929－1986年，1991－2008年）Table 1 Statistics of inflow flood and distribution of the last annual flood at Danjiangkou Reservoir（1929－1986，1991－2008）

（2）9月20日以后发生洪峰超过10 000 m3／s洪水的频率为24.8%。再者，9月下旬发生这一量级洪水的频率8.3%，低于10月上旬发生这一量级洪水的频率11.3%。

（3）在秋汛期5旬（8月下旬至10月上旬）中，按旬统计，各旬发生洪水的次数大致接近，即对中小洪水而言，洪水在各旬出现的可能性也相差不大。

1832－2008年间9－10月较大历史洪水和实测洪水的发生情况统计如图2所示。可以看出，历年来9月中旬出现较大洪水的可能性最大；此外，10月1－6日也可能出现较大洪水；但是9月下旬尚未出现过较大洪水。

图2 丹江口水库秋汛期较大洪水发生时间统计（1832－2008年）Fig.2 Statistics ofmajor autumn flood at Danjiangkou Reservoir（1832－2008）

3.2 汛末提前蓄水时机选择

从2.1节汛末洪水分布规律来看，丹江口水库汛期结束于9月21日至10月6日的机率较大，对于洪峰大于5 000 m3／s的洪水而言，统计的76 a中共有43 a在10月以前就已结束。按设计规定，从10月1日起放弃汛限水位开始蓄水，则大多数年份已错过蓄水的大好时机。另外，9月21日前只有34.2%的年份（共26 a）汛期已经结束，即从9月下旬开始蓄水对水库兴利比较有利。从较大洪水（＞10 000 m3／s）发生规律来看，9月下旬与10月上旬基本相同，且9月下旬出现大于20 000 m3／s的洪水概率要小于10月上旬出现的概率，故从9月下旬开始蓄水并不比10月上旬开始蓄水所承担的洪水风险要高。

因此，综合有利汛末蓄水与不增加防洪风险这两方面的因素分析，丹江口水库比较合适的蓄水时机是从9月下旬放弃汛限水位开始蓄水。

4 汛末提前蓄水的防洪稳妥性和兴利效益分析

4.1 汛末提前蓄水的防洪稳妥性分析

丹江口水库的首要任务是防洪，当发生1935年大洪水（相当于百年一遇）时，经水库调蓄后，防洪控制点碾盘山的流量可由天然情况下的45 000 m3／s降到27 000～30 000 m3／s，再配合汉江中游防洪工程（民垸和杜家台分洪区）分洪24亿m3，新城流量控制在18 400～19 000 m3／s，使该处水位不超过44.2 m，确保中下游防洪安全。遇20年一遇洪水时，丹江口水库充分发挥防洪削峰作用，民垸和杜家台不需要分洪，下游河道可安全下泄。

从现有资料的分析看，9月下旬及其后发生百年一遇洪水的概率比9月下旬之前要小些，但并没有证据排除发生百年一遇的洪水的可能性。因此，从9月下旬放弃汛限水位提前蓄水的防洪稳妥性主要以万年一遇洪水不危及大坝安全、百年一遇洪水不影响下游防洪保护区安全为前提。在此前提下，水库汛末提前蓄水的防洪稳妥性主要考虑以下2个方面：①汉江中下游河道安全泄量，10～20年一遇秋季洪水时，碾盘山控制过流16 000 m3／s；1964年秋季洪水时，碾盘山控制过流21 000 m3／s；②移民安置规定，在发生20年一遇的洪水时，水库水位不超过170 m；在发生1935年型洪水时，库水位不超过172 m，以减少库区淹没损失。

在进行丹江口水库调洪计算时，丹江口水库洪水与丹碾区间洪水，取同频率组合方式。洪水调度方式仍遵循初期规模时所确定的原则［7］：①补偿调节方式，即水库泄放流量时，考虑区间洪水短期预报确定泄放流量，以达到控制碾盘山河段流量不超允许泄量；②降雨径流预报期为1 d，预报精度取用低值（丹江口水库夏、秋季的预报期分别为12，24 h，预报精度为0.7～0.8，丹－碾区间的预报期为24 h，预报精度为0.8）以留有余地。

根据以上规则采用1964年秋季洪水典型，按提前一天根据预报预泄进行调算。调洪计算结果表明，起调水位164.3 m时，水库最高水位171.38 m，水库最大下泄流量18 700 m3／s，碾盘山最大流量20 500 m3／s［8］。此起调水位下，丹江口水库的原防洪规划设计标准能够满足，即9月下旬控制水位不超过164.3 m的水位控制方案不降低设计防洪标准。因此，9月下旬提前蓄水时，保证下旬的控制水位不超过164.3 m，可保证设计防洪标准，不增加防洪风险，汛末提前蓄水的防洪稳妥性能够得到保障。

4.2 汛末提前蓄水的效益分析

丹江口水库原设计规定的秋季汛限水位为163.5 m，按汛末提前蓄水方案蓄水时，根据本文4.1分析结果，提前蓄水期的控制高水位取164.3 m，开始蓄水的日期提前至9月下旬。计算提前蓄水方案的兴利效益时，按防洪、南水北调中线工程供水与发电用水的次序，其中南水北调供水量按丹江口水库加高后的调度规则进行，发电用水兼顾下游河道用水需要取490 m3／s［5］。根据1982－2008年（缺1985－1990年）丹江口水库入库水量数据，从每年6月21日至10月10日进行模拟调度运行，计算的起始水位取夏季汛限水位160 m，模拟调度运行计算结果如表2所示。

表2 丹江口水库汛末提前蓄水方案效益比较结果（6.21至10.10）Table 2 Result of benefit comparison between impoundment in advance and the original scheme for Danjiangkou Reservoir（from June 21 to October 10）

表2中可以看出，丹江口水库大坝加高后1982－2008年（缺1985－1990年）年间汛期结束时考虑发电（下游供水）与南水北调供水的情况下，汛末很难蓄满。根据计算时段的入库水量数据，在不增加防洪风险的前提下汛末提前10 d蓄水，水库汛末年均蓄水量增加3.30亿m3，南水北调年均供水增加0.37亿m3，减少无效弃水2.55亿m3，水库兴利效益提高显著。

5 结 论

在水库调度实践中，根据现有的预报和调度水平，在保证防洪安全或适度承担防洪风险的前提下，通过谨慎评估研究制定汛末提前蓄水方案，充分挖掘水库的兴利潜力，是目前提高水库兴利的主要非工程措施之一。丹江口水库是南水北调中线工程的重要水源地，按设计要求从10月1日开始蓄水的情况下，大坝加高前库水位达到或接近正常蓄水位157 m的机率只有27.8%，大坝加高后库水位达到或接近正常蓄水位170 m的机率则只有11.1%。因此，在水库运行过程中选择合适时机提前蓄水对于发挥水库兴利效益具有重要的意义。本文在分析丹江口水库汛期最后一场洪水出现时间分布规律的基础上，认为水库比较合适的提前蓄水时机是从9月下旬开始放弃汛限水位蓄水。通过防洪演算及防洪稳妥性分析，该方案能够保证原设计防洪标准。根据21 a实际入库流量序列对水库不同运行方式下的兴利效益进行了比较，结果表明：汛末提前蓄水方案下，水库汛末年均蓄水量增加3.30亿m3；南水北调年均供水增加0.37亿m3；减少无效弃水2.55亿m3。

［1］ 徐元顺.近75年丹江口水库入库流量时间变化特征与气候成因［J］.湖北气象，2005，（4）：21－23.（XU Yuan-shun.Characteristics and Climate Causes of the Time of Inflow in Danjiangkou Reservoir During the Last 75 Years［J］.Meteorology Journal of Hubei，2005，（4）：21－23.（in Chinese））

［2］ 水利部长江水利委员会.南水北调中线工程规划［R］.武汉：长江水利委员会，2001.（Changjiang Water Resources Commission.Planning of South-to-North Water Diversion Project［R］.Wuhan：Changjiang Water Resources Commission，2001.（in Chinese））

［3］ 李义天，彭 杨，谢葆玲，等.三峡水库汛末蓄水方案比较［J］.水电能源科学，2002，（3）：9－11.（LI Yitian，PENG Yang，XIE Bao-ling，et al.Study on Impounding Scheme of Three Gorges Project（TGP）in Flood Recession Period［J］.Hydroelectric Energy，2002，（3）：9－11.（in Chinese））

［4］ 刘心愿，郭生练，刘 攀，等.考虑综合利用要求的三峡水库提前蓄水方案［J］.水科学进展，2009，（11）：851－856.（LIU Xin-yuan，GUO Sheng-lian，LIU Pan，et al.Scheme of Impounding in Advance for the Three Gorges Reservoir by Considering the Comprehensive Utilization Benefits［J］.Advances in Water Science，2009，（11）：851－856.（in Chinese））

［5］ 张莉莉，许继军，霍军军.丹江口水库汛限水位分期控制初步探讨［J］.长江科学院院报，2009，（3）：13－16.（ZHANG Li-li，XU Ji-jun，HUO Jun-jun.Study on Stage Flood ControlWater Level of Danjiangkou Reservoir［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，（3）：13－16.（in Chinese））

［6］ 胡振鹏，冯尚友，余敷秋.丹江口水库汛末水位控制策略［J］.水利水电技术，1991，（11）：1－7.（HU Zhen-peng，FENG Shang-you，YU Fu-qiu.Strategy of Flood ControlWater Level for Danjiangkou Reservoir［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，1991，（11）：1－7.（in Chinese））

［7］ 长江勘测规划设计研究院.丹江口水利枢纽大坝加高工程项目建议书［R］.武汉：长江勘测规划设计研究院，2002.（Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research.Proposal of Danjiangkou Dam Heightening Project［R］.Wuhan：Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，2002.（in Chinese））

［8］ 刘子惠，吴泽宇.改善丹江口水库防洪限制线探讨［J］.人民长江，2001，32（9）：18－20.（LIU Zi-hui，WU Ze-yu.Study on Improving Flood Control Limit Line of Danjiangkou Reservoir［J］.Yangtze River，2001，32（9）：18－20.（in Chinese） ）

（编辑：赵卫兵）

Im poundment in Advance at the End of Flood Season for Danjiangkou Reservoir

HUO Jun-jun，XU Ji-jun，ZHANG Li-li
（Water Resources Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

An importantwater source of South-to-North Water Diversion Project，Danjiangkou Reservoir is less frequently impounded to full capacity at the end of flood season because of the increasing water use in Hanjiang River Basin.Based on the regularity in the occurrence time of the last flood each year in Danjiangkou Reservoir，a scheme of reservoir impoundment in late September instead of early October is proposed.Flood control safety analysis suggests that the new scheme couldmaintain the original flood control standard without increasing any flood risk.Moreover，the new scheme is proved to bemore economically beneficial than the original one through comparisons on the basis of the actual inflow data of Danjiangkou Reservoir.

Danjiangkou Reservoir；impoundment in advance；flood resources utilization

TV697.1

A

1001－5485（2011）12－0068－04

2010-11-10

国家软科学研究计划（2008GXS5B085）；水利部公益性行业科研专项（201001005）；中央级公益性科研院所基金项目（YWF0901）

霍军军（1981-），男，湖北钟祥人，工程师，主要从事水文水资源研究，（电话）027-82926423（电子信箱）huojj＠mail.crsri.cn。