三峡水库汛限水位动态控制可行性研究

李 响，郭生练，赵云发，胡晓勇

（1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；2.三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北 宜昌 443133）

1 三峡水库概况

三峡水利枢纽位于湖北省宜昌市三斗坪镇，坝址控制流域面积100万 km2。三峡水库属河道型水库，长570～650 km，水面平均宽仅为1.1 km。其坝址（宜昌站）多年 （1882年～2009年）平均流量为14 100 m3/s，平均年径流量为4 460亿 m3，库容系数不足4%，具有季调节性能 （详见表1）。

表1 三峡水库主要特征指标

三峡水库以防洪、抗旱、发电、航运为主要功能，其中发电、航运服从于防洪安全。其正常运行期汛期 （6月1日～9月30日）的设计运用方式是：6月初降至枯水期消落水位155 m，至6月10日水位降低到汛限水位145 m，此后保持该水位运行至9月底，仅当长江中下游防洪需要时，水库按防洪调度方案拦蓄洪水，库水位抬高，洪峰过后，库水位仍降至汛限水位运行[1]。

三峡工程于2003年6月1日开始蓄水，6月10日蓄水至135 m，进入围堰发电期；2006年10月27日，蓄水至156 m，进入初期运行期；2008年，三峡电站26台机组全部投入运行，汛后进行了175 m试验性蓄水，最高蓄水位至172.8 m；2009年9月，三峡枢纽三期工程通过验收，除升船机外，初步设计中的各项目已全部完成，汛末从9月15日开始试验性蓄水，最高蓄水位至171.43 m。

2002年，国家防汛抗旱总指挥部办公室组织有关高校和科研院所，对水库汛限水位动态控制理论和技术问题进行了专题研究，并已在全国组织两批水库进行应用试点，取得了较好效果。根据国家防汛抗旱总指挥部关于开展水库汛限水位动态控制试点工作的意见 （国汛 [2005]7号），分析认为：三峡水库具备实施汛限水位动态控制的条件。

2 水文气象预报成果精度分析

2.1 入库洪水预报精度分析

一般认为，三峡入库流量由三部分组成，即上游干流寸滩站入流、乌江武隆站入流以及三峡区间产流 （寸滩、武隆至宜昌段，汇流面积55 907 km2）。三峡水利枢纽蓄水后，河道水力学特性和洪水特性都发生了较大改变，三峡区间预报进行了细化分区，重新率定了模型参数，同时研究了新的预报方法和手段，建立了长江专家交互式洪水预报系统[5,6]。

采用三峡水库2003年～2009年汛期1 d、2 d、3 d预报 （每日8时预报）和实际入库流量资料，根据SL 250—2000《水文预报情报规范》，分析研究三峡水库汛期入库流量预报精度。

由表2可知，三峡水库1 d、2 d、3 d入库流量预报绝对误差 （AE）最大分别为12 700、144 000、16 900 m3/s，平均值分别为687、1 179、1 763 m3/s；1 d、2 d、3 d预报相对误差合格率 （QR）分别为98.59%、96.48%、92.11%，达到国家水情预报规范的甲级标准；1 d、2 d预报成果的确定性系数（DC）分别为97.56%、94.12%，达到甲级标准，3 d预报成果的确定性系数为88.52%，达到乙级标准。实际入库流量大于55 000 m3/s的1 d、2 d、3 d预报合格率均是100%，实际入库流量小于35 000 m3/s的预报合格率均大于93%。这些说明：三峡水库大量级和小量级入库流量预报较准确，有利于实施汛限水位动态控制，有利于充分利用中小洪水资源。

旬平均相对误差 （MRE）统计如表3所示，1 d预见期旬平均相对误差均小于5%，7月中旬以后均小于3%，各旬预报误差合格率均大于95%，预报精度很高；2 d预见期旬平均相对误差均在8%以内，7月中旬以后均小于6%；各旬合格率均达到甲级标准，除6月上旬外，均大于95%；除6月上旬，3 d预见期旬平均预报误差均小于10%，7月中旬以后均小于7%，预报误差合格率均达到甲级标准，7月中旬以后均大于90%。表3显示，整个汛期三峡水库入库流量预报精度都较高，尤其是7月中旬后。

表2 三峡水库2003年～2009年汛期入库流量预报精度统计

表4表明，三峡水库洪峰流量和峰现时间预报都较准确，预见期大部分达到了2 d以上；2007年7月28、29日，三峡区间 （重庆—宜昌）连降暴雨，7月30日8时较29日8时入库流量增幅达17 700 m3/s，入库流量和峰现时间预报精度相对较差。

表3 三峡水库2003年～2009年汛期入库流量旬平均预报误差统计 %

表4 三峡水库2003年～2010年最大入库洪峰预报误差统计

以上统计分析表明，三峡水库入库洪水1 d、2 d、3 d预报，无论从整体和各量级洪水预报，还是洪峰预报，精度都较高，洪水预报信息可以应用于防洪预报调度和汛限水位动态控制，提供决策支持。

3.2 降雨预报精度分析

三峡区间流域 （上段重庆—万县，下段万县—宜昌）短期降水预报内容为流域未来12 h、24 h、24～48 h的面平均雨量上下限及相关天气形势分析，本文采用预报面雨量上下限的平均值作为流域 （重庆—万县、万县—宜昌）平均面雨量。取2003年～2009年每年4月1日至10月31日 （部分日期无记录）未来24 h、24～48 h降雨预报资料为样本，统计分析降雨预报的准确率、空报率、漏报率等特征指标值[7]：

降雨预报确率

漏报率

空报率

式中，n为预报次数，m为实际值落于预报等级区域内的次数，u是发布预报漏报 （实际降雨大于预报等级域值上限）的次数。

由以上各式计算的 三峡区间流域未来降雨预报精度分析见表5，6。

由表5、6可知，四级降雨预报对应的三峡区间流域实际日降雨量分布属于偏态型，以确率为中心，空报率大于漏报率。三峡区间流域未来24 h、24-48 h无雨和小雨预报信息可以用于三峡水库汛期实时调度中，中雨预报信息可以为防洪调度决策提供参考依据。

3 来沙特性分析

三峡水库采用 “蓄清排浑”的调度原则，减少水库泥沙淤积。采用1961年～1970年 （初设采用）和1993年～2009年水沙系列，分析三峡工程1993年初开工以来上游水沙条件变化情况。

表5 三峡区间流域未来24 h降雨预报精度分析

长江干流朱沱的水沙特征值，与1961年～1970年系列平均值比较，1993年～2002年系列年均径流量偏小3.93%，年均输沙量偏小9.81%，汛期平均径流量偏小3.55%，汛期平均输沙量偏小6.71%；2003年～2009系列年均径流量偏小8.66%，年均输沙量偏小44.32%，汛期平均径流量偏小12.36%，汛期平均输沙量偏小43.4%。

长江支流嘉陵江北碚、乌江武隆的水沙特征值，与1961年～1970年系列平均值比较，1993年～2002年系列年均径流量偏小30.5%、偏大6.5%，年均输沙量偏小81.93%、30.03%，汛期平均径流量偏小28.3%、20.01%，而汛期平均输沙量偏小80.25%、25.45%；2003年～2009系列年均径流量偏小19.02%、15.79%，输沙量偏小86.84%、76.07%；汛期平均径流量偏小15.92%、19.27%，而输沙量偏小85.98%、77.31%。

表6 三峡区间流域未来24～48 h降雨预报精度分析

与初设阶段1961年～1970年系列比较，三峡工程开工以来的入库水量相差不大，但上游干支流年均来沙量偏少很多，1993年～2002年系列偏少9.81%～81.93%，2003年～2009年系列偏少44.32%～86.84%。

截至2008年底，长江上中游水土保持重点防治工程累计完成水土流失治理面积9.6万km2，水土流失面积逐步减少。随着 “长治”工程的深入实施和上游干支流水库群的建设，三峡水库来沙量将进一步减少。上游来沙量的减少，有利于三峡水库汛期实施汛限水位实时动态控制。

4 结语

水库汛限水位动态控制充分利用水文气象预报和实时工况等信息，在不降低水库防洪标准的前提下，实现洪水资源利用。三峡水库水文气象预报精度较高，能够为汛限水位动态控制提供准确预报信息；长江上中游水土保持重点防治工程取得的重大进展和上游水库群的开发建设，使得水库来沙量较设计论证阶段大幅减少，为实施汛限水位动态控制提供了有利条件。研究和实施三峡水库汛限水位动态控制，不仅能够充分发挥其综合利用效益，而且对其他水库具有借鉴意义，提升整体水库调度管理水平。同时，三峡水库实施汛限水位实时动态控制，需进一步研究提高入库流量尤其是三峡区间洪水预报精度和延长预见期，深入研究考虑综合利用要求的汛限水位动态控制域和实时控制模型，以及洪水预报误差带来的风险和应对措施。

［1］长江水利委员会.三峡工程综合利用与水库调度研究［M］.武汉：湖北科学技术出版社，1997.

［2］郑守仁.三峡工程优化调度与洪水资源利用问题的思考 ［J］.武汉大学学报：工学版，2009，42（5）:545-549，564.

［3］戴会超，董前进，曹广晶.三峡-葛洲坝梯级水利枢纽调度技术集成研究的现状与展望 ［J］.四川大学学报：工程科学版， 2009，41（4）:1-7.

［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， 20（6）:851-856.

［5］李玉荣，闵要武，邹红梅.三峡工程蓄水水文特性变化浅析［J］.水文， 2009， 29（4）:37-39.

［6］曹广晶，蔡治国.三峡水利枢纽综合调度管理研究与实践［J］.人民长江， 2008， 39（2）:1-4.

［7］王本德，周惠成.水库汛限水位动态控制理论与方法及其应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.