三峡水库汛期运行水位运用方式研究

李肖男　傅巧萍　张松　何小聪　周曼　丁毅

摘要：三峡水库汛期运行水位动态控制运用是提升水库综合效益的有效途径，但汛期运行水位运用方式应科学协调防洪与兴利的关系。在概括性分析三峡水库水沙特性的基础上，结合汛期防洪与汛末蓄水的要求，重点剖析了通过汛期预报预泄和汛末预报预蓄开展三峡水库运行水位上浮运用的研究方法与研究思路，选择典型洪水研究了不同方式下三峡水库运行水位可上浮运用的空间，分析了存在的主要风险并提出了应对措施。结果表明：三峡水库8月下旬前运行水位通过预报预泄的方式浮动至148.00 m，之后至9月上旬采用预报预蓄的方式逐步抬升至155.00 m的风险是可控的。研究成果已指导了三峡水库不同阶段调度运行文件的编制和调度运行实践，提升了三峡水库的综合利用效益。

关键词：水库调度; 汛期运行水位; 预报预泄; 预报预蓄; 三峡水库

中图法分类号： TV697.1

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.004

0引 言

三峡工程是治理开发和保护长江的关键性控制工程，具有

防洪、供水、生态、发电、航运等巨大综合效益，直接关系到流域防洪安全、供水安全、生态安全和绿色发展。工程初步设计阶段[1]，根据长江中下游防洪的需要和水库“蓄清排浑”的要求，设计三峡水库每年6月10日至9月30日维持汛期防洪限制水位（以下简称“汛限水位”）145.00 m运行，以保留防洪库容，调节可能发生的洪水，同时使库区维持较大的水面比降，以利排沙。

汛期运行水位是协调水库运行管理过程中防洪与兴利之间矛盾的关键指标。随着工程由设计转向运行阶段，汛期三峡水库若长时间按汛限水位145.00 m控制运用，电站将出现一定程度的出力受阻，水库调度的灵活性亦受到制约。为尽量减轻机组出力受阻程度，提高電站的调峰能力和发电效益，更好保障电网安全稳定和机组高效运行，采取运行水位动态控制运用是提高三峡水库洪水资源利用效益、提升水库调度灵活性的关键措施。

同时，随着长江上游梯级水库群联合调度格局的逐渐形成，三峡水库作为长江干流有调节能力的最末一级水库，上游水库群调蓄对中下游的影响集中体现在三峡水库，流域水库群汛末蓄水竞争性矛盾已突显。从长江中下游洪水特性和洪水遭遇规律来看，8月1日后洞庭湖地区开始呈现退水趋势，9月中旬后宜昌站来水亦开始减退，且8月中下旬以后，宜昌站来水与洞庭湖地区来水遭遇几率很小，三峡水库理论上可以逐步释放防洪库容，承接兴利蓄水。通过提前蓄水和汛末运行水位上浮的方式预存部分水量，以提高水库的蓄满程度，减少集中蓄水对长江中下游两湖地区的影响，增强枯水期长江中下游干流河道流量补给能力，充分发挥水库的供水效益。

国务院2015年批复的《长江防御洪水方案》[2]作为长江流域洪水防御的工作纲领，明确了长江干支流控制性水库可采取汛期适度蓄水、汛末提前蓄水、流域调水补水等措施，合理利用洪水资源。《长江防御洪水方案》反映了长江流域防洪的指导思想，突出了统筹防洪减灾和兴利的洪水资源化理念。面对三峡水库水资源利用与管理的多样化、多层次需求，在保证枢纽工程和长江中下游防洪安全的前提下，从洪水资源利用的理念出发，开展三峡水库汛期运行水位动态控制运用对提高水电站发电效益、增加蓄水期水量有效供给等效果显著，对指导水库实时调度、提升工程综合效益具有重要的现实意义。

1研究思路

水库工程设计阶段的汛限水位确定一般不考虑气象水文预报条件，多采用基于统计规律的设计洪水成果、按照规划设计要求确定汛限水位固定值或分期汛限水位。随着气象水文预报技术的快速发展和现代监测体系的不断完善，洪水预测预报水平不断提高，为汛期水库实时调度中的运行水位动态控制提供了更多安全保障。

在气象水文预报水平提升并逐步应用于调度实践的基础上，多种基于预报的水库汛期运行水位动态控制方法被提出并成功应用[3-6]，如防洪预报调度方式及规则设计方法、预泄能力约束法、改进预泄能力约束法、考虑年内洪水时序变化规律的统计分析法、库容补偿法、分级预泄法等。这些方法的核心思想为充分利用气象水文预报信息，根据气象水文的预报预见期、预泄能力约束，采取预报预泄或预报预蓄的方式，确定水位可动态控制的运行区间。

三峡水库汛期运行水位动态控制的研究与应用建立在充分识别长江流域洪水特性的基础上，根据气象水文预报水平的发展和长江中下游控制站点的过流能力约束，通过预报预泄或预报预蓄的思路开展研究、优化与实践，是多种研究方法的集成创新应用。

由于水库汛期运行水位上浮会占用三峡水库对长江中下游特别是对城陵矶地区的防洪空间。如何在不影响三峡水库对长江中下游的防洪作用和不增加长江中下游防洪压力的前提下上浮三峡水库汛期运行水位，科学协调三峡水库汛期水位上浮与对长江中下游防洪的空间及风险关系，是三峡水库汛期运行水位动态控制的关键[7]。

为保证不影响三峡水库对长江中下游的防洪作用，主汛期水位上浮运行的前提条件是该上浮水位能通过预报预泄方式及时降下来[7]，即当预报将发生洪水、三峡水库需要对长江中下游实施拦洪前，通过预泄将库水位及时降至汛限水位，以保证三峡水库有足够的防洪库容为长江中下游拦蓄洪水和保证枢纽度汛安全。同时，鉴于警戒水位是中国防汛规定的各江河堤防需处于防守戒备状态的水位，为尽量不增加长江中下游防洪压力，三峡水库汛期水位向上浮动运行及水库预泄至汛限水位期间，应控制下游主要防洪控制点沙市站、城陵矶莲花塘站（以下简称“城陵矶站”）水位距警戒水位有充足余地，以使水库预泄后，上述控制站水位仍可保持在安全状态。考虑到长江中下游防洪原在警戒水位以下设有设防水位，距警戒水位有一定空间，为安全起见，三峡水库的预报预泄按设防水位作为控制条件，即水库预泄后，控制站水位不超设防水位（沙市站42.00 m、城陵矶站31.00 m）。

汛末三峡水库开展汛期运行水位动态控制的主要思路为在充分研判流域洪水特性的基础上，基于长江中下游的防洪形势，逐步释放三峡水库兼顾城陵矶地区的防洪库容，通过预报预蓄的方式实现运行水位的上浮运用。同时，汛末三峡水库上浮运用的幅度应确保荆江地区百年一遇防洪标准不受影响，且库区淹没风险可控。

2研究要点

2.1洪水泥沙特性分析

洪水特性分析是开展三峡水库汛期运行水位动态控制的重要基础。宜昌水文站是三峡水库坝址设计洪水的代表站，长系列实测资料统计与分析表明[8]：宜昌站年最大洪峰主要发生在7月至8月中旬，占总数的70%以上;8月20日左右是出现年最大洪峰流量相对发生概率较小的弱空档期，之后出现频率小幅抬升，至9月中旬后宜昌站来水开始减退。长江中游的荆江河段和城陵矶地区是三峡水库防洪调度的重要保护区，坝址至城陵矶河段主要区间来水为洞庭湖区来水，宜昌站与洞庭湖洪水遭遇主要发生在6月下旬至8月中旬，8月下旬以后因区间来水快速消退，洞庭湖区基本无洪水发生，与长江干流洪水遭遇几率很小，且量级不大。因此，从洪水时空分布特性来看，汛期三峡水库可视来水量级、下游水位站点情况开展运行水位上浮，汛末可结合上下游防洪形势进一步提升浮动上限。

泥沙問题是影响三峡水库汛期运行水位选择的重要因素。受上游水库拦沙、水土保持、降雨减少和河道采砂等因素的综合影响[9]，建库以来三峡水库入库泥沙大幅减少，2003～2019年年均入库沙量较论证阶段减少约70%。由于入库泥沙的大幅减少，加之水库开展库尾减淤调度和沙峰排沙调度实践，三峡水库的泥沙淤积水平同样低于论证阶段。实测数据表明[10]：2003年6月至2019年12月，水库淤积泥沙18.325亿t，年平均淤积泥沙近1.1亿t/a，仅为论证阶段（1961～1970年的预测成果）的1/3左右。入库泥沙的大幅减少使得泥沙淤积不致成为汛期运行水位上浮运用的制约性问题。

2.2汛期运行水位上浮方案研究

汛期三峡水库运行水位动态控制主要基于预报预泄的思路，即当长江中下游主要控制站水位较低、不需要三峡水库防洪蓄水时，库水位在一定的变幅范围内向上浮动运行;当预报将来洪水，或长江中下游河段防洪压力逐步显现时，及时开展水库预泄，且预泄后尽量保障下游沙市站和城陵矶站不超设防水位。考虑不同的预报预见期，三峡水库在1～3 d内库水位由上浮的最高水位降至145.00 m，增加下泄流量如表1所列。

进一步分析表明，预泄对沙市、城陵矶站水位影响较为显著，对汉口、湖口站影响较小。不同典型年对沙市站水位抬升幅度为0.28～2.39 m，对城陵矶站水位抬升0.17～0.71 m，对汉口站水位影响幅度为0.10～0.56 m，对湖口站水位影响0.05～0.27 m。按最不利的预报时间1 d计算，146.50 m预泄后，增加的下游水位可控制在1.00 m以内（见表2）。

以控制泄水时期下游控制站水位影响为条件，按3 d预见期考虑，若沙市站与城陵矶站在设防水位下分别按1.00，0.50 m为控制条件（即开始预泄），146.50，147.00，148.00 m方案可基本消化预泄的影响;150.00 m方案则需分别在设防水位下留1.70，0.70 m（不考虑自然涨水的影响）。

对于三峡水库汛期通过预报预泄方式开展运行水位动态控制运用的风险主要集中于入库洪水预报的误差和下游洞庭湖水系来水的不确定性。对于前者，研究表明[11]，按照浮动上限148.00 m控制，即使考虑一定的预报误差，三峡水库安全预泄至汛限水位的几率仍有90%左右;对于后者，随着气象观测技术、数值预报技术以及气象信息传输技术的发展，可引入降雨预报控制条件，提升风险控制水平。研究表明，若预报洞庭湖水系未来3 d无中等强度以上降雨，则运用风险较小。综合现阶段的预报水平和风险控制措施，三峡水库汛期8月20日以前通过预报预泄开展上浮运用的浮动上限可按148.00 m控制，运用期间应加强上下游水雨情监测和气象水文预报，预报上游或者洞庭湖区将发生洪水时，及时、有效地采取预泄措施，将库水位降低至汛限水位。

2.3汛末运行水位动态控制研究

根据洪水特性分析可知，8月1日之后，洞庭湖水系已进入后汛期，8月下旬之后，宜昌站与洞庭湖水系发生遭遇的几率进一步减小，此时段中下游河道水位逐步降低，城陵矶地区防洪需求逐步减弱，三峡水库具备逐步释放对城陵矶防洪补偿库容可行性。

三峡水库汛末运行水位动态控制方式一方面可延续预报预泄的思路，考虑到汛末洪水进一步衰减，水位浮动上限可较主汛期进一步提升。另一方面，若8月1日之后，洞庭四水合成流量在15 000 m3/s以下、城陵矶站水位在29.50 m以下，基本可判定不会形成流域性大洪水或上中游区域性大洪水[12]，此时三峡水库兼顾城陵矶地区的防洪库容可进一步释放，三峡水库可考虑采取预报预蓄的方式开展汛末运行水位动态控制。总而言之，汛末运行水位动态控制的关键为在保证荆江地区百年一遇防洪标准的同时，充分论证城陵矶地区的防洪需求，并兼顾库区的防洪安全。

为此，选择城陵矶地区汛期末段峰高量大、较为恶劣的1954，1958，1966，1988，1998，2002年等洪水为典型，三峡水库自汛限水位起调，采用上述典型洪水8月20日、8月25日、9月1日、9月5日等不同节点的同期洪水过程进行拦蓄计算[13]，推求了城陵矶地区汛末实测洪水对三峡水库的库容需求。结果表明：三峡水库拦蓄洪量由8月中下旬的45亿m3左右减少至9月上旬的5亿m3，且9月上旬拦蓄洪量主要发生在防御1966年上游型典型洪水中。典型洪水调蓄分析结果表明，8月下旬以后根据长江中下游的防洪形势，三峡水库运行水位上浮运用的风险较小。在此基础上，通过系统分析汛期末段水位上浮对流域防洪、库区淹没的风险[11]，从对长江中下游防洪控制留有一定余度考虑，并兼顾水库水位控制操作的灵活性，8月下旬三峡水库运行水位可按不超过150.00 m（上浮库容25.4亿m3）控制。

对于三峡水库9月上旬的运行水位，若已判定不会形成流域性大洪水或上中游区域性大洪水，水库運行水位可考虑与兴利蓄水衔接，控制三峡水库9月上旬水位按150.00～155.00 m（上浮库容56.5亿m3）控制。风险分析表明[11]，三峡水库9月上旬运行水位上浮至155.00 m后若遭遇1954年典型或1982年典型的荆江100 a一遇设计洪水，需上游溪洛渡、向家坝水库预留防洪库容约20.6亿m3配合运用，才能使三峡水库最高调洪水位不超171.00 m，不致影响对荆江特大洪水的防御能力。

需要说明的是，考虑到预蓄调度方式与来水有很大的关系，实际调度时可根据当时水文气象情势和预报实时研究决策。

3不同阶段成果

试验性蓄水运用以来，根据前述研究思路，结合气象水文预报水平的发展，有关各方持续开展三峡水库的调度运行技术攻关研究，在此基础上，先后编制形成了2009年国务院批准的《三峡水库优化调度方案》[14]（以下简称“《优化调度方案》”）、2015年水利部批复的《三峡（正常运行期）-葛洲坝水利枢纽梯级调度规程》[15]（以下简称“《调度规程2015版》”）和2020年水利部批复的《三峡（正常运行期）-葛洲坝水利枢纽梯级调度规程（2019年修订版）》[16]（以下简称“《调度规程2019修订版》”）等具有代表性的调度运行指导文件。

（1） 《三峡水库优化调度方案》。

由于三峡水库上游最低通航水位为汛限水位145.00 m，考虑水库实施调度需要，上游最低通航水位可在145.00 m的基础上向下波动0.10 m。该条件一定程度限制了三峡水库向下浮动的灵活性。因此，在《优化调度方案》批准之前的初期运行期，考虑泄水设施启闭时效、水情预报误差和电站日调节需要，当时的调度指导文件中规定实时调度中库水位可在汛限水位145.00 m以下0.10 m至以上1.00 m范围内变动。《优化调度方案》编制研究阶段[7]，为有效利用洪水资源，在保证防洪安全的前提下，开始尝试通过预报预泄的思路提升汛期运行水位。此阶段，三峡水库入库洪水1，2，3 d预见期的预报合格率分别为85%，78%，70%左右（按许可误差为预见期变幅的20%评定）。因此，根据表2的计算成果，按最不利的预报水平1 d考虑，选择上浮最高水位146.50 m，即在满足沙市站水位41.00 m以下、城陵矶站水位30.50 m以下且三峡水库入库流量小于25 000 m3/s时（按该阶段三峡水电站26台机组相应的满发流量控制），库水位可在146.00 m的基础上进一步上浮至146.50 m。

（2） 《三峡（正常运行期）-葛洲坝水利枢纽梯级调度规程》。

随着预报水平的提高、运行经验的积累和上游水库群投入防洪库容的增加，为有效应对蓄水期间的旱情，《调度规程2015版》编制研究时，在《优化调度方案》的基础上新增了9月上旬汛期末段的运行水位动态控制方式，即在确保防洪安全的前提下，采取以汛期水位上浮运行的方式，在来水相对丰沛的9月上旬预存部分水量，以协调集中蓄水期水库蓄水与下游用水的矛盾。对于三峡水库9月上旬运行水位的上浮问题，主要是在预报长江上游不会发生较大洪水，且沙市站、城陵矶站水位较低时，浮动水位可按不超过150.00 m控制。研究过程中[17]，考虑9月上旬宜昌站洪水量级仍然较大，仍需要防范可能的洪水风险，同时鉴于预报水平和对汛末洪水研判水平的提升，此阶段水库预泄时间按3 d考虑，根据表2的计算成果，当沙市站、城陵矶站水位分别低于40.30，30.40 m时，三峡水库水位上浮至150.00 m可保证预泄后下游控制站点不超设防水位。此外，由于三峡水电站（包括地下电站）全部32台机组投运，发电引用流量约为30 000 m3/s，《优化调度方案》中三峡水库汛期运行水位从146.00 m上浮至146.50 m的条件之一“三峡水库来水流量小于25 000 m3/s”调整为《调度规程2015版》的“三峡水库来水流量小于30 000 m3/s”。

（3） 《三峡（正常运行期）-葛洲坝水利枢纽梯级调度规程（2019年修订版）》。

为进一步适应上游水库群建成投运、水雨情预报水平提升、长江中下游防洪及水资源综合利用需求提高等调度运行环境的变化，《调度规程2019修订版》相较于《调度规程2015版》对汛期运行水位进行了进一步优化，一方面汛期上浮运行的预见期按照1～3 d考虑，水位浮动上限由146.50 m进一步提升至148.00 m，同时结合预报水平的发展，从实时入库流量和未来3 d预报流量两个方面对入库流量级别进行了细化。此外，汛末预蓄的起始时间较《调度规程2015版》的9月1日进一步提前至8月21日，9月上旬的运行水位也进一步提高至155.00 m，以更好地协调汛末水库蓄水与下游用水的矛盾。对于上述优化，其有利条件在于三峡水库入库洪水的短期预报水平进一步提高，1～3 d相对误差均小于9%，预报合格率在90%左右[13]。同时，长江上游溪洛渡、向家坝等水库群已经投产运行，上游水库群可通过联合调度削减进入三峡水库的入库洪量，一定程度提升三峡水库汛期运行水位动态控制运用的灵活性，特别是对汛期末段三峡水库水位的上浮运用。此外，为了防范6月11日至8月20日期间汛期运行水位上浮至148.00 m运用的风险，基于气象预报水平，提出了“预报洞庭湖水系未来3 d无中等强度以上降雨过程”的运用条件，以避免三峡水库水位上浮占用兼顾城陵矶地区防洪的库容，降低水库预泄对城陵矶地区的影响。

图1为三峡水库不同阶段的汛期运行水位浮动上限。纵观三峡水库不同阶段汛期运行水位变化过程，在保证防洪安全的前提下，《优化调度方案》提出汛期运行水位可在144.90～146.50 m浮动。为有效应对蓄水期间的长江中下游用水需求，《调度规程2015版》提出在确保防洪安全的前提下，9月上旬可适当预存部分水量，且浮动水位不超过150.00 m。为进一步协调汛末蓄水和长江中下游用水的矛盾、提升汛期洪水资源水平，《调度规程2019修订版》提出6月11日至8月20日期间，汛期运行水位可在144.90～148.00 m浮动;8月21日至9月10日可利用汛期后段水量相对较多的有利时机，预存部分水量，9月上旬上浮水位可按150.00～155.00 m控制。

通过对三峡水库汛期运行水位的持续优化，充分提升了汛期洪水资源利用水平，有效缓解了汛末水库蓄水和长江中下游用水的矛盾，提高了水库汛后蓄满的保证程度。计算表明：通过汛期运行水位优化，《调度规程2019修订版》的汛期运行运用方式相较于《调度规程2015版》，可增加多年平均年发电量约15亿kW·h，可提高汛末蓄满率约1.6%，充分保证了三峡水利枢纽综合效益的发挥。

4调度运行实践

2009年以来的实时调度中，伴随着汛期运行水位动态控制、中小洪水减压调度和防洪调度的运用，三峡水库主汛期6月10日至8月31日的最高拦洪水位基本都在150.00 m以上，且多数在155.00 m以上，最高为2020年的167.65 m。

表3為2009～2020年三峡水库历年主汛期特征水位统计情况，从水位进程来看，8月20日的水位基本在150.00 m，最高为2020年的161.81 m，最低为2011年的145.81 m。汛期末段由于开展了汛末提前蓄水运行实践，加之汛末时段的防洪减压调度，8月31日的水位基本在148.00 m以上，最高为2020年的161.14 m。

为了区分中小洪水减压调度和防洪调度对汛期运行水位运用的影响，选择汛期入库流量相对较小的2011年和2017年为代表。图2和图3分别展示了2011年和2017年三峡水库6月10日至9月10日出入库流量过程和水位运用过程。可以看出，三峡水库主汛期通过预报预泄、汛末通过预报预蓄的形式开展了汛期运行水位动态控制运用，库水位基本在汛限水位以上运行，洪水资源得到了充分利用。同时，在有充分把握确保长江中下游防洪安全的前提下，实时调度中汛期运行水位浮动上限仍有一定优化空间。

应该来说，试验性蓄水以来三峡水库汛期运行水位运用方式的研究与优化，是建立在充分辨识洪水时空变化规律的基础之上。在研究方法上采取了包括预泄能力约束法、分级预泄法在内的多种方法，应用了预报预泄和预报预蓄等不同方式，合理挖掘了下游河道泄流能力、降雨洪水预报和水库自身拦蓄能力的潜力，兼收并蓄，引领了该研究领域的发展，并成功应用于水库的调度运行实践，提升了工程的综合效益。

5结语与展望

试验性蓄水以来，面对日趋紧张的水资源开发利用需求，伴随水文预报水平的提高、上游梯级水库群的建成和运行经验的积累，按照“问题导向、科学研究、应用实践、形成规程”的模式，三峡水库汛期水位运用方式保持持续优化，汛期水位浮动空间逐步抬升，有效协调了防洪、发电、蓄水、供水、减淤等多目标需求。

展望未来三峡水库汛期运行水位进一步优化的方向，随着乌东德、白鹤滩水库的投运，金沙江下游梯级水库群配合三峡水库防洪调度的空间和灵活性得以提升，可重点从以下两方面开展：

（1） 无论是预报预泄还是预报预蓄，三峡水库汛期运行水位运用有赖于气象水文预报的支撑。当前，三峡水库入库及下游控制站3 d内的气象水文预报成果可满足实时调度需求，为三峡水库汛期运行水位动态控制运用提供有力支撑。同时，4～7 d水文预报成果基本可用，可对流域水文气象情势的发展趋势有较大的把握。目前《调度规程2019修订版》中三峡水库减轻中游防汛压力的中小洪水调度方式已经考虑了未来5 d的气象水文预报条件。建议进一步研究提升中长期预报水平的方法，考虑引入气象预报产品，延伸预见期，为汛期运行水位浮动上限的提升提供基础预报支撑和风险控制抓手。

（2） 由于三峡水库汛期不同时段洪水时空分布规律不同，长江中下游的防洪需求亦有所变化。结合宜昌及洞庭湖区控制站点的洪水统计特性，三峡水库汛期运行水位上浮运用的上限和运用方式可根据不同时段的洪水规律予以细化，比如按6月下旬以前、6月下旬至7月底、8月上中旬、8月下旬至9月上旬的方式对时段进行细分。在此基础上，结合水库预泄对长江中下游控制站点的影响，相应主汛期6，7月份三峡水库运行水位浮动上限可考虑在148.00 m的基础上进一步抬升;进入8月份以后，根据流域的水雨情形势，在有把握流域性大洪水或上中游区域性大洪水不会发生的前提下，三峡水库兼顾城陵矶地区防洪库容可进一步提前释放，相应三峡水库通过预报预蓄方式上浮运行水位的时间亦可提前。

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（编辑：刘 媛）