汛期三峡-葛洲坝两坝间船舶疏散应急调度研究

程 晓 东，徐 涛，冯 志 州，胡 杨，徐 杨，2

(1.中国长江电力股份有限公司 三峡水利枢纽梯级调度通信中心，湖北 宜昌 443000； 2.中国长江电力股份有限公司 智慧长江与水电科学湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

三峡水利枢纽是治理与开发长江的关键性骨干工程，其主要调度任务是在保证工程安全的前提下，充分发挥防洪、发电、航运、水资源利用等综合效益[1-2]。三峡工程自建成运行以来，长江航运规模得到迅猛发展，水运货运量长期位居全球内河首位，长江“黄金水道”作用愈发显现[3]。

汛期尤其是大流量洪水期间，在三峡-葛洲坝梯级附近水域大多数船舶无法正常航运行驶，因此容易造成船舶积压滞留现象[4-6]。近年特别是2020年汛期，长江干流先后发生5次编号洪水，三峡水利枢纽迎建库以来最大历史洪峰75 000 m3/s，长江防洪形势遭遇严峻考验[7]。受大流量入库影响，三峡船闸和三峡升船机5次停航度汛，调度水域内待闸船舶最多时达1 145艘、货物积压近450万t，10 000余名船员在三峡梯级上下游滞留，给船员正常生产生活和船舶调度管理运行带来较大不利影响。

针对汛期因大洪水而滞留在两坝间的各类船舶，航运部门提出在确保防洪安全的前提下，结合防洪调度需求，采取间隔控制大、小下泄流量的方式进行调度，在短时间内将三峡水库下泄流量控制到航运安全流量，避免和减少因持续的大流量泄洪而导致长时间船舶限航积压造成的经济损失[8-10]。为此，在对三峡-葛洲坝梯级航运相关技术研究的基础上[11-13]，笔者对两坝间的航运调度需求与船舶疏散应急调度进行研究，并回顾分析2020年汛期船舶疏散典型调度案例，以期为实现汛期两坝间船舶疏散科学调度提供支撑与参考。

1 三峡-葛洲坝两坝间航运调度需求分析

1.1 两坝间河段概况

三峡-葛洲坝两坝间河段全长约38 km，根据其河势特征，自上而下可分为3段[14-16]，即：① 三峡大坝-莲沱段，为宽谷段，河宽一般在650～1 100 m之间；② 莲沱-南津关段，多为峡谷，河宽常在250～700 m之间，全段峰回河转，岸壁陡峭，多急弯、瓶颈段，两岸多有山咀伸布江中，错相对峙(汛期40 000 m3/s以上水深流急，泡漩、涌浪、夹堰水、剪刀水等复杂流态发育，形成中、高洪水滩；250 00 m3/s以下枯水、平水期水流平顺，流速不大)；③ 南津关-葛洲坝大坝段，为山区峡谷型河段向平原河道过渡段，河宽从600 m增加到葛洲坝坝前的2 400 m，坝前500 m北岸有较大支流黄柏河汇入。两坝间通航控制河段主要表现为局部流态恶劣、流速与局部水面比降较大等特点，其中莲沱、喜滩、石牌、三游洞附近水域流态较差，均存在不同程度航行困难。两坝间河段如图1所示。

图1 三峡-葛洲坝两坝间河段示意Fig.1 Sketch map of the reach between the Three Gorges Dam and Gezhouba Dam

1.2 两坝间船舶分级通航标准

根据三峡大坝与葛洲坝设计通航流量要求，三峡船闸最大通航流量为56 700 m3/s，大江航道最大通航流量为35 000 m3/s，三江上游航道迎向最大通航流量为45 000 m3/s，三江下游航道最大通航流量为60 000 m3/s。因两坝间航道水流条件相对较差，该河段过闸船舶根据主机功率分级通航(见表1)。

表1 不同功率船舶两坝间允许通航流量标准

随着长江船舶不断向大型化和标准化发展，小主机功率船舶逐渐减少，尤其270 kW以下功率的船舶通过两坝间占比很小，因此30 000 m3/s量级的三峡出库水库流量对于绝大多数船舶均能够安全航行。汛期在保证上下游防洪安全的同时，适当考虑两坝间航运诉求和通航条件，将三峡水库出库控制在30 000～35 000 m3/s之间或视情况略有上调，保障滞留积压船舶安全有序疏散，尽可能最大程度发挥三峡水利枢纽的综合效益。

1.3 兼顾航运的三峡水库综合调度需求

三峡工程的首要任务是防洪，实施防洪调度能使得荆江河段防洪标准达到百年一遇，对荆江河段行洪安全起到关键的调控作用。三峡水库下泄流量是两坝间能否通航的决定性因素，当下泄流量在40 000 m3/s及以上时，两坝间将出现大量船舶积压，开展船舶疏散应急调度的需求将格外迫切。而作为电力系统的骨干电源，三峡水电站的发电调度对支撑电网供电、维护电力系统安全运行具有重要意义。因此，保证防洪、兼顾航运等需求下，三峡电站应充分考虑电网运行的负荷特性与电量平衡特点，以优化发电调度中的发电计划制订与调整等。2019年修订版调度规程规定[1]：当三峡水库实时入库流量小于28 000 m3/s且预报未来3 d入库流量不大于30 000 m3/s时，沙市站、城陵矶站水位分别在41.0 m和30.5 m以下；预报洞庭湖水系未来3 d无中等强度以上降雨时，三峡水库库水位变动上限可提升至148.0 m，此举有利于提高水资源利用率，进而增发电量。此外，为满足汛期“蓄清排浑”泥沙调度与三峡库区地质灾害预防需求，实施兼顾航运需求的应急调度时应以不降低库岸稳定为前提，处理好防洪与泥沙淤积的关系，控泄过程中应注意蓄水速率和预泄速度。

2 汛期船舶疏散应急调度方式研究

2.1 水库应急调度启用原则

三峡水库汛期兼顾航运需求的水库应急调度方式，并不是常规性的调度，而是一种汛期酌情启用的机动性调度，应以既不降低水库防洪标准、也基本不增加下游防洪压力为前提，以大洪水来临之前可将水库水位预泄至汛限水位为条件，由防汛部门根据防洪形势、实际来水和预测预报情况，兼顾航运需求，利用三峡水库部分库容对长江上游中小洪水进行机动调度。

2.2 应急调度水库运用库容分析

三峡水库优化调度方案在初步设计阶段的基础上，结合近期的江湖关系变化，通过综合分析研究，在保证枢纽大坝安全和不降低荆江防洪标准前提下，提出了现阶段合理可行的兼顾对城陵矶防洪补偿调度方式。

当遇到三峡水库上游来水不大而城陵矶附近(主要是洞庭湖)来水较大，而且迫切需要三峡水库拦洪以减轻下游分洪压力的情况，需合理运用三峡水库防洪库容对城陵矶河段进行防洪补偿调度。具体补偿调度方式[1]为：① 对城陵矶地区进行防洪补偿调度主要适用于长江上游洪水不大，三峡水库尚不需为荆江河段防洪大量蓄水，而城陵矶(莲花塘)站水位将超过长江干流堤防设计水位的情况，此时需要三峡水库拦蓄洪水以减轻该地区分蓄洪压力；② 汛期因调控城陵矶地区洪水而需要三峡水库拦蓄洪水，且水库水位不高于155.00 m时，按控制城陵矶水位34.40 m进行补偿调节，此情况下对城陵矶防洪补偿调度的库容是56.5亿m3；③ 当三峡水库水位高于155.00 m之后，一般情况下转为对荆江河段进行防洪补偿调度。如城陵矶附近地区防洪形势依然严峻，在保证防洪安全前提下，加强溪洛渡、向家坝等上游水库群与三峡水库联合调度，原则上调度水位不超过158.00 m，此情况下对城陵矶防洪补偿调度的库容是76.6亿m3。因此，汛期三峡水库水位在不同条件下，兼顾对城陵矶河段进行防洪补偿调度的库容应在56.5亿～76.6亿m3之间。

当长江上游发生中小洪水，根据实时雨水情和预测预报，在三峡水库尚不需要实施对荆江或城陵矶河段河段进行防洪补偿调度，且有充分把握保障防洪安全时，三峡水库可以相机进行调洪运用。两坝间船舶应急疏散调度可利用库容的确定可参考城陵矶补偿调度的库容，但实际运用中应统筹考虑防洪安全、上下游来水与防洪形势、航运调度要求等因素灵活开展。

2.3 兼顾航运需求的水库应急调度方式

(1) 三峡水库滞洪调度，一般按沙市站水位不超过警戒水位43.00 m、城陵矶站(莲花塘站)水位不超过警戒水位32.50 m控制。

(2) 汛期开展中小洪水调度期间，如航运部门迫切要求改善两坝间航运条件以疏散大量滞留积压船舶，则在根据未来预报预留足够防洪库容的前提下，可考虑水库按航运要求控泄，具体应急调度方案如表2所列。

表2 考虑航运需求的水库应急调度方案

(3) 若库水位高于汛限水位145.00 m，当预报未来3～5 d内可能出现超过45 000 m3/s的洪水或预泄水量后城陵矶水位可能超过32.50 m时，或者中上游将出现中等强度以上系统性降雨时，应及时预泄至汛限水位145.00 m。

(4) 在三峡水库上游来水减弱时段，当入库流量小于42 000 m3/s，则水库按约42 000～45 000 m3/s左右流量控泄，逐渐降低水库水位至防洪限制水位(在其允许浮动范围内)。

(5) 水库水位降低至防洪限制水位，下泄流量等于入库流量且小于30 000 m3/s后，该次兼顾航运需求的中小洪水滞洪调度终止。

3 汛期船舶疏散典型调度案例分析

3.1 洪水背景

长江流域自2020年6月进入梅雨期以来，呈现入梅时间早、梅雨锋强且持续时间长等特点。在多轮次大范围强降雨影响下，长江干流及洞庭湖、鄱阳湖地区均遭遇较大洪水过程，长江主要控制性水文站点水位不断上涨，多数站点突破警戒水位，部分逼近保证水位。7月份长江上游干流、主要支流及三峡区间来水显著增加，三峡水库先后迎来长江1号洪水、2号洪水、3号洪水，洪峰流量分别达到53 000，61 000，60 000 m3/s，3场洪水过程联系紧密且影响时间长，其主要洪水调度特征参数见表3。

表3 2020年7月长江编号洪水调度特征参数

3.2 洪水过程分析

进入7月中下旬以来，三峡水库入库流量虽有所减小，但仍表现为接近中小洪水量级，坝前水位持续走高，月末调洪水位已涨至162.00 m左右。为应对接下来可能发生的大洪水，并考虑长江全流域防洪安全，三峡水库出库流量始终维持在35 000～40 000 m3/s之间。在此大流量影响下，两坝间多数船舶因无法满足安全航行条件而滞留积压，最长待闸时间达22 d，航运经济发展受阻，引起了社会较大关切。在此情形下，三峡通航管理部门紧急联系长江水利委员会(以下简称长江委)，提出结合防洪形势适时开展船舶疏散应急调度需求。

通过全面分析评估三峡水库来水与上下游防洪形势，经多方协调权衡，长江委于7月31日下发调度指令：8月1日05：00起三峡水库出库流量按34 500 m3/s下泄，8月1日20：00起三峡水库出库流量按38 500 m3/s下泄，此后维持。为此，三峡水利枢纽于8月1日05：00左右临时关闭2个泄流深孔，20：00稍早前再度开启2个深孔，精准满足了调度令控泄要求。应急调度前后三峡水库出入库流量及库水位变化过程线如图2所示。

图2 船舶疏散期间三峡水库水位及流量变化过程线Fig.2 Variation of water level and discharge of Three Gorges Reservoir during ship evacuation

作为长江中游两个重要的控制性水文站，沙市与城陵矶站的水位流量关系通常较为复杂。已有研究表明：当城陵矶水位较高时，要保证沙市不突破警戒水位(43.00 m)，相应三峡水库的最大下泄流量应不大于45 000 m3/s；当城陵矶水位在32.00 m以下时，既保证沙市不突破警戒水位，相应三峡水库的最大泄量应不大于48 000 m3/s，若要保证沙市不突破42.00 m(原设防水位)，相应三峡水库的最大泄量应不大于42 000 m3/s。船舶疏散前后沙市与城陵矶站的水位变化如图3所示。

图3 应急调度前后沙市与城陵矶水位变化过程线Fig.3 Water level change hydrograph of Shashi and Chenglingji before and after emergency dispatch

由图3可以看出：在实施船舶疏散应急调度后，沙市水位短期内有小幅上涨过程，但始终低于警戒水位，城陵矶水位无明显变化，整体呈下降趋势，但始终高于警戒水位，初期接近保证水位。从此次应急调度来说，三峡下泄流量短时间内的减小对长江中下游防洪形势几乎没有影响，仅是三峡库水位在经历短暂抬升后迅速回落，保证了可利用防洪库容。调度期间及前后，由于发电水头充足，三峡-葛洲坝梯级电站保持56台机组满发状态运行，实现了汛期水电大发多发，维护了电网系统稳定。此外，该期间三峡库区未发生明显库岸崩塌与地质灾害情况，三峡枢纽泄水设施的短期启闭对泥沙淤积冲刷基本未造成影响。

3.3 调度结果

在接到应急调度计划后，航运部门按照“危险品船舶集中疏散、重点集运物资优先安排、长时间待闸船舶适当兼顾”的原则，及时优化船舶过坝调度组织，应急恢复葛洲坝1号船闸运行，重点安排载运非易燃易爆危险品船舶通过。并且，加强各海事机构协调，提前将相关船舶调至核心水域，即到即检，保障应急疏散计划顺利开展。利用三峡水库下泄流量减至345 00 m3/s的宝贵时机，8月1日05：00～20：00时，包括危险品船舶61艘共90艘因汛滞留的大小船舶安全通过两坝间附近水域。

总得来说，本次以船舶疏散为主要任务的三峡水库应急调度，在确保长江防洪安全，统筹考虑发电、泥沙、地质等条件下，较好地满足了航运调度需求，达到了总体调度的预期目标，有效发挥了三峡水库的综合效益，是一次成功的船舶疏散应急调度，可作为典型调度案例供今后参考。

4 结 论

(1) 三峡-葛洲坝两坝间河段自然流态较差，汛期特别是中等至大洪水期，极易出现船舶积压滞留现象。开展以船舶疏散为主要目标的三峡水库应急调度，需以防洪安全作为根本前提，兼顾考虑发电、泥沙、地质等因素。一般的，将三峡水库出库流量控制在30 000～35 000 m3/s左右，可较好地满足滞留船舶的撤离疏散。

(2) 作为一种机动性调度，三峡水库汛期兼顾航运需求的应急调度，主要处理防洪与航运的关系。在防洪风险可控的前提下，可借鉴城陵矶防洪补偿调度要求灵活开展船舶疏散应急调度，调度时机与方式根据不同控制目标综合考虑选取。

(3) 2020年8月初实施的船舶疏散应急调度，克服了坝前水位高、上下游防洪形势复杂的不利局面，通过合理减小三峡水库下泄流量，为积压船舶的疏散航行创造了良好条件，充分发挥了三峡工程的综合效益。此次应急调度时间紧、难度大，可作为船舶疏散的典型调度案例进行复盘分析。