再论水库汛期水位动态控制的必要性和可行性

郭生练，刘 攀，王 俊，周研来

(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)

1 研究背景

我国地处亚洲季风区，水资源时空分布不均，不仅洪涝灾害频发，同时又是一个严重缺水的国家。我国已经建成近10万座水库，发挥了巨大的防洪、供水、发电、航运、生态等作用。近年来，水旱灾害防御和应急管理部门强化水库汛限水位的监管，把工作重点放在防洪安全，弱化了水库的其他功能，出现了一些过度强调汛期不超过汛限水位的情况，导致相当多的水库汛期大量弃水、汛后又无水可蓄。近年许多省份发生旱情供水困难，特别是2022年长江流域发生历史性大干旱，引起社会各界的高度关注[1]。

全球变暖改变了气候系统的热力和动力环境，影响了陆地-大气系统的能量收支和水循环过程，降水、径流、陆地水储量等水文要素发生改变，未来旱情演变更趋复杂。尹家波等[2]研究发现陆-气耦合作用与旱情演变具有复杂的互馈效应，我国未来水资源分布不均程度将进一步加剧，大部分地区遭受持续干旱威胁。预计到21世纪末，我国部分区域的严重和特大干旱持续时间将增加1倍，干旱烈度增长80%以上，约有35%～55%的人口受到影响。随着我国经济社会的快速发展和人民生活水平的不断提高，人们对防洪抗旱安全与洪水资源综合利用目标提出了更高要求。在确保水库安全的前提下，如何合理地利用水库的防洪与兴利重叠库容，是缓解我国水资源供需矛盾和提高水库综合利用效益迫切需要解决的问题[3]。

本文回顾汛限水位动态控制试点工作的研究历程、实践与运用效果，阐述汛限水位设置的依据和实际调度存在的问题，论证开展汛期水位动态控制的必要性和可行性；总结梯级水库运行期设计洪水、分期汛限水位和汛期水位动态控制的理论及方法；分析现有水文气象预测预报和水库调度决策的科技进步水平，提出有待深入研究的科学问题和关键技术。最后建议加强水旱灾害防御能力提升的工程和非工程措施，修改完善现有的法律法规及设计洪水计算、水利计算等规范，建立符合新阶段水利高质量发展的运行机制，实现水库汛期水位动态控制和洪水资源高效利用；提出防洪与抗旱同等重要、统筹协调防洪与兴利矛盾等观点，希望能引起学术界和管理者的思考和共鸣，在水利和应急管理系统开展进一步解放思想的大讨论，重启水库汛期水位动态控制研究和试点工作，统筹协调防汛抗旱工作，推动新时代水利治理现代化和高质量发展。

2 汛限水位动态控制试点工作回顾

2000年，面对我国水资源的严重短缺和水污染的日趋严重，以及科学技术水平的迅速发展，水利部部长汪恕诚发表了《资源水利的理论内涵和实践基础》[4]，论述了通过合理配置洪水资源，在保障防洪安全的同时，努力增加水资源的有效供给，维系良好生态，为全面建设小康社会提供有力的防洪抗旱支撑。

2002年，国家防汛抗旱总指挥部办公室(国家防办)组织武汉大学、大连理工大学、南京水利科学研究院，对水库汛限水位设计与应用问题进行了基础理论专题研究，对国内外水库设计洪水、防洪调度理论和方法进行了评价和深入研究探讨。

邱瑞田等[5]指出“传统的水库汛限水位的控制，只利用了洪水的统计信息，使水库在汛期要时刻预防设计与校核洪水事件的发生，致使一些水库在汛期不敢蓄水而汛后又无水可蓄，造成洪水资源的浪费。水库汛限水位动态控制的新理念及其综合推理模式指明：需适应当前预报技术的发展水平，通过考虑降雨径流洪水预报与一定时间内的短期降雨预报，排除不可能发生的洪水事件，预报可能发生的洪水，实施水库汛限水位的动态控制。但预报不可避免地存在误差，当小概率预报误差事件发生时，仍可采取弥补措施以确保大坝的防洪安全”。高波等[6]指出“提高水库洪水预报精度和延长有效预见期是实现水库汛限水位动态控制的关键所在，提出了综合应用新技术改进水库洪水预报、洪水量级判断和蓄水时机选择的技术途径”。

2005和2007年，国家防办先后刊发了《关于印发水库汛限水位动态控制试点工作的通知》，明确了水库开展汛限水位动态控制试点工作必须同时具备以下5个条件：①当地社会经济发展需要进一步发挥水库综合作用，提高水库洪水资源利用率；②经安全鉴定为一类坝的大型水库；③具备完善且运行稳定的水库水雨情测报、洪水预报调度等系统，有稳定且预报精度较高的洪水预报方案；④水库具备健全的管理机构、较强的技术力量和较高的管理水平；⑤已按现行规程规范完成了水库汛限水位复核工作。按既定规划设计审批程序和权限报审报批后，省级防汛指挥机构、流域防汛指挥机构或流域管理机构要按照安全、科学、积极、稳妥的原则，逐步推进水库汛限水位动态控制试点工作。又组织编写了《水库汛限水位动态控制试点工作意见》，并在全国选择24座大型水库进行了应用试点。

2015年6月，国家防办在北京召开会议，对水利水电规划设计总院主编的《水库汛期水位动态控制方案编制技术导则(送审稿)》进行审查。与会专家代表认为：为充分发挥已建水库的综合利用效益、提高水资源利用率，指导水库汛期水位动态控制方案设计文件的编制，规范水库汛期水位动态控制论证的主要内容和技术要求，制定《水库汛期水位动态控制方案编制技术导则》是十分必要的。会议要求编制组按照会议专家意见进一步修改完善《送审稿》内容，于2015年6月底完成报批稿。后来由于管理机制调整等多方面原因，致使该导则未能印发执行。2019年，水利部依据现有的法律法规，印发了《汛限水位监督管理规定(试行)》，水旱灾害防御部门强化了防汛职能，弱化了水库供水抗旱等综合利用的功能。

3 汛限水位设置和监管存在的突出问题

3.1 汛限水位设置的依据按照我国现行《水利水电工程设计洪水计算规范》(SL 44—2006)，以下简称《规范》，推求设计洪水过程线，再依据《水利工程水利计算规范》(SL 104—2015)等的有关规定，根据防洪规划设计所设定的防洪调度方式和运行调度原则进行调洪演算，确定防洪库容、汛限水位等防洪特征参数(图1(a))。然后通过法律法规，强制性要求水库在汛前指定日期消落至汛限水位以下，在汛期不得擅自在汛限水位以上蓄水。

据文献调研，西方发达国家水库设计和监管都没有专门设置汛限水位这个特征参数[7]。如图1(b)所示，设计水库水位(库容)分别为死水位(死库容)、最低消落水位(缓冲库容)、正常蓄水位(兴利库容)、防洪设计水位(防洪库容)。水库业主依据法律法规和水文气象预报信息，在确保大坝和防洪安全的前提下运行调度，获取水库综合利用效益并承担事故赔偿风险。

图1 中国与西方发达国家的水库特征水位和库容对比图

3.2 水库规范设计和运行调度存在的问题我国在进行水库规划设计时，根据工程的防洪标准、开发任务和规模等，拟定防洪库容、调节库容及其水库的调度运用方案。这时的入库或坝址设计洪水往往选取最恶劣的组合，从偏安全考虑一般都取外包值，依据设计洪水过程线经水库调洪演算求得汛限水位特征值，这是确定大坝溢洪道尺度的重要设计参数。汛限水位要求水库时刻预防小概率发生的设计洪水，导致汛期弃水浪费、汛末无水可蓄等困局、洪水资源综合利用效益不高等问题。其症结问题主要体现在以下5个方面。

(1)没有考虑上游水库调蓄的影响。汛限水位是基于单库设计洪水和防洪任务进行制定，但现状条件是流域内上下游、干支流建成了串并联大规模控制性水库群，上游水库的运用将对下游水库来水过程的洪峰和洪量造成显著的影响。如2020年8月，长江上游发生特大洪水，三峡入库洪峰还原流量约为90 000 m3/s，期间通过三峡以上水库群联合拦蓄洪水约190亿m3，削减三峡入库洪峰至78 000 m3/s，显著减小了三峡的入库洪水量级。

(2)没有考虑暴雨洪水季节性变化规律。我国地处亚洲季风区，暴雨洪水的季节性变化规律十分明显。经过国内一些设计单位和水库管理运用部门多年的研究实践，对分期设计洪水计算和应用有了长足的进步。目前我国还有不少大型水库的设计和运用不尽合理：有的水库在整个主汛期，自始至终采用一个汛限水位控制；有的甚至采取“空库”迎汛或度汛的办法；对洪水季节变化规律和成因的科学识别不足，存在人为划分分期的现象，以致造成不必要的弃水，降低了水库的综合利用效益。

(3)尚未充分融合水文气象特征的动态变化及预报。汛限水位所依据的设计洪水标准是小概率的稀遇洪水，但它并非时刻都会发生，且该量级洪水是可以根据孕育特大暴雨天气形势出现的前兆信息，提前较长时间预判的。因此，可通过水文气象长、中、短期相嵌套、滚动渐进式的研判思路，逐步排除集雨区内水库发生大洪水风险、准确预报来水过程。考虑预报信息下的汛期运行水位动态控制，实现梯级水库防洪库容互用、可以获得更大的防洪效益和综合效益[8]。

(4)缺乏对水库防洪与兴利的统筹协调。如2022年长江流域大旱，尽管水文气象提前预测判断长江流域来水偏少，但三峡水库还是按规定在6月10日前消落至汛限水位145 m；6月份长江中下游梅雨很小，江西、湖南、湖北陆续出现旱情，但金沙江下游梯级(乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝)还是在7月1日前消落至汛限水位，汛前共弃水约60亿m3。应该考虑水文气象预测预报信息，滚动研判出今年长江来水偏少，完全没有必要在规定时间消落至汛限水位。若将金沙江下游梯级和三峡水库的消落水量存库延期使用，不仅可获得更大的发电效益，还可为7月以来长江流域性严重干旱提供补水作用。

(5)多年调节大型水库的蓄满率偏低。丹江口水利枢纽具有防洪、供水、发电、航运等综合利用效益的大型水利枢纽，是开发治理汉江的关键工程和南水北调中线、鄂北调水的水源工程。据1954—2021年(共68年)日径流资料系列分析，目前丹江口水库的优化调度方案仅9年能蓄到170 m正常水位，年蓄满率仅为13%左右，蓄满率太低，说明丹江口水库设计洪水及其汛限水位设置存在问题。

在保障防洪安全和供水需求的基础上，对丹江口水库蓄水方案进行研究，建议丹江口水库蓄水方案为：8月20日水库蓄水过渡到秋汛期的汛限水位163.5 m；8月21日至31日水位逐步蓄至164.5 m左右；9月1日至15日，水位逐步蓄至165 m左右；9月15日之后，在预报判断华西秋雨不大的情况下，水位可逐步上浮至166～167.5 m；10月1日开始逐步蓄水至正常蓄水位170 m[9]。

3.3 汛限水位监管存在的不足下面从法律法规和运行机制两个层面，分析探讨汛限水位监管存在的问题和不足：

(1)从法律法规层面分析。1998年1月1日起施行的《中华人民共和国防洪法》(2016年第三次修正)第四十四条规定：“在汛期，水库不得擅自在汛期限制水位以上蓄水，其汛期限制水位以上的防洪库容的运用，必须服从防汛指挥机构的调度指挥和监督”。当时立法的背景条件是，我国经济社会发展落后，水利水电工程和堤防等防洪基础设施差，水文气象监测预报和通讯技术水平低等。过去20多年，我国已经发生了天翻地覆的巨大变化，经济总量、水利基础设施、科技水平处于世界前列，还继续沿用原法律法规条款，已经不合时宜，亟待修订。

2019年水利部印发了《汛限水位监督管理规定(试行)》，进一步强化了汛限水位的监管和问责，没有考虑水资源高效利用等社会经济发展需求。

(2)从运行管理机制层面分析。目前我国仍然是“九龙治水”，各行业部门都有责任和利益追求。对于防洪调度，防汛主管部门承担责任，重点防洪节点可能遭受淹没风险，蓄滞洪区被迫启用，而水库业主单位获取发电利益。我国行业部门之间的权、责、利没有完全理顺，导致各级应急和水旱灾害防御部门常采取保守策略，追求绝对的防洪安全，措施很多、不断加码，但汛末水库能否蓄满没有考核指标，供水抗旱的措施方法不多。人们常说“洪灾损失一条线，旱灾损失一大片”，旱灾对经济社会造成的影响巨大。另一方面，现在的行政管理考核激励、追责、问责的制度也不尽合理，应该鼓励公职人员勇于担当，敬业尽职，为国家和社会创造更多、更大的综合利用效益，而不是做追求零风险的太平官。

4 水文气象监测预报和调度决策水平评价

经过几十年的科技攻关和技术进步，我国的水文气象监测预报、通讯、水库调度决策水平已经处于国际前列。随着具有预报、预警、预演、预案功能的智慧水利体系和数字孪生流域的持续构建，将为水库汛期水位动态控制提供强有力的技术支撑。

(1)我国气象监测预测预报水平。2022年4月20日，中国气象报报道：“2021年，我国强对流天气预警时间提前至40 min，暴雨预警准确率达到90%；台风路径24 h预报误差缩小到75 km，全球预报预测准确率稳步提高，首次实现对全球范围台风的预报，可用天数稳定在7.8 d左右。气象预报业务体系不断完善，多种以精准、及时为特点，全面应用新技术的预报产品实现业务化。1 h间隔、每3 h更新的12 h分类强对流预报，1 h间隔、每1 h更新的24 h全国网格预报，3 h间隔、每日两次更新的0～10 d全球网格预报接连投入业务运行，全国50 km、区域25 km延伸期(10～30 d)网格预测产品投入试运行。从短时临近预报到短期预报再到中期和延伸期预报、气候预测，预报预测业务体系全方位升级，小到捕获雷暴大风动态，大到预测未来天气趋势，无缝隙预报预测能力正逐渐增强”。

(2)我国水文监测预报水平。水文监测预报预警是水旱灾害防御工作的尖兵、耳目和参谋，在历年的防汛抗旱、水工程运行、水资源调度管理等工作中发挥了重要作用。目前我国已初步建成整体功能较为强大的水文站网监测体系，形成了分级管理、分级制作、联合会商、成果共享的水文预报业务体系，水情预警发布基本实现中央、流域、省、市、县5级覆盖，构建了较为完善的防汛抗旱水文监测预报预警服务体系，为水旱灾害防御工作发挥了重要支撑作用。

近十年，从水情监测站网来看，全国各类水情站网由4万多处增加到13万多处，主要江河的信息监测频次由每天6 h缩短到1 h，大江大河重点断面监测频次缩短到15 min；从监测数据处理时效来看，收齐全国报汛报旱站点信息由原来的30 min缩短到15 min，制作完成一条河流主要断面预报所需时间由原来的3 h缩短到1.5 h；从预报水平来看，由单站预报提升到以流域为单元的河系预报，由短期3 d预报拓展到中期7 d预测、长期10 d展望，南方主要江河的洪水预报精准度由80%提升到90%以上，北方主要江河的洪水预报精准度由50%提升到70%以上。水利部现在可获取未来7 d以上的降雨数值预报，通过与洪水预报系统耦合，可制作未来10 d的洪水预测预报，能有效提高未来2 d的预报精度，未来3～5 d的预测成果可用来研判未来江河洪水发展趋势[10]。

(3)调度决策信息化水平。通过国家防汛抗旱指挥系统工程等重大项目建设，基本建成了大江大河洪水预报体系，编制了100座防洪骨干大型水库和33处重点蓄滞洪区的洪水预报方案，支撑了大江大河重点水利工程的科学调度。全国中小河流水文监测系统项目编制了有防洪任务的5186条中小河流洪水预报预警方案。水资源承载能力监测预测预警工作主要集中在长江、黄河、珠江等大江大河重点断面来水量预报。全国山洪灾害防治项目建设了山洪监测预警平台，汛期发布山洪灾害预警；全国大江大河有764处重点断面开展了洪水及水文干旱预警[10]。

中国洪水预报系统是水利部信息中心投入业务运行多年、拥有自主开发、完全产权的一种交互式洪水预报系统，建立了30 km分辨率的区域河系水文预报平台，形成了模块化预报组件、模型方法库、参数自动率定、实时校正、水库调洪、抗暴雨能力、中长期预测等洪水预报技术。采取洪水预报与水库调度运用相结合的手段，采用模块化、一体化设计，实现全流域河系自动演算、调度方案实时计算、快速比选、专家讨论、会商决策同步开展，以提高系统运行和防洪调度决策效率[11]。

气象水文监测、预报防洪调度能力和服务水平的提高，大大强化了防汛抗旱信息采集、传输、处理的及时性、可靠性，提高了洪水预报预警的准确性、时效性，提升了防灾减灾调度指挥决策的科学性、主动性。

5 汛期运行水位动态控制研究进展

2002—2010年间，水利系统开展了水库“汛限水位动态控制”试点工作。考虑到“汛限水位”是一个设计特征值，并具有法规定义，后来就改为“汛期运行水位动态控制”。在国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的持续支持下，汛期水位动态控制理论和方法有了很大的发展[12]。按水库水位的控制方法分，主要经历了三个阶段：单一固定水位控制、分期固定水位控制及分期动态水位控制。水库汛期水位动态控制理念的提出，适应当前水文气象预报技术的发展水平，能够对即将发生的事件预先进行准确的判断，及时采取合理措施调整水库状态，在一定程度上缓解了汛期防洪与兴利的突出矛盾，具有广阔的推广应用前景。随着水文气象预报技术水平的不断提高，以及考虑上游水库群的调蓄影响，已经具备了利用先进技术手段指导水库调度运行的条件[13]。因此，继续沿用水库初设确定的汛限水位进行防洪调度，会造成洪水资源的浪费，不符合新阶段水利高质量发展的要求[14]。

5.1 水库运行期设计洪水计算及汛控水位截至2020年底，我国已建成水库98 566座，总库容9306亿m3，其中大型水库774座，总库容7410亿m3，占全部总库容的79.6%；中型水库4098座，总库容1179亿m3，占全部总库容的12.7%。这些水库都承担了防洪、供水、发电、航运、生态等多重任务，在我国国民经济和社会发展进程中发挥了重大作用。水利水电工程建设运行和气候环境变化，使流域下垫面和天然河川径流发生了较大的改变，水文资料系列的一致性和可靠性受到质疑，现有水库的设计洪水及汛限水位特征值，无法满足水资源高效利用的需求。

我国现行《规范》规定下游断面设计洪水要考虑上游水库的调蓄影响。《规范》推荐的典型洪水组成法和同频率洪水地区组成法，虽然简便易行，但人为性和不确定性较大；频率组合法需要对分区的频率曲线进行离散求和，在独立性转换中难免出现数据失真；对于复杂的梯级水库群，随机模拟法难以保持各分区的洪水涨落特性；工程可靠性法在分配洪量计算的同时，所得的风险或概率值可作为决策者判定其成果可靠性的依据，但是目前国内外在可接受风险方面并无相关参考，这将给决策带来困难。洪水地区组成带有显著的随机性，科学描述这一规律的方法是给出各地区洪水的联合概率分布函数，过去受到多维联合分布确定方法的限制。郭生练等[15]提出了梯级水库运行期设计洪水理论方法，重点探讨基于Copula函数的最可能地区洪水组成法，比较各种地区组成方法的适用条件，推荐采用运行期设计洪水及相应的汛控水位(区别于汛限水位)指导水库调度运行。熊丰等[16]研究了金沙江下游梯级水库受上游水库调蓄的影响，在不降低防洪标准的前提下，下游各水库在运行期汛控水位相比汛限水位可适当抬高，即可适当抬高乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝水库的汛期运行水位，不仅可增发电量，还可提高水库的蓄满率。郭生练等[17]研究了长江上游干支流梯级水库的调蓄对三峡水库运行期设计洪水的影响；在保证大坝和下游防洪(荆江、城陵矶补偿调度)标准不变的前提下，三峡水库运行期汛控水位(155 m)比汛限水位(145 m)抬高了10 m，不仅有利于库区航运和生态环境，还可增发电量和给下游补水，减少蓄水期对洞庭湖和鄱阳湖的不利影响，经济社会和生态环境效益巨大[18]。

基于Copula函数的最可能洪水地区组成法具有较强的统计基础、且计算结果唯一、所得结果客观合理，但当梯级水库较多时，需要应用高维度的Copula函数，其参数估计的不确定性增大。此外，当上下游水库相距较远时，现有的马斯京根洪水演进方法的精度难以满足要求。随着大规模水库群建成投运，造成河道渠化和流域碎片化，水库区间流域洪水产汇流机制显著变化。因此，有必要开展考虑水库群影响的调度运行期设计洪水和特征水位值计算新理论和新方法。

5.2 分期设计洪水及其分期汛限水位在确保水库防洪安全的前提下，充分利用我国暴雨洪水的季节性变化规律，对汛期进行分期、计算分期设计洪水，拟定分期汛限水位。现有的分期方法主要包括成因分析法和数理统计法(变点分析法、系统聚类法、矢量统计法、圆形分布法以及相对频率法等)两大类。分期设计洪水应满足两个条件：①要符合防洪设计标准；②能反映洪水的季节性规律[19]。

李响等[20]根据不同分期的来水情况分别拟定防洪调度规则，在确保防洪安全的前提下，利用分期设计洪水调洪演算确定汛前期和汛末期的汛限水位，采用预报预泄方法确定水库水位控制运用方案，提出了三峡水库汛期水位控制运用方案。李英海等[21]考虑溪洛渡和向家坝梯级水库调蓄影响，提出了三峡水库分期汛控水位运用方式和时机，指出随着各大流域梯级水库建成投运，亟需开展上游水库调蓄影响下的下游水库分期汛控水位研究，以进一步提升流域供水保障能力。

在长江流域防洪规划设计中，长江上游大型水库和三峡水库都为中下游预留了防洪库容。长江中下游梅雨一般在7月中、下旬结束、最晚的出梅时间是8月8日，也就是说8月中旬后，长江中下游的防洪压力已经解除，尽管长江上游“华西秋雨”还可能发生较大的洪水，那只需要预留当地的防洪库容，金沙江下游梯级和三峡等水库为长江中下游预留的防洪库容可提前释放，即8月10日后，三峡水库就可逐步抬高运行水位并提前蓄水[22]。

因水库群中各水库的水文补偿和库容补偿作用，相比单一水库分期控制方案，梯级水库联合分期汛限水位调度挖潜空间更大，研究的理论与应用价值更高。李菡等[23]考虑上游水库富余防洪库容对下游水库补偿调节，可有效抬高下游水库分期汛限水位，提高了梯级水库的蓄水与发电效益。已有研究针对水库群防洪库容分配[24]和分期汛限水位设计等[25]方面进行了积极探索，但汛期分期及分期设计洪水均以固定起止时间的暴雨洪水资料为计算依据，有待研究暴雨洪水与大气环流宏观背景的动态关系，以提高汛期分期、分期设计洪水及分期汛限水位计算的精细化水平[26]。

5.3 水库汛期水位动态控制范围值确定开展水库汛期水位动态控制研究，目的是通过分析降雨、洪水预报的精度和预见期，结合梯级水库群蓄水和泄流能力，研究既能满足防洪安全要求，又可充分利用洪水资源的可操作性调度方法，并提出考虑水文气象预报误差时应采取的安全保障措施和应急对策[27]。确定汛期水位动态控制范围值的主要方法如下：

(1)预报调度规划设计方法。利用预报的洪水总量或峰前量或洪峰，以实际入库流量或水位作为改变泄流方案的规则，调节原批准的设计洪水，在满足原设计水库及上、下游防洪安全前提下确定汛期水位动态控制上限值，原设计汛限水位作为动态控制下限值[28]。

(2)改进预泄能力约束法。通过分析确定洪水预报和降雨预报信息有效预见期，按照洪水起涨前库水位必需降至原设计汛限水位的要求，根据下游保护对象的安全允许下泄流量计算预泄总量，从而确定汛期水位动态控制上限值，原设计汛限水位，包括分期汛限水位，作为动态控制下限值。变一维静态为二维动态，加上随时间的变化，成为三维控制。有效预见期必须考虑信息传递、决策、闸门操作所需时间[29-31]。

(3)创新构建库容补偿法。当水库有余富防洪库容时，根据水库余富防洪库容计算相应的汛期水位动态控制上限值，原设计汛限水位作为动态控制下限值。也可根据水库具体情况选择其它方法先确定水库汛期水位动态控制上、下限值，然后采用包线法确定汛期水位动态控制范围值[32-33]。

已有研究主要针对水库汛期水位动态控制上边界值，认为下边界为原有的汛限水位，因此没有充分考虑水库的供水、抗旱等综合利用需求，缺乏与水库消落水位、旱警水位的协调和衔接。此外，已有研究尚未结合流域多区间气象水文预报信息和库容补偿能力，单一方法推求的动态控制域未能充分挖掘复杂水库群的洪水资源化潜力。因此，有必要开展综合更多信息的水库汛期水位动态控制范围值研究。

5.4 水库汛期水位动态控制模型和方法水库汛期水位动态控制属于实时调度的范畴。本质仍是以不降低水库的防洪标准为前提。可以从两方面理解汛期水位动态控制的基本思想：①汛期水位动态控制是利用一切可利用的信息、手段，在洪水来临前可安全、及时地将水库的水位降低到可靠的汛限水位以下，以保证水库的防洪标准不降低；②汛期水位动态控制属于风险调度的范畴，水位不仅可能在设计的汛限水位以上运用，也可能低于设计的汛限水位运用。在风险调度中，防洪风险和兴利效益一般互相矛盾，应在一个可接受的风险水平下，提高水库综合利用效益[34]。

(1)基于防洪风险分析的动态控制调度方法。水库的防洪标准实质是一个可接受风险程度指标，如果可以将防洪标准转化为实际可以接受的风险概率，那么通过水库调度控制风险低于这个可接受风险，从统计意义上水库调度就不会降低防洪标准。

基于防洪风险调度法的实时动态控制模型：在不降低防洪标准的条件下，得出可接受风险率的估算方法；在防洪风险分析子模型、调度期后续调度控制子模型的基础上，建立机遇约束的水库汛期运行水位实时动态控制模型。此模型将调度过程分为调度时段内和调度时段后两部分，分别予以不同的风险标准进行控制。该模型不仅考虑兴利效益，而且对实时防洪风险进行评估与控制，使其达到可接受水平以内，为利用有一定可靠度的水文气象预报来提高综合利用效益提供了理论依据[35]。进一步推广为两阶段防洪风险分析方法，回答了在有预报误差情况下，特别是各水库预见期长度不一致时，水库群洪水风险的定量描述难题；且得到的防洪风险率以年为单位，与国家规范规定的防洪标准定义相一致，易于确定风险的可接受水平[36]。

(2)基于预报演进的动态控制方法。针对不同预报精度的降雨及洪水预报信息，结合水库面临时刻所处阶段、水库水位、入库流量、上下游防洪要求、抗风险能力及补救措施等水、雨、工情，按预报信息种类和精度分阶段、分层次判断洪水量级，并选定合理的判别条件，采用有效回避预报风险的预蓄预泄调度方式，对未来时段水库汛期运行水位实行分阶段、分层次的动态控制。主要步骤：首先根据降雨预报信息，通过改变泄流量对水库水位进行初步的调整；当发生实际降雨后，再结合洪水预报信息对水库水位做进一步的调整，以腾出防洪库容，迎接即将入库的洪水；洪水入库后，按大坝及上、下游防洪要求调度运行；在其后的洪水退水阶段，根据未来及当前时段降雨、洪水预报适时拦蓄尾水，抬高水库运行水位[37]。

(3)基于预报及库容补偿的动态控制方法。在水库群的控制运用中，利用上游水库的补偿作用是实施下游水库汛期运行水位动态控制的一个重要方法。该方法适宜于共同承担一个下游防洪目标的水库群，根据水文不同步性或其库容差异，按下游防洪控制点要求进行补偿调度或错峰调度[38]。

依据防洪标准不变的原则，建立基于预报及上游水库库容补偿的汛期运行水位动态控制模型，实现水库汛期运行水位控制[39]。具体步骤如下：设上游水库A和下游水库B共同承担一个下游防洪目标。引入汛期运行水位控制域的思想，根据水库A水位状态及流域洪水预报信息，为水库B确定一个允许的汛期运行水位动态控制范围。在此控制域内，水库B依据各种信息和判别条件确定未来时段水库B汛期运行水位值，实现对汛期运行水位的动态控制。动态控制域的下限可满足水库B原设计标准的基本防洪、兴利要求，而上限则是在保证原防洪标准的前提下，尽可能挖掘兴利潜力。在处理汛期相邻分期间的过渡问题时，为了充分利用水资源，通常在主汛期开始前逐步加大发电流量，降低水位，在主汛期结束前，适当提前蓄水，尽量拦蓄洪水资源。事实上，考虑预报信息及库容补偿作用对汛期运行水位实施动态控制，将有利于解决不同分期之间的过渡问题[40]。

(4)水库汛期水位动态控制风险和效益分析。风险分析包括汛期水位动态控制风险因子识别和各种相关风险率的计算，确定水库实施汛期水位动态控制运用中所面临的风险水平，研究提出抗御相关风险的工程措施和非工程措施。效益分析主要计算实施汛期水位动态控制后的效益增量，包括水资源利用增量计算、水能资源利用增量计算和防洪效益计算等，定性分析间接效益和社会效益。效益计算方法应按照现行《水利工程水利计算规范》(SL 104—2015)和国家有关规定选定，且满足前后协调一致原则。若采用随机模拟法或洪水兴利连续调节计算方法等新的效益计算方法时，必须分别计算汛限水位和实施汛期水位动态控制后的效益[41]。

(5)水库汛期水位动态控制运用调度方案制定。根据已经确定的汛期水位动态控制域的范围值，考虑水库工程现状和当前洪水特征、降水预报信息，研究确定汛期水位动态控制方法。根据洪水分期研究成果和选定的动态控制方法，结合水库具体情况，提出相应的汛期水位动态控制运用方案，编制水库汛期水位动态控制方案操作规程，包括拟定相应的具体调度方法、操作程序和编制系统软件。所编制的操作规程要考虑全面、科学合理、可操作性强[42]。

已有研究主要针对规划设计阶段，为了确保水库防洪系统安全，根据不同典型年的设计洪水确定梯级水库群的防洪库容，并以单库推求的汛限水位为洪水的起调水位。而在实时调度中，各水库不一定都是以汛限水位为洪水的起调水位，有些水库的洪水起调水位可能低于汛限水位；即将发生的暴雨洪水有其一定的气象成因以及水文特征，可通过水文气象预测预报信息加以研判，并不需要时刻防御各种典型年的设计洪水。因此，有必要开展利用多源实时信息的水库汛期运行水位动态控制研究。

6 需要深入研究的科学技术和运行管理问题

武汉大学负责承担的国家十四五重点研发计划项目《大型水库群汛期运行水位动态控制与洪水资源化关键技术研究与示范》提出需要继续深入研究规模大、数量多、串并联复杂的水库群汛期运行水位动态控制问题，包括3个科学问题、5项关键技术以及水库运行管理机制问题。

6.1 亟待研究的科学问题

(1)水库群调节驱动的流域非稳态产汇流机理与洪水时空变异机制。我国大流域干支流已形成数量众多的大型水库群，造成河道渠化和流域碎片化，洪水形成机制发生显著变化，规划设计阶段大都依据“天然洪水”“典型组合”计算各水库的设计洪水和防洪特征水位。在水库群联合调控作用下，流域洪水量级、时空组成发生怎样的变化？

(2)大型水库群汛期运行水位动态控制风险传递及链式效应。随着预见期延长，不确定性增大，可能使预报不确定性转移为调度不确定性。同时，水库泄流与区间预报误差叠加，风险传递到下游防护对象；在库群系统中还可能发生水库之间风险转移。因此，如何定量解析大规模复杂库群系统防洪风险，并精准评估发生相应风险的位置，影响范围有多大、损失有多大？

(3)大型水库群防洪库容的等效机理及最优时空分配机制。在规划设计阶段，梯级水库群的防洪库容，是根据各水库以汛限水位为起调水位，在典型设计洪水下都能保证防洪安全而确定的。但在实时调度中，初始水位状态、实际来水组合、调蓄下设计洪水均与设计阶段不同。因此，为了进一步发挥水库群的防洪作用和挖掘洪水资源利用潜力，如何定量解析库容补偿机理与替代作用？

6.2 有待解决的关键技术

(1)基于大气环流尺度的水库群汛期动态分期技术。流域暴雨洪水形成存在多种天气系统，不同天气系统的大气环流特征各不相同，而且存在时空变异性，导致汛期分期特征在年际之间存在显著差异，而设计阶段的汛期分期大多采用洪水样本的统计差异，较少考虑大气环流的背景。因此，需要研究水库群集雨区局部暴雨洪水与大气环流宏观背景的关系，实现汛期分期的年度动态划分。

(2)串并联大型水库群运行期设计洪水计算方法与汛限水位联合优化技术。水库群运行条件下，流域洪水过程和空间组成都较自然状态发生了显著变化，串并联等不同水力联系加大了大型水库群设计洪水计算难度。而且设计阶段对水库群联合调控的影响考虑不足，如何发展水库群运行期设计洪水与运行水位联合优化技术，是待解决的关键技术。

(3)基于多尺度预报信息的大型水库群汛期运行水位上下阈值界定及区间控制技术。实时调度过程中，暴雨洪水是动态变化的，并且流域内水库众多，有多个防洪对象和多个兴利目标。因此，如何识别典型洪水？并结合预报信息进行水库群汛期运行水位实时动态控制，确定各水库利用不同预见期预报信息的控制域。

(4)大型水库群全景动态调度与泄流自动控制技术。大型水库群需要考虑决策期、预见期、余留期的三阶段不同特点，开发基于风险分析的三阶段大型水库群优化调度模型。在模型基础上，如何研发集成信息安全、泄流校验、闸门测控一体化的大型水库群汛期运行水位泄流自动控制装置？破解汛期运行水位的智能动态控制难题。

(5)面向洪水资源利用的水库群多目标协同调度规则库技术。如何根据汛期来水特性辨识不同时段水库群多目标调度运行的竞争—协同关系？如何利用库群的水力和库容补偿关系提出适应多目标利用需求的复杂水库群库容协同运用方法？如何引进先进的信息化技术集成面向洪水资源高效利用的水库群联合调度规则库？需要研发多目标协同调度技术。

6.3 开展水库运行管理机制研究水库汛期运行水位动态控制效益显著，但在应用实践中阻力较大，根本原因在于责权利不对等：水库业主单位获得额外的收益，而防汛部门承担防汛管理责任、上下游地区承担洪水风险。因此，亟待开展水库汛期运行水位动态控制的机制体制研究。在充分考虑人们生命财产安全和社会经济发展水平的基础上，国家建立流域防洪保险专项基金，资金来源于各级财政投入、洪水保险费、水库新增的部分效益等。采用经济手段，从体制机制上均衡防洪安全和兴利挖潜的矛盾。

7 建议和讨论

水是万物之母、生存之本、文明之源。水利事关战略全局、事关长远发展、事关人民福祉。贯彻落实水利部推动新阶段水利高质量发展的六条路径，首先必须提高我国现有水利设施的管理水平，统筹协调防洪和抗旱矛盾、提高水资源高效利用和生态保护治理能力，为全面建设社会主义现代化国家提供有力的水安全保障。我国的汛限水位设定和监管，既没有考虑上游水库群的调蓄影响和暴雨洪水的季节性变化规律，也没有考虑水文气象预测预报、通讯、调度决策等技术进步；导致洪水资源利用率不高，既不合理、又不科学。本文提出以下几个观点和建议，供大家切磋讨论：

(1)加强防汛抗旱的基础设施建设。江西、湖南、广东等南方省份的河流径流调节能力(调节库容/多年平均径流量)在20%左右(30%～40%最佳)，洪水调节和蓄水能力不足，导致每年汛期水库大量弃水，其他大部分时间抗旱保供水。因此，需要兴建一批新的水库或改建现有的“双退圩区”或“分蓄洪区”为“平原水库”，汛期防洪蓄水，枯水期抗旱供水，把宝贵的淡水资源储蓄在流域内。

(2)加强防汛抗旱管理的政策与法规建设。组织力量补充修改《中华人民共和国防洪法》和《汛限水位监督管理规定(试行)》等法律法规；修编《水利水电工程设计洪水计算规范》(SL 44—2006)和《水利工程水利计算规范》(SL 104—2015)，尽快出台《水库汛期水位动态控制方案编制技术导则》等技术标准，指导水库运行调度。

(3)建立流域分蓄洪区的洪水保险制度。在全球气候变暖背景下，极端暴雨洪涝发生的不确定性在增大[43]。水库面对超标准洪水不得不转入紧急泄洪的保坝模式，下泄流量一旦超过下游河道防洪控制断面的安全行洪能力，需要动用行蓄洪区，但目前的补偿标准偏低，可从汛期水位动态控制的受益中提供部分资金，按保险方式给予补偿。利用法律和经济的双重杠杆，建立水库汛期水位动态控制的推进机制[44]。

(4)探讨水库运行调度管理新机制。根据水文气象预报来水量级的大小和覆盖范围，区分国家部委、流域机构、省市、企业防洪调度的职责，分级负责管理。针对权责利不对等问题，从受益的发电或供水企业中提取20%～50%新增效益，主要用于因水库调度可能产生淹没等意外损失的补偿或赔偿，还可用于支持相关的技术研究开发，生态补偿和修复等[45]。

(5)提升水文气象监测预报预警业务支撑能力。提高降雨洪水预报精度、延长预见期，实现预报调度一体化；强化旱情监测综合分析，实现旱情监测评估常态监测预报化；结合数字孪生流域建设，做好“预报、预警、预案、预演”工作，为水旱灾害防御、水资源调度管理、水生态水工程监管和经济社会发展提供可靠的支撑和保障。

(6)实现水库水位动态控制和提前蓄水。我国现有规范计算推求的设计洪水和汛限水位，是为水库大坝安全设计服务的；需要研究为水库运行调度决策服务的设计洪水和特征水位。通过卫星和雷达等遥感手段监测，依据水文气象预测预报信息，研判水库流域可能发生稀遇设计洪水或存在其他重大安全隐患时，提前把水库水位消落至汛限水位以下，确保大坝和防洪安全；对于20年一遇以下的中小洪水，实行水库分期水位动态控制和提前蓄水，具有巨大的经济、社会和生态效益。

致谢：衷心感谢夏军院士、程晓陶教高、严登华教高提出的宝贵意见和修改建议！