趙 文 煥，李 榮 波，訾 麗

(1.長江水利委員會 水旱災(zāi)害防御局，湖北 武漢 430010； 2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 3.長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010)

我國大部分地區(qū)水資源時程分配極不均勻，占全年70%以上的降水集中于汛期，60%以上的河川徑流在汛期以洪水形式棄水入海[1]。自古以來，人們都是想方設(shè)法把洪水排入大海，避免洪水對兩岸造成災(zāi)害?，F(xiàn)今隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和科學技術(shù)水平的提高，流域防洪減災(zāi)能力不斷增強，而淡水資源日趨緊張，洪水是可以利用的水資源這一觀點已被接受并在實踐中得到檢驗。隨著水庫群大規(guī)模建設(shè)，流域?qū)Ψ烙蠛樗芰︼@著增強，流域安全得到保障；同時隨著預報技術(shù)水平的不斷進步，流域?qū)ΤＳ龊樗{(diào)控更有裕度，通過適當靈活利用，可提高洪水資源利用效率，以解決水資源短缺問題的迫切性和時代性。因此如何在以“水利工程補短板、水利行業(yè)強監(jiān)管”水利改革發(fā)展總基調(diào)為根本遵循，依靠科技進步，在風險可控條件下充分發(fā)揮水庫的綜合效益，通過優(yōu)化水庫的調(diào)度運行方式來獲取洪水的資源效益，為推動經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐，已成為治水管水的新需求。但目前，如何在防洪調(diào)度和洪水資源高效利用之間尋找平衡點，仍是一個需要不斷思考和探討的問題。

1 長江流域水庫群防洪調(diào)度現(xiàn)狀

長江流域已建成大型水庫300余座，總調(diào)節(jié)庫容1 800余億m3，防洪庫容約800億m3。目前納入《2020年長江流域水工程聯(lián)合調(diào)度運用計劃》的水庫共計41座，其中長江上游22座，已形成一個核心(三峽水庫)、一組骨干(金沙江下游梯級)、5個群組(金沙江中游梯級、雅礱江梯級、岷江大渡河梯級、嘉陵江梯級、烏江梯級)的調(diào)度格局；長江中下游防洪水庫主要分布在兩江(清江梯級、漢江梯級)、兩湖(洞庭湖“四水”梯級和鄱陽湖“五河”梯級)，巨型水庫群共同構(gòu)成了長江流域水庫群防洪調(diào)度格局，如圖1所示。

水庫群聯(lián)合調(diào)度的實施提升了長江干流防洪能力。上游，攀枝花城區(qū)的防洪標準可由30 a一遇提高到50 a一遇，宜賓和瀘州城區(qū)的防洪標準由20 a一遇提高到50 a一遇，重慶主城區(qū)由50 a一遇提高到100 a一遇。中下游，荊江河段遇100 a一遇及以下洪水可控制沙市水位不超過44.50 m；遇1 000 a一遇或類似 1870年特大洪水，配合荊江分洪區(qū)分洪運用，可控制沙市水位不超過45.0m。城陵磯及以下干流河段通過三峽水庫及其他支流水庫調(diào)蓄，考慮蓄滯洪區(qū)運用，可防御類似1954年洪水。

圖1 長江流域水庫群防洪調(diào)度格局Fig.1 Flood control operation pattern of reservoirs in the Changjiang River Basin

防洪能力的提升為洪水資源的利用提供了可能。2015年國務(wù)院批復的《長江防御洪水方案》指出：“在確保防洪安全的前提下，根據(jù)防洪形勢、氣象水文預報，綜合考慮水資源、水生態(tài)等需求，經(jīng)批準后，長江干支流控制性水庫可采取汛期適度蓄水、汛末提前蓄水、流域調(diào)水補水等措施，合理利用洪水資源?！?/p>

通過科學精細調(diào)度以三峽為核心的長江干支流控制性水庫，顯著發(fā)揮了防洪減災(zāi)效益。三峽水庫自2008年試驗性蓄水以來，先后應(yīng)對了12次超過50 000 m3/s的入庫流量，總攔蓄水量超1 500億m3，多次避免荊江河段、城陵磯河段超警、超保，免于啟用蓄滯洪區(qū)。2010，2012年三峽水庫最大入庫流量分別為70 000，71 200 m3/s，通過科學調(diào)度，下泄流量分別為40 000，45 000 m3/s，削峰率分別達42%和36%。據(jù)統(tǒng)計，2020年長江流域2 587座(次)大中型水庫攔蓄洪水1 029億m3，減淹城鎮(zhèn)615個(次)、減淹耕地面積9 771.4 km2，通過水庫、堤防、排澇泵站、分蓄洪區(qū)等水工程聯(lián)合調(diào)度，成功防御了長江流域性大洪水。與此同時，加強監(jiān)管督查，消除風險隱患，有力有效。2020年，以“線上線下”監(jiān)管方式，分類分級加強長江流域1 420座大中型水庫調(diào)度運用和汛限水位監(jiān)管，尤其是納入2020年長江流域水工程聯(lián)合調(diào)度的控制性水庫，對發(fā)現(xiàn)問題的水庫以“一省(庫)一單”的形式提出整改要求，嚴禁擅自違規(guī)超汛限水位運行，確保了防洪安全和工程安全。

另外應(yīng)該看到，汛期中出現(xiàn)的水庫被動棄水、庫區(qū)水華等問題依然存在，“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”理念已在長江落地生根，迫切需要以保長江安瀾為根本前提，努力化解汛期中出現(xiàn)的水資源綜合利用問題。當前，水庫調(diào)度不僅依法，也要科學的理念在國家層面已經(jīng)形成。對長江流域來說，水資源的時空分布不均和現(xiàn)階段經(jīng)濟社會發(fā)展需求之間的矛盾，可以通過工程和非工程措施，在保障防洪安全的前提下，使部分還沒有得到有效利用的長江洪水資源在空間和時間上進行合理的分配，以滿足流域內(nèi)不同地區(qū)在不同季節(jié)的供水需求[2]，水庫調(diào)度是關(guān)鍵的非工程措施之一。在防洪保安的根本前提下，充分發(fā)揮水庫的供水、生態(tài)、發(fā)電、航運等綜合效益十分必要，也迫切需要。

2 防洪調(diào)度與洪水資源利用的辯證關(guān)系

2.1 防洪調(diào)度與洪水資源利用的矛盾

大中型水庫為了防洪安全，設(shè)計標準一般較高。傳統(tǒng)的水庫調(diào)度是根據(jù)水庫調(diào)度規(guī)程進行調(diào)度，汛期水庫的水位一般不得超過汛限水位，發(fā)生洪水時利用防洪庫容進行洪水調(diào)節(jié)，此時水位可突破汛限水位，洪水過后要盡快降到汛限水位以下，以利于攔蓄后面可能發(fā)生的洪水。發(fā)生中小洪水時，從防洪方面考慮水庫可以不進行調(diào)節(jié)[3]。簡言之，迎洪削峰錯峰攔洪、峰后退水騰庫[4]。

洪水的發(fā)生為隨機事件，一般來說發(fā)生中小洪水的次數(shù)較多。汛期，水庫始終預留較大庫容以防御設(shè)計或罕見洪水，導致大量洪水受汛限水位限制被迫下泄，不僅未能充分減輕下游防洪壓力，部分洪水資源也未能得以利用；汛期過后又往往由于降雨偏少，造成水庫難以蓄滿，出現(xiàn)非汛期供水嚴重不足的尷尬局面，水庫防洪調(diào)度與洪水資源利用的矛盾由此凸顯。

經(jīng)分析，若溪洛渡、向家壩梯級水庫汛期水位分別按560 m和370 m汛限水位控制，利用1954～2014年長系列汛期6～9月實測徑流資料計算可知，兩座水庫多年平均棄水量將分別達168.09億m3和330.28億m3，分別占屏山站汛期多年徑流量的19%和37%[5]。

2.2 防洪安全與洪水資源利用的協(xié)調(diào)

水利部相繼印發(fā)《汛限水位監(jiān)督管理規(guī)定》《水工程防洪抗旱調(diào)度運用監(jiān)督檢查辦法》，對依法依規(guī)、科學精細調(diào)度水庫提出了明確要求。江河安瀾是社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，在保障防洪安全的同時，還應(yīng)將水資源利用和生態(tài)環(huán)境保護作為追求的重要目標[6]。

防洪安全與洪水資源利用既有共同點又有差異性。都依靠工程和非工程措施是兩者的共同點，區(qū)別在于目標不一樣，防洪安全以確保人民生命財產(chǎn)安全為根本目標，竭盡全力減輕洪災(zāi)影響，洪水資源利用是把洪水變?yōu)榭衫玫馁Y源，發(fā)揮興利作用。雖有區(qū)別，但兩者在實際運用中又有緊密聯(lián)系，是一種遞進的協(xié)調(diào)關(guān)系，即必須在保證防洪安全的前提下開展洪水資源利用工作，比如科學精細調(diào)度水庫，既是防洪的措施，又是洪水資源利用的措施，先蓄后用，達到防洪與洪水資源的結(jié)合[7]。

為充分利用水資源和發(fā)揮三峽工程綜合效益，經(jīng)科學論證，三峽水庫汛末蓄水時間不斷優(yōu)化，由初設(shè)階段提出的10月1日逐步提前至9月10日。2020年10月28日，三峽水庫水位蓄至175.0 m正常蓄水位，標志著自2010年以來連續(xù)11 a完成175.0 m蓄水任務(wù)，為今冬明春有效發(fā)揮供水、生態(tài)、發(fā)電、航運等綜合效益奠定了良好基礎(chǔ)，也為三峽工程竣工驗收轉(zhuǎn)入正常運行創(chuàng)造了有利條件[8]。

3 洪水資源高效利用的技術(shù)途徑

3.1 實施水庫汛期運行水位動態(tài)控制

理論研究和實踐應(yīng)用可知，固定的汛限水位是洪水資源利用的主要限制因素之一。為提高汛期水資源綜合利用效益，部分水庫實行了分期汛限水位控制，即把汛期分為不同階段，各個階段汛限水位不同，但都是一個固定值。一般情況下，前汛期和后汛期發(fā)生的洪水相對較小，汛限水位適當抬高。但不是每個流域都存在明顯的季節(jié)性變化規(guī)律，比如主汛期的洪水較大，但是在前汛期或后汛期因天氣形勢的變化發(fā)生與主汛期同等大洪水是完全可能的，所以確定水庫的分期汛限水位有其合理性，但也有局限性和使用條件[3]。此外，汛期維持汛限水位運行會帶來因發(fā)電水頭較低造成機組出力受阻嚴重的問題。為此，在確保防洪安全的前提下，實施水庫汛期運行水位動態(tài)控制是科學利用洪水資源，發(fā)揮水庫綜合效益的重要技術(shù)途徑之一。

實施汛期運行水位動態(tài)控制必須具備一定條件，比如：下游河道水位較低、預見期內(nèi)發(fā)生大洪水的可能性不大、水庫有能力預泄至汛限水位或以下且下游防洪壓力不大等?？梢钥闯?，洪水資源的“增量”效益與“潛在”防洪風險并存，加強流域站網(wǎng)水位流量監(jiān)測，提高降雨洪水短期及實時預報精度，是規(guī)避風險的有效措施，實踐證明目前基本已經(jīng)實現(xiàn)。

3.2 開展汛末提前蓄水

考慮到防洪安全，水庫一般在汛末和汛后才開始蓄水，蓄水時間會相對集中在8～10月份，蓄水時間相對集中且總蓄量大，且蓄水期往往成為一年之中用水需求最集中的時期，涉及防洪、生態(tài)、供水、發(fā)電、航運等多重調(diào)度目標。以三峽水庫為例，初步設(shè)計擬定汛后10月1日開始蓄水，蓄水量達221.5億m3，蓄水期間還需滿足下游河道航運要求。長江上游來水和下游供水情況發(fā)生了較大變化，若三峽水庫仍安排汛后10月1日開始蓄水,控制下泄流量8 000 m3/s,庫水位在10月底則蓄不到正常運行水位175.0 m,水庫蓄滿的保證率大大降低[2]。三峽水庫為季調(diào)節(jié)水庫，未蓄至正常蓄水位勢必嚴重影響三峽工程發(fā)揮綜合效益。為此，《三峽水庫優(yōu)化調(diào)度方案》明確了興利蓄水時間不早于9月15日，2015年批復的《三峽(正常運行期)—葛洲壩水利樞紐梯級調(diào)度規(guī)程》(以下簡稱“三峽調(diào)度規(guī)程”)將興利蓄水時間進一步提前至9月10日，2019年批復的三峽調(diào)度規(guī)程修訂版維持了9月10日的起蓄方式。汛末蓄水時間的提前，有效利用了一部分洪水資源，在提高水庫蓄至正常蓄水位保證率的同時，也可以提高蓄水期的下泄流量，減少蓄水對生態(tài)環(huán)境造成的不利影響，緩解水庫蓄水與下游用水之間的矛盾。

后汛期發(fā)生大洪水的可能性依然存在，實施汛末提前蓄水仍需防范水庫自身及下游的防洪風險，以及可能對庫尾泥沙淤積造成的不利影響。三峽調(diào)度規(guī)程明確指出，“在蓄水期間，當預報短期內(nèi)沙市站、城陵磯(蓮花塘)站水位將達到警戒水位，或三峽入庫流量達到35 000 m3/s并預報可能繼續(xù)增加時，水庫暫緩興利蓄水，按防洪要求進行調(diào)度”。在發(fā)揮長江流域控制性水庫群統(tǒng)一調(diào)度制度作用下，監(jiān)測預報技術(shù)的進步、上游水庫群的攔沙作用以及水土保持工作的強化等，為三峽水庫汛末提前蓄水創(chuàng)造了條件[9]。

綜上所述，要改變水庫汛期棄水而汛后又缺水的矛盾局面，需要突破兩個關(guān)鍵難題：①實施水庫汛期運行水位動態(tài)控制，對常遇洪水進行攔蓄，實現(xiàn)防洪效益與興利效益在時間和庫容空間上的轉(zhuǎn)換；②有序協(xié)調(diào)梯次蓄水，充分挖掘水庫預報調(diào)度的潛力，實現(xiàn)水庫安全有效的汛期提前蓄水，提高流域水庫群的整體蓄滿率。同時需要高度警惕一個風險，即汛期利用少量洪水資源，占用部分防洪庫容帶來的防洪風險。長江流域水文站網(wǎng)布設(shè)時間早、控制范圍廣、觀測項目多，氣象水文預報的精度和預見期比較可靠，聯(lián)合調(diào)度管理體制機制比較完善，為有效控制防洪風險提供了技術(shù)支撐和制度保障。

4 三峽水庫洪水資源利用關(guān)鍵因素分析

汛限水位是水庫在汛期允許興利蓄水的上限水位，也是防洪調(diào)度的起調(diào)水位，更是協(xié)調(diào)水庫運行管理中防洪與興利矛盾的關(guān)鍵。在確保水庫及上下游防洪安全的前提下，科學合理運用汛限水位，合理利用水庫防洪與興利的共用庫容，是發(fā)揮水庫綜合效益、緩解水資源防洪與興利矛盾的有效措施。

三峽水庫在汛期(6～9月)因防洪需要,按汛限水位145.0 m運用。三峽電站32臺單機額定容量70萬kW水輪發(fā)電機組引用流量為30 000～31 000 m3/s。汛期入庫流量小于引用流量,全部通過機組下泄,超過引用流量則需動用大壩泄洪深孔泄流。據(jù)宜昌站1954～2014年6～9月水文資料統(tǒng)計(見圖2)，汛期日平均流量Q≥30 000 m3/s的天數(shù)最多一年為75 d,最少有2 a未出現(xiàn)大于30 000 m3/s的流量,多年均值為32 d。進一步統(tǒng)計不同日尺度下的年份數(shù)(見圖3)，當宜昌站日平均流量Q≥30 000 m3/s時，有16 a超過40 d,尚有45 a未超過40 d。三峽水庫在常年汛期將有2/3的天數(shù)由于流量小于30 000 m3/s,機組不能全部運用。但入庫流量大于30 000 m3/s時,為控制壩前水位不超過汛限水位,仍需動用大壩泄洪深孔宣泄,而未能有效利用這部分水資源。

圖2 汛期宜昌站日平均流量大于30 000 m3/s天數(shù)統(tǒng)計Fig.2 Statistics of days of average daily flow over 30 000 m3/s at Yichang Station in flood season from 1954 to 2014

2008年汛期,三峽工程防洪要求控制壩前水位在144.9～146.0 m，實際發(fā)生最大流量41 000 m3/s,防洪調(diào)度運行水位為144.97～145.98 m,壩前水位日最大變幅在0.5 m以內(nèi),不僅未利用一部分洪水資源,也不利于水庫水體交換,在汛期庫內(nèi)部分支流仍發(fā)生了水華現(xiàn)象[2]。2019年汛期，三峽水庫實時調(diào)度要求壩前水位控制在144.90～146.50 m，6月中下旬三峽水庫共出現(xiàn)3次漲水過程(6月16～18日，22～25日及29～30日)，最大入庫流量分別為20 800，31 000，35 000 m3/s。因電網(wǎng)不具備加負荷條件和嚴格控制水位不超汛限要求，三峽水庫分別于6月17日、23～25日2次開閘泄洪，棄水量分別約為1.48億m3和8.67億m3。

圖3 宜昌站1954～2014年日平均流量超過30 000 m3/s的年數(shù)統(tǒng)計Fig.3 Statistics of years of the average daily flow over 30 000 m3/s at Yichang Station in flood season from 1954 to 2014

5 三峽水庫常遇洪水調(diào)度效果分析

近年來，三峽水庫實施汛期運行水位動態(tài)控制，通過常遇洪水的科學調(diào)度，有效減輕了長江中游的防洪壓力，增加了發(fā)電量和改善了航運條件，發(fā)揮了洪水的資源特性。表1列舉了2011年以來三峽水庫應(yīng)對常遇洪水的調(diào)度情況，表2統(tǒng)計了與之對應(yīng)的長江中游干流主要站點水位，圖4給出了各年三峽水庫動態(tài)控制調(diào)度過程。

2011年汛期長江上游來水偏少，6月下旬、7月上旬和8月上旬出現(xiàn)了3次洪峰流量分別為39 000，36 000，38 000 m3/s的洪水過程，都進行了動態(tài)控制調(diào)度，最大出庫流量控制在28 000 m3/s左右，最高調(diào)洪水位分別為149.80，148.47 m和153.84 m。

2013年，三峽水庫對7月發(fā)生的3次洪水進行攔蓄，洪峰流量分別為37 000，40 000，49 000 m3/s，最大出庫流量分別控制在28 900，31 400，35 000 m3/s，最高調(diào)洪水位分別為148.59，151.28，155.94 m。

2014年7月中旬和8月中下旬出現(xiàn)了5次洪水過程，三峽水庫實時動態(tài)控制調(diào)度，最高調(diào)洪水位分別為147.86，151.08，151.39，154.97 m和162.97 m，沙市、城陵磯(蓮花塘)最高水位分別為42.21，32.42 m，分別低于警戒水位0.09，0.08 m，有效緩解了荊江和城陵磯地區(qū)的防洪壓力。

2015年7月上旬和8月下旬出現(xiàn)了2次洪峰流量分別為39 000 m3/s和36 000 m3/s的洪水過程，通過動態(tài)控制調(diào)度，最大出庫流量控制分別在317 000 m3/s和19 000 m3/s左右，最高庫水位分別為146.56 m和153.11 m。

2019年，三峽水庫分別對7月下旬和8月上旬出現(xiàn)的兩次洪水過程進行攔蓄，洪峰流量分別為42 500和45 000 m3/s，最大出庫流量控制分別在31 000 m3/s和32 000 m3/s左右，最高庫水位分別為145.66 m和149.17 m，為避免湖口地區(qū)長時間超警創(chuàng)造了條件。

表1 近年來三峽水庫常遇洪水調(diào)度指標Tab.1 Flood dispatching index of ordinary flood in Three Gorges Reservoir in recent years

表2 常遇洪水調(diào)度時長江中游干流主要站點水位Tab.2 Water levels of main stations in the middle reaches of the Changjiang River during the flood dispatching

圖4 近年來三峽水庫動態(tài)控制調(diào)度過程Fig.4 Dynamic control operation process of the Three Gorges Reservoir in recent years

6 大洪水風險規(guī)避措施

隨著數(shù)值預報技術(shù)的發(fā)展，降水預報的精度和預見期得到有效提高及延長，中期及延伸期降水預報在洪水預報方面的應(yīng)用越來越廣泛和重要。長江流域中期及延伸期降水預報在參考歐洲中心(ECMWF)、美國NCEP及CFS、日本、德國及中國GRAPES的基礎(chǔ)上，結(jié)合ECMWF和CFS的環(huán)流形勢預報，預報員綜合分析后給出預報結(jié)論。

長江流域中期降水預報著重降水過程的有無及整體強度，延伸期降水預報著重過程的有無。對長江上游2008～2018年防汛中期降水過程進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，128次樣本中僅有1次未預報，現(xiàn)有的降水預報已經(jīng)基本可以預測出即將出現(xiàn)的降水過程。再針對2016～2020年典型致災(zāi)降水過程，統(tǒng)計中期及延伸期預報效果(見表3)。由統(tǒng)計結(jié)果可以看出，對于近5 a典型致災(zāi)降水過程，中期均能提前4～7 d、延伸期均能提前8～15 d給出降水過程有無的預報，對降水過程強度預報的把握有偏差，整體上偏弱，但是預報的降水強度無中雨及以下強度，大多都是中到大雨或者大雨、局地暴雨，這與預報員的心理因素有一定的關(guān)系，由于預見期較長，對強降水過程的預報更傾向于中到大雨這個利于不斷滾動調(diào)整的強度，避免忽大忽小預報的出現(xiàn)。當延伸期不斷地預報有降水過程，中期預報又不斷有中雨及以上強度的降水時，可有效預警可能出現(xiàn)的大洪水。

表3 近5 a典型致災(zāi)降水過程Tab.3 Typical disaster-causing precipitation process in recent five years

7 建 議

當前我國水旱災(zāi)害頻發(fā)的老問題依然存在，但同時水資源短缺、水生態(tài)損害、水環(huán)境污染等新問題更加突出。在確保防洪安全的根本前提下，適度利用洪水資源是解決“一老三新”水問題技術(shù)體系的重要組成。洪水具有災(zāi)害性和資源性，防洪調(diào)度側(cè)重于消除洪水的災(zāi)害性，在發(fā)揮洪水資源性方面的實踐還有限。洪水資源的高效利用與防洪風險密不可分，但兩者之間不匹配、不平衡的現(xiàn)象依然存在，強化洪水風險認知，開展精細化研究是關(guān)鍵。

為此，建議在小概率防洪風險研究應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上，進一步扎實推進降雨洪水預報、洪水地區(qū)組成和洪水特性分析等基礎(chǔ)工作，構(gòu)建面向“時(汛前期、主汛期、后汛期)-空(庫容空間、梯級空間、區(qū)域空間)-量(常與洪水、標準洪水、超標洪水)”的多級防洪調(diào)度體系，緊緊抓住水位控制這個關(guān)鍵，提出相應(yīng)的調(diào)度方式，有效協(xié)調(diào)防洪與興利、風險與效益的關(guān)系，充分發(fā)揮水庫綜合利用效益。

說 明

本文2020年水文要素的統(tǒng)計分析源自報汛數(shù)據(jù)。