丹江口水庫汛末提前蓄水策略探討

霍軍軍，許繼軍，張莉莉

（長江科學(xué)院水資源綜合利用研究所，武漢 430010）

丹江口水庫汛末提前蓄水策略探討

霍軍軍，許繼軍，張莉莉

（長江科學(xué)院水資源綜合利用研究所，武漢 430010）

丹江口水庫是南水北調(diào)中線工程的重要水源地，按原設(shè)計蓄水方案水庫汛末蓄滿率較低。在分析丹江口水庫汛期最后一場洪水出現(xiàn)時間分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出將水庫的蓄水時機從10月上旬提前至9月下旬。并通過防洪穩(wěn)妥性分析得出，該方案能夠保證原設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)。同時根據(jù)實際入庫流量數(shù)據(jù)對水庫不同運行方式下的興利效益進行了比較，結(jié)果表明汛末提前蓄水方案能明顯提高水庫興利效益。

丹江口水庫；提前蓄水；洪水資源利用

1 概 述

丹江口水庫位于漢江與支流丹江匯合口下的丹江口市，是一座以防洪為主，兼顧發(fā)電、灌溉、航運、養(yǎng)殖等綜合利用效益的大型水利工程，是治理開發(fā)漢水的關(guān)鍵工程，也是南水北調(diào)中線工程的水源地。水庫控制流域面積9.5萬km2，占漢江流域總面積的60%；壩址處多年平均來水量387.8億m3，主要集中在汛期5－9月份，約占全年66.1%。丹江口水庫初期規(guī)模正常蓄水位157 m，總庫容174.5億m3，隨著南水北調(diào)中線工程建設(shè)的進行，丹江口水庫大壩將在其初建基礎(chǔ)上增高，設(shè)計蓄水水位將由157 m提高到170 m，相應(yīng)庫容也將增加116億m3達到290.5億m3。

近年來，一方面水庫上游來水減少明顯［1］，另一方面由于城鎮(zhèn)用水與農(nóng)業(yè)灌溉用水的加大，尤其是南水北調(diào)中線工程建成運行后，按規(guī)劃每年需向北方供水約90億～130億m3（約占多年平均入庫徑流量的1／4）［2］，供水壓力驟然加大。而隨著水庫大壩的加高，庫容系數(shù)將達到0.77，水庫按設(shè)計要求每年10月1日放棄汛限控制水位開始蓄水的運行方式，能夠蓄滿的機率將更低。因此，在水庫運行中選擇合適的汛末蓄水時機將汛末最后一次洪峰過后的后續(xù)洪水留存至水庫中，以提高水庫的蓄滿保證率及供水、灌溉、發(fā)電等保證程度，是十分必要的。

目前國內(nèi)在汛末提前蓄水方面的研究主要集中在三峽水庫上。李義天等分別比較了三峽水庫汛末推遲蓄水方案和提前蓄水方案對三峽工程防洪、發(fā)電及航運的影響，對汛末提前的效益進行了分析［3］；劉心愿等建立了多目標(biāo)蓄水調(diào)度模型，結(jié)果表明提前蓄水的最優(yōu)方案在滿足上下游防洪安全要求的前提下，蓄水期可增發(fā)電量17%，減少棄水44%，蓄滿率和通航保證率顯著提高［4］。

本文通過分析丹江口水庫運行多年來汛末洪水時間的分布規(guī)律，在保證防洪安全的前提下探討汛末提前蓄水方案，以在汛末截蓄更多的洪水，提高水庫的蓄滿率及汛后對南水北調(diào)中線工程的供水保證程度，充分發(fā)揮水庫的供水、發(fā)電等興利效益。

2 水庫汛末蓄水存在的問題

丹江口水庫自1973年建成運行以來，防洪與興利矛盾一直十分突出。汛期為了下游防洪保護區(qū)的安全，須預(yù)留較大的防洪庫容，造成棄水較多，平均每年棄水70億～80億m3［5］，汛后水庫又很難蓄滿。丹江口水庫按大壩加高前的設(shè)計要求，每年從10月1日放棄汛限水位開始蓄水，但能蓄到正常蓄水位157.0 m的機率只有23%左右［6］。大壩加高后，按設(shè)計要求正常蓄水位從157.0 m提高到170.0 m，相應(yīng)的秋季汛限水位由152.5 m提高到163.5 m，但汛末蓄水時間仍然限定在10月1日。大壩加高前從汛限水位152.5 m蓄水到157.0 m，需蓄水31.30億m3；大壩加高后從163.5 m蓄水到170 m，需蓄水67.95億m3，是大壩加高前的2倍多。

丹江口水庫1991－2008年間汛末來水情況如圖1所示。這期間10月上旬多年平均來水量為16.47億m3，只相當(dāng)于加高前汛末水庫蓄滿所需水量的1／2，加高后水庫蓄滿水量的1／4；即使加上10月份中旬，多年平均來水量也只有25.86億m3，接近加高前汛末水庫蓄滿所需水量而不到大壩加高后所需水量的1／2。按年份進行統(tǒng)計，大壩加高前若按設(shè)計要求從10月1日開始蓄水，庫水位達到或接近正常蓄水位157 m的機率只有27.8%；大壩加高后庫水位達到或接近正常蓄水位170 m的機率只有11.1%。汛末水庫蓄不滿水的情形嚴(yán)重影響了水庫在枯水季節(jié)的效率發(fā)揮，尤其是在丹江口水庫大壩加高工程完成后，如果繼續(xù)維持從10月1日開始的蓄水時間，則很難保證丹江口水庫汛末蓄滿率。

圖1 丹江口水庫1991－2008年期間的汛末來水情況Fig.1 Inflow of Danjiangkou Reservoir at the end of flood season from 1991 to 2008

隨著漢江流域水資源開發(fā)利用程度的不斷提高，以及南水北調(diào)中線干渠的即將運作，丹江口水庫不僅要保證流域內(nèi)的供水灌溉和發(fā)電效益，還要保證枯季向北方地區(qū)供水的安全，對水資源的供給要求會更高，而另一方面大壩加高后水庫汛末蓄不滿的概率將更大。因此，在水庫運行中，依據(jù)汛末最后一場洪水的發(fā)生規(guī)律選擇合適時機提前蓄水具有十分迫切的現(xiàn)實需求。這樣待汛末最后一場洪水的洪峰過后，將其后繼洪水截留在水庫中，既可以為供水期多蓄水，又不會危及防洪安全。

3 水庫汛末提前蓄水方案研究

丹江口水庫的集水區(qū)域位于我國南北氣候過渡地帶，汛期降雨量大且集中，但結(jié)束時間極不穩(wěn)定。5－10月汛期的降雨量約占全年的75%～85%，7－10月的入庫徑流占全年的65%左右；但從汛末最后一場洪水出現(xiàn)的時間看，有的年份整個汛期沒有洪水出現(xiàn)，有的年份在11月尚有較大洪水發(fā)生。本文對丹江口水庫汛期最后一場洪水出現(xiàn)時間的分布規(guī)律進行分析，并在此基礎(chǔ)上探討汛末提前蓄水的時機。

3.1 汛末洪水出現(xiàn)規(guī)律分析

按照丹江口水庫的設(shè)計防洪要求，當(dāng)水庫的入庫洪水洪峰超過10 000 m3／s時，若不進行調(diào)蓄，則下游可能會產(chǎn)生洪水災(zāi)害。另一方面，汛末洪水的洪峰若大于5 000 m3／s，則對水庫蓄水較為有利。表1分別列出了1929－2008年（缺1987－1990年）共76 a洪水的時間分布情況及各年最后一場洪水的時間分布，從表1中可以看出水庫汛末洪水分布有以下幾個特點：

（1）丹江口水庫汛期主要結(jié)束于9月下旬到l0月上旬。統(tǒng)計的76 a間，汛期最后一場洪水有30 a發(fā)生在這兩旬，占39.4%，接近于9月21日以前出現(xiàn)最后一場洪水的頻率44.7%；并且在9月下旬到10月上旬這兩旬中，共有25 a的本年最后一場洪水結(jié)束于9月21日至10月5日的半個月中，占32.9%。尤其對于9月26日至10月5日的10 d中，共有20 a出現(xiàn)本年最后一場洪水，占26.3%；同時，76 a來發(fā)生在這10 d內(nèi)17場洪峰大于10 000 m3／s的洪水中，共有14場是本年度最后一場洪水。

表1 丹江口水庫入庫洪水及每年最后一場洪水情況統(tǒng)計（1929－1986年，1991－2008年）Table 1 Statistics of inflow flood and distribution of the last annual flood at Danjiangkou Reservoir（1929－1986，1991－2008）

（2）9月20日以后發(fā)生洪峰超過10 000 m3／s洪水的頻率為24.8%。再者，9月下旬發(fā)生這一量級洪水的頻率8.3%，低于10月上旬發(fā)生這一量級洪水的頻率11.3%。

（3）在秋汛期5旬（8月下旬至10月上旬）中，按旬統(tǒng)計，各旬發(fā)生洪水的次數(shù)大致接近，即對中小洪水而言，洪水在各旬出現(xiàn)的可能性也相差不大。

1832－2008年間9－10月較大歷史洪水和實測洪水的發(fā)生情況統(tǒng)計如圖2所示。可以看出，歷年來9月中旬出現(xiàn)較大洪水的可能性最大；此外，10月1－6日也可能出現(xiàn)較大洪水；但是9月下旬尚未出現(xiàn)過較大洪水。

圖2 丹江口水庫秋汛期較大洪水發(fā)生時間統(tǒng)計（1832－2008年）Fig.2 Statistics ofmajor autumn flood at Danjiangkou Reservoir（1832－2008）

3.2 汛末提前蓄水時機選擇

從2.1節(jié)汛末洪水分布規(guī)律來看，丹江口水庫汛期結(jié)束于9月21日至10月6日的機率較大，對于洪峰大于5 000 m3／s的洪水而言，統(tǒng)計的76 a中共有43 a在10月以前就已結(jié)束。按設(shè)計規(guī)定，從10月1日起放棄汛限水位開始蓄水，則大多數(shù)年份已錯過蓄水的大好時機。另外，9月21日前只有34.2%的年份（共26 a）汛期已經(jīng)結(jié)束，即從9月下旬開始蓄水對水庫興利比較有利。從較大洪水（＞10 000 m3／s）發(fā)生規(guī)律來看，9月下旬與10月上旬基本相同，且9月下旬出現(xiàn)大于20 000 m3／s的洪水概率要小于10月上旬出現(xiàn)的概率，故從9月下旬開始蓄水并不比10月上旬開始蓄水所承擔(dān)的洪水風(fēng)險要高。

因此，綜合有利汛末蓄水與不增加防洪風(fēng)險這兩方面的因素分析，丹江口水庫比較合適的蓄水時機是從9月下旬放棄汛限水位開始蓄水。

4 汛末提前蓄水的防洪穩(wěn)妥性和興利效益分析

4.1 汛末提前蓄水的防洪穩(wěn)妥性分析

丹江口水庫的首要任務(wù)是防洪，當(dāng)發(fā)生1935年大洪水（相當(dāng)于百年一遇）時，經(jīng)水庫調(diào)蓄后，防洪控制點碾盤山的流量可由天然情況下的45 000 m3／s降到27 000～30 000 m3／s，再配合漢江中游防洪工程（民垸和杜家臺分洪區(qū)）分洪24億m3，新城流量控制在18 400～19 000 m3／s，使該處水位不超過44.2 m，確保中下游防洪安全。遇20年一遇洪水時，丹江口水庫充分發(fā)揮防洪削峰作用，民垸和杜家臺不需要分洪，下游河道可安全下泄。

從現(xiàn)有資料的分析看，9月下旬及其后發(fā)生百年一遇洪水的概率比9月下旬之前要小些，但并沒有證據(jù)排除發(fā)生百年一遇的洪水的可能性。因此，從9月下旬放棄汛限水位提前蓄水的防洪穩(wěn)妥性主要以萬年一遇洪水不危及大壩安全、百年一遇洪水不影響下游防洪保護區(qū)安全為前提。在此前提下，水庫汛末提前蓄水的防洪穩(wěn)妥性主要考慮以下2個方面：①漢江中下游河道安全泄量，10～20年一遇秋季洪水時，碾盤山控制過流16 000 m3／s；1964年秋季洪水時，碾盤山控制過流21 000 m3／s；②移民安置規(guī)定，在發(fā)生20年一遇的洪水時，水庫水位不超過170 m；在發(fā)生1935年型洪水時，庫水位不超過172 m，以減少庫區(qū)淹沒損失。

在進行丹江口水庫調(diào)洪計算時，丹江口水庫洪水與丹碾?yún)^(qū)間洪水，取同頻率組合方式。洪水調(diào)度方式仍遵循初期規(guī)模時所確定的原則［7］：①補償調(diào)節(jié)方式，即水庫泄放流量時，考慮區(qū)間洪水短期預(yù)報確定泄放流量，以達到控制碾盤山河段流量不超允許泄量；②降雨徑流預(yù)報期為1 d，預(yù)報精度取用低值（丹江口水庫夏、秋季的預(yù)報期分別為12，24 h，預(yù)報精度為0.7～0.8，丹－碾?yún)^(qū)間的預(yù)報期為24 h，預(yù)報精度為0.8）以留有余地。

根據(jù)以上規(guī)則采用1964年秋季洪水典型，按提前一天根據(jù)預(yù)報預(yù)泄進行調(diào)算。調(diào)洪計算結(jié)果表明，起調(diào)水位164.3 m時，水庫最高水位171.38 m，水庫最大下泄流量18 700 m3／s，碾盤山最大流量20 500 m3／s［8］。此起調(diào)水位下，丹江口水庫的原防洪規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足，即9月下旬控制水位不超過164.3 m的水位控制方案不降低設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)。因此，9月下旬提前蓄水時，保證下旬的控制水位不超過164.3 m，可保證設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)，不增加防洪風(fēng)險，汛末提前蓄水的防洪穩(wěn)妥性能夠得到保障。

4.2 汛末提前蓄水的效益分析

丹江口水庫原設(shè)計規(guī)定的秋季汛限水位為163.5 m，按汛末提前蓄水方案蓄水時，根據(jù)本文4.1分析結(jié)果，提前蓄水期的控制高水位取164.3 m，開始蓄水的日期提前至9月下旬。計算提前蓄水方案的興利效益時，按防洪、南水北調(diào)中線工程供水與發(fā)電用水的次序，其中南水北調(diào)供水量按丹江口水庫加高后的調(diào)度規(guī)則進行，發(fā)電用水兼顧下游河道用水需要取490 m3／s［5］。根據(jù)1982－2008年（缺1985－1990年）丹江口水庫入庫水量數(shù)據(jù)，從每年6月21日至10月10日進行模擬調(diào)度運行，計算的起始水位取夏季汛限水位160 m，模擬調(diào)度運行計算結(jié)果如表2所示。

表2 丹江口水庫汛末提前蓄水方案效益比較結(jié)果（6.21至10.10）Table 2 Result of benefit comparison between impoundment in advance and the original scheme for Danjiangkou Reservoir（from June 21 to October 10）

表2中可以看出，丹江口水庫大壩加高后1982－2008年（缺1985－1990年）年間汛期結(jié)束時考慮發(fā)電（下游供水）與南水北調(diào)供水的情況下，汛末很難蓄滿。根據(jù)計算時段的入庫水量數(shù)據(jù)，在不增加防洪風(fēng)險的前提下汛末提前10 d蓄水，水庫汛末年均蓄水量增加3.30億m3，南水北調(diào)年均供水增加0.37億m3，減少無效棄水2.55億m3，水庫興利效益提高顯著。

5 結(jié) 論

在水庫調(diào)度實踐中，根據(jù)現(xiàn)有的預(yù)報和調(diào)度水平，在保證防洪安全或適度承擔(dān)防洪風(fēng)險的前提下，通過謹(jǐn)慎評估研究制定汛末提前蓄水方案，充分挖掘水庫的興利潛力，是目前提高水庫興利的主要非工程措施之一。丹江口水庫是南水北調(diào)中線工程的重要水源地，按設(shè)計要求從10月1日開始蓄水的情況下，大壩加高前庫水位達到或接近正常蓄水位157 m的機率只有27.8%，大壩加高后庫水位達到或接近正常蓄水位170 m的機率則只有11.1%。因此，在水庫運行過程中選擇合適時機提前蓄水對于發(fā)揮水庫興利效益具有重要的意義。本文在分析丹江口水庫汛期最后一場洪水出現(xiàn)時間分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，認為水庫比較合適的提前蓄水時機是從9月下旬開始放棄汛限水位蓄水。通過防洪演算及防洪穩(wěn)妥性分析，該方案能夠保證原設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)21 a實際入庫流量序列對水庫不同運行方式下的興利效益進行了比較，結(jié)果表明：汛末提前蓄水方案下，水庫汛末年均蓄水量增加3.30億m3；南水北調(diào)年均供水增加0.37億m3；減少無效棄水2.55億m3。

［1］ 徐元順.近75年丹江口水庫入庫流量時間變化特征與氣候成因［J］.湖北氣象，2005，（4）：21－23.（XU Yuan-shun.Characteristics and Climate Causes of the Time of Inflow in Danjiangkou Reservoir During the Last 75 Years［J］.Meteorology Journal of Hubei，2005，（4）：21－23.（in Chinese））

［2］ 水利部長江水利委員會.南水北調(diào)中線工程規(guī)劃［R］.武漢：長江水利委員會，2001.（Changjiang Water Resources Commission.Planning of South-to-North Water Diversion Project［R］.Wuhan：Changjiang Water Resources Commission，2001.（in Chinese））

［3］ 李義天，彭 楊，謝葆玲，等.三峽水庫汛末蓄水方案比較［J］.水電能源科學(xué)，2002，（3）：9－11.（LI Yitian，PENG Yang，XIE Bao-ling，et al.Study on Impounding Scheme of Three Gorges Project（TGP）in Flood Recession Period［J］.Hydroelectric Energy，2002，（3）：9－11.（in Chinese））

［4］ 劉心愿，郭生練，劉 攀，等.考慮綜合利用要求的三峽水庫提前蓄水方案［J］.水科學(xué)進展，2009，（11）：851－856.（LIU Xin-yuan，GUO Sheng-lian，LIU Pan，et al.Scheme of Impounding in Advance for the Three Gorges Reservoir by Considering the Comprehensive Utilization Benefits［J］.Advances in Water Science，2009，（11）：851－856.（in Chinese））

［5］ 張莉莉，許繼軍，霍軍軍.丹江口水庫汛限水位分期控制初步探討［J］.長江科學(xué)院院報，2009，（3）：13－16.（ZHANG Li-li，XU Ji-jun，HUO Jun-jun.Study on Stage Flood ControlWater Level of Danjiangkou Reservoir［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，（3）：13－16.（in Chinese））

［6］ 胡振鵬，馮尚友，余敷秋.丹江口水庫汛末水位控制策略［J］.水利水電技術(shù)，1991，（11）：1－7.（HU Zhen-peng，F(xiàn)ENG Shang-you，YU Fu-qiu.Strategy of Flood ControlWater Level for Danjiangkou Reservoir［J］.Water Resources and Hydropower Engineering，1991，（11）：1－7.（in Chinese））

［7］ 長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院.丹江口水利樞紐大壩加高工程項目建議書［R］.武漢：長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，2002.（Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research.Proposal of Danjiangkou Dam Heightening Project［R］.Wuhan：Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，2002.（in Chinese））

［8］ 劉子惠，吳澤宇.改善丹江口水庫防洪限制線探討［J］.人民長江，2001，32（9）：18－20.（LIU Zi-hui，WU Ze-yu.Study on Improving Flood Control Limit Line of Danjiangkou Reservoir［J］.Yangtze River，2001，32（9）：18－20.（in Chinese） ）

（編輯：趙衛(wèi)兵）

Im poundment in Advance at the End of Flood Season for Danjiangkou Reservoir

HUO Jun-jun，XU Ji-jun，ZHANG Li-li
（Water Resources Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

An importantwater source of South-to-North Water Diversion Project，Danjiangkou Reservoir is less frequently impounded to full capacity at the end of flood season because of the increasing water use in Hanjiang River Basin.Based on the regularity in the occurrence time of the last flood each year in Danjiangkou Reservoir，a scheme of reservoir impoundment in late September instead of early October is proposed.Flood control safety analysis suggests that the new scheme couldmaintain the original flood control standard without increasing any flood risk.Moreover，the new scheme is proved to bemore economically beneficial than the original one through comparisons on the basis of the actual inflow data of Danjiangkou Reservoir.

Danjiangkou Reservoir；impoundment in advance；flood resources utilization

TV697.1

A

1001－5485（2011）12－0068－04

2010-11-10

國家軟科學(xué)研究計劃（2008GXS5B085）；水利部公益性行業(yè)科研專項（201001005）；中央級公益性科研院所基金項目（YWF0901）

霍軍軍（1981-），男，湖北鐘祥人，工程師，主要從事水文水資源研究，（電話）027-82926423（電子信箱）huojj＠m(xù)ail.crsri.cn。