三峽水庫汛限水位動態控制可行性研究

李 響，郭生練，趙云發，胡曉勇

（1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；2.三峽水利樞紐梯級調度通信中心，湖北 宜昌 443133）

1 三峽水庫概況

三峽水利樞紐位于湖北省宜昌市三斗坪鎮，壩址控制流域面積100萬 km2。三峽水庫屬河道型水庫，長570～650 km，水面平均寬僅為1.1 km。其壩址（宜昌站）多年 （1882年～2009年）平均流量為14 100 m3/s，平均年徑流量為4 460億 m3，庫容系數不足4%，具有季調節性能 （詳見表1）。

表1 三峽水庫主要特征指標

三峽水庫以防洪、抗旱、發電、航運為主要功能，其中發電、航運服從于防洪安全。其正常運行期汛期 （6月1日～9月30日）的設計運用方式是：6月初降至枯水期消落水位155 m，至6月10日水位降低到汛限水位145 m，此后保持該水位運行至9月底，僅當長江中下游防洪需要時，水庫按防洪調度方案攔蓄洪水，庫水位抬高，洪峰過后，庫水位仍降至汛限水位運行[1]。

三峽工程于2003年6月1日開始蓄水，6月10日蓄水至135 m，進入圍堰發電期；2006年10月27日，蓄水至156 m，進入初期運行期；2008年，三峽電站26臺機組全部投入運行，汛后進行了175 m試驗性蓄水，最高蓄水位至172.8 m；2009年9月，三峽樞紐三期工程通過驗收，除升船機外，初步設計中的各項目已全部完成，汛末從9月15日開始試驗性蓄水，最高蓄水位至171.43 m。

2002年，國家防汛抗旱總指揮部辦公室組織有關高校和科研院所，對水庫汛限水位動態控制理論和技術問題進行了專題研究，并已在全國組織兩批水庫進行應用試點，取得了較好效果。根據國家防汛抗旱總指揮部關于開展水庫汛限水位動態控制試點工作的意見 （國汛 [2005]7號），分析認為：三峽水庫具備實施汛限水位動態控制的條件。

2 水文氣象預報成果精度分析

2.1 入庫洪水預報精度分析

一般認為，三峽入庫流量由三部分組成，即上游干流寸灘站入流、烏江武隆站入流以及三峽區間產流 （寸灘、武隆至宜昌段，匯流面積55 907 km2）。三峽水利樞紐蓄水后，河道水力學特性和洪水特性都發生了較大改變，三峽區間預報進行了細化分區，重新率定了模型參數，同時研究了新的預報方法和手段，建立了長江專家交互式洪水預報系統[5,6]。

采用三峽水庫2003年～2009年汛期1 d、2 d、3 d預報 （每日8時預報）和實際入庫流量資料，根據SL 250—2000《水文預報情報規范》，分析研究三峽水庫汛期入庫流量預報精度。

由表2可知，三峽水庫1 d、2 d、3 d入庫流量預報絕對誤差 （AE）最大分別為12 700、144 000、16 900 m3/s，平均值分別為687、1 179、1 763 m3/s；1 d、2 d、3 d預報相對誤差合格率 （QR）分別為98.59%、96.48%、92.11%，達到國家水情預報規范的甲級標準；1 d、2 d預報成果的確定性系數（DC）分別為97.56%、94.12%，達到甲級標準，3 d預報成果的確定性系數為88.52%，達到乙級標準。實際入庫流量大于55 000 m3/s的1 d、2 d、3 d預報合格率均是100%，實際入庫流量小于35 000 m3/s的預報合格率均大于93%。這些說明：三峽水庫大量級和小量級入庫流量預報較準確，有利于實施汛限水位動態控制，有利于充分利用中小洪水資源。

旬平均相對誤差 （MRE）統計如表3所示，1 d預見期旬平均相對誤差均小于5%，7月中旬以后均小于3%，各旬預報誤差合格率均大于95%，預報精度很高；2 d預見期旬平均相對誤差均在8%以內，7月中旬以后均小于6%；各旬合格率均達到甲級標準，除6月上旬外，均大于95%；除6月上旬，3 d預見期旬平均預報誤差均小于10%，7月中旬以后均小于7%，預報誤差合格率均達到甲級標準，7月中旬以后均大于90%。表3顯示，整個汛期三峽水庫入庫流量預報精度都較高，尤其是7月中旬后。

表2 三峽水庫2003年～2009年汛期入庫流量預報精度統計

表4表明，三峽水庫洪峰流量和峰現時間預報都較準確，預見期大部分達到了2 d以上；2007年7月28、29日，三峽區間 （重慶—宜昌）連降暴雨，7月30日8時較29日8時入庫流量增幅達17 700 m3/s，入庫流量和峰現時間預報精度相對較差。

表3 三峽水庫2003年～2009年汛期入庫流量旬平均預報誤差統計 %

表4 三峽水庫2003年～2010年最大入庫洪峰預報誤差統計

以上統計分析表明，三峽水庫入庫洪水1 d、2 d、3 d預報，無論從整體和各量級洪水預報，還是洪峰預報，精度都較高，洪水預報信息可以應用于防洪預報調度和汛限水位動態控制，提供決策支持。

3.2 降雨預報精度分析

三峽區間流域 （上段重慶—萬縣，下段萬縣—宜昌）短期降水預報內容為流域未來12 h、24 h、24～48 h的面平均雨量上下限及相關天氣形勢分析，本文采用預報面雨量上下限的平均值作為流域 （重慶—萬縣、萬縣—宜昌）平均面雨量。取2003年～2009年每年4月1日至10月31日 （部分日期無記錄）未來24 h、24～48 h降雨預報資料為樣本，統計分析降雨預報的準確率、空報率、漏報率等特征指標值[7]：

降雨預報確率

漏報率

空報率

式中，n為預報次數，m為實際值落于預報等級區域內的次數，u是發布預報漏報 （實際降雨大于預報等級域值上限）的次數。

由以上各式計算的 三峽區間流域未來降雨預報精度分析見表5，6。

由表5、6可知，四級降雨預報對應的三峽區間流域實際日降雨量分布屬于偏態型，以確率為中心，空報率大于漏報率。三峽區間流域未來24 h、24-48 h無雨和小雨預報信息可以用于三峽水庫汛期實時調度中，中雨預報信息可以為防洪調度決策提供參考依據。

3 來沙特性分析

三峽水庫采用 “蓄清排渾”的調度原則，減少水庫泥沙淤積。采用1961年～1970年 （初設采用）和1993年～2009年水沙系列，分析三峽工程1993年初開工以來上游水沙條件變化情況。

表5 三峽區間流域未來24 h降雨預報精度分析

長江干流朱沱的水沙特征值，與1961年～1970年系列平均值比較，1993年～2002年系列年均徑流量偏小3.93%，年均輸沙量偏小9.81%，汛期平均徑流量偏小3.55%，汛期平均輸沙量偏小6.71%；2003年～2009系列年均徑流量偏小8.66%，年均輸沙量偏小44.32%，汛期平均徑流量偏小12.36%，汛期平均輸沙量偏小43.4%。

長江支流嘉陵江北碚、烏江武隆的水沙特征值，與1961年～1970年系列平均值比較，1993年～2002年系列年均徑流量偏小30.5%、偏大6.5%，年均輸沙量偏小81.93%、30.03%，汛期平均徑流量偏小28.3%、20.01%，而汛期平均輸沙量偏小80.25%、25.45%；2003年～2009系列年均徑流量偏小19.02%、15.79%，輸沙量偏小86.84%、76.07%；汛期平均徑流量偏小15.92%、19.27%，而輸沙量偏小85.98%、77.31%。

表6 三峽區間流域未來24～48 h降雨預報精度分析

與初設階段1961年～1970年系列比較，三峽工程開工以來的入庫水量相差不大，但上游干支流年均來沙量偏少很多，1993年～2002年系列偏少9.81%～81.93%，2003年～2009年系列偏少44.32%～86.84%。

截至2008年底，長江上中游水土保持重點防治工程累計完成水土流失治理面積9.6萬km2，水土流失面積逐步減少。隨著 “長治”工程的深入實施和上游干支流水庫群的建設，三峽水庫來沙量將進一步減少。上游來沙量的減少，有利于三峽水庫汛期實施汛限水位實時動態控制。

4 結語

水庫汛限水位動態控制充分利用水文氣象預報和實時工況等信息，在不降低水庫防洪標準的前提下，實現洪水資源利用。三峽水庫水文氣象預報精度較高，能夠為汛限水位動態控制提供準確預報信息；長江上中游水土保持重點防治工程取得的重大進展和上游水庫群的開發建設，使得水庫來沙量較設計論證階段大幅減少，為實施汛限水位動態控制提供了有利條件。研究和實施三峽水庫汛限水位動態控制，不僅能夠充分發揮其綜合利用效益，而且對其他水庫具有借鑒意義，提升整體水庫調度管理水平。同時，三峽水庫實施汛限水位實時動態控制，需進一步研究提高入庫流量尤其是三峽區間洪水預報精度和延長預見期，深入研究考慮綜合利用要求的汛限水位動態控制域和實時控制模型，以及洪水預報誤差帶來的風險和應對措施。

［1］長江水利委員會.三峽工程綜合利用與水庫調度研究［M］.武漢：湖北科學技術出版社，1997.

［2］鄭守仁.三峽工程優化調度與洪水資源利用問題的思考 ［J］.武漢大學學報：工學版，2009，42（5）:545-549，564.

［3］戴會超，董前進，曹廣晶.三峽-葛洲壩梯級水利樞紐調度技術集成研究的現狀與展望 ［J］.四川大學學報：工程科學版， 2009，41（4）:1-7.

［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］.水科學進展， 2009， 20（6）:851-856.

［5］李玉榮，閔要武，鄒紅梅.三峽工程蓄水水文特性變化淺析［J］.水文， 2009， 29（4）:37-39.

［6］曹廣晶，蔡治國.三峽水利樞紐綜合調度管理研究與實踐［J］.人民長江， 2008， 39（2）:1-4.

［7］王本德，周惠成.水庫汛限水位動態控制理論與方法及其應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.