長江上游流域降水預報在三峽水庫調度中的應用

■ 徐衛立 阮燕云 張俊

準確的降水預報，有利于延長洪水流量預報預見期、提高洪峰流量預報精度，進而根據水雨情信息，制定三峽水庫調度策略。

三峽工程位于長江三峽西陵峽河段，工程建成后形成的水庫，正常蓄水位高程175 m，設計預留的防洪庫容為221.5億 m3，為季調節水庫。三峽工程控制長江流域面積達100萬 km2，大部屬亞熱帶季風氣候，降水豐沛，年降水量和暴雨時空分布不均勻，洪澇災害頻發。如2010年7月渠江暴雨、2014年9月華西秋雨、2016年6月30日三峽區間暴雨，均對三峽水庫調度產生了重大影響。為應對長江上游流域降水對三峽水庫調度的影響，充分發揮三峽工程防洪、發電、航運、供水等綜合效益，長江流域氣象中心、長江水利委員會水文局、三峽水利樞紐梯級調度通信中心等單位均開展了長江流域降水預報業務。作為水庫調度工作的重要一環，準確的氣象預報可以提高流量預報精度、延長洪水預見期，在三峽水庫防洪、發電、生態調度試驗以及水庫調度關鍵期水位控制中都起到了重要的作用。

1 三峽水庫洪水調度

長江屬于雨洪型河流，流域內暴雨多發，洪澇災害頻繁，且部分河段受暴雨和地形影響，洪水過程具有匯流快、洪峰高、水量大的特點。準確的降水預報，有利于延長洪水流量預報預見期、提高洪峰流量預報精度，進而根據水雨情信息，制定三峽水庫調度策略，開展防洪調度或中小洪水優化調度，充分發揮三峽工程的綜合效益。

1.1 防洪調度

三峽水庫防洪庫容的設計（圖1），支持水庫調度的主要任務是在保證三峽水利樞紐大壩安全和葛洲壩水利樞紐度汛安全的前提下，對長江上游洪水進行調控，使荊江河段防洪標準達到100年一遇，遇100年一遇以上至1000年一遇洪水，包括1870年大洪水時，控制枝城站流量不大于80000 m3/s，配合蓄滯洪區運用，保證荊江河段行洪安全，避免兩岸干堤潰決。當發生較大洪水時，三峽水庫的防洪作用主要體現在兩個方面，一是對荊江河段進行防洪補償，二是兼顧對城陵磯地區進行防洪補償。

圖1 三峽水庫防洪庫容劃分示意圖

1.1.1 荊江河段防洪補償調度

三峽水庫對荊江河段補償調度方式是三峽水庫設計防洪調度方式，防洪區域重點在荊江河段，使荊江地區防洪標準達到100年一遇，在遇到1000年一遇或類似1870年洪水時，控制枝城泄量不大于80000 m3/s，保證荊江河段行洪安全。

2010年7月中旬，受四川盆地持續強降水影響，三峽形成了建庫以來的最大洪水，7月20日08時洪峰流量達到了70000 m3/s。在本次洪水調度過程中，三峽水庫實施了對荊江河段的防洪調度，長江流域降水預報起到了較好的應用效果。早在7月11日長江上游流域中期氣象預報中，發布了“預計未來一周四川盆地降水明顯偏多”的預報結論，并進行逐日滾動跟蹤預報。在滾動預報過程中，水情氣象專業人員先后5次進行遠程視頻會商，實現了水文氣象有機結合，提前4天預報出三峽水庫將出現洪峰超過50000 m3/s的洪水過程，48 h洪峰預報精度為98.6%。在準確的水文氣象預報基礎上，三峽水庫實施預報預泄調度，7月15日，三峽出庫流量由25000 m3/s增加到32000 m3/s，拉低三峽水庫水位；洪水到來時逐步增加至40000 m3/s，并按40000 m3/s控制下泄。受洪水影響，水庫水位從7月18日16時146.30 m開始上漲，至23日10時漲至本次最高蓄洪水位158.86 m；水庫蓄洪總量76.1億 m3，約占本次入庫洪水總量的24.5%；削減洪峰流量30000 m3/s，約占洪峰流量的42.9%。通過本次防洪調度，降低沙市站水位2.5 m，保證了沙市站水位在警戒水位以下，降低城陵磯水位約1.0 m。

1.1.2 城陵磯地區防洪補償調度

兼顧對城陵磯地區進行防洪補償調度主要適用于長江上游洪水不大，三峽水庫尚不需為荊江河段防洪大量蓄水，而城陵磯水位將超過長江干流堤防設計水位，需要三峽水庫攔蓄洪水以減輕該地區分蓄洪壓力的情況。當三峽水庫水位高于155.0 m之后，按對荊江河段進行防洪補償調度。

2016年6月下旬至7月上旬，長江中下游地區發生區域性大洪水，部分支流發生特大洪水，城陵磯（蓮花塘）站7日23時出現洪峰水位34.29 m，接近保證水位34.40 m。在本次洪水調度過程中，三峽水庫實施了城陵磯地區防洪補償調度，有效控制了城陵磯水位，減輕了洪澇災害損失。6月22日，氣象預報“6月下旬至7月上旬，長江上游、洞庭湖流域將先后出現強降水過程，基本符合長江上游、洞庭湖遭遇洪水天氣模型特征，需警惕上中游洪水遭遇”。為提前應對上、中游洪水，降低中游防洪壓力，6月26日00時三峽出庫加大至31000 m3/s，之后日均按31000 m3/s控制，降低三峽水庫水位。6月30日，三峽區間和烏江流域如期出現強降水，三峽入庫流量從30日08時的29000 m3/s快速上漲至7月1日14時的50000 m3/s，形成2016年長江“1號洪峰”。期間，三峽水庫出庫流量按31000 m3/s控制，削減洪峰19000 m3/s，削峰率38%。長江“1號洪峰”過后，三峽入庫洪水逐漸消退至20000 m3/s。7月上旬，長江中下游出現持續強降水，城陵磯地區防汛形勢嚴峻，且長江上游流域降水預報顯示后期長江上游流域無大范圍暴雨過程，雖有中小洪水過程但三峽入庫流量整體不大。7月7日起三峽水庫出庫流量降至20000 m3/s，避免了城陵磯站超保證水位。此次城陵磯地區防洪補償調度，三峽庫水位從7月7日11時148.86 m持續上漲，7月22日07時至最高庫水位158.50 m，后庫水位回落，攔蓄洪量達60.62億 m3。

1.2 中小洪水調度

根據降雨預報和實況信息，在不影響工程和防洪調度安全的前提下，考慮地方和部門對防洪、航運等需求，適當進行水庫滯洪的機動性調度，可以減小水庫下游的防洪壓力和提高水電站的航運、發電等綜合效益。同時，汛期適時抬升庫水位，改變水體環境，也有利于抑制水庫支流藻類水華的發生。

2013年7月長江上游流域降水總體較歷年同期均值偏多，但時空分布較不均勻。受降雨影響，三峽入庫出現5次明顯的漲水過程，三峽水庫開展中小洪水優化調度2次，取得了較好的防洪和發電效益。長江上游流域強降水過程預見期平均達到5～7 d：6月25日預報出6月29日—7月1日岷沱江、嘉陵江暴雨過程，6月29日起報7月4—5日強降水過程，7月6日預報8—10日岷沱江暴雨過程，7月10日開始預報16—20日持續強降水過程，7月16日開始預報21—22日四川盆地強降水過程。在準確的水文氣象預報基礎上，三峽開展中小洪水調度，重復利用庫容2次：第一次為7月1—10日，三峽—葛洲壩梯級電站共增發3.0353億 kW·h；第二次為7月12—31日，三峽—葛洲壩梯級電站共增發15.4150億 kW·h，同時針對7月21日49000 m3/s洪水過程開展蓄洪調度，三峽水庫按35000 m3/s控制下泄，避免荊江河段超警戒水位，也起到了較好的防洪效果。

2 三峽水庫發電調度

三峽水庫屬于典型的河道型水庫，在汛期未進行洪水調度時，需預留防洪庫容，水庫水位一般按照汛限水位控制，即水位控制在144.9～146.5 m，相應庫容為7.92億 m3。而長江上游流域尤其是三峽區間多突發性暴雨，對入庫流量影響較大，因此準確的長江上游分區降水預報，可用于指導三峽入庫流量預報，增長入庫流量預報預見期、提高流量預報精度，進而影響水庫運行策略、發電計劃編制和電站調峰，以達到三峽水庫在不超汛限水位的前提下，多次重復利用146.5 m以下庫容增加發電量的目的。

2017年6月，針對2次漲水過程開展了重復利用庫容調度。6月7日，根據長江上游中短期降水預報，預計后期將有一場峰值20000 m3/s的漲水過程，在制定后期計劃時，從8日08時開始加大三峽電站發電出力，利用發電提前騰空部分庫容，重復利用庫容。實際運行中，三峽庫水位從8日08時的146.46 m逐步下降，至10日17時降至145.20 m，調度騰空庫容6.24億 m3，折合發電量0.2537億 kW·h。6月12日，預計后期金沙江、宜賓—重慶區間、烏江流域有中到大雨，三峽入庫流量將再次漲到20000 m3/s，在制定后期計劃時，從13日06時開始加大三峽電站發電出力，降低水庫水位。實際運行中，三峽庫水位從13日06時的146.18 m逐步下降，至14日23時降至145.17 m，騰空庫容5.00億m3，折合發電量0.2127億 kW·h。

同時，長江上游流域降水預報產品還包括長江上游流域月、季、年降水趨勢預測，為三峽月發電計劃、年發電計劃制作提供參考。

3 2017年三峽水庫生態調度試驗

生態調度試驗是指通過人工水庫調度，創造魚類繁殖所需的水溫、水力學條件，以達到促進魚類繁殖的效果，實現對魚類資源的有效保護。三峽水庫生態調度試驗時間集中在5 月下旬至6 月下旬，生態調度試驗期間日均流量漲幅區間為590～3140 m3/s，均值為1600 m3/s；調度持續時間為3～8 d。同時考慮到三峽水庫水位須在6 月10 日消落至汛限水位、汛前應盡量平穩消落等邊界條件，一般選擇宜昌站水溫達到20 ℃以上，三峽上游來水不大且有小幅自然漲水過程時，擇機實施生態調度試驗。

2017年5月19—25日，三峽水庫開展了一次生態調度試驗。5月17日流域降水預報顯示，“20—23日，長江上游流域大部有一次中到大雨過程”，相應流量預報后期三峽入庫有一次小幅漲水過程。5月19和22日，長江防總先后發布5號、6號調度令，本年度生態調度試驗正式開始。三峽日均下泄流量自20日的11000 m3/s逐步增加至25日的18000 m3/s（圖2），22—23日宜都斷面出現魚類繁殖高峰，總魚卵密度達到165顆/1000 m3，其中四大家魚魚卵密度達到48顆/1000 m3，初步估算此次調度期間三峽下游江段產漂流性卵魚類繁殖總規模達到6億顆，其中四大家魚繁殖總規模約為1億顆。

圖2 2017年生態調度試驗期間三峽水庫出入庫流量圖

本次為三峽水庫2011年以來連續7年實施的第9次生態調度試驗，通過生態調度試驗累計促進四大家魚繁殖規模達到8.63億顆，調度期間四大家魚繁殖規模占繁殖總量的比例超過40%，同時也為多種魚類自然繁殖創造了良好的水文條件，生態調度試驗效果明顯。

4 三峽水庫調度關鍵期水位控制

按照《三峽（正常運行期）—葛洲壩水利樞紐梯級調度規程》，三峽水庫正常蓄水位175.0 m，防洪限制水位145.0 m，枯期消落低水位155.0 m。每年12月至次年4月，三峽水庫為下游實施供水、抗旱、航運、生態等補水調度，庫水位逐步降低，但水庫仍維持在較高水位上運行；5月1日—6月10日為三峽水庫集中消落期，6月10日消落至防洪限制水位。主汛期（6—8月）不進行防洪調度時，水庫水位一般維持在汛限水位上下波動；汛后（9—11月）開展蓄水調度，一般情況下，9月底控制水位162.0 m，經國家防總同意后，9月底蓄水位視來水情況可調整至165.0 m，10月底可蓄至175.0 m。長江上游流域氣候特征復雜，年內降水時空分布不均且年際之間降水差異也較大，對集中消落和蓄水期間的水位控制影響較大。

集中消落期，三峽出庫流量主要受上游來水、葛洲壩機組滿發流量、日消落水位變幅等條件影響較大。而這一時期長江上游流域降水過程逐漸增多，雨量逐漸增大，上游來水逐漸增多，部分時段會出現日均20000 m3/s以上的入庫流量（超葛洲壩滿發流量），因此準確的降水預報，有利于合理安排消落進程以及三峽—葛洲壩樞紐綜合效益的充分發揮。每年3月下旬，長江流域氣象中心組織長江流域各省及相關單位開展消落期、汛期長江流域降水趨勢會商，可為消落期流量預報及消落方案的制定提供參考依據；每月末開展次月降水趨勢預報，為月度消落計劃及方案的制定提供技術支持；同時長江流域各預報單位開展延伸期降水趨勢和降水過程預測、中短期降水過程預報和面雨量預報；基本可以做到長江流域長－中－短期降水預報有機結合，為水庫合理安排消落進度提供較為可靠的氣象預報技術支持。

蓄水期（9—11月），三峽水庫蓄水同樣受上游來水、葛洲壩機組滿發流量以及電力外送等因素的影響。這一時期長江流域降水總體開始減少，但長江上游流域受華西秋雨影響大，且三峽水庫入庫基流相對較大，因此仍需開展長江流域蓄水期降水趨勢預測，同時結合月、延伸期及中短期降水預報，制定合理蓄水方案。當預計當年秋雨較明顯時，三峽水庫一般在蓄水前期放慢蓄水進度，做好汛末防洪和汛后蓄水的銜接；當預計長江上游流域后期秋雨偏少時，三峽水庫則將汛末蓄水與前期防洪運用相結合，抬高9月各階段運行水位，增加9月蓄水量；同時減少10月蓄水量，增加10月下泄流量以減輕蓄水期對下游的影響。

5 展望

隨著溪洛渡、向家壩等一大批庫容大、調節能力好的綜合利用水利水電樞紐工程建成運行，長江上游控制性水庫群初步形成。水庫群對徑流、洪水巨大的調節作用, 勢必對對長江中下游防洪、河勢、水沙、水生態環境、水資源利用等產生影響，同時也對長江流域降水預報提出了新的要求。后期應根據長江上游流域水庫群聯合調度需求，開展流域降水預報方法研究，提高預報精度，延長預報預見期；開展無縫隙、格點化、精細化、定量化的流域降水預報，實現流域預報從固定分區的流域面雨量跨度預報向任意分區的格點預報轉變，為充分發揮長江上游流域水庫群的防汛、發電、航運、灌溉、生態等綜合效益提供氣象技術支持。

致謝： 本文由水體污染控制與治理科技重大專項（2014ZX07104-005）資助。

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高琦, 金琪, 王仁喬, 等, 2011. 基于面雨量預報的長江上游洪水分級預估及其應用. 暴雨災害, 30 (4): 370-374.

鄒冰玉, 李玉榮, 馮寶飛, 等, 2011. 三峽水庫運用對長江中下游干流水位影響分析. 人民長江, 42(6): 80-82.

周曼, 徐濤, 2014. 三峽水利樞紐多目標優化調度及其綜合效益分析. 水利發電學報, 33(3): 55-60.