氣候變化對三峽水庫運行調度的影響及對策研究

王方方，鮑正風，許 浩

(1. 峽水利樞紐梯級調度通信中心，湖北 宜昌 443133；2. 中國電建昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650000)

三峽水利樞紐是長江流域骨干控制工程，具有防洪、發電、航運、供水等綜合效益，是長江流域防洪體系的重要組成部分，是發揮長江黃金水道作用的重要樞紐，是穩定電網安全的支撐電源點，在長江流域乃至全國經濟發展中具有重要地位。

三峽水利樞紐正常蓄水位175 m，防洪限制水位145 m，防洪庫容221.5億m3，調節庫容165億m3，樞紐建設經歷了圍堰發電期、初期運行期、試驗蓄水期到正常運行四個階段。于2010年首次成功蓄水175 m；2016年正式轉入正常運行期。

流域氣候變化會引起流域降水量的改變，從而間接影響流域徑流總量及年內分布。三峽水庫建庫以來，長江上游流域干流及各支流降水特征的變化對水庫入庫過程造成一定影響，水庫來水特征的變化對水庫原有設計調度方式的適用性提出挑戰。另一方面，氣候變化引起的極端天氣事件如高溫持續干旱、超強秋汛、汛期大洪水等，對三峽水庫供水、蓄水、防洪以及應急調度都提出了新的挑戰和更高要求。

綜上所述，氣候變化條件下，三峽水庫來水系列水文特性已發生一定程度的改變，有必要對氣候的影響進行量化分析，研究來水變化及演變規律，分析氣候環境變化對水庫調度的新需求，并針對性從技術層面和管理層面提出對策，以指導三峽水庫更有效更充分地發揮綜合效益。

1 三峽水庫設計調度方式

三峽水庫設計調度方式主要根據歷史降水特性和水沙條件以及防洪、航運、發電、供水等需求確定，分時期設計調度方式為：汛期三峽水庫一般按照汛限水位運行。當發生洪水需水庫攔洪消峰時，三峽水庫在保證大壩安全的前提下，對長江上游洪水進行調控，提高下游荊江河段的防洪標準至百年一遇，在逢百年一遇至千年一遇洪水時，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；蓄水期間水庫最小下泄流量不低于下游航運及保證出力相應的流量要求，并在滿足防洪、補水等條件下逐步蓄至正常蓄水位，枯水年蓄水過程可適當延長；消落期逐步降低庫水位，為下游實施供水、抗旱、航運、生態等補水調度。枯水期消落補水主要滿足不低于電站保證出力及通航流量要求，在汛前逐步消落至防洪汛限水位[1]。

2 長江上游流域氣候變化

氣候變化對人類生活的影響直觀表現在降雨和氣溫的變化。本文以1963～2017年的55年長系列氣象資料為基礎，針對降水、氣溫變化展開長江上游流域氣候變化分析。

1)降水量。寸灘站為三峽水庫上游流域控制站，因此以寸灘站為分析站點，分析其55年來降水量變化。結果顯示：上世紀60年代以來，上游流域年平均降水量總體呈下降趨勢(見圖1)。其中上世紀80年代為節點，之前降水偏多，之后逐漸下降，下降速率約為17.4 mm/10 a。5年滑動平均結果顯示，降水呈波動性變化，波峰主要出現在上世紀80年代初，2000～2010年間，波谷有多個，但均相對較弱，分別出現在上世紀70年代初、中期、90年代中后期和近幾年。對于年內分布，上游流域整體變化表現為春季、秋季和冬季降水量呈減少趨勢，而夏季降水由于強度變化影響，降水量呈增加趨勢。年均降水量的空間分布呈東多西少中間最多。

圖1 上游流域歷年降水量變化過程

2)降雨日數和強度。分析寸灘站歷年降雨日數發現(見圖2)，長江上游流域平均年降水日數(降雨量≥0.1 mm作為一個降雨日)也呈顯著下降趨勢，下降速率為2.9 d/10 a(α=0.001)。5年滑動平均結果顯示，年降水日數在上世紀90年代前均高于平均值，波峰分別在70年代后期和80年代中期；90年代變化開始減小。而日平均降水強度則呈增加趨勢，增大了洪水發生的概率。

圖2 歷年降水日數和強度變化過程

3)暴雨日數和強度。分析寸灘站歷年暴雨日數和強度發現(見圖3)，流域年平均暴雨日數(降雨量≥50 mm作為一個暴雨日)呈微弱不顯著的上升趨勢。從5年滑動平均上看，年暴雨日數有波動，但幅度不大，在上世紀70年代初期和90年代后期出現波谷，70年代后到90年代前期出現3次連續波峰。暴雨強度也呈輕微的上升趨勢，80年代后暴雨強度均值大于常年值，且主要集中在汛期，6～8月降水量占全年的一半，同時也導致大暴雨、特大暴雨次數和極端降水事件的增多。

圖3 歷年暴雨日數和暴雨強度變化過程

4)氣溫。長江流域年平均氣溫呈升高趨勢，平均每10年升高約0.14℃。上游流域西北部由于其特定的地質條件和海拔特征，升高趨勢更為明顯。經過預測，在三種溫室氣體排放背景下，未來50年流域氣溫總體呈上升趨勢，增溫幅度約為0.25～0.41℃/10 a[2]。

5)極端天氣事件。①1日極端降水。三峽水庫上游流域1963～2017年中1日極端干旱事件有3個站點發生超過10次，主要分布于流域西北和東南。流域中部萬縣市最少為2次。三峽上游最大1日降水量共有2個站點達到300 mm以上，出現在流域中部都江堰和峨眉山；中部其他地區為200～300 mm；其次為流域南部和東部；西北部共23個站點1日降水量最大值在100 mm以下。②3日極端降水。三峽水庫上游1963～2017年3日降水量極端事件中，有14個站點發生9次及以上，流域西北部(金沙江上游源頭)依然最嚴峻，其次為中部的曲麻萊和南充，出現15次。三峽上游最大3日降水量的分布形勢同1日最大降雨量分布形勢。中部都江堰居首，達694.9 mm；中東部最大3日降水量區間為300～600 mm，其他地區則分布在200 mm左右。③連續極端干旱。三峽上游1963～2017年連續極端干旱事件有14個站點發生10次以上，清水河最多，為20次，其次為遵義14次，其他大部地區為3～9次。三峽上游最大連續降水日數有5個站點達到40 d以上，分布在流域中東地區；金沙江中部和岷沱江西南部共有13個站點最大連續降水日數達到30 d及以上；其他地區則為20 d左右。

3 氣候變化對三峽水庫的影響

氣候變化對三峽水庫運行調度的影響主要表現在兩方面，一是流域氣候變化引起降水量及氣溫變化，從而改變流域徑流量，進而引起三峽來水的變化，對設計調度方式的適用性提出新的挑戰；二是氣候變化引起極端天氣及特殊水文事件的發生，對水庫應急調度也提出更高要求。因此，有必要對水庫來水變化特性進行分析，同時總結極端事件對調度運行的需求，為新環境下水庫調度方式的優化奠定基礎。

3.1 三峽入庫徑流趨勢性變化

通過對三峽入庫1963～2017年(2003年以前為宜昌站流量)的年均徑流量變化趨勢進行分析(見圖4)，結果表明，1963～2017年的年徑流量整體呈下降趨勢。通過線性趨勢分析發現，以上世紀80年代初為節點，80年代之前實測徑流量的平均值大于全系列的多年平均值，之后則相反。

圖4 三峽入庫流量年際變化

進一步對三峽入庫徑流的年內分配變化進行分析。以2003年為時間界線，對比分析2003年前后三峽入庫控制站宜昌站月均流量(見圖5)，結果可知，2003年之后的多年平均月均流量明顯減少。從分月來看，1～4月份月均流量比2003年之前略有增加；6～12月份的月均流量均有不同程度的下降，主要表現在7～11月，其中8、10月份徑流的下降幅度較為顯著，分別減少3 638 m3/s和6 747 m3/s，其中10月份徑流量所占比例減少最多為3%，汛期來水減少主要受制于降水減少，而蓄水期一方面受上游水庫蓄水搶水，主要原因還是降水減少。在汛期來水減少的背景下，如果三峽水庫在汛期繼續控制于汛限水位145 m運行，洪水將完全作為棄水，無法被資源化利用；蓄水期來水呈明顯減少趨勢，如繼續保持10月份起蓄的方式，勢必造成水庫難以蓄滿，枯水期下游的用水需求將難以保障。

圖5 宜昌站2003年之前和2003年之后月均流量

3.2 年內極端豐枯來水明顯增多

通過總結近5年三峽水庫來水情況發現，汛期和蓄水期三峽入庫出現4次嚴重偏枯，1次嚴重偏豐事件。

1)2013年蓄水期后期，長江流域出現極端干旱。9月下旬和10月上旬較歷史同期大幅減少，分別減少30%和73%，給水庫蓄水帶來很大壓力。

2)2015年汛期，長江上游來水整體偏枯，尤其7、8兩月較多年均值偏枯較嚴重。三峽壩址來水較多年均值偏枯量達34%和38%。

3)2016年汛期，長江上游再次出現極端干旱，整體偏枯達3成，特別是三峽水庫汛末來水異常偏枯，三峽水庫8月下旬平均流量為歷史同期倒數第7(共計135年)；三峽 9月上旬平均流量為歷史同期倒數第1，創歷史同期新低。

4)2017年主汛期長江上游來水較多年平均值整體偏枯，在7月和8月分別偏枯34%和30%。然而到9月中旬蓄水期初期，長江流域降水偏多近二成，其中三峽壩址偏多五成多。受三峽區間連續強降雨影響，三峽水庫10月6日8時入庫流量達建庫以來同期最大值。

頻繁的極端豐枯來水，給預報工作帶來一定困難，同樣精度范圍的預報下，極端來水造成的預報流量誤差與洪水量級幾乎成正比。極端來水下的預報調度工作由于不可預見程度的增加，在極端洪水的防洪調度中將面臨更大風險，在極端干旱中加大了蓄水難度。

3.3 中下游應急調度對三峽水庫提出更高要求

高頻的極端天氣事件在長江中下游也產生了不同程度的影響，主要表現在強對流天氣和極端強降雨造成的次生災害。通過長江中下游的極端天氣事件進行案例分析，論證極端天氣給水庫防洪、蓄水、消落等工作帶來的挑戰，同時對水庫應急調度工作提出更高的要求。

2011年5月期間，長江中下游地區降水與多年同期相比減少4～6成，遭遇60年來最嚴重干旱。部分水庫接近死水位，給湖區生態和百姓生活帶來嚴峻考驗。三峽水庫加大下泄力度，為長江中下游補水，一定程度緩解旱情。

2015年6月1日，長江中下游出現龍卷風，造成“東方之星”客輪傾覆。72 h內三峽水庫出庫流量下降10 000 m3/s，配合在長江下游河段進行的“東方之星”游輪救援。

2016年長江中下游在6月30日至7月4日連續強降雨，長江中下游干流及兩湖幾乎全線超警。2017年同期，長江中下游再次出現大到暴雨，多數支流站水位達歷史最高。三峽水庫及時攔洪錯峰，避免了長江上游與中下游洪水的疊加，有效控制險情。

長江中下游分布的城市承擔著國家經濟發展的中堅力量，三峽水庫作為長江流域骨干工程，其應急協助對流域正常發展和事件的處理發揮著至關重要的作用。由于長江流域中下游范圍較廣且沿江城市快速發展，突發事件增多且隱患增大，對三峽水庫的應急調度提出更高要求和更多目標。

4 應對措施及對策研究

針對氣候變化給三峽水庫調度帶來的影響，分別從技術層面和管理層面提出對策和應對措施。一方面，有必要優化水庫調度方式以適應氣候變化影響下水庫新的來水條件；另一方面，亟需加強水庫應急調度管理，通過管理體系的完善加強水庫應對災害性天氣事件的處置能力。

4.1 基于水文預報的水庫優化調度方式

精準的水情預報是水庫展開優化調度的有力工具，基于水文預報的三峽水庫汛期及蓄水期調度方式的優化，可保障水庫防洪、航運、發電、供水和生態環境保護等綜合效益的充分發揮。氣候變化下降水的減少主要對蓄水期造成影響，對水庫的水利蓄滿帶來困難。對此主要考慮從汛期和蓄水期來展開優化調度。而消落期由于上游水庫的消落，加大了三峽梯級的來水，緩解了降水減少造成的影響。

1)汛期洪水資源利用。汛期洪水資源利用主要表現在兩方面，其一：主汛期水位抬高保證夏季電力旺盛需求，增加電量效益；其二，汛末適當抬高水位，為后期蓄水過程奠定基礎。

根據汛期天然來水變少的變化態勢，同時隨著水文預報技術和能力的提升，三峽水庫改變其洪水治理思路，在防洪風險可控前提下，從防御控制洪水逐步往洪水資源化利用轉變。汛期結合短中期水文預報，利用有限庫容調蓄中小洪水，抬高汛期運行水位，充分發揮水庫水頭效益。

另外，三峽水庫在近幾年開始在汛末實施優化調度。結合汛末以及蓄水期的來水預報，兼顧防洪和蓄水，在趨勢性及預報來水偏枯的情況下，攔蓄汛末洪水資源，利用棄水預報預蓄水，通過提前蓄水、抬高起蓄水位，為水庫的順利蓄滿創造有利條件。

通過兩個案例證明優化調度方式的有效性。2017年7月中下旬，長江流域持續高溫少雨，結合來水預報三峽水庫逐步降低控泄標準從28 000 m3/s減到18 000 m3/s，保持較高水位運行，在汛期嚴重干旱的情況下利用水頭效益保障電網迎峰度夏。2015年汛末期，在預報近期來水較小，長江中下游地區防洪壓力不大的情況下，為充分利用水資源并與后期蓄水相結合，三峽水庫運行水位逐步抬升，8月下旬按照葛洲壩滿發不棄水控制出庫攔蓄洪水， 至9月1日0時，三峽庫水位152.83 m。為枯水年水庫的蓄滿奠定良好基礎。

2)蓄水期實施梯級水庫聯合調度。三峽水庫在9月1日進入蓄水期。在預報蓄水期來水偏枯的情況下，延緩上游溪洛渡和向家壩水庫的蓄水到位時間，以增加三峽水庫的入庫，一方面有利于三峽水庫的蓄水過程，另一方面可增加三峽水庫的水頭,以發揮電站水頭效益[3]。

2016年9月，三峽入庫來水偏枯較多，蓄水困難。溪洛渡配合三峽蓄水，在原計劃9月底蓄水到位的基礎上適當延遲，利用溪洛渡國慶期間低負荷蓄水，增加9月三峽入庫水量3.75億m3，同時增加三峽水庫水位更大發揮梯級水庫的水頭效益。

通過上述兩種方式優化調度，三峽水庫結合水文預報，通過提前蓄水、抬高起蓄水位和聯合調度的方式來優化水庫蓄水進程。從2010年開始三峽水庫連續8年成功蓄至175 m，歷年實際蓄水過程見圖6。三峽水庫將汛末蓄水與前期防洪運用相結合，汛末洪水資源得到了充分利用，抬高蓄水初期各階段運行水位，增加前期蓄水量，有效提高了水庫蓄滿率，同時減少后期蓄水量，有效減輕了蓄水后期蓄水對下游的影響。

圖6 三峽水庫2010年～2017年歷年蓄水水位過程

4.2 應急調度管理體系

作為長江流域的骨干工程，三峽水庫在確保防洪發電安全的前提下，針對應急事件及特殊調度也作了很多嘗試與貢獻。中國南方雨雪冰凍救災；長江口壓咸潮，東方之星施救，為長江中下游防洪補償調度，寒潮增加出力加大調峰為電網保電等，逐步形成一套完整的應急事件處理體系。

應急調度事件中，三峽水庫以保障社會利益和生命財產安全作為出發點和落腳點，通過系統高效的管理方式最大限度地減少或減輕事件損失。在事故發生之前加強事故預想和應急演練；在事故中高效應急會商，多方面有效溝通，以對事件進行高效處理；在事故解決后對其做好總結分析，以為后期工作提供參考。

三峽水庫通過對特殊事件的應急調度，提高自身對突發性事件的應急處理能力，并在公共活動的助力配合中，帶來顯著社會效益，凸顯其政治意義和公益價值。

5 總結展望

本文重點分析了氣候變化環境下降雨量的減少對三峽水庫徑流量的影響，并針對性提出基于水文預報的汛期洪水資源化和蓄水期分期抬高水位的優化調度方式，并實踐表明改進調度策略的有效性和適用性。進一步對三峽水庫在應對極端天氣造成的特殊事件中的應急管理措施進行歸納，證實應急調度體系的積極意義。同時，隨著今后上游庫群規模的完善以及水庫調度經驗的不斷積累，可通過流域整體的信息共享提高徑流預報的準確性，以協調梯級水庫的調度運行方式，來優化流域庫群蓄泄結構。目前流域上游庫群投產時間較短，大規模庫群在應對氣候變化中的的聯合調度還有待進一步深入研究，優化潛力有待進一步挖掘，以更好地應對氣候變化，發揮流域統籌協調作用。