三峽水庫中小洪水調度性能風險評估

(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)

1 研究背景

三峽水利樞紐工程是長江干流上治理、開發、利用及保護流域水資源的骨干工程。《長江三峽水利樞紐初步設計報告》(以下簡稱《初步設計報告》)要求汛期僅對入庫流量超過55 000 m3/s的洪水進行攔蓄，以保障下游荊江河段的防洪安全[1]。三峽水庫建成后，壩址上游徑流量呈減少的趨勢，《初步設計報告》的調度方式未能合理利用中小洪水資源，會影響到三峽工程的綜合效益[2-3]。為了充分發揮三峽水庫的綜合效益，對三峽水庫中小洪水實施調度成為近年來關注的具有現實意義的科學問題。

針對三峽水庫中小洪水調度方式，不同學者開展了相應的研究。周新春等提出了大型水庫中小洪水實時預報調度技術體系[4]，并使該技術體系在三峽水庫進行了應用實踐。陳桂亞等提出了中小洪水實時動態控制技術路線以及調度結果風險分析方法[5]，并以三峽水庫為例進行了調度實踐。周研來等建立了混聯水庫群汛限水位聯合運用和動態控制模型[6]，并對以三峽梯級和清江梯級組成的混聯水庫群進行了實例分析。胡挺等提出了結合庫水位與入庫流量大小的中小洪水分級調度規則[7]，同時結合三峽水庫實際情況進行了實例分析。周建中等提出了基于運行水位—入庫流量—下泄流量邊界的防洪調度方式[8]，建立了基于多目標優化調度的汛期綜合運用模型，并針對三峽工程梯級進行了實例研究。總體來說，上述研究成果都為開展對三峽水庫中小洪水的調度方式、技術體系以及控制運用綜合模型的研究奠定了良好的理論基礎。

三峽水庫自2009年即開始進行汛期中小洪水調度實踐，在利用中小洪水資源以提高發電、航運效益的同時，如果水庫水位長期處于擬定的汛限水位以上就會產生超出預期的風險。為此，對中小洪水調度過程風險問題開展研究具有重要的現實意義。

針對水庫調度中存在的風險問題，王才君等針對三峽水庫汛限水位動態控制問題建立了風險評價綜合模型[9]，并將該模型用于對調度方案的優選，得到了相對合理的動態汛限水位方案。馮平等通過分析水庫調整汛限水位涉及的因素[10]，建立了風險效益評價指標體系及其估算方法，并針對東武仕水庫進行了實例分析。閆寶偉等結合隔河巖水庫實例，將洪水過程預報誤差的不確定性轉化為水庫水位變化的不確定性[11]，從而對水庫防洪預報調度的風險水平進行了分析。付湘等建立了基于綜合利用水庫調度模型的調度性能風險評價指標體系[12]，并以新安江水庫調度為例進行風險分析。

整體來看，針對水庫調度中的風險分析與評估的指標體系及其評估方法有了一定的技術支撐，但是三峽水庫中小洪水調度存在著防洪、庫區地質、航運、下游供水等多方面風險問題。為此，本文以三峽水庫為研究背景，在分析中小洪水特性的基礎上，結合初步設計方案與2008～2017年調度實踐方案，提出了三峽水庫中小洪水調度性能風險評估方法，以全面評估中小洪水調度中存在的防洪、發電、庫區地質、汛末下游供水及蓄滿的風險。

2 三峽水庫中小洪水特性與調度方案

為全面了解三峽水庫中小洪水汛期發生、發展特征及其變化規律，對宜昌站1950～2007年汛期實測日徑流資料及2008～2017年三峽水庫汛期實測入庫流量資料進行了統計分析。首先，按照鄭守仁研究提出的三峽水庫中小洪水洪峰流量范圍來劃分洪水性質[3]；然后，按照汛期各旬統計的日均洪峰流量來分析其分布規律。

由表1可知，2008年以前，三峽水庫汛期發生洪峰流量在30 000～55 000 m3/s的中小洪水較為頻繁，可以認為在6月10日控制汛限水位145 m后均有較大幾率發生中小洪水；洪峰流量超過55 000 m3/s的洪水發生頻率較低，主要集中在7月中旬至8月中旬，洪峰流量超過60 0000 m3/s的洪水僅在1954,1989年和1998年發生過。

表1 1950～2007年宜昌站汛期各旬洪水洪峰流量出現次數Tab.1 Number of flood peak occurance during the flood season at the Yichang hydrologic station from 1950 to 2007 次

由表2可知，三峽水庫開始進行175 m試驗性蓄水以后，自6月下旬至9月下旬共出現中小洪水洪峰流量174次，僅在7月份出現過洪峰流量超過55 000 m3/s的情況。

對年際徑流量變化及汛期洪峰流量分布規律進行了綜合分析，結果表明：三峽水庫汛期洪水資源充沛，中小洪水頻發，而大洪水發生的概率較小。

表2 2008～2017年三峽水庫汛期洪水洪峰流量出現次數Tab.2 Number of flood peak occurance during the flood season at the Three Gorges Reservoir from 2008 to 2017 次

依據《初步設計報告》，三峽水庫汛期6～9月維持汛限水位145 m運行，對荊江河段進行防洪補償調度。

(1) 當水位145.0 m≤zi≤166.9 m時，對于55 000 m3/s及以下來水，出庫流量等于入庫流量;對于55 000 m3/s以上來水，出庫流量等于55 000 m3/s。

(2)當水位zi≤166.9 m時，出庫流量根據入庫流量在55 000 m3/s以上調控，控制枝城站流量不超過80 000 m3/s。汛后10月初開始蓄水，下泄流量不低于電站機組保證出力對應的引用流量(約5 500 m3/s)，水庫水位逐步升至正常蓄水位[1,8]。

《初步設計報告》的調度方案一方面未能充分利用防洪庫容，降低發電、航運等效益；另一方面又增加了下游沙市、城陵磯地區的防洪壓力。同時，2003年三峽水庫建成以來，年平均徑流量為12 669.95 m3/s，較《初步設計報告》成果資料減少11.41%，壩址上游徑流量呈現減小的趨勢。為此，自2008年開始進行175 m試驗性蓄水以來，依據《三峽水庫優化調度方案》，首次提出了在保證防洪安全、滿足航運要求的前提下，充分利用興利調節庫容，合理調配水量，適度利用洪水資源，增加發電效益[13]。同時，《三峽水庫優化調度方案》及《三峽(正常運行期)—葛洲壩水利樞紐梯級調度規程》調度實踐方案優化利用155 m及以下庫容攔蓄55 000 m3/s及以下的中小洪水，在沙市、城陵磯水文站水位均低于警戒水位，且預報短期不會超警戒水位的條件下，汛末蓄水不早于9月10日，控制水位為150 m[13-14]。根據三峽水庫中小洪水特性，對于汛期三峽水庫中小洪水調度的初步設計與調度實踐方案進行風險評估，對于合理利用中小洪水資源、發揮三峽水庫綜合效益均具有重要的參考價值。

3 三峽水庫中小洪水調度性能風險評估方法

針對汛期中小洪水調度中存在的防洪、發電、庫區地質、航運、汛末下游供水及蓄滿等多方面的風險問題，將水資源系統評價方法引入到調度性能風險評估中，以有效衡量各類風險的輕重。將風險定義如下[12,15-16]：

R(x)=[R1(x),…,Ri(x),…,Rp(x)]

(1)

(2)

式中,R(x)為風險評價指標集，[R1(x),…,Ri(x),…,Rp(x)]為各類風險的評價指標，i=1,2，…,p；x為影響各類風險指標的自變量，比如：水位、流量、出力等；Zi,t(x)為第t時段第i類風險評價指示函數；T為調度周期內計算時段總數。本文研究中，取p=6，分別為汛期防洪風險、發電風險、庫區地質風險、汛末下游供水風險及蓄滿風險，下面將著重描述這些風險指示函數的計算方法。

3.1 汛期防洪風險

汛期中小洪水調度勢必會抬高水庫水位，使其超過既定的汛限水位，在上游降水及來水相對不確定的情況下，會給水庫防洪帶來風險。建立指示函數如下[14]：

(3)

式中,Z1,t為第t時段汛期防洪風險指示函數；x1,t為第t時段的水庫上游水位,m；S1為防洪安全運行水位范圍,m;6月10日至8月31日取S1∈[144.50,146.50]，9月1～10日取S1∈[144.50,150.00]，9月11～30日取S1∈[144.50,150.00+0.75(t-t0)];t為當前計算時段，t0為9月10日允許汛末蓄水的計算時段；U1為防洪風險運行水位范圍。

3.2 發電風險

為了對各個電網的電力電量進行平衡，同時盡量降低水電、火電站開關機組的影響，對三峽水電站日均發電出力變幅進行控制。由于進行中小洪水調度，使得年內日出力最大變幅出現在汛期較多，變幅較大，因此會造成水電站機組安全運行存在潛在的風險。為此，建立指示函數如下[14]：

(4)

式中,Z2，t為第t時段發電風險指示函數；x2，t為第t時段實際出力,MW；Nv為電站出力日變幅控制值，取4 000 MW；Np為電站保證出力，取4 990MW。

3.3 庫區地質風險

三峽水庫汛期實施中小洪水調度時水庫水位升降頻率高，變幅較大。為此，劉新喜等依據三峽水庫水位調控方案及庫區滑坡地下水作用力學模式[17]，對滑坡穩定性進行了評價，評價結果表明，庫水位下降速率是影響滑坡穩定性的主要因素。按照水庫蓄水最大速率及汛期水庫水位下降速率的控制要求，建立指示函數如下[14]：

(5)

式中,Z3，t為第t時段庫區地質風險指示函數；x3，t為第t時段的水庫上游水位,m；Zg1，Zg2分別為汛期水庫水位下降控制值及水庫蓄水水位變幅控制值，分別取-2.0m和3.0 m。

3.4 航運風險

三峽船閘設計的最大通航流量為56 700 m3/s。實際運行過程中由于受到水流流態的影響，三峽船閘通航流量一般不超過45 000 m3/s。依據三峽下泄流量與通航保證率的映射關系，建立指示函數如下[8]：

(6)

式中,Z4，t為第t時段航運風險指示函數;x4，t為第t時段的水庫下泄流量,m3/s；qh為航運風險控制流量，取25 000m3/s。

3.5 汛末蓄水期下游供水風險

汛末提前蓄水有利于降低汛期過后水庫的蓄滿風險，從而提高枯水期發電的經濟效益。但是提前蓄水也會影響到下游河湖生態環境及供水需求，按照9，10月份不同控制要求，建立風險指示函數如下[14]。

9月份：

(7)

10月份：

(8)

式中,Z5，t為第t時段汛末下游供水風險指示函數；x5，in,t，x5，out,t為第t時段入庫流量及出庫流量,m3/s；qd1，qd2為保證下游供水指標值，分別取10 000m3/s和8 000 m3/s。

3.6 汛末水庫蓄滿風險

9月和10月為三峽水庫汛末蓄水期，若汛期過后10月底水庫仍無法蓄水至正常蓄水位175 m，則會因枯水期上游水位過低而造成發電效益的損失[18]。考慮到10月底水庫蓄滿風險，建立指示函數如下[19]：

(9)

式中,Z6，t為第t時段汛末下游供水風險指示函數；x6為10月31日三峽水庫上游水位，m；S6為汛末蓄滿水位范圍,m，取S6∈[174.50，175.00]，考慮到0.3%的誤差；U6為未蓄滿水位范圍,m，取U6∈[145.00，174.50]。

4 計算結果分析

將上述計算方法應用于對三峽水庫汛期中小洪水調度性能風險評估，這次風險評估考慮到了初步設計與調度實踐兩種方案。計算期為2008～2017年汛期6月10日至10月31日，時段步長為日。初步設計方案按照《初步設計報告》的調度規程，輸入計算期的入庫流量及初始蓄水位，根據水位-庫容關系、尾水-流量關系及水頭-出力關系來模擬調度過程。調度實踐方案為近年來三峽水庫開展中小洪水調度實踐的實測資料統計結果。根據兩種調度方法下水位、流量、出力過程，運用公式(2)～(9)，分別對汛期防洪風險、發電風險、庫區地質風險、航運風險、汛末下游供水風險以及蓄滿風險進行了計算，計算結果如表3所示。

表3 2008～2017年三峽水庫不同調度方案效益及風險
Tab.3Risks and benefits of the Three Gorges Dam different schemes from2008to2017

調度方案發電量/億kW·h防洪風險/%發電風險/%庫區地質風險/%航運風險/%汛末下游供水風險/%蓄滿風險/%調度實踐方案3927.3954.511.240.6231.2414.6540.00初步設計方案3073.690.531.150.1831.2456.4550.00

與初步設計方案結果相比，調度實踐方案由于利用了汛期中小洪水資源，而顯著提升了發電效益，2008～2017年的10 a間，汛期發電量增加了853.7 億kW·h，防洪風險由0.53%上升至54.51%，汛末下游的供水風險由56.45%下降至14.65%；蓄滿風險由50%下降至40%；發電、庫區地質與航運風險變化不大。防洪風險顯著上升與安全閾值的選取和計算期的長短有關。三峽水庫建成以來，壩址上游的徑流量呈減少的趨勢，在新的來水形勢下，汛期超汛限水位的風險可以通過預報調度技術得到有效控制。

為了解調度運用過程年際間的變化情況，將初步設計方案與調度實踐方案計算期內的汛期最高水位、10月末的蓄水位及汛期的發電量進行了對比分析。

由圖1可以看出，調度實踐方案中，汛期最高水位幾乎均在150 m以上，部分年份超過了160 m，汛期洪水資源利用效率高，但是防汛風險較大；根據初步設計方案的模擬結果，最高蓄水位僅為147.54 m，僅在2010年及2012年出現過超過55 000 m3/s的洪峰流量，顯然，水庫防洪庫容的作用未能得到充分發揮，同時，由于實施了中小洪水出入庫均衡控制，使得下游的沙市、城陵磯地區防洪壓力較大。

圖1 2008～2017年三峽水庫汛期最高水位Fig.1 The Maximum water level during the period of June-August at the Three Gorges Reservoir from 2008 to 2017

由圖2可以看出，除2008年因試驗性蓄水控制要求外，水位相對較低，其余年份的調度實踐方案10月末的蓄水位相對穩定，均接近175 m，這主要與汛末提前蓄水有關；而初步設計方案的汛末蓄水模擬結果則主要是受來水的影響，這也會影響到枯水期的發電效益。

由圖3可以看出，調度實踐方案的汛期發電量均要高于初步設計方案的汛期發電量，特別是在2010,2012,2014年的3 a汛期發電量分別增長了63.24億,55.27 億kW·h和43.02 億kW·h，這與運行水位較高有著密切的關系。

圖2 2008～2017年三峽水庫10月末蓄水位Fig.2 The impounding water level of the Three Gorges Reservoir at the end of October from 2008 to 2017

圖3 2008～2017年三峽水庫汛期發電量Fig.3 Generating capacity during the flood season of the Three Gorges Reservoir from 2008 to 2017

5 結 論

本文針對三峽水庫汛期中小洪水調度中面臨的多方面風險問題，從洪水資源利用與風險全面評估的角度進行了研究；同時，分析了中小洪水的特性，并結合三峽水庫初步設計方案與2008～2017年的調度實踐方案，建立了各類風險指示函數，提出了調度性能風險評估方法，由此得出以下結論。

(1) 2008年以前，宜昌站汛期發生洪峰流量在30 000～55 000 m3/s的中小洪水期較為頻繁，洪峰流量超過55 000 m3/s的洪水發生頻率則較低；近10 a來，三峽水庫共發生中小洪水洪峰流量174次，僅在7月份出現過洪峰流量超過55 000 m3/s的洪水，7月至9月中旬有較大幾率出現中小洪水。

(2) 三峽水庫中小洪水調度性能風險取決于安全閾值的選取，本研究中，水庫防洪、發電、庫區地質、航運以及汛末下游供水與蓄水的安全閾值是根據汛期中小洪水調度制定的各項調度規程確定的，不同的安全閾值得出不同的風險值。

(3) 與初步設計方案相比，調度實踐方案的防洪庫容利用效率高，提高了發電效益，蓄滿風險降低，汛末下游供水風險下降明顯，發電、航運與庫區地質風險變化不大，但防洪風險明顯增大。 運用水庫調度性能風險評估方法較為全面地對三峽水庫汛期中小洪水調度潛在的風險問題進了評估分析，評估結果可為汛期洪水資源利用提供一定的技術支撐。