汛期三峽-葛洲壩兩壩間船舶疏散應急調度研究

程 曉 東，徐 濤，馮 志 州，胡 楊，徐 楊，2

(1.中國長江電力股份有限公司 三峽水利樞紐梯級調度通信中心，湖北 宜昌 443000； 2.中國長江電力股份有限公司 智慧長江與水電科學湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

三峽水利樞紐是治理與開發長江的關鍵性骨干工程，其主要調度任務是在保證工程安全的前提下，充分發揮防洪、發電、航運、水資源利用等綜合效益[1-2]。三峽工程自建成運行以來，長江航運規模得到迅猛發展，水運貨運量長期位居全球內河首位，長江“黃金水道”作用愈發顯現[3]。

汛期尤其是大流量洪水期間，在三峽-葛洲壩梯級附近水域大多數船舶無法正常航運行駛，因此容易造成船舶積壓滯留現象[4-6]。近年特別是2020年汛期，長江干流先后發生5次編號洪水，三峽水利樞紐迎建庫以來最大歷史洪峰75 000 m3/s，長江防洪形勢遭遇嚴峻考驗[7]。受大流量入庫影響，三峽船閘和三峽升船機5次停航度汛，調度水域內待閘船舶最多時達1 145艘、貨物積壓近450萬t，10 000余名船員在三峽梯級上下游滯留，給船員正常生產生活和船舶調度管理運行帶來較大不利影響。

針對汛期因大洪水而滯留在兩壩間的各類船舶，航運部門提出在確保防洪安全的前提下，結合防洪調度需求，采取間隔控制大、小下泄流量的方式進行調度，在短時間內將三峽水庫下泄流量控制到航運安全流量，避免和減少因持續的大流量泄洪而導致長時間船舶限航積壓造成的經濟損失[8-10]。為此，在對三峽-葛洲壩梯級航運相關技術研究的基礎上[11-13]，筆者對兩壩間的航運調度需求與船舶疏散應急調度進行研究，并回顧分析2020年汛期船舶疏散典型調度案例，以期為實現汛期兩壩間船舶疏散科學調度提供支撐與參考。

1 三峽-葛洲壩兩壩間航運調度需求分析

1.1 兩壩間河段概況

三峽-葛洲壩兩壩間河段全長約38 km，根據其河勢特征，自上而下可分為3段[14-16]，即：① 三峽大壩-蓮沱段，為寬谷段，河寬一般在650～1 100 m之間；② 蓮沱-南津關段，多為峽谷，河寬常在250～700 m之間，全段峰回河轉，岸壁陡峭，多急彎、瓶頸段，兩岸多有山咀伸布江中，錯相對峙(汛期40 000 m3/s以上水深流急，泡漩、涌浪、夾堰水、剪刀水等復雜流態發育，形成中、高洪水灘；250 00 m3/s以下枯水、平水期水流平順，流速不大)；③ 南津關-葛洲壩大壩段，為山區峽谷型河段向平原河道過渡段，河寬從600 m增加到葛洲壩壩前的2 400 m，壩前500 m北岸有較大支流黃柏河匯入。兩壩間通航控制河段主要表現為局部流態惡劣、流速與局部水面比降較大等特點，其中蓮沱、喜灘、石牌、三游洞附近水域流態較差，均存在不同程度航行困難。兩壩間河段如圖1所示。

圖1 三峽-葛洲壩兩壩間河段示意Fig.1 Sketch map of the reach between the Three Gorges Dam and Gezhouba Dam

1.2 兩壩間船舶分級通航標準

根據三峽大壩與葛洲壩設計通航流量要求，三峽船閘最大通航流量為56 700 m3/s，大江航道最大通航流量為35 000 m3/s，三江上游航道迎向最大通航流量為45 000 m3/s，三江下游航道最大通航流量為60 000 m3/s。因兩壩間航道水流條件相對較差，該河段過閘船舶根據主機功率分級通航(見表1)。

表1 不同功率船舶兩壩間允許通航流量標準

隨著長江船舶不斷向大型化和標準化發展，小主機功率船舶逐漸減少，尤其270 kW以下功率的船舶通過兩壩間占比很小，因此30 000 m3/s量級的三峽出庫水庫流量對于絕大多數船舶均能夠安全航行。汛期在保證上下游防洪安全的同時，適當考慮兩壩間航運訴求和通航條件，將三峽水庫出庫控制在30 000～35 000 m3/s之間或視情況略有上調，保障滯留積壓船舶安全有序疏散，盡可能最大程度發揮三峽水利樞紐的綜合效益。

1.3 兼顧航運的三峽水庫綜合調度需求

三峽工程的首要任務是防洪，實施防洪調度能使得荊江河段防洪標準達到百年一遇，對荊江河段行洪安全起到關鍵的調控作用。三峽水庫下泄流量是兩壩間能否通航的決定性因素，當下泄流量在40 000 m3/s及以上時，兩壩間將出現大量船舶積壓，開展船舶疏散應急調度的需求將格外迫切。而作為電力系統的骨干電源，三峽水電站的發電調度對支撐電網供電、維護電力系統安全運行具有重要意義。因此，保證防洪、兼顧航運等需求下，三峽電站應充分考慮電網運行的負荷特性與電量平衡特點，以優化發電調度中的發電計劃制訂與調整等。2019年修訂版調度規程規定[1]：當三峽水庫實時入庫流量小于28 000 m3/s且預報未來3 d入庫流量不大于30 000 m3/s時，沙市站、城陵磯站水位分別在41.0 m和30.5 m以下；預報洞庭湖水系未來3 d無中等強度以上降雨時，三峽水庫庫水位變動上限可提升至148.0 m，此舉有利于提高水資源利用率，進而增發電量。此外，為滿足汛期“蓄清排渾”泥沙調度與三峽庫區地質災害預防需求，實施兼顧航運需求的應急調度時應以不降低庫岸穩定為前提，處理好防洪與泥沙淤積的關系，控泄過程中應注意蓄水速率和預泄速度。

2 汛期船舶疏散應急調度方式研究

2.1 水庫應急調度啟用原則

三峽水庫汛期兼顧航運需求的水庫應急調度方式，并不是常規性的調度，而是一種汛期酌情啟用的機動性調度，應以既不降低水庫防洪標準、也基本不增加下游防洪壓力為前提，以大洪水來臨之前可將水庫水位預泄至汛限水位為條件，由防汛部門根據防洪形勢、實際來水和預測預報情況，兼顧航運需求，利用三峽水庫部分庫容對長江上游中小洪水進行機動調度。

2.2 應急調度水庫運用庫容分析

三峽水庫優化調度方案在初步設計階段的基礎上，結合近期的江湖關系變化，通過綜合分析研究，在保證樞紐大壩安全和不降低荊江防洪標準前提下，提出了現階段合理可行的兼顧對城陵磯防洪補償調度方式。

當遇到三峽水庫上游來水不大而城陵磯附近(主要是洞庭湖)來水較大，而且迫切需要三峽水庫攔洪以減輕下游分洪壓力的情況，需合理運用三峽水庫防洪庫容對城陵磯河段進行防洪補償調度。具體補償調度方式[1]為：① 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(蓮花塘)站水位將超過長江干流堤防設計水位的情況，此時需要三峽水庫攔蓄洪水以減輕該地區分蓄洪壓力；② 汛期因調控城陵磯地區洪水而需要三峽水庫攔蓄洪水，且水庫水位不高于155.00 m時，按控制城陵磯水位34.40 m進行補償調節，此情況下對城陵磯防洪補償調度的庫容是56.5億m3；③ 當三峽水庫水位高于155.00 m之后，一般情況下轉為對荊江河段進行防洪補償調度。如城陵磯附近地區防洪形勢依然嚴峻，在保證防洪安全前提下，加強溪洛渡、向家壩等上游水庫群與三峽水庫聯合調度，原則上調度水位不超過158.00 m，此情況下對城陵磯防洪補償調度的庫容是76.6億m3。因此，汛期三峽水庫水位在不同條件下，兼顧對城陵磯河段進行防洪補償調度的庫容應在56.5億～76.6億m3之間。

當長江上游發生中小洪水，根據實時雨水情和預測預報，在三峽水庫尚不需要實施對荊江或城陵磯河段河段進行防洪補償調度，且有充分把握保障防洪安全時，三峽水庫可以相機進行調洪運用。兩壩間船舶應急疏散調度可利用庫容的確定可參考城陵磯補償調度的庫容，但實際運用中應統籌考慮防洪安全、上下游來水與防洪形勢、航運調度要求等因素靈活開展。

2.3 兼顧航運需求的水庫應急調度方式

(1) 三峽水庫滯洪調度，一般按沙市站水位不超過警戒水位43.00 m、城陵磯站(蓮花塘站)水位不超過警戒水位32.50 m控制。

(2) 汛期開展中小洪水調度期間，如航運部門迫切要求改善兩壩間航運條件以疏散大量滯留積壓船舶，則在根據未來預報預留足夠防洪庫容的前提下，可考慮水庫按航運要求控泄，具體應急調度方案如表2所列。

表2 考慮航運需求的水庫應急調度方案

(3) 若庫水位高于汛限水位145.00 m，當預報未來3～5 d內可能出現超過45 000 m3/s的洪水或預泄水量后城陵磯水位可能超過32.50 m時，或者中上游將出現中等強度以上系統性降雨時，應及時預泄至汛限水位145.00 m。

(4) 在三峽水庫上游來水減弱時段，當入庫流量小于42 000 m3/s，則水庫按約42 000～45 000 m3/s左右流量控泄，逐漸降低水庫水位至防洪限制水位(在其允許浮動范圍內)。

(5) 水庫水位降低至防洪限制水位，下泄流量等于入庫流量且小于30 000 m3/s后，該次兼顧航運需求的中小洪水滯洪調度終止。

3 汛期船舶疏散典型調度案例分析

3.1 洪水背景

長江流域自2020年6月進入梅雨期以來，呈現入梅時間早、梅雨鋒強且持續時間長等特點。在多輪次大范圍強降雨影響下，長江干流及洞庭湖、鄱陽湖地區均遭遇較大洪水過程，長江主要控制性水文站點水位不斷上漲，多數站點突破警戒水位，部分逼近保證水位。7月份長江上游干流、主要支流及三峽區間來水顯著增加，三峽水庫先后迎來長江1號洪水、2號洪水、3號洪水，洪峰流量分別達到53 000，61 000，60 000 m3/s，3場洪水過程聯系緊密且影響時間長，其主要洪水調度特征參數見表3。

表3 2020年7月長江編號洪水調度特征參數

3.2 洪水過程分析

進入7月中下旬以來，三峽水庫入庫流量雖有所減小，但仍表現為接近中小洪水量級，壩前水位持續走高，月末調洪水位已漲至162.00 m左右。為應對接下來可能發生的大洪水，并考慮長江全流域防洪安全，三峽水庫出庫流量始終維持在35 000～40 000 m3/s之間。在此大流量影響下，兩壩間多數船舶因無法滿足安全航行條件而滯留積壓，最長待閘時間達22 d，航運經濟發展受阻，引起了社會較大關切。在此情形下，三峽通航管理部門緊急聯系長江水利委員會(以下簡稱長江委)，提出結合防洪形勢適時開展船舶疏散應急調度需求。

通過全面分析評估三峽水庫來水與上下游防洪形勢，經多方協調權衡，長江委于7月31日下發調度指令：8月1日05：00起三峽水庫出庫流量按34 500 m3/s下泄，8月1日20：00起三峽水庫出庫流量按38 500 m3/s下泄，此后維持。為此，三峽水利樞紐于8月1日05：00左右臨時關閉2個泄流深孔，20：00稍早前再度開啟2個深孔，精準滿足了調度令控泄要求。應急調度前后三峽水庫出入庫流量及庫水位變化過程線如圖2所示。

圖2 船舶疏散期間三峽水庫水位及流量變化過程線Fig.2 Variation of water level and discharge of Three Gorges Reservoir during ship evacuation

作為長江中游兩個重要的控制性水文站，沙市與城陵磯站的水位流量關系通常較為復雜。已有研究表明：當城陵磯水位較高時，要保證沙市不突破警戒水位(43.00 m)，相應三峽水庫的最大下泄流量應不大于45 000 m3/s；當城陵磯水位在32.00 m以下時，既保證沙市不突破警戒水位，相應三峽水庫的最大泄量應不大于48 000 m3/s，若要保證沙市不突破42.00 m(原設防水位)，相應三峽水庫的最大泄量應不大于42 000 m3/s。船舶疏散前后沙市與城陵磯站的水位變化如圖3所示。

圖3 應急調度前后沙市與城陵磯水位變化過程線Fig.3 Water level change hydrograph of Shashi and Chenglingji before and after emergency dispatch

由圖3可以看出：在實施船舶疏散應急調度后，沙市水位短期內有小幅上漲過程，但始終低于警戒水位，城陵磯水位無明顯變化，整體呈下降趨勢，但始終高于警戒水位，初期接近保證水位。從此次應急調度來說，三峽下泄流量短時間內的減小對長江中下游防洪形勢幾乎沒有影響，僅是三峽庫水位在經歷短暫抬升后迅速回落，保證了可利用防洪庫容。調度期間及前后，由于發電水頭充足，三峽-葛洲壩梯級電站保持56臺機組滿發狀態運行，實現了汛期水電大發多發，維護了電網系統穩定。此外，該期間三峽庫區未發生明顯庫岸崩塌與地質災害情況，三峽樞紐泄水設施的短期啟閉對泥沙淤積沖刷基本未造成影響。

3.3 調度結果

在接到應急調度計劃后，航運部門按照“危險品船舶集中疏散、重點集運物資優先安排、長時間待閘船舶適當兼顧”的原則，及時優化船舶過壩調度組織，應急恢復葛洲壩1號船閘運行，重點安排載運非易燃易爆危險品船舶通過。并且，加強各海事機構協調，提前將相關船舶調至核心水域，即到即檢，保障應急疏散計劃順利開展。利用三峽水庫下泄流量減至345 00 m3/s的寶貴時機，8月1日05：00～20：00時，包括危險品船舶61艘共90艘因汛滯留的大小船舶安全通過兩壩間附近水域。

總得來說，本次以船舶疏散為主要任務的三峽水庫應急調度，在確保長江防洪安全，統籌考慮發電、泥沙、地質等條件下，較好地滿足了航運調度需求，達到了總體調度的預期目標，有效發揮了三峽水庫的綜合效益，是一次成功的船舶疏散應急調度，可作為典型調度案例供今后參考。

4 結 論

(1) 三峽-葛洲壩兩壩間河段自然流態較差，汛期特別是中等至大洪水期，極易出現船舶積壓滯留現象。開展以船舶疏散為主要目標的三峽水庫應急調度，需以防洪安全作為根本前提，兼顧考慮發電、泥沙、地質等因素。一般的，將三峽水庫出庫流量控制在30 000～35 000 m3/s左右，可較好地滿足滯留船舶的撤離疏散。

(2) 作為一種機動性調度，三峽水庫汛期兼顧航運需求的應急調度，主要處理防洪與航運的關系。在防洪風險可控的前提下，可借鑒城陵磯防洪補償調度要求靈活開展船舶疏散應急調度，調度時機與方式根據不同控制目標綜合考慮選取。

(3) 2020年8月初實施的船舶疏散應急調度，克服了壩前水位高、上下游防洪形勢復雜的不利局面，通過合理減小三峽水庫下泄流量，為積壓船舶的疏散航行創造了良好條件，充分發揮了三峽工程的綜合效益。此次應急調度時間緊、難度大，可作為船舶疏散的典型調度案例進行復盤分析。