(武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

1 研究背景

三峽水利樞紐工程是長(zhǎng)江干流上治理、開發(fā)、利用及保護(hù)流域水資源的骨干工程。《長(zhǎng)江三峽水利樞紐初步設(shè)計(jì)報(bào)告》(以下簡(jiǎn)稱《初步設(shè)計(jì)報(bào)告》)要求汛期僅對(duì)入庫流量超過55 000 m3/s的洪水進(jìn)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(shì)，《初步設(shè)計(jì)報(bào)告》的調(diào)度方式未能合理利用中小洪水資源，會(huì)影響到三峽工程的綜合效益[2-3]。為了充分發(fā)揮三峽水庫的綜合效益，對(duì)三峽水庫中小洪水實(shí)施調(diào)度成為近年來關(guān)注的具有現(xiàn)實(shí)意義的科學(xué)問題。

針對(duì)三峽水庫中小洪水調(diào)度方式，不同學(xué)者開展了相應(yīng)的研究。周新春等提出了大型水庫中小洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)調(diào)度技術(shù)體系[4]，并使該技術(shù)體系在三峽水庫進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐。陳桂亞等提出了中小洪水實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制技術(shù)路線以及調(diào)度結(jié)果風(fēng)險(xiǎn)分析方法[5]，并以三峽水庫為例進(jìn)行了調(diào)度實(shí)踐。周研來等建立了混聯(lián)水庫群汛限水位聯(lián)合運(yùn)用和動(dòng)態(tài)控制模型[6]，并對(duì)以三峽梯級(jí)和清江梯級(jí)組成的混聯(lián)水庫群進(jìn)行了實(shí)例分析。胡挺等提出了結(jié)合庫水位與入庫流量大小的中小洪水分級(jí)調(diào)度規(guī)則[7]，同時(shí)結(jié)合三峽水庫實(shí)際情況進(jìn)行了實(shí)例分析。周建中等提出了基于運(yùn)行水位—入庫流量—下泄流量邊界的防洪調(diào)度方式[8]，建立了基于多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度的汛期綜合運(yùn)用模型，并針對(duì)三峽工程梯級(jí)進(jìn)行了實(shí)例研究?？傮w來說，上述研究成果都為開展對(duì)三峽水庫中小洪水的調(diào)度方式、技術(shù)體系以及控制運(yùn)用綜合模型的研究奠定了良好的理論基礎(chǔ)。

三峽水庫自2009年即開始進(jìn)行汛期中小洪水調(diào)度實(shí)踐，在利用中小洪水資源以提高發(fā)電、航運(yùn)效益的同時(shí)，如果水庫水位長(zhǎng)期處于擬定的汛限水位以上就會(huì)產(chǎn)生超出預(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)。為此，對(duì)中小洪水調(diào)度過程風(fēng)險(xiǎn)問題開展研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)水庫調(diào)度中存在的風(fēng)險(xiǎn)問題，王才君等針對(duì)三峽水庫汛限水位動(dòng)態(tài)控制問題建立了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)綜合模型[9]，并將該模型用于對(duì)調(diào)度方案的優(yōu)選，得到了相對(duì)合理的動(dòng)態(tài)汛限水位方案。馮平等通過分析水庫調(diào)整汛限水位涉及的因素[10]，建立了風(fēng)險(xiǎn)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其估算方法，并針對(duì)東武仕水庫進(jìn)行了實(shí)例分析。閆寶偉等結(jié)合隔河巖水庫實(shí)例，將洪水過程預(yù)報(bào)誤差的不確定性轉(zhuǎn)化為水庫水位變化的不確定性[11]，從而對(duì)水庫防洪預(yù)報(bào)調(diào)度的風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行了分析。付湘等建立了基于綜合利用水庫調(diào)度模型的調(diào)度性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[12]，并以新安江水庫調(diào)度為例進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。

整體來看，針對(duì)水庫調(diào)度中的風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估的指標(biāo)體系及其評(píng)估方法有了一定的技術(shù)支撐，但是三峽水庫中小洪水調(diào)度存在著防洪、庫區(qū)地質(zhì)、航運(yùn)、下游供水等多方面風(fēng)險(xiǎn)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(chǔ)上，結(jié)合初步設(shè)計(jì)方案與2008～2017年調(diào)度實(shí)踐方案，提出了三峽水庫中小洪水調(diào)度性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，以全面評(píng)估中小洪水調(diào)度中存在的防洪、發(fā)電、庫區(qū)地質(zhì)、汛末下游供水及蓄滿的風(fēng)險(xiǎn)。

2 三峽水庫中小洪水特性與調(diào)度方案

為全面了解三峽水庫中小洪水汛期發(fā)生、發(fā)展特征及其變化規(guī)律，對(duì)宜昌站1950～2007年汛期實(shí)測(cè)日徑流資料及2008～2017年三峽水庫汛期實(shí)測(cè)入庫流量資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)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(zhì)[3]；然后，按照汛期各旬統(tǒng)計(jì)的日均洪峰流量來分析其分布規(guī)律。

由表1可知，2008年以前，三峽水庫汛期發(fā)生洪峰流量在30 000～55 000 m3/s的中小洪水較為頻繁，可以認(rèn)為在6月10日控制汛限水位145 m后均有較大幾率發(fā)生中小洪水；洪峰流量超過55 000 m3/s的洪水發(fā)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(fā)生過。

表1 1950～2007年宜昌站汛期各旬洪水洪峰流量出現(xiàn)次數(shù)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(jìn)行175 m試驗(yàn)性蓄水以后，自6月下旬至9月下旬共出現(xiàn)中小洪水洪峰流量174次，僅在7月份出現(xiàn)過洪峰流量超過55 000 m3/s的情況。

對(duì)年際徑流量變化及汛期洪峰流量分布規(guī)律進(jìn)行了綜合分析，結(jié)果表明：三峽水庫汛期洪水資源充沛，中小洪水頻發(fā)，而大洪水發(fā)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(xiàn)次數(shù)Tab.2 Number of flood peak occurance during the flood season at the Three Gorges Reservoir from 2008 to 2017 次

依據(jù)《初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，三峽水庫汛期6～9月維持汛限水位145 m運(yùn)行，對(duì)荊江河段進(jìn)行防洪補(bǔ)償調(diào)度。

(1) 當(dāng)水位145.0 m≤zi≤166.9 m時(shí)，對(duì)于55 000 m3/s及以下來水，出庫流量等于入庫流量;對(duì)于55 000 m3/s以上來水，出庫流量等于55 000 m3/s。

(2)當(dāng)水位zi≤166.9 m時(shí)，出庫流量根據(jù)入庫流量在55 000 m3/s以上調(diào)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(jī)組保證出力對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)報(bào)告》的調(diào)度方案一方面未能充分利用防洪庫容，降低發(fā)電、航運(yùn)等效益；另一方面又增加了下游沙市、城陵磯地區(qū)的防洪壓力。同時(shí)，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(shè)計(jì)報(bào)告》成果資料減少11.41%，壩址上游徑流量呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。為此，自2008年開始進(jìn)行175 m試驗(yàn)性蓄水以來，依據(jù)《三峽水庫優(yōu)化調(diào)度方案》，首次提出了在保證防洪安全、滿足航運(yùn)要求的前提下，充分利用興利調(diào)節(jié)庫容，合理調(diào)配水量，適度利用洪水資源，增加發(fā)電效益[13]。同時(shí)，《三峽水庫優(yōu)化調(diào)度方案》及《三峽(正常運(yùn)行期)—葛洲壩水利樞紐梯級(jí)調(diào)度規(guī)程》調(diào)度實(shí)踐方案優(yōu)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(yù)報(bào)短期不會(huì)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(jù)三峽水庫中小洪水特性，對(duì)于汛期三峽水庫中小洪水調(diào)度的初步設(shè)計(jì)與調(diào)度實(shí)踐方案進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)于合理利用中小洪水資源、發(fā)揮三峽水庫綜合效益均具有重要的參考價(jià)值。

3 三峽水庫中小洪水調(diào)度性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

針對(duì)汛期中小洪水調(diào)度中存在的防洪、發(fā)電、庫區(qū)地質(zhì)、航運(yùn)、汛末下游供水及蓄滿等多方面的風(fēng)險(xiǎn)問題，將水資源系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法引入到調(diào)度性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，以有效衡量各類風(fēng)險(xiǎn)的輕重。將風(fēng)險(xiǎn)定義如下[12,15-16]：

R(x)=[R1(x),…,Ri(x),…,Rp(x)]

(1)

(2)

式中,R(x)為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)集，[R1(x),…,Ri(x),…,Rp(x)]為各類風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，i=1,2，…,p；x為影響各類風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的自變量，比如：水位、流量、出力等；Zi,t(x)為第t時(shí)段第i類風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指示函數(shù)；T為調(diào)度周期內(nèi)計(jì)算時(shí)段總數(shù)。本文研究中，取p=6，分別為汛期防洪風(fēng)險(xiǎn)、發(fā)電風(fēng)險(xiǎn)、庫區(qū)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、汛末下游供水風(fēng)險(xiǎn)及蓄滿風(fēng)險(xiǎn)，下面將著重描述這些風(fēng)險(xiǎn)指示函數(shù)的計(jì)算方法。

3.1 汛期防洪風(fēng)險(xiǎn)

汛期中小洪水調(diào)度勢(shì)必會(huì)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(duì)不確定的情況下，會(huì)給水庫防洪帶來風(fēng)險(xiǎn)。建立指示函數(shù)如下[14]：

(3)

式中,Z1,t為第t時(shí)段汛期防洪風(fēng)險(xiǎn)指示函數(shù)；x1,t為第t時(shí)段的水庫上游水位,m；S1為防洪安全運(yùn)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(dāng)前計(jì)算時(shí)段，t0為9月10日允許汛末蓄水的計(jì)算時(shí)段；U1為防洪風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行水位范圍。

3.2 發(fā)電風(fēng)險(xiǎn)

為了對(duì)各個(gè)電網(wǎng)的電力電量進(jìn)行平衡，同時(shí)盡量降低水電、火電站開關(guān)機(jī)組的影響，對(duì)三峽水電站日均發(fā)電出力變幅進(jìn)行控制。由于進(jìn)行中小洪水調(diào)度，使得年內(nèi)日出力最大變幅出現(xiàn)在汛期較多，變幅較大，因此會(huì)造成水電站機(jī)組安全運(yùn)行存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)。為此，建立指示函數(shù)如下[14]：

(4)

式中,Z2，t為第t時(shí)段發(fā)電風(fēng)險(xiǎn)指示函數(shù)；x2，t為第t時(shí)段實(shí)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(qū)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

三峽水庫汛期實(shí)施中小洪水調(diào)度時(shí)水庫水位升降頻率高，變幅較大。為此，劉新喜等依據(jù)三峽水庫水位調(diào)控方案及庫區(qū)滑坡地下水作用力學(xué)模式[17]，對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果表明，庫水位下降速率是影響滑坡穩(wěn)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(shù)如下[14]：

(5)

式中,Z3，t為第t時(shí)段庫區(qū)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)指示函數(shù)；x3，t為第t時(shí)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(yùn)風(fēng)險(xiǎn)

三峽船閘設(shè)計(jì)的最大通航流量為56 700 m3/s。實(shí)際運(yùn)行過程中由于受到水流流態(tài)的影響，三峽船閘通航流量一般不超過45 000 m3/s。依據(jù)三峽下泄流量與通航保證率的映射關(guān)系，建立指示函數(shù)如下[8]：

(6)

式中,Z4，t為第t時(shí)段航運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)指示函數(shù);x4，t為第t時(shí)段的水庫下泄流量,m3/s；qh為航運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)控制流量，取25 000m3/s。

3.5 汛末蓄水期下游供水風(fēng)險(xiǎn)

汛末提前蓄水有利于降低汛期過后水庫的蓄滿風(fēng)險(xiǎn)，從而提高枯水期發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。但是提前蓄水也會(huì)影響到下游河湖生態(tài)環(huán)境及供水需求，按照9，10月份不同控制要求，建立風(fēng)險(xiǎn)指示函數(shù)如下[14]。

9月份：

(7)

10月份：

(8)

式中,Z5，t為第t時(shí)段汛末下游供水風(fēng)險(xiǎn)指示函數(shù)；x5，in,t，x5，out,t為第t時(shí)段入庫流量及出庫流量,m3/s；qd1，qd2為保證下游供水指標(biāo)值，分別取10 000m3/s和8 000 m3/s。

3.6 汛末水庫蓄滿風(fēng)險(xiǎn)

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(huì)因枯水期上游水位過低而造成發(fā)電效益的損失[18]?？紤]到10月底水庫蓄滿風(fēng)險(xiǎn)，建立指示函數(shù)如下[19]：

(9)

式中,Z6，t為第t時(shí)段汛末下游供水風(fēng)險(xiǎn)指示函數(shù)；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(jì)算結(jié)果分析

將上述計(jì)算方法應(yīng)用于對(duì)三峽水庫汛期中小洪水調(diào)度性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，這次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估考慮到了初步設(shè)計(jì)與調(diào)度實(shí)踐兩種方案。計(jì)算期為2008～2017年汛期6月10日至10月31日，時(shí)段步長(zhǎng)為日。初步設(shè)計(jì)方案按照《初步設(shè)計(jì)報(bào)告》的調(diào)度規(guī)程，輸入計(jì)算期的入庫流量及初始蓄水位，根據(jù)水位-庫容關(guān)系、尾水-流量關(guān)系及水頭-出力關(guān)系來模擬調(diào)度過程。調(diào)度實(shí)踐方案為近年來三峽水庫開展中小洪水調(diào)度實(shí)踐的實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果。根據(jù)兩種調(diào)度方法下水位、流量、出力過程，運(yùn)用公式(2)～(9)，分別對(duì)汛期防洪風(fēng)險(xiǎn)、發(fā)電風(fēng)險(xiǎn)、庫區(qū)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、航運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)、汛末下游供水風(fēng)險(xiǎn)以及蓄滿風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 2008～2017年三峽水庫不同調(diào)度方案效益及風(fēng)險(xiǎn)
Tab.3Risks and benefits of the Three Gorges Dam different schemes from2008to2017

調(diào)度方案發(fā)電量/億kW·h防洪風(fēng)險(xiǎn)/%發(fā)電風(fēng)險(xiǎn)/%庫區(qū)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)/%航運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)/%汛末下游供水風(fēng)險(xiǎn)/%蓄滿風(fēng)險(xiǎn)/%調(diào)度實(shí)踐方案3927.3954.511.240.6231.2414.6540.00初步設(shè)計(jì)方案3073.690.531.150.1831.2456.4550.00

與初步設(shè)計(jì)方案結(jié)果相比，調(diào)度實(shí)踐方案由于利用了汛期中小洪水資源，而顯著提升了發(fā)電效益，2008～2017年的10 a間，汛期發(fā)電量增加了853.7 億kW·h，防洪風(fēng)險(xiǎn)由0.53%上升至54.51%，汛末下游的供水風(fēng)險(xiǎn)由56.45%下降至14.65%；蓄滿風(fēng)險(xiǎn)由50%下降至40%；發(fā)電、庫區(qū)地質(zhì)與航運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)變化不大。防洪風(fēng)險(xiǎn)顯著上升與安全閾值的選取和計(jì)算期的長(zhǎng)短有關(guān)。三峽水庫建成以來，壩址上游的徑流量呈減少的趨勢(shì)，在新的來水形勢(shì)下，汛期超汛限水位的風(fēng)險(xiǎn)可以通過預(yù)報(bào)調(diào)度技術(shù)得到有效控制。

為了解調(diào)度運(yùn)用過程年際間的變化情況，將初步設(shè)計(jì)方案與調(diào)度實(shí)踐方案計(jì)算期內(nèi)的汛期最高水位、10月末的蓄水位及汛期的發(fā)電量進(jìn)行了對(duì)比分析。

由圖1可以看出，調(diào)度實(shí)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(fēng)險(xiǎn)較大；根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案的模擬結(jié)果，最高蓄水位僅為147.54 m，僅在2010年及2012年出現(xiàn)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(fā)揮，同時(shí)，由于實(shí)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(qū)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(yàn)性蓄水控制要求外，水位相對(duì)較低，其余年份的調(diào)度實(shí)踐方案10月末的蓄水位相對(duì)穩(wěn)定，均接近175 m，這主要與汛末提前蓄水有關(guān)；而初步設(shè)計(jì)方案的汛末蓄水模擬結(jié)果則主要是受來水的影響，這也會(huì)影響到枯水期的發(fā)電效益。

由圖3可以看出，調(diào)度實(shí)踐方案的汛期發(fā)電量均要高于初步設(shè)計(jì)方案的汛期發(fā)電量，特別是在2010,2012,2014年的3 a汛期發(fā)電量分別增長(zhǎng)了63.24億,55.27 億kW·h和43.02 億kW·h，這與運(yùn)行水位較高有著密切的關(guān)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(fā)電量Fig.3 Generating capacity during the flood season of the Three Gorges Reservoir from 2008 to 2017

5 結(jié) 論

本文針對(duì)三峽水庫汛期中小洪水調(diào)度中面臨的多方面風(fēng)險(xiǎn)問題，從洪水資源利用與風(fēng)險(xiǎn)全面評(píng)估的角度進(jìn)行了研究；同時(shí)，分析了中小洪水的特性，并結(jié)合三峽水庫初步設(shè)計(jì)方案與2008～2017年的調(diào)度實(shí)踐方案，建立了各類風(fēng)險(xiǎn)指示函數(shù)，提出了調(diào)度性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，由此得出以下結(jié)論。

(1) 2008年以前，宜昌站汛期發(fā)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(fā)生頻率則較低；近10 a來，三峽水庫共發(fā)生中小洪水洪峰流量174次，僅在7月份出現(xiàn)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(xiàn)中小洪水。

(2) 三峽水庫中小洪水調(diào)度性能風(fēng)險(xiǎn)取決于安全閾值的選取，本研究中，水庫防洪、發(fā)電、庫區(qū)地質(zhì)、航運(yùn)以及汛末下游供水與蓄水的安全閾值是根據(jù)汛期中小洪水調(diào)度制定的各項(xiàng)調(diào)度規(guī)程確定的，不同的安全閾值得出不同的風(fēng)險(xiǎn)值。

(3) 與初步設(shè)計(jì)方案相比，調(diào)度實(shí)踐方案的防洪庫容利用效率高，提高了發(fā)電效益，蓄滿風(fēng)險(xiǎn)降低，汛末下游供水風(fēng)險(xiǎn)下降明顯，發(fā)電、航運(yùn)與庫區(qū)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)變化不大，但防洪風(fēng)險(xiǎn)明顯增大。 運(yùn)用水庫調(diào)度性能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法較為全面地對(duì)三峽水庫汛期中小洪水調(diào)度潛在的風(fēng)險(xiǎn)問題進(jìn)了評(píng)估分析，評(píng)估結(jié)果可為汛期洪水資源利用提供一定的技術(shù)支撐。