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(jí)調(diào)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(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

三峽水利樞紐是治理與開發(fā)長江的關(guān)鍵性骨干工程，其主要調(diào)度任務(wù)是在保證工程安全的前提下，充分發(fā)揮防洪、發(fā)電、航運(yùn)、水資源利用等綜合效益[1-2]。三峽工程自建成運(yùn)行以來，長江航運(yùn)規(guī)模得到迅猛發(fā)展，水運(yùn)貨運(yùn)量長期位居全球內(nèi)河首位，長江“黃金水道”作用愈發(fā)顯現(xiàn)[3]。

汛期尤其是大流量洪水期間，在三峽-葛洲壩梯級(jí)附近水域大多數(shù)船舶無法正常航運(yùn)行駛，因此容易造成船舶積壓滯留現(xiàn)象[4-6]。近年特別是2020年汛期，長江干流先后發(fā)生5次編號(hào)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(yán)峻考驗(yàn)[7]。受大流量入庫影響，三峽船閘和三峽升船機(jī)5次停航度汛，調(diào)度水域內(nèi)待閘船舶最多時(shí)達(dá)1 145艘、貨物積壓近450萬t，10 000余名船員在三峽梯級(jí)上下游滯留，給船員正常生產(chǎn)生活和船舶調(diào)度管理運(yùn)行帶來較大不利影響。

針對(duì)汛期因大洪水而滯留在兩壩間的各類船舶，航運(yùn)部門提出在確保防洪安全的前提下，結(jié)合防洪調(diào)度需求，采取間隔控制大、小下泄流量的方式進(jìn)行調(diào)度，在短時(shí)間內(nèi)將三峽水庫下泄流量控制到航運(yùn)安全流量，避免和減少因持續(xù)的大流量泄洪而導(dǎo)致長時(shí)間船舶限航積壓造成的經(jīng)濟(jì)損失[8-10]。為此，在對(duì)三峽-葛洲壩梯級(jí)航運(yùn)相關(guān)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上[11-13]，筆者對(duì)兩壩間的航運(yùn)調(diào)度需求與船舶疏散應(yīng)急調(diào)度進(jìn)行研究，并回顧分析2020年汛期船舶疏散典型調(diào)度案例，以期為實(shí)現(xiàn)汛期兩壩間船舶疏散科學(xué)調(diào)度提供支撐與參考。

1 三峽-葛洲壩兩壩間航運(yùn)調(diào)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(jù)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(guān)段，多為峽谷，河寬常在250～700 m之間，全段峰回河轉(zhuǎn)，岸壁陡峭，多急彎、瓶頸段，兩岸多有山咀伸布江中，錯(cuò)相對(duì)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(fù)雜流態(tài)發(fā)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(guān)-葛洲壩大壩段，為山區(qū)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(xiàn)為局部流態(tài)惡劣、流速與局部水面比降較大等特點(diǎn)，其中蓮沱、喜灘、石牌、三游洞附近水域流態(tài)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(jí)通航標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)三峽大壩與葛洲壩設(shè)計(jì)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(duì)較差，該河段過閘船舶根據(jù)主機(jī)功率分級(jí)通航(見表1)。

表1 不同功率船舶兩壩間允許通航流量標(biāo)準(zhǔn)

隨著長江船舶不斷向大型化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，小主機(jī)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(jí)的三峽出庫水庫流量對(duì)于絕大多數(shù)船舶均能夠安全航行。汛期在保證上下游防洪安全的同時(shí)，適當(dāng)考慮兩壩間航運(yùn)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(diào)，保障滯留積壓船舶安全有序疏散，盡可能最大程度發(fā)揮三峽水利樞紐的綜合效益。

1.3 兼顧航運(yùn)的三峽水庫綜合調(diào)度需求

三峽工程的首要任務(wù)是防洪，實(shí)施防洪調(diào)度能使得荊江河段防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到百年一遇，對(duì)荊江河段行洪安全起到關(guān)鍵的調(diào)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(dāng)下泄流量在40 000 m3/s及以上時(shí)，兩壩間將出現(xiàn)大量船舶積壓，開展船舶疏散應(yīng)急調(diào)度的需求將格外迫切。而作為電力系統(tǒng)的骨干電源，三峽水電站的發(fā)電調(diào)度對(duì)支撐電網(wǎng)供電、維護(hù)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行具有重要意義。因此，保證防洪、兼顧航運(yùn)等需求下，三峽電站應(yīng)充分考慮電網(wǎng)運(yùn)行的負(fù)荷特性與電量平衡特點(diǎn)，以優(yōu)化發(fā)電調(diào)度中的發(fā)電計(jì)劃制訂與調(diào)整等。2019年修訂版調(diào)度規(guī)程規(guī)定[1]：當(dāng)三峽水庫實(shí)時(shí)入庫流量小于28 000 m3/s且預(yù)報(bào)未來3 d入庫流量不大于30 000 m3/s時(shí)，沙市站、城陵磯站水位分別在41.0 m和30.5 m以下；預(yù)報(bào)洞庭湖水系未來3 d無中等強(qiáng)度以上降雨時(shí)，三峽水庫庫水位變動(dòng)上限可提升至148.0 m，此舉有利于提高水資源利用率，進(jìn)而增發(fā)電量。此外，為滿足汛期“蓄清排渾”泥沙調(diào)度與三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防需求，實(shí)施兼顧航運(yùn)需求的應(yīng)急調(diào)度時(shí)應(yīng)以不降低庫岸穩(wěn)定為前提，處理好防洪與泥沙淤積的關(guān)系，控泄過程中應(yīng)注意蓄水速率和預(yù)泄速度。

2 汛期船舶疏散應(yīng)急調(diào)度方式研究

2.1 水庫應(yīng)急調(diào)度啟用原則

三峽水庫汛期兼顧航運(yùn)需求的水庫應(yīng)急調(diào)度方式，并不是常規(guī)性的調(diào)度，而是一種汛期酌情啟用的機(jī)動(dòng)性調(diào)度，應(yīng)以既不降低水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)、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(yù)泄至汛限水位為條件，由防汛部門根據(jù)防洪形勢、實(shí)際來水和預(yù)測預(yù)報(bào)情況，兼顧航運(yùn)需求，利用三峽水庫部分庫容對(duì)長江上游中小洪水進(jìn)行機(jī)動(dòng)調(diào)度。

2.2 應(yīng)急調(diào)度水庫運(yùn)用庫容分析

三峽水庫優(yōu)化調(diào)度方案在初步設(shè)計(jì)階段的基礎(chǔ)上，結(jié)合近期的江湖關(guān)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(biāo)準(zhǔn)前提下，提出了現(xiàn)階段合理可行的兼顧對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償調(diào)度方式。

當(dāng)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(yùn)用三峽水庫防洪庫容對(duì)城陵磯河段進(jìn)行防洪補(bǔ)償調(diào)度。具體補(bǔ)償調(diào)度方式[1]為：① 對(duì)城陵磯地區(qū)進(jìn)行防洪補(bǔ)償調(diào)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(shè)計(jì)水位的情況，此時(shí)需要三峽水庫攔蓄洪水以減輕該地區(qū)分蓄洪壓力；② 汛期因調(diào)控城陵磯地區(qū)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(shí)，按控制城陵磯水位34.40 m進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，此情況下對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償調(diào)度的庫容是56.5億m3；③ 當(dāng)三峽水庫水位高于155.00 m之后，一般情況下轉(zhuǎn)為對(duì)荊江河段進(jìn)行防洪補(bǔ)償調(diào)度。如城陵磯附近地區(qū)防洪形勢依然嚴(yán)峻，在保證防洪安全前提下，加強(qiáng)溪洛渡、向家壩等上游水庫群與三峽水庫聯(lián)合調(diào)度，原則上調(diào)度水位不超過158.00 m，此情況下對(duì)城陵磯防洪補(bǔ)償調(diào)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(duì)城陵磯河段進(jìn)行防洪補(bǔ)償調(diào)度的庫容應(yīng)在56.5億～76.6億m3之間。

當(dāng)長江上游發(fā)生中小洪水，根據(jù)實(shí)時(shí)雨水情和預(yù)測預(yù)報(bào)，在三峽水庫尚不需要實(shí)施對(duì)荊江或城陵磯河段河段進(jìn)行防洪補(bǔ)償調(diào)度，且有充分把握保障防洪安全時(shí)，三峽水庫可以相機(jī)進(jìn)行調(diào)洪運(yùn)用。兩壩間船舶應(yīng)急疏散調(diào)度可利用庫容的確定可參考城陵磯補(bǔ)償調(diào)度的庫容，但實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)統(tǒng)籌考慮防洪安全、上下游來水與防洪形勢、航運(yùn)調(diào)度要求等因素靈活開展。

2.3 兼顧航運(yùn)需求的水庫應(yīng)急調(diào)度方式

(1) 三峽水庫滯洪調(diào)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(diào)度期間，如航運(yùn)部門迫切要求改善兩壩間航運(yùn)條件以疏散大量滯留積壓船舶，則在根據(jù)未來預(yù)報(bào)預(yù)留足夠防洪庫容的前提下，可考慮水庫按航運(yùn)要求控泄，具體應(yīng)急調(diào)度方案如表2所列。

表2 考慮航運(yùn)需求的水庫應(yīng)急調(diào)度方案

(3) 若庫水位高于汛限水位145.00 m，當(dāng)預(yù)報(bào)未來3～5 d內(nèi)可能出現(xiàn)超過45 000 m3/s的洪水或預(yù)泄水量后城陵磯水位可能超過32.50 m時(shí)，或者中上游將出現(xiàn)中等強(qiáng)度以上系統(tǒng)性降雨時(shí)，應(yīng)及時(shí)預(yù)泄至汛限水位145.00 m。

(4) 在三峽水庫上游來水減弱時(shí)段，當(dāng)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(dòng)范圍內(nèi))。

(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(yùn)需求的中小洪水滯洪調(diào)度終止。

3 汛期船舶疏散典型調(diào)度案例分析

3.1 洪水背景

長江流域自2020年6月進(jìn)入梅雨期以來，呈現(xiàn)入梅時(shí)間早、梅雨鋒強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間長等特點(diǎn)。在多輪次大范圍強(qiáng)降雨影響下，長江干流及洞庭湖、鄱陽湖地區(qū)均遭遇較大洪水過程，長江主要控制性水文站點(diǎn)水位不斷上漲，多數(shù)站點(diǎn)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(qū)間來水顯著增加，三峽水庫先后迎來長江1號(hào)洪水、2號(hào)洪水、3號(hào)洪水，洪峰流量分別達(dá)到53 000，61 000，60 000 m3/s，3場洪水過程聯(lián)系緊密且影響時(shí)間長，其主要洪水調(diào)度特征參數(shù)見表3。

表3 2020年7月長江編號(hào)洪水調(diào)度特征參數(shù)

3.2 洪水過程分析

進(jìn)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(xiàn)為接近中小洪水量級(jí)，壩前水位持續(xù)走高，月末調(diào)洪水位已漲至162.00 m左右。為應(yīng)對(duì)接下來可能發(fā)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(shù)船舶因無法滿足安全航行條件而滯留積壓，最長待閘時(shí)間達(dá)22 d，航運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展受阻，引起了社會(huì)較大關(guān)切。在此情形下，三峽通航管理部門緊急聯(lián)系長江水利委員會(huì)(以下簡稱長江委)，提出結(jié)合防洪形勢適時(shí)開展船舶疏散應(yīng)急調(diào)度需求。

通過全面分析評(píng)估三峽水庫來水與上下游防洪形勢，經(jīng)多方協(xié)調(diào)權(quán)衡，長江委于7月31日下發(fā)調(diào)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(shí)關(guān)閉2個(gè)泄流深孔，20：00稍早前再度開啟2個(gè)深孔，精準(zhǔn)滿足了調(diào)度令控泄要求。應(yīng)急調(diào)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(gè)重要的控制性水文站，沙市與城陵磯站的水位流量關(guān)系通常較為復(fù)雜。已有研究表明：當(dāng)城陵磯水位較高時(shí)，要保證沙市不突破警戒水位(43.00 m)，相應(yīng)三峽水庫的最大下泄流量應(yīng)不大于45 000 m3/s；當(dāng)城陵磯水位在32.00 m以下時(shí)，既保證沙市不突破警戒水位，相應(yīng)三峽水庫的最大泄量應(yīng)不大于48 000 m3/s，若要保證沙市不突破42.00 m(原設(shè)防水位)，相應(yīng)三峽水庫的最大泄量應(yīng)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(yīng)急調(diào)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(shí)施船舶疏散應(yīng)急調(diào)度后，沙市水位短期內(nèi)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(yīng)急調(diào)度來說，三峽下泄流量短時(shí)間內(nèi)的減小對(duì)長江中下游防洪形勢幾乎沒有影響，僅是三峽庫水位在經(jīng)歷短暫抬升后迅速回落，保證了可利用防洪庫容。調(diào)度期間及前后，由于發(fā)電水頭充足，三峽-葛洲壩梯級(jí)電站保持56臺(tái)機(jī)組滿發(fā)狀態(tài)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了汛期水電大發(fā)多發(fā)，維護(hù)了電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定。此外，該期間三峽庫區(qū)未發(fā)生明顯庫岸崩塌與地質(zhì)災(zāi)害情況，三峽樞紐泄水設(shè)施的短期啟閉對(duì)泥沙淤積沖刷基本未造成影響。

3.3 調(diào)度結(jié)果

在接到應(yīng)急調(diào)度計(jì)劃后，航運(yùn)部門按照“危險(xiǎn)品船舶集中疏散、重點(diǎn)集運(yùn)物資優(yōu)先安排、長時(shí)間待閘船舶適當(dāng)兼顧”的原則，及時(shí)優(yōu)化船舶過壩調(diào)度組織，應(yīng)急恢復(fù)葛洲壩1號(hào)船閘運(yùn)行，重點(diǎn)安排載運(yùn)非易燃易爆危險(xiǎn)品船舶通過。并且，加強(qiáng)各海事機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)，提前將相關(guān)船舶調(diào)至核心水域，即到即檢，保障應(yīng)急疏散計(jì)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(shí)機(jī)，8月1日05：00～20：00時(shí)，包括危險(xiǎn)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(wù)的三峽水庫應(yīng)急調(diào)度，在確保長江防洪安全，統(tǒng)籌考慮發(fā)電、泥沙、地質(zhì)等條件下，較好地滿足了航運(yùn)調(diào)度需求，達(dá)到了總體調(diào)度的預(yù)期目標(biāo)，有效發(fā)揮了三峽水庫的綜合效益，是一次成功的船舶疏散應(yīng)急調(diào)度，可作為典型調(diào)度案例供今后參考。

4 結(jié) 論

(1) 三峽-葛洲壩兩壩間河段自然流態(tài)較差，汛期特別是中等至大洪水期，極易出現(xiàn)船舶積壓滯留現(xiàn)象。開展以船舶疏散為主要目標(biāo)的三峽水庫應(yīng)急調(diào)度，需以防洪安全作為根本前提，兼顧考慮發(fā)電、泥沙、地質(zhì)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(jī)動(dòng)性調(diào)度，三峽水庫汛期兼顧航運(yùn)需求的應(yīng)急調(diào)度，主要處理防洪與航運(yùn)的關(guān)系。在防洪風(fēng)險(xiǎn)可控的前提下，可借鑒城陵磯防洪補(bǔ)償調(diào)度要求靈活開展船舶疏散應(yīng)急調(diào)度，調(diào)度時(shí)機(jī)與方式根據(jù)不同控制目標(biāo)綜合考慮選取。

(3) 2020年8月初實(shí)施的船舶疏散應(yīng)急調(diào)度，克服了壩前水位高、上下游防洪形勢復(fù)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(chuàng)造了良好條件，充分發(fā)揮了三峽工程的綜合效益。此次應(yīng)急調(diào)度時(shí)間緊、難度大，可作為船舶疏散的典型調(diào)度案例進(jìn)行復(fù)盤分析。