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Volume 31 Issue 4
Aug.  2020
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WANG Jun, GUO Shenglian. On Three Gorges Reservoir control water level and operating conditions in flood season[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(4): 473-480. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.001
Citation: WANG Jun, GUO Shenglian. On Three Gorges Reservoir control water level and operating conditions in flood season[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(4): 473-480. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.001

On Three Gorges Reservoir control water level and operating conditions in flood season

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.001
Funds:

The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China 51879192

  • Received Date: 2019-11-15
    Available Online: 2020-05-19
  • Publish Date: 2020-07-01
  • As the cascade reservoirs in the upper reaches of the Yangtze River have been built and put into operation, the hydrological regime and functional requirements of the Three Gorges Reservoir (TGR) have changed significantly compared with that in the design phase. The reservoir operation of maintaining a fixed flood control limited water level (FCLWL) can no longer meet the needs of the new situation. In this paper, the feasibility of the dynamic control of the operating water level of the TGR during the flood season is demonstrated by analysing the setting conditions of the FCLWL during the design phase of the TGR, excavating the characteristics of the floods and the flood encounter rules in the basin. The results show that:① The applicable condition of the 145 m FCLWL in the design stage of TGR is to cope with major floods in the basin, and the occurrence probability of the basin-wide floods is small and has obvious characteristics, which can be predicted in advance by meteorological and hydrological forecast. ② According to the types of floods in the basin, division of flood stage and encounter rules of floods, when it is predicted that a regional flood will occur, FCLWL of the TGR will be set at 145 m from the beginning of June to the end of the Meiyu period, and then the water level will be gradually increased from the end of the Meiyu period to 155m by the 20th of August. ③ With the cooperation of meteorological and hydrological forecasting and joint operation of upstream reservoir group, the operating water level of the TGR during the flood season can fluctuate around 155 m in normal years, and earlier reservoir impoundment would be feasible. ④ The dynamic control of the water level of the TGR during the flood season will not increase the risk of flood control and siltation in the reservoir area. Or rather, it is beneficial to the hydrological regime and the relationship between the rivers and lakes in the middle and lower reaches of the Yangtze River, which can significantly improve the comprehensive utilization benefits of power generation, shipping, ecological protection and water supply.
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    CHEN J C, XU G H, ZHANG M B, et al. Characteristics and driving mechanism of hydrological regime change in the middle reaches of the Yangtze River[M]. Beijing: Science Press, 2019. (in Chinese)
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On Three Gorges Reservoir control water level and operating conditions in flood season

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.001
Funds:

The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China 51879192

Abstract: As the cascade reservoirs in the upper reaches of the Yangtze River have been built and put into operation, the hydrological regime and functional requirements of the Three Gorges Reservoir (TGR) have changed significantly compared with that in the design phase. The reservoir operation of maintaining a fixed flood control limited water level (FCLWL) can no longer meet the needs of the new situation. In this paper, the feasibility of the dynamic control of the operating water level of the TGR during the flood season is demonstrated by analysing the setting conditions of the FCLWL during the design phase of the TGR, excavating the characteristics of the floods and the flood encounter rules in the basin. The results show that:① The applicable condition of the 145 m FCLWL in the design stage of TGR is to cope with major floods in the basin, and the occurrence probability of the basin-wide floods is small and has obvious characteristics, which can be predicted in advance by meteorological and hydrological forecast. ② According to the types of floods in the basin, division of flood stage and encounter rules of floods, when it is predicted that a regional flood will occur, FCLWL of the TGR will be set at 145 m from the beginning of June to the end of the Meiyu period, and then the water level will be gradually increased from the end of the Meiyu period to 155m by the 20th of August. ③ With the cooperation of meteorological and hydrological forecasting and joint operation of upstream reservoir group, the operating water level of the TGR during the flood season can fluctuate around 155 m in normal years, and earlier reservoir impoundment would be feasible. ④ The dynamic control of the water level of the TGR during the flood season will not increase the risk of flood control and siltation in the reservoir area. Or rather, it is beneficial to the hydrological regime and the relationship between the rivers and lakes in the middle and lower reaches of the Yangtze River, which can significantly improve the comprehensive utilization benefits of power generation, shipping, ecological protection and water supply.

WANG Jun, GUO Shenglian. On Three Gorges Reservoir control water level and operating conditions in flood season[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(4): 473-480. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.001
Citation: WANG Jun, GUO Shenglian. On Three Gorges Reservoir control water level and operating conditions in flood season[J]. Advances in Water Science, 2020, 31(4): 473-480. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.04.001
  • 三峡水库设计阶段, 基于洪水峰高量大、洪峰形态对调洪不利、洪水发生的时空代表性等原则选择1981年、1982年和1954年洪水典型推求设计洪水过程线[1];防洪调度采用了对荆江进行补偿的调度方式[2],6月中旬至9月底按汛限水位145 m运用, 控制沙市水位44.5 m(保证水位45.0 m以下0.5 m)对荆江河段防洪补偿调节;在遇大洪水时(枝城流量大于56 700 m3/s), 设置了100年一遇及100年一遇至1 000年一遇洪水(包括类似历史上1870年洪水)时各自的调度方案。2003年以来, 三峡水库调度运行规则逐步得到优化完善。《三峡水库优化调度方案》[3]规定,一般情况下自5月25日—6月10日, 三峡水库视长江中下游来水情况从枯期消落低水位155 m均匀消落到防洪限制水位145 m, 汛期库水位原则上按照145 m控制运行, 实际调度中可视上游来水在145 m以下0.1 m至以上1.5 m范围内变动。汛末蓄水时间提前至不早于9月15日(以后规程批复至不早于9月10日)。

    随着上游巨型梯级水库群的陆续建成投运并纳入流域水工程联合调度, 三峡水库来水来沙条件[4]发生了改变, 中下游水文水资源情势和江湖关系也发生新的变化[5-7], 如果仍然以静止的观点用相对固定的汛限水位145 m为唯一指标, 应对变化了的复杂情势, 显然不符合长江经济带高质量发展对水资源利用提出的新要求。

    本文在确保防洪、充分留足风险余地的前提下, 集合分析运行期致洪成因、遭遇特性、分期规律、风险承受和库区泥沙淤积等, 充分挖掘水文气象预报调度潜能, 提出汛期控制运行水位新方式, 并论证其运用条件和可行性, 为充分发挥三峡水库综合利用效益、减少对中下游影响提供技术支撑。

  • 长江中下游成灾大洪水通常分为流域性和区域性两种类型。流域性大洪水通常是某些支流雨季提前或推迟, 上、中、下游干支流洪水相遭遇, 形成全流域洪水总量很大、持续时间长的大洪水, 如1870年、1931年、1954年、1998年洪水及1848年、1849年、1788年历史洪水。区域性大洪水是上游一些支流或中游支流及干流某些河段发生强度特别大、覆盖面积也较大的集中暴雨, 形成洪峰特别高、洪量也大的洪水, 如1935年、1981年洪水及1860年历史洪水。区域性洪水与所在区域的暴雨直接相关, 如梅雨期暴雨主要与中下游洪水相关, “七下八上”的西部暴雨与长江上游洪水相关。区域性洪水发生时具有两个特征:一是未达到枝城防洪整体设计洪水的限制, 不需考虑荆江补偿调度;二是只需考虑洞庭湖城陵矶补偿调度, 有可能运用局部的蓄滞洪区, 如1996年中游洪水之洞庭湖等。

    能否形成流域性大洪水的关键是中下游梅雨期洪水和上游洪水是否发生遭遇[8]。当气象反常时, 即副热带高压反复进退, 造成梅雨期与副高西伸北抬形成的西部暴雨期连结, 导致上游洪水与中下游洪水的不利遭遇, 有可能形成流域性洪水, 需要考虑中下游超额洪量的分配。

    通过洪水成因和遭遇规律分析, 长江流域的流域性洪水和区域性洪水特征分明, 是可以判别的。研究表明:长江上游干流与汉江、洞庭湖、清江、鄱阳湖最大洪水过程遭遇主要发生在7月, 此时中下游干支流水位抬升导致上游洪水下泄不畅, 于8月出现长江干流全线超警戒水位[7]。分析1949—2018年长江历年洪水资料, 满足流域性洪水标准的只有1954年和1998年。发生流域性洪水时, 洪水历时长, 洪量大, 中下游各主要控制站洪峰水位基本出现在8月份, 详见表 1

    水文站 1954年洪水 1998年洪水
    最高水位/m 峰现时间 最高水位/m 峰现时间
    宜昌 55.73 08-07 54.50 08-17
    枝城 50.61 08-07 50.62 08-17
    沙市 44.67 08-07 45.22 08-17
    城陵矶 34.55 08-03 35.94 08-20
    螺山 33.17 08-08 34.95 08-20
    汉口 29.73 08-18 29.43 08-20
    大通 16.64 08-01 16.32 08-02

    Table 1.  Peak water level of main stations in the middle and lower reaches in case of basin flood

    三峡工程设计时, 考虑的是百年一遇、千年一遇甚至可能最大洪水(PMF), 但在实时调度运行中, 大量面对的是一般年份, 实际需要应对的洪水峰量常远远小于其设计洪水, 纵观宜昌站百余年水文系列, 只有1870年、1931年、1954年、1998年发生了流域性洪水, 换言之, 在一般年份并不需要按设计条件预留221.5亿m3的防洪库容。因此,在调度规程中可以增加一个判断条件, 即当梅雨期将结束时, 判断后续是否会出现二度梅雨(即出现梅雨与西部暴雨遭遇), 中下游主要防洪控制站水位是否难以消退至警戒水位附近, 上游川江洪水与中下游洪水是否会出现遭遇以致产生流域性洪水。如果是, 则维持汛限水位145 m不变, 随时准备对荆江补偿调度;否则, 则定性上可以结合对城陵矶的补偿调度, 将控制运行水位逐渐变动抬高至一可控的高度。可以从间歇期开始5 d后或主要控制站水位退至警戒水位附近时逐渐抬高三峡水库运行水位, 有效利用洪水资源以充分发挥其综合利用效益。

    借助多模型、多途径、多手段综合滚动预报等手段, 气象水文预报的精度和预见期已有长足进步[9]。针对三峡入库洪峰、水量和坝下游城陵矶水位, 短期1~3 d预报平均相对误差绝对值均小于10%, 预报合格率在88%左右, 精度较高, 预报成果可靠;4~7 d平均相对误差绝对值均小于15%, 预报合格率大于70%, 预报成果基本可用;8~10 d预报成果的平均相对误差绝对值均在17%左右, 预报合格率为66%~71.1%, 预报精度水平不高, 但对水文现象的发展趋势有一定把握。通过中期预报可以提前发现系统性不利天气过程, 预见大洪水发生, 提前转入防洪调度。通过短期气象水文预报, 可至少争取3 d的时间为三峡水库应对大洪水预泄至145 m。根据泄流能力分析, 当城陵矶水位较高时, 为保证沙市不突破警戒水位, 相应三峡水库的最大泄量应不大于45 000 m3/s。经测算, 若上游来水在未来3 d自机组满发流量30 000 m3/s逐步增加至45 000 m3/s, 提前3 d按45 000 m3/s进行预泄(电站满发加预泄模式), 可预泄水量约25亿m3, 在预泄期间基本不增加下游防洪压力。因此, 通过实时水情预报辅以三峡水库巨大的预泄能力, 可为汛期运行水位动态控制提供较大的主动性和回旋余地。

  • 2005年, 国家防汛抗旱总指挥部印发了《水库汛限水位动态控制试点工作意见》, 洪水分期是其重要工作基础[10]。长江流域汛期集中了70%以上的年径流量, 最大4个月径流量可达全年的60%以上, 具有明显的季节变化规律, 大洪水常常集中在汛期少数几个月内。因此,汛期洪水具有较为明显的分期特征[11]

    根据雨洪及大气环流资料, 分析宜昌洪水与西太平洋副高季节移动间关系(见图 1), 其洪水发生次数与副热带高压的移动非常匹配, 受副高季节性规律影响, 分期特征明显。采用多种方法研究了上下游洪水发生时间和量级分布规律, 8月20日之后不论是长江上游还是中游清江、洞庭湖水系的洪水, 较主汛期洪水在量级上均锐减;诸方法中选择宜昌站年最大洪峰、7 d、15 d洪量分布作散点分析(见图 2), 散点的频率、大小基本上呈现由弱至强、再由强至弱的规律, 呈双峰鞍型形态, 存在前后分期现象。8月20日和9月10日的分期特征都十分清晰, 尤其对三峡水库以洪量控制为主而言, 7 d、15 d洪量的8月20日分期特征更有意义。

    Figure 1.  Annual maximum flood peak frequency of Yichang station and subtropical high location map

    Figure 2.  Scatter plot of annual maximum floods of Yichang station

  • (1) 三峡水库自身的防洪风险  以分期设计洪水进行调洪演算, 得到坝前最高安全水位(该水位起调时, 调洪最高水位刚好为175 m), 然后基于坝前最高安全水位建立三峡水库各提前蓄水方案防洪风险分析模型, 分别选取1964年(单峰型)和1952年(多峰型)洪水过程作为典型洪水过程, 从风险率和库容占用率两方面, 分析计算8月20日、8月25日、9月1日、9月5日、9月10日和9月15日等各提前蓄水方案对水库防洪安全的影响。在不考虑三峡水库以上水库群防洪、蓄水对三峡水库入库洪量减少作用的前提下, 遇1 000年一遇分期设计洪水, 三峡水库按补偿控制沙市水位不超过44.5 m防洪调度(控制枝城最大流量不超过56 700 m3/s), 虽然宜昌站实测最大日平均流量71 100 m3/s发生在9月4日(1896年), 但由于洪量相对不大, 三峡水库自9月1日、9月5日、9月10日和9月15日起蓄的各提前蓄水方案的风险为0.1%量级[11], 可以认定无防洪风险, 因此,该成果成为目前确定三峡水库不早于9月10日开始提前蓄水的技术支撑之一。

    而对8月20日和8月25日起蓄的各提前蓄水方案, 未考虑三峡水库以上水库群的参与调度, 之前的分析表明, 三峡水库需承受最大为3.88%的防洪风险[11]。当前, 三峡水库上游已建成金沙江中游梯级、雅砻江梯级、岷江大渡河梯级、嘉陵江梯级和乌江梯级水库, 加上将建成投运的乌东德、白鹤滩、两河口和双江口等4座大型水库, 不久将有500亿m3防洪库容与1 000亿m3调节库容(包括三峡), 上游梯级水库群蓄水与联合防洪调度将很大程度削减三峡水库的入库洪峰、洪量, 经初步对比分析, 三峡水库8月20日(或8月25日)起蓄的防洪风险实质性降低到可承受程度。

    (2) 中下游的防洪风险  选择沙市、城陵矶水文站作为防洪风险分析控制点, 对各提前蓄水方案进行下游水位超警戒风险分析, 并与未提前蓄水同期的超警戒风险对比。结果表明,各提前蓄水方案随着蓄水时间的向后推移, 沙市、城陵矶水文站发生超警戒水位的次数和风险率逐渐下降。进入9月以后, 洪水位超警的次数和风险率明显降低, 与9月15日后蓄水的情形差别不大。沙市站、城陵矶站洪水位超警的次数或是总天数, 提前蓄水均不大于未提前蓄水的情况, 表明各提前蓄水方案不增加中下游的防洪风险[11]

  • 上游水库群调蓄后的洪水过程与天然情况相比, 一般洪峰流量和时段洪量减少, 峰现时间延后。《水利水电工程设计洪水计算规范: SL44—2006》(以下简称《规范》)[12]等均提出应主要从地区组成的角度, 考虑上游水库影响的设计洪水。

    正在开展的相关研究[13]建立了上游水库群配合三峡水库联合防洪调度模型, 采用上游型洪水典型年份进行水库群联合防洪实时补偿调度研究, 论证在不增加防洪风险的前提下进一步提高三峡水库综合利用效益的可能性。结果表明,现状条件下考虑金沙江中游梯级、雅砻江梯级、岷江大渡河梯级、嘉陵江梯级和乌江梯级水库配合三峡水库实时防洪补偿调度, 三峡水库汛期控制水位可设置为156 m;若进一步增加乌东德、白鹤滩、两河口、双江口等4座大型水库, 三峡水库汛期控制水位可设置为158 m[13]

    郭生练等[14]、刘章君等[15]、熊丰等[16]提出了水库运行期设计洪水及汛控水位的理论和方法, 选择1954年作为典型年的长江上游各水库控制站的设计洪水, 采用洪水最可能地区组成法推求考虑上游梯级水库调蓄后的各主要控制节点设计洪水过程线, 并按河系次序演进到三峡坝址得到三峡水库运行期的设计洪水过程线。结果表明,三峡水库运行期千年一遇设计洪峰、洪量较初设阶段设计值削减了17%~24%;在不增加水库防洪风险的前提下, 三峡水库汛期控制水位可以提高至155 m[17]

    无论是在《规范》的范畴下, 从设计洪水地区组成角度考虑上游水库影响下的设计洪水, 还是采用最可能地区组成法用1954年典型演算得到的三峡水库运行期设计洪水, 三峡水库设计洪水在上游水库调蓄后均有下降, 而汛期控制水位均有10 m以上的变幅提高。

  • 根据三峡工程论证阶段解决泥沙问题的研究成果与结论, 水库采取“蓄清排浑”运用方式, 作为三峡水库有效库容长期保留的基本措施。

    20世纪90年代以来, 受降雨变化、水利工程拦沙、水土保持减沙和河道采砂等因素影响, 三峡入库沙量减少趋势明显。2008—2017年, 三峡年均入库悬移质输沙量为1.21亿t, 较初步设计采用的多年(1951—1990年)平均值减少了75%[18]。特别是溪洛渡、向家坝水库相继运行后, 由于水库拦沙作用[19], 金沙江来沙大幅减少, 向家坝站2013—2017年年均输沙量由2003—2012年的1.42亿t减少至170万t, 2013—2017年三峡年均入库泥沙仅为0.592亿t。可以预期, 长江上游悬移质泥沙来量在未来较长时期内仍将呈减少趋势, 为水库调度方式进一步优化提供了有利条件。

    2010—2018年三峡水库严格按《方案》调度, 并适时开展了中小洪水调度。汛期实际下泄流量基本未超过45 000 m3/s, 2010—2018年汛期平均水位达到150.8 m, 较145 m汛限水位有较大幅度提高。由于三峡水库基本遵循了“蓄清排浑”的运用方式, 加之入库泥沙大幅减少这个来水变“清”的有利条件, 配合汛期已行之有效多年的排沙调度实践, 三峡水库泥沙淤积量比初步设计预测大幅减少, 水库淤积形态也得到了优化。2003年6月—2018年12月三峡水库年均淤积泥沙1.20亿t/a, 仅为初设阶段预测成果的40%左右, 水库淤积主要集中在清溪场以下河段的常年回水区, 且绝大部分泥沙淤积在水库145 m以下的死库容内, 水库有效库容损失较小。相关研究表明, 按目前预测的入库沙量, 水库淤积平衡年限由论证预测的100年可延长到300年以上[20]

    中小洪水调度实际上是在尚未调整汛期控制水位时的一种试验期操作。在新的水沙条件下, 针对三峡水库出现的新情况、新问题和新需求, 进一步优化水库调度方式, 及早调整汛期控制水位可以使其从具有合理性到具有合法性, 形成水库“蓄清排浑”运用的新模式, 对保持水库长期使用十分必要和迫切。

  • 水库蓄水期内下泄流量减小, 引起下游河道水位降低, 再加上“清水下泄”的河床下切作用, 是所有水库工程下游面临的普遍问题, 三峡水库因其地处长江经济带的咽喉位置, 黄金水道的经济社会地位十分突出, 更受关注。特别是三峡水库以上梯级水库群的共同蓄水作用, 使得干流水位在汛后降低较快, 导致江湖汇口河段水面比降增大, 对洞庭湖和鄱阳湖水位的下降起到了一定的“拉空”作用, 对江湖关系的调整不利。三峡水库运行后的2003—2014年, 洞庭湖城陵矶水文站和鄱阳湖湖口水文站9月、10月的月平均水位明显低于三峡水库建库前(1956—2002年), 分别偏低0.33 m、0.95 m和1.76 m、2.19 m[21],见表 2

    时段 城陵矶 湖口
    9月 10月 9月 10月
    1956—2002年 28.32 26.56 15.89 14.42
    2003—2014年 27.99 24.80 14.94 12.23
    变化 -0.33 -1.76 -0.95 -2.19

    Table 2.  Monthly average water level change of outlet control stations of Dongting and Poyang Lakes at the end of flood season  m

    排除洞庭湖和鄱阳湖支流来水减少的影响, 长江干流对两湖的“拉空”作用具体体现在干流对洞庭湖和鄱阳湖出湖控制站的水位—流量关系上。研究发现, 当长江干流莲花塘站水位和八里江站水位分别低于23.0 m和13.5 m时, 长江干流对洞庭湖鄱阳湖的拉空作用开始明显;超过上述临界水位时, 长江干流分别对洞庭湖和鄱阳湖有顶托影响[11]

    当明确符合汛期运行水位动态控制的条件, 可将三峡入库洪水过程的尾巴提前截住, 尽可能在8月下旬起蓄, 并在10月上旬蓄满, 减少汛末蓄水量和拉长蓄水时间, 可以有效减缓干流水位的降低及其对两湖水文水资源情势影响程度, 有效缓减对江湖关系的影响, 也有利于发挥发电、航运和水资源利用等综合效益, 对解决长江及两湖的健康问题极为有益。

    当出现流域性大洪水时, 长江下游干支流的水位一般较高, 沿岸用水形势不会出现偏紧局面, 仍可维持目前的调度规程不变。

  • 本文回顾了三峡水库汛限水位设置由来, 辨析了长江流域洪水特征, 从防洪风险、上游水库群调蓄影响、库区泥沙淤积和对中下游水文情势影响等角度, 探讨了三峡水库开展汛期运行水位动态控制的可行性及运用条件。研究表明:

    (1) 三峡水库设计时推求的汛限水位145 m的适用条件是应对流域性大洪水,根据气象水文预测预报出现流域性洪水时, 维持现有优化调度规程不变。

    (2) 根据长江流域洪水类型、洪水分期和遭遇规律, 当判别流域性洪水不会发生或发生概率较小时, 即不出现既对荆江补偿调度又动用广大蓄滞洪区进行超额洪量分配的需求时, 三峡水库6月初至梅雨期结束汛限水位按145 m设置;在判断为区域性洪水的前提下, 从梅雨期结束后逐渐提高水位, 8月20日后过渡到155 m, 并开始考虑提前蓄水。

    (3) 考虑水库群联合调度和上游水库调蓄的影响, 通过水文气象预报信息提前预判洪水特征量级, 并运用水库预泄技术有效应对, 正常年份三峡水库汛期运行水位可在155 m上下浮动。

    (4) 三峡水库库区泥沙淤积不是汛限水位调整的制约因素。开展水库汛期运行水位动态控制和提前蓄水, 高效利用汛末洪水资源, 不仅有利于长江航运功能更好发挥、提高三峡电站发电能力, 还有利于降低三峡及上游梯级水库群汛后蓄水对中下游干流及两湖地区的影响, 推动落实长江大保护和长江经济带发展的国家战略。

Reference (21)

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