三峡水库试验性蓄水期实时预报调度关键技术

第1章绪论 三峡工程是迄今为止世界上*大的水利枢纽工程，是治理和开发长江的关键性骨干工程，具有防洪、发电、航运、生态、供水等开发利用任务。三峡大坝坝址位于长江三峡西陵峡中段的湖北省宜昌市三斗坪，下距葛洲坝水利枢纽38 km ，坝址控制流域面积约100 万km2。自2008 年汛末实施正常蓄水位175 m 试验性蓄水以来的十余年间，三峡水库在长江流域的防洪抗旱实时调度中发挥了巨大作用，综合利用效益显著。为适应长江流域水文特性新变化和工程调度新形势，本书结合试验性蓄水期实际调度问题、需求和经验，归纳提炼相关研究成果，形成三峡水库试验性蓄水期实时预报调度关键技术。本章梳理三峡水库调度方式发展历程，针对试验性蓄水阶段面临的主要问题和具体要求，阐述研究意义，并分析主要研究内容。 1.1 三峡水库的调度方式 长江流域在自然地理条件、区位环境及水资源分布等方面具有独特优势，在我国经济社会发展中占有极其重要的地位。中共中央、国务院明确要求充分发挥长江经济带横跨东中西三大板块的区位优势，以“共抓大保护、不搞大开发”为导向，以“生态优先、绿色发展”为引领，依托长江黄金水道，推动长江上中下游地区协调发展和沿江地区高质量发展。三峡工程是治理开发长江的关键性骨干工程，通过其巨大的防洪及兴利库容，调节天然径流在年内时程上的分布，实现三峡水库综合调度目标。近年来，长江流域持续推进以三峡水库为核心的水利工程群联合调度研究和实践工作，满足相关区域综合调度需求，在保证防洪安全的前提下，保障流域水资源的可持续利用，并维持优良生态环境，综合调度效益显著。 1.1.1 工程概况 三峡工程枢纽建筑物由大坝及茅坪溪防护坝、电站厂房、船闸及升船机组成，大坝为混凝土重力坝，轴线全长2 309.5 m ，坝顶高程185.0 m ，*大坝高181.0 m（王小毛等，2011），见图1.1。泄流坝段位于河床中部，设置泄流深孔和表孔，与排沙孔、排漂孔和厂房机组联合运行，总泄流量达116 000 m3/s。电站厂房采用坝后式，在泄流坝段两侧坝后分设左岸及右岸厂房，分别安装14 台及12 台水轮发电机组，另在右岸布设地下电站安装6 台机组，单机容量均为70 万kW；并在左岸厂房与升船机之间的下游布置电源电站地下厂房，安装2 台5 万kW 水轮发电机组，电站总装机容量2250 万kW，设计年平均发电量882 亿kW？h（郑守仁，2019）。通航建筑物包括船闸和升船机，均布置在左岸，船闸为双线五级连续船闸，闸室有效尺寸长280 m 、宽34 m 、坎上水深5 m，可通过万吨级船队，按2030 年设计水平年单向通过能力为5 000 万 t（杨全林等，2020 ；钮新强等，2011 ）；升船机采用齿轮齿条爬升平衡重式垂直升船机，承船厢有效尺寸长120 m 、宽18 m 、水深3.5 m ，总重15 500 t，1 次可通过1 艘3 000 t 级客货轮或1 500 t 级船队（余金燕，2020 ；陈斐和刘良金，2019 ）。三峡工程大坝按1000 年一遇洪水流量98 800 m3/s 设计，设计洪水位175.0 m ；按10000 年一遇洪水流量（113 000 m3/s）加大10%的流量124 300 m3/s 校核；汛期防洪限制水位145.0 m （陆佑楣和胡岱松，2011；廖仁强和孔繁涛，1997）。 图1.1 三峡工程全景图 三峡工程为超大型工程，采用“一级开发，一次建成，分期蓄水，连续移民”的建设方案。工程于1993 年施工准备，1994 年12 月开工，1997 年11 月6 日大江截流；2003 年6 月，蓄水至135 m 水位，7 月左岸电站*批机组发电；2006 年6 月，河床右侧大坝混凝土施工至坝顶高程185 m，大坝全线挡水，10 月蓄水至156 m 水位，提前一年进入初期运行期。2008 年8 月，具备蓄水至正常蓄水位175 m 的条件，国务院三峡工程建设委员会（以下简称三峡建委）于2008 年9 月26 日批准三峡工程实施175 m 水位试验性蓄水，标志着三峡工程由初期蓄水位156 m 运行转入正常蓄水位175 m 试验性运行期（以下简称试验性蓄水期），同时明确了试验性蓄水原则——“安全、科学、稳妥、渐进”。2008 年9 月28 日开始试验性蓄水，11 月5 日*高蓄水位达172.80 m；2009 年9 月15 日开始试验性蓄水，因长江中下游地区发生旱灾，为支援抗旱工作，11 月24 日库水位蓄至171.43 m 后停止蓄水；2010～2017 年试验性蓄水，连续8 年蓄水至正常蓄水位175 m（武菲，2019；许银山等，2015）。 1.1.2 调度方式发展历程 水库调度是通过对已建水利工程进行合理有效的控制，以充分发挥其综合利用效益、提高水资源利用率的重要技术措施。科学合理的调度方式是水利工程综合利用效益*大化的根本保障。三峡水库初步设计阶段主要考虑防洪、发电、航运等功能，以防洪为*要目标；但在试验性蓄水期还承担了长江流域生态、供水等其他利用需求。为充分发挥三峡工程的综合利用效益，适应实际调度需求，三峡水库进入试验性蓄水期以来，结合实时预报调度技术及应用实践主要成果，针对调度方式进行了逐步优化。 1. 初步设计阶段 三峡水库初步设计阶段采用“蓄清排浑”运行方式：每年汛前（6 月上旬末）将库水位降至145 m；汛期（6 月中旬～9 月下旬）按防洪限制水位145 m 运用，控制*大下泄流量55 000 m3/s，以满足下游荆江河段起始断面枝城站（距大坝105 km ）流量不超过56 700 m3/s 的防洪要求；当入库洪水流量小于55 000 m3/s 时，采用敞泄方式控制库水位在145 m 运行；当入库洪水流量大于55 000 m3/s 时，采用防洪调度方式，即拦蓄洪水以控制下泄流量，洪水过后需将水位再次降至145 m；汛后（10 月初）开始蓄水，蓄水期间*小下泄流量不低于电站保证出力相应流量，库水位逐步抬升至175 m；枯水期，一般按高水位运行（水利部长江水利委员会，1992）。 此阶段三峡水库的防洪调度方式为对荆江河段的补偿调度，将荆江河段的防洪标准由10 年一遇提高至100 年一遇，即长江上游发生100 年一遇洪水流量为83 700 m3/s， 三峡水库调控可使沙市站（距大坝190 km ）水位低于44.5 m，遭遇100 年以上至1 000 年一遇洪水时，控制枝城站流量不大于80 000 m3/s，配合蓄洪区运用，保证荆江河段行洪安全，沙市站水位不超过45.0 m ，避免两岸干堤溃决发生毁灭性灾害（郑守仁，2016 ）。 2. 优化调度方案 随着三峡水库进入试验性蓄水期，为适应调度目标和调度需求的改变，其调度方式有所变化。2009 年10 月，国务院正式批准《三峡水库优化调度方案》。在初步设计阶段承担防洪、发电、航运三大任务的基础上，《三峡水库优化调度方案》对三峡水库的调度目标提出了具体要求：一是满足更多的调度需求，通过优化调度三峡水库，保障水库上下游饮水安全，改善下游枯水期供水条件，维护河流生态，实现水资源合理调配；二是承担更多的调度任务，明确在试验性蓄水期，三峡水库防洪调度需要兼顾对城陵矶防洪补偿调度，根据城陵矶地区防洪要求，考虑长江上游来水情况和水文气象预报，减少城陵矶地区分蓄洪量（水利部长江水利委员会，2009 ）。 3. 梯级调度规程 2015 年，结合试验性蓄水期调度运行实践，中国长江三峡集团有限公司组织编制了《三峡（正常运行期）—葛洲坝水利枢纽梯级调度规程》，并通过了水利部的审查批复。该调度规程明确，三峡水利枢纽的调度任务是在保证工程安全的前提下，充分发挥防洪、发电、航运、水资源利用等综合效益；调度原则为兴利调度服从防洪调度，发电调度与航运调度相互协调并服从水资源调度，协调兴利调度与水环境、水生态保护、水库长期利用的关系，提高三峡水利枢纽的综合效益。同时，明确了不同水位对应库容的启用条件和调度任务（水利部长江水利委员会，2015）。 实际调度过程中，在遵循《三峡水库优化调度方案》和《三峡（正常运行期）—葛洲坝水利枢纽梯级调度规程》总体原则的基础上，通过开展三峡水库试验性蓄水期实时预报调度关键技术研究，充分利用不断改进的水文气象预报产品，实施三峡水库中小洪水调度实践，正确处理调度运用中的复杂关系，统筹兼顾多主体调度需求和利益诉求，在保证工程安全的前提下，充分发挥其防洪、发电、航运、生态等综合作用，提升流域水资源综合利用效益。 1.2 面临问题及挑战 1.2.1 面临的新问题 随着流域经济的快速发展和水利工程的建设运行，与设计阶段及运行初期相比，试验性蓄水期间三峡水库的上下游边界条件和流域水文特性发生显著改变。调度需求和任务的不断拓展，使三峡水库的预报调度实践面临更多问题和更大挑战。 1. 水库运行环境变化显著 长江流域已建大型水库近300 座，大规模水库群集中建设投产极大地改变了长江流域河流连通现状和下垫面条件，使之呈现多阻断特性，一定程度上改变了流域自然水文循环过程。水库群发挥的巨大时空调节作用，使流域尤其是长江中下游水文情势变化显著，上下游洪水传播特性及河道行洪能力相应改变，例如：枯水期，由于水库群的调节作用，中下游径流量较天然情况增大，改善了中下游水资源条件；汛期，由于水库群的蓄洪、滞洪作用，洪峰流量显著减小、洪水过程延长；汛末蓄水期，由于水库群的拦蓄作用，中下游径流量较天然情况减小，枯水季可能提前来临。同时，气候及局部地区下垫面条件也有一定的改变，如库区陆面变水面，导致局部水汽蒸发和产汇流规律发生了变化等（陈婷等，2019；高琦等，2018；陈璇等，2015）。上述变化导致三峡水库调度运用所面临的上下游边界和水文特性等运行环境变化显著，原有预报体系、调度方案适用性遭遇巨大挑战，三峡水库调度方式亟待调整和改进。 2. 水库调度需求日益复杂 进入试验性蓄水期以来，三峡水库面临的调度任务和生产需求日益复杂，除防洪、发电、航运，还需兼顾流域生态、供水等综合需求。同时，年度调度运行过程中，大规模水库群的集中操作对流域水资源的时空分布影响巨大，例如：消落期，若水库群汛前集中消落，可能产生人造洪峰及水电站不必要的弃水等；汛期，若水库维持在汛限水位附近或以下运行，洪水资源得不到有效利用；蓄水期，若上游水库群集中蓄水会减少三峡水库来水，可能造成下游水库无水可蓄的不利局面，导致上下游水库蓄水矛盾突出；枯水期，若水库群维持高水位运行，可能引起下游河道径流减少，加剧中下游水资源的供需矛盾，并对生态环境造成一定程度的破坏。作为流域水库群的核心和骨干工程，三峡水库在上述过程中的衔接和纽带作用凸显，实现其多目标优化调度需求迫切。 3. 水库特征属性愈加鲜明 作为当今世界*大的水利枢纽工程，三峡水库肩负多项世界之*，尤其是进入试验性蓄水期以来，三峡水库呈现愈加鲜明的河道型特征属性。例如，在正常蓄水位175 m 时，水库回水长度达600 余千米，平均库宽仅约1.6 km，入库流量自库内传播至坝前需要一定时间，导致水库呈现入库流量、出库流量与坝前水位不相对应的“怪相”，尤其是发生洪水过程时，库区水面线比降较大，根据试验性蓄水期汛期运行观测资料分析，三峡水库场次洪水过程动库容水量约在5 亿～55 亿m3，动库容特性明显。准确的入出库流量计算和调洪演算方法是水库实时预报调度的基础支撑，探索不同入、出库流量计算方法、表达方式、代表性及适用范围，实现对入、出库流量的计算和校核，并采用能够反映库区洪水传播特性的适宜调洪演算方法，对精准预报、科学调度、充分发挥三峡工程综合效益有着至关重要的作用。因此，迫切需要针对三峡水库自身特性及衍生问题研究适应性入、出库流量计算及调洪演算方法等。 1.2.2 提