(武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

1 研究背景

三峡水利枢纽工程是长江干流上治理、开发、利用及保护流域水资源的骨干工程。《长江三峡水利枢纽初步设计报告》(以下简称《初步设计报告》)要求汛期仅对入库流量超过55 000 m3/s的洪水进行拦蓄，以保障下游荆江河段的防洪安全[1]。三峡水库建成后，坝址上游径流量呈减少的趋势，《初步设计报告》的调度方式未能合理利用中小洪水资源，会影响到三峡工程的综合效益[2-3]。为了充分发挥三峡水库的综合效益，对三峡水库中小洪水实施调度成为近年来关注的具有现实意义的科学问题。

针对三峡水库中小洪水调度方式，不同学者开展了相应的研究。周新春等提出了大型水库中小洪水实时预报调度技术体系[4]，并使该技术体系在三峡水库进行了应用实践。陈桂亚等提出了中小洪水实时动态控制技术路线以及调度结果风险分析方法[5]，并以三峡水库为例进行了调度实践。周研来等建立了混联水库群汛限水位联合运用和动态控制模型[6]，并对以三峡梯级和清江梯级组成的混联水库群进行了实例分析。胡挺等提出了结合库水位与入库流量大小的中小洪水分级调度规则[7]，同时结合三峡水库实际情况进行了实例分析。周建中等提出了基于运行水位—入库流量—下泄流量边界的防洪调度方式[8]，建立了基于多目标优化调度的汛期综合运用模型，并针对三峡工程梯级进行了实例研究。总体来说，上述研究成果都为开展对三峡水库中小洪水的调度方式、技术体系以及控制运用综合模型的研究奠定了良好的理论基础。

三峡水库自2009年即开始进行汛期中小洪水调度实践，在利用中小洪水资源以提高发电、航运效益的同时，如果水库水位长期处于拟定的汛限水位以上就会产生超出预期的风险。为此，对中小洪水调度过程风险问题开展研究具有重要的现实意义。

针对水库调度中存在的风险问题，王才君等针对三峡水库汛限水位动态控制问题建立了风险评价综合模型[9]，并将该模型用于对调度方案的优选，得到了相对合理的动态汛限水位方案。冯平等通过分析水库调整汛限水位涉及的因素[10]，建立了风险效益评价指标体系及其估算方法，并针对东武仕水库进行了实例分析。闫宝伟等结合隔河岩水库实例，将洪水过程预报误差的不确定性转化为水库水位变化的不确定性[11]，从而对水库防洪预报调度的风险水平进行了分析。付湘等建立了基于综合利用水库调度模型的调度性能风险评价指标体系[12]，并以新安江水库调度为例进行风险分析。

整体来看，针对水库调度中的风险分析与评估的指标体系及其评估方法有了一定的技术支撑，但是三峡水库中小洪水调度存在着防洪、库区地质、航运、下游供水等多方面风险问题。为此，本文以三峡水库为研究背景，在分析中小洪水特性的基础上，结合初步设计方案与2008～2017年调度实践方案，提出了三峡水库中小洪水调度性能风险评估方法，以全面评估中小洪水调度中存在的防洪、发电、库区地质、汛末下游供水及蓄满的风险。

2 三峡水库中小洪水特性与调度方案

为全面了解三峡水库中小洪水汛期发生、发展特征及其变化规律，对宜昌站1950～2007年汛期实测日径流资料及2008～2017年三峡水库汛期实测入库流量资料进行了统计分析。首先，按照郑守仁研究提出的三峡水库中小洪水洪峰流量范围来划分洪水性质[3]；然后，按照汛期各旬统计的日均洪峰流量来分析其分布规律。

由表1可知，2008年以前，三峡水库汛期发生洪峰流量在30 000～55 000 m3/s的中小洪水较为频繁，可以认为在6月10日控制汛限水位145 m后均有较大几率发生中小洪水；洪峰流量超过55 000 m3/s的洪水发生频率较低，主要集中在7月中旬至8月中旬，洪峰流量超过60 0000 m3/s的洪水仅在1954,1989年和1998年发生过。

表1 1950～2007年宜昌站汛期各旬洪水洪峰流量出现次数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，三峡水库开始进行175 m试验性蓄水以后，自6月下旬至9月下旬共出现中小洪水洪峰流量174次，仅在7月份出现过洪峰流量超过55 000 m3/s的情况。

对年际径流量变化及汛期洪峰流量分布规律进行了综合分析，结果表明：三峡水库汛期洪水资源充沛，中小洪水频发，而大洪水发生的概率较小。

表2 2008～2017年三峡水库汛期洪水洪峰流量出现次数Tab.2 Number of flood peak occurance during the flood season at the Three Gorges Reservoir from 2008 to 2017 次

依据《初步设计报告》，三峡水库汛期6～9月维持汛限水位145 m运行，对荆江河段进行防洪补偿调度。

(1) 当水位145.0 m≤zi≤166.9 m时，对于55 000 m3/s及以下来水，出库流量等于入库流量;对于55 000 m3/s以上来水，出库流量等于55 000 m3/s。

(2)当水位zi≤166.9 m时，出库流量根据入库流量在55 000 m3/s以上调控，控制枝城站流量不超过80 000 m3/s。汛后10月初开始蓄水，下泄流量不低于电站机组保证出力对应的引用流量(约5 500 m3/s)，水库水位逐步升至正常蓄水位[1,8]。

《初步设计报告》的调度方案一方面未能充分利用防洪库容，降低发电、航运等效益；另一方面又增加了下游沙市、城陵矶地区的防洪压力。同时，2003年三峡水库建成以来，年平均径流量为12 669.95 m3/s，较《初步设计报告》成果资料减少11.41%，坝址上游径流量呈现减小的趋势。为此，自2008年开始进行175 m试验性蓄水以来，依据《三峡水库优化调度方案》，首次提出了在保证防洪安全、满足航运要求的前提下，充分利用兴利调节库容，合理调配水量，适度利用洪水资源，增加发电效益[13]。同时，《三峡水库优化调度方案》及《三峡(正常运行期)—葛洲坝水利枢纽梯级调度规程》调度实践方案优化利用155 m及以下库容拦蓄55 000 m3/s及以下的中小洪水，在沙市、城陵矶水文站水位均低于警戒水位，且预报短期不会超警戒水位的条件下，汛末蓄水不早于9月10日，控制水位为150 m[13-14]。根据三峡水库中小洪水特性，对于汛期三峡水库中小洪水调度的初步设计与调度实践方案进行风险评估，对于合理利用中小洪水资源、发挥三峡水库综合效益均具有重要的参考价值。

3 三峡水库中小洪水调度性能风险评估方法

针对汛期中小洪水调度中存在的防洪、发电、库区地质、航运、汛末下游供水及蓄满等多方面的风险问题，将水资源系统评价方法引入到调度性能风险评估中，以有效衡量各类风险的轻重。将风险定义如下[12,15-16]：

R(x)=[R1(x),…,Ri(x),…,Rp(x)]

(1)

(2)

式中,R(x)为风险评价指标集，[R1(x),…,Ri(x),…,Rp(x)]为各类风险的评价指标，i=1,2，…,p；x为影响各类风险指标的自变量，比如：水位、流量、出力等；Zi,t(x)为第t时段第i类风险评价指示函数；T为调度周期内计算时段总数。本文研究中，取p=6，分别为汛期防洪风险、发电风险、库区地质风险、汛末下游供水风险及蓄满风险，下面将着重描述这些风险指示函数的计算方法。

3.1 汛期防洪风险

汛期中小洪水调度势必会抬高水库水位，使其超过既定的汛限水位，在上游降水及来水相对不确定的情况下，会给水库防洪带来风险。建立指示函数如下[14]：

(3)

式中,Z1,t为第t时段汛期防洪风险指示函数；x1,t为第t时段的水库上游水位,m；S1为防洪安全运行水位范围,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为当前计算时段，t0为9月10日允许汛末蓄水的计算时段；U1为防洪风险运行水位范围。

3.2 发电风险

为了对各个电网的电力电量进行平衡，同时尽量降低水电、火电站开关机组的影响，对三峡水电站日均发电出力变幅进行控制。由于进行中小洪水调度，使得年内日出力最大变幅出现在汛期较多，变幅较大，因此会造成水电站机组安全运行存在潜在的风险。为此，建立指示函数如下[14]：

(4)

式中,Z2，t为第t时段发电风险指示函数；x2，t为第t时段实际出力,MW；Nv为电站出力日变幅控制值，取4 000 MW；Np为电站保证出力，取4 990MW。

3.3 库区地质风险

三峡水库汛期实施中小洪水调度时水库水位升降频率高，变幅较大。为此，刘新喜等依据三峡水库水位调控方案及库区滑坡地下水作用力学模式[17]，对滑坡稳定性进行了评价，评价结果表明，库水位下降速率是影响滑坡稳定性的主要因素。按照水库蓄水最大速率及汛期水库水位下降速率的控制要求，建立指示函数如下[14]：

(5)

式中,Z3，t为第t时段库区地质风险指示函数；x3，t为第t时段的水库上游水位,m；Zg1，Zg2分别为汛期水库水位下降控制值及水库蓄水水位变幅控制值，分别取-2.0m和3.0 m。

3.4 航运风险

三峡船闸设计的最大通航流量为56 700 m3/s。实际运行过程中由于受到水流流态的影响，三峡船闸通航流量一般不超过45 000 m3/s。依据三峡下泄流量与通航保证率的映射关系，建立指示函数如下[8]：

(6)

式中,Z4，t为第t时段航运风险指示函数;x4，t为第t时段的水库下泄流量,m3/s；qh为航运风险控制流量，取25 000m3/s。

3.5 汛末蓄水期下游供水风险

汛末提前蓄水有利于降低汛期过后水库的蓄满风险，从而提高枯水期发电的经济效益。但是提前蓄水也会影响到下游河湖生态环境及供水需求，按照9，10月份不同控制要求，建立风险指示函数如下[14]。

9月份：

(7)

10月份：

(8)

式中,Z5，t为第t时段汛末下游供水风险指示函数；x5，in,t，x5，out,t为第t时段入库流量及出库流量,m3/s；qd1，qd2为保证下游供水指标值，分别取10 000m3/s和8 000 m3/s。

3.6 汛末水库蓄满风险

9月和10月为三峡水库汛末蓄水期，若汛期过后10月底水库仍无法蓄水至正常蓄水位175 m，则会因枯水期上游水位过低而造成发电效益的损失[18]。考虑到10月底水库蓄满风险，建立指示函数如下[19]：

(9)

式中,Z6，t为第t时段汛末下游供水风险指示函数；x6为10月31日三峡水库上游水位，m；S6为汛末蓄满水位范围,m，取S6∈[174.50，175.00]，考虑到0.3%的误差；U6为未蓄满水位范围,m，取U6∈[145.00，174.50]。

4 计算结果分析

将上述计算方法应用于对三峡水库汛期中小洪水调度性能风险评估，这次风险评估考虑到了初步设计与调度实践两种方案。计算期为2008～2017年汛期6月10日至10月31日，时段步长为日。初步设计方案按照《初步设计报告》的调度规程，输入计算期的入库流量及初始蓄水位，根据水位-库容关系、尾水-流量关系及水头-出力关系来模拟调度过程。调度实践方案为近年来三峡水库开展中小洪水调度实践的实测资料统计结果。根据两种调度方法下水位、流量、出力过程，运用公式(2)～(9)，分别对汛期防洪风险、发电风险、库区地质风险、航运风险、汛末下游供水风险以及蓄满风险进行了计算，计算结果如表3所示。

表3 2008～2017年三峡水库不同调度方案效益及风险
Tab.3Risks and benefits of the Three Gorges Dam different schemes from2008to2017

调度方案发电量/亿kW·h防洪风险/%发电风险/%库区地质风险/%航运风险/%汛末下游供水风险/%蓄满风险/%调度实践方案3927.3954.511.240.6231.2414.6540.00初步设计方案3073.690.531.150.1831.2456.4550.00

与初步设计方案结果相比，调度实践方案由于利用了汛期中小洪水资源，而显著提升了发电效益，2008～2017年的10 a间，汛期发电量增加了853.7 亿kW·h，防洪风险由0.53%上升至54.51%，汛末下游的供水风险由56.45%下降至14.65%；蓄满风险由50%下降至40%；发电、库区地质与航运风险变化不大。防洪风险显著上升与安全阈值的选取和计算期的长短有关。三峡水库建成以来，坝址上游的径流量呈减少的趋势，在新的来水形势下，汛期超汛限水位的风险可以通过预报调度技术得到有效控制。

为了解调度运用过程年际间的变化情况，将初步设计方案与调度实践方案计算期内的汛期最高水位、10月末的蓄水位及汛期的发电量进行了对比分析。

由图1可以看出，调度实践方案中，汛期最高水位几乎均在150 m以上，部分年份超过了160 m，汛期洪水资源利用效率高，但是防汛风险较大；根据初步设计方案的模拟结果，最高蓄水位仅为147.54 m，仅在2010年及2012年出现过超过55 000 m3/s的洪峰流量，显然，水库防洪库容的作用未能得到充分发挥，同时，由于实施了中小洪水出入库均衡控制，使得下游的沙市、城陵矶地区防洪压力较大。

图1 2008～2017年三峡水库汛期最高水位Fig.1 The Maximum water level during the period of June-August at the Three Gorges Reservoir from 2008 to 2017

由图2可以看出，除2008年因试验性蓄水控制要求外，水位相对较低，其余年份的调度实践方案10月末的蓄水位相对稳定，均接近175 m，这主要与汛末提前蓄水有关；而初步设计方案的汛末蓄水模拟结果则主要是受来水的影响，这也会影响到枯水期的发电效益。

由图3可以看出，调度实践方案的汛期发电量均要高于初步设计方案的汛期发电量，特别是在2010,2012,2014年的3 a汛期发电量分别增长了63.24亿,55.27 亿kW·h和43.02 亿kW·h，这与运行水位较高有着密切的关系。

图2 2008～2017年三峡水库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

图3 2008～2017年三峡水库汛期发电量Fig.3 Generating capacity during the flood season of the Three Gorges Reservoir from 2008 to 2017

5 结 论

本文针对三峡水库汛期中小洪水调度中面临的多方面风险问题，从洪水资源利用与风险全面评估的角度进行了研究；同时，分析了中小洪水的特性，并结合三峡水库初步设计方案与2008～2017年的调度实践方案，建立了各类风险指示函数，提出了调度性能风险评估方法，由此得出以下结论。

(1) 2008年以前，宜昌站汛期发生洪峰流量在30 000～55 000 m3/s的中小洪水期较为频繁，洪峰流量超过55 000 m3/s的洪水发生频率则较低；近10 a来，三峡水库共发生中小洪水洪峰流量174次，仅在7月份出现过洪峰流量超过55 000 m3/s的洪水，7月至9月中旬有较大几率出现中小洪水。

(2) 三峡水库中小洪水调度性能风险取决于安全阈值的选取，本研究中，水库防洪、发电、库区地质、航运以及汛末下游供水与蓄水的安全阈值是根据汛期中小洪水调度制定的各项调度规程确定的，不同的安全阈值得出不同的风险值。

(3) 与初步设计方案相比，调度实践方案的防洪库容利用效率高，提高了发电效益，蓄满风险降低，汛末下游供水风险下降明显，发电、航运与库区地质风险变化不大，但防洪风险明显增大。 运用水库调度性能风险评估方法较为全面地对三峡水库汛期中小洪水调度潜在的风险问题进了评估分析，评估结果可为汛期洪水资源利用提供一定的技术支撑。