冯宝飞 许银山 李洁

摘要：城陵矶地区历来是长江流域防洪的重点，也是长江上中游水库群的重要防洪调度目标。通过构建长江干流及洞庭湖区水动力学模型，模拟分析了不同典型洪水、不同调度方式下三峡水库对城陵矶地区的调度效果，提出了三峡水库对城陵矶地区的实时补偿调度方式。结果表明：在综合考虑补偿调度效果及水文气象预报的不确定性下，若预见期内预报城陵矶（莲花塘站）水位将达到或超过目标控制水位，则提前4～5 d开始控制三峡水库出库流量为宜，并应结合水文气象预报情况逐步减小或增加出库流量。

关 键 词：防洪; 实时补偿调度; 水动力学模型; 城陵矶地区; 三峡水库

中图法分类号： TV697.1

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.005

0 引 言

万里长江，险在荆江，难在洞庭！城陵矶地区地处江湖汇流区，承接长江上游及洞庭湖等地区来水，是长江中游防洪控制的关键节点。蔡其华[1]、郑守仁[2]、陈桂亚[3]等均从不同角度论证了三峡水库针对城陵矶地区的防洪补偿调度作用，然而相关调度规程及研究成果提出的补偿调度方式在指导实时预报调度时，其可操作性有待进一步提高。

以现行调度规程为例，水利部批复的《三峡（正常运行期）——葛洲坝水利枢纽梯级调度规程（2019年修订版）》[4]和《2020年长江流域水工程联合调度运用计划》[5]中提出：当城陵矶地区发生洪水时，充分利用河湖泄蓄洪水，利用三峡等水库联合拦蓄洪水，控制城陵矶（莲花塘站）水位不超过34.4 m。其中，长江上游金沙江中游、雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江水库群，结合所在河流防洪任务，实施与三峡水库同步拦蓄洪水的调度方式;金沙江下游梯级水库在留足川渝河段所需防洪库容的前提下，结合水文气象预报，削减进入三峡水库的洪峰及洪量;洞庭湖水库在满足本流域防洪要求的前提下，与干流防洪调度相协调。当三峡水库对城陵矶地区的防洪补偿调度库容用完后，预报城陵矶水位仍将达到34.4 m并继续上涨，视实时水情工情，相机运用蓄滞洪区分洪，控制城陵矶水位不高于34.9 m。

上述方案及规程中，明确了针对城陵矶地区进行防洪补偿调度时，长江上中游水库群的调度原则和控制指标。按上述规程，实时调度中当预报莲花塘站水位将达到34.4 m并继续上涨时，启动对城陵矶地区的防洪补偿调度。若考虑到水文气象预报具有一定的不确定性，例如三峡水库入库流量预报3 d预见期平均相对误差在10%左右，莲花塘站水位预报3 d预见期平均误差在0.2 m左右，在实时预报调度中难以按照34.4 m进行精准补偿;三峡水库至城陵矶地区洪水平均传播时间约36 h，当洞庭湖区发生强降雨时，区间来水汇流快，莲花塘站水位涨势迅猛（1996，1998年和2017年最大日漲幅均在0.7 m以上），三峡水库可能会错过最佳补偿调度时机。因此，深入探讨城陵矶地区实时防洪调度方式，优化三峡水库补偿调度时机和控泄方式十分必要[6-7]。

本文针对不同洪水组成的典型洪水过程，模拟分析三峡水库不同调度方案的调度效果，探讨了三峡水库针对城陵矶地区的防洪调度方式，可为指导城陵矶地区实时调度、充分发挥工程综合效益提供技术支撑。

1 研究区域及方法

1.1 研究区域

城陵矶地区地处长江及洞庭湖汇流之处，扼守荆江和洞庭湖出口[8]，其洪水受长江上游（宜昌）来水及洞庭湖四水（湘江、资水、沅江、澧水）来水共同影响，同时荆江南岸有松滋、太平、藕池三口分流进入洞庭湖后再汇入长江，洪水地区组成及江湖关系复杂[9]。相对于长江上游及洞庭湖洪水来量，荆江河段及城陵矶地区设计防洪水位对应的泄洪能力偏小[10]（见图1）。近年来，城陵矶地区多次发生超警及以上洪水，2016，2017年连续发生超警洪水（经上中游水库群全力拦蓄后，洪峰水位仍接近保证水位），2020年发生超保证水位洪水，针对上述洪水，长江上中游水库群均实施了联合防洪补偿调度，效益显著[11-13]。

1.2 研究方法

随着水文科学及计算机技术的发展，长江中下游作业预报方法不断丰富完善。自20世纪50年代开始，长江水利委员会正式开展长江中下游水位预报，主要采用相关图模型[14];20世纪60年代，创新了湖泊演算法进行河道洪水预报的技术途径，提出了大湖演算模型[15];20世纪80年代后期，提出了CRFPDP模型，并在荆江及城陵矶地区实践应用，首次实现了水位动态跟踪预报[16];进入21世纪以后，在日常作业预报中逐步引入水动力学模型，并应用卡尔曼滤波研发了水动力学模型实时校正技术[17]。

受洞庭湖调蓄影响，城陵矶地区水位影响因素较为复杂，仅根据传播时间及水位流量关系无法判定三峡水库出库流量变化对城陵矶地区水位的影响。为定量分析不同三峡水库调度方案对城陵矶地区的影响，本文基于长江洪水作业预报方案中构建的水动力学模型，针对不同洪水组成的典型洪水，模拟不同调度方案的调度过程，并评价调度效果，探讨三峡水库针对城陵矶地区的实时补偿调度方式。文中数据均来源于相关水文、气象及水利工程管理单位的监测资料。

1.2.1 模型构建

本研究采用MIKE11全动力波模式构建研究区域的水文水动力学模型，具体采用了HD水动力模块、RR降雨径流模块，实现了降雨径流模型和水动力学模型的耦合。针对三峡水库至螺山江段，沿程河道断面资料采用2019年测量成果，河网概化考虑支流清江、洞庭湖“四水”来水，兼顾荆江三口分流至洞庭湖的连通关系，对洞庭湖区进行一维河道概化处理，分为南洞庭湖和东洞庭湖，分别按湖区容蓄比例进行虚拟河道断面设置，使虚拟的河道槽蓄量与湖泊容积一致。模型上边界条件为宜昌站、清江（高坝洲）站、洞庭湖“四水”（石门、桃源、桃江、湘潭站）流量，下边界为干流螺山站水位流量关系（率定模型时为实况水位过程），模型概化见图2。

1.2.2 模型率定与检验

以2016～2018年为率定期，2019～2020年为验证期，对模型进行率定与检验，模型精度见表1，率定期和验证期莲花塘站洪峰水位误差在0.5 m以内，确定性系数在0.9以上，总体来看模型精度较高，能够满足模拟计算的要求，2016年莲花塘站高洪期间模拟过程见图3。

1.3 实时预报调度不确定性分析

通过多方法综合并结合预报员经验，近10 a，三峡水库入库流量1～3 d预报平均误差均小于9%，合格率在90%以上，累计水量1～3 d预报平均误差均小于4.5%，合格率在93%以上。长江中下游干流莲花塘至大通江段主要控制站，3 d预見期平均预报误差在0.2 m以内，合格率在85%以上;5 d预见期平均预报误差在0.3 m以内，合格率在75%以上。总体而言，3 d预见期内的三峡水库入库流量、水量预报以及莲花塘站预报较为可靠，可作为调度依据;5 d预见期的莲花塘站预报精度较高，对实时调度指导作用显著。

2020年1号洪水期间，采用水动力学及大湖演算模型综合分析预报，经水库群拦蓄后莲花塘站洪峰水位34.35 m，实况洪峰水位34.34 m，误差仅0.01 m，成功实现了补偿调度目标，为防洪预报调度决策提供了有力的技术支撑。

2 城陵矶地区实时补偿调度方式探讨

2.1 宜昌至莲花塘江段传播时间分析

采用峰谷特征识别法，对实测来水过程进行选样，分析三峡水库试验性蓄水前后宜昌至莲花塘江段（螺山站）洪水传播时间（见表2）。结果表明：三峡水库试验性蓄水前（采用1992～2008年实测资料），宜昌至莲花塘江段洪水传播时间为47 h;试验性蓄水后（采用2009～2019年实测资料），传播时间为35 h，缩短了12 h，其中监利以下江段洪水传播时间变化不大。

采用水动力学模型，以2017年为典型年，模拟分析不同三峡水库出库流量方案对莲花塘站水位的影响时间，设置4组方案（见图4），方案1～4分别为维持当前出库流量26 000 m3/s、减至20 000 m3/s、减至15 000 m3/s、减至8 000 m3/s，模拟计算结果见图5。结果表明：与方案1相比，三峡水库减小出库流量约15～18 h开始小幅影响莲花塘站水位，约36 h莲花塘站水位小时变幅达到最大，维持60 h左右后水位小时变幅开始显著减小，总体而言对莲花塘站水位影响程度最大的时间在三峡水库减小出库后36～60 h之间，此后方案2～4较方案1水位差的变化幅度较小。

2.2 不同典型年洪水调度时机模拟分析

城陵矶地区来水受长江上游及洞庭湖来水共同影响，以2017年（洞庭湖来水为主）、2018年（上游来水为主）和2020年（上游与洞庭湖洪水遭遇）典型洪水为例，分析不同洪水组成下三峡水库对城陵矶地区补偿调度效果。

2.2.1 长江2020年第1号洪水

2020年汛期，长江发生流域性大洪水，长江干流共发生5次编号洪水。2020年7月上旬，长江1号洪水在长江上游形成，叠加两湖水系及干流附近区间来水，长江中下游干流水主要控制站陆续突破警戒水位，并接近保证水位。若上中游水库群不进行调度，莲花塘站水位于7月10日14：00超过保证。洪水期间，三峡水库以控制城陵矶地区不超保证水位为目标，自7月1日起控制出库流量在35 000 m3/s左右，7日起（较还原超保证水位时间提前3 d）逐步压减至19 000 m3/s左右，14日开始逐步加大出库流量至40 000 m3/s左右。

以三峡水库实际调度过程为比较基础，控制三峡水库使用防洪库容不变，分别按较实际出库过程提前1，2，3，4，5 d 5个方案减小三峡水库出库流量（见图6），模拟不同调度方案下莲花塘站水位过程，并与实际水位过程进行对比分析。其中，方案1为提前1 d（2020年7月6日起）减小三峡水库出库流量，最小出库流量23 000 m3/s;方案2为提前2 d减小三峡出库流量，最小出库流量为24 500 m3/s;方案3为提前3 d减小三峡水库出库流量，最小出库流量为26 000 m3/s;方案4为提前4 d减小三峡水库出库流量，最小出库流量为27 000 m3/s;方案5为提前5 d减小三峡水库出库流量，最小出库流量为27 700 m3/s。莲花塘站模拟结果见表3及图7。

与实况过程相比，方案1～5莲花塘站洪峰水位偏低0.13～0.21 m，其中在实况调度过程基础上提前3 d减小出库流量为最佳方案（相对于莲花塘站超保提前6 d左右），但方案2～4洪峰水位相差不大（较水位超保提前5～7 d）。

2.2.2 长江2017年第1号洪水

2017年7月，主要受洞庭湖四水来水快速增加的影响，2017年长江第1号洪水在长江中下游形成。若水库群不拦蓄，莲花塘站将于7月3日超保证水位。为应对长江2017年第1号洪水，7月1日12：00（较还原超保证水位时间提前2 d左右），三峡水库出库流量由27 300 m3/s逐步减至8 000 m3/s。同样，控制三峡水库使用防洪库容不变，分别较实际调度过程提前1～5 d 5个方案减小三峡水库出库流量（见图8），模拟结果见表4及图9。

与实况过程相比，方案1～5莲花塘站洪峰水位偏低0.15～0.19 m，峰现时间均推后12～24 h，其中在实况调度的基础上提前2～5 d控制三峡水库出库流量（相对于莲花塘站超保证水位提前4～7 d），对莲花塘站洪峰水位的影响幅度相对较大，各方案间差别较小。

2.2.3 长江2018年第1号、2号洪水

2018年7月，长江上游接连发生2次编号洪水，三峡水库出库流量自7月3日起（1号洪峰出现时间7月5日），由27 000 m3/s逐步增加至40 000 m3/s左右，在20日前后逐步削减至30 000 m3/s左右，期间三峡水库最高调洪水位156.83 m，最大拦蓄量62.75亿m3。考虑在三峡水库使用防洪库容不变的条件下，分别提前1～5 d增加三峡水库出库流量（见图10），各方案较1号洪峰出现前提前3～7 d增加出库流量，模拟结果见表5及图11。

与实况调度过程相比，方案1～5莲花塘站洪峰水位偏低0.06～0.11 m，其中方案2最优，方案2和方案3差别较小。由图9可知，在宜昌江段来水为主的情况下，控制三峡水库使用防洪库容不变，提前加大出库流量将加快莲花塘站水位涨水速率，降低洪峰水位，加快退水速率。

2.3 调度方式模拟分析

2.3.1 长江2020年第1号洪水

在图6中实况出库、方案3、方案5的基础上，分别设置逐步减小（阶梯）及恒定出库两种调度方式，进行模拟分析，其中方案3的三峡水库调度过程及相应莲花塘站水位过程如图12～13所示。

在实况基础上，两种出庫方式莲花塘站洪峰水位分别为34.34 m和34.15 m，恒定出库下洪峰水位偏低0.19 m左右;在方案3基础上，两种出库方式莲花塘站洪峰水位分别为34.13 m和34.14 m，基本无差别;在方案5基础上，两种出库方式莲花塘站洪峰水位分别为34.17 m和34.19 m。

综合上述结果可知，在莲花塘站水位超目标控制水位前，提前3 d控制三峡水库出库流量，一次性减至控制流量对莲花塘站补偿调度效果较好;在莲花塘站水位超目标控制水位前，提前5～8 d控制三峡水库出库流量，逐级减小出库流量与恒定出库两种调度方式的调度效果无明显差别。

2.3.2 长江2018年第1号和2号洪水

在2018年方案2的基础上，分别按恒定出库及逐步增加（阶梯）进行模拟分析，结果见图14～15。两种出库方式下，莲花塘站洪峰水位分别为31.32 m和31.41 m，恒定出库下洪峰水位偏小0.09 m。在以宜昌江段来水为主的情况下，三峡水库按恒定出库对城陵矶地区补偿效果更好。

调度三峡水库控制莲花塘站水位不超目标水位时，离控制目标水位出现时间较长时（5 d以上），建议逐步减小或增加出库流量;临近控制目标水位时（3 d以内），建议一次性调整到位。

2.4 实时补偿调度方式探讨

基于上述分析，对于以洞庭湖来水为主或洞庭湖与上游来水遭遇的情景（2017年1号洪水和2020年1号洪水），若三峡水库投入的总防洪库容不变，在莲花塘站水位将达到目标控制水位前4～7 d，减小三峡水库出库流量，对城陵矶地区防洪较为有利。相较于提前2～3 d减小三峡水库出库流量，提前4～7 d的方案可小幅降低莲花塘站洪峰水位;对整体过程而言，涨水速率变缓，涨水面水位偏低，若此后水情情势发生变化，主动性更强;由于最大出库流量较实况偏大，退水速率也较实况偏小，退水面水位偏高。

对于以上游来水为主的情况（2018年1号和2号洪水），兼顾上下游防洪需求，三峡水库若需要控制最高库水位，在1号洪峰出现前提前4～5 d增加出库流量也将更为有利。较1号洪峰出现前提前2 d增加出库流量（实况调度过程），提前4～5 d加大三峡水库出库流量，控制使用库容不变，由于最大出库流量减小，莲花塘站洪峰水位也较实况偏低;对整体过程来说，涨水面偏快，退水也略快。

在实际调度过程中，考虑中下游短中期（5 d预见期）的预报较为可靠，建议在预报莲花塘站将超过目标控制水位前4～5 d开始控制三峡水库出库流量为最宜，具体应结合实际洪水过程中防洪形势的发展进行判断;对于调度方式来说，考虑水文预报预见期越短，精度越高，建议出库流量逐步递减，在对未来水情发展把握较大的情况下，一次性将出库流量调整到位。

3 结 论

本文探讨了不同典型洪水、不同调度方式下三峡水库对城陵矶地区的实时补偿调度效果，主要结论如下：

（1） 在三峡水库投入防洪库容一定的基础上，若预见期内预报城陵矶地区（莲花塘站）水位将达到或超过目标控制水位时，综合考虑洪水传播时间、补偿调度效果及水文气象预报的不确定性，提前4～5 d控制三峡水库出库流量，对城陵矶地区防洪更为有利。

（2） 对三峡水库出库流量调整方式来说，应结合水库入库及下游区间水文气象预报，阶梯式调整出库流量;此后，随着预见期临近，对水情发展把握较大时将出库流量一次调整到位。

本文仅以典型洪水探讨了三峡水库对城陵矶地区的实时补偿调度方式，相关结论需要在实时调度中进一步检验。水文气象预报精度、预见期是制约防洪补偿调度效果的关键因素之一;同时，上中游水库群之间如何配合，水库与蓄滞洪区之间如何统一调度，不同调度目标之间的风险转移问题等等，也与城陵矶地区防洪密切相关，相关技术工作仍需要深入研究。

参考文献：

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（编辑：谢玲娴）

Discussion on flood control compensation operation mode of Three Gorges Reservoir to Chenglingji Reach

FENG Baofei，XU Yinshan，LI Jie

（Hydrology Bureau，Changjiang Water Resource Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：

The Chenglingji area has always been the focus of flood control in the Changjing River Basin，as well as an important target of flood control for reservoir group in the upper and middle reaches of the Changjing River.In this paper，a hydrodynamic model for the Changjing River Basin and Dongting Lake area was constructed to simulate and analyze the operation effects of the Three Gorges Reservoir on the Chenglingji reach under various typical floods and different operation modes.Following the results，the real-time compensation operation mode of the Three Gorges Reservoir was proposed for the Chenglingji reach.The results showed that considering the effect of compensation operation and the uncertainty of hydrometeorological forecasts，if the water level of the Chenglingji （Lianhuatang Station） would reach or exceed the target control level at the forecast time，it was appropriate to restrict the discharges of the Three Gorges Reservoir 4～5 days in advance，and gradually adjusted the discharges according to hydrometeorological forecasts.

Key words：

flood control;real-time compensation operation;hydrodynamic model;Chenglingji area;Three Gorges Reservoir