長(zhǎng)江上游流域降水預(yù)報(bào)在三峽水庫調(diào)度中的應(yīng)用

■ 徐衛(wèi)立 阮燕云 張俊

準(zhǔn)確的降水預(yù)報(bào)，有利于延長(zhǎng)洪水流量預(yù)報(bào)預(yù)見期、提高洪峰流量預(yù)報(bào)精度，進(jìn)而根據(jù)水雨情信息，制定三峽水庫調(diào)度策略。

三峽工程位于長(zhǎng)江三峽西陵峽河段，工程建成后形成的水庫，正常蓄水位高程175 m，設(shè)計(jì)預(yù)留的防洪庫容為221.5億 m3，為季調(diào)節(jié)水庫。三峽工程控制長(zhǎng)江流域面積達(dá)100萬 km2，大部屬亞熱帶季風(fēng)氣候，降水豐沛，年降水量和暴雨時(shí)空分布不均勻，洪澇災(zāi)害頻發(fā)。如2010年7月渠江暴雨、2014年9月華西秋雨、2016年6月30日三峽區(qū)間暴雨，均對(duì)三峽水庫調(diào)度產(chǎn)生了重大影響。為應(yīng)對(duì)長(zhǎng)江上游流域降水對(duì)三峽水庫調(diào)度的影響，充分發(fā)揮三峽工程防洪、發(fā)電、航運(yùn)、供水等綜合效益，長(zhǎng)江流域氣象中心、長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局、三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心等單位均開展了長(zhǎng)江流域降水預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)。作為水庫調(diào)度工作的重要一環(huán)，準(zhǔn)確的氣象預(yù)報(bào)可以提高流量預(yù)報(bào)精度、延長(zhǎng)洪水預(yù)見期，在三峽水庫防洪、發(fā)電、生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)以及水庫調(diào)度關(guān)鍵期水位控制中都起到了重要的作用。

1 三峽水庫洪水調(diào)度

長(zhǎng)江屬于雨洪型河流，流域內(nèi)暴雨多發(fā)，洪澇災(zāi)害頻繁，且部分河段受暴雨和地形影響，洪水過程具有匯流快、洪峰高、水量大的特點(diǎn)。準(zhǔn)確的降水預(yù)報(bào)，有利于延長(zhǎng)洪水流量預(yù)報(bào)預(yù)見期、提高洪峰流量預(yù)報(bào)精度，進(jìn)而根據(jù)水雨情信息，制定三峽水庫調(diào)度策略，開展防洪調(diào)度或中小洪水優(yōu)化調(diào)度，充分發(fā)揮三峽工程的綜合效益。

1.1 防洪調(diào)度

三峽水庫防洪庫容的設(shè)計(jì)（圖1），支持水庫調(diào)度的主要任務(wù)是在保證三峽水利樞紐大壩安全和葛洲壩水利樞紐度汛安全的前提下，對(duì)長(zhǎng)江上游洪水進(jìn)行調(diào)控，使荊江河段防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到100年一遇，遇100年一遇以上至1000年一遇洪水，包括1870年大洪水時(shí)，控制枝城站流量不大于80000 m3/s，配合蓄滯洪區(qū)運(yùn)用，保證荊江河段行洪安全，避免兩岸干堤潰決。當(dāng)發(fā)生較大洪水時(shí)，三峽水庫的防洪作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是對(duì)荊江河段進(jìn)行防洪補(bǔ)償，二是兼顧對(duì)城陵磯地區(qū)進(jìn)行防洪補(bǔ)償。

圖1 三峽水庫防洪庫容劃分示意圖

1.1.1 荊江河段防洪補(bǔ)償調(diào)度

三峽水庫對(duì)荊江河段補(bǔ)償調(diào)度方式是三峽水庫設(shè)計(jì)防洪調(diào)度方式，防洪區(qū)域重點(diǎn)在荊江河段，使荊江地區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到100年一遇，在遇到1000年一遇或類似1870年洪水時(shí)，控制枝城泄量不大于80000 m3/s，保證荊江河段行洪安全。

2010年7月中旬，受四川盆地持續(xù)強(qiáng)降水影響，三峽形成了建庫以來的最大洪水，7月20日08時(shí)洪峰流量達(dá)到了70000 m3/s。在本次洪水調(diào)度過程中，三峽水庫實(shí)施了對(duì)荊江河段的防洪調(diào)度，長(zhǎng)江流域降水預(yù)報(bào)起到了較好的應(yīng)用效果。早在7月11日長(zhǎng)江上游流域中期氣象預(yù)報(bào)中，發(fā)布了“預(yù)計(jì)未來一周四川盆地降水明顯偏多”的預(yù)報(bào)結(jié)論，并進(jìn)行逐日滾動(dòng)跟蹤預(yù)報(bào)。在滾動(dòng)預(yù)報(bào)過程中，水情氣象專業(yè)人員先后5次進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻會(huì)商，實(shí)現(xiàn)了水文氣象有機(jī)結(jié)合，提前4天預(yù)報(bào)出三峽水庫將出現(xiàn)洪峰超過50000 m3/s的洪水過程，48 h洪峰預(yù)報(bào)精度為98.6%。在準(zhǔn)確的水文氣象預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上，三峽水庫實(shí)施預(yù)報(bào)預(yù)泄調(diào)度，7月15日，三峽出庫流量由25000 m3/s增加到32000 m3/s，拉低三峽水庫水位；洪水到來時(shí)逐步增加至40000 m3/s，并按40000 m3/s控制下泄。受洪水影響，水庫水位從7月18日16時(shí)146.30 m開始上漲，至23日10時(shí)漲至本次最高蓄洪水位158.86 m；水庫蓄洪總量76.1億 m3，約占本次入庫洪水總量的24.5%；削減洪峰流量30000 m3/s，約占洪峰流量的42.9%。通過本次防洪調(diào)度，降低沙市站水位2.5 m，保證了沙市站水位在警戒水位以下，降低城陵磯水位約1.0 m。

1.1.2 城陵磯地區(qū)防洪補(bǔ)償調(diào)度

兼顧對(duì)城陵磯地區(qū)進(jìn)行防洪補(bǔ)償調(diào)度主要適用于長(zhǎng)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，而城陵磯水位將超過長(zhǎng)江干流堤防設(shè)計(jì)水位，需要三峽水庫攔蓄洪水以減輕該地區(qū)分蓄洪壓力的情況。當(dāng)三峽水庫水位高于155.0 m之后，按對(duì)荊江河段進(jìn)行防洪補(bǔ)償調(diào)度。

2016年6月下旬至7月上旬，長(zhǎng)江中下游地區(qū)發(fā)生區(qū)域性大洪水，部分支流發(fā)生特大洪水，城陵磯（蓮花塘）站7日23時(shí)出現(xiàn)洪峰水位34.29 m，接近保證水位34.40 m。在本次洪水調(diào)度過程中，三峽水庫實(shí)施了城陵磯地區(qū)防洪補(bǔ)償調(diào)度，有效控制了城陵磯水位，減輕了洪澇災(zāi)害損失。6月22日，氣象預(yù)報(bào)“6月下旬至7月上旬，長(zhǎng)江上游、洞庭湖流域?qū)⑾群蟪霈F(xiàn)強(qiáng)降水過程，基本符合長(zhǎng)江上游、洞庭湖遭遇洪水天氣模型特征，需警惕上中游洪水遭遇”。為提前應(yīng)對(duì)上、中游洪水，降低中游防洪壓力，6月26日00時(shí)三峽出庫加大至31000 m3/s，之后日均按31000 m3/s控制，降低三峽水庫水位。6月30日，三峽區(qū)間和烏江流域如期出現(xiàn)強(qiáng)降水，三峽入庫流量從30日08時(shí)的29000 m3/s快速上漲至7月1日14時(shí)的50000 m3/s，形成2016年長(zhǎng)江“1號(hào)洪峰”。期間，三峽水庫出庫流量按31000 m3/s控制，削減洪峰19000 m3/s，削峰率38%。長(zhǎng)江“1號(hào)洪峰”過后，三峽入庫洪水逐漸消退至20000 m3/s。7月上旬，長(zhǎng)江中下游出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)降水，城陵磯地區(qū)防汛形勢(shì)嚴(yán)峻，且長(zhǎng)江上游流域降水預(yù)報(bào)顯示后期長(zhǎng)江上游流域無大范圍暴雨過程，雖有中小洪水過程但三峽入庫流量整體不大。7月7日起三峽水庫出庫流量降至20000 m3/s，避免了城陵磯站超保證水位。此次城陵磯地區(qū)防洪補(bǔ)償調(diào)度，三峽庫水位從7月7日11時(shí)148.86 m持續(xù)上漲，7月22日07時(shí)至最高庫水位158.50 m，后庫水位回落，攔蓄洪量達(dá)60.62億 m3。

1.2 中小洪水調(diào)度

根據(jù)降雨預(yù)報(bào)和實(shí)況信息，在不影響工程和防洪調(diào)度安全的前提下，考慮地方和部門對(duì)防洪、航運(yùn)等需求，適當(dāng)進(jìn)行水庫滯洪的機(jī)動(dòng)性調(diào)度，可以減小水庫下游的防洪壓力和提高水電站的航運(yùn)、發(fā)電等綜合效益。同時(shí)，汛期適時(shí)抬升庫水位，改變水體環(huán)境，也有利于抑制水庫支流藻類水華的發(fā)生。

2013年7月長(zhǎng)江上游流域降水總體較歷年同期均值偏多，但時(shí)空分布較不均勻。受降雨影響，三峽入庫出現(xiàn)5次明顯的漲水過程，三峽水庫開展中小洪水優(yōu)化調(diào)度2次，取得了較好的防洪和發(fā)電效益。長(zhǎng)江上游流域強(qiáng)降水過程預(yù)見期平均達(dá)到5～7 d：6月25日預(yù)報(bào)出6月29日—7月1日岷沱江、嘉陵江暴雨過程，6月29日起報(bào)7月4—5日強(qiáng)降水過程，7月6日預(yù)報(bào)8—10日岷沱江暴雨過程，7月10日開始預(yù)報(bào)16—20日持續(xù)強(qiáng)降水過程，7月16日開始預(yù)報(bào)21—22日四川盆地強(qiáng)降水過程。在準(zhǔn)確的水文氣象預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上，三峽開展中小洪水調(diào)度，重復(fù)利用庫容2次：第一次為7月1—10日，三峽—葛洲壩梯級(jí)電站共增發(fā)3.0353億 kW·h；第二次為7月12—31日，三峽—葛洲壩梯級(jí)電站共增發(fā)15.4150億 kW·h，同時(shí)針對(duì)7月21日49000 m3/s洪水過程開展蓄洪調(diào)度，三峽水庫按35000 m3/s控制下泄，避免荊江河段超警戒水位，也起到了較好的防洪效果。

2 三峽水庫發(fā)電調(diào)度

三峽水庫屬于典型的河道型水庫，在汛期未進(jìn)行洪水調(diào)度時(shí)，需預(yù)留防洪庫容，水庫水位一般按照汛限水位控制，即水位控制在144.9～146.5 m，相應(yīng)庫容為7.92億 m3。而長(zhǎng)江上游流域尤其是三峽區(qū)間多突發(fā)性暴雨，對(duì)入庫流量影響較大，因此準(zhǔn)確的長(zhǎng)江上游分區(qū)降水預(yù)報(bào)，可用于指導(dǎo)三峽入庫流量預(yù)報(bào)，增長(zhǎng)入庫流量預(yù)報(bào)預(yù)見期、提高流量預(yù)報(bào)精度，進(jìn)而影響水庫運(yùn)行策略、發(fā)電計(jì)劃編制和電站調(diào)峰，以達(dá)到三峽水庫在不超汛限水位的前提下，多次重復(fù)利用146.5 m以下庫容增加發(fā)電量的目的。

2017年6月，針對(duì)2次漲水過程開展了重復(fù)利用庫容調(diào)度。6月7日，根據(jù)長(zhǎng)江上游中短期降水預(yù)報(bào)，預(yù)計(jì)后期將有一場(chǎng)峰值20000 m3/s的漲水過程，在制定后期計(jì)劃時(shí)，從8日08時(shí)開始加大三峽電站發(fā)電出力，利用發(fā)電提前騰空部分庫容，重復(fù)利用庫容。實(shí)際運(yùn)行中，三峽庫水位從8日08時(shí)的146.46 m逐步下降，至10日17時(shí)降至145.20 m，調(diào)度騰空庫容6.24億 m3，折合發(fā)電量0.2537億 kW·h。6月12日，預(yù)計(jì)后期金沙江、宜賓—重慶區(qū)間、烏江流域有中到大雨，三峽入庫流量將再次漲到20000 m3/s，在制定后期計(jì)劃時(shí)，從13日06時(shí)開始加大三峽電站發(fā)電出力，降低水庫水位。實(shí)際運(yùn)行中，三峽庫水位從13日06時(shí)的146.18 m逐步下降，至14日23時(shí)降至145.17 m，騰空庫容5.00億m3，折合發(fā)電量0.2127億 kW·h。

同時(shí)，長(zhǎng)江上游流域降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品還包括長(zhǎng)江上游流域月、季、年降水趨勢(shì)預(yù)測(cè)，為三峽月發(fā)電計(jì)劃、年發(fā)電計(jì)劃制作提供參考。

3 2017年三峽水庫生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)

生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)是指通過人工水庫調(diào)度，創(chuàng)造魚類繁殖所需的水溫、水力學(xué)條件，以達(dá)到促進(jìn)魚類繁殖的效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚類資源的有效保護(hù)。三峽水庫生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)時(shí)間集中在5 月下旬至6 月下旬，生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)期間日均流量漲幅區(qū)間為590～3140 m3/s，均值為1600 m3/s；調(diào)度持續(xù)時(shí)間為3～8 d。同時(shí)考慮到三峽水庫水位須在6 月10 日消落至汛限水位、汛前應(yīng)盡量平穩(wěn)消落等邊界條件，一般選擇宜昌站水溫達(dá)到20 ℃以上，三峽上游來水不大且有小幅自然漲水過程時(shí)，擇機(jī)實(shí)施生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)。

2017年5月19—25日，三峽水庫開展了一次生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)。5月17日流域降水預(yù)報(bào)顯示，“20—23日，長(zhǎng)江上游流域大部有一次中到大雨過程”，相應(yīng)流量預(yù)報(bào)后期三峽入庫有一次小幅漲水過程。5月19和22日，長(zhǎng)江防總先后發(fā)布5號(hào)、6號(hào)調(diào)度令，本年度生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)正式開始。三峽日均下泄流量自20日的11000 m3/s逐步增加至25日的18000 m3/s（圖2），22—23日宜都斷面出現(xiàn)魚類繁殖高峰，總魚卵密度達(dá)到165顆/1000 m3，其中四大家魚魚卵密度達(dá)到48顆/1000 m3，初步估算此次調(diào)度期間三峽下游江段產(chǎn)漂流性卵魚類繁殖總規(guī)模達(dá)到6億顆，其中四大家魚繁殖總規(guī)模約為1億顆。

圖2 2017年生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)期間三峽水庫出入庫流量圖

本次為三峽水庫2011年以來連續(xù)7年實(shí)施的第9次生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)，通過生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)累計(jì)促進(jìn)四大家魚繁殖規(guī)模達(dá)到8.63億顆，調(diào)度期間四大家魚繁殖規(guī)模占繁殖總量的比例超過40%，同時(shí)也為多種魚類自然繁殖創(chuàng)造了良好的水文條件，生態(tài)調(diào)度試驗(yàn)效果明顯。

4 三峽水庫調(diào)度關(guān)鍵期水位控制

按照《三峽（正常運(yùn)行期）—葛洲壩水利樞紐梯級(jí)調(diào)度規(guī)程》，三峽水庫正常蓄水位175.0 m，防洪限制水位145.0 m，枯期消落低水位155.0 m。每年12月至次年4月，三峽水庫為下游實(shí)施供水、抗旱、航運(yùn)、生態(tài)等補(bǔ)水調(diào)度，庫水位逐步降低，但水庫仍維持在較高水位上運(yùn)行；5月1日—6月10日為三峽水庫集中消落期，6月10日消落至防洪限制水位。主汛期（6—8月）不進(jìn)行防洪調(diào)度時(shí)，水庫水位一般維持在汛限水位上下波動(dòng)；汛后（9—11月）開展蓄水調(diào)度，一般情況下，9月底控制水位162.0 m，經(jīng)國家防總同意后，9月底蓄水位視來水情況可調(diào)整至165.0 m，10月底可蓄至175.0 m。長(zhǎng)江上游流域氣候特征復(fù)雜，年內(nèi)降水時(shí)空分布不均且年際之間降水差異也較大，對(duì)集中消落和蓄水期間的水位控制影響較大。

集中消落期，三峽出庫流量主要受上游來水、葛洲壩機(jī)組滿發(fā)流量、日消落水位變幅等條件影響較大。而這一時(shí)期長(zhǎng)江上游流域降水過程逐漸增多，雨量逐漸增大，上游來水逐漸增多，部分時(shí)段會(huì)出現(xiàn)日均20000 m3/s以上的入庫流量（超葛洲壩滿發(fā)流量），因此準(zhǔn)確的降水預(yù)報(bào)，有利于合理安排消落進(jìn)程以及三峽—葛洲壩樞紐綜合效益的充分發(fā)揮。每年3月下旬，長(zhǎng)江流域氣象中心組織長(zhǎng)江流域各省及相關(guān)單位開展消落期、汛期長(zhǎng)江流域降水趨勢(shì)會(huì)商，可為消落期流量預(yù)報(bào)及消落方案的制定提供參考依據(jù)；每月末開展次月降水趨勢(shì)預(yù)報(bào)，為月度消落計(jì)劃及方案的制定提供技術(shù)支持；同時(shí)長(zhǎng)江流域各預(yù)報(bào)單位開展延伸期降水趨勢(shì)和降水過程預(yù)測(cè)、中短期降水過程預(yù)報(bào)和面雨量預(yù)報(bào)；基本可以做到長(zhǎng)江流域長(zhǎng)－中－短期降水預(yù)報(bào)有機(jī)結(jié)合，為水庫合理安排消落進(jìn)度提供較為可靠的氣象預(yù)報(bào)技術(shù)支持。

蓄水期（9—11月），三峽水庫蓄水同樣受上游來水、葛洲壩機(jī)組滿發(fā)流量以及電力外送等因素的影響。這一時(shí)期長(zhǎng)江流域降水總體開始減少，但長(zhǎng)江上游流域受華西秋雨影響大，且三峽水庫入庫基流相對(duì)較大，因此仍需開展長(zhǎng)江流域蓄水期降水趨勢(shì)預(yù)測(cè)，同時(shí)結(jié)合月、延伸期及中短期降水預(yù)報(bào)，制定合理蓄水方案。當(dāng)預(yù)計(jì)當(dāng)年秋雨較明顯時(shí)，三峽水庫一般在蓄水前期放慢蓄水進(jìn)度，做好汛末防洪和汛后蓄水的銜接；當(dāng)預(yù)計(jì)長(zhǎng)江上游流域后期秋雨偏少時(shí)，三峽水庫則將汛末蓄水與前期防洪運(yùn)用相結(jié)合，抬高9月各階段運(yùn)行水位，增加9月蓄水量；同時(shí)減少10月蓄水量，增加10月下泄流量以減輕蓄水期對(duì)下游的影響。

5 展望

隨著溪洛渡、向家壩等一大批庫容大、調(diào)節(jié)能力好的綜合利用水利水電樞紐工程建成運(yùn)行，長(zhǎng)江上游控制性水庫群初步形成。水庫群對(duì)徑流、洪水巨大的調(diào)節(jié)作用, 勢(shì)必對(duì)對(duì)長(zhǎng)江中下游防洪、河勢(shì)、水沙、水生態(tài)環(huán)境、水資源利用等產(chǎn)生影響，同時(shí)也對(duì)長(zhǎng)江流域降水預(yù)報(bào)提出了新的要求。后期應(yīng)根據(jù)長(zhǎng)江上游流域水庫群聯(lián)合調(diào)度需求，開展流域降水預(yù)報(bào)方法研究，提高預(yù)報(bào)精度，延長(zhǎng)預(yù)報(bào)預(yù)見期；開展無縫隙、格點(diǎn)化、精細(xì)化、定量化的流域降水預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)流域預(yù)報(bào)從固定分區(qū)的流域面雨量跨度預(yù)報(bào)向任意分區(qū)的格點(diǎn)預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)變，為充分發(fā)揮長(zhǎng)江上游流域水庫群的防汛、發(fā)電、航運(yùn)、灌溉、生態(tài)等綜合效益提供氣象技術(shù)支持。

致謝： 本文由水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)（2014ZX07104-005）資助。

深入閱讀

高琦, 金琪, 王仁喬, 等, 2011. 基于面雨量預(yù)報(bào)的長(zhǎng)江上游洪水分級(jí)預(yù)估及其應(yīng)用. 暴雨災(zāi)害, 30 (4): 370-374.

鄒冰玉, 李玉榮, 馮寶飛, 等, 2011. 三峽水庫運(yùn)用對(duì)長(zhǎng)江中下游干流水位影響分析. 人民長(zhǎng)江, 42(6): 80-82.

周曼, 徐濤, 2014. 三峽水利樞紐多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度及其綜合效益分析. 水利發(fā)電學(xué)報(bào), 33(3): 55-60.