金沙江下游梯级水电站防洪库容等效利用方法研究

《Water》：Study on the Equivalent Utilization Method of Flood Control Capacity for Cascade Hydropower Stations in the Lower Jinsha River Basin

　　

中国传统水库防洪调度长期依赖固定汛限水位（flood-limited water level，FLWL），这在汛期常导致水资源利用不足。动态汛限水位（FLWL）调控与水库联合调度已成为在保障防洪安全的同时优化洪水资源利用的核心策略。然而，这些方法通常将单库防洪库容视为固定约束，未考虑在梯级水库系统内部重新配置该库容的潜力。该研究探讨了梯级水库之间防洪库容“等效利用”的概念。研究以下游金沙江四座主要水库——乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝——为对象，建立了其防洪库容等效指数分析方法。该方法的核心是在不同设计洪水情景下开展两轮调度模拟。第一轮模拟遵循标准运行规则；第二轮模拟则在满足下游安全目标的前提下，允许上游水库额外拦蓄洪量，并由下游水库相应减少下泄流量。等效指数定义为下游减少利用的库容与上游额外利用的库容之比。研究分析了四川—重庆河段防洪的9个设计洪水情景（涵盖3个典型年份及1%、2%和5%超越概率），并将水力联系紧密的乌东德—白鹤滩与溪洛渡—向家坝水库对分别视为两个整体单元。结果表明，这两个水库群之间的等效指数范围为0.96至0.999，显示在特定研究目标下其防洪库容具有近乎完全的功能可替代性。面向工程实际应用，研究建议取0.96作为等效指数下限。该研究为大型梯级水库系统防洪库容的动态、协同与更高效利用提供了方法学框架和具体指标。

该文发表于《Water》，围绕金沙江下游梯级水库防洪库容的系统级优化配置问题展开。研究背景在于，中国水库传统防洪调度长期采用固定汛限水位（FLWL）模式，虽然能够预留防洪库容，但由于缺乏对实时水文过程的动态响应，往往造成汛期水头资源和库容资源利用不足，进而形成防洪安全与发电等综合效益之间的矛盾。既有研究虽已发展出动态汛限水位（FLWL）控制与梯级水库联合调度方法，并通过多目标优化、协同运行规则和预报信息引入等手段提升洪水资源利用效率，但在方法本质上通常仍将各单库防洪库容视为不可变的固定配额，缺乏从梯级系统整体层面对防洪库容进行跨库空间再分配的机制。正是在这一问题导向下，研究人员提出“防洪库容等效利用”思路，旨在论证在具有共同下游防洪目标的梯级系统中，不同库位的防洪库容是否具有功能上的等效性与可替代性，从而将传统“单库固定配额”模式转化为“系统共享资源池”模式，以提高流域整体防洪与水资源利用效率。

针对这一目标，研究人员以金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4座骨干梯级水库为研究对象，重点分析四川—重庆河段防洪任务下防洪库容的等效配置问题。论文指出，乌东德和白鹤滩之间水力联系紧密，前者出流直接调节后者入流，因而二者在防洪调度上构成一个一体化单元；同样，溪洛渡和向家坝在四川—重庆河段防洪运行中也长期按协同单元调度。因此，研究的核心不是逐库孤立分析，而是比较“乌东德—白鹤滩单元”与“溪洛渡—向家坝单元”之间防洪库容的等效关系。通过建立定量等效指数，研究人员得出：两组水库在设定防洪目标下的防洪库容等效指数介于0.96～0.999，表明二者具有高度接近的功能可替代性；从工程保守应用角度，建议取0.96作为等效利用下限值。该结论意味着，在预报不确定性较低且洪水重现条件处于研究覆盖范围内时，可通过上游额外拦洪、下游相应减少防洪库容占用的方式，实现梯级系统中防洪库容更灵活、更高效的协同利用，并为提升水电发电收益创造运行空间。

就主要技术方法而言，研究首先基于长江水利委员会水文局资料，选取1966年、1981年和1982年3个典型洪水年，并按1%、2%、5%频率构建9组设计洪水情景，以宜宾以上李庄站防洪对象为控制断面。随后提取各库水位—库容曲线、水位—泄量曲线、调度规则及防洪约束条件，建立考虑库间洪水传播时滞的梯级联合调度模型，库间演算采用马斯京根法（Muskingum）或相应洪水演进方法，并以6 h为计算时段。最后采用两轮模拟法，比较初始规则调度与等效替代调度下上、下游水库群拦蓄洪量变化，据此计算防洪库容等效指数。

在研究结果部分，论文首先在“3.2.1 计算情景构建与分析”中说明：由于金沙江下游梯级水库为长江中下游防洪服务时，各库防洪库容基本可视作等效，因此详细构建的情景主要服务于四川—重庆河段防洪分析。研究选取李庄水文站作为防护对象，采用与4库原设计一致的设计参数，重建不同设计频率下4库入库洪水过程，为等效指数计算提供统一情景基础。

在“3.2.2 金沙江下游梯级水库防洪库容等效指数分析框架构建”中，研究人员构建了一个可支持乌东德—白鹤滩与溪洛渡—向家坝之间协同调蓄的分析模型。该模型综合纳入水库特征曲线、防洪调度规则和库间传播时间，并考虑到4座水库距离较近，采用6 h固定时段近似表征库间洪峰传播过程。该框架的意义在于，它不仅刻画了洪水演进的动态性，也为后续“两轮调度”比较提供了统一的工程化分析平台。

在“3.3.1 等效指数分析结果”中，研究人员将9组设计洪水过程输入模型，并设定4座水库均由各自汛限水位起调：乌东德952 m、白鹤滩785 m、溪洛渡560 m、向家坝370 m。第一轮调度中，乌东德与白鹤滩并不直接承担拦洪任务，而按各自泄量能力下泄；溪洛渡与向家坝则依据下游防洪要求同步拦洪，并在剩余防洪库容及实际泄流能力约束下分配拦蓄量。第二轮调度中，乌东德与白鹤滩参照第一轮中溪洛渡与向家坝的拦洪时段和拦洪量实施同步拦洪；与此同时，溪洛渡与向家坝在原出流过程基础上，当出流大于入流时，相应减少下泄。结果表明，在全部9个设计洪水情景中，乌东德—白鹤滩相对于溪洛渡—向家坝的防洪库容等效指数为0.96～0.999，可认为二者基本等效。研究还指出，两轮调度下4库调洪最高水位均未超过正常高水位，说明所分析工况下仍保有足够防洪安全余度。此外，对同一典型洪水而言，频率越小、总洪量越大，则等效指数越接近1；对相同频率下的不同典型洪水，若两轮调度的总拦蓄量差异越小，则等效指数越大。由此可见，等效关系并非常数，而会随洪水组成和洪量条件变化，但总体保持在较高水平。

在“3.3.2 等效指数使用策略”中，研究人员进一步按各典型年的3种水文频率求取等效指数均值，并分析其与洪水组成之间的响应关系。结果显示，李庄洪水组成中，金沙江来水占比与等效指数存在轻微负相关，而向家坝—李庄区间来水占比与等效指数存在轻微正相关。鉴于样本数量有限，论文强调在工程应用中应采用保守策略，因此建议将9组设计洪水中得到的最小值0.96作为乌东德、白鹤滩相对于溪洛渡、向家坝的防洪库容等效指数下限。

论文讨论部分主要围绕工程应用风险、不同洪水类型敏感性以及复杂等效关系拓展三个方面展开。首先，在工程应用风险方面，研究明确指出，该等效利用方法的前提是绝不降低下游防洪标准，其核心约束为下游控制断面最大下泄流量不得超过河道安全泄量，且所有工况均已按国家设计洪水标准检验，因此不会突破原有防洪安全边界。但研究也指出三类应用限制：其一，预报不确定性风险。等效配置效果依赖实时水文气象预报精度，较大预报误差可能导致库容分配偏离最优，因此未来需结合概率预报构建鲁棒调度规则；其二，超标准洪水适应性问题。本文主要基于常规设计洪水，对超设计极端洪水情景下的等效关系仍需采用更保守的调度策略；其三，多目标协调风险。防洪库容等效利用虽可提升整体洪水资源效率，但也可能引起单库水位阶段性波动，因此实际运行中还需统筹兼顾航运、供水等综合效益。

其次，在洪水类型敏感性讨论中，论文指出防洪库容等效指数不是固定值，而对洪水类型具有显著敏感性。一般而言，陡涨、短历时、高峰值、上下游洪峰遭遇较同步的洪水，往往表现出较高等效指数，因为洪峰传播与各库拦洪能力启动时机高度协调，可最大化削峰效果；相反，对于历时长、总量大、过程较平缓的洪水，等效指数可能略有降低。对于多峰复合洪水，库容利用时机更为关键，等效关系也更复杂。论文同时指出，虽然已识别出主要洪水类型下的一般规律，但对区间来流占优型洪水和异常分布洪水等特殊情景，仍需进一步细化研究。

最后，在复杂等效关系拓展方面，研究认为，除本文讨论的上游—下游两个库群之间的等效关系外，单个水库与同组上下游水库之间、串并联嵌套型库群之间的防洪库容等效关系，仍有待继续深入。论文特别提出，本文只研究了上游对下游的等效指数；由于下游水库直接承担末端防洪保护目标，其对上游的“反向等效指数”在理论上应为1，但这一判断仍需通过专门数值试验验证。该判断被作为未来研究方向提出，而非本文已证实的结论。

研究结论部分可概括为：该研究以下游金沙江梯级水库系统为对象，构建了由3个典型水文年和3种重现条件组成的9个设计洪水情景，定量分析了上游乌东德—白鹤滩库群与下游溪洛渡—向家坝库群之间的防洪库容等效关系。结果表明，两组库群的等效指数范围为0.96～0.999；在预报不确定性较低、适用于年超越概率1%～5%洪水的条件下，工程上建议采用0.96作为等效指数。具体而言，这意味着当上游乌东德和白鹤滩拥有1亿m³可超额调节库容时，下游溪洛渡和向家坝最多可相应利用9600万m³防洪库容，在受控波动水位运行条件下提高发电效益。总体而言，该研究为金沙江下游梯级水库防洪库容动态配置与协同运行提供了科学依据，也为大型梯级水库系统在保证防洪安全前提下提升水资源综合利用效率提供了可操作的方法框架。