第一章绪论
1.1基本情况
1.1.1三峡水库及上游梯级水库库区概况
长江三峡水利枢纽工程，是世界最大的水利枢纽工程，也是治理和开发长江的关键性骨干工程，具有防洪、发电、航运、供水和补水等巨大综合效益，坝址位于湖北宜昌三斗坪，下游距葛洲坝水利枢纽工程38km，控制流域面积达100万km2，多年平均径流量4510亿m3。水库正常蓄水位175m（黄海高程，以下若无特别说明，均为黄海高程），总库容393亿m3，其中防洪库容221.5亿m3，总装机容量2250万kW。三峡水库回水末端至重庆江津，形成长667km，均宽1100m的河道型水库。三峡库区范围涉及湖北宜昌夷陵、秭归、兴山、巴东4个县（区），重庆巫山、巫溪、奉节、云阳、开州、万州、忠县、石柱、丰都、武隆、涪陵、长寿、渝北、巴南、江津、主城区16个县（区）和地区，库区面积5.79万km2。库区支流丰富，主要有嘉陵江、乌江、小江、大宁河、香溪河等；库区上游水系发育，有金沙江、乌江、岷江等。三峡库区属湿润亚热带季风气候，具有四季分明、冬暖春早、夏热伏旱、秋雨多、湿度大、云雾多和风力小等特征。库区年平均气温17～19℃，西部年平均气温高于东部。三峡库区各站年平均降水量一般在1045～1140mm，空间分布相对均匀，时间分布不均，主要集中在4～10月，约占全年降水量的80%，且5～9月常有暴雨出现。库区径流量丰富，年径流量主要集中在汛期，入库多年平均径流量2692亿m3，出库多年平均径流量4292亿m3。库区当地天然河川径流量多年平均为405.6亿m3，径流系数为0.56；其中，地下径流量为84.33亿m3，占河川径流量的21%。
香溪河位于湖北西部，是靠近三峡水库的首条大型支流，位于长江北岸，河口距离三峡水库29km，如图1.1.1所示。香溪河干流长94km，流域面积为3099km2，整体走向为自北向南，但在与长江干流交汇区河口转向为西南方向，与由西向东的水库干流成45°角，成为流向干流上游的反向交汇出口，其特殊的河口走向为干流水体进入支流提供了充足动力，使得香溪河库湾受干流倒灌强度的影响显著强于其他支流。
近年来，随着三峡水库上游溪洛渡水库和向家坝水库的建成，构成了长江流域溪洛渡-向家坝-三峡梯级水库群的新格局，如图1.1.1所示，由此，学者开始越来越多地思考是否可以通过三峡水库及其上游向家坝水库、溪洛渡水库三座水库的联合调度实现长江流域水资源的合理调配，进而达到改善库区及下游水环境的最终目的。
向家坝水库是金沙江干流梯级开发的最下游一级，坝址左岸位于四川宜宾，右岸位于云南水富，坝址上距溪洛渡河道156.6km，下距宜宾33km，与宜昌的直线距离为700km。向家坝水库控制流域面积45.88万km2，占金沙江流域面积的97%。向家坝水库的开发任务以发电为主，同时改善通航条件，结合防洪和拦沙，兼顾灌溉，并具有对上游梯级溪洛渡水库进行反调节的作用。水库死水位、防洪限制水位均为370m，正常蓄水位、设计洪水位均为380m，校核洪水位为381.86m，坝顶高程为384m，防洪库容、调节库容均为9.03亿m3，具有季调节性能。电站额定总装机容量600万kW（最大容量640万kW）。向家坝水库属河道型水库，水库面积95.6km2，回水长156.6km，水库淹没范围涉及四川、云南2个省，宜宾、凉山、昭通3个市（自治州），叙州、屏山、雷波、水富、绥江、永善6个县（区）。向家坝水库蓄水影响范围涉及宜宾范围内的金沙江、长江、岷江全流域。
溪洛渡水库是我国“西电东送”的骨干电源点，是长江防洪体系中的重要工程。工程位于四川雷波和云南永善境内金沙江干流上，该梯级上接白鹤滩水库尾水，下与向家坝水库相连。溪洛渡水库控制流域面积45.44万km2，占金沙江流域面积的96%。多年平均流量为4570m3/s，多年平均悬移质输沙量为2.47亿t，多年平均推移质输沙量为182万t。溪洛渡水库设计开发任务以发电为主，兼顾防洪，此外还有拦沙、改善库区及下游河段通航条件等综合利用效益。水库死水位为540m，防洪限制水位为560m，正常蓄水位为600m，设计洪水位为604.23m，校核洪水位为609.67m，坝顶高程为610m，防洪库容为46.5亿m3，调节库容为64.6亿m3，具有不完全年调节能力。电站额定总装机容量1260万kW（最大容量1386万kW）。
1.1.2长江中下游概况
长江中下游地区地形的显著特点是地势低平，一般海拔为5～100m，但海拔大部分都在50m以下，因此是洪水灾害频发地。气候温暖湿润，年降水量为1000～1400mm，属于典型的季风气候，年内分配不均，主要集中于春、夏两季，而最集中的时段为5～6月。
长江中下游宜昌至大通段，囊括洞庭湖区域、江汉平原、鄱阳湖区域等。其中，长江中下游河势复杂多变，藕节状河网密布，沿程不断有支流入汇，江河湖网关系复杂。主要有三部分支流汇入：一是洞庭湖区域，三口（荆江河段松滋口、太平口、藕池口）分流进入洞庭湖，四水（湘江、资江、沅江、澧水）注入洞庭湖，并都通过城陵矶汇入长江；二是清江、汉江等支流直接汇入长江；三是鄱阳湖区域，五河（赣江、抚河、信江、饶河和修水）流入鄱阳湖后由湖口汇入长江。其中，径流有约50%来自上游，而泥沙则主要来自宜昌以上干支流。位于三峡水库出口的宜昌站多年平均径流量为4300亿m3，多年平均输沙量达5亿t。长江大通以下为感潮河段，水位日变化为非正规半日潮型，河口平均潮差为2.67m，受河口地形束窄影响，潮流多为往复流，流速一般约为1.0m/s，最大可达2m/s以上。
长江中下游最主要的支流是清江和汉江。清江发源于利川西南齐岳山脉的都亭山麓，是三峡水库下游宜昌至武汉段的主要支流之一，在宜昌站下游约25km处与长江干流汇合。清江全长423km，由西向东自然流动，有洪水暴涨、河水丰枯比大等特点。同时，区域、年际、四季分布不均，汛期径流泥沙量大等特征明显。清江流域内多年平均径流量约为227.4亿m3，多年平均流量达427m3/s，最大洪峰流量达18900m3/s，平均年径流深为944mm，平均年径流系数为0.64，对水资源的理论储量为5090万kW，可开发量约为349万kW，水能丰富。汉江发源于秦岭南麓陕西西南部汉中宁强大安的嶓冢山，是三峡水库下游宜昌至武汉段的主要支流，长江中游最大的支流。汉江流经陕西、湖北两省，在武汉汇入长江，干流全长1577km，流域面积15.9万km2。丰富的降水是汉江流域河水的主要补给来源，因此汉江流域各河流年内径流变化与年内降水变化基本上是一致的，主要表现为年内分布不均，7～10月径流量占全年径流量的50%左右，特殊年份高达75%以上。根据汉江主要水文站现有实测资料，最大与最小年径流量一般均相差3倍，年径流量的变差系数都在0.3以上，为长江各大支流之冠。
1.1.3存在的主要环境问题及其技术需求
1.存在的主要环境问题
1）支流水华防控手段缺乏
三峡库区支流富营养化程度较高，水华风险依然严峻。三峡水库蓄水后，支流原来流动的水体受干流的顶托形成回水区，使水文情势发生了很大变化，流速减缓，泥沙沉积，水体透明度增大。同时，上游污染水体入库后不易消散，加之长江干流水体污染物本底较高，并以异重流形式对支流进行污染物补给，使大量营养盐在支流库湾累积，形成富营养化。据报道，部分时段支流回水区富营养化率达到80%以上。
三峡库区污染物排放不能得到有效遏制，且三峡水库及上游流域面源污染持续存在，三峡水库干流污染物浓度本底值不会在短时间内下降，因大坝滞留作用反而有可能上升。因此，三峡水库支流水体富营养化情势在短时间内难以得到有效缓解。从2004～2009年来看，虽然水华情势看似有所缓解，但水华暴发的优势种却发生了变化。蓄水初期水华优势种是以硅藻、甲藻为主的河道型藻种，但2008年以后湖泊型蓝绿藻种逐步呈现优势，在2010年逐步成为主导优势种。
根据水库水体富营养化发生的原因及机理，其治理途径和措施主要有：控制或转移氮、磷等外源性营养盐的输入；调引清洁水冲洗，稀释扩散营养盐的浓度；对库底污染底泥进行疏浚或曝气；提高水生植被覆盖率以净化水质；放养能够摄食蓝藻的鱼类等；在水华暴发时采用物理或化学方法除藻等。然而，在经济承受能力有限、水文地理情况复杂的三峡库区，这些方法在技术和经济上均遇到了较大的困难。
2）库区水源地保护措施尚不健全
三峡水库及上游两岸化工厂林立，船舶流量较大，易燃、易爆、有毒化学危险品的生产、储存、运输日益增加，突发性水污染事故发生风险较大，对三峡水库饮用水源地的安全构成了威胁。2006年一年，就发生突发性水污染事故3起，导致数万人饮水间断3天以上。自2006年以来，共发生水上交通事故70余起，局部水面受到污染。
由于三峡库区上游属经济欠发达地区，工矿企业众多，陆路交通欠发达，河道运输占有较大比重，且该地区环境应急工作基础薄弱，应对环境突发事件的能力较低，应急措施尚不健全，不能满足库区水环境保护的要求，一旦出现突发性水污染事故，将造成重大的经济损失和生态环境破坏。
3）下游江湖河网水生态环境受到威胁
三峡水库蓄水对下游生态环境的影响，具体可以归纳为下游河道年内径流过程的改变、泥沙及生源物质输移的改变、通江湖泊江湖关系的改变、鱼类繁殖水动力条件的改变、河口咸潮入侵平衡的改变等。这些问题在“十二五”规划期间依旧存在。例如，水库长期“清水下泄”必然带来下游河床的冲刷，改变了长江中下游的江湖关系，包括长江干流水位变化及三口分流和汇流区水位变化；其不断向下游发展也在一定程度上使下游河道形成较陡岸坡，威胁长江干堤的防洪安全及航运畅通。此外，在三峡水库现状调度规程下，下游河道诸多生态环境需求也确实难以满足。例如，人为调控水库出库流量过程带来的对天然来流过程的“平坦化”作用大大影响了长江中游洄游性鱼类的产卵繁殖；洞庭湖、鄱阳湖等通江湖泊的湖区面积受三峡水库汛末蓄水过程及人类活动影响缩减幅度较大，生态安全水平下降，水质总体呈下降趋势，富营养化趋势加重，有暴发较大规模水华的风险。湖区湿地生态系统退化，生物多样性受到严重威胁；长江河口连续多年盐水入侵，使河口地区枯水期居民取用水安全受到威胁，同样是现状水库调度过程难以解决的生态环境问题之一。
4）水库调度较少考虑生态环境需求
梯级水库群调度直接影响水库上下游的水体，是防控支流水华、保障库区水源地水质安全和改善下游江湖河网水环境的重要途径，在改善水环境方面有巨大的潜力。“十二五”规划期间，向家坝水库、溪洛渡水库投入运营，形成了溪洛渡-向家坝-三峡梯级水库群，水库群优化联合调度将提上日程。当前水库调度主要考虑防洪、发电、通航等传统效益，较少考虑防控水华、改善水质等生态环境需求及效益，传统水库调度模式急需改进，以兼顾解决库区及下游生态环境问题。
2.技术需求
三峡工程是治理、开发和保护长江的关键性工程，具有巨大的防洪、发电、航运、供水等综合效益。同时，三峡大坝的阻隔及水库径流调节的驱动，对三峡库区及其关联区域的生态与环境产生了巨大的影响，尤其是近年来出现的支流水华问题与库区水质污染问题受到了我国及国际社会的高度关注。
“十二五”规划期间，金沙江流域建成向家坝水库、溪洛渡水库等梯级水库，对三峡水库上游水流、水质、泥沙等入库条件产生重大影响，三峡水库干流水质及支流水体富营养状态将发生重大变化。《三峡后续工作总体规划》（水利部长江水利委员会，2011）及《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》（中共中央和国务院，2010）的出台，在国家发展战略及地方经济发展等层面上对三峡水库及上游梯级水库群赋予了更重要的任务。“十一五”规划的研究成果已不能完全满足国家对三峡水库的需求，基于三峡水库及下游水环境现状和趋势，如何利用水库群联合调度来防控支流水华、保障库区水源地水质安全和改善下游江湖水环境，还需要进行深入探讨和研究。
（1）防控支流水华的水库群联合调度技术需求。
一方面，需要在弄清支流水华生消机理的基
