第1章 绪论
　　在三峡水库优化调度取得显著社会经济效益的同时，调度运行方式的改变使水库在遭遇不同频率洪水时，库区淹没的风险加大，水库调度运行管理面临上、下游平衡的决策难题。本书的总体目标是通过深入开展三峡水库优化调度过程中不同运行水位对库区的影响研究，以期深化以三峡水库为核心的控制性水库群联合调度方式研究，助力构建“小水减压、大水减灾、特大洪水避险”的多级防洪调控体系，实现持续提升水库综合效益的目的。
　　1.1变化环境下三峡库区防洪面临的新形势
　　三峡工程是治理、开发与保护长江的骨干工程，承担防洪、发电、航运等综合利用任务，在防洪、发电、航运、枯期补水、生态等方面发挥着巨大的综合效益。与设计阶段相比，建成后的三峡水库的运用环境发生较大变化，各用水部门也对水库调度提出了新的更高要求（刘丹雅和纪国强，2009；仲志余和宁磊，2006；仲志余，2003）。为全面发挥三峡水库的综合效益，开展新约束、新需求、新边界条件下的水库优化调度研究是经济社会发展的客观要求。随着三峡水库运用条件的变化和调度方式的优化，为充分发挥三峡工程综合调度能力，提高对不同类型洪水的防洪减压作用，亟须在已有研究的基础上，研究三峡水库不同运行水位对库区的影响，满足实时调度中的快速决策需求。
　　在三峡工程的可行性研究阶段，主要采用坝址洪水和静库容调洪进行回水推算工作；初步设计阶段在复核可行性研究阶段的成果的基础上，开展了基于动库容调洪的回水推算工作。可行性研究阶段和初步设计阶段库区水面线的推算，是根据渐变流的原理，采用分段稳定流的方法进行方程的离散，并以试算法进行求解。应该说，回水*线偏安全地给出当时计算条件下库区回水淹没的上边界。
　　三峡水库蓄水运用以来，随着长江上游干支流梯级水库群的陆续建成运行，加之水土保持、降雨减少、河道采砂等综合影响（金兴平和许全喜，2018），水库来水来沙条件发生明显变化。2003～2018年，水库年平均径流量（宜昌站）为4094亿m3，较初步设计阶段的4510亿m3减少约9%；入库年平均沙量为1.54亿t（朱沱站+北碚站+武隆站）①，较初步设计阶段减少约70%。同时，流域经济社会的发展对三峡水库防洪、发电、航运、供水、生态等综合调度提出了更高的需求（周曼和徐涛，2014）：汛期下游防洪和航运部门提出对55000m3/s 以下的中小洪水进行拦蓄，以减轻下游防洪和两坝间通航压力；为满足下游生产、生活用水需求，中下游用水部门希望提高汛期末段和枯水期三峡水库的*小下泄流量；此外，各方希望三峡水库开展生态调度，创造有利于四大家鱼繁殖的水力学条件，减少库尾及库区泥沙淤积；等等。为此，以提升三峡水库综合效益为目标，针对三峡水库调度运行方式开展了持续优化调度研究与应用实践（李肖男等，2022；鲍正风等，2016；郑守仁，2015；周曼和徐涛，2014）。
　　在三峡水库优化调度取得显著社会经济效益的同时，也应看到，由于水库汛期和蓄水期运用方式的优化，汛期和蓄水期水库实际运用水位与设计调度方式相比有所不同。试验性蓄水以来实施的汛期水位上浮运用、中小洪水调度和兼顾城陵矶附近地区的防洪补偿调度等优化调度方式，使水库汛期和蓄水期的实际运行水位与初步设计阶段相比有所抬高，2009～2018年的实时调度中，三峡水库汛期*高调洪水位基本都在150.0m （资用吴淞，以下无特殊说明均同）以上，且多数在155.0m 以上。调度运行方式的改变使水库汛期运①朱沱站建于1954年，于1967年下迁450m，改称朱沱（二）站，又于1984年再次下迁290m，改称朱沱（三）站；北碚站建于1939年，于1976年上迁106m ，改称北碚（二）站，又于2007年下迁831m ，改称北碚（三）站，文中在无特殊情况时使用北碚站。
　　行水位常高于初步设计阶段的汛期运行水位，在遭遇不同频率洪水时，有可能增大库区特别是库尾河段的淹没风险（邹强等，2018；郑守仁，2015；李雨等，2013；郭家力等，2012）。为避免库区水面线超过初步设计阶段确定的库区移民迁移线（以下简称“移民线”） 和土地征用线（以下简称“土地线”），水库运行管理部门时常面临着很大的调度决策压力。因此，实时调度中，在三峡水库为中下游防洪减压调度时，为尽量避免库区回水淹没，需要探明三峡水库不同运行水位对库区的淹没风险，构建水面线快速计算模型，开展淹没风险快速评估，为运行管理部门的调度决策提供快速辅助支持。
　　此外，在三峡工程可行性研究阶段和初步设计阶段，针对工程泥沙问题开展了大量研究，分析了库区泥沙淤积对水库回水的影响。但鉴于泥沙问题的复杂性，部分问题尚未认识清楚，还需要进一步深入研究和持续观测，因此三峡水库回水淹没处理未考虑水库泥沙淤积的影响。试验性蓄水以来，虽然入库泥沙较建库前大幅减少，但2003年6月～2018年12月，三峡水库入库悬移质泥沙量仍有23.355亿t，出库（黄陵庙站）悬移质泥沙量为5.622亿t，不考虑库区区间来沙，水库淤积泥沙17.733亿t，年均淤积约1.1亿t，入库泥沙的淤积使得库区的河道地形发生一定的变化。此外，三峡水库属典型的峡谷河道型水库，库区内支流众多，据统计，库段内有回水长度1km 以上的支流170余条，各支流回水总长度约1840km ，其中回水长度在20km 以上的有16条，占支流库段总长度的59.2% 。对于库区地形的冲淤变化、动库容的实时调整，都需要准确、快速的计算模型与工具，以实现库区防洪控制点水位过程的准确、高效模拟，为三峡水库调度和库区防汛工作提供依据。
　　同时，近年来库区城镇化加速推进，据统计，三峡库区城镇化率由1992年的10.68% 提高至2013年的52.18%，城镇规模成倍增长。城镇化率的提升使得对水库岸线和水资源的利用增加，岸线利用越来越长，人水关系更加密切，2008年长江干流和12条主要支流已利用岸线达279.92km ，岸线利用率为11.96% ，两岸人群居住、经济活动与三峡水库运行的关系越来越密切，对三峡水库运行水位变化的敏感性增强。同时，水库不同运行水位的涨落对库区淹没的相关影响越来越明显，且该影响相较于初步设计阶段有所变化。面对库区环境的变化，需要对三峡水库全部库周一定高程范围内的信息要素开展本底调查，设计、建立本底信息库，以更准确地描述库区淹没风险，为不同运行水位调度方案的选择提供决策参考。因此，需要深入开展水库优化调度对库区洪水水面线影响与库区淹没风险的研究，为科学调度提供决策依据。
　　在此背景下，厘清三峡水库库周一定高程范围内的信息要素、构建相应的本底信息库，可为不同运行水位调度方案的库区淹没风险评估提供数据支持。总之，为适应三峡水库来水来沙变化，响应水库上、下游及各部门对水库调度方式优化的迫切需求，并充分发挥工程综合效益，亟须开展三峡水库不同运行水位对库区的影响研究，为研究三峡水库实时调度的上下游反馈机制、深化以三峡水库为核心的控制性水库群联合调度方式研究提供决策支持，对构建“小水减压、大水减灾、特大洪水避险”的多级防洪调控体系具有十分重要的现实意义。
　　1.2三峡库区概况
　　三峡工程位于长江上游与中下游的交界处，坝址控制流域面积100万km2，约占长江流域总面积的56%。三峡水库正常蓄水位为175.0m ，汛期防洪限制水位为145.0m，枯水期消落低水位为155.0m，防洪库容为221.5亿m3，调节库容为165.0亿m3，具有巨大的防洪、发电、航运、供水、生态等综合利用效益，是综合治理开发长江的关键工程。
　　三峡库区位于东经105°44′～111°39′、北纬28°32′～31°44′的长江流域腹心地带，地跨湖北省西部和重庆市中东部，面积约5.8万km2。其包括湖北省的夷陵区、秭归县、兴山县、巴东县，重庆市的巫山县、巫溪县、奉节县、云阳县、万州区、开州区、忠县、石柱县、丰都县、涪陵区、武隆区、长寿区、江津区等17个县（区）和主城9个区（渝中区、北碚区、沙坪坝区、南岸区、九龙坡区、大渡口区、江北区、渝北区、巴南区）。
　　三峡水库处于正常蓄水位175.0m 时，相应的库区范围为坝址至上游约660km 处的江津区附近。三峡大坝建成后，水库沿干支流延伸呈条带状。三峡库区内坝址至重庆市段有20余条流域面积1000km2以上的支流入汇。研究范围内主要支流统计如表1.1所示。
　　表1.1研究范围内主要支流统计表
　　初步设计阶段，三峡水库正常蓄水位175.0m 方案回水水面线的推算范围，包括库区长江干流及主要支流，包括香溪河、大宁河、梅溪河、磨刀溪、汤溪河、小江、龙河、龙溪河、御临河、乌江、綦江和嘉陵江。
　　根据有关规程、规范的要求，结合三峡工程库区的具体情况，初步设计按照同一频率回水*线高于天然水面线0.3m 的取值，确定干流5年一遇洪水回水末端在距坝址
　　573.9km 的大塘坝断面，回水水位为180.7m，天然水位为180.4m，5年一遇回水*线以下，淹没总面积1045km2，其中陆域面积600km2；20年一遇洪水回水末端在距坝址579.6km 的弹子田断面，回水水位为186.0m，天然水位为185.7m，177.0m 接20年一遇回水*线以下，淹没总面积1084km2，其中陆域面积632km2。
　　蓄水运用以来，三峡水库调度的入库流量参考站通常为干流寸滩站、乌江武隆站等，其中寸滩站流量成为三峡水库调度的重要参照。寸滩站距三峡大坝坝址约606km， 完全涵盖初步设计确定的回水末端位置。结合研究的需要，本书将研究范围拟定为朱沱站至坝址段干流，并重点聚焦寸滩站至坝址段，研究范围内涉及朱沱站、北碚站、寸滩站、武隆站、清溪场站①等重要水文（位）站（图1.1）。
　　图1.1三峡库区干支流河道及水文（位）站位置图
　　1.3三峡水库不同运行水位对库区影响的概述
　　本书采用文献整理、现场调研、实测资料分析、数学模型计算等多种手段相结合的方法，开展三峡水库不同运行水位对库区的影响及对策研究，主要研究内容如下。
　　（1）三峡水库初步设计阶段回水计算成果总结。回顾三峡水库初步设计阶段回水计算成果，包括水库回水计算与水库回水淹没处理。
　　（2）三峡水库蓄水运用情况分析。简要介绍三峡水库蓄水运用以来的库区泥沙冲淤特性、优化调度运用情况；对近年来三峡水库调度运行过程进行总结分析，选取实测典型运用过程，分析不同运行水位条件下的库区水面线及其变化过程，研究库区水面线变化与入库流量、水库调度运用之间的关系；将实测三峡库区水面线与规划设计成果比较，分析近年来三峡水库不同运行水位下库区水面线的淹没情况。
　　（3）水库洪水演进计算模型研究。以圣维南方程组为基础，对原有适应于天然河流的数值模型在库容闭合和区间流量计算方面进行改进，提出基于断面法的水位库容*线修正、区间流量水动力学模型反算与空间分配等模型改进的新方法，提升模拟精度，以适应现有水库调度运行方式，建立可指导实时调度的洪水演进计算模型。同时，为提高模型粗糙系数率定的准确性，采用三峡水库建库后实测水位流量资料对模型进行率定和验证。
　　（4）三峡水库库尾河段水位流量关系及行洪能力变化分析。分析建库后不同库水位下回水末端，确定水库坝前水位顶托影响范围；基于建库后的实测断面和地形数据，分析蓄水运用后库尾控制断面在不同水深条件下的断面面积等变化，揭示库尾河段比降变化特征，研究提出库尾河段控制断面水位-面积、水位-流速等关系。在此基础上，研究各控制断面同水位下流量的变化，即不同坝前水位下的行洪能力变化，揭示三峡水库蓄水运用后典型控制断面的行洪能力演变规律。
　　（5）三峡水库淹没可控的临界水位及流量研究。为便于指导三峡水库实际调度运行，将三峡水库入库流量按寸滩站来水为主、区间来水为主、武隆站来水为主三种情况来考虑，适当考虑水库拦蓄的实际情况，针对不同来水组合和调度情况，研究提出淹没可控的临界水位及流量约束指标。