第1章 绪论
　　本章主要从长江流域水资源利用需求和长江上游水库群建设情况等方面，介绍实施水库群联合蓄水调度研究的背景；结合长江上游水库群汛末蓄水任务和面临的困难，提出合理安排水库群蓄水时间、协调水库群蓄水进程的紧迫性和重要意义；系统述评和全面总结水库群联合蓄水调度的国内外研究进展和前期工作基础；根据溪洛渡—向家坝—三峡梯级水库对流域防洪和水资源利用格局的影响，确定本书主要研究对象，明确影响范围；剖析水库群集中蓄水矛盾，简述本书主要研究内容。
　　1.1 长江流域水库群联合蓄水面临的新形势
　　1.1.1 长江流域水库群联合优化蓄水的形势和意义
　　长江流域水资源总量丰沛，但时空分布不均，同时水资源综合利用仍存在局部地区供用水矛盾较为突出，资源性、工程性和水质性缺水并存等问题（常福宣，2011 ；夏军等，2011）。2018 年4 月26 日，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平在武汉主持召开深入推动长江经济带发展座谈会并发表重要讲话，指出推动长江经济带发展是党中央作出的重大决策，是关系国家发展全局的重大战略，对实现“两个一百年”奋斗目标、实现中华民族伟大复兴的中国梦具有重要意义。2014 年9 月，《国务院关于依托黄金水道推动长江经济带发展的指导意见》（国发〔2014〕39 号）中提出应妥善处理江河湖泊关系。综合考虑防洪、生态、供水、航运和发电等需求，进一步开展以三峡水库为核心的长江上游水库群联合调度研究与实践。长江经济带等发展战略的实施和城镇化进程的高速发展对流域水资源供给和工程供水保障能力提出了更高的要求，也对以三峡水库为核心的长江流域水库群联合调度提出了新的挑战（胡春宏和张双虎，2022；吴志广和袁喆，2021）。
　　蓄水是水库年内运用的重要阶段。对于长江上游水库群，为缓解蓄水期因水库下泄减少对长江中下游供水抗旱、生态补水、两湖湿地的不利影响，仍需要进一步剖析蓄水期水库下游用水需求，均衡协调下游防洪安全和增加水量有效供给之间的关系，提出满足多方用水需求的三峡水库及上游水库群蓄水调度方式（许继军和王永强，2020）。因此，合理安排长江上游水库群蓄水时机与蓄水方式，不仅能保障流域水库群发挥*终规模效益，产生巨大的社会经济效益，同时也是流域生态环境保护与修复非工程措施的一种重要手段和途径（胡向阳等，2010），对优化水资源配置与高效利用水资源，支撑长江经济带建设均具有重要的现实意义。
　　对于水库群蓄水调度，水库间起蓄时间和蓄水进程的协调和确定是两个重要的方面。在过往研究中，更多关注水库蓄水时机提前和阶段*高蓄水控制水位抬升，而针对蓄水进程的优化关注较少（何绍坤等，2019）。每年汛期末段在制定本年度的蓄水调度计划时，需要根据短期、中期及长期气象水文预报成果，在确保水库及上下游地区防洪安全的前提下分期控制蓄水位，尽可能地减少弃水，增加枯水期的供水量，从而提高水库的综合利用效益。目前长江流域水库群联合调度格局已基本形成。本书研究成果对协调上下游水库汛末蓄水时机、进一步挖掘潜在蓄水水量资源，科学调配长江上游水库群蓄水具有重要的示范和指导意义。
　　1.1.2 长江流域水库群联合优化蓄水的需求和挑战
　　（1）开展水库群联合蓄水是加强长江大保护水利支撑与保障能力的内在要求。生态修复已成为长江流域水库群联合调度的重要目标之一，开展水库群联合调度，特别是金沙江下游梯级与三峡水库联合蓄水调度，对加强长江大保护水利支撑与保障能力具有重要意义。
　　长江流域沿线水工程建成运行后，改变了河流天然的水文、水力学特性，对原有的河流水生态环境造成一定影响，在改变原有自然规律的同时，可能导致一系列的生态和环境问题。随着长江上游梯级水库群的陆续兴建并投入运行，水库群集中蓄水会进一步加大对三峡水库蓄水影响，进而对长江中下游水文情势带来更加复杂的影响。连续多年针对“四大家鱼”自然繁殖的三峡水库生态调度试验和向长江中下游、鄱阳湖、洞庭湖两湖地区补水调度实践证明，通过水库群联合蓄放水调度是有效缓解这些不利影响的重要途径（戴凌全等，2022；周雪等，2019）。加强水库群联合蓄水调度研究，进一步提高水库蓄满程度及水资源利用效率、保障供水期生态及枯水期补水水量，从而保障干流、主要支流和湖泊基本生态用水，维护关键河段、关键区域、关键节点生态水量，切实发挥水库群生态调度在长江生态环境保护中的作用，可为促进长江大保护、全面加强长江流域生态环境保护提供强有力的水利支撑与保障。
　　（2）开展水库群联合蓄水是保障水库综合利用效益发挥的关键措施。三峡水库汛后蓄满与否直接影响长江中下游地区取水抗旱，航运流量补偿，两湖地区补水，长江口压咸等综合效益的发挥。
　　近年来的运用实践表明，为减轻三峡水库蓄水对下游用水需求的影响，可考虑将汛末开始蓄水的时间较初步设计调度方案提前，即在来水较大的9 月中下旬，先拦蓄部分水量，以拉长蓄水过程，改善原初步设计调度方案可能出现的蓄水期间下泄流量较小的情况。在确保防洪安全和对泥沙影响不大的前提下，较好地协调了水库汛末蓄水与下游用水的矛盾。研究成果对充分发挥三峡水库巨大综合利用效益具有稳定的支撑作用。随着流域经济社会发展所带来的用水需求提高和长江流域治理开发的逐步深入，迫切要求从流域统筹的角度，进一步明晰并协调蓄水期间防洪、供水、航运、生态等多方面的需求，缓解供用水矛盾中各目标间的协同和转化关系，充分发挥工程综合利用效益。
　　（3）开展水库群联合蓄水是应对和缓解严峻蓄水形势的有效手段。三峡水库处在长江干流有调节能力的*末一级，上游水库群调蓄对中下游的影响集中体现在三峡水库。按2015年成库水平计算，三峡水库及上游水库共有防洪库容约360亿m3 需要到主汛期后或汛期末段9月才能开始蓄水，蓄水时间集中且蓄水量大。遭遇来水偏枯年份，整个上游水库群的蓄水形势相当严峻，严重制约三峡水库枯水期*终规模效益的发挥。
　　为协调上、下游水资源调配，迫切需要研究在确保流域防洪安全的前提下上游各水库进一步提前蓄水的可能性，以及与三峡水库开展联动蓄水的调度方式，尤其是特枯水年份的联合蓄水调度方式，以协调水库群竞争性蓄水的不利影响（王俊和郭生练，2020）。三峡水库在金沙江下游溪洛渡、向家坝水库配合下，汛末防洪库容灵活运用空间更大，存在蓄水时机提前的可能，但针对不同前期来水情况，汛末预蓄方式与所处工况有关，因此应针对蓄水进程合理性进一步加强研究。
　　（4）开展水库群联合蓄水是完善梯级水库群管理的现实需求。进入8 月下旬以后，两湖地区来水减少趋势明显，两湖地区发生洪水概率很小（胡光伟等，2014）。三峡水库兼顾对城陵矶地区防洪调度运用的概率也将明显减少，中下游防洪需求的降低，为上游水库群防洪库容有序释放创造了条件。调度管理部门及水库所属业主迫切希望明确水库适应流域水情变化的防洪蓄水总体调度方案，以指导各水库度汛方案及蓄水计划的编制。
　　当前，长江上游来水来沙变化规律、长江中下游水资源综合利用需求、河势及生态环境的动态调整仍在变化，给长江上游水库群的运行管理及科学调度带来巨大挑战，亟须针对长江上游具有代表性的大型控制性水库群开展优化调度方案编制工作，为长江流域的防洪抗旱管理和各水库的优化调度运用提供技术支撑。
　　综上所述，为了响应国家水资源可持续开发利用战略，实现人水和谐，统筹协调防洪与兴利的矛盾，应对蓄水期调度存在的问题和挑战，开展流域控制性水库群联合蓄水调度研究，形成合理的梯级水库群联合蓄水调度方案，是十分必要的。
　　1.1.3 长江流域水库群联合优化蓄水的目标和任务
　　本书研究总体目标是：在确保枢纽工程安全、保障流域防洪安全的基础上，系统梳理已有蓄水调度研究成果，总结实际调度经验，充分挖掘溪洛渡—向家坝—三峡梯级水库联合蓄水调度潜力，通过优化汛期末段至蓄水期的蓄水时机及蓄水进程，科学协调梯级水库蓄水方式，提升溪洛渡—向家坝—三峡梯级水库水量优化利用空间，缓解长江中下游枯水期用水需求压力，进一步提升梯级水库群综合利用效益。
　　具体研究任务包括：①厘清金沙江下游溪洛渡—向家坝—三峡梯级水库联合蓄水调度需求与边界；②提出金沙江下游溪洛渡—向家坝—三峡梯级水库联合蓄水调度理论与方法；
　　③分析金沙江下游溪洛渡—向家坝—三峡梯级水库联合蓄水调度影响与效益。
　　1.2 水库（群）蓄水调度国内外研究进展与工作基础
　　1.2.1 水库（群）蓄水调度国内外研究进展
　　1. 水库（群）蓄水期调度需求
　　水库（群）蓄水期间，下泄流量一般比来量减少较多，加上汛后天然来水量也在逐步下降，水库蓄水与各方面用水的要求之间往往可能出现较大矛盾与压力。对于蓄水期水库上下游需求开展分析，既有利于科学制定水库蓄水方案，也有利于明晰和防范水库集中蓄水可能带来的不利影响。
　　对于三峡水库，陈炯宏等（2015）从防洪、发电、航运、两湖地区补水、长江口压咸等方面，全面细致地分析了三峡水库8月下旬～11月下旬期间各方面的用水需求，提出了蓄水期综合利用下泄要求。
　　近年来，随着技术手段的进步和“共抓大保护、不搞大开发”理念的逐步深入人心，水生态环境保护在流域开发治理中的地位愈发凸显，水生态环境保护对流域综合管理提出了更高的要求。水库调度作为流域防洪减灾和水资源利用的重要非工程措施，应充分利用水库调节能力合理调配水资源，在保障水库上下游饮水安全，改善下游地区枯水时段的供水条件的情况下，努力维系优良生态。戴凌全等（2016）建立了面向洞庭湖生态需水的水库优化调度模型，在蓄水期开展了不同典型年下以提高洞庭湖*小生态需水满足度和增加三峡水电站发电量为目标的水库优化调度。李英海等（2019）针对溪洛渡—向家坝梯级水电站在汛末期发电兴利、汛末蓄水、下游生态需水等多方面存在的水资源利用矛盾，引入了生态流量满足度结合其他兴利指标对蓄水方案进行了评价。蔡卓森等（2020）考虑金沙江下游珍稀特有鱼类自然繁殖生长需求，提出了下游河道适宜的生态流量，并探究了溪洛渡—向家坝梯级水库蓄水期的适宜生态流量改变度与梯级水库发电量间的关系。
　　2. 水库（群）蓄水时机选择
　　水库设计阶段往往从保证防洪安全角度出发，在整个汛期未发生洪水时，均将运行水位控制在防洪限制水位附近，待汛期水雨情明显转退，发生大洪水的可能性很小的情况下，方才实施蓄水。这样的蓄水安排，能够较好地保障防洪安全，但遇来水偏枯年份，水库汛后依靠径流蓄水，蓄满率和汛后蓄水位偏低，将可能影响下一供水年度的供水安全和兴利效益发挥。实时调度中可考虑在保障防洪安全的前提下，结合来水预报，合理利用汛期末段洪水资源，开展有条件的提前蓄水，从而提高水库蓄满率。
　　彭杨等（2003）在分析三峡水库防洪、发电及航运效益随蓄水时间的变化规律的基础上，运用多目标决策技术，建立水沙联合调度模型对三峡水库的蓄水时机和方式进行优化决策，研究表明从水库全局利益考虑，适当提前蓄水时间不会影响防洪，且对下游通航有利，三峡水库汛末提前蓄水比推迟蓄水好。刘攀等（2004）建立了考虑防洪-发电-航运效益指标体系的三峡水库初期运行期汛期运行水位与蓄水时机的联合优化设计模型，采用混合编码的遗传算法求解，得到了一系列优化方案，并根据不同的决策偏好进行方案**。刘心愿等（2009）将传统的设计洪水检验技术引入到优化技术中，通过对汛末期防洪库容进行科学划分和对蓄水控制线进行优化，根据入库流量大小进行分级防洪调度，实现了水库防洪和兴利蓄水之间的平稳过渡。Turner 和Galelli（2016）提出了适应面临时段径流量级转移概率的供水水库中长期调度策略以兼顾枯水年份水库蓄水。陈柯兵等（2018）提出聚类-预报-优化的预报调度模式，利用支持向量机模型获得三峡水库9 月径流量预报结果，并根据丰、平、枯来水预判确定水库起蓄时机。王丽萍等（2020）在基于累计前景理论的专家个体意见分析的基础上，提出了*佳蓄水时机的专

目录
第1章绪论 1
1.1 长江流域水库群联合蓄水面临的新形势 2
1.1.1 长江流域水库群联合优化蓄水的形势和意义 2
1.1.2 长江流域水库群联合优化蓄水的需求和挑战 2
1.1.3 长江流域水库群联合优化蓄水的目标和任务 4
1.2 水库（群）蓄水调度国内外研究进展与工作基础 4
1.2.1 水库（群）蓄水调度国内外研究进展 4
1.2.2 水库（群）蓄水调度工作基础 9
1.3 长江上游水库群概况 13
1.3.1 长江上游水库群范围 13
1.3.2 溪洛渡—向家坝—三峡梯级水库 16
1.3.3 梯级水库近年蓄水调度运行实践 18
1.4 长江流域水库群联合蓄水调度关键问题 24
1.5 本书主要研究内容 25
第2章梯级水库蓄水期综合需求 27
2.1 梯级水库在流域开发-管理-保护中的作用 28
2.1.1 梯级水库建成后长江中下游防洪形势 28
2.1.2 梯级水电站在电力系统中的地位和作用 29
2.1.3 航运现状及航运任务 29
2.1.4 干流沿江取用水现状与供水任务 29
2.1.5 水库投入运行后水生态环境保护要求 30
2.2 蓄水期调度需求 30
2.2.1 蓄水期防洪需求 30
2.2.2 蓄水期水资源综合利用需求 34
2.3 水库（群）蓄水期运行约束 36
2.3.1 水库（群）蓄水期防洪库容预留要求 36
2.3.2 水库（群）蓄水期下泄流量要求 38
第3章梯级水库蓄水期水文特性 39
3.1 洪水时空分布与遭遇组合特征 40
3.1.1 洪水时空分布与遭遇组合分析方法 40
3.1.2 长江上中游干支流汛期洪水特性与遭遇规律 40
3.2 蓄水期来水特性与径流演变规律 50
3.2.1 屏山站、宜昌站8～10 月来水特性 50
3.2.2 蓄水期径流演变趋势 51
3.3 蓄水期典型枯水年径流组成 56
3.3.1 典型枯水年上游来水特性 56
3.3.2 枯水年上下游径流丰枯关联性 58
第4章梯级水库可蓄水量与蓄水形势 61
4.1 水库群蓄水时间与待蓄水量 62
4.2 水库群可蓄水量 63
4.2.1 溪洛渡、向家坝、三峡水库可蓄水量 63
4.2.2 考虑乌东德、白鹤滩水库投运影响的可蓄水量 65
4.3 水库蓄水形势 66
4.3.1 蓄水调度方案 66
4.3.2 梯级蓄水形势 67
第5章水库群蓄水优化调度模型及高效求解算法 71
5.1 水库群多目标蓄水优化调度模型 72
5.1.1 调度模型数学描述 72
5.1.2 PA-DDS 优化算法 73
5.2 基于多目标优化的水库群蓄水方案 74
5.2.1 蓄水调度方案 74
5.2.2 多目标优化结果 76
5.2.3 优化效果 77
第6章基于降雨-径流预报的水库蓄水时机判定与水位控制策略 79
6.1 基于海温多极的中长期降水预报方法 80
6.1.1 模型数学描述 80
6.1.2 研究案例与应用效果 80
6.2 确定性月径流预报模型 82
6.2.1 模型数学描述 82
6.2.2 三峡水库月径流预报效果 82
6.3 基于水文预报的三峡水库蓄水策略 83
6.3.1 流域水文气象预报水平综合评估 83
6.3.2 考虑月径流预报的蓄水时机选择 85
6.3.3 考虑滚动预报的逐阶段蓄水策略 86
第7章基于水情预判的三峡水库蓄水进程优化 89
7.1 流域枯水预判条件 90
7.1.1 上游来水情势 90
7.1.2 下游来水情势 92
7.2 三峡水库蓄水进程控制方案比选 95
7.2.1 三峡水库9 月不同阶段蓄水控制水位空间 95
7.2.2 三峡水库蓄水进程控制方案拟定 99
7.2.3 不同蓄水方案水库群蓄水效果 101
7.2.4 提前预蓄对水库群蓄水效果的影响 106
7.2.5 三峡水库9 月蓄水进程方案风险及应对措施110
7.3 三峡水库蓄水进程优化策略111
第8章溪洛渡、向家坝、三峡水库联合蓄水调度方式优化113
8.1 汛期末段长江中下游防洪库容需求114
8.1.1 汛期末段城陵矶地区防洪库容需求114
8.1.2 汛期末段荆江河段防洪库容需求 121
8.2 溪洛渡、向家坝水库与三峡水库协调蓄水方案 124
8.2.1 方案的拟定 124
8.2.2 联合蓄水效果分析 125
8.2.3 联合蓄水风险分析 133
8.2.4 联合蓄水调度方式 137
第9章水库群不同蓄水方案对中下游供水作用 141
9.1 水库群蓄水对长江中下游供水的影响 142
9.1.1 蓄水对长江中下游干流供水的影响 142
9.1.2 蓄水对洞庭湖区供水及灌溉的影响 142
9.1.3 蓄水对鄱阳湖区供水及灌溉的影响 143
9.2 三峡水库不同蓄水方案的下泄流量保证率 143
9.2.1 不同蓄水方案三峡水库下泄流量 143
9.2.2 不同下泄流量敏感性分析 147
9.3 三峡水库蓄水控制策略 151
9.3.1 水库调度图优化策略 151
9.3.2 优化效果 153
第10章长江干流水位对蓄水期上游水库群联合调度的响应规律 155
10.1 河道变化情况 156
10.1.1 河道概况 156
10.1.2 中下游干流主要控制断面变化 157
10.1.3 中低水位-流量关系变化 158
10.2 长江中下游一维水力学模型构建与应用 161
10.2.1 模型构建 161
10.2.2 计算结果验证 163
10.3 长江干流水位-流量变化情况 163
10.3.1 流量还原方法 163
10.3.2 基于流量还原方法的长江干流水位-流量变化情况 164
10.4 不同蓄水方案对中下游水位的影响 165
10.4.1 三峡水库不同蓄水方案对中下游水位的影响 165
10.4.2 溪洛渡、向家坝、三峡水库联合蓄水对中下游水位的影响 167
第11章水库群蓄水对两湖地区水文情势的影响 173
11.1 两湖地区水文情势变化及其影响因素 174
11.1.1 两湖地区水系概况 174
11.1.2 洞庭湖区水文情势变化及其影响因素 174
11.1.3 鄱阳湖区水文情势变化及其影响因素 178
11.2 长江与洞庭湖一、二维耦合水动力学模型构建与应用 181
11.2.1 模型构建 181
11.2.2 模型应用精度评价 183
11.3 长江与鄱阳湖二维水动力学模型构建与应用 185
11.3.1 模型构建 185
11.3.2 模型应用精度评价 186
11.4 不同调度方案对两湖地区水文情势的影响 186
11.4.1 不同调度方案对洞庭湖区水文情势的影响 186
11.4.2 不同调度方案对鄱阳湖区水文情势的影响 192
参考文献 196