东江流域控制性水工程联合调度策略与机制探讨
东江是珠江流域三大水系之一，发源于江西省寻乌县，上游称寻乌水，在广东省河源市龙川县枫树坝库区与安远水汇合后称东江，流经河源、惠州、东莞三市，于东莞市石龙镇分南北两水道注入狮子洋，是香港和广东省东部各市的主要供水水源，同时也是河源、惠州、东莞等市防洪安全的重要保障。
随着经济社会的快速发展，东江流域用水需求迅速增加。根据广东省水资源公报，按多年平均年来水总量统计（包括上游入境水量），东江流域2022年水资源开发利用率为26.8%。此外，东江流域水文气象特征复杂，高强度人类活动改变了下垫面条件和天然产汇流机制，导致径流形成过程发生变化，又受“龙舟水”和台风雨等强降雨影响，洪涝灾害时有发生，防洪形势依然严峻。
新丰江、枫树坝、白盆珠水库因其控制面积广、调蓄能力强，合称东江流域三大水库。已有研究表明，适时调度三大水库，在防洪方面，可将下游博罗站100年一遇洪水削弱为20年一遇至30年一遇；在水量调节方面，可将下游博罗站枯水期径流占全年径流比例从24%增加到29.1%。东江干流梯级电站众多，三大水库的出流过程还要经过东江干流梯级电站群的二次调蓄作用，各库入流受制于上游水库的蓄泄变化和发电情况。东江三大水库与干流梯级电站为东江流域关键控制性水工程，在流域防洪、供水、生态保护等方面发挥着重要作用。合理运用这些控制性水工程对调控水资源时空分布、优化水资源配置、保障江河防洪安全、改善生态环境具有重要意义。多年来，专家学者针对东江流域水工程调度展开了大量实践和研究，取得了丰富的经验与成果，但仍面临诸多挑战与问题。
本文收集水工程多年运行的经验、案例、数据，综述东江流域控制性水工程联合调度在管理体制、防洪调度、水量调度等方面的研究、实践现状，通过数学模型、统计等方法，对现状调度体制与机制中存在的问题进行分析，并从管理、技术、研究等角度提出建议与对策。
01、流域水工程概况
东江流域面积（含三角洲）35340km2，共有水库1553座，总库容224.24亿m3。其中，三大水库总集雨面积11740km2，占流域总面积的33.2%，总库容170.48亿m3，占流域总库容的76%，在流域防洪、供水、生态保护等方面发挥着重要作用。三大水库基本情况见下表所示。
▲东江流域三大水库基本情况
东江干流沿江而下12座梯级电站基本参数见下表所示，所有水库均设计为低水头径流式电站，主要功能为发电、航运、灌溉等，除东江水利枢纽位于惠州市外，其余11座均位于河源市，如下图所示。
▲东江干流梯级电站基本情况
▲东江干流水工程概化图
运行管理体制
根据《广东省重要水工程防洪调度管理办法（试行）》，三大水库坝址发生10年一遇以下洪水由属地河源市水务局、惠州市水利局负责组织实施防洪调度，10年一遇至20年一遇洪水由广东省东江流域管理局负责组织实施防洪调度，20年一遇以上洪水由省水利厅负责组织实施防洪调度。
东江干流12座梯级电站无防洪功能，防洪调度主要根据设计调度规则执行。河源市11座梯级电站则由属地龙川、和平、东源、源城等县区水行政主管部门负责组织实施防洪调度，东江水利枢纽由惠州市水利局负责组织实施防洪调度。
防洪调度机制
根据《广东省东江防御洪水方案》，东江流域重点防洪对象包括河源市、惠州市区和东莞市区及东莞大堤保护范围各镇。比较重要的防护对象包括河源市龙川县县城，惠州市博罗县县城、惠东县县城，东莞市沿线其他各镇区及东江中下游、东江三角洲相对重要的堤防保护区。三大水库防洪调度规则如下表所示。
▲东江流域三大水库防洪调度规则
其中，新丰江水库汛限水位前汛期（4—6月）为113~114m，中汛期（7—8月）为114~115m，后汛期（9—10月）为115~116m，水库主要采用预报凑泄博罗站流量进行调洪。枫树坝水库汛限水位4—6月为161~162m，7—9月为162~164m，汛末回蓄到166m，水库通过凑泄龙川站流量进行调洪。白盆珠水库汛限水位为75m，水库以错峰调节为主要调洪方式，根据库水位及入库流量进行调洪。
东江干流12座梯级电站防洪规则均以最大发电流量为控制：当上游来水量小于最大发电流量时，闸门全部关闭，正常发电，同时控制发电流量维持上游水位稳定；当来水量大于最大发电流量但小于正常发电阈值时，同时视上游来水与水位适当开启闸门，宣泄多余来水，维持上游正常水位；当发生较大洪水，来水量大于正常发电阈值时，停止发电，闸门全开，恢复河道天然泄洪状态。
水量调度机制
根据《广东省东江水量调度管理办法》《广东省东江流域新丰江、枫树坝、白盆珠水库供水调度方案（试行）》等规定，三大水库、梯级电站和取水户水量调度服从广东省东江流域管理局统一调度，遵循主要重要断面流量控制，具体为：龙川、博罗断面生态基流分别不小于35m3/s、79m3/s，博罗断面下泄流量不小于320m3/s，保证率原则上应大于90%，但调度期内若出现连续区间来水较常年同期偏少，允许按破坏深度不超过20%管控。当流域发生可能危及供水和重要工程设施安全的洪水时，可对三大水库、东江干流梯级水电站等进行应急调度，水量调度服从应急调度。
02、存在问题分析
库区临时淹没问题严重制约水库工程防洪效益发挥
虽然三大水库设计调蓄性能优越，但是居民仍占据着部分库区土地，制约了其调蓄性能的充分发挥，不利于水库的科学调度。特别是枫树坝、新丰江水库均未能解决各自防洪高水位线以下的移民问题，导致约22.44亿m3防洪库容无法有效利用。
通过构建东江流域三大水库联合防洪调度模型，对库区临时淹没问题约束下的防洪能力进行计算分析，选择1959年6月及1966年6月两场洪水作为典型，这两次洪水对下游控制站博罗而言，洪峰、洪量都接近100年一遇洪水，而且两次洪水的组成各有不同特点。1959年6月洪水主要来自三大水库以下区间，频率与博罗站基本一致，均接近于100年一遇，而上游三大水库只发生约5年一遇的较小洪水。1966年6月洪水组成接近于全流域平均发洪，下游博罗站洪峰流量及7天、15天洪量均接近100年一遇，上游三大水库也均发生较大洪水。
按照下表所述方式对两场洪水进行设计和缩放，经过计算，得到如下结果。
▲东江流域设计洪水缩放方式
①若东江流域发生1959年6月型（中下游为主）100年一遇洪水，三大水库严格按规则调度可将博罗站流量从100年一遇削减到20年一遇至30年一遇，但新丰江水库水位会超过现状移民线。若需严格控制新丰江水库水位不超移民线，可防1959年型50年一遇洪水。若要防御100年一遇洪水且不超移民线，需将新丰江水库水位降低至112.5m起调。
②若流域发生1966年6月型（全流域均发）设计洪水，三大水库严格按规则调度可将博罗站流量从100年一遇削减到5年一遇至20年一遇，但三大水库最高水位均会超过现状移民线。三大水库若按现状汛限水位起调，水库水位不突破现状移民线，仅能防1966年6月型5年一遇设计洪水。
③若遭遇1966年6月型100年一遇设计洪水，严格按规则调度，新丰江水库水位需降低至105.9m起调，水库水位可不突破现状移民线；枫树坝起调水位即使降低，对水库最高水位影响也不大，因为洪水是多峰过程，主峰来临前水库水位已抬升较多；白盆珠水库水位需降低至63.4m起调，水库水位可不突破现状移民线。
综上，即使降低三大水库汛限水位，水库在防御流域洪水的调度过程中，仍然可能发生库区临时淹没问题。
三大水库现行防洪调度规则可操作性不强
三大水库现行联合调度方案的计算依据是1984年编制的《东江流域三库联合调洪报告》，自编制以来从未运用于流域防洪调度实践，可操作性不强，主要表现在以下几个方面。
①由于预报的不确定性，凑泄调度存在困难。新丰江出库洪水演进至博罗时间较长（约39h），降雨预报的不确定性导致新丰江—博罗区间洪水预报可靠性不足，现有调度方案通过调度新丰江水库凑泄博罗断面流量难以操作。虽然枫树坝出库洪水演进至龙川时间较短（约9h），但枫树坝—龙川区间集水面积不大（2499km2），降雨预报在小流域的精准性难以保证，现有调度方案通过调度枫树坝水库凑泄龙川断面流量操作也存在困难。
②在库区临时淹没问题约束下，调度规则条件与水库实际情况不符。现行调度规则建立在新丰江水库起调水位为116m的假设条件上，未制定让水库尽量不超过现状移民线的调度规则。然而，新丰江水库实际移民线为116m，自建库以来，新丰江最高水位为116.701m，出现在1983年6月。此后，新丰江水库最高水位从未突破116m。因此，该规则难以有效指导实际水库调度工作。实际运行中新丰江水库通过发电流量控制水位，使水位即使在调洪过程中也尽量不超过116m。
③现有调度管理办法未明确不同主体调度如何有序合理衔接。东江流域三大水库洪水调度根据洪水量级采用分级负责方式，涉及广东省水利厅、广东省东江流域管理局及河源市水务局、惠州市水利局。由于洪水发展过程难以准确预测，一场洪水可能会涉及多个调度主体，不同调度主体对于调度的理解不一致，如何做到有序合理衔接是需要解决的问题。如河源市水务局的先期调度是后续广东省东江流域管理局调度操作的基础，现有调度方案的判别条件、调度操作不够细化，需要基于风险最小考虑，进一步细化调度规则，做到有序合理衔接。
防洪运用与供水运用未能有效协调平衡
三大水库的运用对东江流域防洪与供水调度均有决定性作用。但在库区淹没问题约束下，新丰江、枫树坝水库防洪与兴利调度都在兴利库容中进行，白盆珠水库的防洪效果也受到很大影响。水库运行过程中，防洪调度要求水库尽可能腾出库容以备调蓄洪水；兴利调度要求水库尽可能多蓄水，以满足用水要求。两者的关系如何协调结合，关键在于汛期水库水位的科学合理控制和调洪库容的合理运用。目前，三大水库在实际调度运行中已经形成一些好的经验，但也存在一些不足。
①汛期，水库通过水位动态控制，保障防洪安全的同时尽量蓄水，但汛末水位年度变化较大，部分年份难以达到蓄水目标。三大水库自2008年以来多年平均逐月水位及多年平均逐月出入库流量如下图所示。
▲2008—2022年东江流域三大水库多年平均逐月水位
▲东江流域三大水库多年平均逐月入库、出库流量
可见，新丰江、枫树坝水库来水集中在前汛期，主要受前汛期锋面雨（龙舟水）影响，6月份最大。白盆珠水库来水则分布于整个汛期，同时受“龙舟水”及“台风雨”影响，8月份最大。三大水库汛期运行方式为：日常调度中视来水情况，控制发电流量逐步抬高水库水位，当发生洪水时，视实测与预报来水，通过加大发电流量进行预泄、开启溢洪道泄洪等方式，在保障下游防护对象安全、水库安全与库区临时淹没区安全的同时缓慢回蓄水量。
为保证防洪安全，三大水库在汛前降低水位运行，然而开始蓄水时机难以确定，导致汛末水位年度变化较大，部分年份难以达到蓄水目标。自2008年以来，三大水库汛末（10月20日）水位如下表所示。
▲2008—2022年东江流域三大水库汛末水位
多年平均蓄满率分别为：新丰江水库79%（库水位109.15m），枫树坝水库69%（库水位155.1m），白盆珠水库84%（库水位72.15m）。总体平均蓄满率为78%。其中，汛末蓄满率为水库汛末水位对应库容与正常蓄水位对应库容的比值。
三大水库最低汛末水位均出现在2021年（流域2020—2021连续两年遭遇罕见旱情），其中新丰江水库96.5m，对应蓄满率为47%；枫树坝水库145.88m，对应蓄满率为46%；白盆珠水库66.19m，对应蓄满率为48%。
新丰江水库最高汛末水位出现在2016年，为114.51m，对应蓄满率为94.8%；枫树坝水库最高汛末水位出现在2016年，为162.84m，对应蓄满率为89.2%；白盆珠水库最高汛末水位出现在2013年，为76.75m，对应蓄满率为117.2%。
受库区临时淹没问题影响，若将水库汛末蓄水目标定为正常蓄水位，显然不具备操作性。因此，在东江流域水量调度计划中，一般将三大水库汛末蓄水目标定为新丰江水库113m以上、枫树坝水库162m以上、白盆珠水库73m以上。即使如此，能达到汛末蓄水目标的年份仍屈指可数，尚有较大的优化空间。
②目前，三大水库汛期水位控制相关执行方案的编制与审批单位如下表所示。可见，相关执行方案分别由不同单位进行编制与审批，由于缺少统一的水库年度分阶段调度计划编制技术规范，相关年度方案的编制由各单位依据各自经验编制，而各单位权、责、利不尽相同，可能存在不一致的情况。
▲东江流域三大水库汛期运行方案编制与审批单位
③汛期日常调度计划与防洪应急调度方案难以衔接。三大水库汛期日常运行的指导方案是《水库汛期运用计划》与《流域水量调度计划》，指导防洪调度的是防洪调度规则。近年水库运行过程中通常将水位控制在汛限水位以下数米，而现行调度规则以汛限水位作为起调水位，尚未对水库低水位时遭遇洪水的调度方式进行设计，从而导致日常运行方案与应急防洪调度方案之间难以衔接，因此，水库在遭遇洪水时，仅能依靠经验开展调度。
流域水工程联合优化调度机制尚未建立
东江流域地跨广东、江西两省，流域重要水工程涉及不同行业，分属于不同运行管理单位和利益主体，尚没有统筹上下游、左右岸、干支流开展常规调度。水工程联合调度运用机制尚未建立，亦未编制联合调度规程，尚无水工程多目标（防洪、供水、生态、航运）联合优化调度方案。防洪调度中，水工程之间缺少协同，各自独立调度可能对流域整体防洪造成负面效果。水调电调矛盾依然存在，当来水不足的时候，发电目标与蓄水目标难以同时实现。
技术支撑存在短板
联合统一调度专业性强，需要分析的雨情、水情、工情数据复杂多样，需要进行的水文学、水力学计算繁难，相关技术支撑存在短板，尚无实现流域洪水预报、预警、预演、预案的“四预”平台。全流域内的雨情、水情、工情、灾情、水资源、视频监控信息等尚未实现整合和集中，流域内各工程运行数据信息共享困难，缺乏实现水工程联合调度智慧决策支撑的应用系统。各水工程各自为政，以人工会商为主，缺乏高效便利的信息化预报调度、辅助展示和决策指挥系统，未实现高效预报、决策和调度。
03、建议与对策
强化流域统一调度、统一管理
①从以流域为单元产流、汇流、演进的客观规律出发，把流域作为一个有机整体和基本单元。充分发挥水利部珠江水利委员会在流域统一调度、统一管理方面的作用，协调解决跨省防洪、水资源调度问题，充分发挥斗晏、枫树坝等水库间的水量补偿与反调节作用。
②珠江流域水资源丰富，多年平均水资源总量5201亿m3，占全国的18.3%，居全国第二，但流域内水资源分布与使用极不平衡，东江流域水资源开发利用程度远高于其他流域。亟须从全流域角度对水资源空间进行优化配置，加强跨区域调水工程的探索、建设与管理，解决水资源分布和使用极不平衡的问题，提高区域用水保障率。
制定科学、公认的流域水工程联合优化调度方案
①研究制定东江流域水工程联合调度管理办法或联合调度规程。明确联合调度范围，包括防洪调度、水量调度、生态调度、应急水量调度等。按照“统一管理、分级负责”的管理体制界定水利部珠江水利委员会、广东省水利厅、广东省东江流域管理局和市县水行政主管部门以及水工程运行管理单位的职责和调度权限。制定联合调度运用规则，明确水工程运行管理单位报送工程运行相关信息的要求等，使水库的联合优化调度运行有据可依、有章可循。
②研究制定库区临时淹没约束下的三大水库运用方案与规程。一方面，通过研究库区移民临时淹没补偿方案等方式，恢复三大水库被“侵占”库容；另一方面，需研究制定考虑库区临时淹没问题的水量调度方案与防洪调度方案，使三大水库在运用过程中尽量不产生库区临时淹没，又能最大限度发挥水库防洪、供水、发电效益。
③加强梯级电站的监管。由具有调度管理权限的水行政主管部门强化对梯级电站的监管，加强水利信息化技术的应用，如装设独立、有效的监控视频实时监控电站水位并预警。与相关部门研究商定有关梯级电站运营单位切实有效的制约机制，确保电站严格执行调度指令。
强化技术支撑，为调度决策提供理论依据
①加强流域水文特性研究。基于东江流域多年水文气象数据，使用统计分析方法解析东江流域降雨、三大水库入流、控制站点径流、下游重要取水口盐度、潮位等水文气象要素的趋势性、突变性与周期性。准确解析流域不同阶段来水时空变化规律，提升对流域产汇流特征的认识，为流域水工程不同时期调度策略的制定提供依据。
②加强东江流域汛期高精度水文气象预报方法研究。准确、及时的水文气象预报是水库调度的关键，也是确定水库实时调度运行方式的基础，是支撑水库群供水、防洪调度及洪水资源综合利用的关键。传统以落地雨驱动的实时洪水预报存在预见期短、长预见期下预报误差较大等问题，难以满足水利工程调度运行需求。确定性水文预报模型只能提供单一的确定性预报结果，无法量化洪水预报成果的不确定性，且难以实现对防洪风险大小的实时预估。因此，基于东江流域实际，构建适用于东江流域的分布式产汇流模型，研发东江流域汛期高精度水文气象集合预报方法，是实现东江流域重要水工程联合优化调度的关键。
③专题研究水库汛期水位动态控制与洪水资源安全利用方式。目前，三大水库防洪调度依据的汛限水位依然是20世纪80年代的设计成果，难以满足现状对防洪、蓄水的需求。因此，有必要依据工程本身条件、洪水规律、水库管理部门积累的经验和资料，以及现代科技手段等研究调整汛限水位设置和调洪库容运用方式，在确保防洪安全的前提下，更科学合理地利用洪水资源，增加水库枯水期可供水量。通过分析，不断积累洪水资料系列、总结三大水库运行管理实践经验、充分应用新的水文测报及通信等先进科学技术，重新研究制定三大水库分期汛限水位及其运用方式，优化水库防洪调度规则，充分利用洪水资源。
④水工程联合优化调度的核心是调度指令的科学性和调令运行管理的时效性，而其效果取决于先进、实用的决策支持系统。借助智慧化系统管好用好江河湖泊和水利工程，提升洪水发生的预见性、预警时效性、信息准确性、指挥决策科学性，提升水利工程防洪调度和兴利调度的运用水平。因此，需要加快建设智慧东江，为东江流域水工程联合优化调度提供强有力的技术支撑。
04、结论
①在防御流域洪水的调度过程中，即使降低三大水库汛限水位，水库库区仍有可能被临时淹没。针对三大水库防洪调度规则，应以库区临时淹没问题为柔性约束，在遭遇极端洪水时启用库区临时淹没区。
②三大水库在汛期调度过程中实施动态水位控制，根据自身蓄水位与入库流量，不断调整发电出库流量，控制水位缓慢上升，在保障防洪安全的前提下尽量蓄水，调度成效显著，但防洪与供水运用矛盾突出，调度多基于经验进行，汛末蓄水量仍难达到目标。尚需加强相关基础与技术研究，为调度决策提供科学依据。
③流域重要水工程涉及不同行业，分属于不同运行管理单位和利益主体，现状管理制度下难以协调各方利益，各主体之间工作的衔接仍需进一步加强。需按照“统一管理、分级负责”的管理体制进一步界定各单位的职责和调度权限。同时，应制定联合调度运用规则，使水库的联合优化调度运行有据可依、有章可循。
