梯级水库运行期设计洪水及水位联合优化调控变革与启示
水资源是经济社会高质量发展的基础性、战略性资源，是实施国家“江河战略”的控制要素。我国地处亚洲季风区，多年平均地表水资源量为27246亿m³，水资源时空分布不均，暴雨洪水季节性变化规律十分明显，汛期洪量约占全年总径流的60%~80%，流域防洪与兴利需求并重。水库作为水旱灾害防御的重要工程措施，在防洪、供水、灌溉、发电、生态、航运等方面发挥了显著作用。
汛限水位是基于单库设计洪水和防洪任务制定的确保防洪安全的设计参数。水库防洪与兴利需要统筹协调，若汛期一直维持水库汛限水位运行，可能导致汛期大量弃水、汛后蓄水困难，影响水库综合效益的充分发挥。这种情况在干旱年份尤甚。例如，2022年长江流域发生历史性特大干旱，全国共有5245.2万人次受灾，因旱需生活救助758.5万人次，农作物受灾面积609.02万hm²，直接经济损失512.8亿元，给社会经济造成了较大影响。受来水严重偏枯影响，2022年9月1日，长江上游水库群正常蓄水位以下待蓄水量达537.2亿m³，比近5年平均值多246.5亿m³。
随着大规模水库群建成投运，流域下垫面条件及产汇流机制明显变异，水库现状运行工况与设计条件相比差异显著，水库及引调水工程运行等人类活动对设计洪水的影响显著，梯级水库群运行管理中如何分析和应用设计洪水成为亟待解决的新问题。另一方面，梯级水库汛末集中蓄水易导致各水库蓄满困难，并对下游生态环境造成不利影响，水库群联合优化调控、水资源高效利用现实要求十分迫切。
梯级水库群汛期运行水位联合优化调控是实现汛期防洪与兴利协调统一的重要手段，其中运行期设计洪水变化研究是汛期运行水位联合优化调控的重要基础。研究梯级水库群运行期设计洪水并实施水库群汛期运行水位联合优化调控，能够在不降低防洪标准的前提下提高水库群汛末蓄满率，增加流域枯水期供水流量，大幅度提高流域水旱灾害防御、水资源高效利用、水生态环境保护修复及水工程科学调度能力，保障防洪安全、供水安全、能源安全、生态安全，推进新阶段经济社会高质量发展。
01、设计洪水及运行水位联合调控的现状和发展态势
我国目前主要采用年最大设计洪水指导水库设计
《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 44—2006）（以下简称《规范》）中定义的设计洪水是指水利水电工程规划、设计、施工过程中所指定的各种设计标准的洪水。20世纪50年代中后期以来，我国开始大规模建设水利水电工程。自70年代至今，已颁布实施了三版《规范》，我国设计洪水计算已经形成一套较为规范和完善的体系。针对单一水电工程，假定资料满足可靠性、代表性、一致性要求，推荐采用皮尔逊Ⅲ型曲线和适线法拟合年最大洪水系列，并考虑历史洪水信息，选择对防洪偏不利的典型年洪水进行同频率放大推求设计洪水过程线，并通过调洪演算推求汛期限制水位和防洪库容等。因此，《规范》对设计洪水计算的要求是和工程设计及建设相伴而生的，是确保水库防洪能力和大坝防洪安全的设计值。
依据我国防洪形势、水库设计规范和管理体制机制，《中华人民共和国防洪法》（1998年1月1日起施行，2016年第三次修正）第四十四条规定：“在汛期，水库不得擅自在汛期限制水位以上蓄水，其汛期限制水位以上的防洪库容的运用，必须服从防汛指挥机构的调度指挥和监督。”
水库汛期运行水位动态控制实践正在逐步开展
依据不同阶段的水文气象监测预报水平、水库调度决策水平，以及对流域水文情势和防洪风险的认知水平，我国水库汛期运行水位的控制方法主要经历了单一或分期汛限水位控制和运行水位动态控制两个阶段。2000—2015年间，水利部开展了水库“汛限水位动态控制”试点工作，在全国选择24座水库进行应用试点。2012年以来，长江流域已逐步实现53座控制性水库运行水位动态控制。2022年受流域性极端枯水影响，三峡水库在连续12年完成175m蓄满任务后首次未能蓄满，2023年长江流域来水整体偏少三成，6月10日至9月10日，三峡水库在确保防洪安全的前提下，平均运行水位较汛限水位145m偏高9.81m，10月20日蓄至正常蓄水位，为流域供水、灌溉、发电、航运、生态提供了可靠的水资源保障。2021年，南水北调中线水源丹江口水库开展了汛期运行水位动态控制并首次蓄水至170m，在2022年来水偏少三成的情况下向北方供水89.28亿m³，2023年10月再次蓄水至170m，保障了京津冀豫地区用水安全。2023年，水利部首次批复珠江流域水库群联合调度运用计划，将27座水库纳入2023年汛期联合调度范围。2021年，珠江流域主要江河来水偏少三至七成，以致出现“秋冬连旱、旱上加咸”的不利局面，通过流域梯级水库联合动态控制，下游干支流最大咸界下移6~23km，有力确保了港澳及珠江三角洲地区的供水安全。
变化环境对水资源高效利用创造了有利条件
梯级水库的调蓄作用显著改变了河川径流及洪水的时程分配过程，上游水库拦峰滞洪后，下游断面洪水量级减小。例如，受金沙江下游梯级水库联合调度影响，向家坝水库1000年一遇设计洪峰、3d、7d、30d洪量的削减量（削减率）分别为15400m³/s（35%）、35.6亿m³（33%）、70.2亿m³（30%）和85.0亿m³（11%）。在新水沙条件下，上游来沙量显著减少，部分流域的泥沙调度已不是汛期运行水位动态优化的制约性因素。例如，三峡建库前1956—1990年、1991—2002年入库输沙量分别为4.89亿t、3.51亿t，建库后2003—2020年入库多年平均年输沙量为1.52亿t，入库输沙量呈现不断减少的趋势。
梯级水库群运行期设计洪水及运行水位联合优化调控体系亟待研究
随着大规模水库群建成投运，区间流域洪水产汇流机制显著变化；梯级水库群的汛前消落、汛期运行、汛末蓄水对统一调度带来新的挑战。在新的水利工程兴建、流域防洪系统建设、现有水利工程安全鉴定及防洪标准复核、流域梯级水库群运行调度管理等方面，设计洪水分析计算如何适应下垫面及河道汇流条件的改变，将水库调度的影响纳入考虑范围，是当前水利水电工程规划设计和流域梯级水库群运行管理亟须完善的重大问题。当前的设计洪水及水库调度研究成果还不足以适应梯级水库群建成运行引起的多方面变化，亟须系统开展梯级水库群运行期设计洪水及运行水位联合优化调控体系研究。
02、理论研究进展
变化环境下的设计洪水研究进展
当前，变化环境下设计洪水计算方法主要包括四种途径。
一是基于水文极值系列重构途径的设计洪水计算方法，即根据还原和还现两种途径进行系列重构。还原、还现方法简单直接，在工程实际中较常用，但还原、还现过程中造成的误差难以定量评估。
二是基于混合分布模型的设计洪水计算方法。该方法通过对整个观测样本系列进行分类，使得每一个子样本均满足一致性要求。通过推求每一个子样本的概率密度函数，再进行加权推求总体的综合概率密度函数，进而推求非一致性设计洪水。混合分布法具有较强的理论基础，能从机理方面描述水文样本的非一致性，但该方法的解释能力有限，难以刻画环境变化产生的复杂影响。
三是基于广义加法模型的设计洪水计算方法。广义加法模型由Rigby和Stasinopoulos提出，构建参数与潜在驱动因子的相关关系，并利用潜在驱动因子描述参数的变化。模型通过时变矩法估算参数，可以灵活地描述统计参数与协变量的线性或非线性关系，但这种相关关系并不一定能准确描述导致非一致性的水文机理。
四是基于洪水地区组成的设计洪水计算方法。洪水地区组成方法从气候成因角度考虑，并结合统计学方法分析设计断面洪水来源的统计规律。拟定设计断面具有代表性的洪水地区组成后，基于梯级水库群的联合调度规则即可推求下游断面受水库调蓄影响的设计洪水。但由于洪水地区组成方案无法唯一确定，因此该方法推求设计洪水亦存在一定的不确定性。
总体来说，目前变化环境下设计洪水研究方法均有一定的优缺点。新时期下水库、引调水工程运行等人类活动及气候变化因素对设计洪水的影响已不可忽略，亟须系统开展变化环境下的梯级水库运行期设计洪水研究。
水库汛期运行水位动态控制研究进展
目前单库系统的水库汛期运行水位动态控制方法研究基本已成体系，大致可划分为预报调度法、预泄能力约束法、综合信息推理模式法、防洪风险调度模型法等。预报调度法侧重考虑预报信息的利用，将预报降雨、洪水等信息作为遭遇洪水时的动态运行判别指标。预泄能力约束法通过考虑来水预见期内水库自身的泄流能力将汛期运行水位进行适当上浮，以确保在洪水起涨前能将水库水位降至原设计汛限水位值。综合信息推理模式法兼顾实测的确定性信息、随机的统计信息和水文预报信息等建立推理模式，然后结合实时调度时刻的上述综合信息，进行未来水库出流决策。防洪风险调度模型法将水库的防洪标准视为一个可接受的风险率指标，通过建立实时优化调度模型来控制风险，从而在不降低防洪标准的前提下提高水库兴利效益。
在水库群系统中，由于水库之间存在复杂的水文、水力联系，仅变动水库群系统中某一个水库的汛限水位，并不能直接明确系统整体的防洪或兴利效益会如何随之响应。水库群防洪库容联合设计的研究目的并不是对水库群系统中单个水库的防洪库容特征值进行重新设计，而是在不降低整个流域水库群系统防洪标准的前提下，从流域水库群系统的角度出发，考虑各水库之间的水文、水力联系，对水库原防洪库容进行极限风险模拟，推求最高安全汛期运行水位，从而实现整个流域水库群系统的优化调度。
在新时期下，流域内协同防洪的水库数量不断增加，洪水资源管理需求越来越复杂，水库之间存在着水文、水力等不容忽视的客观联系。因此，迫切需要系统开展梯级水库群防洪库容动态联合使用、梯级水库群库容联合优化运用研究，从而弥补传统单库调度理论方法的不足。
03、当前设计洪水及运行水位联合优化调控存在的主要问题
对暴雨洪水季节性变化规律的科学认识不足
我国地处亚洲季风区，水资源时空分布不均，暴雨洪水的季节性变化规律十分明显。经过国内众多设计单位和水库运行管理部门多年的研究实践，对洪水分期和分期设计洪水有了相当认识，但应用实践较少。目前我国仍有较多大型水库的运用有待优化，例如部分水库在整个主汛期始终采用单一汛限水位控制。由于对洪水季节性变化规律和成因的科学认识不足，水库兴利与防洪调度衔接转换不畅，以致造成不必要的弃水，降低了水库的综合利用效益。
设计洪水对梯级水库群建成运行后的影响考虑不足
工程设计及建设阶段推求的设计洪水是确保水库防洪能力和大坝防洪安全的特征值，但现状条件是流域内上下游、干支流建成了串并联大规模控制性水库群，上游水库的运用将对下游水库来水过程的洪峰和洪量造成显著影响，因此水库在运行期受调蓄影响的设计洪水已不同于设计阶段的设计洪水。如何开展梯级水库群影响下的运行期设计洪水分析及洪水演变规律研究，是当前水利水电工程规划设计和流域梯级水库群运行管理亟待完善的重大问题。
现代水文气象实时预报信息运用不足
汛限水位所依据的设计洪水标准通常是小概率的稀遇洪水，并非时刻都会发生，且该量级洪水可以根据孕育特大暴雨天气形势出现的前兆信息，提前较长时间预判。通过流域水文气象短、中、长期相嵌套的滚动渐进式研判，水情部门预报来水过程的能力有所提升。然而当前仅有少数水库通过结合实时预报，进行汛期运行水位动态控制。梯级水库防洪库容动态联合使用尚处于探索阶段。
大规模梯级水库群联合优化调度技术研究不足
我国水库群建设规模世界第一，流域管理机构统一调度的水库数量也居世界第一，国外的研究成果并不适用于我国复杂的大规模水库群调度体系。如何利用水库多、总库容大的特点，开展大规模梯级水库群库容的联合优化运用，是亟待突破的难题。梯级水库群系统中各水库具有复杂的水力联系，目前广泛采用的大系统聚合分解协调法、库容补偿法、风险效益分析法等水库群联合调度方法均面临“维数灾”等难题，研究难度随水库群规模增大而显著增加。
04、推动我国梯级水库群运行期设计洪水及水位联合优化调控的建议
建立健全政策与法规体系
建议加快修订《中华人民共和国防洪法》等法律法规。建议“在汛期，水库汛期控制水位以上防洪库容的运用，必须服从防汛指挥机构的调度指挥和监督，在保障防洪安全的前提下兼顾水资源高效利用”；完善防洪风险管理机制，推进防洪保险制度的落实，从受益方提取新增效益的合理比例用于赔偿可能产生的淹没损失。在《汛限水位监督管理规定（试行）》和《长江流域控制性水工程联合调度管理办法（试行）》的基础上，尽快出台梯级水库群汛期运行水位联合优化调控管理条例和办法，建立多部门多行业协调和信息共享工作机制，强化流域层面水工程统一联合调度；组织制订梯级水库群运行期设计洪水计算规范等技术标准；推进动态防洪风险图编制，实现防洪风险可控和综合效益最大化。
强化基础研究，提升“四预”支撑能力
亟须开展流域多要素综合监测和跨部门信息共享共建，研究新水情工情条件下水文情势规律，耦合水文机理模型与人工智能模型，提高气象水文预报精度，提升延伸期及中长期预报能力，加快推进洪水概率预报业务化应用；强化极端洪枯水预报预警和风险预报、风险决策关键技术研究；结合数字孪生流域和预报调度业务平台建设，做好“预报、预警、预演、预案”工作，为水旱灾害防御、水资源高效利用、水环境水生态保护和经济社会发展提供科学支撑和保障。
系统开展梯级水库运行期设计洪水研究
深入研究水库群调节驱动的流域非稳态产汇流机理与洪水时空变异机制。新形势下流域洪水地区组成随着水库数量的增加变得越来越复杂，亟须开展设计洪水地区组成新方法研究。根据气象水文成因和洪水地区组成，推进梯级水库群运行期设计洪水、分期设计洪水研究，及无资料地区的梯级水库设计洪水、梯级水库溃坝设计洪水研究等。
逐步推行水库群运行水位动态控制
研究基于实时预报预泄的梯级水库群调度规程，根据新水沙条件、梯级水库群布局和当前防汛抗旱形势，实现不降低防洪标准的梯级水库群汛期运行水位动态控制，提高洪水资源利用率；适时实施梯级水库汛末提前蓄水，保障枯水期供水、生态、发电、航运等综合效益的发挥；实时研判梯级水库运行水位动态调控下，库尾可能发生的短时局地淹没及下游超保证水位的防洪风险，启动效益风险共担与补偿机制，实现防洪风险可控。研究并开展梯级水库群运行水位动态控制试点应用，逐步推行梯级水库群运行水位动态控制。
