三峡水库库容智慧化管理的水文实践与思考
2023年12月18日，水利部印发《水利部关于加强水库库容管理的指导意见》，指出水库库容是水库有效发挥防洪、供水、生态、发电等功能的重要保障，事关工程安全、防洪安全、供水安全和生态安全，要求统筹发展和安全，全面加强水库库容管理，确保水库安全运行和防洪兴利效益充分发挥，为水利高质量发展提供坚强保障。
三峡工程是国家水网重要结点及国家重要淡水资源储备库，三峡库区是长江经济带的重要组成部分、长江上游的生态屏障及百万移民的安置地，三峡水库的安全、高效运行和库区的高质量发展，对长江经济带的发展具有基础性和战略性意义，对国家战略的实施和经济社会长期发展至关重要。全面建成三峡工程是万里长征第一步，深入优化其管理和运行是更长远、艰巨的任务。智慧化是提高三峡水库库容管理精准化、信息化、现代化水平的关键途径。
经过70多年的发展和创新，“十三五”期间，水利部长江水利委员会水文局（以下简称“长江水文”）将智慧水文等理念逐步推广，并在部分区域开展实践，有效支持了水库库容智慧化管理。本文基于长江水文多年的智慧积累，分析了水库库容智慧化管理的问题与需求，介绍了库容智慧化管理关键感知技术与管理平台，并针对三峡水库总结了实践成效。
01、对水库库容管理的理解
水库库容管理的重要性
库容作为水库运行管理的核心决策变量，其重要性不言而喻。库容直接决定了水库的蓄水能力，进而关联到水库的防洪、供水、生态保护以及发电等多方面功能的发挥。在防洪方面，合理的库容管理能够确保水库在暴雨洪水期间有足够的调蓄空间，减轻下游地区的防洪压力；在供水方面，库容的合理调度可以满足不同季节的用水需求，保障供水安全；在生态保护方面，库容管理能够维持水库水位的稳定，保护水生生物的生存环境，促进生态系统的平衡；在发电方面，库容调控可以优化水能资源利用效率，提高发电效益。对库容进行合理、高效的管理，是确保水库各项功能持续正常发挥的关键，是水库运行管理的重要任务。
水库库容管理的关键问题
近年来，气候变化和人类活动改变了流域极端水文气象事件演变规律。流域旱涝等灾害事件频发，尤其是21世纪以来，旱涝转换十分频繁，旱涝出现次数远超以前，且旱涝程度加重，对水库功能的高效发挥提出更高要求。提高水库库容的管理水平，必须处理好如下几个关键问题。
运行数据感知
准确的运行数据感知是水库库容管理的基础，也是提高调度决策效率的前提。部分水库在运行数据感知方面存在不足，如感知体系不完善，监测手段落后，感知体系要素内容和覆盖范围不全面，下游预警内容缺乏，自动化、智能化程度低，水文监测设备老化、失效、损坏等。
运行管理信息化
信息化是提升水库库容管理效率和决策质量的关键。建立整合数据采集、分析、预测及决策支持的数字管理平台能提升决策的效率和科学性。同时，应用大数据和机器学习技术可以进一步为管理决策提供支持。当前，部分水库管理还依赖纸质文档，信息系统资源有限且类型单一，影响数据深度挖掘应用。此外，网络和服务器设备老化、基础设施薄弱等问题，限制了数据传输能力和紧急情况下的远程会商决策能力。
多目标调度
水库调度需考虑防洪、供水、航运、生态、发电等多种目标，应合理优化水资源配置以满足各方需求。随着气候变化对水资源的影响日益加剧，水库运行管理愈发需要考虑极端气候事件（如超标准洪水等）的应对策略，这需要依赖准确的天气预报、水文模型和有效的应急预案，水库管理单位与地方政府、应急管理部门的协作也至关重要。然而，部分水库缺乏完善的风险评估和应急机制，限制了其对极端天气事件的应对能力。
库容维持
部分水库库区存在管理与保护边界模糊、监管不严、遭受非法侵占等问题，水库的保护区域难以得到有效划定和维护；水库的泥沙淤积问题也不容忽视，泥沙的积累会逐渐减少水库的兴利库容，降低水库的蓄水、防洪能力，严重影响水库安全运行和功能实现。
库容智慧化管理需求
三峡工程初期运行后，为进一步促进三峡移民安稳致富，更好助力长江大保护，合理推进三峡库区高质量发展，国务院作出重大决策，讨论通过《三峡后续工作规划》，针对三峡工程长期安全运行和持续发挥综合效益的需求，提出建立和完善由移民、生态环境、地质灾害与地震、工程运行等监测分系统组成的综合监测体系，提高在线监测能力，以综合信息服务平台为支撑，向相关部门、地方政府和工程运行管理单位提供综合会商与决策支持服务，提高信息综合、快速响应、综合协调、协同管理和科学决策能力，满足三峡库区综合管理、科学研究和公众知情的需要，做到信息资源共享和综合分析利用。
此外，“十四五”规划纲要和《数字中国建设整体布局规划》明确提出要构建以数字孪生流域为核心的智慧水利体系，指明了智慧水利建设方向。新一代“云物大智移”（云计算、物联网、大数据、人工智能、移动互联网）信息技术驱动下，数字孪生水利建设是水利信息化发展的必然趋势。水利部发布了《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》《智慧水利建设顶层设计》等系列文件，印发了《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》《数字孪生水网建设技术导则（试行）》《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》等指导性文件。2022年2月，水利部印发《水利部关于开展数字孪生流域建设先行先试工作的通知》，明确在重要水利工程开展数字孪生工程建设先行先试，并将三峡工程列为水利部本级组织落实的先行先试对象之一。推进实体工程与数字孪生工程同步交互映像，将有效提升三峡工程综合管理能力，确保三峡工程长期稳定安全运行，更好地发挥三峡工程巨大综合效益。
02、三峡水库库容智慧化管理关键感知技术
库区动态监测、智能感知体系建设是精准掌控水库库容安全状况的必备手段。多年来，长江水文研发了大批适应三峡水库水沙等多要素感知需求的测验新技术、新方法，不断提升库容管理的数字化、网络化、智能化水平。
水沙多要素在线感知技术
降雨量、水位自动感知
降雨量、水位是三峡水库科学调度的关键信息。长江水文成立初期，基本采用人工现场观测的方式收集降雨量、水位信息，效率极为低下。在数十年的建设攻关下，水文监测技术水平取得了长足的进步。2005年7月1日，长江水文在全国率先实现了流域内118个中央报汛站对降雨量、水位信息的自动测报。如今，长江水文已实现流域内全部水文测站的降雨量、水位信息自动采集、固态存贮和实时传输。
流量在线感知
流量信息在线感知是三峡水库科学调度的基本要求。20世纪90年代初，长江水文在感潮河段的流量监测工作中率先引入走航式声学多普勒流速剖面仪（ADCP），成功缩短重要测站的测流历时，在部分河段实现了流量在线监测，取得显著成效。然而，在进一步应用的过程中，许多技术难题逐渐浮现，如高含沙量水流导致高测量失败率、船只与仪器设备间的磁场干扰、河床“底沙运动”对测量误差的影响等，以及ADCP精度是否符合我国现行相关测验技术标准，都成为亟待应对的挑战。为此，自2002年起，长江水文在长江干流的多个关键站点（黄陵庙、宜昌、枝城、沙市、螺山、汉口、九江、大通、城陵矶等）陆续开展了声学多普勒技术的野外对比测试与开发研究，全面系统地研究走航式ADCP在长江流域的应用难点，并提供针对性的解决方案。这一研究深入探讨了测量原理、底跟踪、GNSS和罗经校正、参数设置，以及不同测验模型的测量误差对比等技术问题，为走航式ADCP流量测验规范的制定提供了科学依据。
泥沙实时感知
入库泥沙的实时监测与预报是三峡水库科学管理的重要依赖。传统的悬移质含沙量测量方式存在数据滞后的问题，难以满足现代化管理的时效性要求。自2010年起，长江水文在多个测站实施了悬移质泥沙的实时监测与预报工作，为三峡水库的泥沙输移过程提供了及时的预测信息。然而，随着金沙江下游乌东德至向家坝梯级电站的蓄水运行，区间支流逐渐成为三峡入库泥沙的主要来源，特别是在洪水期间，支流泥沙含量高且输沙集中。为应对这一新的挑战，长江水文自2017年起，在白鹤滩到宜昌主要干支流上的多个测站建立了覆盖长江上游的泥沙实时报汛网络，为三峡水库的泥沙预报和沙峰排沙调度提供了可靠的数据支持。
库容快速感知技术
自20世纪50年代起，长江水文便着手开展固定断面与水道地形的监测工作，针对诸多关键河段进行了详尽的水道地形测绘、流速流向测验、分流分沙研究、河床演变监测以及泥沙运动观测等研究活动，为长江防洪、河道综合治理及三峡、葛洲坝等水利枢纽的规划、设计、施工、运行等收集了丰富的河道观测资料和分析研究成果。
长江水文承担的长江三峡工程水文泥沙观测研究，与三峡工程设计同步开展，以三峡入库水沙条件、水库泥沙淤积、引航道泥沙淤积、变动回水区走沙规律及坝下游水文情势变化、河床冲淤与河势演变等为监测重点，贯穿于工程的论证期（1993年以前）、设计与施工期（1993—2009年）、蓄水运行期（2010年及以后）等各个阶段，是三峡工程管理能力建设的重要组成部分，也是三峡工程正常运行、发挥综合效益的重要基础。
“十四五”期间，以应用5G通信、物联网、智能传感器等新技术提高监测能力、丰富监测内容为目的，长江水文重点创新水库、河道测绘技术。一方面研究无人机航测与水下地形自动结合测量方法，提高水库、河道测绘的效率；另一方面开展地面、水面三维扫描与水下机器人同步测量技术探索，实现陆地水下地形同步测量；开展基于多源卫星融合的观测研究，突破卫星消落带地形测验难题，进一步加强水库、河道测绘的时效性。
03、三峡水库库容智慧化管理平台构建
着眼强化预报、预警、预演、预案“四预”能力，构建智能业务应用，以实现风险提前发现、预警提前发布、方案提前制定、措施提前实施。长江水文近年来全力打造一批水文智慧化业务平台，其中，自主研发了防洪预报调度、泥沙减淤调度、库容计算等管理平台。
防洪预报调度管理平台
自20世纪50年代以来，长江流域洪水预报实现了从空白到完善、由局部至全面的飞跃式发展，逐渐迈向现代化。20世纪80年代，随着计算机技术的进步，长江水文开始开发基于图形交互处理技术的洪水预报系统，实现了联机实时预报的功能。1994年起，长江水文开发名为“长江专家交互式预报系统”的先进工具，该系统整合了计算机模拟与专家经验，允许专家根据模型输出手动调整预报结果。这一创新方法有效性在1998年的洪水灾害应对中得到证明。
进入21世纪，2006年，长江水文构建了一个基于Web的通用型水文预报平台，该平台使得跨地区的水文数据处理与会商决策变得可行，在三峡库区的洪水管理中发挥了重要作用。2016年，我国首个一体化预报调度系统“长江防洪预报调度系统”建成，提升了防洪减灾效率。2022年，长江流域的水文预报系统迎来了一次重大升级——长江流域控制性水利工程综合调度系统（以下简称“综合调度系统”）业务应用系统投入使用。该系统不仅覆盖洪水预报功能，还实现了多目标综合调度功能，为长江经济带的可持续发展提供了强有力的技术支持。这些技术的发展和应用，标志着长江流域洪水预报技术实现从简单的预测向综合性、多功能管理和决策支持系统的转变。
▲长江防洪预报调度系统
泥沙减淤调度管理平台
泥沙冲淤预测是水库科学调度中最大限度减少水库泥沙淤积、改善泥沙淤积形态的基础。在综合调度系统中，长江水文开发了泥沙预报调度模块。三峡水库以朱沱站为干流进口，除嘉陵江、乌江2条大的支流外，还有21条较大支流，出口为三峡水库坝址。其中嘉陵江（及其支流）、乌江上设有水沙实时报汛站，有泥沙实时数据。在长江干流共布置404个断面，断面间距300～1600m；支流断面共249个。泥沙预报调度模块在集成单站水沙模型和区间降雨产流产沙模型边界条件预报的基础上，结合一维水沙数学模型，实现水库排沙和河道冲淤的预测预报，支撑水库实时泥沙调度。
▲泥沙预报调度模块
库容计算管理平台
在三峡工程论证、初步设计阶段，使用的库容曲线是基于1958年1∶5万航测地形图等资料量算的库容成果。随着三峡工程的建设运行，三峡水库库容量算的范围较三峡初设阶段已有所不同，加之库区泥沙淤积、库区涉水项目建设等，水库库容较初设阶段发生了一些变化。
为更好地发挥三峡工程防洪、发电、航运等综合效益，2013年3月，受中国长江三峡集团公司委托，长江水文对三峡水库库容进行了计算和分析。库容计算主要利用三峡水库2003年（蓄水前）、2006年、2011年实测河道地形和部分航拍数字高程模型（DEM）等资料，通过数据处理构建高精度的水库地形数字线划地图（DLG）和DEM，结合GIS技术，采用长江水文泥沙信息分析管理系统（GeoHydrology2.0）DEM库容量算算法计算。
▲长江水文库容计算管理系统
GeoHydrology2.0是由长江水文研发的专业水文泥沙信息处理软件系统，旨在实现长江水文泥沙监测与分析工作的数字化与信息化。系统应用数据库GIS、遥感（Remote Sensing）和网络系统（Network System）等“多S”结合与集成化技术，实现在网络环境中的水文泥沙专业计算与数据管理，以解决水文泥沙数据管理技术和手段落后的问题，推动长江流域水文泥沙监测、分析工作的信息化。系统的研发目标是真实、准确、实时搜集并分析长江流域河道水文泥沙及河道变化信息，快速、高效地处理大量的历史数据和实时动态监测数据，并结合现代水文泥沙分析计算和预测模型进行科学分析和处理，真实再现长江河道三维地形景观，实时、动态、准确地反映长江干流水沙特征及其变化规律。
04、三峡水库库容智慧化管理实践及成效
近年来，长江水文在三峡水库防洪预报调度、泥沙减淤调度、库容计算等方面开展了大量工作，有效支撑了三峡水库库容智慧化管理，取得了突出成效。
防洪预报调度
2022年长江防洪预报调度
2022年6月10日，正值长江流域遭遇严重枯水与历史上最早的咸潮侵袭之际，综合调度系统业务应用系统的主体功能正式上线并进入试运行阶段。系统以业务应用为核心导向，在水量预测与优化调度功能板块方面表现尤为突出，在长江委8月和9月连续进行的两轮“长江流域水库群抗旱保供水联合调度专项行动”中发挥了不可或缺的作用。此外，在10月以三峡水库为关键节点的水工程抗咸潮保供水应急调度方案制定过程中，综合调度系统也贡献了重要力量。
长江“1999+”洪水防洪调度演练
2023年4月21日，水利部长江水利委员会在长江中游城陵矶周边区域组织了防洪调度演练，模拟1999年大洪水的严峻形势，旨在通过实际情境检验和提升长江流域防洪体系的应对能力。综合调度系统在演练中起到了关键作用，实现了正向反馈和逆向智能推荐，进一步提高了调度的智能化水平。在仿真技术方面，系统借助多源影像和先进的仿真技术成功复刻了三峡库区模型，全面评估并预警了库区水面线变化对两岸的影响，为决策者提供了详细的调度方案得失分析。这次演练检验了综合调度系统的可靠性，为长江流域防洪调度能力的提升奠定了坚实基础。
泥沙减淤调度
库尾减淤
在三峡工程的设计论证过程中，深入探讨了水库变动回水区泥沙的冲刷与淤积对航运的潜在影响，以及回水末端洪水位上升的问题。关于重庆主城区河段的现有泥沙冲淤研究多基于模型分析开展，多数观点倾向于认为，随着坝前水位的逐渐提升，汛后河段水位显著升高，水流坡度减小、流速下降，这将导致河流的挟沙能力减弱，进而引发泥沙淤积。长此以往，可能导致洪水位上升，进而对港区作业和通航产生不利影响。当三峡水库实施175m试验性蓄水之后，回水末端已接近江津区域，重庆主城区河段则位于变动回水区内，其河道水动力条件受到坝前水位的显著影响，将出现泥沙输移期推迟、持续时间缩短以及河床冲刷强度减弱等一系列现象。
针对保证重庆主城区河段淤积较少、较缓的目标，对优化水库调度提出可控的指标性建议，是保障河道防洪安全、航运条件及码头正常作业的重要手段之一。近几年，根据泥沙实时监测与预报成果，三峡水库在进行防洪、航运调度的基础上，提出了消落期减淤调度方案，利用消落期水库库尾的泥沙冲淤特性及走沙时机，在2012年、2013年、2015年、2019年、2022年消落期进行了减淤调度试验，进一步减少了库尾特别是变动回水区的泥沙淤积，取得较好成果。
沙峰排沙
在三峡工程早期论证阶段，鉴于长江泥沙含量较多的特点，研究提出了“蓄清排浑”的调度策略，其主要原则是在汛期降低水库水位以排沙，待汛后上游泥沙含量下降再进行蓄水，从而确保三峡水库的有效库容。近年来，由于入库泥沙显著减少，水库淤积问题得到有效缓解，使得三峡水库的优化调度更加可行。然而，汛期局部暴雨导致的洪水使得泥沙输移更加集中，需要实施更加精细的调度策略。
因此，利用洪峰和沙峰传播异步的特点，合理细分汛期阶段，依托泥沙监测和预报系统，精准执行“蓄清排浑”策略。在操作层面上，遵循“蓄清排浑”原则，结合水沙输移规律与入库泥沙的实际变化，在水位上涨时采取拦洪削峰的策略，而在退水时加大泄量排沙，确保泥沙排放调度更加精准有效。2012年、2013年、2018年、2020年汛期针对三峡水库进行了初步试验，结果显示，预报沙峰峰值与报汛值基本吻合，泥沙预报成果整体上精度较高，取得了较好的排沙和减淤效果，为三峡水库长期保持有效库容提供了有力的基础支撑。
库容快速精算与管理
2022年11月—12月，长江水文开展了三峡水库水下地形测量，测量比例尺为1∶5000，主要以干流地形测量为主，大部分支流地形测至口门以上300m，部分较大的支流测至口门以上2～5km不等。长江水文充分结合机（船）载激光雷达测量、低空航空摄影测量、单（多）波束测深系统技术优势，主要采用库岸一体化地形获取技术对陆上及水下地形进行同步测量，辅以实时动态测量（Real Time Kinematic，RTK）、全站仪等传统观测方法作为补充测量，完成内外业一体化成图。对收集到的各类测量资料进行分类整理，建立各类数据的说明文档和完整的存储体系，并进行转换使坐标系统和投影一致，统一导入空间数据引擎支撑下的空间数据库中进行管理。采用前述库容计算管理平台进行三峡水库库容计算（其中，对于库区支流未测量区域采用2011年支流地形资料弥补，并考虑重庆两江新区御临河生态调节坝、乌江白马航电枢纽等新建、在建工程对三峡水库库容的影响），计算得到三峡水库水位175m以下库容、145～175m的防洪库容。
2023年至今，为有力保障三峡水库库容安全，进一步厘清三峡水库库容现状，长江水文对三峡库区所有支流进行地形测量并复核库容，以准确掌握支流库容现状，为三峡水库安全运行提供有力保障。
05、展望
三峡工程是中华民族日益走向繁荣强盛的典范，为长江经济带建设乃至我国社会主义现代化建设提供有力支撑。确保三峡水库长期安全稳定运行，持续发挥“国之重器”功能，不断拓展工程防洪、发电、航运、水资源利用、生态环境保护等综合效益，事关库区百万移民安稳致富、长江经济带长远发展乃至国家发展全局，进一步深入开展三峡水库库容智慧化管理势在必行。从加快感知监测和评估能力建设、库容维持调度等方面，提出如下展望。
①持续优化三峡水库库容感知系统。系统摸排库容占用情况监测盲区，不断优化库区淤积、库区地质灾害等监测体系的建设和成果运用，提高水库库容变化感知能力。
②加快数字孪生三峡工程建设。持续推进数字孪生三峡工程建设，加快三峡水利枢纽工程、库区及下游河道安全管控与运行调度的预报、预警、预演、预案功能建设，及时开展库容变化对水库各项功能的影响评估。
③科学推进常态化水库减淤调度，探索多维安全调度。进一步巩固消落区库尾减淤调度和汛期沙峰调度实践成果，持续开展减淤、排沙调度研究，有效减小三峡水库库容损失，保障三峡库容安全。在多目标优化调度实践基础上，加强底线思维和忧患意识，探索综合保障多维度安全的调度方式。
