Floodwater utilization of the Three Gorges Project

Floods are both risks and resources. Floodwater utilization is an important part of flood management. Considering the rising shortage of water resources, serious water pollution, and undersupply of electric power, it’s imperative to strengthen flood management. In light of the hydrological characteristics of the Three Gorges Project (TGP) on the Yangtze River in P. R. China, we investigated the necessity and feasibility of TGP floodwater utilization, proprosed dynamic control of limited water level during flood season of the reservoir and basin-wide integrated floodwater management as strategies, and identified problems that might occur in practice.

面向新时期新需求的三峡水库运行方案研究

本文回顾三峡水库设计洪水、特征水位、运行方案变化调整过程,综述三峡水库运行调度关键技术研究进展和分析来水来沙变化情况。分别采用最可能洪水地区组成法和非一致性洪水频率分析两种途径,推求考虑上游水库群调蓄影响的三峡水库运行期设计洪水及特征水位。结果表明:近10年三峡入库泥沙量比初设成果减少了84.4%,宜昌站水文情势IHA-RVA综合指标为74%、发生了重度改变,三峡水库运行期1000年一遇7~15 d洪量减少了约81.5亿~142.8亿m^(3),初设确定汛限水位的主要制约因素(防洪、泥沙)发生了很大的变化。原单站设计洪水及确定的三峡水库175-155-145 m运行方案,已无法满足新时期水资源高效利用和生态环境保护的新需求。建议把三峡水库运行方案调整为175-160-155 m,主汛期水位在155~160 m区间动态控制运行,长江中下游梅雨结束后应考虑提前蓄水,8月底蓄至163 m左右,9月底蓄至165 m,10月底蓄满。该方案在保证大坝和下游防洪安全的前提下,汛期减少弃水并增加枯水期补水量,预计可增发10%左右的发电量;抬高运行水位也有利于库区航运和减少消落带;9月份尽量不蓄水或少蓄水,可减少蓄水期对下游河道及两湖生态环境的不利影响,具有巨大的经济、社会和生态环境等综合利用效益。当预测预报长江流域可能发生流域性大洪水时,尽快将库水位消落至汛限水位145 m,确保大坝和下游防洪安全。

考虑非汛期库水位动态控制的水-光互补中短期调度研究

为解决大规模水-光互补系统在非汛期的多时间尺度耦合调度难题,阐明了库水位动态控制调度模式下的水-光中短期互补的基本原理,分别构建了考虑非汛期库水位动态控制的水-光互补中期和短期多目标优化调度数学模型,并以青海省黄河上游班多水-光互补系统为例验证模型有效性。结果表明,与传统调度模式相比,库水位动态控制调度模式下水库非汛期日初库水位平均增高0.94~1.17 m,水电日均发电水头平均提高0.06%~0.80%;非汛期水-光互补系统发电量提高0.221%,弃光电量降低0.025%。因此,非汛期库水位动态控制调度可提高水-光中短期互补性能。

三峡工程防洪调度研究及作用分析

长江洪涝灾害频发重发,严重影响流域经济社会高质量发展,一直是中华民族的心腹之患。三峡工程作为长江防洪关键工程,在长江中下游防洪中具有重要地位。自2003年三峡水库成库以来,水利部长江水利委员会持续深化三峡工程的防洪调度研究与实践,防洪调度方式不断清晰和优化,在近年来历次洪水防御中发挥了巨大作用。梳理了三峡工程防洪调度研究进程,包括《长江三峡水利枢纽初步设计报告(枢纽工程)》《三峡水库优化调度方案》《三峡(正常运行期)—葛洲坝水利枢纽梯级调度规程》《三峡(正常运行期)—葛洲坝水利枢纽梯级调度规程(2019年修订版)》等政策文件的调度体系及最新研究进展,并选择2016年、2017年、2020年、2024年等不同特点的典型洪水,分析了三峡水库在面临不同防洪形势和目标下的调度实践和防洪作用,并提出需要进一步开展三峡水库对城陵矶河段防洪实时预报调度方式深化研究,加强三峡和上游控制性水库防洪库容联合运用研究,以及加强基于中长期预报的水库群调度策略研究与应用,充分发挥以三峡工程为核心的长江水库群防洪作用。

汛期水风光多能互补动态调度模型研究

为充分利用水电站水库汛期在预报无洪水或小洪水时的调节能力,将汛期运行水位动态控制域对应库容作为调节风光运行的可用库容,在提高水库调节能力的基础上给出了考虑入库洪水实时状态的汛期水电站水库动态消纳风光调度模式,以风光出力期望值加水电出力之和与负荷偏差最小为目标,结合风光出力不确定性建立了汛期水风光多能互补动态调度模型,并以福建省水口水电站为例进行模拟调度计算。结果表明:所提动态消纳风光调度模式能够在保证防洪安全的前提下充分合理利用水位动态控制域内的调节能力来调节风光出力,使失负荷时段数和发电量缺口期望值相较于传统调度模式分别降低约37%和32%,水电站水库平均发电水头提高约4.39%,不仅可提高系统出力可靠性,且能增加系统运行效益。研究成果可为汛期调节风光出力提供参考。

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

我国水资源时空分布不均,年际、年内变差大,洪涝和干旱并存,流域防洪与兴利需求并重。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,水库及引调水工程运行等人类活动对设计洪水影响显著,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,水库群联合优化调控、水资源高效利用的现实要求十分迫切,已列入中国科学技术协会2023年十大产业技术问题。经过多年探索实践,我国在梯级水库运行期设计洪水及水位联合优化调控方面已取得一定研究进展和成果,但仍存在对暴雨洪水季节性变化规律认识不足、梯级水库群系统中各水库运行相互影响考虑不足、现代水文气象实时预报信息运用不足等问题,亟须系统开展运行期设计洪水及水位联合优化调控体系研究,实现风险可控条件下水资源高效利用,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。

丹江口水库运行期非一致性洪水频率分析

汉江流域上游已建成投运诸多水库及引调水工程,显著改变了汉江流域径流的时空分布,导致洪水资料序列的非一致性。现将洪水系列资料延长至2023年,开展非一致性洪水频率分析,以水库系数和调水工程系数作为协变量,建立时变P-Ⅲ分布模型,定量估算丹江口水库运行期的设计洪水,并与原设计成果对比。结果表明:所选协变量符合水文客观规律,均可反映上游水利工程调蓄对丹江口坝址设计洪水的影响;丹江口水库运行期1000 a一遇设计洪峰流量和7 d洪量较原设计成果均削减31%左右;汉江上游水库调蓄对设计洪水的影响比调水工程更加显著。由于丹江口水库运行期设计洪量显著减少,在防洪标准不变的前提下可酌情提高水库的运行水位,这不仅有利于增加发电量,还可提高水资源利用效率和水库蓄满率。

三峡水库对城陵矶防洪补偿控制水位研究Ⅰ——需求分析与优化条件

城陵矶地区是长江中下游洪灾最频发的区域之一,是长江水库群防洪的重点保护对象。金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4座梯级水库与三峡水库组成的巨型水库群防洪能力巨大,显著改变了流域防洪调度格局。在概括分析城陵矶地区防洪需求,回顾三峡水库对城陵矶地区防洪补偿控制水位不同阶段成果的基础上,剖析了优化防洪补偿控制水位的研究要点,研究了金沙江下游梯级防洪库容投入情况,进而明确了提高防洪补偿控制水位的有利条件。研究结果表明:在三峡水库水位达到城陵矶防洪补偿控制水位158.00 m后,金沙江下游梯级水库在预留40.93亿m^(3)防洪库容的基础上,尚有30亿~60亿m^(3)富余防洪库容可配合运用,为进一步提高三峡水库对城陵矶防洪补偿控制水位创造了良好条件。

我国水库大坝安全挑战与运维思考

水库大坝是国家水网的重要调蓄结点,是防御水旱灾害、优化水资源配置、复苏河湖生态环境、提升国家水安全保障能力的“重器”。新形势下我国水库大坝运行管理面临的潜在风险日益突出,针对运行管理信息化、智能化水平不高,安全保障技术装备存在薄弱环节,应急管理水平与技术能力不足等问题与挑战,从大坝防洪韧性、安全管理、诊断加固、应急处置等方面提出安全对策,旨在为提升大坝安全水平提供有益思路。

水工程联合调度知识图谱构建与应用研究

为了将水工程调度与新一代信息技术进行深度融合,立足流域水工程调度业务需求,按照知识建模、知识抽取、知识存储以及知识应用的总体思路,提出了合理可行的水工程联合调度知识图谱构建与应用总体技术方案,以及场景驱动的水工程联合调度本体构建方法。具体阐述了结构化、非结构化信息挖掘与知识抽取技术以及基于Neo4j图数据库的知识索引与可视化,并从防洪调度、水资源调配两个方面探索知识图谱的应用实例与发展方向。研究初步实现了调度知识图谱构建全流程贯通,可为知识图谱在水工程联合调度领域的进一步发展与应用提供借鉴。

三峡工程蓄水运用20年综合效益发挥与展望

三峡工程自2003年蓄水发电至今已运行20 a,初步设计主要功能全部实现,并适应运行条件变化和发展需求持续优化运行方式,防洪、发电、航运、水资源利用等综合效益全面发挥。截至2023年底,三峡工程累计拦洪运用66次,拦蓄洪水超2 088亿m^(3),确保了荆江河段防洪安全,极大减轻了长江中下游防洪压力;累计发出清洁电能超16 600亿kW·h,相当于节约标准煤5.1亿t,减少二氧化碳排放13.3亿t;极大改善了库区与长江中游航道条件,累计通过货运量超20亿t,有力促进了长江航运快速发展;枯水期累计向下游补水约3 400亿m^(3),有效保障了长江中下游供水安全;生态调度成效显著,四大家鱼资源量明显恢复。为了应对频发的极端水文事件带来的风险和挑战,确保三峡工程长期安全运行和持续发挥巨大综合效益,从推进气象水文预报技术研究与应用、三峡水库调度运行方案优化、创新成果转化运用、智慧化管理等方面提出了下一步工作展望。

Risk analysis of dynamic control of reservoir limited water level by considering flood forecast error

Flood control forecast operation mode is one of the main ways for determining the upper bound of dynamic control of flood limited water level during flood season. The floodwater utilization rate can be effectively increased by using flood forecast information and flood control forecast operation mode. In this paper, Dahuofang Reservoir is selected as a case study. At first, the distribution pattern and the bound of forecast error which is a key source of risk are analyzed. Then, based on the definition of flood risk, the risk of dynamic control of reservoir flood limited water level within different flood forecast error bounds is studied. The results show that, the dynamic control of reservoir flood limited water level with flood forecast information can increase the floodwater utilization rate without increasing flood control risk effectively and it is feasible in practice.

永定河数字孪生流域业务应用场景分析与设计

根据水利部数字孪生流域建设要求,针对永定河流域在“23·7”大洪水中暴露的短板和痛点,以永定河流域北京段为例,分析当前形势及需求,构建永定河流域数字孪生系统架构,包括基础设施、数字孪生平台、业务应用;同时基于永定河流域管理职能和业务需求,详细分析流域防洪、水资源调度、工程运行管理、空间管理等方面的业务应用场景,并设计不同场景下的应用功能。通过架构设计及业务应用场景分析,能够为永定河数字孪生流域建设提供方向和指导,提升永定河“四预”管理能力,以及永定河服务和管理的智慧化、数字化水平。

胶东调水工程冰期运行输水特性及控制措施探究

结合工程运行经验分析了胶东调水工程不同冰期阶段的输水特性,主要包括渠道内气、水、冰的热量交换和温度变化,流冰和冰盖的形成、演变及相关条件,输水能力变化及冰盖消融过程等,着重探讨了水流弗劳德数、水流流速、过流孔口断面淹没深度等因素对冰情发展模式的影响,冰盖糙率的变化特征和计算方法,有无冰盖条件下的输水能力差异等。基于输水特性分析提出了水力调控、工程技术、智慧调度、调度管理和应急处突等方面的控制措施,经工程实践验证效果良好,最后就冰情水情数值模拟及控制研究现状进行思考给出了几点建议,对长距离调水工程的冰期运行控制能力提升和冰害防治处置具有一定的参考意义。

金沙江下游-三峡梯级水库2023年联合调度实践

金沙江下游-三峡梯级水库是治理和保护长江的关键性工程。为了进一步提高梯级水库应对持续枯水的能力,保障水资源综合利用效益全面发挥,结合2023年长江上游水雨情特点,全面分析了梯级水库应对持续枯水所实施的联合补水、汛期水位动态控制、联合蓄水等优化调度措施,总结提炼了梯级水库联合调度的成效和经验。实践结果表明:枯水期梯级水库累计向下游补水约243亿m^(3),有效保障了长江中下游供水安全以及航运、生态等综合效益;通过汛期抬水位、蓄水期精细化预报调度,有效提升了水资源利用效率,保障了梯级水库实现蓄满目标。提出的调度措施和经验可为今后流域控制性水库群联合调度方式优化提供重要参考。

洋溪水利枢纽横隔板式鱼道设计

洋溪防洪控制性工程是广西柳江上以防洪为主、兼顾发电和航运的大型综合水利枢纽工程。洋溪鱼道工程最大设计水头30 m,鱼池采用横隔板竖缝式。针对洋溪以防洪为主的功能要求,结合运行水位变幅特点及过鱼时长保证率确定了鱼道运行水位,从而优化了鱼道进、出口数量。通过大比尺局部物理模型试验和鱼道整体物理模型试验,开展了鱼道全程水流流态模拟分析,提出了最终的鱼道设计方案。

流域、区域和城镇防洪工程工况与调度变化的洪涝互馈效应研究

为系统探究流域、区域和城镇3个层面之间工况与调度变化的洪涝互馈效应,以太湖流域及其内部水利分区、城镇为例,基于控制变量的思路设计不同的模拟工况和调度情景,定量模拟了各层面在不同防洪工程工况与调度方案下的流域洪涝运动过程,从水位变化角度分析了各层面之间的洪涝互馈效应。结果表明:适当抬升城镇防洪排涝工程内部排水控制水位可在保证城镇内部洪涝安全的前提下降低外部区域和流域防洪压力,但效果有限;适当降低各区域沿长江和杭州湾外排工程排水控制水位可有效增加流域和区域洪涝外排水量,显著降低太湖水位以及区域水位,对城镇内部水位也有一定的降低效果;吴淞江等流域行洪工程可大幅提高流域外排能力,显著降低太湖以及区域水位,而区域层面的防洪排涝工程仅能增加本区域外排水量,降低本区域内水位,对流域和城镇几乎没有影响。

都市型水库水质保障工程对防洪调度的影响分析

目前众多水库已融入都市中,随之带来了更加复杂的库周环境,在赋予都市型水库更丰富的功能定位时也不能忽视水库自身的供水、防洪安全。为此,以都市型水库进程最具代表性的深圳市铁岗水库为例,通过综合分析研究区“降雨—洪水—库容—防洪”系统,构建“隔离-耦合”协调级模型,计算并比较分析水质保障工程实施前后铁岗水库的洪水调节成果。结果表明,水质保障工程的实施对水库大坝而言,可降低水库的设计、校核洪水位;对下游防洪保护对象而言,可减少水库的下泄流量并滞后洪水下泄的时间;水质保障工程从水环境、水资源、水安全角度均有益处,可为其他类似工程提供借鉴。

提高三峡工程发电效益的优化调度方式研究与展望

三峡工程是国之重器,具有防洪、发电、航运、水资源利用等巨大综合效益,直接关系到国家水安全、粮食安全、生态安全和能源安全,三峡工程运行调度管理是工程效益发挥的关键所在。在梳理三峡工程调度基本情况基础上,阐明三峡工程发电调度任务和原则,分析汛期运行水位上浮、中小洪水调度、汛末提前蓄水等提升综合效益的优化调度方式,总结了近年三峡工程调度实践成效。三峡工程产生了巨大的发电效益,对于三峡电力外送和全国电网联网具有重要意义。结合新时期长江流域水工程联合调度新要求和新条件,剖析了需要关注的重点问题,提出深入开展三峡水库汛期运行水位上浮研究、细化和优化三峡水库中小洪水调度方式、缓解上游水库群与三峡水库的汛末竞争性蓄水矛盾等下一步研究展望,促进提高水电站发电效益,增加蓄水期水量有效供给,提升工程综合效益,进而为三峡工程实时调度、三峡工程综合效益提高提供技术支撑。

基于平衡和孪生视角的相思江流域水网工程建设

全球气候变化与人类活动导致雨情、水情、工情和社情显著变化,使流域水问题更为复杂,防洪抗旱面临新的形势和挑战。本文以相思江流域为研究对象,对区域水系、水文及灾害特点进行了全面分析,在此基础上从平衡和孪生两个视角初步探讨了相思江流域水网工程体系的建设思路。建议在相思江流域水网工程规划过程中,合理平衡一般与重点、供给与需求的关系,存利避弊,通过组合方案,解决相思江流域防洪排涝问题,构建大环城水系,促进水资源优化配置;通过数字孪生水网建设,实现相思江物理与数字流域的同步仿真运行、虚实交互,构建洪涝干旱关键过程模拟预演平台,统筹行蓄洪关系,协调相思江本流域洪水关系及其与良丰河、洛清江的双向流动关系。研究成果可为数字水网建设提高流域防洪减灾能力、城市内河景观价值、流域水资源配置平衡提供借鉴。