汛后提前蓄水的防洪效果分析

11.3.2.1　9月份出现洪水的可能性

1.9月份历史和实测洪水分析

据统计，长江历史考证和实测记录的大洪水共有16次 (长江水利委员会，1997b)。1153～1870年共8次，出现时间及洪峰流量见表11-3，其中有5次出现在6月份、2次出现在7月份，仅1796年有可能出现在9月份，因为其记录为 “清嘉庆元年秋”， “秋”可能指9月。1877～2002年有实测记录的大洪水共12次，如表11-3所示，大部分出现在7～8月，只有1896年、1945年、1966年出现在9月上旬，1954年洪水也延续到9月初，但洪峰流量已经大为降低。

综上所述，宜昌大洪水只是在9月上旬出现过，但未见9月中、下旬出现洪水的准确记录。同时，根据宜昌站1890～2002年 (缺1942～1945年，下同)年逐日平均流量资料，9月份超过55000m3/s流量的所有天数也仅有14天，只占统计天数的0.4%。因此，从历史上和近百年的实测大洪水的情况来看，宜昌9月份发生大洪水的可能性不大。

表11-3　宜昌站洪水记录

2.9月份出现年最大流量的情况分析

根据1877～2002年宜昌站流量资料，当年最大流量可能出现在6月、7月、8月、9月，其中出现在10月份的只有1975年10月5日一次，出现在9月份的有22次，为了便于统计，将出现在10月份的一次也算到一起，共23次，占统计年份的21.1%。表11-4给出了当年最大流量出现在9月份的年份。

从表11-4可知，当年最大流量出现在9月上旬的9次，占8.26%;出现在9月中旬的5次，占4.59%;出现在9月下旬的8次，占7.34%;出现在10月上旬的1次，占0.92%。尽管宜昌年最大流量出现在9月份的情况比较多，但是根据三峡水库防洪运用方式，如果来水流量小于55000m3/s则对三峡的泄洪没有影响，由上表可知最大流量发生在9月份的年份中其最大流量大于55000m3/s的年份出现在1896年、1966年两年，仅占统计年份的1.83%。由此可见，汛后提前蓄水对三峡防洪影响不大。

3.9月份和汛期其他月份洪水遭遇情况分析

为了分析汛期各月洪水遭遇情况，统计了宜昌站1890～2002年5～10月份的最大1日、3日、7日洪量(武汉大学，2005)。结果表明，历年宜昌最大1日、3日、7日洪量以7～8月份最大，9月份次之，10月和6月份再次之，5月份最小。从前文洪水特征分析也可以看出，宜昌站年最大洪峰出现在7月份最多，占48.5%，8月份次之，占30.3%，9月份为15.2%，10月份和6月份均较小，仅占3%，5月份未出现年最大洪峰。历年5月、6月、10月的1日、3日、7日洪量均未超过7～8月份相应洪量，而9月份洪量与7～8月份相应洪量存在交叉情况，分两种情况，一种是7～8月份洪量较小而9月份洪量较大，如1896年、1952年、1966年等，另一种是7～8月份洪量较大，9月份洪量也相对较大，9月份洪水和7～8月份洪水遭遇，如1905年、1938年、1998年等。

表11-4　当年最大流量出现在9月份的情况

水库汛后提前蓄水后，各时刻的库水位均高于正常调度时相应的库水位，如果此时发生洪峰出现较迟类型的洪水，可能会带来防洪风险，为此，根据上述分析，特别定义了一般性洪水和特殊性洪水的概念。一般性洪水是指7～8月份发生洪水，而9月份不发生洪水;特殊性洪水是指洪峰出现较迟，即出现在9月份的洪水。划分的标准为7天洪量，如果9月份最大7天洪量大于250亿m3，则认为其9月份发生了洪水，如小于250亿m3则认为9月份未发生洪水。对特殊洪水又可分为两类，一种是遭遇型的洪水，即7～8月份洪水和9月份洪水遭遇的情况，一种是非遭遇型的洪水，即7～8月份来水相对较小，洪水出现在9月份的洪水。表11-5给出了宜昌站1890～2002年发生的特殊洪水及其分类情况。从表11-5中可以看出，宜昌站绝大多数年份发生的是一般性洪水，占统计年份的85.3%，特殊性洪水发生较少，占统计年份的14.7%，其中遭遇型的占8.3%，非遭遇型的占6.4%。

11.3.2.2　9月份实际洪水调洪计算

为分析三峡水库汛后提前蓄水对防洪的影响，对1890～2002年宜昌实际洪水系列进行了调洪计算，尤其对洪峰推迟情况即特殊性洪水进行了重点分析。计算结果表明:对实际发生的洪水(1890～2002年系列)，依照目前连续蓄水方式，三峡水库各汛限水位优化调度方案均可以安全调蓄。对发生特殊性洪水时优化方案1情况下，在调洪过程中，最高库水位均未超过175m，满足防洪要求。

表11-5　1890～2002年发生的特殊洪水

11.3.2.3　9月份特大洪水处理

根据长江上中游的暴雨洪水特性以及宜昌9月份实际来水情况，9月份宜昌发生大洪水的可能性不大，且对实际发生的洪水，调洪计算的结果表明水库均能调蓄，并且最高库水位不超过175m。因此，从防洪的角度来看，三峡水库汛后提前蓄水是可行的，不会降低目前的防洪标准。但考虑到三峡水库对长江中下游防洪的重要作用，从最不利情况出发，为确保未来可能发生特大洪水时的防洪安全，有必要对9月特大洪水提出处理措施。

1.9月份特大洪水的处理方法

为了避免水库因优化调度、库水位超高给防洪带来的风险，在水库蓄水的过程中，如果发生不同频率的特大洪水，只要控制水库各旬水位不超过相应的防洪控制水位，9月份水库优化调度就不会影响水库的防洪安全，这种在蓄水过程中控制水位的蓄水方式称为分旬控制蓄水方式。分旬控制蓄水方式的基本原理是先定出9月份上、中、下旬的分旬限制水位，水库优化调度时仍按连续蓄水的方式蓄水，在蓄水的过程中如果水位达到了所在旬相应的控制水位，则通过加大下泄流量尽量维持在该水位运行，如果来流小于最大下泄流量则按来流下泄，如果来流大于最大下泄流量(55000m3/s)则按最大下泄流量下泄。

对于不同类型洪水的防洪控制水位的确定方法是通过对各旬设计洪水分别进行调洪演算求得。针对上、中、下旬不同频率组合洪水的防洪控制水位的具体确定方法为(李义天等，2006):

(1)首先确定下旬的防洪控制水位Z3。假设Z3某个水位值，然后对下旬发生的洪水按分旬控制蓄水的方式进行调洪计算，如果得出的水位过程的最高水位刚好达到最高库水位值175m 或者最终水位刚好达到最高库水位175m，则假设值即为所求的Z3;如果得到的水位过程的最高水位未达到175m 且最终水位也未达到175m，则继续调整假设初值进行试算，直到最高水位刚好为175m 或最终水位刚好达到175m 为止，调试得到的值即为下旬的防洪控制水位Z3。

(2)其次确定中旬防洪控制水位Z2。方法与确定下旬的控制水位一样，但最终水位控制值变为下旬的防洪控制水位Z3，最高水位限制值仍为175m。

(3)最后确定上旬防洪控制水位Z1。在确定了中旬的控制水位Z2后再求上旬的控制水位Z1，但最终水位控制值变为中旬的控制水位Z2，最高水位限制值仍为175m。

为确定上述防洪限制水位，需要对宜昌9月份洪水特性进行详细分析，并推求不同频率的设计洪水，选择最不利的组合情况进行研究。

2.9月各旬设计洪水推求

采用1890～2002年宜昌站9月份实测逐日平均流量资料组成的系列作为样本，频率曲线采用皮尔逊Ⅲ型，各旬洪水统计参数的初估值采用矩形法计算，采用经验适线法调整确定均值X0、变差系数Cv和偏态系数Cs(或Cs/Cv)，分别计算了9月上、中、下旬的各种频率的设计洪水成果，并与宜昌站10月各旬以及年设计洪水进行了比较。

从各旬设计洪水计算结果可知，从9月上旬～10月下旬，无论是日均流量，还是3日、7日或10日洪量，都呈逐旬递减的趋势，且都大大小于宜昌站年设计洪水的各项值，这说明9月以后洪水无论从强度还是大小来说，均小于汛期设计洪水。而10月各旬最大洪水为上旬频率为0.1%的洪水，其日最大洪峰流量为54545m3/s，稍小于55000m3/s，即使在10月上旬发生频率为0.1%的洪水，也不必提高坝前水位就可以安全行洪，这也进一步说明，10月份来水对三峡水库的防洪影响不大。

(1)9月各旬洪水类型及典型洪水的选择。从9 月各旬来水过程的形状来看，9月各旬的洪水主要可分为上升、下降、先升后降和先降后升这4种类型。各种类型如图11-11所示。

图11-11　9月各旬洪水过程类型比较

根据防洪限制水位的确定方法，利用调洪计算确定各旬限制水位时，洪水位控制不超过最高水位和最终水位限制值。分旬控制蓄水时的最高水位由大于55000m3/s来流的持续时间以及在这个时间内大于55000m3/s的总量所决定，由于是按同频率放大，放大后各种类型洪水大于55000m3/s的流量持续时间和总量相差不大。因此，最高水位值对防洪限制水位确定的影响不大，起主导影响作用的是最终水位值，即使得分旬控制蓄水时最终水位值比较大的洪水过程是比较不利的。

图11-12　最终选择的各旬洪水

9月各旬的不同类型洪水在按一定频率放大后，总洪量相同。根据分旬控制蓄水的原则可知，其最终水位值由总洪量与下泄总量的差值决定，所以如果下泄总量越小，则最终水位值越高。由于上升型洪水具有前期流量较小，而后期较大的特点，前期流量小于最大下泄流量，而后期流量则大于最大下泄流量，在利用分旬控制蓄水方式调蓄这种大洪水时，前期会以较小的流量下泄，因而其总下泄流量相对其他3种类型较小。因此，上升型的洪水对于分旬控制蓄水较为不利，应该选择上升型的洪水进行调洪演算。经过比较，最终分别选择1974年9月上旬、1907年9月中旬和1937年9月下旬的来流过程作为9月上、中、下旬的典型洪水过程。如图11-12所示。

图11-13　9月上、中、下旬0.1%设计洪水过程线

(2)典型洪水的放大。根据上面所选择的洪水典型分别按照0.1%、1%、2%、3%、5%的频率进行放大，这样9月各旬各种频率设计洪水过程线，均按所选典型，采用峰、量同频率分段控制缩放，不衔接之处，应用水量平衡法修匀求得。图11-13分别给出了宜昌站9月上、中、下旬0.1%设计洪水过程线。由图11-13可见，9月洪水呈逐旬递减的趋势，上旬洪水最大，中旬次之，下旬最小。

9月上旬20年一遇洪水的洪峰流量为55020m3/s，中旬50年一遇洪水的洪峰流量为53320m3/s，下旬百年一遇洪水的洪峰流量为52070m3/s，以三峡水库拦蓄洪水时下泄流量55000m3/s计，上旬发生20年一遇洪水，或中旬发生50年一遇洪水，或者下旬发生百年一遇洪水时，三峡水库不需提高坝前水位即可安全泄洪，即三峡水库在拦蓄上旬大于20年一遇、中旬大于50年一遇、下旬大于百年一遇的洪水才需提高坝前水位来保证防洪安全。

3.9月各旬洪水遭遇分析

9月各旬洪水遭遇的情况对三峡水库的防洪更为不利。因此，有必要根据1890年以来宜昌站有实测资料以来的洪水，分析各旬洪水遭遇的情况。

由统计结果可知，1890～2002年各旬发生20年一遇以上的洪水总共有14次，其上、中、下旬洪水相遇的一次，占统计年份的0.89%，上中、上下、中下旬相遇的洪水也各自发生一次，加起来占统计年份的2.7%，其他洪水都为各旬独自发生。因此，9月各旬洪水相遇的可能性较小，特别是大洪水相遇的情况从现有资料来看还没有发生过。

4.9月不同组合大洪水防洪控制水位的确定

根据三峡水库提前蓄水的情况，对各旬0.1%、1%、2%、3%、5%的设计洪水进行了调洪计算，分别确定9月上、中、下旬发生各种频率洪水组合时的分旬控制水位的大小。由于按枝江流量补偿调节方式，三峡汛期控制下泄流量为55000m3/s，这里只对大于55000m3/s的洪水进行分析，即对上旬20年一遇以上洪水，中旬50年一遇以上洪水，下旬百年一遇以上洪水的组合进行分析。

当9月份发生大洪水时，只要各旬的水位不超过相应的防洪控制水位，则水库最高库水位可以控制不超过175m，可保证大坝安全。其中，当上旬发生20年一遇及以下、中旬发生50年一遇及以下、下旬发生百年一遇及以下洪水时，水库无须控制各旬水位即可安全调蓄洪水，因此其各旬防洪控制水位均为175m，当然实际水位可能远低于该水位;对于上旬20年一遇以上、中旬50年一遇以上、下旬百年一遇以上洪水组合，为保证大坝防洪安全，水库优化调度需考虑分旬的防洪控制水位。

由9月各旬洪水遭遇分析可知，9月各旬的洪水遭遇可能性很小，特别是上、中、下旬同时发生洪水的可能性更小，从防洪安全的角度考虑，采用防洪控制水位是上旬154m，中旬168m，下旬172m，即上、中、下旬同时发生千年一遇洪水的防洪限制水位运行是足够安全的。为进一步确保三峡水库防洪安全，下文优化调度方案分析中，各方案均采用上述千年一遇的分旬控制水位。