张云昌等:水工程管理的理论和实践——以三峡工程为例

选择字号:   本文共阅读 17965 次 更新时间:2022-09-14 00:05

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张云昌 (进入专栏)   任实   张雅文   张业刚   徐浩   刘博  

作者:张云昌1,任实2,张雅文1,张业刚3,徐浩1,刘博4,李贶家5


(1.水利部三峡工程管理司,北京100053;2.中国长江三峡集团有限公司流域枢纽运行管理中心,湖北宜昌443099;3.水利部移民管理咨询中心,湖北宜昌443001;4.水利部国际经济技术合作交流中心,北京100038;5.水利部发展研究中心,北京100038)


摘要:基于现代水工程管理“风险管理、精细调度、永续利用”的基本理念,需完善水工程安全管理和调度管理的制度体系,以规范管理过程。以三峡工程为例,论述了防洪调度管理、发电调度管理、航运调度管理、泥沙调度管理、补水调度管理、生态调度管理、中小洪水调度管理、水库群(水工程)联合调度管理、跨流域水资源调度管理和应急调度管理的调度方式,并列举实例分析了三峡工程安全管理和调度管理的成效及存在的问题,提出了加强调水工程管理制度体系建设的若干对策建议,以保障工程良性运行并发挥持久效益。


关键词:三峡工程;水工程安全管理;水工程调度管理


20世纪80年代,水利部领导就提出“把水利工作的着重点转移到管理上来”。但迄今为止,水利系统重建轻管的痼疾始终没有彻底消除,这导致水工程运行管理的理论研究比较薄弱。


贯彻落实习近平新时代生态文明建设思想,我们基于水工程管理的风险管理理论、可持续发展理论和复杂系统理论,提出了现代水工程管理的基本理念:“风险管理、精细调度、永续利用”[1]。


风险管理:要全面分析评价水工程运行的常规风险和非常规风险。常规风险主要是水工程自身安全和水生态环境损害;非常规风险主要是极端条件、人为失误、恐怖活动、工程老化、运行方式改变及移民等因素造成的公共安全损害。要采取工程措施和非工程措施,确保工程本体安全,减小生态环境损害和公共安全损失。


精细调度:调度是实现水工程功能的基本手段,同样还是保证水工程运行安全、拓展水工程功能和效益的手段。调度得当,甚至还能延长水工程的使用寿命。精细调度的含义是以水文、生态环境这两项预测预报为基础,一年四季精心组织并实施调度。精细调度要求把防洪、发电、航运、调沙、补水、梯级联合、生态等多种调度结合起来,一年四季精心安排。


永续利用:水工程寿命问题是一个值得思考的问题。四川都江堰、广西灵渠运行了2000多年,依然表现优异。关于混凝土寿命,中国工程院院士陆佑楣说,从第一锹混凝土到现在,没有听说过突然崩坏的问题。这就是说混凝土寿命仍然是一个未知数。基于这样的理由,我们认为水工程的永续利用是一个可以研究也应该研究的问题,一个好的水工程应与自然融为一体,成为自然的一部分,永续利用。


“风险管理、精细调度、永续利用”的水工程运行管理理念,有以下几层含义:


第一,容忍风险但对风险的容忍是有限度的,而且对风险要有应对措施、安全预案。比如说,溃坝是我们不能容忍的,但遇到大洪水、特大洪水,要分蓄洪,就是可以容忍的。在这种情况下,要采取措施确保受淹地区人民生命安全,并对财产损失给予补偿。


第二,在确保水工程本体安全的情况下,调度是运行管理的主要工作。调度工作要建立新的理念,从防洪期调度转变到根据情况一年四季精细调度。


第三,“风险管理、精细调度、永续利用”的理念,不排斥维持水工程运行的其他管理。比如,行政管理、人事劳资管理、经营活动管理等,只是为了突出水工程管理的核心业务。


第四,监测和信息化是实施水工程现代管理工作的基础。关于监测,我们强调两个方面:水文和生态环境监测。过去我们重视水文监测,现在要补上生态环境变化情况的监测。


现代水工程管理的基本理念要求深化对洪水的认识,对洪水实行分级管理;深化对水资源、对河湖生态系统的认识,在修复河湖生态中发挥水利部门的主体作用[2];认识水工程管理运行的复杂性,加强基础理论研究和应用研究;完善水工程管理的法规,重塑管理运行的流程[3-4]。


本文详细论述了现代水工程管理的基本理念“风险管理、精细调度、永续利用”在三峡工程管理运行中的运用。分析了三峡工程运行过程中的常规风险和非常规风险及管理,对防洪调度、发电调度、航运调度、泥沙调度、补水调度、生态调度、中小洪水调度、水库群(水工程)联合调度、跨流域水资源调度和应急调度等十种调度方式,用实际案例分析其必要性和效益。


1水工程安全管理


1.1水工程本体安全管理


一个水工程,一般包括三个部分:主体工程、为配合主体工程发挥作用的部分、工程运行受影响的部分。我们把第二、第三部分分别叫作功能区和影响区。把第一和第二部分叫作水工程本体。本文以三峡工程为例,水工程本体安全管理包括枢纽安全管理和水库安全管理。


1.1.1枢纽安全管理


枢纽管理部门必须按照设计要求和规范规程开展安全监测工作,监控枢纽安全性态,掌握运行规律,及时发现运行异常或者工程隐患,采用技术可行、经济合理的措施及时进行修复,确保缺陷处理的及时性和可靠性,保证枢纽结构完好,保障水工建筑物运行安全。


三峡枢纽由水工建筑物、发电建筑物、通航建筑物三部分组成。中国三峡集团负责三峡水利枢纽建筑物等的巡视检查及安全监测,按照运行管理规程的相关规章制度执行。在非汛期,合理安排时间对水工建筑物进行全面检查,发现问题及时处理。泄洪时,应加强对水工建筑物的巡视检查和安全监测,并及时采集、整理、分析监测资料,发现异常或突变现象应分析原因,必要时采取相应措施。


1.1.2水库安全管理


水库安全管理主要是通过对岸线、消落区、库容、漂浮物、网箱和拦网养殖、蓄退水安全等实施监督检查,确保相关措施及时落实,消除安全隐患。


三峡库区地质条件复杂,是地质灾害高发区,历史上曾因山体滑坡崩塌多次阻断长江水道。三峡枢纽工程建成蓄水后,水位抬升百米,每年水库调度形成30m的水位涨落。大幅度的水位变化等人工因素的叠加,扰动了库区的地质环境,地质灾害防治面临巨大挑战。三峡枢纽工程自1994年开工建设以来,库区全面加强了地质灾害的防治,创新了地质灾害防治理论与技术方法,有力地支撑了库区地质安全和移民安置。三峡水库蓄水多年以来,库区地质灾害发生情况总体好于预期。随着三峡水库的持续运用,库岸再造过程将趋缓,水库蓄水诱发的地质灾害也将逐渐减弱。


针对岸线管理,主要实施挡土墙、抗滑桩、生态混凝土护坡等工程措施,禁止违法利用、占用三峡水库岸线,对有安全防护需求的城镇岸段,实施库岸环境综合整治。


有关部门依法依规加强管理和保护三峡水库消落区。一是坚持以保留保护和生态修复为主、工程治理措施为辅,加强消落区生态环境保护和修复。二是严禁向消落区排放污水、废物。三是从严控制消落区土地耕种,严禁种植高杆作物和施用化肥、农药。四是进一步开展三峡水库消落区生态治理模式试点示范工作。


加强三峡水库清漂工作,保持水面干净、清洁。


1.2生态安全管理


1.2.1开工前的生态环境安全管理


三峡工程的生态环境问题备受社会关注。长期以来,国家组织了大量的研究工作,范围涵盖了三峡工程库区及上游、中下游和长江河口,同时有针对性地开展了水文泥沙、水环境、水生生物、局地气候、陆生生物、移民安置、地质地震、人群健康、社会经济等数十个方面、近百个环境因子的基础研究,完成《长江三峡水利枢纽环境影响报告书》编写工作。报告书的总体评价结论是:三峡工程对生态与环境的影响有利有弊,必须予以高度重视,采取有力措施并切实执行,可使不利因素减小到最低限度。并建立了跨地区、跨部门、多学科、多层次的生态与环境监测系统,为客观总结和评估三峡工程对生态环境的影响奠定了良好的基础。


1.2.2建设期生态环境安全管理


三峡工程建设开始,实行建设期生态环境安全管理,主要工作:开展连续监测,发表《长江三峡工程生态与环境监测公报》;建设了一批保护区,对重点水生生物、陆生生物进行保护;实施“两个调整”,开展“两个防治”;实施库底清理。为三峡工程竣工验收生态环境评估、陆生植物保护和水生生物保护、移民外迁安置、根除污染源和库区经济转型发展做出重要贡献。


1.2.3运行中的生态环境安全管理


三峡工程运行期间,实行生态环境安全管理,主要工作:改革优化监测系统,进行连续监测,发表公报和运行实录,全面、真实记录了三峡工程蓄水以来的枢纽工程及水库运行情况;开展了大规模的植树造林活动,恢复三峡水库生态屏障区植被,库周生态保护带修复效果显著;清理漂浮物,实现三峡库区漂浮物基本清理;开展船舶流动污染防治,有效保护了三峡水库水质安全;加强新问题的观测和研究,持续开展三峡库区和长江中下游影响区的生态修复与环境保护重大问题研究。


1.3公共安全管理


公共安全问题在水工程管理中越来越受到重视。主要包括以下4个方面:(1)抓好移民安稳致富工作。通过实施外迁移民安置区项目帮扶,改善当地生产生活条件,促进了三峡移民与当地居民的融合发展。(2)治理中下游崩岸。对宜枝河段、荆江河段等冲刷较为剧烈的重点河段开展崩岸治理,显著增强了河岸抗冲能力,减轻了当地的防洪压力。(3)开展航道整治。及时修复受损毁的航道建筑物,长江航运基础设施日趋完善,保障了长江中下游水道安全畅通.(4)改扩建水厂。提升了相应区域城乡供水水质和供水保证率。


2水工程调度管理


水工程调度管理对象涉及上下游、左右岸,调度内容涉及防洪、发电、航运、补水、生态、泥沙等方面,是一项跨时段、多约束的复杂系统管理工程。三峡工程在汛期实行中小洪水调度,实现洪水资源高效利用,在蓄水期实行蓄水优化调度,连续十年蓄满水库,在消落期实行多需求综合调度,连续十年开展14次生态调度。根据水工程调度管理内容,可分为以下十种调度管理。


2.1防洪调度管理


防洪是三峡工程的首要任务。三峡枢纽工程防洪调度的主要任务是在保证三峡水利枢纽大坝安全和葛洲坝水利枢纽度汛安全的前提下,对长江上游洪水进行调控,使荆江河段防洪标准达到100年一遇;遇100年一遇以上至1000年一遇洪水时,配合蓄滞洪区运用,保证荆江河段行洪安全,避免两岸干堤溃决。此外,根据城陵矶地区防洪要求,考虑长江上游来水情况和水文气象预报,适度调控洪水,减少城陵矶地区分蓄洪量。当发生危及大坝安全事件时,按保枢纽大坝安全进行调度[5]。具体的防洪调度管理如图1所示。



三峡工程有三种防洪调度方式:(1)对荆江河段进行防洪补偿的调度方式。根据三峡库区水位、水情预报及沙市站水位情况,控制水库的下泄流量。(2)兼顾对城陵矶河段进行防洪补偿的调度方式。汛期根据三峡水库水位情况,确定三峡水库是否对城陵矶河段进行防洪补偿调度。(3)减轻中游防汛压力的中小洪水调度方式。根据预报未来的降水量,三峡水库择机对中小型洪水进行拦洪削峰。


图2所示为2020年防洪调度实践中汛期三峡水库出入库流量及水位过程线。三峡水库迎来9次超过35000m3/s的洪水过程,最大洪峰流量达75000m3/s,为三峡水库建库以来最大入库流量。


三峡水库总拦蓄洪量达2.95×1010,有效地发挥了防洪工程的作用,减少了洪水灾害导致的损失[6]。


2.2发电调度管理


三峡枢纽发电调度是保障三峡水电站的电能生产,发挥三峡工程经济效益的重要保障。三峡枢纽发电调度的主要原则是,发电调度服从防洪调度、水资源调度,并与航运调度相协调。


在枯水期,三峡电站按调峰方式运行,允许调峰幅度根据不同流量级、机组工况和航运安全等因素综合拟定。电站日调峰运行时,要留有相应的航运基荷。在汛期,按来水流量实施不同发电方式,在保障通航安全的前提下运行[7]。

图3所示为三峡电站历年实发电量。2003—2020年,三峡电站累计发电量为1.399×1012kW·h,有效缓解了华中、华东地区及广东省的用电紧张局面,推动了国民经济发展。

三峡电站承担电力系统的调峰、调频、事故备用任务。在175m试验性蓄水期间,采用汛期限制水位浮动运行、中小洪水滞洪调度、汛末提前蓄水等运用方式,也有利于提高发电效益。评估认为试验性蓄水期间实施的发电调度方式基本合理可行,今后应以保障电网安全稳定运行为目标,进一步发挥调峰调频效益,并在保证库区地质灾害治理工程安全的前提下,开展优化水库集中消落期水位日下降幅度限制条件的研究工作。


2.3航运调度管理


航运调度管理是指运用科学的管理措施,保障枢纽通航设施的正常运用和过坝船舶安全、便捷、有序通过。航运调度服从防洪调度、水资源调度,并与发电调度相协调。


三峡水库175m试验性蓄水以来,常年回水区的航道维护尺度总体上得到显著提升,航运条件大幅度改善,且水库抬高率定枯水期水位,使变动回水区的通航条件也有明显改善。在汛期,限制三峡电站调峰容量,避免恶化两坝间水流条件,汛后蓄水运用要兼顾三峡库尾和葛洲坝下游的航道畅通,三峡水库下泄流量总体上应逐渐稳步减少。遇特枯年份,水库要充分合理地使用兴利调节库容,在降低出力时,要兼顾葛洲坝下游最低通航水位的要求。


2020年汛期,因三峡入库流量和出库流量均大于入出库通航流量最大值,停航合计5天,等待过闸船舶最高达近1200艘次。三峡水库在确保防洪安全的前提下,择机开展5次疏散船舶应急调度,累计疏散船舶1500艘左右,有效疏散滞留船舶,保障航运安全畅通,缓解上游能源供给紧张的局面,在维护社会稳定方面发挥了重要作用。


2.4泥沙调度管理


泥沙调度管理是运用泄洪排沙设施,科学、有计划地调控泥沙,使库区泥沙适时排出水库,以改善水库淤积分布,减少泥沙淤积量,延长水库使用寿命。泥沙调度方式包括异重流排沙、泄水冲沙、沙峰调度、库尾减淤调度等[8-9]。


三峡水库的泥沙调度主要指通过水库“蓄清排浑”,利用枯水期上游来水以及汛期洪水,对泥沙进行冲刷,达到排沙减淤的效果[10]。消落期,结合水库消落过程,当上游来水和库水位利于库尾走沙时,进行库尾减淤调度,将变动回水区淤积泥沙拉动到常年回水区,避免库尾累积性淤积。汛期,结合水沙预报,当预报寸滩站含沙量符合沙峰排沙调度试验条件时,可择机启动沙峰排沙调度[11-13],提高水库排沙比,减少水库淤积量。


2020年,三峡水库开展了沙峰调度实践。2020年8月11—13日、14—18日,长江上游嘉陵江、岷江、沱江等流域接连发生两次强降雨过程,降雨过程集中、强度大、范围广,寸滩以上区域累计面雨量96mm,大于1981年7月洪水的78mm,且强降雨带基本位于长江上游主要产沙区,导致三峡水库先后出现了较大的沙峰过程。调度过程如图4所示。



长江4号、5号洪水黄陵庙站流量和含沙量过程如图5所示。调度期间,出库黄陵庙站含沙量连续11天大于0.5kg/m3,持续天数为试验性蓄水以来第1位,出库最大含沙量达到0.931kg/m3,为175m试验性蓄水以来的第3位。日出库沙量最大达3.4×106t,沙峰过程排沙比为27%,比试验性蓄水以来的平均排沙比高出9%。三峡工程泥沙调度效果显著。


2.5补水调度管理


补水调度管理是在每年枯水期,结合来水情况和下游供水需求,合理消落水库水位,向水库下游补水,以满足下游地区生产生活生态用水需求。


三峡水库补水调度方式为:每年8—12月蓄水期间,根据上游来水流量及下游的最低水位要求进行蓄水。蓄满年份,1—2月水库下泄流量按不小于6000m3/s控制,3—5月的最小下泄流量应满足葛洲坝下游庙嘴水位不低于39.0m。未蓄满年份,根据水库蓄水和来水情况合理调配下泄流量。


2019年10月30日,三峡水库连续第10年成功蓄水至175m正常蓄水位。2019年12月5日开始消落,整个消落期间,三峡水库平均入库流量7570m3/s,平均出库流量8900m3/s,累计为下游补水164天,补水总量2.2924×1010m3,平均增加下泄流量1620m3/s。三峡水库枯水期补水调度有效改善了中下游地区的通航条件,同时也为沿江生产、生活、生态用水以及疫情期间用水需求提供了重要保障。


2.6生态调度管理


生态调度管理是指通过生态调度试验创造鱼类繁殖所需水文、水温等条件,探索如何减缓水工程对关键水生物种的不利影响,促进坝下江段及库区珍稀特有鱼类繁殖,实现鱼类资源的有效保护[14]。


三峡工程于2011年开始针对四大家鱼(青鱼、草鱼、鲢鱼、鳙鱼)繁殖的生态调度试验。在四大家鱼繁殖期间的5月下旬至6月中旬,大坝下游河道水温达到18℃以上。结合汛前腾空库容的需要,根据上游来水情况,利用调度形成1~2次持续10d左右的涨水过程,将宜昌站流量11000m3/s作为起始流量,在6d内增加8000m3/s,最终达到19000m3/s,水位平均日涨幅不低于0.4m。生态调度试验监测结果表明,这对四大家鱼的繁殖产生了促进作用,使其在调度期间的产卵量显著增加[15-16]。


2011—2020年,三峡水库共实施14次生态调度试验,宜都江段调度期间和监测期间四大家鱼产卵总量如图6所示。2019年生态调度期间,长江四大家鱼自然繁殖对生态调度形成的人工洪峰有明显响应,其中宜都断面四大家鱼产卵总规模高达30亿颗,与1997年三峡工程大江截流前的水平相当。



这表明,生态调度创造了适合鱼类繁殖的水文条件,可促进长江鱼类资源恢复[17]。


生态调度是水生态保护与修复的一个利器,值得深入研究和探讨。下一步,要在总结促进鱼类繁殖和抑制三峡水库支流水华等生态调度试验成果基础上,通过控制三峡水库下泄流量,调节模拟河流涨水过程,人工制造有利于四大家鱼自然繁殖的水文过程,为长江主要渔业资源自然生存和发展提供良好的生态环境。


2.7中小洪水调度管理


中小洪水调度管理是针设计标准洪水下的小洪水进行拦蓄削峰,在保证防洪安全的前提下,拦蓄洪水,充分利用洪水资源,提高水库综合效益。


三峡水库的中小洪水调度是对55000m3/s以下中小洪水实施防洪调度,减轻水库下游江段防洪压力,提高洪水资源利用率。2009—2017年汛期,三峡水库对洪峰流量在30000~55000m3/s入库洪水的拦蓄次数达到33次,占总蓄洪次数的82.5%,蓄洪量8.93×1010m3,占总蓄洪量的73%。


众多学者和专家对三峡水库进行中小洪水调度有着不同的看法和观点。中国长江三峡集团公司有关专家研究认为中小洪水调度有三大效益:一是防洪效益,三峡水库对中小型洪水进行拦蓄,可以避免中游沿线监测站也会超过警戒线水位,降低防汛成本。二是航运效益,中小洪水调度减少了禁航、停航时间。三是洪水资源利用效益,利用洪水资源可缓解后期蓄水和下游供水的矛盾[18]。但清华大学周建军教授认为:三峡工程规划防洪目标是保荆江安全,相应减轻中下游其他地区防洪负担,这种防洪原则可保证一般情况下长江自然洪水节律不变,三峡水库的实际调度方式使径流节律朝单一化方向发展,而且拦中小洪水显著加剧中下游河道冲刷,湖泊汛期持水量减少,水面缩小和湿地不能充分淹没,碟形湖和牛轭湖等水体与干流季节联动机制被破坏。


2.8水库群(水工程)联合调度管理


水库群(水工程)联合调度管理是根据不同水库特性及实际调度需求,每年编制汛期、蓄水期、消落期联合调度方案,通过科学调度,发挥各水库优势,增加水库群调节能力和调度灵活性,实现综合效益最大化[19]。


以三峡水库为核心,干支流控制性水库群、蓄滞洪区、河道洲滩民垸、排涝泵站等水工程的联合防洪调度。当长江中下游发生大洪水时,三峡水库联合上游金沙江、雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江等干支流的水库,以及清江、洞庭湖支流的水库,以沙市、城陵矶等防洪控制站水位为主要控制目标,实施防洪补偿调度[20-21]。


自2012年起到2019年,将调度对象扩展至水库、泵站、涵闸、引调水工程、蓄滞洪区,数量达到100座,范围由长江上游逐步扩展至长江上中游最后至全流域。截至2020年,纳入长江流域水工程联合调度运用计划的水库群如图7所示。目前,长江上游水库群已基本形成1个核心三峡水库、3个骨干乌东德、溪洛渡和向家坝水库、5个群组金沙江中游群、雅砻江群、岷江群、嘉陵江群、乌江群的防洪布局,防洪库容合计约3.87×1010m3。长江中游清江、洞庭湖水系、鄱阳湖水系、汉江等形成了4个中游水库群组,防洪库容2.09×1010m3,共同组成长江上中游防洪调度水库群。



2020年7月,长江2020年第1号、2号和3号洪水在长江上游形成,洞庭湖、鄱阳湖分别发生持续集中强降雨,城陵矶河段、湖口河段防洪形势严峻。三峡水库对城陵矶实施防洪补偿调度,减缓长江中游干流水位上涨态势,联合调度溪洛渡、向家坝等上游水库群,减小进入三峡水库洪量,再结合城陵矶河段农田片区限制排涝、洲滩民垸相机运用等措施,避免了城陵矶附近蓄滞洪区运用,并成功与洞庭湖洪水错峰,极大减轻了长江中下游尤其是洞庭湖区防洪压力[22]。


2.9跨流域水资源调度管理


跨流域水资源调度管理是为了改善水资源时空分布不均的问题,根据用水方需求及供水方实际供给能力,科学制定调水方式,在保护生态环境的前提下修建调水设施,实现水资源优化配置[23]。


为有利于保障南水北调中线工程正常运行,《长江流域综合规划》深入研究了跨流域调水工程影响与对策,实施了引江济汉工程。工程的主要任务是向汉江兴隆以下河段补充因南水北调中线一期工程调水而减少的水量,改善该河段的生态、灌溉、供水和航运用水条件[24]。


2.10应急调度管理


水库应急调度是针对重大突发事件,在保证水库安全的前提下,及时采取调度措施,减轻突发事件带来的不利影响。


当三峡水库或下游河道发生重大水污染事件和重大水生态事故,或长江中下游发生较重干旱或出现供水困难时,中国三峡集团可根据规程规定的防洪调度方式及现场情况做出应急调度决策并进行处理。控制下泄流量,实施应急调度是三峡水库应急调度的重要措施[25-26]。2015年6月2日,三峡水库下泄流量大幅削减至1×104m3/s,有力支援了下游监利江段“东方之星”游轮救援行动[27]。2018年汛期,在洪水间歇期开展4次船舶滞留应急调度,成功疏散因洪水流量过大而滞留的船舶838艘。


3结语


我国资源时空分布不均,特别是水资源和水电资源。水工程长期、安全、稳定运行是保障经济社会可持续发展的基础。水工程安全管理涉及水工程本体安全和公共安全问题,水工程调度管理涉及防洪、发电、生态等多目标要求,分析现有水工程安全管理和调度管理的成效和存在的不足,构建科学合理的水工程安全管理和调度管理制度,研究提出了完善的具体措施,保障工程良性运行和持久发挥效益。


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作者简介:张云昌,水利部三峡工程管理司一级巡视员,高级工程师。


文章来源:三峡生态环境监测



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本文责编:陈冬冬
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