1. 引言
近年来，随着长江流域水资源的持续开发利用，长江中上游水利工程不断兴建，大型水库数量逐年增加。为保证汛期防洪安全，各水库必须在汛前腾空库容，按汛限水位运行，以备有足够的空间来抵御汛期洪水；而在汛后枯水期，为了满足兴利要求，各水库又必须在汛末完成从汛限水位到正常蓄水位的蓄水任务 [1] ，从而导致各水库竞争性蓄水，下游水库来水量减少，水库无法蓄满的机率增加，各水库在蓄水期内水资源利用矛盾突出。此外，三峡水库作为长江上游水资源调控的关键工程，如果三峡水库长期无法实现蓄满，不仅影响水库自身兴利目标的实现，而且还会影响长江中下游地区的抗旱补水、航运和生态等方面的正常需求。因此，为了长江中上游水库群充分发挥其综合运行效益，更加合理有效的利用长江水资源，流域管理部门和各水库运行机构应共同制定出合理、统一的流域水库群汛末蓄水联合调度方案，使得水库群以及控制的长江中下游流域获得最大的综合效益。
2. 长江中上游水库群建设及调度运行概况
2.1. 长江中上游大型水库群建设
长江流域水资源丰富，中上游水库群共同承担着防洪、发电、航运、灌溉和工业与城镇供水以及渔业、生态环境、排冲砂、旅游等多重任务 [2] 。目前，长江中上游主要干支流的大型水库已建23座，在建17座，拟建63座，主要控制性水库如表1所示，它们之间以串联、并联或混联的方式相互联系，各河段、各水库间水力联系紧密，上游干、支流水库的蓄放水时机和调度方式将直接对下游水库正常运行有控制性作用。例如，位于长江中上游的金沙江干流，乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝四座水库组成的梯级水库群调节能力巨大，其运行方式在很大程度影响其下游水库的径流大小和来水分布 [3] 。另外，长江中游的第一大支流清江流域水资源总量丰富，其中水布垭、隔河岩两座水库分属多年调节和年调节水库，如果能够配合长江上游干流水库群联合调度，在枯水期将进一步对长江中下游用水起到积极作用，也在很大程度上提高了长江流域水资源的利用效率 [4] 。因此为降低上游水库对下游水库蓄水和长江中下游水资源利用的影响，以及合理、有效利用流域水资源，各水库应考虑在防洪、兴利目标实现的基础上，从全流域出发，根据水库群调度原则，制定出合理、有效、统一的水库群联合蓄水调度方案。
长江中上游部分大型水库分布图，如图1所示。
Table 1. The construction of control reservoirs in the middle and upper reaches of the Yangtze River
表1. 长江中上游控制性水库建设情况
2.2. 长江中上游水库群调度运行方式
水库群联合调度是指各个相互联系的水库，为共同实现防洪和兴利目标，对各水库运行调度方案进行统一规划 [5] 。在进行水库群联合调度时，除了满足各水库单独承担的任务外，还应综合考虑流域水文特征及各个水库间的相互关系 [6] ，在运行过程中能够充分配合，使得水库群系统获得最大效益。长江中上游水库群主要考虑以下运行调度方式。
1) 防洪调度 [7] - [9] 。长江中下游地区是长江流域防护任务的核心地区，三峡水库投入运行后，长江中下游地区的防洪能力有了极大提高。长江流域的汛期一般在6~9月，根据长江流域各水库以及中下游河段防洪设计标准，汛期上游梯级水库群应预留适当的防洪库容，一方面保证自身的防洪安全，另一方面配合三峡水库防洪调度，减少三峡水库的入库流量，为其减少防洪压力，并分担长江中下游地区的防洪任务。
2) 发电调度 [10] 。长江中上游控制性水库在满足流域防洪任务的基础上，还需满足发电要求。一般而言，水库遵循汛期水位控制在汛限水位，汛后水位回蓄至正常蓄水位，由于汛期来水量大，为了保证流域防洪安全，水库产生大量弃水，造成电能损失。据统计，三峡水电站平均每年由于弃水损失电量31.9亿kwh，长江上游水库群年均总损失电量估算约为870亿kw.h [11] 。因此，为增加发电效益，应在保证防洪安全的前提下，上下游水库群之间协调蓄放水次序，使得水电站群尽可能少弃水多发电。在枯水期，考虑到长江中下游航运、供水和
生态需求，梯级水库群可在保障负荷要求的条件下，采用耗能最小的方式进行水库群联合调度，满足梯级水库群在运行过程中总水头最大化。
3) 航运调度 [12] 。长江流域水库群的修建，阻断了天然航道，对长江航运有着重大影响。长江干支流通航里程达6.7万km，是主要的航运路线，2005年长江流域航道货运量达到14.6亿吨 [13] ，可见长江航运事业发展迅速。特别地，流域上游水库群在汛末蓄水期大量蓄水，使得下游来水量明显减少，为了满足下游航运正常运行，上游各水库应在枯水期增加下泄流量，改善航运条件。
4) 供水调度 [14] 。长江中上游水库群实施联合调度，统一管理，需考虑下游枯水期水位、流量以满足灌溉和生活、工业用水要求。长江中上游水库群应在1~2月适当增加下泄流量，及时对长江下游地区进行补偿调节，缓解下游水量不足的状态；9~10月汛末蓄水期间，应适当延长蓄水时间，保证下泄流量，避免由于水库群集中蓄水对长江中下游供水造成的破坏。目前三峡水库调度运行按9月最小下泄流量不低于8000~10000 m3/s，10月上旬、中旬和下旬分别不低于8000 m3 /s、7000 m3 /s、6500 m3 /s进行控制 [15] 。
5) 生态调度 [16] 。生态调度是以实现人和自然和谐发展为宗旨，在满足水库及下游防洪安全的前提下，既考虑水(电)资源合理充分利用、又维护流域生态环境健康的要求，进而达到社会经济效益和生态效益总体最优为目标的综合调度方式。为了保护长江流域生态环境，在进行水库群联合调度规划时，应将生态环境因素增加到水库调度方式中，创造适合水生动植物生存和自然环境恢复的水文条件，尽量保留自然流态。如乌江洪家渡水库在进行水库调度方式规划时，考虑到下游航运和流域生态环境要求，使得下泄流量不小于75 m3/s [17] ；三峡水库为了保护四大家鱼繁殖所需的水环境，对其生态调度过程进行研究，并采取“先蓄后泄”的调度方式，以加快水流流速和增加水流流量，刺激四大家鱼产卵 [18] 。
3. 长江中上游水库群汛末蓄水调度研究概述
回顾水库调度领域国内外研究的历史，从产生到发展迄今已有60多年，经历了常规调度和优化调度两个阶段，研究对象也从单一水库的单目标调度发展到水库群联合多目标调度。在调度理论、调度模型、求解方法等方面取得了大量成果，形成了一套较为完整的研究体系，成为水文学及水资源学科的重要研究方向之一。长江中上游水库群汛末蓄水调度作为水库群在特定时段内的特殊调度方式，研究对象复杂，涉及汛末蓄水、防洪、发电、生态、下游抗旱补水、航运调度等诸多方面，其相关研究现状总结如下。
3.1. 三峡水库汛末蓄水调度研究
三峡水库是长江中上游水资源调控的核心工程。对于三峡水库汛末蓄水调度问题，成果主要集中于三峡水
Figure 1. Distribution of large reservoirs in the middle and upper Yangtze River Basin
图1. 长江中上游部分大型水库分布图
库提前蓄水方案的制定及其对防洪风险与发电、航运、汛末蓄满率等综合效益的影响方面。彭杨、石涛等 [19] [20] 研究了水库提前蓄水对防洪、发电、航运方面的影响，并对水库蓄水时间和蓄水进度进行优化计算，得出提前蓄水不会影响水库防洪安全，对发电效益、下游航运都有利。李义天等 [21] 在探讨三峡9月份特大洪水发生可能性的基础上，提出了9月分旬控制蓄水以解决提前蓄水带来的防洪问题，并对9月分旬控制蓄水与连续蓄水的发电效益进行了比较。刘攀等 [22] 从防洪、发电、航运角度出发建立三峡水库的调度模型，并采用遗传算法，得到水库最佳汛限水位和蓄水时机。刘心愿等 [23] 通过建立基于上下游防洪、发电、航运、汛末蓄满率的水库多目标蓄水调度模型，采用“优化-模拟-检验”算法流程，得到了三峡水库优化蓄水调度图。刘志武等 [24] 分析比较了不同汛末提前蓄水方式下综合发电、防洪、航运、电网运行要求的优化设计方案。阂要武等 [25] 提出了在保证水库来水保证率和防洪安全的前提下的三峡水库分阶段蓄水调度图计算方法。李雨等 [26] 主要从风险率和风险损失率两方面分析了三峡水库在不同提前蓄水方案下的下游防洪风险，并对提前蓄水方案的综合效益进行了分析计算。李英海等 [27] 针对长江中下游抗旱补水问题，提出了基于改进调度图的三峡水库汛末蓄水调度方案。
3.2. 长江中上游水库群汛末联合蓄水调度研究
长江中上游水库群因其研究对象的复杂性和调度目标的多样性而使得问题异常复杂。陈进 [28] 根据长江流域特性、大型水库建设和运行情况，分析了水库竞争性蓄水产生的问题，在讨论水库蓄水面临的主要技术和管理问题基础上，提出长江大型水库统一蓄水原则和方案的建议。丁胜祥等 [29] 通过对三峡水库按既定蓄水规则模拟蓄水计算，分析了不同水平年三峡水库的蓄水受上游大型水库蓄水的影响程度。何小聪等 [30] 实现长江流域水库群汛期防洪联合调度，提出了基于等比例蓄水的溪洛渡、向家坝、三峡水库联合防洪调度策略。付湘等 [31] 针对三峡上游水库群汛末竞争性蓄水矛盾，根据水能价值原理，提出上游水库群提前蓄水方案，确定了上游水库群蓄水时间及水库提前蓄水量。丁毅等 [32] 根据各水库自身的蓄水调度原则和方式，采用常规调度方法，对长江中上游各水库的蓄水调度方案和调度模型进行了初步研究，为进一步探索梯级水库群汛末蓄水优化调度提出了相关建议。欧阳硕 [33] 、黄草 [34] [35] 、王冬 [36] 、周研来 [37] 等以金沙江梯级水库和三峡梯级水库为研究对象，针对梯级水库汛末集中蓄水造成的水资源短缺问题，在保证防洪安全的前提下，根据梯级水库群蓄水调度的不同原则和优化方法，提出各水库的最佳蓄水策略。
3.3. 研究展望
综上可见，目前关于长江中上游水库群汛末联合蓄水调度问题的研究更多集中于单一的三峡水库提前蓄水调度及其对防洪风险与综合效益的影响，以及干流梯级水库群防洪和竞争性蓄水问题的解决方法方面，在以下几个方面还有待进一步研究。
面向下游抗旱补水需求的汛末蓄水调度研究。由于气候变化和下垫面变化的双重影响，长江流域特别是中下游流域干旱灾害的发生频率呈上升趋势。然而，目前为止，关于长江中上游水库群联合抗旱调度问题更多的是从定性角度进行研究，还没有一套完整的汛末蓄水调度理论和方法用于指导长江中上游干支流控制性混联水库群联合运行，来应对长江中下游干旱水情的发生。
面向流域生态环境保护的汛末蓄水调度研究。长江中上游水库群在联合调度过程中，更多的是考虑水库群防洪、兴利目标的实现，对维持河流生态需水、改善流域水环境、补偿水利工程建设运行对生态环境影响等方面考虑较少。因此，在水库群汛末联合蓄水调度研究发展中，应从全流域出发，综合考虑各个因素，重视竞争性蓄水对生态环境带来的影响，维护河流健康和促进可持续发展。
面向复杂长江中上游水库群系统的联合调度研究。长江中上游干支流水库数量众多，水力联系复杂，调节能力差异巨大，调度目标不尽相同。由于技术限制，目前汛末蓄水调度更多考虑的是金沙江下游梯级和三峡梯级水库群，对于如此复杂的长江中上游巨型水库群系统联合蓄水调度还有待进一步深入研究。
三峡下游支流水库群对上游水库群的补偿调节研究。以三峡为核心的上游水库群调度对长江中下游的影响毕竟有限，难以完全满足中下游对水量的时空再分配需求。如何充分利用三峡水库下游支流水库群的调节库容(例如清江梯级)，对三峡下泄流量进行补偿调节，发挥错峰补枯、稳定流量的作用，将有利于进一步提高中上游水库群联合调度效益的发挥。
4. 结语
长江中上游水库群的修建在改变长江干支流天然径流的情况下必然带来全流域水资源调控与利用的失衡。尤其是在汛末蓄水期，各水库之间竞争性蓄水、上游水库群与长江中下游地区水资源利用矛盾等问题更加突出。这就要求我们从流域整体角度出发，充分认识汛末蓄水期长江流域不同区域水文变化规律和特点，结合干支流各个水库特性和调节能力，以及长江中下游用水需求过程，综合考虑，制定出合理、统一的水库群联合蓄水调度方案，实现水库群的防洪、兴利、生态目标，保障长江流域的健康、可持续发展。
基金项目
国家自然科学基金项目(51409152, 51509141)；梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室(三峡大学)开放基金(2013KJX05, 2015KJX02)。