课题背景
针对三峡及上游梯级超大型水库联合运行出现的生态环境新问题，面对库区经济社会发展带来的水质安全以及水库下游生态环境急需改善的现实，依据国家未来发展战略和三峡流域水污染防治的科技需求，由武汉大学牵头承担的国家水专项课题“基于三峡水库及下游水环境改善的水库群联合调度关键技术研究与示范”，开展了改善水环境防控支流水华、保障库区水源地安全和改善下游生态环境等方面的三峡水库群联合调度关键技术研究。
课题通过完备三峡库区干流、重点支流及下游重点河段的监测数据，构建了支撑课题系统研究的标准化数据库，提出了“联合水库、动态过程、调和效益、协作调度”的“生态环境调度”技术研究新思路，创新性提出了协作改善三峡支流水华、水质和水环境安全的水库群多目标联合调度技术方法。集成研发的三峡水库及下游水环境对水库群调度的响应模型及解算方法，实现了贯通三峡上游超大型水库到下游江湖河网、全长2400公里的水量、水质耦合模拟；创新研发的防控库区支流水华的水库群联合调度方法，给出了判定水华生消的“混光比”阈值，据此开展三峡水库“潮汐式”调度，香溪河水华暴发强度降低了64.52%；首次建成了水库群联合多目标优化调度决策支持系统及可视化业务应用平台，结合长江防总2017年6号调度令开展了向家坝-三峡水库调度示范，为三峡水库及下游水环境污染防治和长江大保护提供技术支撑。
成果一：制定了三峡联合调度过程线，研发了三峡及上游梯级水库群多目标联合调度技术，优化调度方案，综合提高了三峡水库群传统效益与水环境效益
三峡工程上游流域面积100万平方公里，支流密布，上游支流金沙江已建成超大型水电工程溪洛渡和向家坝；下游通江湖泊江湖关系极其复杂，流域环境差异极大。“十一五”期间，水专项开展了三峡水库水污染综合防治，在水华生消过程和水环境治理方面取得了一定成果。“十二五”期间，随着溪洛渡和向家坝的建成，三峡入库水情发生改变，支流水华、库区水源地和下游江湖生态环境时常变化，三峡水库调蓄必须做出新的适应性调整。总装机容量接近三峡的溪洛渡和向家坝与三峡工程构成了水库群体，激活长江生机与活力的“三库”联调联运，需要重新认识三峡水库支流水动力过程和水华生消机制，精准预测水华发生条件；需要制定水库群联合调控新措施，以保障水环境安全和下游生态需水。
鉴于此，在“十一五”研究基础上，课题开展了基于三峡水库及下游水环境改善的水库群联合调度关键技术研究与示范，系统研究了多目标、高效益、低成本的水库群联合调度关键技术，建设了三峡及其上游梯级水库群联合调度决策支持系统及可视化业务应用平台，支撑流域水环境管理技术体系，改善长江流域水环境，永葆母亲河生机与活力，先行打造“绝不容许长江生态环境在我们这一代人手上继续恶化下去，一定要给子孙后代留下一条清洁美丽的万里长江”的科技治水利器。
协同改善三峡及上下游水环境的调度过程是水库群联合调度方案制定的核心问题。课题组通过科学确定支流水华控制、水源地安全保障和下游生态环境改善的动力和水量需求，利用三峡水库群调控空间，优化三峡水库调节库容，结合梯级水库的调度规程，提出了三峡水库群多目标联合调度指导线“预限动态水位过程线”；实施嵌入“潮汐式”调度的主汛145米，汛末高水位150米～155米。基于此，9月10日提前蓄水，快蓄到165米后缓蓄到175米，这样既能保障三峡梯级水库群传统效益，又能提高环境效益。
课题组依托长江干支流监测系统，耦合干支流非恒定“水流-水质”模型，建立了以水位、流量、水量平衡等多维约束条件的水库群多目标优化调度模型。既保障防洪安全和水库群最大发电量，又能满足三峡库区及下游水环境改善需求。
保障传统效益和生态环境效益是实现水库群多目标调度的根本。课题组通过充分考虑干支流环境变化与溪洛渡、向家坝和三峡水库水位-流量之间的联系，利用构建的水库群多目标联合优化调度耦合模型，以水库群综合效益为总体目标，创新性引入可变惩罚系数方法，建立水库群功能效益均衡优化系统以优化功能效益，按多目标效益等级权重优化效益因子，获得水库群多目标最优策略解，据此优化三峡梯级水库群的调度方案，有效协调了传统效益与生态环境效益之间的用水矛盾问题，最终提高了三峡梯级水库群的综合效益。
成果二：探明了分层异重流层化结构，提出抑制支流水华发生的混光比阈值2.8，构建了支流水华预测预报模型，实施“潮汐式”调度预案，有效防控支流水华
课题探明了香溪河水华藻类可利用营养盐80%源于长江干流；支流库湾分层异重流和水体分层是水华发生的关键诱因；当混光比大于2.8时，香溪河库湾不会发生藻类水华。
同时，利用微弱水流监测方法探明了支流表层倒灌、中层倒灌和底层倒灌的干支流水体交换过程，实现了分层异重流的数值模拟，改进了三峡水库支流库湾藻类生态动力学模型，实现了水华发生的预测预报。
课题组根据混光比小于2.8的水华发生阈值，采用支流水华预测预报方法确定抑制支流水华发生的临界条件，明确支流口门水位波动幅度为0.8m/d～1.0m/d；通过实施三峡水库群“潮汐式”调度，可防控库区支流水华发生。
成果三：确定了判定长江中下游水环境改善的综合指标，研发了三峡下游一维、二维“水流-水质”模拟嵌套技术；优化了三峡水库群联合调度的出流过程
课题确定了改善下游水环境的安全综合判定指标及阈值：一是长江中下游典型取水区域水质改善控制不低于Ⅲ类水质标准；二是中下游河道生态流量阈值为5200m3/s～7500m3/s；三是三峡蓄水期末城陵矶水位控制23.6米，枯期控制20.6米；四是长江大通压咸流量阈值为11000m3/s～12000m3/s；五是三峡出库流量日均涨幅为2000m3/s～2500m3/s，有利于改善四大家鱼产卵的洪峰过程。
在长江干流、清江和汉江支流和洞庭湖-鄱阳湖、河长1200公里的复杂区域中，实现了大型河网的改进三级算法，建立了三峡下游一维、二维嵌套的“水流-水质”耦合模型；解决了预测长江中下游长距离江湖水环境变化的技术问题。
课题采用三峡下游一维、二维“水流-水质”耦合模型计算，依据生态环境安全综合指标及阈值，提出了符合下游水环境改善的三峡水库群联合调度出库水量过程线。 经水库群中长期调度模拟论证，三峡主汛期145米多来多排、9月提前蓄水出流10000m3/s、10月蓄水出流8000m3/s、消落期6500m3/s，能够满足下游水环境改善和压咸需求。
成果四：构建水库群多目标联合调度决策支持系统及可视化平台，开展了“溪洛渡-向家坝-三峡”水库群联合多目标优化调度和业务化运行，成为长江流域水体污染治理重器
课题创新性提出了三峡水库群联合调度关键技术的生态环境调度研究思路，突破了水华演替、水源地安全协作调度、上下游水量需求和水库群联调“预限动态水位过程”的技术难点，形成的 “三峡及其上游梯级水库群联合调度决策支持系统及可视化业务应用平台”和“三峡及上游梯级水库群多目标联合调度方案及下游水环境安全的运行准则”两个重大标志性成果，建成的“香溪河生态环境野外科学观测站”和落户于三峡梯级调度中心的“决策支持系统及应用平台”，直接服务于三峡水库及其上下游水环境改善，可供大中型流域水库群类似工程借鉴。
课题研究及系统平台运行过程中，课题组开展了2016年~2017年防控支流水华的应急调度试验，成功预测到水华发生事件，并实施了三峡水库“潮汐式”应急调度，使得香溪河监测站叶绿素a浓度值降低了64.52%，浓度大于30μg/L的覆盖面积整体降低了66.31%。长江三峡工程生态与环境监测公报刊载出2016年~2017年未监测出香溪河蓝藻水华的报道，印证了上述结论。
2017年5月23日~25日，长江防汛抗旱总指挥部发出生态调度令，开展向家坝与三峡水库联合调度，向家坝下泄流量分别为11000m3/s、12500m3/s、14000m3/s，三峡水库按4000m3/s、4500m3/s控制出流，课题择机开展长江干支流全程观测，水质符合水环境质量标准。
“三峡及其上游梯级水库群联合调度决策支持系统及应用平台”落户三峡梯级调度中心并历经2017年运行，第三方检测出总体可用率大于85%；系统响应时间小于5秒，静态响应小于2秒，会商1小时以上，达到了预定目标，可适时应用。
2018年8月15日~24日汛末，三峡梯级调度中心开展“三峡水库汛期水位浮动试验”，三峡水位控制在154.62m至149.55m，平均出流量28456m3/s，最小流量24300m3/s，最大流量30000 m3/s。对应课题成果“预限动态水位过程线”的汛末高水位运行，同步连续观测了库区水源地、宜昌、荆州和武汉重要区域水质，水质达标率在95%以上。2018年8月31日，国家防总批复《三峡水库2018年试验性蓄水实施计划》，明确9月10日蓄水、起蓄水位150米~155米、10月底蓄到175米，印证了“预限动态水位过程线”的科学性和可操作性。
据了解，国家授权中国三峡集团有限公司滚动开发长江上游向家坝、溪洛渡、白鹤滩、乌东德4个大型电站，因此课题成果有望得到持续应用。同时，课题取得的水库群多目标优化联合调度关键技术，补充完善了国家水污染控制与治理技术体系；技术成果转化将为我国七大流域已有和拟建水库群开展大型水库群联合调度起到重大的科技支撑作用。
刘晓星
