理解水库群与滞洪池的综合性防洪运行在洪水风险与水电效益之间的权衡

《Journal of Hydrology》：Understanding the tradeoff between the flood risk and the hydropower benefit from the integrated flood control operation of a reservoir group and a flood detention basin

本文提出联合水库群与滞洪区的防洪运行权衡分析框架，量化防洪风险与水电收益的博弈关系，并应用于长江流域荆江滞洪区及三峡等混合水库群案例，揭示极端与非极端洪水下不同因素对权衡的影响差异，为优化决策提供依据。

　　

穆振宇|刘德迪|王振宇|张玉玲|刘攀|熊丽华|陈杰|陈华|尹家宝

中国武汉大学水资源工程与管理国家重点实验室

摘要

为了减轻洪水灾害并降低其风险，人们修建了许多水库（作为水库群）以及一些洪水滞留区（FDB）。由于水库群和FDB的防洪目标往往是相同的或相互关联的，因此需要将它们整合起来进行联合运营，而不是单独运行。除了防洪功能外，水库群还具有发电功能。在水库群和FDB的联合防洪运营中，需要在洪水风险和发电效益之间进行权衡。本文提出了一个框架，以确定和理解这种权衡，从而提高防洪决策的效率。该框架已应用于长江流域的荆江FDB和三峡、遂渝堰、格河堰等混合水库群的案例研究中。研究发现，在极端洪水条件下，荆江FDB的联合运营可以增强极端洪水风险与发电效益之间的平衡；而在非极端洪水条件下，由于荆江FDB运行灵活性较差，这种平衡会减弱。下游防护目标的安全流量对非极端洪水条件下的权衡有显著影响，而在极端洪水条件下影响较小。损害系数对极端和非极端洪水条件下的权衡都有显著且一致的影响。确定损害系数和安全流量对于提高防洪运营的效果至关重要。所提出的框架不仅能够确定洪水风险与发电效益之间的权衡，还有助于实现水库群和FDB的联合防洪运营。

引言

洪水灾害广泛存在、频繁发生且破坏性极大，造成严重的社会经济损失，并威胁人类安全（Apel等人，2019；Thapa等人，2024）。为了减轻洪水灾害并降低其风险，人们在河流流域内修建了大量水库，并将其作为水库群进行联合运营（Nijssen等人，2009；Santos等人，2011；Seibert等人，2014；Liang等人，2023）。为了降低堤坝溃坝风险及其保护区域在极端洪水事件中的潜在淹没损失，人们还在水库群的下游修建了一些洪水滞留区（FDB）（Wang等人，2021；Murphy等人，2025）。根据修建水库或水库群、FDB的设计规则，这些防洪设施通常是独立运行的，尤其是下游FDB的防洪运营，并未考虑上游水库群运营对减轻洪水灾害的影响。为了弄清这些影响并提高防洪效果，有必要将水库群和FDB的运营进行整合。

水库群通常具有双重功能：一是通过削峰来实现防洪，二是通过蓄水发电（Pan等人，2020；Zhang等人，2022）。具体来说，水库群通过蓄水来降低来水的洪峰，并同时通过水资源储存获得发电效益（Zhang等人，2025）。FDB通常被设计为牺牲性缓冲区，会故意被淹没以减轻下游的洪水灾害（Zhang和Song，2014；Zhang等人，2016）。由于水库群和FDB的防洪目标往往是相同的或相互关联的，因此水库群的防洪效果与发电效果取决于它们的联合运营，而不仅仅是单个水库。因此，水库群的蓄水是整合水库群和FDB运营的关键。水库群的总防洪蓄水量是预先设计并有限的，这导致了在释放更多水用于防洪与保留更多水用于发电之间的运营竞争。这种竞争导致了蓄水带来的洪水风险与水库群发电效益之间的权衡。

目前关于洪水风险与水库发电效益之间权衡的研究主要集中在水库群上（Ding等人，2015；Moridi和Yazdi，2017；Wang等人，2023；Chen等人，2024；Hatamkhani等人，2025），很少有研究考虑FDB的影响，这限制了系统建模的完整性和水资源管理的有效性，尤其是在应对日益极端的水文事件时。为了量化水库群和FDB联合运营的洪水风险，首先需要确定防洪方案，目前有两种方法。一种方法是基于预先定义的水库-FDB协调规则进行规则驱动的运营方案（Li等人，2019）。尽管这种方法计算效率高，但其静态框架缺乏对不同洪水规模的适应性，并且由于预先定义的运营方案与实际运行方案之间的不匹配，往往高估了风险（Luo等人，2025；He等人，2025）。另一种方法是基于优化驱动的运营方案，通过模型动态调节水库群和FDB之间的蓄水量（Lu等人，2021；Zhu等人，2024）。这种方法对于实时运营最为高效和适应性强，但其应用受到高维决策空间和计算密集型风险迭代的限制（Li等人，2019；Wu等人，2024）。尽管当前的研究通过算法优化和模型结构改进提高了解决方案的效率（Chen等人，2024），但在评估水库群和FDB联合运营的洪水风险以及量化FDB运营及其外部因素（如安全流量、经济脆弱性）对权衡的影响方面仍存在挑战（Lin等人，2024）。

本研究的目的是提出一个框架，以确定和理解洪水风险与发电效益之间的权衡，从而提高防洪决策的效率。基于水库群和FDB联合防洪的最优模型（Mu等人，2025b），量化了水库群和洪水滞留区联合防洪运营的洪水风险，并确定了洪水风险与水库发电效益之间的权衡。第2节介绍了用于量化发电效益与洪水风险之间权衡的框架，第3节描述了案例研究区域，包括水文特征和基础设施配置。第4节将验证我们案例研究中洪水风险与发电效益之间的权衡，第5节得出结论并概述了未来的研究方向。

方法论

为了量化由来水不确定性引起的洪水风险，通过随机水文模型在洪水情景下生成概率洪水制度。然后应用水库群和FDB的集成优化模型来获取洪水情景下的淹没损失。由于洪水风险和发电效益直接或间接受到蓄水的影响，因此需要考虑表示蓄水的参数变化（例如最大蓄水量）。

研究区域和数据

长江流域中游和下游的防洪是中国洪水灾害控制系统中最关键的区域。为了提高其防洪能力，1951年修建了荆江FDB，并在1954年的极端洪水事件中发挥了作用。此后，由于三峡、遂渝堰、格河堰等水库群的防洪运营，荆江FDB再也没有用于防洪。由于……

结果与讨论

1998年洪水事件造成的淹没损失约为2484亿元人民币（中国共产党党校学报，1998年）。由于三峡当时正在建设中，因此没有进行防洪运营；荆江FDB也没有参与防洪。根据1998年历史洪水事件的淹没损失，损害系数估计为3.0。根据下游防洪要求，安全流量设定为50000立方米/秒。

结论

本文提出了一个框架，用于确定水库群和洪水滞留区联合防洪运营中洪水风险与发电效益之间的权衡。该框架已应用于三峡、遂渝堰、格河堰和荆江FDB等中国最关键的防洪区域作为案例研究。研究发现，增加水库群的蓄水量比扩大FDB的蓄水量更有效地降低洪水风险。

未引用的参考文献

Apel等人，2009；Hui和Lund，2015；Lu等人，2022；Wallington和Cai，2020；Wu等人，2024；Zhi，2022。

CRediT作者贡献声明

穆振宇：撰写——初稿、方法论、正式分析、数据整理、概念构建。刘德迪：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、调查、概念构建。王振宇：方法论、数据整理、概念构建。张玉玲：方法论、数据整理、概念构建。刘攀：。熊丽华：撰写——审稿与编辑、监督。陈杰：撰写——审稿与编辑、监督。陈华：撰写——审稿与编辑、监督。尹家宝：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。