試論大柳樹水利樞紐建設的必要性

宋天華 孟長青 王永強 李穎曼 鐘德鈺

摘要：大柳樹水利樞紐庫大水多沙少，開發條件十分優越，在黃河治理開發中具有承上啟下的戰略作用，但黃河流域未來徑流量預計有所減小且已經建有較多水利樞紐，因此一些學者提出大柳樹水利樞紐建設后將無水可蓄無水可調。為消除該疑慮，通過多種實測數據分析大柳樹水利樞紐建設的必要性，分析指出：①龍羊峽一河口鎮區間用水量大、有效庫容小，徑流調控能力不足，缺少統一調控工程;②龍羊峽、劉家峽水庫調控庫容不足，導致枯水年寧蒙灌區缺水，豐水年洪水泛濫、水資源流失;③根據南水北調工程西線工程規劃，蘭州一河口鎮段將增加22億m3供水量，屆時該段水資源調控庫容將更缺乏：④龍羊峽、劉家峽水庫水能利用效率低，寧夏回族自治區水力發電占比極低，大柳樹水利樞紐的建立將改善該區能源結構、增加水電能源供給。因此，現狀條件下黃河上游仍然有水可蓄、有水可調，建設大柳樹水利樞紐是非常必要的。

關鍵詞：徑流調控：水力發電：大柳樹水利樞紐：黃河

中圖分類號：TV21;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01. 009

黃河流域水資源分布不均、供需不平衡，隨著社會經濟的高速發展，水資源供需矛盾日益突出，同時，黃河水沙調控體系尚未構建完善，加之流域上游梯級水調和電調之間的需求沖突，導致以下問題：首先，黃河上游上段來水量大、下段需水量大，而黃河上游梯級水庫分布在其上段，不能完全滿足下段寧蒙河段工農業用水與河道生態基流的調控需求;其次，為滿足發電需求，需攔蓄豐水期水量，使得有利于輸沙的中常洪水出現頻率大幅度降低，水沙關系惡化，寧蒙河段河道主槽淤積萎縮，行洪輸沙能力急劇下降，導致凌汛穩封期冰下過流能力急劇降低，嚴重影響寧蒙河段防凌安全;再次，為滿足防凌需求，凌汛期前，水庫需騰出防凌庫容，常導致強迫棄水，而凌汛期需控制下泄流量，從而使發電量嚴重減少。為此，有專家和水利單位提出應盡快修建大柳樹水利樞紐。大柳樹水利樞紐位于黃河上游梯級電站的尾部、寧蒙河段的首部，是黃河水沙調控和水資源配置體系的主要組成部分，在黃河治理開發中具有承上啟下的戰略地位，其開發任務以協調黃河水沙關系和防凌（防洪）為主，兼顧供水、發電等綜合運用。何潛等[1]分析了大柳樹水利樞紐建設對黃河下游調水、寧蒙灌溉保障及解除凌汛威脅的作用;何憬[2]對大柳樹水利樞紐發電方面的效益進行了分析;趙業安等[3]分析認為大柳樹水利樞紐建設可增加可用水源，改善水沙條件，增加灌溉、生態、防凌防洪及發電等效益。受全球氣候變化的影響，黃河流域未來徑流量預計有所減少，一些學者提出大柳樹水利樞紐建設后將無水可蓄，為反駁該觀點，本文將統計多種實測數據，詳細分析大柳樹水利樞紐建設的必要性。

1 黃河流域現狀條件下仍然有水可調有水可蓄

大柳樹水利樞紐位于黃河干流黑山峽出口以上2km、寧夏中衛市境內，黑山峽河段上游流域面積25.2萬km2，多年平均徑流量333億m3，可開發裝機容量約2 000 MW。根據《黃河流域綜合規劃》[4]，大柳樹水利樞紐主要功能為對上游梯級電站下泄水量進行反調節，結合防凌蓄水將非汛期富余的水量調節到汛期，并將南水北調西線工程配置的河道內輸沙用水調節到汛期，改善寧蒙河段水沙關系，消除龍羊峽水庫、劉家峽水庫汛期大量蓄水運用對寧蒙河段造成的不利影響，并調控凌汛期流量，保障寧蒙河段防凌安全，同時調節徑流，為寧蒙河段工農業和生態灌區適時供水。

水庫是攔洪蓄水和調節水流的水利建筑物，其攔洪蓄水的目的是用于灌溉、發電、防洪和漁業，黃河是否有水可調有水可蓄，要從有效庫容分析。根據《黃河流域水資源綜合規劃》，1956-2000年系列黃河流域水資源總量為647.0億m3/a;根據黃河水資源公報統計，2004-2016年黃河流域水資源總量為583.55億m3/a（不考慮內流區）[5]。黃河干流和支流現有水庫總庫容為636.63億m3（其中干流求庫分布及參數見表1）。為保障流域灌溉、發電、航運、漁業以及旅游等各用水部門需要，水庫水位不能低于某一高程，這一高程的水位稱為死水位（見圖1）。而為滿足興利需要，在開始供水時應蓄到的水位，稱正常蓄水位。死水位與正常蓄水位之間的庫容為興利庫容（也稱有效庫容），這一部分庫容可對水資源進行調配。

水庫供水能力計算公式為

V初+ W來- W田 - W損- W棄=V末 （1）式中：V初 為水庫初始蓄水量;W米 為水庫來水量; W為用戶用水量;W損 為水庫蒸發滲漏損失量;W棄 為水庫棄水量;V末 為水庫期末蓄水量。

某段時間內，水庫初始蓄水量V 初，加上水庫來水量W來，扣除用戶用水量W用、水庫蒸發滲漏損失量W損 及水庫棄水量W棄 ，得到水庫末時間蓄水量V末。

在汛期初期，水庫需調節水位至防洪限制水位，到汛末水庫可蓄水至正常蓄水位。V末減V初 可得到汛期水庫蓄水量W蓄，由于防洪限制水位高于死水位，因此W蓄值小于等于水庫的有效庫容。不考慮水庫損失水量，式（1）可改寫為

W 來- W用 - W蓄=W棄? （2）

W蓄≤W有效庫容式中：W蓄 為水庫蓄水量;W有效庫容為水庫的有效庫容。

由式（2）可知：在汛期，若某段區域W田、W蓄不變，來水量越大，則棄水量就越多，而W蓄 越大則能減小棄水量;在非汛期，W來 較小，而W用 較大，則需要水庫供水，水庫供水量受W蓄限制且小于W有效庫容;在凌汛期，水庫需控制W棄，同時 W有較小，區間來水量及上游下泄水量需要水庫蓄水，如果形蓄容量不足，則可能導致W棄 過大，凌汛期存在安全隱患。因此，無論是汛期或非汛期凌汛期，W蓄 容量較小，都會導致棄水或者供水不足或者棄水下泄過多的問題。

對比流域水資源量和有效庫容分布（見圖2，數據來源于《黃河水資源公報》）可知，到2016年年底黃河流域骨干水庫累計有效庫容為336.60億m3，小于流域總年均水資源量。從各段來看，龍羊峽以上段水資源量最大，為197.94億m3;龍羊峽一蘭州段水資源量第二，為133.44 m3;龍門一三門峽段水資源量第三，為116.48億m3;蘭州一河口鎮段水資源量為負值，其耗水主要依靠上游來水。在汛期，假設龍羊峽以上來水全部攔蓄在龍羊峽水庫不下泄，龍羊峽一河口鎮段汛期全部來水為69.32億m3（2003-2016年）.而統計龍羊峽多年汛期下水量為70.11億m3（ 2003-2016年），則汛期該段來水139.43億m3，耗水量為56.70億m3（見表2），而該段有效庫容51.82億m3，假如水庫汛期蓄水量最大達到有效庫容值，則汛期該段平均棄水量為30.90億m3。而一般情況下水庫蓄水量是小于有效庫容的，則汛期平均棄水量將更大，因此現有有效庫容無法滿足其調控需求。同理，河口鎮一龍門段汛期來水量為20.51億m3，也存在有效庫容不足的問題。龍門以下段由干三門峽有效庫容未考慮.因此暫不計算。

對比流域總用水量和有效庫容分布（見圖2、表2）可知，水庫庫容主要分布在蘭州以上河段，該河段有效庫容占流域總有效庫容的72.99%.該河段用水量占流域總用水量的8.09%。蘭州一河口鎮河段總用水量最大，占流域總用水量的40.94%.而該河段的有效庫容僅占總有效庫容的1.54%，用水主要通過干支流的多個小型引提水工程提供。龍門一三門峽河段用水量占流域總用水量的13.82%，該河段的有效庫容（不含三門峽水庫）僅占總有效庫容的2.38%，用水也主要通過干支流的引提水工程，各小型引提水工程取水管理不規范不統一，成本高且水資源浪費嚴重，歷史上不少枯水年份該區間供水量無法滿足用水需求。該段供水任務由龍羊峽、劉家峽水庫同時承擔，導致灌溉期龍羊峽、劉家峽水庫不能充分蓄水，而在凌汛期前騰空防凌庫容需棄水，凌汛期為防止河道水位壅高而控制下泄水量，導致發電效益降低。因此，建設大柳樹水利樞紐可增加有效庫容攔蓄棄水，并合理分配各階段用水量，將大部分揚水變為自流，降低取水成本，提高發電和灌溉效益。綜上分析，黃河上中游水資源量與有效庫容、用水量與有效庫容存在不匹配問題，其中蘭州一河口鎮段問題最為突出，因此該段有必要建設大型水利樞紐，從而有效調蓄水資源、實現合理優化供水。

2 現狀工程條件下上游水庫對豐、枯年來水調控不足

蘭州一河口鎮段寧蒙地區有歷史悠久的農業灌區，其中寧夏灌區主要包括衛寧灌區和青銅峽灌區，內蒙古灌區包括河套灌區及黃河南岸灌區等。根據《黃河水資源公報》[5]統計數據，得到2001-2016年寧夏回族自治區及內蒙古自治區各行業多年平均耗水量（見表3）。由表3可知：寧夏與內蒙古農業耗水量占比最大，分別為72.86%和79.22%;寧夏林牧漁畜耗水占比第二（為14.41%），而內蒙古工業耗水占比第二（為8.13%）;寧夏與內蒙古城鎮公共及生態環境用水較少。

2000年以來，寧蒙灌區已基本形成較為穩定的種植結構，主要種植春小麥等糧食作物。司源[6]根據“八七”分水方案規定的各省（區）用水標準，結合2000-2009年寧蒙灌區各月耗水過程及耗引比，得到寧蒙灌區逐月需水過程。本文根據司源[6]計算結果得到各月農業耗水比例，結合2001-2016年的農業耗水及各行業耗水多年平均值（見表3），算出2001-2016年各月寧夏與內蒙古實際耗水，同時得到寧夏與內蒙古農業灌溉取耗水比值分別為0.53、0.82，得到每月寧蒙取水值（由于寧夏退水可流入黃河石嘴山以下河段，因此每月再扣除寧夏退水量）。不同行業對水資源的需求年內變化不同，工業、城鎮公共、居民生活、林牧漁畜及生態環境可認為各月均等，最終寧夏、內蒙古各月取水、耗水量見表4。

由表4可知，寧夏取耗水集中在3-8月，內蒙古取耗水集中在4-10月。黃河上游來水經過龍羊峽水庫調蓄下泄經過貴德站，其中部分水資源被甘肅省耗用并流入劉家峽水庫，經劉家峽水庫調蓄下泄到達下河沿站，下河沿一石嘴山區間為寧夏灌區供水，石嘴山以下為內蒙古灌區供水。計算2001-2016年多年平均寧蒙灌區上游主要控制站各月徑流量及寧蒙灌區總耗水量、取水量，見圖3。由圖3可知，經過龍羊峽水庫調節，貴德站徑流過程月變化較為平穩，再經劉家峽水庫調節，小川站徑流過程曲線接近寧蒙灌區需水曲線，而下河沿站月徑流量均大于寧蒙灌區取耗水需求量。從多年平均分析，龍羊峽、劉家峽水庫可為寧蒙灌區調控足夠的水量，保障其農業灌溉，但來水較多或較少年份，龍羊峽、劉家峽水庫的調控問題即顯露出來。分析2003年下河沿以上站徑流量（見圖4）可知，由于2003年前出現枯水年，因此龍羊峽水庫下泄水量逐月降低且較2001-2016年多年平均值偏低，同時劉家峽水庫下泄流量也偏小，從而下河沿站4-7月灌溉期徑流量嚴重減少，導致該年農業損失嚴重[7]。2012年黃河上中游發生1989年以來最大洪水，龍羊峽、劉家峽水庫攔蓄洪量54億m3，最大削峰47%，但貴德、小川、下河沿各站汛期流量遠大于多年平均值（見圖5），其中下河沿站8月徑流量比多年平均多40億m3.洪災造成干流堤防多處滲水、受損，造成經濟損失共25億元[8]。因此，龍羊峽、劉家峽水庫的聯合調度在豐、枯水年仍然存在較大局限，下河沿站上游缺少大型水利樞紐調峰補枯，不能保障沿黃各省（區）的生產生活用水安全。

3 南水北調工程西線規劃來水需要控制性骨干工程調節

近30多a來，我國北方地區主要河流徑流量總體呈下降趨勢，2025年將有可能面臨資源性缺水。我國西北地區日趨嚴重的荒漠化不僅導致生態問題愈加突出，而且加劇了地區發展不平衡，嚴重影響了我國經濟社會的可持續發展。作為緩解北方地區水資源嚴重短缺局面的重大戰略性基礎設施，南水北調工程規劃分東、中、西3條線路從長江調水，與長江、淮河、黃河、海河相互連接，構成我國中部地區水資源“四橫三縱、南北調配、東西互濟”的總體格局。

《南水北調工程總體布局》提出，“在長江上游通天河、支流雅礱江和大渡河上游筑壩建庫，開鑿穿過長江與黃河分水嶺巴顏喀拉山的輸水隧洞，調長江水入黃河上游。西線工程的供水目標，主要是解決涉及青海、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西等6省（區）黃河上中游地區和渭河關中平原的缺水問題。結合興建黃河干流上的大柳樹水利樞紐等工程，還可以向臨近黃河流域的甘肅河西走廊地區供水，必要時也可相機向黃河下游補水。規劃分三期實施……南水北調工程規劃最終調水規模448億m3，其中：東線148億m3，中線130億m3，西線170億m 3”。

《黃河流域綜合規劃》指出：2020年，黃河調入水量12.63億m3（其中引漢濟渭一期10億m3.引乾濟石0.47億m3，引紅濟石0.90億m3，南水北調東線工程調入山東黃河流域1.26億m3）;2030年，引漢濟渭二期工程增加5億m3，南水北調西線一期工程增加80億m3，調入水量增加97.6億m3，調入水量的一部分用于河道內生態環境，一部分用于工農業生產。南水北調西線一期工程建成后，河口鎮以上可供水量將增加，其中蘭州一河口鎮段相對基準年將增加供水量將近22億m3（見表5）。目前上游已建工程難以協調寧蒙河段減淤、供水、防凌和發電之間的矛盾，寧蒙河段水沙關系惡化，主槽淤積萎縮，防凌形勢十分嚴峻，附近地區能源基地建設和生態建設要求大柳樹水利樞紐提供水源條件。

根據《寧夏回族自治區水資源公報》及《內蒙古自治區水資源公報》統計數據，得到2001-2016年寧夏及2003-2016年內蒙古各行業耗水量占比（見圖6、圖7），可知兩區農業耗水量最大，但工業耗水量占比與生態用水量占比明顯增高，各月工業用水較為平均，而農業用水較為集中，行業結構的調整對蘭州一河口鎮段供水保障率提出了新的要求，如何合理分配工業與農業的水資源量成為一個亟待解決的難題。根據上述分析可知，現狀情況下該段有效庫容與水資源量、供水量已經出現嚴重不匹配問題，而未來增加的水量更需要足夠的庫容進行工農業與生態耗水的調節，因此建設大柳樹水利樞紐勢在必行。

4 黃河上游水力發電供給能力有待提高

黃河上游梯級電站除了承擔發電任務外，還承擔沿岸灌溉、工業及城市生活用水等綜合利用任務，因此水庫運用方式不僅受電網運行控制，而且受綜合用水制約[9]，其中電站下游引黃灌溉用水對電網運行影響最大。寧蒙河段無控制性水利樞紐，為保證寧蒙灌區枯水期用水，龍羊峽、劉家峽電站持續低水位運行，影響后續若干年調度運行，損害電網長期效率[10]。分析1999年以來青海省發電量及消費量（見圖8）可知，2004年前青海省水力發電量低.2004年后大幅增長，但年內總發電量小于總電力消費量，因此建設大柳樹水利樞紐可以使龍羊峽水庫發電量相應增加，青海省用電保障率亦可得到進一步提高。

《中國的能源政策》指出，中國能源必須走科技含量高、資源消耗低的發展道路，實現節約發展、清潔發展和安全發展。分析1999年以來寧夏發電量及消費量可知（見圖9），近20 a來寧夏電力消費量高速增長，但發電量95%以上依靠火力發電，水力發電多年保持在20億kW.h以下，僅占該區總發電量的2%左右，遠遠低于全國水力發電占總發電量16%的比例。寧夏境內黑山峽段水能資源豐富，建設水利樞紐有著現實需求及有利的地理條件，大柳樹水利樞紐裝機容量為200萬kW，多年平均發電量為76.1億kW·h，能有效改善寧夏電力能源結構。

5 結論

（1）汛期龍羊峽一河口鎮段區間水資源量加上龍羊峽水庫下泄水量遠大于該段有效庫容，水資源調控能力不足。

（2）蘭州一河口鎮段總用水量占流域總用水量的40.94%.而該河段的有效庫容僅占流域總有效庫容的1.54%，該河段的灌溉用水效率低、揚水工程耗電量大、缺少統一調控工程。

（3）豐、枯來水年龍羊峽、劉家峽水庫調控庫容不足，導致枯水年寧蒙灌區缺水、豐水年水資源流失。

（4）南水北調西線一期工程建成后，蘭州一河口鎮段將增加22億m3供水量，屆時該段水資源調控能力將更缺乏。

（5）龍羊峽、劉家峽水庫受為寧蒙灌區供水制約，水能利用效率低，發電量不高;同時，寧夏水力發電占比極低，火力發電對環境污染大，建設大柳樹水利樞紐可以改善該區的電力能源結構。

現狀條件下黃河上游仍然有水可蓄、有水可調，且上游蘭州一河口鎮段亟需建設大型水利樞紐進行水資源調控，因此應該及早開工建設大柳樹水利樞紐工程，發揮其綜合效益。

參考文獻：

[1] 何潛，周立強，李謙，等.淺析黃河大柳樹水電站在電力系統中的地位和作用[J].電網與水力發電進展，2007，23（8）：53-57.

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[5]水利部黃河水利委員會.黃河流域水資源公報[M].鄭州：黃河水利出版社，2004：9 - 10;2005：9- 10; 2006：9-10; 2007：9 - 10; 2008： 9- 10; 2009： 22 - 23; 2010： 22 - 23;2011： 22 - 23; 2011： 22 - 23; 2012： 22 - 23; 2013： 22 - 23;2014： 22-23; 2015： 22- 23; 2016： 22-23.

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[9] 許偉，龍羊峽、劉家峽河段梯級水庫聯合運用相關問題研究[D].北京：清華大學，2015：21-22.

[10] 王義民，黃強，朱教新，等，龍羊峽水庫長期低水位運行原因分析及抬高水位對策研究[J].水利水電技術，2003，34（5）：53-56.

【責任編輯 張華興】

收稿日期：2019- 07 - 08

基金項目：國家自然科學基金資助項目（ 91547204.41901028）

作者簡介：宋天華（1984-），男，寧夏銀川人，工程師，碩士，主要從事水利工程管理工作

通信作者：孟長青（1989-），女（回族），湖南邵陽人，講師，博士，研究方向為水文水資源