基于水風光一體化開發的黃河上中游水風光資源評價

張 權，姜 勃，唐梅英，王珈珞，盧 慧

(1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌），河南 鄭州 450003）

1 引言

中國基于可持續發展的內在要求和構建人類命運共同體的責任擔當,宣布了碳達峰和碳中和的目標愿景。2021 年3 月15 日,習近平總書記主持召開中央財經委員會第九次會議提出要構建清潔低碳安全高效的能源體系,控制化石能源總量,著力提高利用效能,實施可再生能源替代行動,深化電力體制改革,構建以新能源為主體的新型電力系統。黨的二十大提出要積極穩妥推進碳達峰碳中和,立足我國能源資源稟賦,堅持先立后破,有計劃分步驟實施碳達峰行動,深入推進能源革命。因此,中國能源結構將以火電為主體逐漸轉變為以水、風、光等清潔能源為主體。

黃河流域清潔能源稟賦優勢突出,水力資源理論蘊藏量和技術開發量在我國七大江河中居第二位［1］,上中游的青海、甘肅、寧夏、內蒙古(西部)、陜西、山西、河南等省(區),風能資源技術可開發量32.5 億kW、光能資源技術可開發量157.2 億kW,分別占全國的37.4%、37.5%［2］,是實現“雙碳”戰略目標的主戰場。圍繞水電進行水風光一體化開發,實現多種能源優勢互補,可推動太陽能、風能、水能高效轉化,將波動性、隨機性電源調節成為穩定、友好的高質量電能。水、風、光資源開發潛力評價是一體化開發的基礎。

2 評價方法及指標

2.1 評價方法

以水風光一體化開發為目標導向,以具有調節能力的寧木特、茨哈峽、龍羊峽、劉家峽、黑山峽、磧口、古賢、小浪底水電站為中心,以周邊150 km 左右涉及的市級行政區為評價范圍(見圖1),總面積53.90 萬km2,選擇風能資源和光能資源較好的代表風電場及光電場,開展水能、風能、光能資源分析評價。龍羊峽及以上河段研究區域為寧木特、茨哈峽、龍羊峽及鄰近地區,涉及青海省果洛州、海南州、黃南州、西寧市、海東市以及甘肅省甘南州；劉家峽河段研究區域涉及甘肅省臨夏市、蘭州市、定西市；黑山峽河段研究區域涉及甘肅省白銀市、武威市和寧夏中衛市、吳忠市；磧口河段研究區域涉及陜西省榆林市以及山西省呂梁市、太原市；古賢河段研究區域涉及陜西省延安市、渭南市以及山西省臨汾市、運城市；小浪底河段研究區域涉及河南省三門峽市、洛陽市、焦作市、鄭州市、新鄉市、平頂山市以及山西省晉城市。

圖1 黃河上中游水風光資源評價范圍示意

依托黃河流域綜合規劃以及相關研究成果,對黃河干流水力資源進行分析。根據風能資源圖譜,分析風速分布情況,評價風能資源條件。根據太陽能輻照度圖譜,分析年水平面總輻射量及分布情況,評價光能資源條件。避開生態紅線以及耕地、林地、水域、居民點用地等敏感地類,以草地和未利用地為可開發地類,考慮風能資源、光能資源條件以及地形地貌等,開展風能資源和光能資源開發潛力評價。

2.2 評價指標

采用水能資源理論蘊藏量以及裝機容量評價水能資源條件；采用風能資源開發潛力以及大于5 m/s 風速空間分布指標評價風能資源條件；采用光能資源開發潛力以及年水平面總輻照量評價光能資源條件。

(1)新能源適宜開發面積。公式為

式中:｛dSi｝s為第i區域新能源適宜開發面積,km2；｛Si｝s為第i區域土地空間數據集中面積要素,km2；｛Serl,i｝為第i區域內生態紅線空間數據集；｛Slt,i｝為第i區域內耕地、林地、草地、水域、居民點用地等敏感區域 空 間 數 據 集；｛∪(｛Serl,i｝,｛Slt,i｝)｝s為｛Serl,i｝、｛Slt,i｝并集的面積要素,km2。

(2)風能資源開發潛力指標。公式為

式中:PW,i為第i區域風能資源開發潛力,kW；NW,i為第i區域單位面積風能資源開發量,kW/ km2。

(3)風速空間分布指標。公式為

式中:βi為第i區域內風速空間分布指標,%；｛SWS,i｝s為第i區域內風速大于5 m/s 的分布面積,km2。

(4)光能資源開發潛力指標。公式為

式中:PP,i為第i區域光能資源開發潛力,kW；ri為第i區域光能資源開發率；NPW,i為第i區域單位面積光能資源開發量,kW/km2。

(5)年水平面總輻射量。根據評估目標的年水平面總輻射量(GHR)來評價光能資源條件。太陽能資源豐富程度可分為4 個等級,分別為最豐富、很豐富、豐富、一般［3］,見表1。

表1 年水平面總輻射量分級標準

3 生態環境及土地資源

3.1 生態環境

3.1.1 區域生態環境

黃河流域橫跨青藏高原、內蒙古高原、黃土高原和華北平原等4 個地貌單元,獨特的地理位置、特殊的水沙條件、復雜的經濟社會背景、強烈的人類活動干擾使黃河流域具有生態環境脆弱、生態類型豐富、生態地位重要等特征。

(1)生態環境脆弱。黃河流域是我國生態脆弱區分布面積最大、脆弱生態類型最多、生態脆弱性表現最明顯的流域之一。我國有八大生態脆弱區,黃河流域主要分布有青藏高原復合侵蝕、西北荒漠綠洲交接、北方農牧交錯、沿海水陸交錯帶等四大生態脆弱區［4］。

(2)生態類型豐富。黃河流域從河源區到河口區隨高度梯度、水分梯度、人類活動強弱等形成了豐富多樣的生態類型。其中:黃河上游處于青藏高原與黃土高原及內蒙古高原過渡區,以草原生態系統、農業生態系統、荒漠生態系統為主,區域內湖泊濕地生境條件獨特；沿黃地帶是我國重要的農業生產基地,以農田生態系統為主；黃河中下游地區農田生態系統、人工生態系統特征明顯。

(3)生態地位重要。黃河流域是我國重要的生態屏障和連接青藏高原、黃土高原、華北平原的生態廊道,在我國“兩屏三帶”為主體的生態安全戰略格局中占據重要位置,是“青藏高原生態屏障”“黃土高原—川滇生態屏障”和“北方防沙帶”的重要組成部分,對于維持我國華北、西北地區水資源安全和生態安全具有重要意義。

3.1.2 生態敏感區

研究范圍內涉及自然保護區、水產種質資源保護區、水源保護區、風景名勝區、地質公園、濕地公園等多種類型生態敏感區。研究區生態敏感區分布情況見表2。

表2 研究區生態敏感區分布情況

3.2 土地資源

2020 年研究范圍總面積53.90 萬km2,其中:草地面積最大,為25.531 3 萬km2,占總面積的47.36%；耕地面積為13.258 4 萬km2,占總面積的24.60%；林地面積為8.438 9 萬km2,占總面積的15.66%；未利用土地、城鄉居民用地、水域面積分別為3.750 7 萬、1.657 8 萬、1.267 4萬km2,占總面積比例分別為6.96%、3.08%、2.35%［5］。在土地資源構成中,龍羊峽及以上河段草地、林地面積列居第一、第二,劉家峽、黑山峽河段和磧口河段草地、耕地面積列居第一、第二,古賢河段耕地、草地面積列居第一、第二,小浪底河段耕地、林地面積列居第一、第二。2020 年研究區域內土地資源分布見表3。

表3 2020 年研究區域內土地資源分布

4 水風光資源評價

4.1 水能資源

黃河流域水能資源理論蘊藏量4 331 萬kW,干流理論蘊藏量3 283 萬kW,上中游理論蘊藏量3 117 萬kW、占黃河干流的94.94%［6］。干流水能資源主要集中在瑪曲至野狐峽、野狐峽至青銅峽、河口鎮至龍門和潼關至小浪底4 個河段,梯級開發的自然條件和建設條件較好,淹沒損失小,技術經濟指標優越,綜合利用效益顯著,是國家重點開發建設的水電基地［7］。黃河干流規劃梯級水電站42 座,總裝機容量3 444 萬kW,其中:已(在)建水電站33 座、裝機容量2 224 萬kW,規劃新建水電站9 座、裝機容量1 220 萬kW。瑪曲至青銅峽河段的寧木特、茨哈峽、龍羊峽、劉家峽、黑山峽水電站,河口鎮至龍門河段的磧口、古賢水電站,潼關至小浪底河段的小浪底水電站具有年調節或季調節能力,水庫調節庫容418.16 億m3,占黃河干流水庫調節庫容的91.5%,水電站裝機容量1 517 萬kW,在相應河段具有龍頭作用。黃河干流主要水電站主要技術指標見表4。

表4 黃河干流主要水電站主要技術指標

4.2 風能資源

黃河流經的青海省東部地區,平均海拔3 500 m以上,兩岸多為高山,植被茂盛。東部果洛州風能資源豐富,具有較大風能資源開發價值。從青藏高原進入甘肅省后,海拔降至2 000 m 左右,黃河兩岸風能資源隨之減少。隨黃河向北流,在甘肅省定西市周邊、白銀市西部及北部地區,以及寧夏回族自治區中衛市、銀川市等地風能資源有所提升。在甘肅省河西、寧夏回族自治區北部,黃河兩岸多戈壁荒漠,適宜建設大型能源基地。順著黃河流向繼續向北看,內蒙古自治區巴彥淖爾市、包頭市有空曠的戈壁、草原,風能資源非常豐富,適宜建設大型能源基地。隨后黃河進入大北干流,過潼關后向東流,左右兩岸多山地,部分地區風能資源較好,分布較為分散,具有一定的開發價值。

研究區域離地高度100 m 風速為0.95～20.28 m/s,平均5.87 m/s,大于5.00 m/s 的風速面積占比71%,開發潛力較大。龍羊峽及以上河段風能資源西南高東北低,劉家峽河段風能資源東高西低,黑山峽河段風能資源東北高西南低,磧口河段風能資源西高東低,古賢河段風能資源中部低、西北部和東南部高,小浪底河段風能資源東高西低。研究區域適宜風電開發的草地和未利用土地面積為20.82 萬km2,結合該地區風速分布及地形地貌情況,風電開發潛力為37 450 萬kW。黃河干流主要水電站所在河段及周邊地區風能資源主要指標見表5,離地高度100 m 平均風速分布見圖2。

表5 黃河干流主要水電站所在河段及周邊地區風能資源主要指標

圖2 黃河干流主要水電站及周邊地區離地高度100 m 平均風速分布

4.3 光能資源

黃河流經的青海省東部與東南部地區,海拔較高,空氣稀薄,陽光直射程度高,具有很好的太陽能資源開發價值,且該地區平坦地勢分布面積大,適宜建設大型光伏電站。黃河出青海省后進入甘肅省白銀市,寧夏回族自治區中衛市,內蒙古自治區巴彥淖爾市、包頭市、鄂爾多斯市等地區,隨著緯度提高,光照資源逐漸豐富；同時,黃河兩岸地形多為戈壁、沙漠,適宜建設大型地面光伏電站。黃河大北干流河段以及潼關至桃花峪河段太陽輻照度相對較低,且兩岸多山地,難以集中建設光伏電站,適宜建設小區域范圍的光伏電站。

研究區域GHR介于538～1 856 (kW·h)/m2,均值為1 544 (kW·h)/m2,總體為太陽能資源很豐富地區。龍羊峽及以上河段、磧口河段太陽能資源西北高東南低,劉家峽河段、黑山峽河段、古賢河段太陽能資源北高南低,小浪底河段晉城市太陽能資源較好,其他地區太陽能資源較差。研究區域適宜于開發的草地和未利用土地面積20.82 萬km2,光電開發潛力為158 160 萬kW。黃河干流主要水電站所在河段及周邊地區光能資源主要指標見表6,年水平面太陽能總輻射量分布見圖3。

表6 黃河干流主要水電站所在河段及周邊地區光能資源主要指標

圖3 黃河干流主要水電站所在河段及周邊地區年水平面太陽能總輻射量分布

5 結論

(1)黃河流域生態環境脆弱、生態類型豐富、生態地位重要,研究范圍內分布有自然保護區、水產種質資源保護區、水源保護區、風景名勝區、地質公園、濕地公園等多種類型生態敏感區。研究范圍內草地面積最大、占區域總面積的47.36%,其次為耕地面積、占區域總面積的24.60%,未利用土地面積占區域總面積的6.96%。磧口及以上河段,草地面積占比最大,比例為38%～70%；古賢及小浪底河段耕地面積占比最大,比例為40%～49%。

(2)黃河上中游地區水能、風能、光能資源豐富。干流水能資源理論蘊藏量3 117 萬kW,寧木特、茨哈峽、龍羊峽、黑山峽、磧口、古賢、小浪底水電站調節能力強,在相應河段具有龍頭作用。龍羊峽及以上河段、黑山峽河段風能資源最好,磧口河段風能資源次之,劉家峽、古賢、小浪底河段風能資源較差,但都有一定的開發潛力,總開發潛力3.75 億kW。黑山峽河段、龍羊峽及以上河段、磧口河段光能資源最好,劉家峽、古賢河段光能資源次之,總體上均為太陽能資源很豐富地區,小浪底河段太陽能資源較差,為豐富地區,各河段太陽能資源具備開發利用條件,開發潛力為15.82億kW。