黑山峽河段開發(fā)功能定位與開發(fā)方案

錢 裕， 梁艷潔，段文龍，倪菲菲， 張軍梅

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部水治理與水安全重點實驗室，河南 鄭州 450003；3.河南黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；4.河南黃河河務(wù)局工程建設(shè)中心，河南 鄭州 450003）

1 引言

黑山峽河段位于黃河上游甘肅省和寧夏回族自治區(qū)接壤處，起于甘肅省靖遠(yuǎn)縣大廟，在寧夏中衛(wèi)縣小灣出峽谷后進入寧蒙河套平原，控制斷面下河沿站天然徑流量約331億m3，占流域的62%，是黃河上游最后一個可以修建峽谷高壩大庫的河段（見圖1）。黑山峽河段開發(fā)研究工作始于1952年，近70年來水利部、原能源部、原電力部、原地礦部等有關(guān)部門和其下屬的勘測設(shè)計單位以及甘肅、寧夏有關(guān)部門做了大量勘測、設(shè)計和研究論證工作。由于在河段開發(fā)功能定位、生態(tài)環(huán)境影響、征地移民數(shù)量以及壩址地震風(fēng)險等方面存在不同認(rèn)識分歧，有關(guān)方面先后提出過二級開發(fā)、一級開發(fā)和四級開發(fā)等開發(fā)方案，影響著國家決策[1]。本文根據(jù)近期國家的有關(guān)戰(zhàn)略要求[2]，分析論證新形勢下黑山峽河段開發(fā)功能定位，結(jié)合有關(guān)開發(fā)方案情況，綜合比選不同開發(fā)方案的優(yōu)劣，并提出河段推薦方案。研究論證成果可為黑山峽河段開發(fā)提供參考。

圖1 黃河黑山峽河段位置示意圖

2 新形勢下黑山峽河段開發(fā)功能定位

黑山峽水利樞紐作為西部地區(qū)重要的水利基礎(chǔ)設(shè)施、國家骨干水網(wǎng)南水北調(diào)西線的重要調(diào)蓄工程、清潔能源開發(fā)利用的重要工程，是落實黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展[2]，推進西部大開發(fā)等國家重大戰(zhàn)略的基礎(chǔ)工程。結(jié)合當(dāng)前重點是黃河上游寧蒙河段存在的新懸河問題、防凌防洪安全問題、流域水資源保障問題[1]以及區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護和經(jīng)濟社會發(fā)展要求，分析提出新形勢下黑山峽河段開發(fā)應(yīng)具備以下功能：

（1）協(xié)調(diào)水沙關(guān)系，有效遏制寧蒙河段“新懸河”發(fā)展態(tài)勢。寧蒙河段水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)，河道淤積萎縮，形成“新懸河”。通過黑山峽水利樞紐反調(diào)節(jié)，汛期集中大流量下泄，協(xié)調(diào)寧蒙河段水沙關(guān)系，恢復(fù)和維持中水河槽過流能力，同時為中游水庫水沙調(diào)控提供水流動力條件。

（2）防凌防洪，有效調(diào)節(jié)寧蒙河段凌汛期水量、水溫。寧蒙河段防凌問題突出，現(xiàn)狀工程體系中龍羊峽、劉家峽水庫距離寧蒙河段過遠(yuǎn)，難以有效調(diào)控寧蒙河段封開河流量。黑山峽水利樞紐距離寧蒙河段近，防凌調(diào)度及時靈活，通過有效調(diào)節(jié)出庫水量、水溫，可顯著減少寧蒙河段的封河河長和槽蓄水增量，有效處置寧蒙河段不利凌情[3-9]。

（3）合理配置水資源，有效調(diào)控流域年際年內(nèi)徑流過程。黃河流域水資源年內(nèi)和年際分配不均，來水與用水在地區(qū)和時間上不相適應(yīng)，劉家峽至萬家寨近1 600km河段無大的調(diào)蓄工程，難以保障大“幾”字彎工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)、生態(tài)用水安全。建設(shè)黑山峽水利樞紐，可以改善區(qū)域供水條件，提高供水保證率，實現(xiàn)流域水資源合理配置，為民生改善提供水安全保障[3-9]。

（4）調(diào)控西線來水，有力支撐國家骨干水網(wǎng)建設(shè)。南水北調(diào)西線一期工程調(diào)水80億m3，從黃河上游劉家峽以上進入黃河，現(xiàn)有工程體系調(diào)節(jié)能力不足。建設(shè)黑山峽水利樞紐，對上游來水進行反調(diào)節(jié)，協(xié)調(diào)上游防凌、供水與發(fā)電等綜合利用之間的矛盾，對西線調(diào)入水量進行有效調(diào)節(jié)，支撐國家“四橫三縱”骨干水網(wǎng)建設(shè)。

（5）改善生態(tài)環(huán)境，有效支撐西北生態(tài)安全屏障建設(shè)。黑山峽河段下游寧蒙河段集中分布有巴丹吉林、騰格里、毛烏素、庫布齊、烏蘭布和等五大沙漠，區(qū)域生態(tài)環(huán)境十分脆弱，人民生存環(huán)境惡劣，飲水困難，經(jīng)濟發(fā)展落后。建設(shè)黑山峽水利樞紐，保障生態(tài)環(huán)境用水，維系適宜的綠洲規(guī)模，實現(xiàn)建設(shè)“小綠洲”、保護“大生態(tài)”，可為構(gòu)建西北生態(tài)安全屏障提供水資源保障。

（6）開發(fā)水能資源，有效促進多能互補新型清潔能源基地建設(shè)。黃河上中地區(qū)作為能源富集區(qū)，化石能源消費占比較高。以黑山峽河段水電開發(fā)為依托，利用河段兩岸廣袤的荒漠資源、豐富的風(fēng)光資源，建設(shè)集風(fēng)電、光電、水電、抽水儲能為一體多能互補的新型清潔能源基地，輸出清潔電力能源，減少碳排放，助力實現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)。

綜上黑山峽河段開發(fā)功能定位分析，黑山峽水庫的建設(shè)任務(wù)應(yīng)為協(xié)調(diào)水沙關(guān)系、防凌（洪）減淤、合理調(diào)配水資源、生態(tài)、發(fā)電等綜合利用。滿足河段開發(fā)任務(wù)的水庫應(yīng)具備較大的庫容，南水北調(diào)西線工程生效前后需要的庫容分別是40.8億m3、57.6億m3。

3 黑山峽河段開發(fā)方案及其優(yōu)劣對比

3.1 開發(fā)方案介紹

研究論證過程中，黑山峽河段先后提出了二級、一級、四級開發(fā)多種開發(fā)方案，各壩址見圖2。其中四級開發(fā)方案為紅山峽、五佛、小觀音、大柳樹4個梯級徑流式電站，發(fā)電為主，4座水庫總庫容4.82億m3，原始調(diào)節(jié)庫容1.69億m3，總裝機1 680MW，四級開發(fā)方案不能滿足新時期黑山峽河段的開發(fā)功能定位，本文主要介紹一、二級開發(fā)方案。

圖2 黑山峽河段不同開發(fā)方案各壩址位置圖

（1）一級開發(fā)方案

大柳樹高壩方案，壩址位于黑山峽峽谷出口以上2km寧夏境內(nèi)，設(shè)計壩型為混凝土面板堆石壩。原規(guī)劃水庫正常蓄水位確定為1 380m，為了減小淹沒，近期研究提出降低正常蓄水位至1 374m，相應(yīng)庫容99.86億m3，死水位1 330m，原始調(diào)節(jié)庫容70.6億m3，淤積50年后剩余調(diào)節(jié)庫容53.8億m3，裝機2 000MW。不同開發(fā)方案主要特征指標(biāo)見表1。

表1 黑山峽河段不同開發(fā)方案主要特征指標(biāo)表

（2）二級開發(fā)方案

根據(jù)目前的研究成果，二級開發(fā)方案有可分為小觀音（高壩）+大柳樹（低壩）方案、虎峽（高壩）+大柳樹（低壩）方案、大柳樹（高壩）+紅山峽（低壩）方案。

①小觀音+大柳樹方案。小觀音高壩壩址位于黑山峽谷進口以下21km處甘肅境內(nèi)，設(shè)計壩型為雙曲混凝土拱壩。原規(guī)劃正常蓄水位1 380m，優(yōu)化后調(diào)整水庫正常蓄水位1 374m，相應(yīng)庫容62.1億m3，死水位1 330m，原始調(diào)節(jié)庫容48.5億m3，淤積50年后剩余調(diào)節(jié)庫容31.9億m3，裝機容量為1 400MW；大柳樹壩址修建混凝土低壩，正常蓄水位1 276m，回水與小觀音銜接，裝機440MW。

②虎峽+大柳樹方案，虎峽高壩壩址在甘寧兩省界河段，左右岸分屬甘肅寧夏兩省，上距小觀音壩址16km、下距大柳樹壩址33km，設(shè)計壩型為碾壓混凝土重力壩。水庫正常蓄水位1 374m，相應(yīng)庫容71.7億m3，比上游小觀音水庫同樣水位下的庫容多9.6億m3；死水位1 330m，原始調(diào)節(jié)庫容54.4億m3，淤積50年后剩余調(diào)節(jié)庫容38.7億m3，裝機容量為1 520MW；大柳樹壩址修建混凝土低壩，正常蓄水位1 265m，回水與小觀音銜接，裝機400MW。

③大柳樹+紅山峽方案，大柳樹壩址修建高壩，水庫正常蓄水位1 355m，相應(yīng)庫容62.5億m3，死水位1 317m，原始調(diào)節(jié)庫容45.1億m3，淤積50年后剩余調(diào)節(jié)庫容30億m3，裝機1 600MW；紅山峽壩址（位于老龍灣黃河石林國家地質(zhì)公園上游約12km，下距五佛壩址約47km）修建低壩，正常蓄水位1 374m，裝機320MW。

3.2 方案比選

（1）功能滿足程度

采用數(shù)學(xué)模型分析計算不同開發(fā)方案的庫區(qū)泥沙淤積和庫容變化。表2為不同開發(fā)方案黑山峽庫區(qū)沖淤結(jié)果。可以看到，黑山峽河段大柳樹一級開發(fā)方案，水庫攔沙期為100年，無西線調(diào)水條件下，水庫運用前50年庫區(qū)年均淤積0.975億t，水庫排沙比為0.5%；水庫運用50—100年庫區(qū)年均淤積0.737億t，水庫排沙比為23.9%。有西線調(diào)水條件下，水庫運用前50年庫區(qū)年均淤積0.975億t，水庫排沙比為0.4%；水庫運用50—100年庫區(qū)年均淤積0.660億t，水庫排沙比為31.9%。

表2 不同開發(fā)方案黑山峽水庫沖淤結(jié)果

黑山峽河段虎峽+大柳樹二級開發(fā)方案，水庫攔沙期為50年，無西線調(diào)水條件下，水庫運用前50年庫區(qū)年均淤積0.933億t，水庫排沙比為4.7%；水庫運用50—100年庫區(qū)年均淤積0.263億t，水庫排沙比為72.8%。有西線調(diào)水條件下，水庫運用前50年庫區(qū)年均淤積0.911億t，排沙比為6.3%；水庫運用50—100年庫區(qū)年均淤積0.260億t，排沙比為73.1%。

表3為不同開發(fā)方案水庫運用50年剩余庫容，根據(jù)水庫運用50年后的庫容大小比較不同開發(fā)方案的功能滿足程度。可以看到：一級開發(fā)方案能夠基本滿足河段開發(fā)功能需求；二級開發(fā)能夠部分滿足河段開發(fā)功能需求，庫容越大，功能滿足程度越高。若考慮劉家峽水庫分擔(dān)部分功能，利用現(xiàn)有20億m3調(diào)節(jié)庫容[1]，則虎峽高壩+大柳樹低壩可基本滿足開發(fā)庫容需求。

表3 不同開發(fā)方案水庫運用50年后庫容 單位：億m3

（2）地質(zhì)條件

黃河黑山峽河段位于青藏高原東北緣的香山穩(wěn)定地塊，大柳樹水利樞紐壩址距景泰-海原活動斷裂帶約60km，距中衛(wèi)-同心活動斷裂帶約1.5km。工程近場區(qū)歷史地震微弱，地震危險性主要來自于上述兩條活動斷裂帶強震影響，歷史地震對壩址的最大影響烈度為8度。據(jù)中國地震局等部門研究，大柳樹壩址沒有活斷層分布，不存在工程抗斷問題[10-11]，壩址巖體經(jīng)過處理后，強度都能滿足修建高土石壩的要求，地下洞室圍巖具備成洞條件[12-14]。雖然中國地震局等部門研究認(rèn)為大柳樹壩址沒有活斷層分布，不存在工程抗斷問題，但仍有學(xué)者持不同意見。馬潤勇等[15]研究認(rèn)為大柳樹壩址處于7級以上地震時的分支破裂發(fā)生帶內(nèi)，存在工程錯斷可能。 王康柱等[16]、曹曦等[17]、柳煜等[18]、彭進夫[19]研究認(rèn)為大柳樹壩址距F201發(fā)震活斷層僅1.5km，且位于斷層上盤，存在次級斷層位錯而導(dǎo)致的工程抗斷風(fēng)險，不宜選此壩址修建高壩。曹東盛等[20]研究認(rèn)為大柳樹壩址巖體的強透水不僅影響水庫的蓄水，更為嚴(yán)重的是可能帶來影響大壩和水庫穩(wěn)定。同時，李雪峰等[21]、彭進夫[22]研究認(rèn)為小觀音壩址巖體質(zhì)量與大柳樹壩址有明顯差別，小觀音壩址地質(zhì)條件優(yōu)于大柳樹壩址?；{距離小觀音壩址近，與小觀音壩址地質(zhì)條件相近。

（3）淹沒影響

為了使水庫回水不影響靖遠(yuǎn)川川地，現(xiàn)有一級開發(fā)方案和二級開發(fā)方案上庫正常蓄水位控制在1 374m。不同開發(fā)方案淹沒人口4.2—4.6萬人，淹沒房屋205.3—231.6萬m2，淹沒耕園地8.8—9.6萬畝，一級開發(fā)相對淹沒損失較大，二級開發(fā)方案中大柳樹高壩+紅山峽較優(yōu)，小觀音高壩+大柳樹、虎峽高壩+大柳樹淹沒損失相當(dāng)，見表4。

表4 不同開發(fā)方案淹沒損失表

（4）環(huán)境影響

一級開發(fā)方案，二級開發(fā)中的小觀音、虎峽高壩方案正常蓄水位均為1 374m，淹沒黃河石林國家地質(zhì)公園核心區(qū)0.28m2、二級保護區(qū)0.49km2、三級保護區(qū)11.04km2，分別占各區(qū)總面積的3.46%、5.76%、33.05%。二級開發(fā)中的大柳樹高壩方案正常蓄水位1 355m，淹沒黃河石林國家地質(zhì)公園核心區(qū)0.04km2、二 級 保 護 區(qū)0.26km2、三 級 保 護 區(qū)8.86km2，分別占各區(qū)總面積的0.49%、3.06%、26.57%。從淹沒面積和占比來看，二級開發(fā)大柳樹高壩方案較優(yōu)，但各方案間淹沒程度、淹沒范圍有限，初步認(rèn)為在小時間尺度下水位上升對地貌景觀整體的改變不明顯，現(xiàn)有研究認(rèn)為在小時間尺度下水位上升對地貌景觀整體的改變不明顯。另外相較于二級開發(fā)方案，一級開發(fā)對河流連通性破壞較小，對魚類等水生生物生境影響相對較小[23-24]。

（5）工程投資

初步估算各開發(fā)方案投資見表5，一級開發(fā)方案估算總投資，328.04億元，最大；二級開發(fā)方案總投資比一級開發(fā)略小，但總的來說相差不大。

表5 不同開發(fā)方案建設(shè)投資表 單位：億元

（6）其他

以黑山峽河段水電開發(fā)為依托，建設(shè)多能互補新型清潔能源基地，水電站要承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)，日內(nèi)出庫流量過程不穩(wěn)定，對下游用水特別是凌汛期防凌控制可能造成影響，必須要有反調(diào)節(jié)水庫，估計需要約3 000萬m3庫容進行反調(diào)節(jié)，二級開發(fā)大柳樹低壩可作為反調(diào)節(jié)水庫，滿足庫容條件要求。一級開發(fā)方案，需利用現(xiàn)有沙坡頭水庫作為反調(diào)節(jié)水庫，沙坡頭水庫原始總庫容2 600萬m3，但目前淤積后剩余庫容僅約900萬m3，不滿足反調(diào)節(jié)庫容要求。因此，二級開發(fā)方案中的小觀音和虎峽方案較為有利?；{壩址左右岸分屬甘肅寧夏兩省，有利于解決兩省長期以來的工程建設(shè)爭議，與小觀音二級方案相比，增加調(diào)節(jié)庫容9億m3，增加裝機156MW，基本滿足南水北調(diào)西線工程生效前后黑山峽河段開發(fā)功能要求，單位庫容、裝機、發(fā)電量投資更低。

綜上分析，虎峽+大柳樹二級開發(fā)方案更優(yōu)。

4 結(jié)論

（1）黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展以及促進西部大開發(fā)形成新格局給黑山峽河段開發(fā)帶來了新的功能定位和機遇。為了協(xié)調(diào)水沙關(guān)系遏制寧蒙河段新懸河發(fā)育，保障寧蒙河段防洪防凌安全，有效調(diào)配黃河水資源和調(diào)控西線來水，改善生態(tài)環(huán)境支撐西北生態(tài)安全屏障建設(shè)，促進多能互補清潔能源基地建設(shè)助力實現(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)，需要黑山峽河段開發(fā)建設(shè)高壩大庫。

（2）黑山峽河段有多種類型的開發(fā)方案。一級開發(fā)方案能夠基本滿足河段開發(fā)功能需求，但是大柳樹壩址地震風(fēng)險相對更大，缺少滿足多能互補清潔能源基地建設(shè)需要的反調(diào)節(jié)水庫；二級開發(fā)能夠部分滿足河段開發(fā)功能需求，庫容越大，功能滿足程度越高，虎峽二級開發(fā)方案的虎峽壩址左右岸分屬甘肅寧夏兩省，有利于解決兩省長期以來的工程建設(shè)爭議，與小觀音二級方案相比，增加調(diào)節(jié)庫容9億m3，增加裝機156MW，單位庫容、裝機、發(fā)電量投資更低，作為優(yōu)先考慮方案?！?/p>