基于水風光一體化開發(fā)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(guī)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(xù)發(fā)展的內(nèi)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(jīng)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(tǒng)。黨的二十大提出要積極穩(wěn)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?yōu)橐运L、光等清潔能源為主體。

黃河流域清潔能源稟賦優(yōu)勢突出,水力資源理論蘊藏量和技術開發(fā)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(nèi)蒙古(西部)、陜西、山西、河南等省(區(qū)),風能資源技術可開發(fā)量32.5 億kW、光能資源技術可開發(fā)量157.2 億kW,分別占全國的37.4%、37.5%［2］,是實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標的主戰(zhàn)場。圍繞水電進行水風光一體化開發(fā),實現(xiàn)多種能源優(yōu)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(jié)成為穩(wěn)定、友好的高質量電能。水、風、光資源開發(fā)潛力評價是一體化開發(fā)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(fā)為目標導向,以具有調節(jié)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(qū)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(qū)域為寧木特、茨哈峽、龍羊峽及鄰近地區(qū),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(qū)域涉及甘肅省臨夏市、蘭州市、定西市；黑山峽河段研究區(qū)域涉及甘肅省白銀市、武威市和寧夏中衛(wèi)市、吳忠市；磧口河段研究區(qū)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(qū)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(qū)域涉及河南省三門峽市、洛陽市、焦作市、鄭州市、新鄉(xiāng)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(guī)劃以及相關研究成果,對黃河干流水力資源進行分析。根據(jù)風能資源圖譜,分析風速分布情況,評價風能資源條件。根據(jù)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(tài)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)面積。公式為

式中:｛dSi｝s為第i區(qū)域新能源適宜開發(fā)面積,km2；｛Si｝s為第i區(qū)域土地空間數(shù)據(jù)集中面積要素,km2；｛Serl,i｝為第i區(qū)域內(nèi)生態(tài)紅線空間數(shù)據(jù)集；｛Slt,i｝為第i區(qū)域內(nèi)耕地、林地、草地、水域、居民點用地等敏感區(qū)域 空 間 數(shù) 據(jù) 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(fā)潛力指標。公式為

式中:PW,i為第i區(qū)域風能資源開發(fā)潛力,kW；NW,i為第i區(qū)域單位面積風能資源開發(fā)量,kW/ km2。

(3)風速空間分布指標。公式為

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

(4)光能資源開發(fā)潛力指標。公式為

式中:PP,i為第i區(qū)域光能資源開發(fā)潛力,kW；ri為第i區(qū)域光能資源開發(fā)率；NPW,i為第i區(qū)域單位面積光能資源開發(fā)量,kW/km2。

(5)年水平面總輻射量。根據(jù)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(tài)環(huán)境及土地資源

3.1 生態(tài)環(huán)境

3.1.1 區(qū)域生態(tài)環(huán)境

黃河流域橫跨青藏高原、內(nèi)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(jīng)濟社會背景、強烈的人類活動干擾使黃河流域具有生態(tài)環(huán)境脆弱、生態(tài)類型豐富、生態(tài)地位重要等特征。

(1)生態(tài)環(huán)境脆弱。黃河流域是我國生態(tài)脆弱區(qū)分布面積最大、脆弱生態(tài)類型最多、生態(tài)脆弱性表現(xiàn)最明顯的流域之一。我國有八大生態(tài)脆弱區(qū),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(nóng)牧交錯、沿海水陸交錯帶等四大生態(tài)脆弱區(qū)［4］。

(2)生態(tài)類型豐富。黃河流域從河源區(qū)到河口區(qū)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(tài)類型。其中:黃河上游處于青藏高原與黃土高原及內(nèi)蒙古高原過渡區(qū),以草原生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、荒漠生態(tài)系統(tǒng)為主,區(qū)域內(nèi)湖泊濕地生境條件獨特；沿黃地帶是我國重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地,以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為主；黃河中下游地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、人工生態(tài)系統(tǒng)特征明顯。

(3)生態(tài)地位重要。黃河流域是我國重要的生態(tài)屏障和連接青藏高原、黃土高原、華北平原的生態(tài)廊道,在我國“兩屏三帶”為主體的生態(tài)安全戰(zhàn)略格局中占據(jù)重要位置,是“青藏高原生態(tài)屏障”“黃土高原—川滇生態(tài)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(qū)水資源安全和生態(tài)安全具有重要意義。

3.1.2 生態(tài)敏感區(qū)

研究范圍內(nèi)涉及自然保護區(qū)、水產(chǎn)種質資源保護區(qū)、水源保護區(qū)、風景名勝區(qū)、地質公園、濕地公園等多種類型生態(tài)敏感區(qū)。研究區(qū)生態(tài)敏感區(qū)分布情況見表2。

表2 研究區(qū)生態(tài)敏感區(qū)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(xiāng)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(qū)域內(nèi)土地資源分布見表3。

表3 2020 年研究區(qū)域內(nèi)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(zhèn)至龍門和潼關至小浪底4 個河段,梯級開發(fā)的自然條件和建設條件較好,淹沒損失小,技術經(jīng)濟指標優(yōu)越,綜合利用效益顯著,是國家重點開發(fā)建設的水電基地［7］。黃河干流規(guī)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(guī)劃新建水電站9 座、裝機容量1 220 萬kW?，斍燎嚆~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(zhèn)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(jié)或季調節(jié)能力,水庫調節(jié)庫容418.16 億m3,占黃河干流水庫調節(jié)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(jīng)的青海省東部地區(qū),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(fā)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(qū),以及寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)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(qū)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(xù)向北看,內(nèi)蒙古自治區(qū)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(qū)風能資源較好,分布較為分散,具有一定的開發(fā)價值。

研究區(qū)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(fā)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(qū)域適宜風電開發(fā)的草地和未利用土地面積為20.82 萬km2,結合該地區(qū)風速分布及地形地貌情況,風電開發(fā)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(qū)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(qū)風能資源主要指標

圖2 黃河干流主要水電站及周邊地區(qū)離地高度100 m 平均風速分布

4.3 光能資源

黃河流經(jīng)的青海省東部與東南部地區(qū),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(fā)價值,且該地區(qū)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(qū)中衛(wèi)市,內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市、包頭市、鄂爾多斯市等地區(qū),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(qū)域范圍的光伏電站。

研究區(qū)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(qū)。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(qū)太陽能資源較差。研究區(qū)域適宜于開發(fā)的草地和未利用土地面積20.82 萬km2,光電開發(fā)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(qū)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(qū)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(qū)年水平面太陽能總輻射量分布

5 結論

(1)黃河流域生態(tài)環(huán)境脆弱、生態(tài)類型豐富、生態(tài)地位重要,研究范圍內(nèi)分布有自然保護區(qū)、水產(chǎn)種質資源保護區(qū)、水源保護區(qū)、風景名勝區(qū)、地質公園、濕地公園等多種類型生態(tài)敏感區(qū)。研究范圍內(nèi)草地面積最大、占區(qū)域總面積的47.36%,其次為耕地面積、占區(qū)域總面積的24.60%,未利用土地面積占區(qū)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(qū)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(jié)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(fā)潛力,總開發(fā)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(qū),小浪底河段太陽能資源較差,為豐富地區(qū),各河段太陽能資源具備開發(fā)利用條件,開發(fā)潛力為15.82億kW。