试论大柳树水利枢纽建设的必要性

宋天华 孟长青 王永强 李颖曼 钟德钰

摘要：大柳树水利枢纽库大水多沙少，开发条件十分优越，在黄河治理开发中具有承上启下的战略作用，但黄河流域未来径流量预计有所减小且已经建有较多水利枢纽，因此一些学者提出大柳树水利枢纽建设后将无水可蓄无水可调。为消除该疑虑，通过多种实测数据分析大柳树水利枢纽建设的必要性，分析指出：①龙羊峡一河口镇区间用水量大、有效库容小，径流调控能力不足，缺少统一调控工程;②龙羊峡、刘家峡水库调控库容不足，导致枯水年宁蒙灌区缺水，丰水年洪水泛滥、水资源流失;③根据南水北调工程西线工程规划，兰州一河口镇段将增加22亿m3供水量，届时该段水资源调控库容将更缺乏：④龙羊峡、刘家峡水库水能利用效率低，宁夏回族自治区水力发电占比极低，大柳树水利枢纽的建立将改善该区能源结构、增加水电能源供给。因此，现状条件下黄河上游仍然有水可蓄、有水可调，建设大柳树水利枢纽是非常必要的。

关键词：径流调控：水力发电：大柳树水利枢纽：黄河

中图分类号：TV21;TV882.1

文献标志码：A

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

黄河流域水资源分布不均、供需不平衡，随着社会经济的高速发展，水资源供需矛盾日益突出，同时，黄河水沙调控体系尚未构建完善，加之流域上游梯级水调和电调之间的需求冲突，导致以下问题：首先，黄河上游上段来水量大、下段需水量大，而黄河上游梯级水库分布在其上段，不能完全满足下段宁蒙河段工农业用水与河道生态基流的调控需求;其次，为满足发电需求，需拦蓄丰水期水量，使得有利于输沙的中常洪水出现频率大幅度降低，水沙关系恶化，宁蒙河段河道主槽淤积萎缩，行洪输沙能力急剧下降，导致凌汛稳封期冰下过流能力急剧降低，严重影响宁蒙河段防凌安全;再次，为满足防凌需求，凌汛期前，水库需腾出防凌库容，常导致强迫弃水，而凌汛期需控制下泄流量，从而使发电量严重减少。为此，有专家和水利单位提出应尽快修建大柳树水利枢纽。大柳树水利枢纽位于黄河上游梯级电站的尾部、宁蒙河段的首部，是黄河水沙调控和水资源配置体系的主要组成部分，在黄河治理开发中具有承上启下的战略地位，其开发任务以协调黄河水沙关系和防凌（防洪）为主，兼顾供水、发电等综合运用。何潜等[1]分析了大柳树水利枢纽建设对黄河下游调水、宁蒙灌溉保障及解除凌汛威胁的作用;何憬[2]对大柳树水利枢纽发电方面的效益进行了分析;赵业安等[3]分析认为大柳树水利枢纽建设可增加可用水源，改善水沙条件，增加灌溉、生态、防凌防洪及发电等效益。受全球气候变化的影响，黄河流域未来径流量预计有所减少，一些学者提出大柳树水利枢纽建设后将无水可蓄，为反驳该观点，本文将统计多种实测数据，详细分析大柳树水利枢纽建设的必要性。

1 黄河流域现状条件下仍然有水可调有水可蓄

大柳树水利枢纽位于黄河干流黑山峡出口以上2km、宁夏中卫市境内，黑山峡河段上游流域面积25.2万km2，多年平均径流量333亿m3，可开发装机容量约2 000 MW。根据《黄河流域综合规划》[4]，大柳树水利枢纽主要功能为对上游梯级电站下泄水量进行反调节，结合防凌蓄水将非汛期富余的水量调节到汛期，并将南水北调西线工程配置的河道内输沙用水调节到汛期，改善宁蒙河段水沙关系，消除龙羊峡水库、刘家峡水库汛期大量蓄水运用对宁蒙河段造成的不利影响，并调控凌汛期流量，保障宁蒙河段防凌安全，同時调节径流，为宁蒙河段工农业和生态灌区适时供水。

水库是拦洪蓄水和调节水流的水利建筑物，其拦洪蓄水的目的是用于灌溉、发电、防洪和渔业，黄河是否有水可调有水可蓄，要从有效库容分析。根据《黄河流域水资源综合规划》，1956-2000年系列黄河流域水资源总量为647.0亿m3/a;根据黄河水资源公报统计，2004-2016年黄河流域水资源总量为583.55亿m3/a（不考虑内流区）[5]。黄河干流和支流现有水库总库容为636.63亿m3（其中干流求库分布及参数见表1）。为保障流域灌溉、发电、航运、渔业以及旅游等各用水部门需要，水库水位不能低于某一高程，这一高程的水位称为死水位（见图1）。而为满足兴利需要，在开始供水时应蓄到的水位，称正常蓄水位。死水位与正常蓄水位之间的库容为兴利库容（也称有效库容），这一部分库容可对水资源进行调配。

水库供水能力计算公式为

V初+ W来- W田 - W损- W弃=V末 （1）式中：V初 为水库初始蓄水量;W米 为水库来水量; W为用户用水量;W损 为水库蒸发渗漏损失量;W弃 为水库弃水量;V末 为水库期末蓄水量。

某段时间内，水库初始蓄水量V 初，加上水库来水量W来，扣除用户用水量W用、水库蒸发渗漏损失量W损 及水库弃水量W弃 ，得到水库末时间蓄水量V末。

在汛期初期，水库需调节水位至防洪限制水位，到汛末水库可蓄水至正常蓄水位。V末减V初 可得到汛期水库蓄水量W蓄，由于防洪限制水位高于死水位，因此W蓄值小于等于水库的有效库容。不考虑水库损失水量，式（1）可改写为

W 来- W用 - W蓄=W弃  （2）

W蓄≤W有效库容式中：W蓄 为水库蓄水量;W有效库容为水库的有效库容。

由式（2）可知：在汛期，若某段区域W田、W蓄不变，来水量越大，则弃水量就越多，而W蓄 越大则能减小弃水量;在非汛期，W来 较小，而W用 较大，则需要水库供水，水库供水量受W蓄限制且小于W有效库容;在凌汛期，水库需控制W弃，同时 W有较小，区间来水量及上游下泄水量需要水库蓄水，如果形蓄容量不足，则可能导致W弃 过大，凌汛期存在安全隐患。因此，无论是汛期或非汛期凌汛期，W蓄 容量较小，都会导致弃水或者供水不足或者弃水下泄过多的问题。

对比流域水资源量和有效库容分布（见图2，数据来源于《黄河水资源公报》）可知，到2016年年底黄河流域骨干水库累计有效库容为336.60亿m3，小于流域总年均水资源量。从各段来看，龙羊峡以上段水资源量最大，为197.94亿m3;龙羊峡一兰州段水资源量第二，为133.44 m3;龙门一三门峡段水资源量第三，为116.48亿m3;兰州一河口镇段水资源量为负值，其耗水主要依靠上游来水。在汛期，假设龙羊峡以上来水全部拦蓄在龙羊峡水库不下泄，龙羊峡一河口镇段汛期全部来水为69.32亿m3（2003-2016年）.而统计龙羊峡多年汛期下水量为70.11亿m3（ 2003-2016年），则汛期该段来水139.43亿m3，耗水量为56.70亿m3（见表2），而该段有效库容51.82亿m3，假如水库汛期蓄水量最大达到有效库容值，则汛期该段平均弃水量为30.90亿m3。而一般情况下水库蓄水量是小于有效库容的，则汛期平均弃水量将更大，因此现有有效库容无法满足其调控需求。同理，河口镇一龙门段汛期来水量为20.51亿m3，也存在有效库容不足的问题。龙门以下段由干三门峡有效库容未考虑.因此暂不计算。

对比流域总用水量和有效库容分布（见图2、表2）可知，水库库容主要分布在兰州以上河段，该河段有效库容占流域总有效库容的72.99%.该河段用水量占流域总用水量的8.09%。兰州一河口镇河段总用水量最大，占流域总用水量的40.94%.而该河段的有效库容仅占总有效库容的1.54%，用水主要通过干支流的多个小型引提水工程提供。龙门一三门峡河段用水量占流域总用水量的13.82%，该河段的有效库容（不含三门峡水库）仅占总有效库容的2.38%，用水也主要通过干支流的引提水工程，各小型引提水工程取水管理不规范不统一，成本高且水资源浪费严重，历史上不少枯水年份该区间供水量无法满足用水需求。该段供水任务由龙羊峡、刘家峡水库同时承担，导致灌溉期龙羊峡、刘家峡水库不能充分蓄水，而在凌汛期前腾空防凌库容需弃水，凌汛期为防止河道水位壅高而控制下泄水量，导致发电效益降低。因此，建设大柳树水利枢纽可增加有效库容拦蓄弃水，并合理分配各阶段用水量，将大部分扬水变为自流，降低取水成本，提高发电和灌溉效益。综上分析，黄河上中游水资源量与有效库容、用水量与有效库容存在不匹配问题，其中兰州一河口镇段问题最为突出，因此该段有必要建设大型水利枢纽，从而有效调蓄水资源、实现合理优化供水。

2 现状工程条件下上游水库对丰、枯年来水调控不足

兰州一河口镇段宁蒙地区有历史悠久的农业灌区，其中宁夏灌区主要包括卫宁灌区和青铜峡灌区，内蒙古灌区包括河套灌区及黄河南岸灌区等。根据《黄河水资源公报》[5]统计数据，得到2001-2016年宁夏回族自治区及内蒙古自治区各行业多年平均耗水量（见表3）。由表3可知：宁夏与内蒙古农业耗水量占比最大，分别为72.86%和79.22%;宁夏林牧渔畜耗水占比第二（为14.41%），而内蒙古工业耗水占比第二（为8.13%）;宁夏与内蒙古城镇公共及生态环境用水较少。

2000年以来，宁蒙灌区已基本形成较为稳定的种植结构，主要种植春小麦等粮食作物。司源[6]根据“八七”分水方案规定的各省（区）用水标准，结合2000-2009年宁蒙灌区各月耗水过程及耗引比，得到宁蒙灌区逐月需水过程。本文根据司源[6]计算结果得到各月农业耗水比例，结合2001-2016年的农业耗水及各行业耗水多年平均值（见表3），算出2001-2016年各月宁夏与内蒙古实际耗水，同时得到宁夏与内蒙古农业灌溉取耗水比值分别为0.53、0.82，得到每月宁蒙取水值（由于宁夏退水可流入黄河石嘴山以下河段，因此每月再扣除宁夏退水量）。不同行业对水资源的需求年内变化不同，工业、城镇公共、居民生活、林牧渔畜及生态环境可认为各月均等，最终宁夏、内蒙古各月取水、耗水量见表4。

由表4可知，宁夏取耗水集中在3-8月，内蒙古取耗水集中在4-10月。黄河上游来水经过龙羊峡水库调蓄下泄经过贵德站，其中部分水资源被甘肃省耗用并流入刘家峡水库，经刘家峡水库调蓄下泄到达下河沿站，下河沿一石嘴山区间为宁夏灌区供水，石嘴山以下为内蒙古灌区供水。计算2001-2016年多年平均宁蒙灌区上游主要控制站各月径流量及宁蒙灌区总耗水量、取水量，见图3。由图3可知，经过龙羊峡水库调节，贵德站径流过程月变化较为平稳，再经刘家峡水库调节，小川站径流过程曲线接近宁蒙灌区需水曲线，而下河沿站月径流量均大于宁蒙灌区取耗水需求量。从多年平均分析，龙羊峡、刘家峡水库可为宁蒙灌区调控足够的水量，保障其农业灌溉，但来水较多或较少年份，龙羊峡、刘家峡水库的调控问题即显露出来。分析2003年下河沿以上站径流量（见图4）可知，由于2003年前出现枯水年，因此龙羊峡水库下泄水量逐月降低且较2001-2016年多年平均值偏低，同时刘家峡水库下泄流量也偏小，从而下河沿站4-7月灌溉期径流量严重减少，导致该年农业损失严重[7]。2012年黄河上中游发生1989年以来最大洪水，龙羊峡、刘家峡水库拦蓄洪量54亿m3，最大削峰47%，但贵德、小川、下河沿各站汛期流量远大于多年平均值（见图5），其中下河沿站8月径流量比多年平均多40亿m3.洪灾造成干流堤防多处渗水、受损，造成经济损失共25亿元[8]。因此，龙羊峡、刘家峽水库的联合调度在丰、枯水年仍然存在较大局限，下河沿站上游缺少大型水利枢纽调峰补枯，不能保障沿黄各省（区）的生产生活用水安全。

3 南水北调工程西线规划来水需要控制性骨干工程调节

近30多a来，我国北方地区主要河流径流量总体呈下降趋势，2025年将有可能面临资源性缺水。我国西北地区日趋严重的荒漠化不仅导致生态问题愈加突出，而且加剧了地区发展不平衡，严重影响了我国经济社会的可持续发展。作为缓解北方地区水资源严重短缺局面的重大战略性基础设施，南水北调工程规划分东、中、西3条线路从长江调水，与长江、淮河、黄河、海河相互连接，构成我国中部地区水资源“四横三纵、南北调配、东西互济”的总体格局。

《南水北调工程总体布局》提出，“在长江上游通天河、支流雅砻江和大渡河上游筑坝建库，开凿穿过长江与黄河分水岭巴颜喀拉山的输水隧洞，调长江水入黄河上游。西线工程的供水目标，主要是解决涉及青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西等6省（区）黄河上中游地区和渭河关中平原的缺水问题。结合兴建黄河干流上的大柳树水利枢纽等工程，还可以向临近黄河流域的甘肃河西走廊地区供水，必要时也可相机向黄河下游补水。规划分三期实施……南水北调工程规划最终调水规模448亿m3，其中：东线148亿m3，中线130亿m3，西线170亿m 3”。

《黄河流域综合规划》指出：2020年，黄河调入水量12.63亿m3（其中引汉济渭一期10亿m3.引乾济石0.47亿m3，引红济石0.90亿m3，南水北调东线工程调入山东黄河流域1.26亿m3）;2030年，引汉济渭二期工程增加5亿m3，南水北调西线一期工程增加80亿m3，调入水量增加97.6亿m3，调入水量的一部分用于河道内生态环境，一部分用于工农业生产。南水北调西线一期工程建成后，河口镇以上可供水量将增加，其中兰州一河口镇段相对基准年将增加供水量将近22亿m3（见表5）。目前上游已建工程难以协调宁蒙河段减淤、供水、防凌和发电之间的矛盾，宁蒙河段水沙关系恶化，主槽淤积萎缩，防凌形势十分严峻，附近地区能源基地建设和生态建设要求大柳树水利枢纽提供水源条件。

根据《宁夏回族自治区水资源公报》及《内蒙古自治区水资源公报》统计数据，得到2001-2016年宁夏及2003-2016年内蒙古各行业耗水量占比（见图6、图7），可知两区农业耗水量最大，但工业耗水量占比与生态用水量占比明显增高，各月工业用水较为平均，而农业用水较为集中，行业结构的调整对兰州一河口镇段供水保障率提出了新的要求，如何合理分配工业与农业的水资源量成为一个亟待解决的难题。根据上述分析可知，现状情况下该段有效库容与水资源量、供水量已经出现严重不匹配问题，而未来增加的水量更需要足够的库容进行工农业与生态耗水的调节，因此建设大柳树水利枢纽势在必行。

4 黄河上游水力发电供给能力有待提高

黄河上游梯级电站除了承担发电任务外，还承担沿岸灌溉、工业及城市生活用水等综合利用任务，因此水库运用方式不仅受电网运行控制，而且受综合用水制约[9]，其中电站下游引黄灌溉用水对电网运行影响最大。宁蒙河段无控制性水利枢纽，为保证宁蒙灌区枯水期用水，龙羊峡、刘家峡电站持续低水位运行，影响后续若干年调度运行，损害电网长期效率[10]。分析1999年以来青海省发电量及消费量（见图8）可知，2004年前青海省水力发电量低.2004年后大幅增长，但年内总发电量小于总电力消费量，因此建设大柳树水利枢纽可以使龙羊峡水库发电量相应增加，青海省用电保障率亦可得到进一步提高。

《中国的能源政策》指出，中国能源必须走科技含量高、资源消耗低的发展道路，实现节约发展、清洁发展和安全发展。分析1999年以来宁夏发电量及消费量可知（见图9），近20 a来宁夏电力消费量高速增长，但发电量95%以上依靠火力发电，水力发电多年保持在20亿kW.h以下，仅占该区总发电量的2%左右，远远低于全国水力发电占总发电量16%的比例。宁夏境内黑山峡段水能资源丰富，建设水利枢纽有着现实需求及有利的地理条件，大柳树水利枢纽装机容量为200万kW，多年平均发电量为76.1亿kW·h，能有效改善宁夏电力能源结构。

5 结论

（1）汛期龙羊峡一河口镇段区间水资源量加上龙羊峡水库下泄水量远大于该段有效库容，水资源调控能力不足。

（2）兰州一河口镇段总用水量占流域总用水量的40.94%.而该河段的有效库容仅占流域总有效库容的1.54%，该河段的灌溉用水效率低、扬水工程耗电量大、缺少统一调控工程。

（3）丰、枯来水年龙羊峡、刘家峡水库调控库容不足，导致枯水年宁蒙灌区缺水、丰水年水资源流失。

（4）南水北调西线一期工程建成后，兰州一河口镇段将增加22亿m3供水量，届时该段水资源调控能力将更缺乏。

（5）龙羊峡、刘家峡水库受为宁蒙灌区供水制约，水能利用效率低，发电量不高;同时，宁夏水力发电占比极低，火力发电对环境污染大，建设大柳树水利枢纽可以改善该区的电力能源结构。

现状条件下黄河上游仍然有水可蓄、有水可调，且上游兰州一河口镇段亟需建设大型水利枢纽进行水资源调控，因此应该及早开工建设大柳树水利枢纽工程，发挥其综合效益。

参考文献：

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[3] 赵业安，张红武，温善章.论黄河大柳树水利枢纽工程的战略地位与作用[J].人民黄河，2002，24（2）：1-4.

[4] 水利部黄河水利委員会.黄河流域综合规划[M].郑州：黄河水利出版社，2013：126-131.

[5]水利部黄河水利委员会.黄河流域水资源公报[M].郑州：黄河水利出版社，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.

[6] 司源，黄河上游梯级水库优化调度多目标权衡关系研究[D].北京：清华大学，2018：41-50.

[7] 翟浩辉，从讲政治高度确保今年黄河不断流：关于宁蒙引黄灌区抗旱节水有关情况的调查报告[J].中国水利，2003（11）：10-12.

[8] 谢占有，周毓鹃.2012年黄河内蒙古河段汛情及抗洪抢险[J].中国防汛抗旱，2015，25（1）：62-64.

[9] 许伟，龙羊峡、刘家峡河段梯级水库联合运用相关问题研究[D].北京：清华大学，2015：21-22.

[10] 王义民，黄强，朱教新，等，龙羊峡水库长期低水位运行原因分析及抬高水位对策研究[J].水利水电技术，2003，34（5）：53-56.

【责任编辑 张华兴】

收稿日期：2019- 07 - 08

基金项目：国家自然科学基金资助项目（ 91547204.41901028）

作者简介：宋天华（1984-），男，宁夏银川人，工程师，硕士，主要从事水利工程管理工作

通信作者：孟长青（1989-），女（回族），湖南邵阳人，讲师，博士，研究方向为水文水资源