碳中和背景下南盘江下游平班至龙滩河段梯级开发研究

胡良和，朱 磊

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610)

1 概述

二氧化碳的排放，带来全球气候变暖等一系列气候和环境问题。为解决资源环境约束问题、实现可持续发展，中国制定了“力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和”的战略目标[1]。

水电作为绿色、清洁、灵活、可靠的可再生能源，一方面可以填补煤炭等化石能源发电量减少产生的电力缺口，另一方面可以调节新能源发电带来的电网波动，保障电网运行的安全和稳定，是促进碳中和实现的最佳能源方式之一[2-5]。

我国地势特点西高东低，河流众多且落差大，蕴藏了丰富的水能资源。据统计，我国水能技术可开发量6.87亿kW[6]，主要集中于金沙江、长江干流、澜沧江干流等十三大水电基地[7-8]，截至2021年底全国装机容量达3.9亿kW，每年为我国提供15%～30%的电力电量[9-11]。长江上游水电基地装机容量0.33亿kW，若开发完成每年平均可提供7 000亿kW·h的清洁能源，相当于节约标准煤2.35亿t，减少CO2排放5.76亿t[12]。金沙江下游河段乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝4座梯级装机容量合计1.58亿kW，相当于节约标准煤0.58亿t，净减碳量为1.46亿t[13]。为进一步建设清洁低碳、安全高效的能源体系，有关规划要求将非化石能源消费比重提高到20%左右，并提出加快西南水电基地建设[14]。水电发展远景规划提出，2030年和2060年水电装机容量分别为5.2亿kW和7.0亿kW，其中常规水电分别为4.2亿kW、5.0亿kW[15]。因此，水电开发在电力供应和减排降碳中发挥着重要的作用，未来仍有较大发展空间[1,16]。

龙滩水电站位于南盘江红水河水电基地，属多年调节水库，汛期因为承担下游防洪任务在汛限水位运行。由于受库区淹没等因素限制，现状按375 m建设[17]，南盘江平班—龙滩河段尚有约28 m的发电水头未被利用[18]。为合理开发水能资源，满足社会经济发展对清洁可再生能源、碳排放的更高要求，研究该河段的梯级开发方案，并对开发方案进行效果评价，对其他大型多年调节水库库尾河段梯级开发具有一定参照价值。

2 平班至龙滩河段概况

南盘江红水河水电基地是指从南盘江的天生桥到黔江的大藤峡，河段全长为1 050 km，落差为760 m，规划有天生桥一级、天生桥二级、平班、龙滩等11座梯级(见图1)，总装机容量为1 430万kW。其中，平班水电站为红水河梯级规划的第3座梯级，装机容量为40.5万kW，正常蓄水位为440 m；龙滩水电站为红水河梯级规划的第4座梯级，装机容量为490万kW。

图1 红水河梯级开发纵剖面及平面位置示意

龙滩水电站分两期开发，即正常蓄水位按远期400 m设计，初期按375 m建设。龙滩现状前汛期(4月1日—7月15日)库水位在汛限水位359.3 m运行，后汛期(7月15日—8月31日)库水位在365.85 m运行，枯水期逐步消落至死水位330 m运行；龙滩远期正常蓄水位400 m方案(以下简称龙滩400 m方案)前汛期库水位在汛限水位385.4 m运行，后汛期库水位在394.2 m运行，枯水期逐步消落至死水位340 m运行。由于库区涉及6.3万人的淹没搬迁问题，龙滩400 m方案实施的难度越来越大，短期内实施的可能性变小。另外由于龙滩具有年调节性能和承担下游防洪任务，库水位在正常蓄水位375 m与死水位330 m间消落，汛期在汛限水位运行，年内大多数时间库水位均较低，与上游平班梯级水位不衔接。因此，平班～龙滩河段尚有约28 m的发电水头未被利用。

此外，平班坝下31 km河段航道滩多流急，水位时变幅最高可达3 m，年内出现水位时变幅大于1 m的天数约320 d，航道维护困难且费用较大，难以满足规划的IV级航道要求。

3 梯级开发方案

3.1 河段发电水头分析

龙滩梯级工程开发任务以发电为主，兼有防洪、航运及水资源配置等综合利用，属多年调节水库，受运行调度要求和水情限制，库水位在正常蓄水位375 m与死水位330 m之间消落。根据龙滩水电站2008—2012年共5 a的电站实际运行水位资料统计，保证率95%、50%相应的水位分别为333.21 m、351.17 m，实际运行中大部分年份有较长时间未与平班梯级衔接。远期正常蓄水位400 m虽然能与平班衔接，但库水位变化范围为340～400 m，水位变幅达60 m，年平均水位约为383.8 m，年平均消落水头达16.2 m，同样存在库水位有较长时间未能与上游梯级衔接的情况，且该方案由于淹没太大、安置困难、补偿费用高，近远期均难以实施。因此，平班至龙滩河段内尚有约28 m的发电水头可转变成清洁能源服务于经济社会。

3.2 梯级开发方案

1) 方案1：平班(440 m，40.5万kW)+龙滩(375 m，420万kW)。即现状方案，龙滩受库区淹没限制按375 m建设，正常蓄水位未与平班尾水衔接，加上其多年调节的特性，水位大部分情况下偏低，因此南盘江下游平班～龙滩河段尚有较多的发电水头未被利用。

2) 方案2：平班(440 m，40.5万kW)+八渡(402 m，32万kW)+龙滩(375 m，420万kW)(见图2)。在现状方案基础上，以不影响流域防洪和水资源配置、尽可能改善通航条件为原则，综合考虑河段地形地质条件、库区淹没敏感点及与上下游梯级水位衔接等因素，在八渡镇上游约5 km处尾祖村新增八渡水电站，上距平班水电站约31 km、下距龙滩水电站约223 km，河床高程为370.90 m;按库水位与上游平班水电站尾水衔接考虑，正常蓄水位拟定为402 m；按年装机利用小时数约为3 000 h考虑，装机容量拟定为32万kW。

图2 平班—龙滩河段梯级开发方案示意

4 梯级开发方案效果评价

4.1 多年平均发电量

根据受上游天生桥一级电站发电调节影响后的1971—2012年径流系列和水电站库容曲线、水位流量关系、出力限制线、调度图等资料和参数进行电能计算。计算公式如下：

N=A×Q×H

(1)

E=N×t

(2)

式中:

N——发电机组出力，kW；

Q——机组过流量，m3/s；

H——净水头，m；

E——发电量，kW·h；

t——时间，h。

不同方案下，平班—龙滩河段水电站多年平均发电量见表1。由表1可知，增加八渡水电站32万kW装机后，河段总装机容量从530.5万kW增加至562.5万kW，约增加6.0%；河段多年平均发电总量从172亿kW·h增加至182.5亿kW·h，约增加6.1%。其中，八渡水电站多年平均发电量10.7亿kW·h，平班水电站由于尾水受八渡回水影响多年平均发电量减少了0.2亿kW·h，即多年平均发电量净增加10.5亿kW·h。按上网电价0.4元/(kW·h)计算，则多年平均发电效益增加4.2亿元。

表1 不同开发方案下河段水电站多年平均发电量

4.2 减少CO2排放量

水电开发一方面替代化石能源、增加植被面积而减少碳排放，另一方面水库蓄水而增加碳排放，但绝大部分是替代化石能源减少的碳排放量[12]，因此本文仅计该部分减碳量。根据中国电力传媒集团能源情报中心《中国能源大数据报告(2019)》，单位发电量对应的标准煤消耗量为3.08万t/(亿kW·h)，根据国家发展改革委公布的标准煤CO2排放系数为2.5 (t CO2)/(t标准煤)，因此可将水电站发电量转换为标准煤消耗量和减少CO2排放量，计算公式如下：

C=E×S×P

(3)

式中:

C——减少CO2排放量，万t；

S——单位发电量标准煤消耗量，万t/(亿kW·h)；

P——标准煤CO2排放系数，(t CO2/t标准煤)。

不同开发方案下，平班—龙滩河段水电站年均减少CO2排放量见表2。由表2可知，与现状梯级开发方案相比，增加八渡水电站32万kW装机后，由于多年平均发电量净增加了10.5亿kW·h，相当于节约标准煤32.3万t，减少CO2排放80.9万t。根据全国2020年碳排放权交易试点省市碳市场成交均价35.49元/t估算，减少CO2排放经济价值约为0.29亿元/a。

表2 不同开发方案下水电站减少CO2排放量 万t

4.3 改善河段通航条件

受龙滩运行方式及上游电站调峰限制，八渡梯级以上河段航道滩多流急，弯道大，通航安全性和保证率低，远达不到95%的IV级航道设计通航保证率标准。河段增加八渡梯级后，平班～八渡31 km天然河段变成库区深水航道，显著减少航道滩险整治、疏浚与维护费用，提高了航道的安全性和保证率。

5 结语

龙滩水电站由于库区淹没等因素限制现状按375 m建设和运行，未与上游平班尾水位衔接，通航保证率低，另外由于承担防洪任务和年调节特性年内大多数时间库水位较低，因此平班～龙滩河段尚有较多的发电水头未被利用。本文以不影响流域防洪和水资源配置、尽可能改善龙滩库区通航条件为原则，综合考虑河段地形地质条件、库区淹没敏感点及与上下游梯级水位衔接等因素，在南盘江下游平班～龙滩河段增加八渡梯级，正常蓄水位402 m，装机容量32万kW。

与现状开发方案相比，增加八渡梯级后，渠化了平班～八渡31 km通航河段，提高了河段通航保证率。每年增加发电量10.5亿kW·h，相当于节约标准煤32.3万t，减少CO2排放80.9万t，平均每年增加经济效益4.49亿元，其中发电效益4.2亿元，减少CO2排放经济效益0.29亿元。因此，在南盘江下游平班～龙滩河段增加八渡梯级带来的经济效益显著，有利于进一步实施“西电东送”，减少北煤南运，实现资源的优化利用和可持续发展，有助于我国碳达峰、碳中和目标的实现。