基于水风光一体化开发的黄河上中游水风光资源评价

张 权，姜 勃，唐梅英，王珈珞，卢 慧

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹），河南 郑州 450003）

1 引言

中国基于可持续发展的内在要求和构建人类命运共同体的责任担当,宣布了碳达峰和碳中和的目标愿景。2021 年3 月15 日,习近平总书记主持召开中央财经委员会第九次会议提出要构建清洁低碳安全高效的能源体系,控制化石能源总量,着力提高利用效能,实施可再生能源替代行动,深化电力体制改革,构建以新能源为主体的新型电力系统。党的二十大提出要积极稳妥推进碳达峰碳中和,立足我国能源资源禀赋,坚持先立后破,有计划分步骤实施碳达峰行动,深入推进能源革命。因此,中国能源结构将以火电为主体逐渐转变为以水、风、光等清洁能源为主体。

黄河流域清洁能源禀赋优势突出,水力资源理论蕴藏量和技术开发量在我国七大江河中居第二位［1］,上中游的青海、甘肃、宁夏、内蒙古(西部)、陕西、山西、河南等省(区),风能资源技术可开发量32.5 亿kW、光能资源技术可开发量157.2 亿kW,分别占全国的37.4%、37.5%［2］,是实现“双碳”战略目标的主战场。围绕水电进行水风光一体化开发,实现多种能源优势互补,可推动太阳能、风能、水能高效转化,将波动性、随机性电源调节成为稳定、友好的高质量电能。水、风、光资源开发潜力评价是一体化开发的基础。

2 评价方法及指标

2.1 评价方法

以水风光一体化开发为目标导向,以具有调节能力的宁木特、茨哈峡、龙羊峡、刘家峡、黑山峡、碛口、古贤、小浪底水电站为中心,以周边150 km 左右涉及的市级行政区为评价范围(见图1),总面积53.90 万km2,选择风能资源和光能资源较好的代表风电场及光电场,开展水能、风能、光能资源分析评价。龙羊峡及以上河段研究区域为宁木特、茨哈峡、龙羊峡及邻近地区,涉及青海省果洛州、海南州、黄南州、西宁市、海东市以及甘肃省甘南州；刘家峡河段研究区域涉及甘肃省临夏市、兰州市、定西市；黑山峡河段研究区域涉及甘肃省白银市、武威市和宁夏中卫市、吴忠市；碛口河段研究区域涉及陕西省榆林市以及山西省吕梁市、太原市；古贤河段研究区域涉及陕西省延安市、渭南市以及山西省临汾市、运城市；小浪底河段研究区域涉及河南省三门峡市、洛阳市、焦作市、郑州市、新乡市、平顶山市以及山西省晋城市。

图1 黄河上中游水风光资源评价范围示意

依托黄河流域综合规划以及相关研究成果,对黄河干流水力资源进行分析。根据风能资源图谱,分析风速分布情况,评价风能资源条件。根据太阳能辐照度图谱,分析年水平面总辐射量及分布情况,评价光能资源条件。避开生态红线以及耕地、林地、水域、居民点用地等敏感地类,以草地和未利用地为可开发地类,考虑风能资源、光能资源条件以及地形地貌等,开展风能资源和光能资源开发潜力评价。

2.2 评价指标

采用水能资源理论蕴藏量以及装机容量评价水能资源条件；采用风能资源开发潜力以及大于5 m/s 风速空间分布指标评价风能资源条件；采用光能资源开发潜力以及年水平面总辐照量评价光能资源条件。

(1)新能源适宜开发面积。公式为

式中:｛dSi｝s为第i区域新能源适宜开发面积,km2；｛Si｝s为第i区域土地空间数据集中面积要素,km2；｛Serl,i｝为第i区域内生态红线空间数据集；｛Slt,i｝为第i区域内耕地、林地、草地、水域、居民点用地等敏感区域 空 间 数 据 集；｛∪(｛Serl,i｝,｛Slt,i｝)｝s为｛Serl,i｝、｛Slt,i｝并集的面积要素,km2。

(2)风能资源开发潜力指标。公式为

式中:PW,i为第i区域风能资源开发潜力,kW；NW,i为第i区域单位面积风能资源开发量,kW/ km2。

(3)风速空间分布指标。公式为

式中:βi为第i区域内风速空间分布指标,%；｛SWS,i｝s为第i区域内风速大于5 m/s 的分布面积,km2。

(4)光能资源开发潜力指标。公式为

式中:PP,i为第i区域光能资源开发潜力,kW；ri为第i区域光能资源开发率；NPW,i为第i区域单位面积光能资源开发量,kW/km2。

(5)年水平面总辐射量。根据评估目标的年水平面总辐射量(GHR)来评价光能资源条件。太阳能资源丰富程度可分为4 个等级,分别为最丰富、很丰富、丰富、一般［3］,见表1。

表1 年水平面总辐射量分级标准

3 生态环境及土地资源

3.1 生态环境

3.1.1 区域生态环境

黄河流域横跨青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和华北平原等4 个地貌单元,独特的地理位置、特殊的水沙条件、复杂的经济社会背景、强烈的人类活动干扰使黄河流域具有生态环境脆弱、生态类型丰富、生态地位重要等特征。

(1)生态环境脆弱。黄河流域是我国生态脆弱区分布面积最大、脆弱生态类型最多、生态脆弱性表现最明显的流域之一。我国有八大生态脆弱区,黄河流域主要分布有青藏高原复合侵蚀、西北荒漠绿洲交接、北方农牧交错、沿海水陆交错带等四大生态脆弱区［4］。

(2)生态类型丰富。黄河流域从河源区到河口区随高度梯度、水分梯度、人类活动强弱等形成了丰富多样的生态类型。其中:黄河上游处于青藏高原与黄土高原及内蒙古高原过渡区,以草原生态系统、农业生态系统、荒漠生态系统为主,区域内湖泊湿地生境条件独特；沿黄地带是我国重要的农业生产基地,以农田生态系统为主；黄河中下游地区农田生态系统、人工生态系统特征明显。

(3)生态地位重要。黄河流域是我国重要的生态屏障和连接青藏高原、黄土高原、华北平原的生态廊道,在我国“两屏三带”为主体的生态安全战略格局中占据重要位置,是“青藏高原生态屏障”“黄土高原—川滇生态屏障”和“北方防沙带”的重要组成部分,对于维持我国华北、西北地区水资源安全和生态安全具有重要意义。

3.1.2 生态敏感区

研究范围内涉及自然保护区、水产种质资源保护区、水源保护区、风景名胜区、地质公园、湿地公园等多种类型生态敏感区。研究区生态敏感区分布情况见表2。

表2 研究区生态敏感区分布情况

3.2 土地资源

2020 年研究范围总面积53.90 万km2,其中:草地面积最大,为25.531 3 万km2,占总面积的47.36%；耕地面积为13.258 4 万km2,占总面积的24.60%；林地面积为8.438 9 万km2,占总面积的15.66%；未利用土地、城乡居民用地、水域面积分别为3.750 7 万、1.657 8 万、1.267 4万km2,占总面积比例分别为6.96%、3.08%、2.35%［5］。在土地资源构成中,龙羊峡及以上河段草地、林地面积列居第一、第二,刘家峡、黑山峡河段和碛口河段草地、耕地面积列居第一、第二,古贤河段耕地、草地面积列居第一、第二,小浪底河段耕地、林地面积列居第一、第二。2020 年研究区域内土地资源分布见表3。

表3 2020 年研究区域内土地资源分布

4 水风光资源评价

4.1 水能资源

黄河流域水能资源理论蕴藏量4 331 万kW,干流理论蕴藏量3 283 万kW,上中游理论蕴藏量3 117 万kW、占黄河干流的94.94%［6］。干流水能资源主要集中在玛曲至野狐峡、野狐峡至青铜峡、河口镇至龙门和潼关至小浪底4 个河段,梯级开发的自然条件和建设条件较好,淹没损失小,技术经济指标优越,综合利用效益显著,是国家重点开发建设的水电基地［7］。黄河干流规划梯级水电站42 座,总装机容量3 444 万kW,其中:已(在)建水电站33 座、装机容量2 224 万kW,规划新建水电站9 座、装机容量1 220 万kW。玛曲至青铜峡河段的宁木特、茨哈峡、龙羊峡、刘家峡、黑山峡水电站,河口镇至龙门河段的碛口、古贤水电站,潼关至小浪底河段的小浪底水电站具有年调节或季调节能力,水库调节库容418.16 亿m3,占黄河干流水库调节库容的91.5%,水电站装机容量1 517 万kW,在相应河段具有龙头作用。黄河干流主要水电站主要技术指标见表4。

表4 黄河干流主要水电站主要技术指标

4.2 风能资源

黄河流经的青海省东部地区,平均海拔3 500 m以上,两岸多为高山,植被茂盛。东部果洛州风能资源丰富,具有较大风能资源开发价值。从青藏高原进入甘肃省后,海拔降至2 000 m 左右,黄河两岸风能资源随之减少。随黄河向北流,在甘肃省定西市周边、白银市西部及北部地区,以及宁夏回族自治区中卫市、银川市等地风能资源有所提升。在甘肃省河西、宁夏回族自治区北部,黄河两岸多戈壁荒漠,适宜建设大型能源基地。顺着黄河流向继续向北看,内蒙古自治区巴彦淖尔市、包头市有空旷的戈壁、草原,风能资源非常丰富,适宜建设大型能源基地。随后黄河进入大北干流,过潼关后向东流,左右两岸多山地,部分地区风能资源较好,分布较为分散,具有一定的开发价值。

研究区域离地高度100 m 风速为0.95～20.28 m/s,平均5.87 m/s,大于5.00 m/s 的风速面积占比71%,开发潜力较大。龙羊峡及以上河段风能资源西南高东北低,刘家峡河段风能资源东高西低,黑山峡河段风能资源东北高西南低,碛口河段风能资源西高东低,古贤河段风能资源中部低、西北部和东南部高,小浪底河段风能资源东高西低。研究区域适宜风电开发的草地和未利用土地面积为20.82 万km2,结合该地区风速分布及地形地貌情况,风电开发潜力为37 450 万kW。黄河干流主要水电站所在河段及周边地区风能资源主要指标见表5,离地高度100 m 平均风速分布见图2。

表5 黄河干流主要水电站所在河段及周边地区风能资源主要指标

图2 黄河干流主要水电站及周边地区离地高度100 m 平均风速分布

4.3 光能资源

黄河流经的青海省东部与东南部地区,海拔较高,空气稀薄,阳光直射程度高,具有很好的太阳能资源开发价值,且该地区平坦地势分布面积大,适宜建设大型光伏电站。黄河出青海省后进入甘肃省白银市,宁夏回族自治区中卫市,内蒙古自治区巴彦淖尔市、包头市、鄂尔多斯市等地区,随着纬度提高,光照资源逐渐丰富；同时,黄河两岸地形多为戈壁、沙漠,适宜建设大型地面光伏电站。黄河大北干流河段以及潼关至桃花峪河段太阳辐照度相对较低,且两岸多山地,难以集中建设光伏电站,适宜建设小区域范围的光伏电站。

研究区域GHR介于538～1 856 (kW·h)/m2,均值为1 544 (kW·h)/m2,总体为太阳能资源很丰富地区。龙羊峡及以上河段、碛口河段太阳能资源西北高东南低,刘家峡河段、黑山峡河段、古贤河段太阳能资源北高南低,小浪底河段晋城市太阳能资源较好,其他地区太阳能资源较差。研究区域适宜于开发的草地和未利用土地面积20.82 万km2,光电开发潜力为158 160 万kW。黄河干流主要水电站所在河段及周边地区光能资源主要指标见表6,年水平面太阳能总辐射量分布见图3。

表6 黄河干流主要水电站所在河段及周边地区光能资源主要指标

图3 黄河干流主要水电站所在河段及周边地区年水平面太阳能总辐射量分布

5 结论

(1)黄河流域生态环境脆弱、生态类型丰富、生态地位重要,研究范围内分布有自然保护区、水产种质资源保护区、水源保护区、风景名胜区、地质公园、湿地公园等多种类型生态敏感区。研究范围内草地面积最大、占区域总面积的47.36%,其次为耕地面积、占区域总面积的24.60%,未利用土地面积占区域总面积的6.96%。碛口及以上河段,草地面积占比最大,比例为38%～70%；古贤及小浪底河段耕地面积占比最大,比例为40%～49%。

(2)黄河上中游地区水能、风能、光能资源丰富。干流水能资源理论蕴藏量3 117 万kW,宁木特、茨哈峡、龙羊峡、黑山峡、碛口、古贤、小浪底水电站调节能力强,在相应河段具有龙头作用。龙羊峡及以上河段、黑山峡河段风能资源最好,碛口河段风能资源次之,刘家峡、古贤、小浪底河段风能资源较差,但都有一定的开发潜力,总开发潜力3.75 亿kW。黑山峡河段、龙羊峡及以上河段、碛口河段光能资源最好,刘家峡、古贤河段光能资源次之,总体上均为太阳能资源很丰富地区,小浪底河段太阳能资源较差,为丰富地区,各河段太阳能资源具备开发利用条件,开发潜力为15.82亿kW。