宋天華 孟長青 王永強 李穎曼 鐘德鈺

摘要：大柳樹水利樞紐庫大水多沙少，開發(fā)條件十分優(yōu)越，在黃河治理開發(fā)中具有承上啟下的戰(zhàn)略作用，但黃河流域未來徑流量預計有所減小且已經(jīng)建有較多水利樞紐，因此一些學者提出大柳樹水利樞紐建設后將無水可蓄無水可調(diào)。為消除該疑慮，通過多種實測數(shù)據(jù)分析大柳樹水利樞紐建設的必要性，分析指出：①龍羊峽一河口鎮(zhèn)區(qū)間用水量大、有效庫容小，徑流調(diào)控能力不足，缺少統(tǒng)一調(diào)控工程;②龍羊峽、劉家峽水庫調(diào)控庫容不足，導致枯水年寧蒙灌區(qū)缺水，豐水年洪水泛濫、水資源流失;③根據(jù)南水北調(diào)工程西線工程規(guī)劃，蘭州一河口鎮(zhèn)段將增加22億m3供水量，屆時該段水資源調(diào)控庫容將更缺乏：④龍羊峽、劉家峽水庫水能利用效率低，寧夏回族自治區(qū)水力發(fā)電占比極低，大柳樹水利樞紐的建立將改善該區(qū)能源結(jié)構(gòu)、增加水電能源供給。因此，現(xiàn)狀條件下黃河上游仍然有水可蓄、有水可調(diào)，建設大柳樹水利樞紐是非常必要的。

關鍵詞：徑流調(diào)控：水力發(fā)電：大柳樹水利樞紐：黃河

中圖分類號：TV21;TV882.1

文獻標志碼：A

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

黃河流域水資源分布不均、供需不平衡，隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出，同時，黃河水沙調(diào)控體系尚未構(gòu)建完善，加之流域上游梯級水調(diào)和電調(diào)之間的需求沖突，導致以下問題：首先，黃河上游上段來水量大、下段需水量大，而黃河上游梯級水庫分布在其上段，不能完全滿足下段寧蒙河段工農(nóng)業(yè)用水與河道生態(tài)基流的調(diào)控需求;其次，為滿足發(fā)電需求，需攔蓄豐水期水量，使得有利于輸沙的中常洪水出現(xiàn)頻率大幅度降低，水沙關系惡化，寧蒙河段河道主槽淤積萎縮，行洪輸沙能力急劇下降，導致凌汛穩(wěn)封期冰下過流能力急劇降低，嚴重影響寧蒙河段防凌安全;再次，為滿足防凌需求，凌汛期前，水庫需騰出防凌庫容，常導致強迫棄水，而凌汛期需控制下泄流量，從而使發(fā)電量嚴重減少。為此，有專家和水利單位提出應盡快修建大柳樹水利樞紐。大柳樹水利樞紐位于黃河上游梯級電站的尾部、寧蒙河段的首部，是黃河水沙調(diào)控和水資源配置體系的主要組成部分，在黃河治理開發(fā)中具有承上啟下的戰(zhàn)略地位，其開發(fā)任務以協(xié)調(diào)黃河水沙關系和防凌（防洪）為主，兼顧供水、發(fā)電等綜合運用。何潛等[1]分析了大柳樹水利樞紐建設對黃河下游調(diào)水、寧蒙灌溉保障及解除凌汛威脅的作用;何憬[2]對大柳樹水利樞紐發(fā)電方面的效益進行了分析;趙業(yè)安等[3]分析認為大柳樹水利樞紐建設可增加可用水源，改善水沙條件，增加灌溉、生態(tài)、防凌防洪及發(fā)電等效益。受全球氣候變化的影響，黃河流域未來徑流量預計有所減少，一些學者提出大柳樹水利樞紐建設后將無水可蓄，為反駁該觀點，本文將統(tǒng)計多種實測數(shù)據(jù)，詳細分析大柳樹水利樞紐建設的必要性。

1 黃河流域現(xiàn)狀條件下仍然有水可調(diào)有水可蓄

大柳樹水利樞紐位于黃河干流黑山峽出口以上2km、寧夏中衛(wèi)市境內(nèi)，黑山峽河段上游流域面積25.2萬km2，多年平均徑流量333億m3，可開發(fā)裝機容量約2 000 MW。根據(jù)《黃河流域綜合規(guī)劃》[4]，大柳樹水利樞紐主要功能為對上游梯級電站下泄水量進行反調(diào)節(jié)，結(jié)合防凌蓄水將非汛期富余的水量調(diào)節(jié)到汛期，并將南水北調(diào)西線工程配置的河道內(nèi)輸沙用水調(diào)節(jié)到汛期，改善寧蒙河段水沙關系，消除龍羊峽水庫、劉家峽水庫汛期大量蓄水運用對寧蒙河段造成的不利影響，并調(diào)控凌汛期流量，保障寧蒙河段防凌安全，同時調(diào)節(jié)徑流，為寧蒙河段工農(nóng)業(yè)和生態(tài)灌區(qū)適時供水。

水庫是攔洪蓄水和調(diào)節(jié)水流的水利建筑物，其攔洪蓄水的目的是用于灌溉、發(fā)電、防洪和漁業(yè)，黃河是否有水可調(diào)有水可蓄，要從有效庫容分析。根據(jù)《黃河流域水資源綜合規(guī)劃》，1956-2000年系列黃河流域水資源總量為647.0億m3/a;根據(jù)黃河水資源公報統(tǒng)計，2004-2016年黃河流域水資源總量為583.55億m3/a（不考慮內(nèi)流區(qū)）[5]。黃河干流和支流現(xiàn)有水庫總庫容為636.63億m3（其中干流求庫分布及參數(shù)見表1）。為保障流域灌溉、發(fā)電、航運、漁業(yè)以及旅游等各用水部門需要，水庫水位不能低于某一高程，這一高程的水位稱為死水位（見圖1）。而為滿足興利需要，在開始供水時應蓄到的水位，稱正常蓄水位。死水位與正常蓄水位之間的庫容為興利庫容（也稱有效庫容），這一部分庫容可對水資源進行調(diào)配。

水庫供水能力計算公式為

V初+ W來- W田 - W損- W棄=V末 （1）式中：V初 為水庫初始蓄水量;W米 為水庫來水量; W為用戶用水量;W損 為水庫蒸發(fā)滲漏損失量;W棄 為水庫棄水量;V末 為水庫期末蓄水量。

某段時間內(nèi)，水庫初始蓄水量V 初，加上水庫來水量W來，扣除用戶用水量W用、水庫蒸發(fā)滲漏損失量W損 及水庫棄水量W棄 ，得到水庫末時間蓄水量V末。

在汛期初期，水庫需調(diào)節(jié)水位至防洪限制水位，到汛末水庫可蓄水至正常蓄水位。V末減V初 可得到汛期水庫蓄水量W蓄，由于防洪限制水位高于死水位，因此W蓄值小于等于水庫的有效庫容。不考慮水庫損失水量，式（1）可改寫為

W 來- W用 - W蓄=W棄? （2）

W蓄≤W有效庫容式中：W蓄 為水庫蓄水量;W有效庫容為水庫的有效庫容。

由式（2）可知：在汛期，若某段區(qū)域W田、W蓄不變，來水量越大，則棄水量就越多，而W蓄 越大則能減小棄水量;在非汛期，W來 較小，而W用 較大，則需要水庫供水，水庫供水量受W蓄限制且小于W有效庫容;在凌汛期，水庫需控制W棄，同時 W有較小，區(qū)間來水量及上游下泄水量需要水庫蓄水，如果形蓄容量不足，則可能導致W棄 過大，凌汛期存在安全隱患。因此，無論是汛期或非汛期凌汛期，W蓄 容量較小，都會導致棄水或者供水不足或者棄水下泄過多的問題。

對比流域水資源量和有效庫容分布（見圖2，數(shù)據(jù)來源于《黃河水資源公報》）可知，到2016年年底黃河流域骨干水庫累計有效庫容為336.60億m3，小于流域總年均水資源量。從各段來看，龍羊峽以上段水資源量最大，為197.94億m3;龍羊峽一蘭州段水資源量第二，為133.44 m3;龍門一三門峽段水資源量第三，為116.48億m3;蘭州一河口鎮(zhèn)段水資源量為負值，其耗水主要依靠上游來水。在汛期，假設龍羊峽以上來水全部攔蓄在龍羊峽水庫不下泄，龍羊峽一河口鎮(zhèn)段汛期全部來水為69.32億m3（2003-2016年）.而統(tǒng)計龍羊峽多年汛期下水量為70.11億m3（ 2003-2016年），則汛期該段來水139.43億m3，耗水量為56.70億m3（見表2），而該段有效庫容51.82億m3，假如水庫汛期蓄水量最大達到有效庫容值，則汛期該段平均棄水量為30.90億m3。而一般情況下水庫蓄水量是小于有效庫容的，則汛期平均棄水量將更大，因此現(xiàn)有有效庫容無法滿足其調(diào)控需求。同理，河口鎮(zhèn)一龍門段汛期來水量為20.51億m3，也存在有效庫容不足的問題。龍門以下段由干三門峽有效庫容未考慮.因此暫不計算。

對比流域總用水量和有效庫容分布（見圖2、表2）可知，水庫庫容主要分布在蘭州以上河段，該河段有效庫容占流域總有效庫容的72.99%.該河段用水量占流域總用水量的8.09%。蘭州一河口鎮(zhèn)河段總用水量最大，占流域總用水量的40.94%.而該河段的有效庫容僅占總有效庫容的1.54%，用水主要通過干支流的多個小型引提水工程提供。龍門一三門峽河段用水量占流域總用水量的13.82%，該河段的有效庫容（不含三門峽水庫）僅占總有效庫容的2.38%，用水也主要通過干支流的引提水工程，各小型引提水工程取水管理不規(guī)范不統(tǒng)一，成本高且水資源浪費嚴重，歷史上不少枯水年份該區(qū)間供水量無法滿足用水需求。該段供水任務由龍羊峽、劉家峽水庫同時承擔，導致灌溉期龍羊峽、劉家峽水庫不能充分蓄水，而在凌汛期前騰空防凌庫容需棄水，凌汛期為防止河道水位壅高而控制下泄水量，導致發(fā)電效益降低。因此，建設大柳樹水利樞紐可增加有效庫容攔蓄棄水，并合理分配各階段用水量，將大部分揚水變?yōu)樽粤?，降低取水成本，提高發(fā)電和灌溉效益。綜上分析，黃河上中游水資源量與有效庫容、用水量與有效庫容存在不匹配問題，其中蘭州一河口鎮(zhèn)段問題最為突出，因此該段有必要建設大型水利樞紐，從而有效調(diào)蓄水資源、實現(xiàn)合理優(yōu)化供水。

2 現(xiàn)狀工程條件下上游水庫對豐、枯年來水調(diào)控不足

蘭州一河口鎮(zhèn)段寧蒙地區(qū)有歷史悠久的農(nóng)業(yè)灌區(qū)，其中寧夏灌區(qū)主要包括衛(wèi)寧灌區(qū)和青銅峽灌區(qū)，內(nèi)蒙古灌區(qū)包括河套灌區(qū)及黃河南岸灌區(qū)等。根據(jù)《黃河水資源公報》[5]統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得到2001-2016年寧夏回族自治區(qū)及內(nèi)蒙古自治區(qū)各行業(yè)多年平均耗水量（見表3）。由表3可知：寧夏與內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)耗水量占比最大，分別為72.86%和79.22%;寧夏林牧漁畜耗水占比第二（為14.41%），而內(nèi)蒙古工業(yè)耗水占比第二（為8.13%）;寧夏與內(nèi)蒙古城鎮(zhèn)公共及生態(tài)環(huán)境用水較少。

2000年以來，寧蒙灌區(qū)已基本形成較為穩(wěn)定的種植結(jié)構(gòu)，主要種植春小麥等糧食作物。司源[6]根據(jù)“八七”分水方案規(guī)定的各?。▍^(qū)）用水標準，結(jié)合2000-2009年寧蒙灌區(qū)各月耗水過程及耗引比，得到寧蒙灌區(qū)逐月需水過程。本文根據(jù)司源[6]計算結(jié)果得到各月農(nóng)業(yè)耗水比例，結(jié)合2001-2016年的農(nóng)業(yè)耗水及各行業(yè)耗水多年平均值（見表3），算出2001-2016年各月寧夏與內(nèi)蒙古實際耗水，同時得到寧夏與內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)灌溉取耗水比值分別為0.53、0.82，得到每月寧蒙取水值（由于寧夏退水可流入黃河石嘴山以下河段，因此每月再扣除寧夏退水量）。不同行業(yè)對水資源的需求年內(nèi)變化不同，工業(yè)、城鎮(zhèn)公共、居民生活、林牧漁畜及生態(tài)環(huán)境可認為各月均等，最終寧夏、內(nèi)蒙古各月取水、耗水量見表4。

由表4可知，寧夏取耗水集中在3-8月，內(nèi)蒙古取耗水集中在4-10月。黃河上游來水經(jīng)過龍羊峽水庫調(diào)蓄下泄經(jīng)過貴德站，其中部分水資源被甘肅省耗用并流入劉家峽水庫，經(jīng)劉家峽水庫調(diào)蓄下泄到達下河沿站，下河沿一石嘴山區(qū)間為寧夏灌區(qū)供水，石嘴山以下為內(nèi)蒙古灌區(qū)供水。計算2001-2016年多年平均寧蒙灌區(qū)上游主要控制站各月徑流量及寧蒙灌區(qū)總耗水量、取水量，見圖3。由圖3可知，經(jīng)過龍羊峽水庫調(diào)節(jié)，貴德站徑流過程月變化較為平穩(wěn)，再經(jīng)劉家峽水庫調(diào)節(jié)，小川站徑流過程曲線接近寧蒙灌區(qū)需水曲線，而下河沿站月徑流量均大于寧蒙灌區(qū)取耗水需求量。從多年平均分析，龍羊峽、劉家峽水庫可為寧蒙灌區(qū)調(diào)控足夠的水量，保障其農(nóng)業(yè)灌溉，但來水較多或較少年份，龍羊峽、劉家峽水庫的調(diào)控問題即顯露出來。分析2003年下河沿以上站徑流量（見圖4）可知，由于2003年前出現(xiàn)枯水年，因此龍羊峽水庫下泄水量逐月降低且較2001-2016年多年平均值偏低，同時劉家峽水庫下泄流量也偏小，從而下河沿站4-7月灌溉期徑流量嚴重減少，導致該年農(nóng)業(yè)損失嚴重[7]。2012年黃河上中游發(fā)生1989年以來最大洪水，龍羊峽、劉家峽水庫攔蓄洪量54億m3，最大削峰47%，但貴德、小川、下河沿各站汛期流量遠大于多年平均值（見圖5），其中下河沿站8月徑流量比多年平均多40億m3.洪災造成干流堤防多處滲水、受損，造成經(jīng)濟損失共25億元[8]。因此，龍羊峽、劉家峽水庫的聯(lián)合調(diào)度在豐、枯水年仍然存在較大局限，下河沿站上游缺少大型水利樞紐調(diào)峰補枯，不能保障沿黃各?。▍^(qū)）的生產(chǎn)生活用水安全。

3 南水北調(diào)工程西線規(guī)劃來水需要控制性骨干工程調(diào)節(jié)

近30多a來，我國北方地區(qū)主要河流徑流量總體呈下降趨勢，2025年將有可能面臨資源性缺水。我國西北地區(qū)日趨嚴重的荒漠化不僅導致生態(tài)問題愈加突出，而且加劇了地區(qū)發(fā)展不平衡，嚴重影響了我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。作為緩解北方地區(qū)水資源嚴重短缺局面的重大戰(zhàn)略性基礎設施，南水北調(diào)工程規(guī)劃分東、中、西3條線路從長江調(diào)水，與長江、淮河、黃河、海河相互連接，構(gòu)成我國中部地區(qū)水資源“四橫三縱、南北調(diào)配、東西互濟”的總體格局。

《南水北調(diào)工程總體布局》提出，“在長江上游通天河、支流雅礱江和大渡河上游筑壩建庫，開鑿穿過長江與黃河分水嶺巴顏喀拉山的輸水隧洞，調(diào)長江水入黃河上游。西線工程的供水目標，主要是解決涉及青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西等6?。▍^(qū)）黃河上中游地區(qū)和渭河關中平原的缺水問題。結(jié)合興建黃河干流上的大柳樹水利樞紐等工程，還可以向臨近黃河流域的甘肅河西走廊地區(qū)供水，必要時也可相機向黃河下游補水。規(guī)劃分三期實施……南水北調(diào)工程規(guī)劃最終調(diào)水規(guī)模448億m3，其中：東線148億m3，中線130億m3，西線170億m 3”。

《黃河流域綜合規(guī)劃》指出：2020年，黃河調(diào)入水量12.63億m3（其中引漢濟渭一期10億m3.引乾濟石0.47億m3，引紅濟石0.90億m3，南水北調(diào)東線工程調(diào)入山東黃河流域1.26億m3）;2030年，引漢濟渭二期工程增加5億m3，南水北調(diào)西線一期工程增加80億m3，調(diào)入水量增加97.6億m3，調(diào)入水量的一部分用于河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境，一部分用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。南水北調(diào)西線一期工程建成后，河口鎮(zhèn)以上可供水量將增加，其中蘭州一河口鎮(zhèn)段相對基準年將增加供水量將近22億m3（見表5）。目前上游已建工程難以協(xié)調(diào)寧蒙河段減淤、供水、防凌和發(fā)電之間的矛盾，寧蒙河段水沙關系惡化，主槽淤積萎縮，防凌形勢十分嚴峻，附近地區(qū)能源基地建設和生態(tài)建設要求大柳樹水利樞紐提供水源條件。

根據(jù)《寧夏回族自治區(qū)水資源公報》及《內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源公報》統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得到2001-2016年寧夏及2003-2016年內(nèi)蒙古各行業(yè)耗水量占比（見圖6、圖7），可知兩區(qū)農(nóng)業(yè)耗水量最大，但工業(yè)耗水量占比與生態(tài)用水量占比明顯增高，各月工業(yè)用水較為平均，而農(nóng)業(yè)用水較為集中，行業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整對蘭州一河口鎮(zhèn)段供水保障率提出了新的要求，如何合理分配工業(yè)與農(nóng)業(yè)的水資源量成為一個亟待解決的難題。根據(jù)上述分析可知，現(xiàn)狀情況下該段有效庫容與水資源量、供水量已經(jīng)出現(xiàn)嚴重不匹配問題，而未來增加的水量更需要足夠的庫容進行工農(nóng)業(yè)與生態(tài)耗水的調(diào)節(jié)，因此建設大柳樹水利樞紐勢在必行。

4 黃河上游水力發(fā)電供給能力有待提高

黃河上游梯級電站除了承擔發(fā)電任務外，還承擔沿岸灌溉、工業(yè)及城市生活用水等綜合利用任務，因此水庫運用方式不僅受電網(wǎng)運行控制，而且受綜合用水制約[9]，其中電站下游引黃灌溉用水對電網(wǎng)運行影響最大。寧蒙河段無控制性水利樞紐，為保證寧蒙灌區(qū)枯水期用水，龍羊峽、劉家峽電站持續(xù)低水位運行，影響后續(xù)若干年調(diào)度運行，損害電網(wǎng)長期效率[10]。分析1999年以來青海省發(fā)電量及消費量（見圖8）可知，2004年前青海省水力發(fā)電量低.2004年后大幅增長，但年內(nèi)總發(fā)電量小于總電力消費量，因此建設大柳樹水利樞紐可以使龍羊峽水庫發(fā)電量相應增加，青海省用電保障率亦可得到進一步提高。

《中國的能源政策》指出，中國能源必須走科技含量高、資源消耗低的發(fā)展道路，實現(xiàn)節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展和安全發(fā)展。分析1999年以來寧夏發(fā)電量及消費量可知（見圖9），近20 a來寧夏電力消費量高速增長，但發(fā)電量95%以上依靠火力發(fā)電，水力發(fā)電多年保持在20億kW.h以下，僅占該區(qū)總發(fā)電量的2%左右，遠遠低于全國水力發(fā)電占總發(fā)電量16%的比例。寧夏境內(nèi)黑山峽段水能資源豐富，建設水利樞紐有著現(xiàn)實需求及有利的地理條件，大柳樹水利樞紐裝機容量為200萬kW，多年平均發(fā)電量為76.1億kW·h，能有效改善寧夏電力能源結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

（1）汛期龍羊峽一河口鎮(zhèn)段區(qū)間水資源量加上龍羊峽水庫下泄水量遠大于該段有效庫容，水資源調(diào)控能力不足。

（2）蘭州一河口鎮(zhèn)段總用水量占流域總用水量的40.94%.而該河段的有效庫容僅占流域總有效庫容的1.54%，該河段的灌溉用水效率低、揚水工程耗電量大、缺少統(tǒng)一調(diào)控工程。

（3）豐、枯來水年龍羊峽、劉家峽水庫調(diào)控庫容不足，導致枯水年寧蒙灌區(qū)缺水、豐水年水資源流失。

（4）南水北調(diào)西線一期工程建成后，蘭州一河口鎮(zhèn)段將增加22億m3供水量，屆時該段水資源調(diào)控能力將更缺乏。

（5）龍羊峽、劉家峽水庫受為寧蒙灌區(qū)供水制約，水能利用效率低，發(fā)電量不高;同時，寧夏水力發(fā)電占比極低，火力發(fā)電對環(huán)境污染大，建設大柳樹水利樞紐可以改善該區(qū)的電力能源結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)狀條件下黃河上游仍然有水可蓄、有水可調(diào)，且上游蘭州一河口鎮(zhèn)段亟需建設大型水利樞紐進行水資源調(diào)控，因此應該及早開工建設大柳樹水利樞紐工程，發(fā)揮其綜合效益。

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【責任編輯 張華興】

收稿日期：2019- 07 - 08

基金項目：國家自然科學基金資助項目（ 91547204.41901028）

作者簡介：宋天華（1984-），男，寧夏銀川人，工程師，碩士，主要從事水利工程管理工作

通信作者：孟長青（1989-），女（回族），湖南邵陽人，講師，博士，研究方向為水文水資源