謝遵黨，唐梅英，王建利，楊 建，虎 珀

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)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 雙碳目標(biāo)對黃河流域的要求

實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，是以習(xí)近平同志為核心的黨中央統(tǒng)籌國內(nèi)國際兩個大局作出的重大戰(zhàn)略決策，是著力解決資源環(huán)境約束突出問題、實現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的必然選擇，是構(gòu)建人類命運共同體的莊嚴(yán)承諾。

據(jù)研究，實現(xiàn)碳中和要求減排CO2109億t，其中能源生產(chǎn)需減排87億t，占總減排量的80%，電力生產(chǎn)需減排38億t，占能源生產(chǎn)減排量的44%［1］。實現(xiàn)雙碳目標(biāo)，能源是主戰(zhàn)場，電力是主力軍，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整是實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的核心，大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能等新能源是關(guān)鍵。預(yù)計我國2030年一次能源需求總量為60億t標(biāo)煤，2060年低于60億t標(biāo)煤?？紤]電力替代和電力制氫需求，預(yù)測2030年、2060年我國電能占終端能源消費比例分別為33%、66%。預(yù)測我國2030年能源總裝機容量為38.0億kW，其中清潔能源裝機容量25.7億kW、占比67.6%，清潔能源發(fā)電量5.8×104億kW·h、占比52.5%；2060年能源總裝機容量為80億kW，其中清潔能源裝機容量77億kW、占比96%。2060年，光伏和風(fēng)電裝機容量占比78.6%，發(fā)電量占比70.0%；水電（含抽水蓄能）裝機容量7.6億kW、占比9.5%，發(fā)電量2.4×104億kW·h、占比15%［2］。在以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，水電將為新能源大規(guī)模消納發(fā)揮不可替代的支撐作用，為實現(xiàn)雙碳目標(biāo)、保障國家能源安全做出重要貢獻(xiàn)。

黃河流域是我國的“能源流域”，貢獻(xiàn)了全國80%的原煤、33%的石油、35%的天然氣和32%的發(fā)電量，是國家能源安全的支柱，有力地支撐了京津冀和華北華中地區(qū)的發(fā)展。2019年9月18日，習(xí)近平總書記主持召開黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會，黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略；2021年10月，國務(wù)院印發(fā)的《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》提出支持風(fēng)能、太陽能豐富地區(qū)構(gòu)建風(fēng)光水多能互補系統(tǒng)，到2030年黃河流域可再生能源裝機容量在全國占比大于13%的目標(biāo)。由此，黃河流域2030年風(fēng)電、光伏、常規(guī)水電、抽水蓄能等可再生能源裝機容量至少3.33億kW，其中水電裝機容量0.34億kW，風(fēng)光等裝機容量2.99億kW。截至2020年，黃河流域可再生能源總裝機容量為1.12億kW，與2030年預(yù)測結(jié)果相比，裝機容量缺口為2.21億kW。

2 黃河流域的水風(fēng)光土資源

黃河流域尤其是上中游地區(qū)的水能資源、煤炭、石油和天然氣資源十分豐富，中游地區(qū)被列為我國西北地區(qū)十大礦產(chǎn)資源集中區(qū)之一。黃河流域水能資源理論蘊藏量為43 312.1 MW，年發(fā)電量為3 794億kW·h［3］，在我國七大江河中居第二位。在全國已探明儲量超過100億t的26個煤田中，黃河流域有11個。黃河流域已探明的石油、天然氣主要分布在勝利、中原、長慶和延長4個油區(qū)，其中勝利油田是我國的第二大油田。黃河流域亦是全國風(fēng)光資源的富集區(qū)，風(fēng)能資源、太陽能資源理論開發(fā)儲量分別為1 435.94 GW和48.49×1014億kW·h，占全國的44.5%和33.0%。我國西北地區(qū)的后備土地資源大部分位于黃河沿岸地區(qū)，僅河套平原和河西走廊地區(qū)已列入國家后備耕地資源范圍內(nèi)或完成灌區(qū)規(guī)劃的土地面積即達(dá)533萬hm2，利用條件稍加改善便可創(chuàng)造大量碳匯效益。

2.1 水能資源

黃河流域水能資源豐富。流域水能資源理論蘊藏量43 312.1 MW，干流理論蘊藏量32 827.0 MW、占全流域的75.79%，上中游理論蘊藏量31 167 MW、占黃河干流的94.94%。流域技術(shù)可開發(fā)的裝機容量10 MW以上的水電站有144座，總裝機容量36 350 MW，年發(fā)電量1 312億kW·h。黃河是我國七大江河中水能資源開發(fā)利用程度較高的河流之一，干流規(guī)劃水電梯級42座，總裝機容量34 443 MW，其中已（在）建水電梯級33座，裝機容量22 243 MW（占總裝機容量的64.6%），規(guī)劃新建水電梯級9座，裝機容量12 200 MW。

黃河支流水能資源理論蘊藏量10 485 MW，年發(fā)電量919億kW·h；可開發(fā)的裝機容量10 MW以上的水電站91座，總裝機容量2 167 MW，年發(fā)電量98億kW·h。支流已（在）建水電站218座，總裝機容量814 MW，年發(fā)電量39億kW·h。與干流相比，黃河支流水能資源少，開發(fā)利用程度低。水能資源理論蘊藏量大于500 MW的支流有洮河、湟水、渭河和伊洛河等4條；100～500 MW的支流有切木曲、曲什安河、隆務(wù)河、大夏河、無定河、汾河和沁河等7條；其余支流蘊藏量小于100 MW，開發(fā)條件較差。

2.2 風(fēng)能資源

黃河流域尤其是上中游地區(qū)風(fēng)能資源豐富。黃河流域八?。▍^(qū)）（不包括四川省，下同）風(fēng)能資源理論開發(fā)儲量1 435.94 GW，技術(shù)開發(fā)儲量112.55 GW，均占全國的44.50%左右，具有巨大的開發(fā)潛力。黃河流域八?。▍^(qū)）中，內(nèi)蒙古風(fēng)能資源儲量最大，占全國風(fēng)能資源儲量的24.39%；寧夏儲量最小，占全國風(fēng)能資源儲量的0.59%。各省（區(qū)）風(fēng)能資源儲量及全國占比見表1。

表1 黃河流域各?。▍^(qū)）風(fēng)能資源儲量及全國占比

2.3 光能資源

我國太陽能資源十分豐富，但是資源分布不均衡，太陽能輻射值較高區(qū)域主要集中在青藏地區(qū)與西北地區(qū)。黃河流域光能資源非常豐富，主要分布在西北及華北地區(qū)［4］，年輻射值為5 890～65 300 MJ／m2，其中上中游的青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西大部分屬I類地區(qū)和Ⅱ類地區(qū)。黃河流域八?。▍^(qū)）光能資源理論儲量為48.49×1014億kW·h，占全國陸上理論儲量（147.25×1014億kW·h）的32.93%，其中：內(nèi)蒙古光能資源理論儲量最高，占全國光能資源儲量的12.06%；寧夏面積較小，理論儲量只有全國的0.74%。各省（區(qū)）光能資源儲量及全國占比見表2。

表2 黃河流域各?。▍^(qū)）光能資源儲量及全國占比

通過分析不同地區(qū)年平均輻照度、日照時數(shù)及日照穩(wěn)定性3個因素，對太陽能資源開發(fā)潛力進(jìn)行綜合等級劃分：青海西部為極度優(yōu)質(zhì)區(qū)，甘肅北部、青海北部、寧夏、內(nèi)蒙古中部屬于優(yōu)質(zhì)區(qū)，內(nèi)蒙古東部、甘肅中部、陜西北部、山西北部屬于良好區(qū)［5］。

2.4 抽水蓄能資源

黃河流域上中游地區(qū)地域遼闊，地形起伏大，多山地，寧夏、甘肅、內(nèi)蒙古、山西山地占比分別為20.92%、25.97%、20.90%、36.00%，陜西和青海山地占比更高，為抽水蓄能點優(yōu)中選優(yōu)提供了便利條件。西北地區(qū)地廣人稀，且各類自然保護(hù)區(qū)及生態(tài)紅線等禁止開發(fā)區(qū)域面積相對較小（其中：寧夏禁止開發(fā)區(qū)占比約9%；甘肅禁止開發(fā)區(qū)占比18%；青海分布有三江源自然保護(hù)區(qū)等較大范圍的自然保護(hù)區(qū)，禁止開發(fā)區(qū)占比相對較多，為32%），為抽水蓄能選點提供了巨大的空間。另外，西北地區(qū)地廣人稀，征地及拆遷問題相對較少，可大大降低工程建設(shè)成本。

目前，黃河流域上中游地區(qū)已建抽水蓄能裝機容量240萬kW，全國占比為7.40%；在建抽水蓄能裝機容量530萬kW，全國占比為9.60%；“十四五”及中長期規(guī)劃儲備站點裝機容量7 775萬kW，全國占比約27.77%［6］。黃河上中游六?。▍^(qū)）抽水蓄能電站裝機容量見表3。

表3 黃河上中游六?。▍^(qū)）抽水蓄能電站裝機容量萬kW

2.5 土地資源

黃河流域土地資源豐富，土地面積79.5萬km2（包括內(nèi)流區(qū)面積4.2萬km2），占全國國土面積的8.3%，其中：山地和丘陵分別占流域總面積的40%和35%，平原占流域面積的17%。地貌、氣候和土壤的差異形成了復(fù)雜多樣的土地利用類型。2016年年底，黃河流域內(nèi)共有耕地0.13億hm2，約占全國耕地面積（1.35億hm2）的9.6%。據(jù)初步統(tǒng)計，全流域宜開墾的荒地約200萬hm2，占全國宜農(nóng)荒地總量（667萬hm2）的30%，主要分布在黑山峽至河口鎮(zhèn)區(qū)間的沿黃臺地，是我國重要的后備耕地，若水資源條件具備，則開發(fā)潛力很大。

西北地區(qū)的后備土地資源中大部分位于黃河沿岸地區(qū)，僅河套平原和河西走廊地區(qū)已列入國家后備耕地資源范圍內(nèi)或完成灌區(qū)規(guī)劃的土地面積就有533萬hm2左右，其中黑山峽生態(tài)灌區(qū)400多萬hm2、河西走廊133萬hm2［7］。黃河流域共有沙漠沙地面積7.89萬km2，占整個流域面積（包括內(nèi)流區(qū)）的9.9%，共有6片，分別是毛烏素沙地、庫布齊沙漠、烏蘭布和沙漠、河?xùn)|沙區(qū)、共和沙區(qū)、騰格里沙漠（騰格里沙漠在黃河流域的面積只有700 km2），其中面積最大的是毛烏素沙地，面積為4.22萬km2。解決了水資源制約后，西北地區(qū)的土地資源潛力就可轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實可用的土地資源。

3 水風(fēng)光再生能源一體化研究

能源的低碳、零碳轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的核心，以風(fēng)電、光伏為代表的可再生能源必須在未來能源供給中承擔(dān)主體作用，但其波動性和消納問題的解決是關(guān)鍵。水電依托高壩大庫，具有長周期調(diào)節(jié)與儲能作用，既是一種主要的可再生能源，也是消納風(fēng)光等間歇式能源并網(wǎng)、電網(wǎng)穩(wěn)定運行的重要保障。為達(dá)到雙碳目標(biāo)，梯級水電的功能亟待調(diào)整，實現(xiàn)由電量為主、調(diào)節(jié)為輔，向電量、調(diào)節(jié)并重及調(diào)節(jié)為主、電量為輔的格局轉(zhuǎn)變。綜合考慮零碳電力需求，梯級電站擴容增效和后續(xù)水電開發(fā)，黃河流域常規(guī)水電裝機容量2025年可達(dá)0.21億kW，2030年為0.22億kW，2060年應(yīng)超過0.34億kW。圍繞水電梯級主要從以下4方面提出黃河流域水風(fēng)光再生能源一體化方案。

3.1 利用存量水電站帶動周邊的風(fēng)光開發(fā)，形成水風(fēng)光一體化能源綜合開發(fā)基地

水風(fēng)光一體化能源綜合開發(fā)基地是以已（在）建和規(guī)劃的黃河干流梯級水電為依托，規(guī)劃配置一定規(guī)模的風(fēng)光電，通過水風(fēng)光一體化建設(shè)，由梯級水電站帶動周圍風(fēng)光資源開發(fā)，借助水電靈活調(diào)節(jié)能力平抑新能源發(fā)電出力波動，更大程度上促進(jìn)新能源消納。一體化基地建成后，將持續(xù)輸送大規(guī)模清潔能源，在能源增量替代、存量替代中發(fā)揮重要作用，是我國能源轉(zhuǎn)型的重要支撐。

黃河干流瑪曲—花園口河段，河道長度3 514 km，平均比降0.094%，規(guī)劃水電梯級42座，總裝機容量34 443 MW，其中已（在）建33座、裝機容量22 243 MW。考慮到尼那、河口、天橋三電站調(diào)節(jié)能力有限，三盛公、桃花峪水庫不進(jìn)行水電開發(fā)，爾多、大河家、直崗拉卡、積石峽附近風(fēng)光資源條件一般，可納入黃河水風(fēng)光一體化基地的水電梯級33座，2025年生效電站27座、裝機容量20 689 MW，2035年生效電站33座、裝機容量31 529 MW。綜合考慮水電送出通道限制、水電站周邊風(fēng)光資源稟賦、生態(tài)紅線及地類限制、水電站在電力系統(tǒng)中的作用、水電站的調(diào)節(jié)性能和互補能力、基地建設(shè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等，開展水風(fēng)光一體化配置。

2025年情景及價格水平下，利用黃河干流已（在）建的存量水電站開展水風(fēng)光基地建設(shè)，基地總裝機容量45 213 MW，其中：水電站27座、裝機容量20 689 MW，風(fēng)電裝機容量4 962 MW，光伏裝機容量19 562 MW，水電與風(fēng)光配比為1∶1.19。

2035年情景及價格水平下，黃河流域水風(fēng)光基地總裝機容量70 770 MW，其中：水電站33座、裝機容量31 529 MW，風(fēng)電裝機容量9 131 MW，光伏裝機容量30 110 MW，水電與風(fēng)光配比為1∶1.24。

3.2 充分挖掘梯級電站調(diào)節(jié)潛力，對梯級電站進(jìn)行擴容增效

黃河干流已建梯級電站規(guī)劃較早，以增發(fā)電量為主要目標(biāo)，還存在挖掘調(diào)節(jié)潛力的空間。

一方面，可擴大梯級水電裝機容量，縮減利用小時數(shù)。當(dāng)前大型梯級水電站以提供電量為主，水電利用小時數(shù)總體呈增加趨勢。初步分析選取黃河流域已建大型梯級（裝機容量20萬kW以上）龍羊峽、拉西瓦、李家峽、公伯峽、蘇只、積石峽、鹽鍋峽、八盤峽、青銅峽、班多、小浪底水電站為研究對象，分析水電年利用小時數(shù)在2010年至2020年的變化趨勢。這11座電站裝機容量總計1 343.3萬kW，2011年至2017年平均年利用小時數(shù)在3 375 h上下浮動，2018年起穩(wěn)定增長，2018年為4 225 h，2019年為4 874 h，2020年為5 139 h。目前，龍羊峽至青銅峽河段已建梯級電站多年平均利用小時數(shù)在3 300 h以上，其中龍羊峽為4 697 h，劉家峽為3 692 h，鹽鍋峽、八盤峽年均為5 000 h左右。通過增加水電裝機容量，合理縮減利用小時數(shù)，可充分發(fā)揮水電的容量作用，更好滿足電力系統(tǒng)調(diào)峰、新能源消納的需求。黃河流域已建電站裝機容量經(jīng)擴機改造后，至少增加1 800萬kW，可帶動新能源消納3 000萬kW以上。

另一方面，可動態(tài)控制梯級水庫水位，充分挖掘其可利用庫容。在不降低防洪標(biāo)準(zhǔn)的前提下，提高洪水資源利用率，充分挖掘調(diào)度潛力、抬高發(fā)電水頭以增加發(fā)電量。如：通過龍羊峽汛限水位研究，使其汛限水位提高2 m，年發(fā)電量增加0.08億kW·h；汛限水位從2 588 m提升至2 594 m（設(shè)計汛限水位），多年平均來水情況下，龍羊峽水庫年發(fā)電量可增加0.8億kW·h，梯級電站年發(fā)電量可增加2.8億kW·h（上游梯級增加2.2億kW·h，中下游梯級增加0.6億kW·h）［8］，顯著提高黃河干流梯級電站發(fā)電效益。

3.3 充分發(fā)揮龍頭電站作用，建設(shè)水風(fēng)光儲四位一體清潔能源基地

按照黃河流域綜合規(guī)劃的有關(guān)成果，截至2020年，黃河干流瑪曲以下河段已（在）建常規(guī)水電裝機容量2 224萬kW，規(guī)劃未建電站裝機容量1 220萬kW，未建裝機容量占規(guī)劃總裝機容量的35.4%，加上瑪曲以上的5座梯級電站，尚有較大的開發(fā)潛力。

充分利用上中游具有龍頭作用的電站，如上游寧木特、茨哈峽、龍羊峽、黑山峽，中游古賢、磧口、小浪底等水電站，總庫容達(dá)909.81億m3，調(diào)節(jié)庫容達(dá)406.29億m3，常規(guī)水電裝機容量可達(dá)1 944萬kW，考慮抽蓄裝機容量可超5 674萬kW，將極大地帶動新能源開發(fā)消納，發(fā)揮巨大效益。以龍頭電站為依托可形成7個相對獨立的清潔能源基地，總裝機容量19 254萬kW，總發(fā)電量超過3 200億kW·h，相當(dāng)于節(jié)約1.31億t標(biāo)煤，減少碳排放3.27億t。

根據(jù)研究，青海河段（瑪曲—積石峽）利用規(guī)劃的寧木特（包括在建的瑪爾擋、規(guī)劃的爾多）、茨哈峽及已建的龍羊峽，構(gòu)建青海省優(yōu)勢互補的高質(zhì)量、清潔能源區(qū)，形成“一廊三區(qū)”水風(fēng)光儲多能互補清潔能源基地整體布局，3個基地總裝機容量8 200萬kW，其中水電裝機容量2 710萬kW、新能源裝機容量5 490萬kW［9］。

“幾”字彎河段以黑山峽水利樞紐為中心和主電源，通過對現(xiàn)狀及規(guī)劃的水風(fēng)光抽蓄邊界條件分析，厘清研究區(qū)域可利用的能源特性及分布情況，提出多能互補清潔能源基地布局方案，構(gòu)建“一點一廊兩區(qū)”的黑山峽河段多能互補清潔能源基地格局，形成“一點”支撐“一廊”帶動“兩區(qū)”、多地聯(lián)動（寧夏、甘肅、華中、華東）、整合區(qū)域、輻射全國的黑山峽河段清潔能源發(fā)展新態(tài)勢?？傃b機容量6 170萬kW，其中水電裝機容量1 720萬kW，新能源裝機容量4 450萬kW。

中游河段圍繞磧口、古賢、小浪底打造3個千萬千瓦級的水風(fēng)光儲清潔能源基地，總裝機容量4 884萬kW，年發(fā)電量894億kW·h。

黃河流域水風(fēng)光儲四位一體多能互補清潔能源基地規(guī)模見表4，布局見圖1。

表4 黃河流域水風(fēng)光儲四位一體多能互補清潔能源基地規(guī)模

圖1 黃河流域水風(fēng)光儲四位一體多能互補清潔能源基地布局

3.4 與跨流域調(diào)水結(jié)合，利用廣袤的荒漠土地進(jìn)行碳匯

黃河流域在進(jìn)行生態(tài)建設(shè)的同時，可通過碳循環(huán)與捕集利用消除CO2，在固碳端助力雙碳目標(biāo)的實現(xiàn)，具有相當(dāng)大的潛力。

南水北調(diào)西線工程是從長江上游干支流調(diào)水至黃河上游的重大跨流域調(diào)水工程，是解決我國西北地區(qū)干旱缺水的重大戰(zhàn)略工程，是我國水資源“四橫三縱”總體格局的重要組成部分。依據(jù)2002年12月國務(wù)院批復(fù)的《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃》，南水北調(diào)西線工程年調(diào)水總量170億m3，如果80億m3用于黃河上中游生活、工業(yè)和河道內(nèi)補水，90億m3中20億m3用于河西走廊和新疆生活、工業(yè)用水需求，剩余70億m3用于生態(tài)建設(shè)，那么碳儲量增加1.75億t。

有關(guān)部門還研究了南水北調(diào)西線的延伸工程即西部調(diào)水工程，從雅魯藏布江干支流、怒江、瀾滄江、金沙江、雅礱江、大渡河等河流自流調(diào)水，年調(diào)水量450億m3。其中一期年調(diào)水170億m3與西線一致，80億m3補充黃河，40億m3供河西走廊，50億m3供新疆；后期年調(diào)水總量達(dá)450億m3，分別向黃河、河西、新疆供水160億、130億、160億m3。

遠(yuǎn)期450億m3年調(diào)水量中，170億m3滿足生活和工業(yè)用水需求，剩余的280億m3滿足生態(tài)建設(shè)用水需求［10］?？紤]森林、設(shè)施農(nóng)業(yè)的固碳潛力［11］及用水定額等情況，宜農(nóng)則農(nóng)、宜林則林、宜牧則牧，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，設(shè)施農(nóng)業(yè)、農(nóng)田、林、草的種植比例分別為2∶3∶2∶3，開發(fā)667萬hm2，用水量280億m3，則碳儲量增加7億t。

4 結(jié) 論

大力發(fā)展可再生能源已經(jīng)成為全球能源轉(zhuǎn)型和應(yīng)對氣候變化的重大戰(zhàn)略方向和一致宏大行動。習(xí)近平總書記高瞻遠(yuǎn)矚、審時度勢，作出我國2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和的莊嚴(yán)承諾，明確要求到2030年非化石能源占一次能源消費比重為25%，風(fēng)電和太陽能發(fā)電總裝機容量在12億kW以上。黃河流域是我國的“能源流域”，具有豐富的水土風(fēng)光資源，本研究以此為基礎(chǔ)，依托流域的水電開發(fā)，充分利用水電靈活調(diào)節(jié)能力和水風(fēng)光的出力互補特性，搭配具備調(diào)節(jié)能力的抽蓄，提出水電與新能源結(jié)合的3種方案：一是利用存量水電站帶動周邊的風(fēng)光綜合開發(fā)，形成水風(fēng)光一體化能源基地，匹配的新能源利用現(xiàn)有的水電通道，該項目應(yīng)盡快落地實施；二是充分挖掘梯級電站調(diào)節(jié)潛力，對梯級電站進(jìn)行擴容增效，該項目可在“十四五”和“十五五”落地實施；三是充分發(fā)揮龍頭水電站作用，與抽水蓄能電站相結(jié)合，建設(shè)水風(fēng)光儲四位一體清潔能源基地，可在黃河流域至少建成七大超千萬千瓦級的清潔能源基地，總規(guī)?？蛇_(dá)19 254萬kW，加上其他再生能源裝機容量，基本可解決黃河流域2.21億kW可再生能源的缺口。初步匡算每年可減少碳排放3.27億t，按42元／t計算，年減碳效益約137億元。這3種方案可相互結(jié)合，分步實施。同時提出與跨流域調(diào)水結(jié)合，利用廣袤的荒漠土地進(jìn)行碳匯的思路。