龍羊峽水電站 水光互補新典范

◎ 文 | 田宗偉 李鑫業(yè) 編輯 | 孫鈺芳

龍羊峽水電站 攝影/王國棟

黃河上的水電站地理位置圖 制圖/ 田宗偉

盡管我也是一名水電人，可說來慚愧，連龍羊峽水電站在哪里我都不知道。接到走訪龍羊峽水電站的任務(wù)后在百度地圖上一查，才發(fā)現(xiàn)它是一座建在青藏高原上的水電站。受新冠疫情的影響，行程一再推遲，但也正好，使我有了更多的時間做足此行的功課。

黃河干流上興建的水電站大大小小幾十座，興建最早的，是三門峽水電站（1957 年開始修建），裝機最大的，是拉瓦西水電站（420 萬千瓦），最靠近源頭的，是黃河源水電站（2017 年已拆除），最末一級的，是小浪底水電站（位于河南省洛陽市以北、濟源市以南的黃河中游最后一段峽谷出口處），龍羊峽水電站的看點在哪里呢？中國大壩學會何以要把龍羊峽水電站列為我們首批走訪的對象呢？

建在青藏高原上的水電站，曾經(jīng)的時代符號

龍羊峽水電站修建于上個世紀七八十年代，盡管施工的大部分時段已是改革開放之后，但施工手段仍是落后，機械化程度低，加之地處青藏高原空氣缺氧，樹無一株，房無一間，施工條件極其艱苦。但施工人員硬是憑著肩挑背扛創(chuàng)下了黃河第一壩、亞洲最大的大壩、單機容量最大、海拔最高電站以及中國最大的人工湖等多個第一。有文章在豪情滿懷地陳列了壩高、壩長、庫容、裝機等一系列數(shù)據(jù)指標后這樣寫道：在那樣的一個年代，這是中國人精神的一種凝集，是信仰、是精神，甚至是生命的堆積。龍羊峽水電站見證了國家在困難時期建設(shè)大型水利工程的決心，體現(xiàn)了社會主義體制的優(yōu)越性，這些數(shù)字，代表了上世紀80 年代中國水電建設(shè)和機電制造的先進水平。每一個數(shù)字都閃耀著智慧的光芒和不屈的精神，這是一代中國人在雪域創(chuàng)造的偉大工程，在高原樹立的一座時代豐碑。我終于明白，那個時候的龍羊峽水電站，也就是今天三峽工程，那是一個時代的符號，是一段光榮的歲月，是一種國家的驕傲……

我開始用谷歌地球、圖新地球搜索龍羊峽水電站。在青海湖南面不遠處，我發(fā)現(xiàn)有一勺狀的綠得發(fā)黑的寶石散落灰白的荒原之上，下沉視點高度，“龍羊峽水庫”的字眼出現(xiàn)了，繼續(xù)下沉，有似蕨類標本樣的大地紋理開始顯現(xiàn)，再下沉，上下左右移動畫面，我找到了那一彎彎月芽似的大壩。黃河這一段的徑流是否已經(jīng)滾滾滔滔我不知道，但這一彎178 米高的大壩確乎是營造了一個天湖。上網(wǎng)一查，水庫回水長度108 公里，面積383 平方公里，總庫容為247 億立方米，三峽工程建成前為我國第一大水庫，控制著蘭州斷面水量的62%、黃河入海口水量的42%，系一多年調(diào)節(jié)水庫，調(diào)節(jié)性能優(yōu)良。發(fā)電而外，還兼有防洪、灌溉、防凌、養(yǎng)殖、旅游等多種效益。

在南方十分炎熱的七月，接國家電投黃河上游水電開發(fā)有限責任公司（以下簡稱：國家電投黃河公司）通知，可以接待我們的走訪。我們是經(jīng)西寧乘車前往的。翻過日月山，穿過一片大草原，就進入了黃河在上游共和盆地深切出來的峽谷地帶，原來谷歌地球上蕨類標本樣的大地紋理陡然崢嶸了起來，山體脈絡(luò)棱角分明，灰色，全是石頭沒有樹木，與南方山地之草木豐茂迥乎不同。三個多小時后，那個綠得發(fā)黑的綠寶石出現(xiàn)在了我們的眼前。再走近，可以看到水庫邊有一片小樹林，那便是龍羊峽水電站所在的龍羊鎮(zhèn)。到達已是下午，晚飯后天黑前，黃河公司的工作人員領(lǐng)我們來到水庫邊的觀景臺觀景。大壩在觀景臺的東面，雖是不遠，但由于蓄水的關(guān)系，只能看到約十米左右的壩身，難說雄偉。近岸的水中有一些五顏六色的橡皮船，據(jù)說那是地方政府的旅游收費項目。對岸的山體清一色暗灰的石頭，但脈絡(luò)分明，說不上裸露。那眼前之水呢，簡直就是朱自清的梅雨潭！陪同人員無不驕傲地說，黃河是出了青海才變黃的。放眼西望，落日的余輝映照著水面，水天一色，瑰麗無比。而右側(cè)近處，一棵樹干端直、丫枝團團向上，成為一個漂亮的剪影似的近景，突然，我感覺它是一個象征，一時間，竟有些說不出話來。

龍羊峽峽谷風光 攝影/張勇

龍羊峽大壩澆筑施工 攝影/張勇

龍羊峽水電站辦公樓一樓有一面積近百平米的展廳。里面陳列了龍羊峽水電站的諸多榮譽，一個個銅牌金光閃閃。但給我印象最深的，還是記錄水電站建設(shè)歷程的那些黑白照片，有扛著旗子、挑著水桶、背著被蓋步行開赴工地的，有大伙兒圍蹲在地上吃飯洗臉的，有腰間拴著繩子從高處吊下站在山腰手持鋼釬撬石頭的，雖是黑白，人們的神情卻仍看出是清朗平和的，有的還是面上含笑的。條件那么艱苦，精神卻是那么飽滿，不能不讓人生發(fā)感觸。

次日一早，陪同人員又增加了一位電廠運行人員。他說領(lǐng)我們先到對岸的觀景臺看看后再參觀廠房。上去了我才明白，昨日左岸那觀景臺主要在于欣賞水庫美景，今日這觀景臺更像是為觀看大壩泄洪而建。那天沒有泄洪，黃河的水本就寶貴也許很少泄洪，奇怪的是壩下河道也感覺不到水的流動，沒有聲音。由于巖石遮擋，只能看到壩下電站尾水那小小的一片水域。突然明白大壩為什么要建在這里，因為這里正當龍羊峽西端峽口，峽口寬僅五六十米，不用太大的工程量就給黃河上了一把鋼筋混凝土的大鎖。

1987 年7 月，龍羊峽水電站1 號轉(zhuǎn)子吊裝。 攝影/張勇

走在壩頂時我即發(fā)現(xiàn)下游的那段峽谷非同一般，我說去那邊看看峽谷吧。走近一看，果是不同。在長江三峽欣賞峽谷，我們多是乘船從江面往前看往上看，面對壁立千仞雖也震驚但無恐懼。在這里卻不同，從山頂外沿下看萬丈深淵，從不恐高的我也心驚膽顫，稍不留心，跌下便是亡命，但越是危險又越是想去更邊沿以看得更加完整。這個峽谷的狹窄幽深是我從未見過的，而那水呢，綠得發(fā)黑，如帶子一般沉在谷底，看不出流淌，根本不是我原來想像的奔騰翻滾的黃色水流的黃河。

三十三年運行效益之觀察

龍羊峽水電站從1976 年開始建設(shè)，4 臺機組于1987 年12 月至1989 年6 月間相繼投產(chǎn)發(fā)電；泄水建筑物的底孔深孔中孔在1987 年至1989 年間相繼投入使用；1990 年主壩封拱高程至2610 米；1993 年工程銷號，未完工的項目轉(zhuǎn)入尾工工程施工。2000 年8 月，《黃河龍羊峽水電站工程竣工驗收安全鑒定報告》在西寧定稿。鑒定報告認論為：“龍羊峽水電站自1986 年下閘蓄水運行至今已十三年多，經(jīng)歷了三次較高水位、三次3 級左右的水庫誘發(fā)地震活動期和兩次里氏4.0 級以上的構(gòu)造地震影響，總的來說近壩庫岸、大壩和兩岸壩肩巖體、引水系統(tǒng)和發(fā)電廠房等工作狀況正常。龍羊峽水電站工程總體是安全的，各建筑物工作狀態(tài)未見明顯異常，已具備進行竣工驗收的條件，存在問題需在運行中不斷解決，以利于工程的安全運行。”若1987 年12 月首臺機組投產(chǎn)發(fā)電算起，至今已運行33 周年，其發(fā)電、防洪、防凌、供水、灌溉、旅游等多種效益十分顯著。

1 發(fā)電效益

龍羊峽水電站安裝有4 臺單機容量32 萬千瓦總裝機128 萬千瓦機組，自1987 年首臺機組投產(chǎn)發(fā)電以來，連同2015 年投產(chǎn)的85 萬千瓦光伏機組，截止2021 年10 月31 日，已累計發(fā)電1705.46 億千瓦時，為西北各省區(qū)的國民經(jīng)濟發(fā)展作出了重要貢獻。由于電站裝機容量大，水庫調(diào)節(jié)性能好，龍羊峽電站還是電網(wǎng)的主要調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用廠，由此相應(yīng)地減少了網(wǎng)內(nèi)火電機組因調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用而增加的煤耗，從而提高了整個電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。

龍羊峽水電站的“龍頭”位置還決定了它的水庫控制運用將直接影響其下游劉家峽（裝機122.5 萬千瓦）、鹽鍋峽（35.2 萬千瓦）、八盤峽（I8萬千瓦）、青銅峽（27.2 萬千瓦）梯級電站的發(fā)電出力。從徑流調(diào)節(jié)的角度看，具有多年調(diào)節(jié)性能的“龍頭”水庫其作用主要有兩個方面，一是年內(nèi)豐枯季水量調(diào)節(jié)，即減少汛期棄水，增加枯水期發(fā)電水量和抬高發(fā)電水頭，二是通過調(diào)節(jié)年際之間水量，減少豐水年棄水，將豐水年份多余水量留待枯水年份用，以達到多發(fā)電的目的。

2 防洪與防凌效益

由設(shè)計資料知，龍羊峽水庫不僅具有較強的徑流調(diào)節(jié)能力，其設(shè)計調(diào)節(jié)庫容達193.6 億立方米，而且防洪能力也較大，設(shè)計調(diào)洪庫容51.8 億立方米。由于龍羊峽水電站的投入，其下游梯級電站和城鎮(zhèn)的防洪標準將逐步得到提高。其中劉家峽水電站將由龍羊峽建庫前的三千年至五干年一遇洪水校核提高到可能最大洪水校核，鹽鍋峽水電站由千年一遇提高到兩千年一遇洪水校核標準，八盤峽水電站由三百年一遇提高到千年一遇洪水校核標準，蘭州市雖仍然維持百年一遇防洪標準，但其上游劉家峽水電站下泄流量將由4770 立方米每秒降至4290 立方米每秒。

龍羊峽水庫運用以來，1989 年發(fā)生了入庫洪峰流量4840 立方米每秒、2012 年發(fā)生了入庫洪峰流量3430 立方米每秒的洪水，2018 年發(fā)生了入庫洪峰流量3440 立方米每秒的洪水，為攔蓄洪水，削減洪峰流量，減少下游沿河兩岸洪災(zāi)損失發(fā)揮了突出貢獻。

位于內(nèi)蒙的黃河部分河段，每年3 月份存在一個凌汛期。龍羊峽水電站建成前，在凌汛期間（約20 天左右），為控制和減少凌汛災(zāi)害，控制蘭州斷面日平均流量不超過500 立方米每秒。但是，凌汛期間劉家峽、鹽鍋峽、八盤峽水電站的出力將因之受限，給電網(wǎng)運行帶來了較大的困難。隨著上游龍羊峽、劉家峽水庫的投運，通過龍劉水庫的聯(lián)合調(diào)節(jié)作用，控制寧、蒙河段封河期流量，并根據(jù)河道過流能力，保持寧、蒙河段合理的封河流量，加強封凍期、開河期河道流量控制，保持平穩(wěn)開河，從而明顯降低了凌汛災(zāi)害，為保證寧、蒙河段防凌安全及緩解電網(wǎng)出力和調(diào)峰容量提供了有力保障。

3 灌溉與供水效益

龍羊峽水庫作為多年調(diào)節(jié)水庫，設(shè)計調(diào)節(jié)庫容193.6 億立方米，庫容系數(shù)0.94，具有非常強的徑流調(diào)節(jié)能力。不僅能進行年內(nèi)水量調(diào)配，而且還能進行水量年際間調(diào)配，將豐水年份多余水量存蓄在水庫，待枯水年份向下游補水，以解決枯水年份下游沿河人民生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)用水需求。

據(jù)統(tǒng)計、1990 年至2018 年，龍羊峽水庫向下游凈補水14 年，累計補水量408.3 億立方米，年平均補水量29.2 億立方米，其中2002 年龍羊峽水庫入庫水量創(chuàng)歷史最低值，僅為109 億立方米（設(shè)計多年平均徑流量為205 億立方米），當年龍羊峽水庫向下游補水42.4 億立方米，有效地緩解了沿黃各省（區(qū)）用水緊張局勢。

龍羊峽水庫山崢嶸、水碧綠。 攝影/張勇

位于黃河上中游的寧夏、內(nèi)蒙地處干早半干早地區(qū)，農(nóng)業(yè)灌溉用水主要取自黃河，每年5、6 月為春灌用水高峰期，要求蘭州斷面平均流量不小于1000 米立方米每秒，才能滿足灌溉用水的需要。龍羊峽水電站建成前，寧夏、內(nèi)蒙春灌用水由劉家峽水庫承擔，但隨著灌溉面積的擴大以及劉家峽庫調(diào)節(jié)能力有限，春灌用水矛盾越來越尖銳，尤其是當5、6 月份來水偏枯的年份。自龍羊峽水電站投產(chǎn)以后，春灌用水由龍、劉兩庫共同來承擔，使其用水矛盾不僅得到緩和，而且在用水量和保證率上都較以前有了進一步的提高。同時，因增加了5、6 月份河道流量，使青海、甘肅沿黃河地區(qū)灌溉用水條件得到了改善。隨著灌溉用水得到了較好滿足，包頭市的工業(yè)、生活用水也相應(yīng)得到了保證。更為重要的是，龍羊峽水庫建成后，自1999 年起，實現(xiàn)了黃河干流不斷流，對沿河生態(tài)以及河口濕地的生態(tài)安全做出了巨大貢獻，以水資源的可持續(xù)利用最大限度地支撐了流域及沿河地區(qū)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

水光互補，而今環(huán)保能源新標桿

進入新世紀，減排溫室氣體成為各國共識，而我國的能源結(jié)構(gòu)恰是以高污染化石能源煤碳為主，發(fā)展清潔能源就尤為重要。2009 年12 月，我國政府在哥本哈根氣候大會上向世界各國承諾，到2020 年，我國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005 年下降40%-45%，非化石能源占一次能源消費的比重達到15%左右，就使大規(guī)模發(fā)展清潔能源顯得十分迫切。

龍羊峽水電站所在的青藏高原太陽能光伏資源豐富，可是太陽能光伏發(fā)電受日夜交替、天氣變化影響，白天發(fā)夜晚停、晴天發(fā)雨雪天停，而設(shè)備多故障率高更是加劇了太陽能光伏發(fā)的間歇性、隨機性、波動性。

國家電投黃河公司想到了“水光互補”，他們設(shè)想把光伏發(fā)電發(fā)出來的電送到水電站，通過水電站的監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控光伏發(fā)電的電能質(zhì)量。光伏電能質(zhì)量下降時，通過水輪機的快速調(diào)節(jié)，消除光伏電能的波動性。然后將互補后的兩個電站的組合電能送入電網(wǎng)。他們選擇試驗的首座水電站就是龍羊峽水電站。龍羊峽水電站裝有4 臺單機容量為320 兆瓦的水輪發(fā)電機組，總裝機容量1280 兆瓦，正常蓄水位2600米，庫容為247 億立方米，調(diào)節(jié)庫容為193.5 億立方米，無論是單機容量還是水庫庫容，都具有良好的調(diào)節(jié)性能，“水光互補”條件優(yōu)越。他們選擇的光伏場位于龍羊峽水電站上游36 公里的黃河北岸的塔拉灘（南州共和縣境內(nèi)），計劃光伏電場建成投產(chǎn)后，通過龍羊峽水電站330 千伏出線，將兩個電站互補后的組合的電量送出，向電網(wǎng)提供電能。

2013 年5 月，光伏場開始，首期期32 萬千瓦，同時對水電站設(shè)備接入光伏后的適應(yīng)性進行研究，編制水光互補協(xié)調(diào)運行試驗方案及程序。當年12 月，一期32 萬千瓦太陽能光伏電站建成。2014 年2 月，開始進行水光互補協(xié)調(diào)運行試驗。經(jīng)過協(xié)調(diào)運行試驗，驗證了他們的設(shè)想，水電、光伏發(fā)電在短期、長期內(nèi)均具有良好的互補特性，相較于不穩(wěn)定的光電，有調(diào)節(jié)能力的水庫，可有計劃地利用庫內(nèi)存儲的水量，在電網(wǎng)需求較大時加大下泄流量以獲得更多的水電出力，而在負荷低谷期則適當減小下泄來控制水電出力，能在降低光伏發(fā)電并網(wǎng)給電力系統(tǒng)帶來的負面影響，提高水電外送通道效益。2014年12 月，二期53 萬千瓦太陽能光伏項目開始建設(shè)，2015 年6 月，兩期共85 萬千瓦的龍羊峽水光互補光伏電站全部并網(wǎng)發(fā)電。

這次我們沒有走訪被稱龍羊峽水電站“編外機組”的光伏發(fā)電場，但水光是怎么互補的我們看到了。龍羊峽水電站中控室的工作人員向我們介紹說：“你看，通過系統(tǒng)對光伏發(fā)電情況的監(jiān)視，在監(jiān)控屏上可以看到，光伏發(fā)電負荷曲線從早晨7 點02 分開始逐漸升高，在15 點21分達到最高，從曲線圖上我們可以很清楚地看到，受云層的影響，光伏曲線也在發(fā)生變化。今天龍羊峽水電站四臺機組全部運行，發(fā)電量是3052 萬千瓦時，光伏的發(fā)電量133.435 萬千瓦時。如果你們能在中控室待上一個整天，你們就能從大屏幕上看到，當云層飄過時，光伏電站出力下降，水輪機組是怎樣加大出力補空，而當夜晚來臨，光伏電站出力為零，白天停機的機組又是怎樣啟動起來填補缺口的。這樣你們就能理解水電是怎樣將光伏原本間歇、波動、隨機的鋸齒形調(diào)整為均衡安全、平滑穩(wěn)定電源的了。”

“電站建設(shè)之初，人們普遍擔心龍羊峽水電站的調(diào)峰調(diào)頻性能會因此受到影響，但通過這些年水力發(fā)電與光伏發(fā)電聯(lián)合控制的運行實踐我們發(fā)現(xiàn)，龍羊峽水電站送出線路的利用率和經(jīng)濟性提高了，年利用小時可由原來運行的4621 小時提高到了5019 小時。”電站運行人員郭艷敏介紹說。

其實，水光互補的優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在電源穩(wěn)定性上，經(jīng)濟效益攀升上，在社會生態(tài)環(huán)境效益上，可圈點處也多。“專家們經(jīng)過測算，龍羊峽水光互補光伏電站一年可發(fā)電14.94 億千瓦時，對應(yīng)到火力發(fā)電相當于一年節(jié)約標煤46.46 萬噸，減少二氧化碳排放約122.66 萬噸，二氧化硫約3944.16 噸，氮氧化合物364.87 萬噸。而我們普通百姓能看到的是，光伏板使子陣區(qū)風速下降了50%、蒸發(fā)量減少了30%，草地的涵水量大大增加，土地荒漠化得到有效遏制。” 國家電投黃河公司水情專家曹光明介紹到。

位于龍羊峽水電站上游黃河北岸的塔拉灘光伏場 攝影 /李鑫業(yè)

光伏電站是否只適宜建在大庫容水電站附近呢？其實不是。國家電投黃河公司龍羊峽發(fā)電分公司總經(jīng)理黃青剛進行過測算，他在電話中告訴我，水光互補技術(shù)對水電站調(diào)節(jié)庫容的要求并不高，具有一定庫容的水電站均可配置，具有廣泛的推廣價值。他說：“以1 萬千瓦的光伏電站計算，100 米壩高、耗水率3 立方米/千瓦時的水電站即可匹配，水電站所需日調(diào)節(jié)庫容量約為13.15 萬立方米；如果是20 米壩高、耗水率20 立方米/千瓦時的水電站，日調(diào)節(jié)庫容量就要在87.67 萬立方米。”

龍羊峽水電站是我們國家在困難時期在高海拔地區(qū)建設(shè)大型水電站，代表了那個時候我們國家水電建設(shè)和機電制造的最高水平，曾是一個的符號。其后隨著國內(nèi)眾多大型水電站的建成，它似乎有些暗淡下去了。近些年來，龍羊峽水電站又頻頻出現(xiàn)在媒體上，那是因為，它成功解決了光電風電等間歇式能源給電網(wǎng)帶來的負面影響，創(chuàng)新性地實現(xiàn)了傳統(tǒng)能源與新能源有效協(xié)調(diào)運行，開創(chuàng)了傳統(tǒng)能源與新能源協(xié)調(diào)運行的先河，也使我國電投光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)走在了世界前列，它是當今環(huán)保能源的新標桿。