雙碳目標下黃河流域內流區水能牧生態治理一體化開發模式研究

張金良，唐梅英，張 權，杜媛杰，王珈珞

（1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，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 黃河流域內流區水土風光資源

黃河流域內流區（又稱閉流區）位于黃河流域西北腹地河套以南的鄂爾多斯高原上，形狀如倒置葫蘆，西、北、東三面為黃河干支流，南面以白于山與黃土高原為界，總面積約4.23萬km2［1］，海拔1 100～1 500 m、相對高差20～80 m。內流區約86.0%的地區屬于內蒙古自治區鄂爾多斯市，自南向北穿過杭錦旗、東勝區、伊金霍洛旗、鄂托克旗、烏審旗和鄂托克前旗；約10.7%屬于陜西省榆林市，包括東北部的神木市和南部的定邊縣部分地區；3.3%的地區位于寧夏回族自治區吳忠市鹽池縣境內（見圖1）。

圖1 黃河流域內流區位置示意

1.1 水資源

內流區地處溫帶大陸性干旱氣候區，多年平均氣溫為6.0℃；多年平均降水量303 mm，多年平均蒸散發量約為2 338 mm，干旱指數高達7.7；多年平均徑流深為5～15 mm，徑流系數為0.036，是黃河流域平均徑流系數的1／5。少量的降水被大量蒸發和下滲，形成的河流中途就會消失，或以星羅棋布的內陸湖盆或凹地為歸宿，分散的河流發育，缺乏常流河。內流區流域面積大于50 km2的河流有104條，占黃河流域河流總數的2.5%，其中面積大于100 km2的河流有73條、大于500 km2的河流有17條、大于1 000 km2的河流有4條、大于3 000 km2的河流有2條；水面面積大于1.0 km2的湖（淖）有43個，占黃河流域湖泊總數的29.5%，其中41.9%的湖（淖）屬鹽湖、58.1%的湖（淖）屬咸水湖。

估算2030年水平內流區可供水量約4.43億m3、需水量約5.05億m3，其中生活需水量約0.10億m3、生產需水量約4.77億m3、生態環境需水量為0.18億m3，整體需水量大于可供水量，存在約0.62億m3供水缺口，缺水率約為12.3%［2］。此外，內流區清潔能源基地需水量約2.37億m3，其中沖洗光伏板需水1.00億m3、抽水蓄能電站蒸發滲漏損失1.37億m3。

1.2 土地資源

內流區處于風蝕與水蝕交錯地帶，屬于荒漠草原地貌景觀，植被稀疏，生態環境極其脆弱。內流區北部毗鄰庫布齊沙漠南緣，中南部被毛烏素沙地穿過，地表大部分被現代風積沙覆蓋，低凹處分布眾多的湖（淖）和凹地草灘。毛烏素沙地是典型草原草場分布區，土地沙漠化敏感程度極高，庫布齊沙漠是半荒漠地帶，流動沙丘占絕對優勢。

根據土地利用規劃，城鎮村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地等作為不可墾土地資源，區域內耕地、園地、林地、草地以及未利用地作為可墾土地資源。規劃區域內42 270 km2土地資源的可墾土地規模為41 338 km2，可墾率為97.8%。其中：耕地2 833 km2，占土地總面積的6.7%；林地719 km2，占土地總面積的1.7%；草地25 656 km2，占土地總面積的60.7%；水域720 km2，占土地總面積的1.7%；人工用地212 km2，占土地總面積的0.5%；未利用地12 130 km2，占土地總面積的28.7%［3］。黃河流域內流區現狀土地利用結構見表1。

表1 黃河流域內流區現狀土地利用結構

內流區不同土地類型面積1970—2020年動態變化趨勢見圖2。耕地面積變化不大，林地面積及城鄉工礦居民用地面積增加，水域面積減小，未利用土地面積和草地面積波動較大，其中：未利用土地面積2005年達到高峰，隨后逐年降低，2020年有所回升；草地面積2005年達到低谷，隨后逐年升高，2020年有所回落。總體來看，2000年以后土地利用變化較2000年之前更為劇烈，2005年以后未利用地與草地、城鄉工礦居民用地變化趨勢相反。

圖2 內流區不同土地類型面積1970—2020年動態變化趨勢

根據對耕地利用的影響不同，將耕地坡度分為5級：0°～2°為一級，一般無水土流失現象；2°～6°為二級，可發生輕度土壤侵蝕，須注重水土保持；6°～15°為三級，可發生中度水土流失，應采取修筑梯田、等高種植等措施，加強水土保持；15°～25°為四級，水土流失嚴重，必須采取工程、生物等綜合措施防治水土流失；25°以上限制開墾種植，已經開墾為耕地的，要逐步退耕還林還草。通過對內流區坡度進行分析，一級、二級坡地分別約占內流區總面積的41.2%、46.8%，其中一級坡地廣泛分布在東部、中部和西北部；三級坡地約占總面積的5.4%，主要分布在南部，分布地區與現狀農田分布地區高度重合。從坡度角度分析，區域內絕大部分地區具有開墾耕地或發展飼草業的潛力，面積高達4萬km2。從降水角度分析，內流區多年平均降水量158～392 mm，從東南向西北遞減，均不適宜種植喬木，在植被恢復重建過程中，適宜栽種草和灌木。

1.3 風、光資源

根據太陽能輻照度圖譜，內流區太陽能資源呈北高南低的特點，年水平面總輻射量（GHR）介于1 500～1 747 kW·h／m2，均值為1 675 kW·h／m2，為太陽能資源很豐富地區。其中杭錦旗與鄂托克旗太陽能資源相對較好，平均年水平總輻射量分別為1 709、1 691 kW·h／m2。黃河流域內流區水平面太陽能總輻射量分布見圖3。

圖3 黃河流域內流區水平面太陽能總輻射量分布

根據風資源圖譜，內流區離地高度100 m風速為5.20～10.16 m／s、平均風速為6.98 m／s，風速大于5.00 m／s的面積占比100%，開發潛力較大。該區域風能資源呈北高南低的特點，其中杭錦旗和鄂托克旗風資源情況最佳，平均風速分別為7.37、7.22 m／s。黃河流域內流區離地高度100 m平均風速分布見圖4。

圖4 黃河流域內流區離地高度100 m平均風速分布

2 內流區水能牧生態治理一體化開發研究

2020年習近平總書記做出“力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和”（簡稱“雙碳”目標）的莊嚴承諾，我國能源發展步入以“雙碳”目標為導向、以構建新型電力系統為路徑、以可再生能源高質量發展為核心的新時代。內流區具有豐富的風能資源、光能資源、土地資源，鄰近的黃河河谷及支流河谷具備建設大規模抽水蓄能電站的條件，以此為基礎利用抽水蓄能電站靈活調節能力與風電、光電的出力互補特性，構建風、光、儲單元式多能互補清潔能源基地，同時結合光伏電站進行牧業開發，形成水能牧生態治理一體化開發模式。

2.1 清潔能源基地研究

2.1.1 送電曲線擬定

結合內流區清潔能源基地水、風、光資源條件、出力特性以及裝機規模，擬采用12條±1 100 kV特高壓直流輸電線路送電至中東部地區，輸電容量按照14 400萬kW，輸電年利用小時按照4 500～5 000 h。不同月份內流區清潔能源基地的日內送電曲線見圖5。

圖5 不同月份內流區清潔能源基地的日內送電曲線

2.1.2 基地電源配置思路

采用最優化方法配置清潔能源基地電源。基地按照風、光、儲多能互補方式運行，多種能源按補償出力方式運行以滿足送電曲線的負荷要求。優化配置方法為：選取光伏、風電、抽水蓄能電站裝機規模為優化變量，進行多能互補調節計算，得到基地發電量、供電保證率、棄電率等指標，同時根據單位裝機投資得到基地總投資指標，在滿足發電指標的前提下以基地總投資最低為優化目標開展優化，優化過程采用粒子群算法尋優［4］，以供電保證率不低于85%、棄電率不超過20%作為約束條件，得到滿足約束條件的裝機方案。

2.1.3 基地初步構建方案

內流區多能互補清潔能源基地電源配置方案為：基地總裝機38 600萬kW，基地年發電量為6 399億kW·h。其中：光伏電站裝機24 500萬kW，占地面積約1.16萬km2，主要位于內蒙古自治區鄂爾多斯市鄂托克前旗東部和杭錦旗西南部；風電裝機6 500萬kW，占地面積約1.63萬km2，主要位于內蒙古自治區鄂爾多斯市中部及西南部、寧夏回族自治區吳忠市東部、陜西省榆林市西部；抽水蓄能電站裝機7 600萬kW，在《抽水蓄能中長期發展規劃（2021—2035年）》外初選可行站址，位于寧夏和內蒙古。基地能源就地打捆接入750 kV電網，匯集接入±1 100 kV換流站，通過直流特高壓輸電通道外送至中東部地區。基地棄電率18.9%，供電保證率85.0%，投資約16 742億元，上網電價為0.269 4元／（kW·h），落地電價約為0.334 4元／（kW·h），小于中東部地區燃煤基準價，具有一定的市場競爭力。

黃河流域內流區多能互補清潔能源基地主要指標見表2，布局示意見圖6。

表2 黃河流域內流區多能互補清潔能源基地主要指標

圖6 黃河流域內流區多能互補清潔能源基地布局示意

2.2 內流區牧業開發研究

黃河流域內流區結合光伏電站開發進行牧業開發。據有關研究，光伏板相當于給戈壁荒灘披上一件防曬衣，可使生態光伏園內平均風速降低41.2%左右，20 cm深度土壤增濕32%［5］。

內流區光伏電站面積1.16萬km2，按照1 km2飼養900只羊考慮，初步估算具備養殖1 000萬只羊的潛力。光伏板的鋪設可降低風速，減少蒸發，增加土壤水分，同時沖洗光伏板的用水順流到土壤，可整體改善局部氣候條件和土壤條件，使生態得到極大的改善，因而可以用來發展牧業養殖。經過估算，內流區光伏板年沖洗用水量1.00億m3，光伏板下草場載畜量約500萬只羊。

2.3 水資源開發方案研究

根據以上能牧一體化開發方案，基地用水主要包括抽水蓄能電站蒸發滲漏損失補水和沖洗光伏板用水等能源基地用水以及牧業基地用水，其中牧業基地用水可利用沖洗光伏板水量和當地的水資源解決。初步估算，抽水蓄能電站年蒸發滲漏損失量約1.37億m3、光伏板年沖洗用水量1.00億m3，內流區基地每年共需水2.37億m3，通過黃河水資源來解決，其用水指標可利用工業指標，近期由“八七”分水指標調整解決，遠期可通過南水北調西線調水解決。由于內流區清潔能源基地抽水蓄能電站站址選在黃河干支流附近，其蒸發滲漏損失需水量可就近取水解決，因此本研究暫不考慮該部分水資源配置工程，僅考慮光伏板年沖洗需水的水資源配置工程。配套工程從黃河干流提水，泵站設計揚程約440 m，線路長216.74 km，供水配套干線工程投資30.35億元。

2.4 一體化開發主要財務指標

在國家現行財稅制度和價格體系的前提下，從項目的角度出發，在不考慮債務融資條件下，進行融資前稅前財務初步分析，計算項目范圍內的財務效益和費用，分析項目的盈利能力。

2.4.1 費用估算

費用估算分別對工程投資、成本費用和稅費進行估算。

工程投資：多能互補清潔能源基地裝機38 600萬kW，年發電量6 399億kW·h，投資16 742億元；利用沖洗光伏板水量1.00億m3發展飼草地2.2萬hm2，養殖500萬只羊，供水配套工程投資30.35億元。

成本費用：清潔能源基地，綜合年折舊費率采用3.9%；年運行費包括修理費、材料費、人工費、其他費用、保險費等，采用固定資產投資的2.2%。光牧一體化基地，光伏發電成本計入清潔能源基地，此處只分析牧區配套水利設施成本費用和牧區養殖成本。牧區配套水利設施成本費用參考水利工程相關規范，折舊費率取2%，年運行費取固定資產投資的1.2%。牧區養殖成本包括種養、場地、飼料、人工、雜項。養殖方式按照圈養，經分析每百只羊年成本為3.76萬元。

稅費：包括增值稅、所得稅、銷售稅金附加、法定盈余公積金等，按國家有關規定和有關規范計取。

2.4.2 財務收益

財務收益包括清潔能源基地發電收入、內流區養殖收入。

清潔能源基地發電收入：根據《國家發展改革委關于2021年新能源上網電價政策有關事項的通知》（發改價格〔2021〕833號），2021年起，新備案集中式光伏電站、新核準陸上風電項目，中央不再補貼，實行平價上網，2021年新建項目上網電價，按當地燃煤發電基準價執行；可自愿通過參與市場化交易形成上網電價，以更好體現光伏發電、風電的綠色電力價值。清潔能源基地所在地市場消納能力有限，發電以外售為主。本次研究以華東、華中地區受端電網有競爭力的可接受電價作為該工程財務收入計算采用電價，為0.33元／（kW·h）。考慮基地建設進度，按照建設期第6年發電量50%、第7年70%、第8年全部達產。

內流區養殖收入：內流區牧區年存欄羊數量約為500萬只，按照出欄率60%，每年出欄羊數量約為300萬只，出售羊按照每只50 kg、單價20元／kg計算。考慮牧區總體規模較大，按照運行期第1年達產50%，每年增加10%，到第6年全部達產。

2.4.3 財務分析

財務分析計算期采用57 a，其中建設期7 a、運行期50 a，風電、光伏按照運行25 a后重置1次。經分析，內流區一體化基地計、不計發電碳匯收入時融資前稅前財務內部收益率分別為7.59%、6.66%，均大于基準收益率（6%）。

3 結 論

本研究結合“雙碳”目標和黃河流域生態保護和高質量發展對黃河流域再生能源的要求，以黃河內流區豐富的風能、光能、土地資源及鄰近的黃河干支流具備建設大規模抽水蓄能電站的條件為基礎，充分利用抽水蓄能電站靈活調節能力與風電、光電的出力互補特性，并結合光伏電站進行牧業開發，形成水能牧生態治理一體化開發模式，可建成超億千瓦級的清潔能源基地和2.2萬hm2牧業基地，總裝機容量規模近3.86億kW，年發電量超6 000億kW·h，牧業基地可養光伏羊約500萬只，初步匡算年減少碳排放5.12億t，減碳效益達215億元。初步分析了一體化基地主要財務指標，在計、不計發電碳匯收入的情況下基地融資前稅前財務內部收益率分別為7.59%、6.66%，均大于基準收益率（6%），項目財務基本可行。