雙碳目標(biāo)下黃河流域內(nèi)流區(qū)水能牧生態(tài)治理一體化開發(fā)模式研究

張金良，唐梅英，張 權(quán)，杜媛杰，王珈珞

（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 黃河流域內(nèi)流區(qū)水土風(fēng)光資源

黃河流域內(nèi)流區(qū)（又稱閉流區(qū)）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(nèi)流區(qū)約86.0%的地區(qū)屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，自南向北穿過杭錦旗、東勝區(qū)、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(qū)；3.3%的地區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)吳忠市鹽池縣境內(nèi)（見圖1）。

圖1 黃河流域內(nèi)流區(qū)位置示意

1.1 水資源

內(nèi)流區(qū)地處溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，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(fā)量約為2 338 mm，干旱指數(shù)高達(dá)7.7；多年平均徑流深為5～15 mm，徑流系數(shù)為0.036，是黃河流域平均徑流系數(shù)的1／5。少量的降水被大量蒸發(fā)和下滲，形成的河流中途就會消失，或以星羅棋布的內(nèi)陸湖盆或凹地為歸宿，分散的河流發(fā)育，缺乏常流河。內(nèi)流區(qū)流域面積大于50 km2的河流有104條，占黃河流域河流總數(shù)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(shù)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(nèi)流區(qū)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(chǎn)需水量約4.77億m3、生態(tài)環(huán)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(nèi)流區(qū)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(fā)滲漏損失1.37億m3。

1.2 土地資源

內(nèi)流區(qū)處于風(fēng)蝕與水蝕交錯地帶，屬于荒漠草原地貌景觀，植被稀疏，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。內(nèi)流區(qū)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(xiàn)代風(fēng)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(qū)，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(yōu)勢。

根據(jù)土地利用規(guī)劃，城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地等作為不可墾土地資源，區(qū)域內(nèi)耕地、園地、林地、草地以及未利用地作為可墾土地資源。規(guī)劃區(qū)域內(nèi)42 270 km2土地資源的可墾土地規(guī)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(nèi)流區(qū)現(xiàn)狀土地利用結(jié)構(gòu)見表1。

表1 黃河流域內(nèi)流區(qū)現(xiàn)狀土地利用結(jié)構(gòu)

內(nèi)流區(qū)不同土地類型面積1970—2020年動態(tài)變化趨勢見圖2。耕地面積變化不大，林地面積及城鄉(xiāng)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(dá)到高峰，隨后逐年降低，2020年有所回升；草地面積2005年達(dá)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(xiāng)工礦居民用地變化趨勢相反。

圖2 內(nèi)流區(qū)不同土地類型面積1970—2020年動態(tài)變化趨勢

根據(jù)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(xiàn)象；2°～6°為二級，可發(fā)生輕度土壤侵蝕，須注重水土保持；6°～15°為三級，可發(fā)生中度水土流失，應(yīng)采取修筑梯田、等高種植等措施，加強(qiáng)水土保持；15°～25°為四級，水土流失嚴(yán)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(jīng)開墾為耕地的，要逐步退耕還林還草。通過對內(nèi)流區(qū)坡度進(jìn)行分析，一級、二級坡地分別約占內(nèi)流區(qū)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(qū)與現(xiàn)狀農(nóng)田分布地區(qū)高度重合。從坡度角度分析，區(qū)域內(nèi)絕大部分地區(qū)具有開墾耕地或發(fā)展飼草業(yè)的潛力，面積高達(dá)4萬km2。從降水角度分析，內(nèi)流區(qū)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(fù)重建過程中，適宜栽種草和灌木。

1.3 風(fēng)、光資源

根據(jù)太陽能輻照度圖譜，內(nèi)流區(qū)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(qū)。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(nèi)流區(qū)水平面太陽能總輻射量分布見圖3。

圖3 黃河流域內(nèi)流區(qū)水平面太陽能總輻射量分布

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

圖4 黃河流域內(nèi)流區(qū)離地高度100 m平均風(fēng)速分布

2 內(nèi)流區(qū)水能牧生態(tài)治理一體化開發(fā)研究

2020年習(xí)近平總書記做出“力爭2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實現(xiàn)碳中和”（簡稱“雙碳”目標(biāo)）的莊嚴(yán)承諾，我國能源發(fā)展步入以“雙碳”目標(biāo)為導(dǎo)向、以構(gòu)建新型電力系統(tǒng)為路徑、以可再生能源高質(zhì)量發(fā)展為核心的新時代。內(nèi)流區(qū)具有豐富的風(fēng)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(shè)大規(guī)模抽水蓄能電站的條件，以此為基礎(chǔ)利用抽水蓄能電站靈活調(diào)節(jié)能力與風(fēng)電、光電的出力互補(bǔ)特性，構(gòu)建風(fēng)、光、儲單元式多能互補(bǔ)清潔能源基地，同時結(jié)合光伏電站進(jìn)行牧業(yè)開發(fā)，形成水能牧生態(tài)治理一體化開發(fā)模式。

2.1 清潔能源基地研究

2.1.1 送電曲線擬定

結(jié)合內(nèi)流區(qū)清潔能源基地水、風(fēng)、光資源條件、出力特性以及裝機(jī)規(guī)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(qū)，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(nèi)流區(qū)清潔能源基地的日內(nèi)送電曲線見圖5。

圖5 不同月份內(nèi)流區(qū)清潔能源基地的日內(nèi)送電曲線

2.1.2 基地電源配置思路

采用最優(yōu)化方法配置清潔能源基地電源?；匕凑诊L(fēng)、光、儲多能互補(bǔ)方式運(yùn)行，多種能源按補(bǔ)償出力方式運(yùn)行以滿足送電曲線的負(fù)荷要求。優(yōu)化配置方法為：選取光伏、風(fēng)電、抽水蓄能電站裝機(jī)規(guī)模為優(yōu)化變量，進(jìn)行多能互補(bǔ)調(diào)節(jié)計算，得到基地發(fā)電量、供電保證率、棄電率等指標(biāo)，同時根據(jù)單位裝機(jī)投資得到基地總投資指標(biāo)，在滿足發(fā)電指標(biāo)的前提下以基地總投資最低為優(yōu)化目標(biāo)開展優(yōu)化，優(yōu)化過程采用粒子群算法尋優(yōu)［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(jī)方案。

2.1.3 基地初步構(gòu)建方案

內(nèi)流區(qū)多能互補(bǔ)清潔能源基地電源配置方案為：基地總裝機(jī)38 600萬kW，基地年發(fā)電量為6 399億kW·h。其中：光伏電站裝機(jī)24 500萬kW，占地面積約1.16萬km2，主要位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克前旗東部和杭錦旗西南部；風(fēng)電裝機(jī)6 500萬kW，占地面積約1.63萬km2，主要位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市中部及西南部、寧夏回族自治區(qū)吳忠市東部、陜西省榆林市西部；抽水蓄能電站裝機(jī)7 600萬kW，在《抽水蓄能中長期發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》外初選可行站址，位于寧夏和內(nèi)蒙古?；啬茉淳偷卮蚶尤?50 kV電網(wǎng)，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(qū)?；貤夒娐?8.9%，供電保證率85.0%，投資約16 742億元，上網(wǎng)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(qū)燃煤基準(zhǔn)價，具有一定的市場競爭力。

黃河流域內(nèi)流區(qū)多能互補(bǔ)清潔能源基地主要指標(biāo)見表2，布局示意見圖6。

表2 黃河流域內(nèi)流區(qū)多能互補(bǔ)清潔能源基地主要指標(biāo)

圖6 黃河流域內(nèi)流區(qū)多能互補(bǔ)清潔能源基地布局示意

2.2 內(nèi)流區(qū)牧業(yè)開發(fā)研究

黃河流域內(nèi)流區(qū)結(jié)合光伏電站開發(fā)進(jìn)行牧業(yè)開發(fā)。據(jù)有關(guān)研究，光伏板相當(dāng)于給戈壁荒灘披上一件防曬衣，可使生態(tài)光伏園內(nèi)平均風(fēng)速降低41.2%左右，20 cm深度土壤增濕32%［5］。

內(nèi)流區(qū)光伏電站面積1.16萬km2，按照1 km2飼養(yǎng)900只羊考慮，初步估算具備養(yǎng)殖1 000萬只羊的潛力。光伏板的鋪設(shè)可降低風(fēng)速，減少蒸發(fā)，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(tài)得到極大的改善，因而可以用來發(fā)展牧業(yè)養(yǎng)殖。經(jīng)過估算，內(nèi)流區(qū)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(fā)方案研究

根據(jù)以上能牧一體化開發(fā)方案，基地用水主要包括抽水蓄能電站蒸發(fā)滲漏損失補(bǔ)水和沖洗光伏板用水等能源基地用水以及牧業(yè)基地用水，其中牧業(yè)基地用水可利用沖洗光伏板水量和當(dāng)?shù)氐乃Y源解決。初步估算，抽水蓄能電站年蒸發(fā)滲漏損失量約1.37億m3、光伏板年沖洗用水量1.00億m3，內(nèi)流區(qū)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(biāo)可利用工業(yè)指標(biāo)，近期由“八七”分水指標(biāo)調(diào)整解決，遠(yuǎn)期可通過南水北調(diào)西線調(diào)水解決。由于內(nèi)流區(qū)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(fā)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(shè)計揚(yáng)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(fā)主要財務(wù)指標(biāo)

在國家現(xiàn)行財稅制度和價格體系的前提下，從項目的角度出發(fā)，在不考慮債務(wù)融資條件下，進(jìn)行融資前稅前財務(wù)初步分析，計算項目范圍內(nèi)的財務(wù)效益和費(fèi)用，分析項目的盈利能力。

2.4.1 費(fèi)用估算

費(fèi)用估算分別對工程投資、成本費(fèi)用和稅費(fèi)進(jìn)行估算。

工程投資：多能互補(bǔ)清潔能源基地裝機(jī)38 600萬kW，年發(fā)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(fā)展飼草地2.2萬hm2，養(yǎng)殖500萬只羊，供水配套工程投資30.35億元。

成本費(fèi)用：清潔能源基地，綜合年折舊費(fèi)率采用3.9%；年運(yùn)行費(fèi)包括修理費(fèi)、材料費(fèi)、人工費(fèi)、其他費(fèi)用、保險費(fèi)等，采用固定資產(chǎn)投資的2.2%。光牧一體化基地，光伏發(fā)電成本計入清潔能源基地，此處只分析牧區(qū)配套水利設(shè)施成本費(fèi)用和牧區(qū)養(yǎng)殖成本。牧區(qū)配套水利設(shè)施成本費(fèi)用參考水利工程相關(guān)規(guī)范，折舊費(fèi)率取2%，年運(yùn)行費(fèi)取固定資產(chǎn)投資的1.2%。牧區(qū)養(yǎng)殖成本包括種養(yǎng)、場地、飼料、人工、雜項。養(yǎng)殖方式按照圈養(yǎng)，經(jīng)分析每百只羊年成本為3.76萬元。

稅費(fèi)：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(guān)規(guī)定和有關(guān)規(guī)范計取。

2.4.2 財務(wù)收益

財務(wù)收益包括清潔能源基地發(fā)電收入、內(nèi)流區(qū)養(yǎng)殖收入。

清潔能源基地發(fā)電收入：根據(jù)《國家發(fā)展改革委關(guān)于2021年新能源上網(wǎng)電價政策有關(guān)事項的通知》（發(fā)改價格〔2021〕833號），2021年起，新備案集中式光伏電站、新核準(zhǔn)陸上風(fēng)電項目，中央不再補(bǔ)貼，實行平價上網(wǎng)，2021年新建項目上網(wǎng)電價，按當(dāng)?shù)厝济喊l(fā)電基準(zhǔn)價執(zhí)行；可自愿通過參與市場化交易形成上網(wǎng)電價，以更好體現(xiàn)光伏發(fā)電、風(fēng)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(fā)電以外售為主。本次研究以華東、華中地區(qū)受端電網(wǎng)有競爭力的可接受電價作為該工程財務(wù)收入計算采用電價，為0.33元／（kW·h）?？紤]基地建設(shè)進(jìn)度，按照建設(shè)期第6年發(fā)電量50%、第7年70%、第8年全部達(dá)產(chǎn)。

內(nèi)流區(qū)養(yǎng)殖收入：內(nèi)流區(qū)牧區(qū)年存欄羊數(shù)量約為500萬只，按照出欄率60%，每年出欄羊數(shù)量約為300萬只，出售羊按照每只50 kg、單價20元／kg計算?？紤]牧區(qū)總體規(guī)模較大，按照運(yùn)行期第1年達(dá)產(chǎn)50%，每年增加10%，到第6年全部達(dá)產(chǎn)。

2.4.3 財務(wù)分析

財務(wù)分析計算期采用57 a，其中建設(shè)期7 a、運(yùn)行期50 a，風(fēng)電、光伏按照運(yùn)行25 a后重置1次。經(jīng)分析，內(nèi)流區(qū)一體化基地計、不計發(fā)電碳匯收入時融資前稅前財務(wù)內(nèi)部收益率分別為7.59%、6.66%，均大于基準(zhǔn)收益率（6%）。

3 結(jié) 論

本研究結(jié)合“雙碳”目標(biāo)和黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展對黃河流域再生能源的要求，以黃河內(nèi)流區(qū)豐富的風(fēng)能、光能、土地資源及鄰近的黃河干支流具備建設(shè)大規(guī)模抽水蓄能電站的條件為基礎(chǔ)，充分利用抽水蓄能電站靈活調(diào)節(jié)能力與風(fēng)電、光電的出力互補(bǔ)特性，并結(jié)合光伏電站進(jìn)行牧業(yè)開發(fā)，形成水能牧生態(tài)治理一體化開發(fā)模式，可建成超億千瓦級的清潔能源基地和2.2萬hm2牧業(yè)基地，總裝機(jī)容量規(guī)模近3.86億kW，年發(fā)電量超6 000億kW·h，牧業(yè)基地可養(yǎng)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(dá)215億元。初步分析了一體化基地主要財務(wù)指標(biāo)，在計、不計發(fā)電碳匯收入的情況下基地融資前稅前財務(wù)內(nèi)部收益率分別為7.59%、6.66%，均大于基準(zhǔn)收益率（6%），項目財務(wù)基本可行。