双碳目标下黄河流域内流区水能牧生态治理一体化开发模式研究

张金良，唐梅英，张 权，杜媛杰，王珈珞

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南 郑州 450003）

1 黄河流域内流区水土风光资源

黄河流域内流区（又称闭流区）位于黄河流域西北腹地河套以南的鄂尔多斯高原上，形状如倒置葫芦，西、北、东三面为黄河干支流，南面以白于山与黄土高原为界，总面积约4.23万km2［1］，海拔1 100～1 500 m、相对高差20～80 m。内流区约86.0%的地区属于内蒙古自治区鄂尔多斯市，自南向北穿过杭锦旗、东胜区、伊金霍洛旗、鄂托克旗、乌审旗和鄂托克前旗；约10.7%属于陕西省榆林市，包括东北部的神木市和南部的定边县部分地区；3.3%的地区位于宁夏回族自治区吴忠市盐池县境内（见图1）。

图1 黄河流域内流区位置示意

1.1 水资源

内流区地处温带大陆性干旱气候区，多年平均气温为6.0℃；多年平均降水量303 mm，多年平均蒸散发量约为2 338 mm，干旱指数高达7.7；多年平均径流深为5～15 mm，径流系数为0.036，是黄河流域平均径流系数的1／5。少量的降水被大量蒸发和下渗，形成的河流中途就会消失，或以星罗棋布的内陆湖盆或凹地为归宿，分散的河流发育，缺乏常流河。内流区流域面积大于50 km2的河流有104条，占黄河流域河流总数的2.5%，其中面积大于100 km2的河流有73条、大于500 km2的河流有17条、大于1 000 km2的河流有4条、大于3 000 km2的河流有2条；水面面积大于1.0 km2的湖（淖）有43个，占黄河流域湖泊总数的29.5%，其中41.9%的湖（淖）属盐湖、58.1%的湖（淖）属咸水湖。

估算2030年水平内流区可供水量约4.43亿m3、需水量约5.05亿m3，其中生活需水量约0.10亿m3、生产需水量约4.77亿m3、生态环境需水量为0.18亿m3，整体需水量大于可供水量，存在约0.62亿m3供水缺口，缺水率约为12.3%［2］。此外，内流区清洁能源基地需水量约2.37亿m3，其中冲洗光伏板需水1.00亿m3、抽水蓄能电站蒸发渗漏损失1.37亿m3。

1.2 土地资源

内流区处于风蚀与水蚀交错地带，属于荒漠草原地貌景观，植被稀疏，生态环境极其脆弱。内流区北部毗邻库布齐沙漠南缘，中南部被毛乌素沙地穿过，地表大部分被现代风积沙覆盖，低凹处分布众多的湖（淖）和凹地草滩。毛乌素沙地是典型草原草场分布区，土地沙漠化敏感程度极高，库布齐沙漠是半荒漠地带，流动沙丘占绝对优势。

根据土地利用规划，城镇村及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地等作为不可垦土地资源，区域内耕地、园地、林地、草地以及未利用地作为可垦土地资源。规划区域内42 270 km2土地资源的可垦土地规模为41 338 km2，可垦率为97.8%。其中：耕地2 833 km2，占土地总面积的6.7%；林地719 km2，占土地总面积的1.7%；草地25 656 km2，占土地总面积的60.7%；水域720 km2，占土地总面积的1.7%；人工用地212 km2，占土地总面积的0.5%；未利用地12 130 km2，占土地总面积的28.7%［3］。黄河流域内流区现状土地利用结构见表1。

表1 黄河流域内流区现状土地利用结构

内流区不同土地类型面积1970—2020年动态变化趋势见图2。耕地面积变化不大，林地面积及城乡工矿居民用地面积增加，水域面积减小，未利用土地面积和草地面积波动较大，其中：未利用土地面积2005年达到高峰，随后逐年降低，2020年有所回升；草地面积2005年达到低谷，随后逐年升高，2020年有所回落。总体来看，2000年以后土地利用变化较2000年之前更为剧烈，2005年以后未利用地与草地、城乡工矿居民用地变化趋势相反。

图2 内流区不同土地类型面积1970—2020年动态变化趋势

根据对耕地利用的影响不同，将耕地坡度分为5级：0°～2°为一级，一般无水土流失现象；2°～6°为二级，可发生轻度土壤侵蚀，须注重水土保持；6°～15°为三级，可发生中度水土流失，应采取修筑梯田、等高种植等措施，加强水土保持；15°～25°为四级，水土流失严重，必须采取工程、生物等综合措施防治水土流失；25°以上限制开垦种植，已经开垦为耕地的，要逐步退耕还林还草。通过对内流区坡度进行分析，一级、二级坡地分别约占内流区总面积的41.2%、46.8%，其中一级坡地广泛分布在东部、中部和西北部；三级坡地约占总面积的5.4%，主要分布在南部，分布地区与现状农田分布地区高度重合。从坡度角度分析，区域内绝大部分地区具有开垦耕地或发展饲草业的潜力，面积高达4万km2。从降水角度分析，内流区多年平均降水量158～392 mm，从东南向西北递减，均不适宜种植乔木，在植被恢复重建过程中，适宜栽种草和灌木。

1.3 风、光资源

根据太阳能辐照度图谱，内流区太阳能资源呈北高南低的特点，年水平面总辐射量（GHR）介于1 500～1 747 kW·h／m2，均值为1 675 kW·h／m2，为太阳能资源很丰富地区。其中杭锦旗与鄂托克旗太阳能资源相对较好，平均年水平总辐射量分别为1 709、1 691 kW·h／m2。黄河流域内流区水平面太阳能总辐射量分布见图3。

图3 黄河流域内流区水平面太阳能总辐射量分布

根据风资源图谱，内流区离地高度100 m风速为5.20～10.16 m／s、平均风速为6.98 m／s，风速大于5.00 m／s的面积占比100%，开发潜力较大。该区域风能资源呈北高南低的特点，其中杭锦旗和鄂托克旗风资源情况最佳，平均风速分别为7.37、7.22 m／s。黄河流域内流区离地高度100 m平均风速分布见图4。

图4 黄河流域内流区离地高度100 m平均风速分布

2 内流区水能牧生态治理一体化开发研究

2020年习近平总书记做出“力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和”（简称“双碳”目标）的庄严承诺，我国能源发展步入以“双碳”目标为导向、以构建新型电力系统为路径、以可再生能源高质量发展为核心的新时代。内流区具有丰富的风能资源、光能资源、土地资源，邻近的黄河河谷及支流河谷具备建设大规模抽水蓄能电站的条件，以此为基础利用抽水蓄能电站灵活调节能力与风电、光电的出力互补特性，构建风、光、储单元式多能互补清洁能源基地，同时结合光伏电站进行牧业开发，形成水能牧生态治理一体化开发模式。

2.1 清洁能源基地研究

2.1.1 送电曲线拟定

结合内流区清洁能源基地水、风、光资源条件、出力特性以及装机规模，拟采用12条±1 100 kV特高压直流输电线路送电至中东部地区，输电容量按照14 400万kW，输电年利用小时按照4 500～5 000 h。不同月份内流区清洁能源基地的日内送电曲线见图5。

图5 不同月份内流区清洁能源基地的日内送电曲线

2.1.2 基地电源配置思路

采用最优化方法配置清洁能源基地电源。基地按照风、光、储多能互补方式运行，多种能源按补偿出力方式运行以满足送电曲线的负荷要求。优化配置方法为：选取光伏、风电、抽水蓄能电站装机规模为优化变量，进行多能互补调节计算，得到基地发电量、供电保证率、弃电率等指标，同时根据单位装机投资得到基地总投资指标，在满足发电指标的前提下以基地总投资最低为优化目标开展优化，优化过程采用粒子群算法寻优［4］，以供电保证率不低于85%、弃电率不超过20%作为约束条件，得到满足约束条件的装机方案。

2.1.3 基地初步构建方案

内流区多能互补清洁能源基地电源配置方案为：基地总装机38 600万kW，基地年发电量为6 399亿kW·h。其中：光伏电站装机24 500万kW，占地面积约1.16万km2，主要位于内蒙古自治区鄂尔多斯市鄂托克前旗东部和杭锦旗西南部；风电装机6 500万kW，占地面积约1.63万km2，主要位于内蒙古自治区鄂尔多斯市中部及西南部、宁夏回族自治区吴忠市东部、陕西省榆林市西部；抽水蓄能电站装机7 600万kW，在《抽水蓄能中长期发展规划（2021—2035年）》外初选可行站址，位于宁夏和内蒙古。基地能源就地打捆接入750 kV电网，汇集接入±1 100 kV换流站，通过直流特高压输电通道外送至中东部地区。基地弃电率18.9%，供电保证率85.0%，投资约16 742亿元，上网电价为0.269 4元／（kW·h），落地电价约为0.334 4元／（kW·h），小于中东部地区燃煤基准价，具有一定的市场竞争力。

黄河流域内流区多能互补清洁能源基地主要指标见表2，布局示意见图6。

表2 黄河流域内流区多能互补清洁能源基地主要指标

图6 黄河流域内流区多能互补清洁能源基地布局示意

2.2 内流区牧业开发研究

黄河流域内流区结合光伏电站开发进行牧业开发。据有关研究，光伏板相当于给戈壁荒滩披上一件防晒衣，可使生态光伏园内平均风速降低41.2%左右，20 cm深度土壤增湿32%［5］。

内流区光伏电站面积1.16万km2，按照1 km2饲养900只羊考虑，初步估算具备养殖1 000万只羊的潜力。光伏板的铺设可降低风速，减少蒸发，增加土壤水分，同时冲洗光伏板的用水顺流到土壤，可整体改善局部气候条件和土壤条件，使生态得到极大的改善，因而可以用来发展牧业养殖。经过估算，内流区光伏板年冲洗用水量1.00亿m3，光伏板下草场载畜量约500万只羊。

2.3 水资源开发方案研究

根据以上能牧一体化开发方案，基地用水主要包括抽水蓄能电站蒸发渗漏损失补水和冲洗光伏板用水等能源基地用水以及牧业基地用水，其中牧业基地用水可利用冲洗光伏板水量和当地的水资源解决。初步估算，抽水蓄能电站年蒸发渗漏损失量约1.37亿m3、光伏板年冲洗用水量1.00亿m3，内流区基地每年共需水2.37亿m3，通过黄河水资源来解决，其用水指标可利用工业指标，近期由“八七”分水指标调整解决，远期可通过南水北调西线调水解决。由于内流区清洁能源基地抽水蓄能电站站址选在黄河干支流附近，其蒸发渗漏损失需水量可就近取水解决，因此本研究暂不考虑该部分水资源配置工程，仅考虑光伏板年冲洗需水的水资源配置工程。配套工程从黄河干流提水，泵站设计扬程约440 m，线路长216.74 km，供水配套干线工程投资30.35亿元。

2.4 一体化开发主要财务指标

在国家现行财税制度和价格体系的前提下，从项目的角度出发，在不考虑债务融资条件下，进行融资前税前财务初步分析，计算项目范围内的财务效益和费用，分析项目的盈利能力。

2.4.1 费用估算

费用估算分别对工程投资、成本费用和税费进行估算。

工程投资：多能互补清洁能源基地装机38 600万kW，年发电量6 399亿kW·h，投资16 742亿元；利用冲洗光伏板水量1.00亿m3发展饲草地2.2万hm2，养殖500万只羊，供水配套工程投资30.35亿元。

成本费用：清洁能源基地，综合年折旧费率采用3.9%；年运行费包括修理费、材料费、人工费、其他费用、保险费等，采用固定资产投资的2.2%。光牧一体化基地，光伏发电成本计入清洁能源基地，此处只分析牧区配套水利设施成本费用和牧区养殖成本。牧区配套水利设施成本费用参考水利工程相关规范，折旧费率取2%，年运行费取固定资产投资的1.2%。牧区养殖成本包括种养、场地、饲料、人工、杂项。养殖方式按照圈养，经分析每百只羊年成本为3.76万元。

税费：包括增值税、所得税、销售税金附加、法定盈余公积金等，按国家有关规定和有关规范计取。

2.4.2 财务收益

财务收益包括清洁能源基地发电收入、内流区养殖收入。

清洁能源基地发电收入：根据《国家发展改革委关于2021年新能源上网电价政策有关事项的通知》（发改价格〔2021〕833号），2021年起，新备案集中式光伏电站、新核准陆上风电项目，中央不再补贴，实行平价上网，2021年新建项目上网电价，按当地燃煤发电基准价执行；可自愿通过参与市场化交易形成上网电价，以更好体现光伏发电、风电的绿色电力价值。清洁能源基地所在地市场消纳能力有限，发电以外售为主。本次研究以华东、华中地区受端电网有竞争力的可接受电价作为该工程财务收入计算采用电价，为0.33元／（kW·h）。考虑基地建设进度，按照建设期第6年发电量50%、第7年70%、第8年全部达产。

内流区养殖收入：内流区牧区年存栏羊数量约为500万只，按照出栏率60%，每年出栏羊数量约为300万只，出售羊按照每只50 kg、单价20元／kg计算。考虑牧区总体规模较大，按照运行期第1年达产50%，每年增加10%，到第6年全部达产。

2.4.3 财务分析

财务分析计算期采用57 a，其中建设期7 a、运行期50 a，风电、光伏按照运行25 a后重置1次。经分析，内流区一体化基地计、不计发电碳汇收入时融资前税前财务内部收益率分别为7.59%、6.66%，均大于基准收益率（6%）。

3 结 论

本研究结合“双碳”目标和黄河流域生态保护和高质量发展对黄河流域再生能源的要求，以黄河内流区丰富的风能、光能、土地资源及邻近的黄河干支流具备建设大规模抽水蓄能电站的条件为基础，充分利用抽水蓄能电站灵活调节能力与风电、光电的出力互补特性，并结合光伏电站进行牧业开发，形成水能牧生态治理一体化开发模式，可建成超亿千瓦级的清洁能源基地和2.2万hm2牧业基地，总装机容量规模近3.86亿kW，年发电量超6 000亿kW·h，牧业基地可养光伏羊约500万只，初步匡算年减少碳排放5.12亿t，减碳效益达215亿元。初步分析了一体化基地主要财务指标，在计、不计发电碳汇收入的情况下基地融资前税前财务内部收益率分别为7.59%、6.66%，均大于基准收益率（6%），项目财务基本可行。