黑山峽河段開發功能定位與開發方案

錢 裕， 梁艷潔，段文龍，倪菲菲， 張軍梅

（1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部水治理與水安全重點實驗室，河南 鄭州 450003；3.河南黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；4.河南黃河河務局工程建設中心，河南 鄭州 450003）

1 引言

黑山峽河段位于黃河上游甘肅省和寧夏回族自治區接壤處，起于甘肅省靖遠縣大廟，在寧夏中衛縣小灣出峽谷后進入寧蒙河套平原，控制斷面下河沿站天然徑流量約331億m3，占流域的62%，是黃河上游最后一個可以修建峽谷高壩大庫的河段（見圖1）。黑山峽河段開發研究工作始于1952年，近70年來水利部、原能源部、原電力部、原地礦部等有關部門和其下屬的勘測設計單位以及甘肅、寧夏有關部門做了大量勘測、設計和研究論證工作。由于在河段開發功能定位、生態環境影響、征地移民數量以及壩址地震風險等方面存在不同認識分歧，有關方面先后提出過二級開發、一級開發和四級開發等開發方案，影響著國家決策[1]。本文根據近期國家的有關戰略要求[2]，分析論證新形勢下黑山峽河段開發功能定位，結合有關開發方案情況，綜合比選不同開發方案的優劣，并提出河段推薦方案。研究論證成果可為黑山峽河段開發提供參考。

圖1 黃河黑山峽河段位置示意圖

2 新形勢下黑山峽河段開發功能定位

黑山峽水利樞紐作為西部地區重要的水利基礎設施、國家骨干水網南水北調西線的重要調蓄工程、清潔能源開發利用的重要工程，是落實黃河流域生態保護和高質量發展[2]，推進西部大開發等國家重大戰略的基礎工程。結合當前重點是黃河上游寧蒙河段存在的新懸河問題、防凌防洪安全問題、流域水資源保障問題[1]以及區域生態環境保護和經濟社會發展要求，分析提出新形勢下黑山峽河段開發應具備以下功能：

（1）協調水沙關系，有效遏制寧蒙河段“新懸河”發展態勢。寧蒙河段水沙關系不協調，河道淤積萎縮，形成“新懸河”。通過黑山峽水利樞紐反調節，汛期集中大流量下泄，協調寧蒙河段水沙關系，恢復和維持中水河槽過流能力，同時為中游水庫水沙調控提供水流動力條件。

（2）防凌防洪，有效調節寧蒙河段凌汛期水量、水溫。寧蒙河段防凌問題突出，現狀工程體系中龍羊峽、劉家峽水庫距離寧蒙河段過遠，難以有效調控寧蒙河段封開河流量。黑山峽水利樞紐距離寧蒙河段近，防凌調度及時靈活，通過有效調節出庫水量、水溫，可顯著減少寧蒙河段的封河河長和槽蓄水增量，有效處置寧蒙河段不利凌情[3-9]。

（3）合理配置水資源，有效調控流域年際年內徑流過程。黃河流域水資源年內和年際分配不均，來水與用水在地區和時間上不相適應，劉家峽至萬家寨近1 600km河段無大的調蓄工程，難以保障大“幾”字彎工業、農業、城鎮、生態用水安全。建設黑山峽水利樞紐，可以改善區域供水條件，提高供水保證率，實現流域水資源合理配置，為民生改善提供水安全保障[3-9]。

（4）調控西線來水，有力支撐國家骨干水網建設。南水北調西線一期工程調水80億m3，從黃河上游劉家峽以上進入黃河，現有工程體系調節能力不足。建設黑山峽水利樞紐，對上游來水進行反調節，協調上游防凌、供水與發電等綜合利用之間的矛盾，對西線調入水量進行有效調節，支撐國家“四橫三縱”骨干水網建設。

（5）改善生態環境，有效支撐西北生態安全屏障建設。黑山峽河段下游寧蒙河段集中分布有巴丹吉林、騰格里、毛烏素、庫布齊、烏蘭布和等五大沙漠，區域生態環境十分脆弱，人民生存環境惡劣，飲水困難，經濟發展落后。建設黑山峽水利樞紐，保障生態環境用水，維系適宜的綠洲規模，實現建設“小綠洲”、保護“大生態”，可為構建西北生態安全屏障提供水資源保障。

（6）開發水能資源，有效促進多能互補新型清潔能源基地建設。黃河上中地區作為能源富集區，化石能源消費占比較高。以黑山峽河段水電開發為依托，利用河段兩岸廣袤的荒漠資源、豐富的風光資源，建設集風電、光電、水電、抽水儲能為一體多能互補的新型清潔能源基地，輸出清潔電力能源，減少碳排放，助力實現碳中和戰略目標。

綜上黑山峽河段開發功能定位分析，黑山峽水庫的建設任務應為協調水沙關系、防凌（洪）減淤、合理調配水資源、生態、發電等綜合利用。滿足河段開發任務的水庫應具備較大的庫容，南水北調西線工程生效前后需要的庫容分別是40.8億m3、57.6億m3。

3 黑山峽河段開發方案及其優劣對比

3.1 開發方案介紹

研究論證過程中，黑山峽河段先后提出了二級、一級、四級開發多種開發方案，各壩址見圖2。其中四級開發方案為紅山峽、五佛、小觀音、大柳樹4個梯級徑流式電站，發電為主，4座水庫總庫容4.82億m3，原始調節庫容1.69億m3，總裝機1 680MW，四級開發方案不能滿足新時期黑山峽河段的開發功能定位，本文主要介紹一、二級開發方案。

圖2 黑山峽河段不同開發方案各壩址位置圖

（1）一級開發方案

大柳樹高壩方案，壩址位于黑山峽峽谷出口以上2km寧夏境內，設計壩型為混凝土面板堆石壩。原規劃水庫正常蓄水位確定為1 380m，為了減小淹沒，近期研究提出降低正常蓄水位至1 374m，相應庫容99.86億m3，死水位1 330m，原始調節庫容70.6億m3，淤積50年后剩余調節庫容53.8億m3，裝機2 000MW。不同開發方案主要特征指標見表1。

表1 黑山峽河段不同開發方案主要特征指標表

（2）二級開發方案

根據目前的研究成果，二級開發方案有可分為小觀音（高壩）+大柳樹（低壩）方案、虎峽（高壩）+大柳樹（低壩）方案、大柳樹（高壩）+紅山峽（低壩）方案。

①小觀音+大柳樹方案。小觀音高壩壩址位于黑山峽谷進口以下21km處甘肅境內，設計壩型為雙曲混凝土拱壩。原規劃正常蓄水位1 380m，優化后調整水庫正常蓄水位1 374m，相應庫容62.1億m3，死水位1 330m，原始調節庫容48.5億m3，淤積50年后剩余調節庫容31.9億m3，裝機容量為1 400MW；大柳樹壩址修建混凝土低壩，正常蓄水位1 276m，回水與小觀音銜接，裝機440MW。

②虎峽+大柳樹方案，虎峽高壩壩址在甘寧兩省界河段，左右岸分屬甘肅寧夏兩省，上距小觀音壩址16km、下距大柳樹壩址33km，設計壩型為碾壓混凝土重力壩。水庫正常蓄水位1 374m，相應庫容71.7億m3，比上游小觀音水庫同樣水位下的庫容多9.6億m3；死水位1 330m，原始調節庫容54.4億m3，淤積50年后剩余調節庫容38.7億m3，裝機容量為1 520MW；大柳樹壩址修建混凝土低壩，正常蓄水位1 265m，回水與小觀音銜接，裝機400MW。

③大柳樹+紅山峽方案，大柳樹壩址修建高壩，水庫正常蓄水位1 355m，相應庫容62.5億m3，死水位1 317m，原始調節庫容45.1億m3，淤積50年后剩余調節庫容30億m3，裝機1 600MW；紅山峽壩址（位于老龍灣黃河石林國家地質公園上游約12km，下距五佛壩址約47km）修建低壩，正常蓄水位1 374m，裝機320MW。

3.2 方案比選

（1）功能滿足程度

采用數學模型分析計算不同開發方案的庫區泥沙淤積和庫容變化。表2為不同開發方案黑山峽庫區沖淤結果?？梢钥吹?，黑山峽河段大柳樹一級開發方案，水庫攔沙期為100年，無西線調水條件下，水庫運用前50年庫區年均淤積0.975億t，水庫排沙比為0.5%；水庫運用50—100年庫區年均淤積0.737億t，水庫排沙比為23.9%。有西線調水條件下，水庫運用前50年庫區年均淤積0.975億t，水庫排沙比為0.4%；水庫運用50—100年庫區年均淤積0.660億t，水庫排沙比為31.9%。

表2 不同開發方案黑山峽水庫沖淤結果

黑山峽河段虎峽+大柳樹二級開發方案，水庫攔沙期為50年，無西線調水條件下，水庫運用前50年庫區年均淤積0.933億t，水庫排沙比為4.7%；水庫運用50—100年庫區年均淤積0.263億t，水庫排沙比為72.8%。有西線調水條件下，水庫運用前50年庫區年均淤積0.911億t，排沙比為6.3%；水庫運用50—100年庫區年均淤積0.260億t，排沙比為73.1%。

表3為不同開發方案水庫運用50年剩余庫容，根據水庫運用50年后的庫容大小比較不同開發方案的功能滿足程度?？梢钥吹剑阂患夐_發方案能夠基本滿足河段開發功能需求；二級開發能夠部分滿足河段開發功能需求，庫容越大，功能滿足程度越高。若考慮劉家峽水庫分擔部分功能，利用現有20億m3調節庫容[1]，則虎峽高壩+大柳樹低壩可基本滿足開發庫容需求。

表3 不同開發方案水庫運用50年后庫容 單位：億m3

（2）地質條件

黃河黑山峽河段位于青藏高原東北緣的香山穩定地塊，大柳樹水利樞紐壩址距景泰-海原活動斷裂帶約60km，距中衛-同心活動斷裂帶約1.5km。工程近場區歷史地震微弱，地震危險性主要來自于上述兩條活動斷裂帶強震影響，歷史地震對壩址的最大影響烈度為8度。據中國地震局等部門研究，大柳樹壩址沒有活斷層分布，不存在工程抗斷問題[10-11]，壩址巖體經過處理后，強度都能滿足修建高土石壩的要求，地下洞室圍巖具備成洞條件[12-14]。雖然中國地震局等部門研究認為大柳樹壩址沒有活斷層分布，不存在工程抗斷問題，但仍有學者持不同意見。馬潤勇等[15]研究認為大柳樹壩址處于7級以上地震時的分支破裂發生帶內，存在工程錯斷可能。 王康柱等[16]、曹曦等[17]、柳煜等[18]、彭進夫[19]研究認為大柳樹壩址距F201發震活斷層僅1.5km，且位于斷層上盤，存在次級斷層位錯而導致的工程抗斷風險，不宜選此壩址修建高壩。曹東盛等[20]研究認為大柳樹壩址巖體的強透水不僅影響水庫的蓄水，更為嚴重的是可能帶來影響大壩和水庫穩定。同時，李雪峰等[21]、彭進夫[22]研究認為小觀音壩址巖體質量與大柳樹壩址有明顯差別，小觀音壩址地質條件優于大柳樹壩址?；{距離小觀音壩址近，與小觀音壩址地質條件相近。

（3）淹沒影響

為了使水庫回水不影響靖遠川川地，現有一級開發方案和二級開發方案上庫正常蓄水位控制在1 374m。不同開發方案淹沒人口4.2—4.6萬人，淹沒房屋205.3—231.6萬m2，淹沒耕園地8.8—9.6萬畝，一級開發相對淹沒損失較大，二級開發方案中大柳樹高壩+紅山峽較優，小觀音高壩+大柳樹、虎峽高壩+大柳樹淹沒損失相當，見表4。

表4 不同開發方案淹沒損失表

（4）環境影響

一級開發方案，二級開發中的小觀音、虎峽高壩方案正常蓄水位均為1 374m，淹沒黃河石林國家地質公園核心區0.28m2、二級保護區0.49km2、三級保護區11.04km2，分別占各區總面積的3.46%、5.76%、33.05%。二級開發中的大柳樹高壩方案正常蓄水位1 355m，淹沒黃河石林國家地質公園核心區0.04km2、二 級 保 護 區0.26km2、三 級 保 護 區8.86km2，分別占各區總面積的0.49%、3.06%、26.57%。從淹沒面積和占比來看，二級開發大柳樹高壩方案較優，但各方案間淹沒程度、淹沒范圍有限，初步認為在小時間尺度下水位上升對地貌景觀整體的改變不明顯，現有研究認為在小時間尺度下水位上升對地貌景觀整體的改變不明顯。另外相較于二級開發方案，一級開發對河流連通性破壞較小，對魚類等水生生物生境影響相對較小[23-24]。

（5）工程投資

初步估算各開發方案投資見表5，一級開發方案估算總投資，328.04億元，最大；二級開發方案總投資比一級開發略小，但總的來說相差不大。

表5 不同開發方案建設投資表 單位：億元

（6）其他

以黑山峽河段水電開發為依托，建設多能互補新型清潔能源基地，水電站要承擔調峰調頻任務，日內出庫流量過程不穩定，對下游用水特別是凌汛期防凌控制可能造成影響，必須要有反調節水庫，估計需要約3 000萬m3庫容進行反調節，二級開發大柳樹低壩可作為反調節水庫，滿足庫容條件要求。一級開發方案，需利用現有沙坡頭水庫作為反調節水庫，沙坡頭水庫原始總庫容2 600萬m3，但目前淤積后剩余庫容僅約900萬m3，不滿足反調節庫容要求。因此，二級開發方案中的小觀音和虎峽方案較為有利?；{壩址左右岸分屬甘肅寧夏兩省，有利于解決兩省長期以來的工程建設爭議，與小觀音二級方案相比，增加調節庫容9億m3，增加裝機156MW，基本滿足南水北調西線工程生效前后黑山峽河段開發功能要求，單位庫容、裝機、發電量投資更低。

綜上分析，虎峽+大柳樹二級開發方案更優。

4 結論

（1）黃河流域生態保護和高質量發展以及促進西部大開發形成新格局給黑山峽河段開發帶來了新的功能定位和機遇。為了協調水沙關系遏制寧蒙河段新懸河發育，保障寧蒙河段防洪防凌安全，有效調配黃河水資源和調控西線來水，改善生態環境支撐西北生態安全屏障建設，促進多能互補清潔能源基地建設助力實現碳中和戰略目標，需要黑山峽河段開發建設高壩大庫。

（2）黑山峽河段有多種類型的開發方案。一級開發方案能夠基本滿足河段開發功能需求，但是大柳樹壩址地震風險相對更大，缺少滿足多能互補清潔能源基地建設需要的反調節水庫；二級開發能夠部分滿足河段開發功能需求，庫容越大，功能滿足程度越高，虎峽二級開發方案的虎峽壩址左右岸分屬甘肅寧夏兩省，有利于解決兩省長期以來的工程建設爭議，與小觀音二級方案相比，增加調節庫容9億m3，增加裝機156MW，單位庫容、裝機、發電量投資更低，作為優先考慮方案?！?/p>