黑山峡河段开发功能定位与开发方案

钱 裕， 梁艳洁，段文龙，倪菲菲， 张军梅

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部水治理与水安全重点实验室，河南 郑州 450003；3.河南黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；4.河南黄河河务局工程建设中心，河南 郑州 450003）

1 引言

黑山峡河段位于黄河上游甘肃省和宁夏回族自治区接壤处，起于甘肃省靖远县大庙，在宁夏中卫县小湾出峡谷后进入宁蒙河套平原，控制断面下河沿站天然径流量约331亿m3，占流域的62%，是黄河上游最后一个可以修建峡谷高坝大库的河段（见图1）。黑山峡河段开发研究工作始于1952年，近70年来水利部、原能源部、原电力部、原地矿部等有关部门和其下属的勘测设计单位以及甘肃、宁夏有关部门做了大量勘测、设计和研究论证工作。由于在河段开发功能定位、生态环境影响、征地移民数量以及坝址地震风险等方面存在不同认识分歧，有关方面先后提出过二级开发、一级开发和四级开发等开发方案，影响着国家决策[1]。本文根据近期国家的有关战略要求[2]，分析论证新形势下黑山峡河段开发功能定位，结合有关开发方案情况，综合比选不同开发方案的优劣，并提出河段推荐方案。研究论证成果可为黑山峡河段开发提供参考。

图1 黄河黑山峡河段位置示意图

2 新形势下黑山峡河段开发功能定位

黑山峡水利枢纽作为西部地区重要的水利基础设施、国家骨干水网南水北调西线的重要调蓄工程、清洁能源开发利用的重要工程，是落实黄河流域生态保护和高质量发展[2]，推进西部大开发等国家重大战略的基础工程。结合当前重点是黄河上游宁蒙河段存在的新悬河问题、防凌防洪安全问题、流域水资源保障问题[1]以及区域生态环境保护和经济社会发展要求，分析提出新形势下黑山峡河段开发应具备以下功能：

（1）协调水沙关系，有效遏制宁蒙河段“新悬河”发展态势。宁蒙河段水沙关系不协调，河道淤积萎缩，形成“新悬河”。通过黑山峡水利枢纽反调节，汛期集中大流量下泄，协调宁蒙河段水沙关系，恢复和维持中水河槽过流能力，同时为中游水库水沙调控提供水流动力条件。

（2）防凌防洪，有效调节宁蒙河段凌汛期水量、水温。宁蒙河段防凌问题突出，现状工程体系中龙羊峡、刘家峡水库距离宁蒙河段过远，难以有效调控宁蒙河段封开河流量。黑山峡水利枢纽距离宁蒙河段近，防凌调度及时灵活，通过有效调节出库水量、水温，可显著减少宁蒙河段的封河河长和槽蓄水增量，有效处置宁蒙河段不利凌情[3-9]。

（3）合理配置水资源，有效调控流域年际年内径流过程。黄河流域水资源年内和年际分配不均，来水与用水在地区和时间上不相适应，刘家峡至万家寨近1 600km河段无大的调蓄工程，难以保障大“几”字弯工业、农业、城镇、生态用水安全。建设黑山峡水利枢纽，可以改善区域供水条件，提高供水保证率，实现流域水资源合理配置，为民生改善提供水安全保障[3-9]。

（4）调控西线来水，有力支撑国家骨干水网建设。南水北调西线一期工程调水80亿m3，从黄河上游刘家峡以上进入黄河，现有工程体系调节能力不足。建设黑山峡水利枢纽，对上游来水进行反调节，协调上游防凌、供水与发电等综合利用之间的矛盾，对西线调入水量进行有效调节，支撑国家“四横三纵”骨干水网建设。

（5）改善生态环境，有效支撑西北生态安全屏障建设。黑山峡河段下游宁蒙河段集中分布有巴丹吉林、腾格里、毛乌素、库布齐、乌兰布和等五大沙漠，区域生态环境十分脆弱，人民生存环境恶劣，饮水困难，经济发展落后。建设黑山峡水利枢纽，保障生态环境用水，维系适宜的绿洲规模，实现建设“小绿洲”、保护“大生态”，可为构建西北生态安全屏障提供水资源保障。

（6）开发水能资源，有效促进多能互补新型清洁能源基地建设。黄河上中地区作为能源富集区，化石能源消费占比较高。以黑山峡河段水电开发为依托，利用河段两岸广袤的荒漠资源、丰富的风光资源，建设集风电、光电、水电、抽水储能为一体多能互补的新型清洁能源基地，输出清洁电力能源，减少碳排放，助力实现碳中和战略目标。

综上黑山峡河段开发功能定位分析，黑山峡水库的建设任务应为协调水沙关系、防凌（洪）减淤、合理调配水资源、生态、发电等综合利用。满足河段开发任务的水库应具备较大的库容，南水北调西线工程生效前后需要的库容分别是40.8亿m3、57.6亿m3。

3 黑山峡河段开发方案及其优劣对比

3.1 开发方案介绍

研究论证过程中，黑山峡河段先后提出了二级、一级、四级开发多种开发方案，各坝址见图2。其中四级开发方案为红山峡、五佛、小观音、大柳树4个梯级径流式电站，发电为主，4座水库总库容4.82亿m3，原始调节库容1.69亿m3，总装机1 680MW，四级开发方案不能满足新时期黑山峡河段的开发功能定位，本文主要介绍一、二级开发方案。

图2 黑山峡河段不同开发方案各坝址位置图

（1）一级开发方案

大柳树高坝方案，坝址位于黑山峡峡谷出口以上2km宁夏境内，设计坝型为混凝土面板堆石坝。原规划水库正常蓄水位确定为1 380m，为了减小淹没，近期研究提出降低正常蓄水位至1 374m，相应库容99.86亿m3，死水位1 330m，原始调节库容70.6亿m3，淤积50年后剩余调节库容53.8亿m3，装机2 000MW。不同开发方案主要特征指标见表1。

表1 黑山峡河段不同开发方案主要特征指标表

（2）二级开发方案

根据目前的研究成果，二级开发方案有可分为小观音（高坝）+大柳树（低坝）方案、虎峡（高坝）+大柳树（低坝）方案、大柳树（高坝）+红山峡（低坝）方案。

①小观音+大柳树方案。小观音高坝坝址位于黑山峡谷进口以下21km处甘肃境内，设计坝型为双曲混凝土拱坝。原规划正常蓄水位1 380m，优化后调整水库正常蓄水位1 374m，相应库容62.1亿m3，死水位1 330m，原始调节库容48.5亿m3，淤积50年后剩余调节库容31.9亿m3，装机容量为1 400MW；大柳树坝址修建混凝土低坝，正常蓄水位1 276m，回水与小观音衔接，装机440MW。

②虎峡+大柳树方案，虎峡高坝坝址在甘宁两省界河段，左右岸分属甘肃宁夏两省，上距小观音坝址16km、下距大柳树坝址33km，设计坝型为碾压混凝土重力坝。水库正常蓄水位1 374m，相应库容71.7亿m3，比上游小观音水库同样水位下的库容多9.6亿m3；死水位1 330m，原始调节库容54.4亿m3，淤积50年后剩余调节库容38.7亿m3，装机容量为1 520MW；大柳树坝址修建混凝土低坝，正常蓄水位1 265m，回水与小观音衔接，装机400MW。

③大柳树+红山峡方案，大柳树坝址修建高坝，水库正常蓄水位1 355m，相应库容62.5亿m3，死水位1 317m，原始调节库容45.1亿m3，淤积50年后剩余调节库容30亿m3，装机1 600MW；红山峡坝址（位于老龙湾黄河石林国家地质公园上游约12km，下距五佛坝址约47km）修建低坝，正常蓄水位1 374m，装机320MW。

3.2 方案比选

（1）功能满足程度

采用数学模型分析计算不同开发方案的库区泥沙淤积和库容变化。表2为不同开发方案黑山峡库区冲淤结果。可以看到，黑山峡河段大柳树一级开发方案，水库拦沙期为100年，无西线调水条件下，水库运用前50年库区年均淤积0.975亿t，水库排沙比为0.5%；水库运用50—100年库区年均淤积0.737亿t，水库排沙比为23.9%。有西线调水条件下，水库运用前50年库区年均淤积0.975亿t，水库排沙比为0.4%；水库运用50—100年库区年均淤积0.660亿t，水库排沙比为31.9%。

表2 不同开发方案黑山峡水库冲淤结果

黑山峡河段虎峡+大柳树二级开发方案，水库拦沙期为50年，无西线调水条件下，水库运用前50年库区年均淤积0.933亿t，水库排沙比为4.7%；水库运用50—100年库区年均淤积0.263亿t，水库排沙比为72.8%。有西线调水条件下，水库运用前50年库区年均淤积0.911亿t，排沙比为6.3%；水库运用50—100年库区年均淤积0.260亿t，排沙比为73.1%。

表3为不同开发方案水库运用50年剩余库容，根据水库运用50年后的库容大小比较不同开发方案的功能满足程度。可以看到：一级开发方案能够基本满足河段开发功能需求；二级开发能够部分满足河段开发功能需求，库容越大，功能满足程度越高。若考虑刘家峡水库分担部分功能，利用现有20亿m3调节库容[1]，则虎峡高坝+大柳树低坝可基本满足开发库容需求。

表3 不同开发方案水库运用50年后库容 单位：亿m3

（2）地质条件

黄河黑山峡河段位于青藏高原东北缘的香山稳定地块，大柳树水利枢纽坝址距景泰-海原活动断裂带约60km，距中卫-同心活动断裂带约1.5km。工程近场区历史地震微弱，地震危险性主要来自于上述两条活动断裂带强震影响，历史地震对坝址的最大影响烈度为8度。据中国地震局等部门研究，大柳树坝址没有活断层分布，不存在工程抗断问题[10-11]，坝址岩体经过处理后，强度都能满足修建高土石坝的要求，地下洞室围岩具备成洞条件[12-14]。虽然中国地震局等部门研究认为大柳树坝址没有活断层分布，不存在工程抗断问题，但仍有学者持不同意见。马润勇等[15]研究认为大柳树坝址处于7级以上地震时的分支破裂发生带内，存在工程错断可能。 王康柱等[16]、曹曦等[17]、柳煜等[18]、彭进夫[19]研究认为大柳树坝址距F201发震活断层仅1.5km，且位于断层上盘，存在次级断层位错而导致的工程抗断风险，不宜选此坝址修建高坝。曹东盛等[20]研究认为大柳树坝址岩体的强透水不仅影响水库的蓄水，更为严重的是可能带来影响大坝和水库稳定。同时，李雪峰等[21]、彭进夫[22]研究认为小观音坝址岩体质量与大柳树坝址有明显差别，小观音坝址地质条件优于大柳树坝址。虎峡距离小观音坝址近，与小观音坝址地质条件相近。

（3）淹没影响

为了使水库回水不影响靖远川川地，现有一级开发方案和二级开发方案上库正常蓄水位控制在1 374m。不同开发方案淹没人口4.2—4.6万人，淹没房屋205.3—231.6万m2，淹没耕园地8.8—9.6万亩，一级开发相对淹没损失较大，二级开发方案中大柳树高坝+红山峡较优，小观音高坝+大柳树、虎峡高坝+大柳树淹没损失相当，见表4。

表4 不同开发方案淹没损失表

（4）环境影响

一级开发方案，二级开发中的小观音、虎峡高坝方案正常蓄水位均为1 374m，淹没黄河石林国家地质公园核心区0.28m2、二级保护区0.49km2、三级保护区11.04km2，分别占各区总面积的3.46%、5.76%、33.05%。二级开发中的大柳树高坝方案正常蓄水位1 355m，淹没黄河石林国家地质公园核心区0.04km2、二 级 保 护 区0.26km2、三 级 保 护 区8.86km2，分别占各区总面积的0.49%、3.06%、26.57%。从淹没面积和占比来看，二级开发大柳树高坝方案较优，但各方案间淹没程度、淹没范围有限，初步认为在小时间尺度下水位上升对地貌景观整体的改变不明显，现有研究认为在小时间尺度下水位上升对地貌景观整体的改变不明显。另外相较于二级开发方案，一级开发对河流连通性破坏较小，对鱼类等水生生物生境影响相对较小[23-24]。

（5）工程投资

初步估算各开发方案投资见表5，一级开发方案估算总投资，328.04亿元，最大；二级开发方案总投资比一级开发略小，但总的来说相差不大。

表5 不同开发方案建设投资表 单位：亿元

（6）其他

以黑山峡河段水电开发为依托，建设多能互补新型清洁能源基地，水电站要承担调峰调频任务，日内出库流量过程不稳定，对下游用水特别是凌汛期防凌控制可能造成影响，必须要有反调节水库，估计需要约3 000万m3库容进行反调节，二级开发大柳树低坝可作为反调节水库，满足库容条件要求。一级开发方案，需利用现有沙坡头水库作为反调节水库，沙坡头水库原始总库容2 600万m3，但目前淤积后剩余库容仅约900万m3，不满足反调节库容要求。因此，二级开发方案中的小观音和虎峡方案较为有利。虎峡坝址左右岸分属甘肃宁夏两省，有利于解决两省长期以来的工程建设争议，与小观音二级方案相比，增加调节库容9亿m3，增加装机156MW，基本满足南水北调西线工程生效前后黑山峡河段开发功能要求，单位库容、装机、发电量投资更低。

综上分析，虎峡+大柳树二级开发方案更优。

4 结论

（1）黄河流域生态保护和高质量发展以及促进西部大开发形成新格局给黑山峡河段开发带来了新的功能定位和机遇。为了协调水沙关系遏制宁蒙河段新悬河发育，保障宁蒙河段防洪防凌安全，有效调配黄河水资源和调控西线来水，改善生态环境支撑西北生态安全屏障建设，促进多能互补清洁能源基地建设助力实现碳中和战略目标，需要黑山峡河段开发建设高坝大库。

（2）黑山峡河段有多种类型的开发方案。一级开发方案能够基本满足河段开发功能需求，但是大柳树坝址地震风险相对更大，缺少满足多能互补清洁能源基地建设需要的反调节水库；二级开发能够部分满足河段开发功能需求，库容越大，功能满足程度越高，虎峡二级开发方案的虎峡坝址左右岸分属甘肃宁夏两省，有利于解决两省长期以来的工程建设争议，与小观音二级方案相比，增加调节库容9亿m3，增加装机156MW，单位库容、装机、发电量投资更低，作为优先考虑方案。□