南水北調大西線設想是西北人民期盼已久的國家戰略工程,朔天運河、藏水入疆、西線、大西線、超長隧道等調雅魯藏布江之水濟西北的設想方案很多,爭議很大遲遲不能定案。一個科學合理可行的調水方案必須水源地水源充足、工程技術成熟可靠、風險小、投資少、調水可持續經濟運行。結合當前新能源發展趨勢及國家電網對儲能設施的急迫需求,經分析研究過去一些不現實的設想,隨著科技進步,今天已經完全成為經濟可行的設想。
今天,隨著新能源科技發展,光電風電逐步成為能源主力,每年新能源新增產能兩億千瓦,同時帶動抽水蓄能需求快速增長。這為青藏高原新能源發電抽水蓄能翻過唐古拉山實現藏水北調提供了產業基礎。國家能源局在十四五能源規劃中規劃了7000萬千瓦抽水蓄能電站,我們為何不能利用這個抽水蓄能設施產能來實現藏水入疆入蒙入黃河?
青藏高原是我國光能風能都很豐富的地區,但是遠離能源消納區,巨大光能風能水能資源得不到開發利用。如果在青藏高原建設1500萬千瓦光伏電場及1500萬千瓦風電場,年發電600億度電,可以提水200億方翻過唐古拉山。翻過唐古拉山後到通天河落差300米,可發電185億度,通天河到格爾木落差1450米,可發電1090億度,出阿爾金山到河西走廊落差1000米,可發電625億,共計發電1900億度。減去提水耗電600億,仍有1300億盈餘。相當於我們在青藏高原建造可年調水300億方,發電1900億度的巨大水利蓄能設施。
以安多縣錯那湖為最高程蓄水湖,最高蓄水位4600米,可蓄水48億方。從錯那湖北端4580米高程向北打通唐古拉200公裡隧道,到達通天河支流布曲4500米高程,在沱沱河口建2000平方公裡超級水庫。在通天河曲麻萊河下遊築壩到4300米高程,回流至曲麻萊鄉,打通崑崙山100公裡隧道,到達格爾木河溫泉水庫,溫泉水庫大壩下移4公裡,壩高4020米,水庫以下建梯級電站發電,到達格爾木全程98公裡,落差1150米,最大裝機1900萬千瓦。到達格爾木後沿2800~2750明渠一路向西,到達阿爾金山下,穿過32公裡隧道到達河西走廊,一路向西去新疆,一路向東途徑敦煌、瓜州、玉門、嘉峪關、酒泉、金昌、武威,從景泰縣或騰格里沙坡頭注入黃河。全程落差1000米,可裝機1000萬千瓦。
一期工程可先期打通通天河曲麻萊鄉到格爾木河二大溝98公裡隧道,預計後期工程需多條隧道。從通天河調水50億方到溫泉水庫。二期工程打通唐古拉200公裡隧道,從唐古拉南麓扎加藏布及、拉薩河上遊念青唐古拉山南麓、怒江上遊調水100億方到沱沱河水庫。三期工程從雅魯藏布江、怒江中上遊提水200億到錯那湖。遠期仍可再增加300億方。
水資源保障,由於很多河流季節流量不均,造成夏季用不完,冬季沒水用。要確保足夠的調水量必須有配套的蓄水設施。在雅魯藏布江、怒江、通天河上遊要層層蓄水,才能確保足夠的調水資源。遠期可規劃從怒江上遊提水到錯那湖100億方,從尼洋河上遊調水100億,通天河調水增加到50億,雅魯藏布江增加50億方,共計調水300億方。這些水源都在三千五百米以上,有很好的勢能價值,可以確保抽水調水的經濟可行性。
項目投資規模,1500萬千瓦光伏工程及1500萬千瓦風電工程共需投資1500億元,可以開放給社會資本投資,電網收購電力即可。420公裡隧道造價600億(設計不同可能差異很大),500公裡高壓管道造價500億(與輸水量同比增加),3000公裡特高壓輸電線路400億,水泵工程2000萬千瓦300億,水電工程3200萬千瓦2000億,移民徵地100億。2500公裡供水明渠或低壓管道預算1000億,共計投資5000億。
柴達木盆地可分配30億方,新疆可分配50億,甘肅河西走廊可分配120億方,調入黃河100億方。每方水按2元收費,可以由用戶承擔一部分,地方承擔一部分,中央轉移支付一部分共同分擔。共計收取水費600億,分配給西藏200億,青海100億,項目還本付息300億。大西線蓄能調水不但可以大量調水,還能生產巨大電力。由於300億方水多數是在西北內陸消耗,能夠很好的調節氣候增加降雨,並且受高空西風影響,西風溼潤對華北也是有利的。如果水源地水量充分,完全可以替代西線工程對黃河補水。
關鍵問題分析:
1、關於抽水蓄能調水的經濟合理性
當前我國已建成抽水發電站3000萬千瓦,在建2000萬千瓦,規劃7000萬千瓦。預計到2050年,我國需要蓄能設施5億千瓦,方能滿足國民經濟需求。讓抽水蓄能結合水資源跨域調動,是發揮蓄能設施效益的最佳選擇。
我國直流特高壓輸電技術的成功,讓東西電網一體化成為可能。在用電低谷時,東部富餘電力通過特高壓電網輸送到青藏高原抽水翻過唐古拉山到達高程4500米沱沱河水庫儲存起來,東部用電高峰時,再把西部的光電、風電、水電輸往東部。調水工程巨大的抽水功耗,將有效避免電站棄水、棄風、棄光的發生。
調水翻過唐古拉後,由於巨大的海拔落差,抽水蓄能不像內地抽水蓄能工程還要耗4發3損耗25%,而是水能得到了放大釋放。由此產生的巨大經濟效益足夠讓調水工程成為經濟企業市場化運營,而無需國家補貼。
按年調水300億方規模計算,年總發電量1900億度,如果按蓄能工程兩部制電價計算,容量年租賃費可能高達150億,入網電價為抽水電價乘4除3。實質上這樣的工程,電價需要由國家發改委權衡特別制定,如果按新能源平價入網價0.35元/度抽水蓄能耗4發3,電價應當為0.466元/度。這個電價對國家電網來說有些偏高,但是0.4元應當是各方可以接受的電價。按此電價計算,1900億度電年收入760億,加上水費收入300億,共計收入1060億。抽水消耗電力600億度支出210億元,運維支出50億,稅收200億,仍可保留600億用於還本付息。預計12年還清本息。如果按滾動發展思路,前期由黃委會、南水北調集團、國家電網、地方政府共同投資3000億,用20年建成一個年調水500億方,年發電3000億度,調峰功率4000萬KW,資產2萬億的超級工程。每年可為國家實現千億利稅。
2、水資源問題
按工程分期依次可利用的水源為,通天河、唐古拉南麓、念青唐古拉山南麓、怒江上遊、雅魯藏布江中上遊、尼洋河上遊、山南曲惹曲,總資源為700億方。通天河前期在4200米築壩可利用水量為50億方,後期在3500米以上河段層層築壩提水至4300米,再調水50億方。唐古拉南麓扎加藏布可直接改道至錯那湖或直接隧道通往北麓,4700以上的桑曲及當曲也可改道至錯那湖,可調水量不少於50億方。在念青唐古拉山南麓沿4500米開挖明渠,提水至錯那湖,可調水量50乙方。在怒江3800米以上可以層層築壩提水到措那湖,可調水50乙方。雅魯藏布江3500米以上築壩蓄水,提水至錯那湖可調水300乙方。在尼洋河上遊3300米以上築壩蓄水,然後打通至怒江隧道,通過怒江提水至錯那湖,可調水量為100乙方。後期甚至可以從山南曲惹曲打通至雅魯藏布江隧道調水50乙方。
青藏高原上河流季節水量差異很大,夏季水量佔全年水量的50%~80%,抽水系統不可能把洪峰全部抽走,唯有截住洪峰才能確保可調水量。那就至少需要按可調水量50%建設水庫,儲存夏季洪水供冬季調配。
3、關於隧道
近年來國內盾構機發展迅速,直徑越來越大,技術越來越先進,開挖的隧道單洞越來越長,相信未來沒有最長只有更長。隧道專家王夢恕院士就曾提出打通青藏高原調水的設想,所以我相信即使是200公裡的唐古拉隧道,並不是不可完成的任務,工期才是問題關鍵。由於考慮到後期工程需要多條隧道通過唐古拉山,那最好把200公裡隧道分為十多個分段,每個工作面打一條永久化的引洞,便於後期多條隧道施工,這樣就可以解決工期與成本問題。要使輸水隧道效益最大化,在設計上就要使用滿足技術要求的最大口徑隧道,大口徑不單是截面積大,而且水頭動能損失更少,流速更快,還要選擇合適的縱坡度,使工程投資效益及發電效益最大化。例如,隧道坡度加大會損失勢能水位而減少發電量,減小坡度流速變慢需要增加隧道加大投資,所以要平衡坡度選擇。也可以在隧道內壁噴塗二氧化矽超疏水塗層,可大幅降低內壁摩擦力加快流速。
4、關於冬季管線凍結問題
青藏高原地熱豐富,隧道內溫很高,經過隧道之後,溫度都會得到提升。管道輸送線路做好保溫,一般也不會凍結。雅魯藏布江中遊多數情況下水溫在0度之上,提升之後經過隧道加溫更不會凍結。錯那湖冬季會有表面結冰,結冰後也就停止了湖面蒸發,對深水層也有保溫作用,不影響調水。
5、關於翻閱唐古拉的三個方案
一、從措那湖抽水到5150米高程唐古拉山頂天湖,缺點是投資大、能源損耗大、凍土層路段多,優點工期快有保障。
二、從措那湖直接打通唐古拉200公裡隧道,缺點工期長。優點是投資小,能源損耗小。
三、從措那湖提水到4800米高程,與唐古拉山南麓的扎加藏布匯合後打通100公裡隧道到唐古拉北麓匯入通天河。