参天水利资源工程研考会《工作通报》No.99-20
1999年5月24日
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以电论水看大西线的可调水量
粤海金融控股研究部特约研究员 崔鹤鸣
青藏高原是我国三级阶地巨地貌特征的第一级阶地，又被视为地球南、北极外的第三极；其高耸、广阔使所产生的水资源同时蕴含着巨大的水能资源，粗略计算，约占全球的11％、全国的70％以上！ 这意味着，从青藏高原调水，同时就是调电，蓄水等于蓄能；而且在调水规模很大时，相应的调电规模对我国能源结构、能源布局、电力发展战略具有举足轻重的意义。所谓以电论水，就在于：
一、需要从全国能源和电力规划的角度审视大西线调电的必要性和调电的合理规模；这当然同时就是论证调水的必要性及其合理规模。非常重要的问题是，如果大规模水电北调（另一面即火电南调）具有显著的经济性，则大西线调水的效益就获得了一个强大的支撑。
二、从调水区来看，在高海拔位置调水，必然损失其下游规划各梯级电站的发电能力；在调水量较大因而需要从更低海拔高程向上游提水时（大西线调水的主要出口如黄河大拐弯的高程为3400米上下，限制了自流引水的取水范围），又必然耗费电力。由于大规模调水所损失电力和提水耗电近乎天量，在一定的目标约束下，电力能否平衡下来，也是大西线可调多少水的控制性因素。
三、在运行问题上，调水与调电能否协调到恰到好处，关键在于是否有足够调蓄库容的水库和蓄能电站。如果调蓄库容不足，调水规模受到限制，调电效益也不能充分发挥；蓄能库容不足，调电效益同样难以充分发挥。大西线调水势必主要依靠当地水能，而在降水季节性显著的条件下，水能的充分开发又依靠足够的调蓄水库和蓄能水库。因此，本文把调蓄问题纳入以电论水的讨论中。
以电论水的第一个问题，涉及我国能源规划的方方面面，远非本文所能讨论。本文仅粗略讨论后两个问题，以得出一个大数概念：从南方可能调多少水。
一、 从水资源分布状况看，南方可调出多少水？
以长江流域为界，我国南方内陆诸河的径流总量为20963亿立方米。其中，通常纳入南水北调视野的各河流量为：长江9755亿立方米，占46.5％；澜沧江740亿立方米，占3.5％；怒江689亿立方米，占3.3％；雅鲁藏布江1654亿立方米，占7.9％（施嘉炀1996）。藏南诸河的水量为1380亿立方米。加起来，共14218亿立方米。
由于拟调水各江河除长江中下游处于人口稠密、经济发达地区外，都处于青藏高原，从青藏高原可调多少水成为大规模调水研究的主导方面。对从青藏高原六江河（长江上游雅砻江、大渡河分别计算可调水量）可调水量，专家们提出的数据差距很大，最少为435亿立方米（中科院综考会），最多为2006亿立方米（郭开），其间还有575~600亿立方米（黄委会），800~1030亿立方米（林一山），920亿立方米（电力部贵阳院）等。根据有关部门推算，西南六江（河）中，雅、怒、澜三江流出境外的年均总水量最大为3030亿立方米，金沙江、雅砻江、大渡河三江河年均进入长江的水量分别为830亿立方米（减去雅砻江）、600亿立方米、500亿立方米，总水量为5000亿立方米左右。在3500米引水高程附近， 雅鲁藏布江年均径流量约300~600亿立方米，怒江180~270亿立方米，澜沧江70~160亿立方米，金沙江120~190亿立方米，雅砻江60~120亿立方米，大渡河80亿立方米，总的年均径流量在800~1400亿立方米。考虑到此高程之下人、地、厂、矿稀疏，各江河支流众多，干流沿途受到连续补充，取水量可取上限值，理论上自流引水800亿立方米是可作为战略设想依据的概念性数据。其中，在海拔4000米附近布置引水线路，可能得到400~500亿立方米（陈传友等1999）。 这条线路基本位于高原面，可能比较容易选择经柴达木盆地向新疆方向调水的线路。如此，则我们可得到第二个理论上的自流引水量概念性数据-向西400亿立方米，向北的800亿立方米相应减少一半。
如果引水量超过800亿立方米，取水点向下游推移从而自下游提水即成必然。根据长江水利委员会对长江上游的梯级规划资料推算，我们得到海拔3000米、2500米、2000米高程金沙江、雅砻江、大渡河三江河的径流资源总量分别约为300亿立方米、600亿立方米、800亿立方米。又根据雅、怒、澜三江的水文资料推算，得到此三个高程的三江径流资源总量分别为1200亿立方米、1900亿立方米、2200亿立方米。 六江河加起来，总的概念是，调水的取水范围向下游延伸至3000米高程，可得到1500亿立方米水资源，增加700亿立方米；延伸至2500米高程，可得到2500亿立方米水资源，再增加1000亿立方米；延伸至2000米高程，可得到3000亿立方米水资源，再增加500亿立方米。 由于2000米高程以上和附近下游现状用水量及远景用水量都很少，再考虑到提水耗电因素要求尽量在上游取水，我们设径流资源取用比例自上游而下分别为3500米100％，3000米90％，以下至2000米均为80％，由此得到此四个高程的可取水量分别为800亿立方米、1430亿立方米、2280亿立方米、2860亿立方米。 自2000米高程再向下游取水，因耗电太大暂不纳入讨论范围。
雅、怒、澜三江自中游南向流出国境，长江则东向进入我国发达地区，虽长江中下游水源扩大数倍，但其可取水量越来越依赖于航运等因素，超出了此节的讨论范围。仅根据已有南水北调中、东线方案，约可调水320亿立方米，其中中线远景为230亿立方米。问题是，如果长江上游调水量较大，中下游调水可能受到影响，就大规模调水而论，先要对中上游进行讨论，得出基本结论。
二、从电力平衡看可调水量
如前所述，大西线调水遇到如下电力平衡问题：
其一、当调水量很大需要提水时，其耗电量能否安排下来成为制约可调水量的因素。特别是，如限定所需电力大部从开发当地水力资源解决，实现以当地电提当地水，电力安排更成为很大的问题。
其二、一定的调水量造成下游已建、已规划、或可规划梯级的发电损失量过大，则就地解决提水用电将安排不下来。依此原则，发电损失量与提水耗电量之和不能超过当地的水能资源量。
此处我们假设，调水用电全部来自当地的水力资源。当地是指整个西线调水区域， 不局限于各个取水点。做此假设的根据在于：
首先，西线大规模调水的提水用电量巨大，很难设想在当地的水能资源之外安排其他能源开发来支持调水。根据黄委会小西线方案计算提水用电的参数，每亿立方米水每10米扬程的平均装机量为0.062万千瓦，用电0.031亿度，如果大西线提水量达到1000亿立方米，平均扬程500米，所需电力装机约为3100万千瓦（平均引水期约为8~10个月），年用电量约为1550亿度，即1.7个三峡的年发电量。
其次，西线调水区的位置和地形，使从外部输电的投资及输电损耗都极不经济。
第三，西线调水区的水能资源是全世界最富集的，似没有理由撇开其开发另建电厂，除非另建电厂的经济性好很多。通常认为，我国水能资源虽然丰富，但质量不高，首先表现在空间分布远离负荷中心，致使我国水电开发的实际进程远低于世界平均水平（冉莹、张运洲1996）。正是出于调水需要，加快开发西南水电提上议事日程。
那么，青藏高原的水电资源可调多少水？
首先从资源看，仅就调水区域的六江河而言，水能的可装机容量约为20000万千瓦以上，年发电量约在10000亿度以上， 大体上长江上游三条河与西藏三条河各半。问题在于，调水将减少多少可开发的水能。根据黄委会南水北调小西线方案关于调水对金沙江、雅砻江、大渡河远景规划的全部梯级发电影响的详细计算成果，仅调水195亿立方米，就导致1087亿度的发电损失；如果再算上岷江和长江干流，损失达1154亿度。 可见，如果限定提水用电通过开发当地水能来解决，则用电与发电的平衡就成为一个关键问题。
再看用电：仍根据黄委会小西线资料的参数推算，得到所假定的三个高程的提水耗电数据如下：
取水高程3000米，调水总量1430亿立方米，其中提水量630亿立方米，平均扬程300米，耗电量为586亿度；
取水高程2500米，调水总量2280亿立方米，其中提水量1480亿立方米，平均扬程800米，耗电量2694亿度；
取水高程2000米，调水总量2860亿立方米，其中提水量2050亿立方米，平均扬程1300米，耗电量4995亿度。后一个数据相当于五个半三峡的发电量！
平衡一下：假定雅、怒、澜三江的梯级远景规划与长江上游的梯级布置和发电能力相同，如果调水量为800亿立方米（即取水高程3500米，全程自流），则此六江河共计损失年发电量4459亿度；调水量1430亿立方米，共损失7625亿度；调水量2280亿立方米，共损失11120亿度；调水量2860亿立方米，共损失12946亿度。两相参照，调水量1430亿立方米时发电损失加提水耗电共计8211亿度，调水量2280亿立方米时损失加耗电共计13814亿度，而此六条江河的可开发水能总量约10000亿度。由此，大而化之地说，1500亿立方米是大西线小口径以电论水的调水量极限值。更大量调水，必须寻求外部的能源安排。
这里有两个问题需要说明一下：
其一、上述可开发水能数据，仅指干、支流，未包括小水电资源。我国小水电可开发资源量约7131亿千瓦,为总资源量的18.8％，西南约占其半（肖电化1983[8]）。全面开发西南小水电，借助调蓄、蓄能水库在汛期充分提水，应是西线调水论证中的重大课题。其更重大的意义还在调水之外，后文将有叙述。
其二、调水损失的发电量，在水源越过南北方分水岭后，将从受水区河流的各梯级补回，且补回量从理论上说未必少于调水区的损失量。特别是黄河地形不逊于长江，上游水头集中，施工难度小，调蓄库容大，又与煤碳等能源基地接近，综合效益值得细加评价。而雅、怒、澜三江若非调水，其水能资源的全面开发实难期待。
通过本节的讨论我们看到，仅从西线调水，500亿立方米所涉及的水电在大空间尺度上的调配规模，就达到全国可开发水电总量的一半左右， 从而必然对我国电力发展规划乃至能源发展战略的全局产生举足轻重的、深远的影响。由此，大规模南水北调，大规模开发西南水电，大跨度调配西南水电，成为三位一体、完全不能分别对待的事情。
三、从调蓄能力看可调水量
南水北调体系中各水库的综合调蓄能力，既是调水量的一个控制性因素，也是调水体系能否充分发挥供水、发电、蓄能、航运、蓄洪、拦沙，以至冲沙整治河道等多方面综合效益的控制性因素之一。特别是，大型、特大型调蓄水库受制于地形、地质以及气侯（如过于干旱将使蒸发量成为调蓄水库是否适宜修建或修建多大的主要因素）等自然条件，工程技术可施展的余地相当小。值得庆幸的是，我国大西线南水北调可能获得的调蓄能力似有希望满足大规模调水调电的需要。
由于测算调蓄能力极其复杂，我们仍用非专业的简单化方法得出概念性结论，这对于大战略构想的需要来说，尚可参考。
我们假定大西线南水北调干线工程的水库调蓄能力应以实现调水区、受水区水资源的年际调节和多年周期调节为战略目标。这要求将丰水年多余的水全部或大部拦蓄，并积累至枯水年逐年使用。所谓大时空调水战略的时间配置概念，就是要适应我国年际间降水量差异较大的状况，实现以丰补欠。据此，就汛期排泄洪水来说，黄河应以冲沙要求为限，长江应以正常流量为准，西藏三江则按最大发电能力下泄，并用此电力向上游水库提水。
能否实现上述目标的难点在调蓄能力。"我国水资源年际年内变化很大。最大与最小年径流的比值，长江以南的中等河流5以下，北方河流多在10以上。径流量的逐年变化存在明显的丰平枯水年交替出现及连续数年为丰水段或枯水段的现象"（刘昌明等1996）。大河的丰枯极值倍比系数和丰枯期倍比系数比中小河流要小得多。与常年水量比较，黄河枯水期水量少24％，平均持续11年；丰水期多19％，平均持续9年。长江枯水期少11％，持续7年；丰水期多10％，持续7年（中国水利学会1981[8]）。在大时间尺度上实现以丰补欠，似应适应此周期性规律（如果此周期规律的置信度较高的话），不仅实现各河流自己的多年周期调节，而且实现调水与受水河流之间的多年周期调节。
粗略估计，减去年蒸发量、渗漏量，将黄河丰水期9年的丰水总量约1000亿立方米全部拦蓄，需要约等于黄河常年径流量或更多的有效调蓄库容，即600~1000亿立方米左右。用百年最大洪水来检验：黄河水量的60~70％集中于汛期，洪水特点主要表现为峰高量小，最大12天洪量实测最大发生于1933年花园口站，达100亿立方米，调查最大发生于1843年花园口站，达136亿立方米（国家防总1997）。由此观察，全部拦蓄百年一遇洪水和丰年多出常年的水量（暂
不论调蓄水库和洪水的分布），似是可以做到的。
长江上游拟调水三江河常年来水2482亿立方米，7年丰水期的丰水总量约1700亿立方米，据此估计以丰补欠的多年调蓄库容应不大于1500亿立方米。以最大洪水来检验：金沙江屏山站实测最大洪水，15天洪量182亿立方米，30天洪量321亿立方米，60天洪量562亿立方米，同年宜昌站60天洪量为1620亿立方米（国家防总1997）。如按均匀量下泄，屏山站60天应至少泄洪68亿立方米，拦蓄494亿立方米。观察起来，如调蓄库容达到大时空尺度调水所需要的量级，全部拦蓄百年一遇洪水似也是做得到的。
看黄河梯级规划资料（黄委会1996），其上游的调蓄能力似无问题，中游是否足够满足大时空尺度的调水需要，尚存疑问。
根据《黄河治理开发规划纲要》，黄河干流龙羊峡至桃花峪河段共布置了27座枢纽工程，总库容1004亿立方米，长期有效库容504亿立方米。其中龙羊峡~河口镇河段共布置了17座，总库容和有效库容分别为461亿立方米和299亿立方米；河口镇~花园口河段布置了10座，总库容和有效库容分别为534亿立方米和207亿立方米。非常理想的前景是龙羊峡以上有战略性调蓄水库坝址-多松，可获得509亿立方米总库容，而坝高仅123米。多松坝址狭窄，岩石完整坚硬，工程地质条件优越，坝下即为大落差长峡谷河段，规划了六座高水头径流电站。除多松外，还有可得174亿立方米库容（坝高183米）的门堂，60亿立方米库容的特合土，250亿立方米库容的曲尔登，初步估计总库容900多亿立方米。再上面，黄河扎、鄂二湖（海拔4260~4280米）蓄水能力为155亿立方米（陈传友等1999），是南水北调总体规划中不宜忽视的条件。但中游则很少额外余地修建战略性调蓄水库。（黄委会1996）适当加大坝高可能是一个办法。另一个似可探讨的办法是，在中游10个梯级附近寻找大型蓄能水库地形，充分利用周围密集的火电蓄能蓄水，既腾出宝贵的调蓄库容，又发挥电网调节的作用。
对调水区的调蓄能力，限于资料，我们仅以长江上游三江河为例获得一个粗略的概念，看看我们关于多年周期调节的设想能否得到支持。
根据长委会的长江梯级远景规划，通天河、金沙江、雅砻江、大渡河共设计梯级61个，现有总库容设计资料45个，总库容1789.1亿立方米；有效库容设计资料42个，有效库容801.3亿立方米。据此估计61个梯级的有效库容在1000亿立方米以上，似可满足年际调节和多年周期调节的需要。但上游调水段即海拔2500米以上仅有总库容554.62亿立方米，有效库容248.9亿立方米（缺5个水库），与大时间尺度调水调蓄的要求似差距较大。不过，因为过去梯级规划的任务完全未考虑到大规模南水北调，防洪规划也不考虑进行水资源的多年丰枯调节，各梯级规划及调蓄库容应有较大的调整、扩大余地。如果各方能就大规模调水战略达成共识，规划任务势必做根本性的调整，获得足够的调蓄能力应成为核心任务之一。
尽可能开发兼备蓄能蓄水两个功能的水库，是获得足够调蓄库容的重要补充手段。其蓄能功能，在电网需要时启动；其蓄水功能，在需要补充调水量时启动。为使其具备蓄水功能，此类水库应有理想线路与调水体系连为一体。开发此类双功能水库的另一个重大意义，在于为充分开发西南小水电提供条件，使小水电充分利用汛期发电提水，克服大多数小水电径流调节能力弱、发电极不稳定的缺点。
总之，调蓄之功，是大规模南水北调诸项水利之功的联结点，集水利之大成的总结。有了充分的调蓄能力，就有了较大的把握设想一个通诸水为一体、根除水患、大兴水利、强国固本的宏伟远景。
参考文献
[1] 中国科学院、国家计划委员会、中国自然资源综合考察委员会：《水资源研究参考资料汇编》1985年。
[2] 刘昌明、何希吾等著：《中国21世纪水问题方略》，科学出版社1996。
[3] 陈传友、马明："21世纪中国缺水形势分析及其根本对策 - 藏水北调"，《科技导报》1999年第2期。
[4] 国家防总、水利部南京水文水资源研究所：《中国水旱灾害》，中国水利水电出版社1997年。
[5] 黄河水利委员会勘测规划设计研究院：《南水北调西线工程规划研究综合报告及专题报告》1996年。
[6] 施嘉炀：《水资源综合利用》，中国水利水电出版社1996年。
[7] 冉莹、张运洲："我国的能源结构与电力规划"，《中国电力》1996年第11期。
[8] 中国科学院、国家计划委员会自然资源综合考察委员会：《水资源研究参考资料汇编》1985年。
