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提高水電工程應對氣候變化的能力

摘要:美國能源部向議會提交的一份評估報告顯示，全球氣候變化將對聯邦政府的水力發(fā)電造成影響。詳細闡述了聯邦政府水電工程將會受到的氣候變化的影響，涉及博納維爾地區(qū)、東北地區(qū)、西北地區(qū)，以及西部地區(qū)徑流、降雨及發(fā)電量的預計變化。提出了改進評估的方法，并對未來的評估模式及評估的精確性做出了展望。

關鍵詞:水力發(fā)電工程;氣候變化;影響評估;徑流;降雨;美國

1　美國聯邦政府水電工程概況

美國水電總裝機容量有95 GW，其中，77 GW為傳統水電; 50%的水電項目為聯邦政府所有。聯邦政府水電項目已成為美國可再生能源重要的一部分。美國陸軍工程師團(USACE)、美國墾務局以及國際邊界及水域委員會(IBWC)擁有并運行著聯邦政府共132座水電站。USACE的水電工程分布在美國16個州，總裝機容量為21．5 GW;美國墾務局在西部地區(qū)的11個州共有裝機容量15．1 GW; IBWC在格蘭德河上擁有并運行著2座水電站，裝機容量為100 MW。

上述幾個實體機構負責運行聯邦政府水電工程，美國電力銷售管理局(PMA)下屬的4個地區(qū)管理局則負責對生產的電力進行市場銷售。它們分別為博納維爾(Bonneville)電力管理局、東南(Southeastern)電力管理局、西南(Southwestern)電力管理局、以及西部(Western Area)地區(qū)電力管理局。

由于氣候、徑流、以及水電設備狀況的改變，致使聯邦政府的發(fā)電狀態(tài)每年都會發(fā)生變化。此外，發(fā)電情況還受到來自非電力用戶以及瀕危物種保護要求方面的影響。

與其他水電項目一樣，聯邦政府水電項目對水資源可利用量十分敏感，其中以徑流最具有代表性。徑流量的變化對聯邦政府年均水力發(fā)電量會造成66%～98%不等的影響。越來越多的證據表明，氣候變化將對徑流的時間和總量產生不利影響。

正因為如此，美國能源部應要求向議會提交了一份報告，里面記錄了全球氣候變化對聯邦政府水力發(fā)電的觀測及預測結果的影響。隨后，美國能源部利用氣候模型和水文及發(fā)電數據對該影響開展了一項全國性的研究，并于2003年8月，發(fā)布了題為“氣候變化對聯邦政府水力發(fā)電的影響”的報告。

2　未來的氣候和發(fā)電

該報告由美國能源部能源效率和可再生能源辦公室擬制，橡樹嶺(Oak Ridge)國家圖書館方面也參與了報告的編寫。它是第一份針對關于聯邦政府水力發(fā)電受氣候變化影響所作的綜合性評價報告(由于田納西流域管理局的電力不由PMA進行銷售，所以不包含田納西流域管理局)。該報告對氣候變化帶來的影響和風險進行了客觀的量化評估，可應用于PMA下屬的4個地區(qū)，內容包括:

(1)水電運行對氣候變化的敏感性歷史分析;

(2)基于氣候模型的未來水電影響分析;

(3)其他氣候研究與模型結果的對比性分析文獻綜述。

美國能源部的報告，對未來30 a聯邦政府水電項目供水流域的氣候變量將會引起的潛在變化進行了預測分析。這些變量包括:氣溫、降水、年度及季度徑流、不同水文年頻率、以及枯水期相對于現狀的強度。

2．1博納維爾地區(qū)

該地區(qū)的預測年度降水與其他所有評價地區(qū)的近期歷史記錄具有一致性，而季度降水則存在不同。冬季降水量變化不大，變化較大的是時間，而非降水總量。這就意味著夏季的降水量會更少，春秋季的降水量則會更多。

由于氣溫升高對融雪時間和蒸發(fā)量會產生影響，因此，對博納維爾地區(qū)的預測徑流量變化與降水量的變化也有所不同。預計夏季徑流量將會減少20%以上，枯水年頻率從每10 a 2次增加到3次。與現期情況相比，枯水期的強度在夏季可能會增加(亦即可用水量減少) 30%～40%。

博納維爾地區(qū)的預計徑流量的變化可能會引起聯邦哥倫比亞電力系統年均發(fā)電量發(fā)生變化。在近期(2010～2024年)，該地區(qū)的年均發(fā)電量預計會增加13億kW·h，相比1989～2008年間的歷史平均發(fā)電量，會減少2%;中期(2025～2039年)，預計會增加26億kW·h。

2．2西部地區(qū)

據估計，該地區(qū)年均降水量大體處在基準水平。然而在密蘇里地區(qū)，年度及夏季的降水量預計會增加，而格蘭德河地區(qū)的降水量則會減少。整個西部地區(qū)的徑流減少幅度大于降水減少幅度，只有密蘇里地區(qū)的徑流量四季均為增加。

西部地區(qū)的年均發(fā)電量預計在近期及中期均會有增加。但是，如果短期內的徑流率超過了水庫的水力容量，或水庫調度變化使可發(fā)電的水量減少，那么這一情況則不能完全實現。在博納維爾及西部地區(qū)的北部，洪水調度可能會面臨越來越多的挑戰(zhàn)。

整個西部地區(qū)的年均發(fā)電量預計在近期會增加60億kW·h (22%)，在中期會增加55億kW·h (20%)。

2．3西南地區(qū)

由于高溫加劇了蒸散，減小了徑流降水比率，該地區(qū)的徑流量變化幅度預計比降水的變化要大。對于整個西南地區(qū)來說，預計夏季會更加干燥，枯水期的強度也將會比前20 a增加10%～30%。

與1989～2008年間的歷史觀測數據相比，西南地區(qū)的平均發(fā)電量預計在近期大約會減少1億kW·h (1．8%)，在中期大約會減少5億kW·h (7．7%)。

2．4東南地區(qū)

該地區(qū)徑流量的變化預計比降水量的變化會更強烈，與西南地區(qū)相似。在枯水期，強度將會比現在增加10%～30%，整個東南地區(qū)每10 a將會出現1～2 a的枯水年。

就聯邦發(fā)電量而言，預計近期將會增加2．7億kW·h(3．6%)，中期的發(fā)電量不會變化。盡管預計將來的枯水年會有所增加，然而年均發(fā)電量的范圍將與近年相似。

3　建議

議會在收到第一份報告之后，即要求能源部每5 a重新進行一次評估，直至2023年為止。以下是改進后續(xù)評估的一些方法。

(1)對所有聯邦水電站的運行及發(fā)電進行持續(xù)監(jiān)測、數據采集以及存儲與分析，至少每月提交一份分析報告。

(2)開發(fā)更詳細的建模手段，將工程運行和氣候變量與發(fā)電模式和水資源管理決策關聯起來。

(3)把氣候變化評估與其他水資源規(guī)劃項目進行整合，而且將可用水資源的所有影響因素都考慮進來。

(4)探索每個PMA地區(qū)內部電力系統的互動，以及PMA地區(qū)與更大地區(qū)市場之間的互動。

(5)鼓勵科學家開發(fā)未來氣候模型，將影響水電的關鍵變量納入到氣候模型中。

PMA也對報告給予了建議，博納維爾電力管理局(BPA)表示，能源局的評估強化了其對西北水電系統的了解，而且還認為系統的運行將會面臨以下主要風險。

(1)預計近期和中期的年均發(fā)電量會有小幅度的變化;

(2)季度發(fā)電量會發(fā)生變化，夏季的發(fā)電量會減少;

(3)流域梯級水電站保持夏季水質和最小流量的能力減弱;

(4)高溫引起的能源需求量增加;

(5)遠期水流的波動性增加，從而導致生產的電力剩余減少以及季節(jié)性的價格波動，并最終導致電力消費價格增加。

BPA表示不會立即做出改變，但將對氣候變化及其潛在影響繼續(xù)開展研究。同時指出，由于氣候變化的本質和人類對其了解不足，可能會出現一些意外情況。因此，開展持續(xù)研究和適應性管理是為將來的不確定性做好應對準備的最佳方式。

4　大壩應對氣候影響的能力

由于對水質和魚道會產生破壞性影響，致使大壩一直飽受非議。但最近的一項研究表明，大壩為哥倫比亞河流域的氣候變化影響提供了生態(tài)及工程性的恢復力。

該研究報告最近發(fā)表于《加拿大大氣－海洋》雜志，報告研究了1950～2010年間氣候變暖對哥倫比亞河7個子流域上游和下游水流的影響。研究人員發(fā)現，年均融雪徑流的峰值提前了幾天，但是下游的影響可以忽略不計，因為水庫的運行抵消了這些影響。

J．瓊斯(Jones)是俄勒岡州立大學地球海洋及氣候科學學院的一名水文學家，也是該研究報告的研究人員之一。她認為，大壩使用工程運行手段緩沖了氣候變暖帶來的影響。由于大壩和水庫的運行，哥倫比亞河流域的水流并未受到氣候變暖的影響，但其他地方也可能不同。

J．瓊斯還表示，水庫的運行，是通過在洪水期攔蓄上游洪峰并在夏季末增加流量，從而減少了水流變化的幅度。水庫運行是將防洪放在第一位，但同時也為魚類遷徙、水力發(fā)電、航運以及娛樂休閑采取泄水措施。

這些社會因素以及氣候變化的影響可能為水流帶來更多的潛在影響，然而由于大壩運行，哥倫比亞河的水文線數十年仍然能夠保持穩(wěn)定。

水流受氣候變化影響的一些跡象在上游表現得很明顯，但在下游卻并非如此。過去對哥倫比亞河的流量管理主要是集中在水流時間上。迄今為止，盡管水庫運行存在爭議，但是哥倫比亞河的水資源缺乏問題卻并不如其他地區(qū)，比如克拉馬斯(Klamath)河流域嚴重。

該研究得到了國家科學基金的資助，研究范圍包括哥倫比亞河的7個子流域，它們分別是布魯諾(Bruneau)河、恩蒂亞特(Entiat)河、斯內克(Snake)河、龐多雷(Pend Oriele)河、普里斯特(Priest)河、薩爾蒙(Salmon)河，以及威拉米特(Willamette)河。

進行長期研究的優(yōu)勢在于能夠進行細致而長期的監(jiān)測，以獲取氣候是如何變化的資料。以哥倫比亞河為例，特別是在該河的下游，由于工程因素，氣候變化的影響并非如一些人最初所擔心的那樣可怕。

未來也有可能會仍將如此，但是很難預測。能否見到強烈的氣候變化跡象而導致的水資源短缺，還要取決于未來幾十年社會因素與氣候變化之間的互動性。

5　建議

建議維持并增強適應現有氣候變化的能力，以減輕西部地區(qū)潛在的氣候變化影響。目前，西部地區(qū)擁有大量的水資源儲存能力，包括水庫及自然冰雪，能很好地對未來數周或數月的水文及運行條件進行預測。同時，該地區(qū)電力輸送的合同條款允許調整，還能在枯水期購買電力，并在豐水期銷售多余的電力。

與此相反的是，西南地區(qū)的河流并沒有很強的水資源存儲能力，也缺乏存儲自然冰雪水資源的山區(qū)，因此，西南地區(qū)發(fā)電必須直接依賴降水。能源部的評估認為，西南地區(qū)氣候變暖所引起的長期變化應在該地區(qū)已遭受的可變化度之內。然而，該地區(qū)必須對可能影響流量、蓄水、工程運行以及水力發(fā)電容量的因素保持警惕。需要特別引起注意的是，干旱頻率的增加以及夏季溫度升高都可能會引起能源需求量的增加。

西南地區(qū)所有的水電工程均有多個功能，這些功能對每個工程的運行均會有影響。該地區(qū)一直在持續(xù)關注氣候和水文條件對來水量的影響，并主動實施了響應舉措。而東南地區(qū)則表示，已經采取了市場策略和政策以對嚴重干旱進行有效的調控，并將會持續(xù)下去。

6　未來的變化

美國能源部于2013年的報告，為氣候影響以及聯邦水電工程的變化提供了新的說明。盡管未來幾十年這些挑戰(zhàn)在整個國家規(guī)模上仍處于可控范圍內，但一些特殊的地區(qū)和季節(jié)性調控實施起來會更艱難。能源局已經發(fā)出警告，這些挑戰(zhàn)在21世紀的下半葉將會變得更加嚴重。

更長期的影響則超過了此次報告的范圍，比如改變水庫的運行方式以滿足新的非電力使用的需求、聯邦水電工程設施的老化可能會導致可靠性降低和電力中斷等。

綜上所述，能源局表示，未來的評估將會著眼于氣候與非氣候因素對水資源的影響，以及水庫運行的短期(季節(jié)性)變化以減小影響。

(陳敏白韌編譯)

收稿日期:2015-06-26

文章編號:1006-0081(2015) 09-0006-03

中圖法分類號:TV63

文獻標志碼:A