[德國] C.扎夫

全球范圍水電站建設(shè)進(jìn)展

[德國] C.扎夫

隨著全球人口數(shù)量的增長,加之經(jīng)濟(jì)發(fā)展、氣候變化以及為消除電力缺口的需求，促使人們尋求可再生能源的新途徑，許多水電站建設(shè)也在醞釀之中。通過已建和擬建的水電站建設(shè)綜合分析地圖，提供了全球范圍內(nèi)未來水電站的數(shù)量級和選址的基礎(chǔ)，也為同一流域內(nèi)多個大壩網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)和累積影響提供了系統(tǒng)的管理方法，通過該方法，可更好地評估并減小水電站建設(shè)帶來的社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)影響。

水電站；能源建設(shè)；生物多樣性；河流管理；可持續(xù)發(fā)展；生態(tài)影響

1 全球水電概況

隨著全球人口數(shù)量的增長和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對能源的需求量也越來越大。全球至少有3 700座裝機(jī)容量為1 MW以上的水電站正在規(guī)劃或建設(shè)中，主要集中在發(fā)展中國家。1993～2010年，裝機(jī)容量新增72%，根據(jù)世界銀行和美國能源信息管理局2014年的估計(jì)，裝機(jī)容量到2040年將會再增56%。盡管如此，據(jù)估測，這些水電站的裝機(jī)容量將占全球現(xiàn)有水電裝機(jī)容量的73%(1 700 GW)，依然不能滿足持續(xù)增長的電力需求，只能減小電力缺口而非實(shí)質(zhì)上減少溫室氣體排放，也不能減少互相依賴和社會沖突，相反還會減少地球上約21%的剩余大型天然河流。全球仍有14億人口未用上電，主要集中在非洲撒哈拉附近以及南亞的郊區(qū)。因此，保障未來能源供應(yīng)和減小電力缺口成為能源界最重要的目標(biāo)。

能源的生產(chǎn)和轉(zhuǎn)化導(dǎo)致29%的溫室氣體排放，化石能源的消耗和鈾的開采也使能源問題備受關(guān)注。能源在全球范圍內(nèi)的分布不均造成國家之間的互相依賴?？稍偕茉?熱能、光能、風(fēng)能、潮汐能、生物燃料、水力發(fā)電)變得越來越重要，1991～2011年,能源生產(chǎn)增加了一倍?？稍偕茉刺峁┝?0%的電力，而水力發(fā)電占其中的80%。在全球范圍內(nèi)，壩高大于15 m的壩超過了37 600座，其中8 600座處于運(yùn)行狀態(tài)。巴西、莫桑比克、尼泊爾和挪威等32個國家的水力發(fā)電量占總電力需求量的80%。

2012年，聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展大會的目標(biāo)是要求各國按照《京都議定書》的要求滿足持續(xù)增長的能源需求，這更增加了投資水電的驅(qū)動力?，F(xiàn)在全球水電技術(shù)可開發(fā)量中，有22%(每年不小于1 560萬GW·h)得到了開發(fā)。過去20 a間，水電發(fā)展相對滯后，而目前水電建設(shè)的激增在范圍和規(guī)模上都屬空前(圖1)，對經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會造成的影響成為不可忽視的問題。然而，全球范圍內(nèi)水電建設(shè)的空間分布尚不清楚，對河流系統(tǒng)的影響、溫室氣體排放和社會影響(例如移民)也不明確。

圖1 全球現(xiàn)存(已建和在建)及擬建水電站統(tǒng)計(jì)

鑒于此，可以做出未來全球范圍內(nèi)裝機(jī)不小于1 MW的水電站綜合清單，包含在建和擬建的項(xiàng)目。每座壩的信息包括項(xiàng)目名稱、地理位置、河流、發(fā)電量和建設(shè)時間。清單信息來自政府和非政府方面，超過350項(xiàng)科技研究以及其他公共數(shù)據(jù)庫、報告和新聞。采用相對獨(dú)立的系統(tǒng)對照、驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。統(tǒng)計(jì)成果集中在以發(fā)電為主的壩，不包含其他用于供水、防洪、航運(yùn)或旅游等目的的壩。統(tǒng)計(jì)成果也不包含在建和規(guī)劃中裝機(jī)小于1 MW的水電站，因?yàn)樾∷姅?shù)量眾多且未做詳細(xì)記錄。

通過以上內(nèi)容，可得到以下啟示：①找到未來水電發(fā)展的熱點(diǎn)；②計(jì)算與主要河流流量相關(guān)的水電站數(shù)量；③預(yù)測現(xiàn)在和未來水電站建設(shè)對河流的影響，從而為針對水電建設(shè)與生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)影響的沖突與平衡的研究提供基礎(chǔ)信息。

2 統(tǒng)計(jì)方法

2.1 從水電投資方面獲取的數(shù)據(jù)

從對水電投資的分析可以得出水電經(jīng)濟(jì)的數(shù)量級，匯總了1978年以來將近500家投資方的相關(guān)信息，包含投資方名稱、投資的國家和年份、項(xiàng)目名稱和投資額度(美元)。投資方不僅限于建設(shè)投資，也包含了維護(hù)、維修和擴(kuò)容等內(nèi)容。大部分?jǐn)?shù)據(jù)來自報告和各投資方的網(wǎng)上信息，有些投資數(shù)據(jù)來自世界銀行和國際河流組織。

2.2 從大壩方面獲取的數(shù)據(jù)

記錄了在建和擬建裝機(jī)容量不小于1MW的水電站，包含地理信息的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的收集時間從2012年8月到2014年2月，數(shù)據(jù)來源如下：①同行文獻(xiàn)；②政府文件；③非盈利組織的報告和出版物；④新聞文章；⑤商業(yè)數(shù)據(jù)庫；⑥能源供應(yīng)商的報告；⑦建造商和咨詢商的報告；⑧其他網(wǎng)絡(luò)資源。

如果原始數(shù)據(jù)或者可行性研究階段報告中有大壩細(xì)節(jié)參數(shù)記錄，本文數(shù)據(jù)庫也作了相關(guān)注釋，不包含預(yù)可行性研究階段的大壩。約80%的數(shù)據(jù)包含不同格式的空間信息，最終都被轉(zhuǎn)換為WGS 84可用的格式；其他沒有地理信息的數(shù)據(jù)根據(jù)文獻(xiàn)記載、谷歌地圖或者谷歌地球，采用ArcGIS 10.1手動添加地理參考信息。

除了12個不在美國地質(zhì)調(diào)查局HydroSHEDS范圍之內(nèi)的項(xiàng)目，其他所有數(shù)據(jù)都參照HydroSHEDS全球河流網(wǎng)格15”(網(wǎng)格尺寸大約500 m)進(jìn)行了調(diào)整，大壩位置均在HydroSHEDS中對應(yīng)到最近的河流上。這種方式很大程度上依賴原始數(shù)據(jù)坐標(biāo)的準(zhǔn)確性，如果原始數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，則該對應(yīng)也會出現(xiàn)誤差。因此所有有其他數(shù)據(jù)來源的的壩址都采用人工方法進(jìn)行了對照檢驗(yàn)，以確保對應(yīng)到正確的河流上。

每座壩屬性數(shù)據(jù)(包含空間信息)的可獲得性和準(zhǔn)確性由項(xiàng)目的不同階段決定。因此，在建項(xiàng)目總是有更多的補(bǔ)充數(shù)據(jù)，可將這些信息與原始數(shù)據(jù)源相對照。在可能情況下，本文的數(shù)據(jù)與多處數(shù)據(jù)源進(jìn)行了對照，從而確定項(xiàng)目狀態(tài)，以便補(bǔ)充缺失信息。屬性數(shù)據(jù)還包括大壩名稱、所在洲和國家、主要河流系統(tǒng)、主要流域、子流域、建設(shè)階段、最大裝機(jī)容量、大壩高度、開工時間和預(yù)計(jì)完工時間。流量計(jì)算在下一步進(jìn)行。

為分析未來水電站的空間分布，收集了規(guī)劃和在建水電站的國家信息。包括到2002年為止各國未能用上電的人口數(shù)量、2012年國民總收入(GNI)和人均國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP/人)，其中GNI和GDP均與未來人均水力發(fā)電量相關(guān)。除此之外，還統(tǒng)計(jì)了2011年各國水電技術(shù)可開發(fā)量(E潛在開發(fā)量，GW·h/a)、裝機(jī)容量(K裝機(jī)，MW)和發(fā)電量(E發(fā)電量，GW·h/a)。假設(shè)水電站發(fā)電效率一定，就可根據(jù)這些數(shù)據(jù)，預(yù)測在建或規(guī)劃水電站的裝機(jī)容量(K未來裝機(jī)，MW)和發(fā)電量(E未來發(fā)電量，GW·h/a)，如下所示：

·K未來裝機(jī)

通過對水電技術(shù)可開發(fā)量、現(xiàn)有發(fā)電量和未來發(fā)電量的分析，可計(jì)算出各國對剩余能源的未來可開發(fā)量。

2.3 流量測算

對位于HydroSHEDS范圍內(nèi)的3 688座大壩平均流量進(jìn)行了計(jì)算，形成了全球流量柵格數(shù)據(jù)，進(jìn)而可得出每個柵格1980～2009年的年徑流量。通過WaterGAP全球水文模型計(jì)算獲得數(shù)值，計(jì)算中考慮了土地、湖泊和濕地徑流以及水面蒸發(fā)量。本文采用ArcGIS軟件中的水文工具勾畫出大壩上游集水區(qū)范圍，然后采用區(qū)域統(tǒng)計(jì)工具計(jì)算流量數(shù)值。

2.4 地形處理

采用定義河流、劃分河流、勾畫集水區(qū)域、集水區(qū)域處理、排水線處理以及相鄰集水區(qū)域處理等步驟，通過分辨率為15”的HydroSHEDS準(zhǔn)備河流網(wǎng)絡(luò)地形數(shù)據(jù)。

2.5 流域處理

運(yùn)用ArcGIS的分水線處理工具軟件，批量勾畫了流域投影面積，并處理了WaterGAP全球水文模型提供的全球降雨柵格地圖，使之與HydroSHEDS分辨率和范圍相同，從而計(jì)算每座大壩的流量。對新西蘭采用新西蘭地圖網(wǎng)格投影，其他大壩庫區(qū)范圍采用朗伯等角圓錐投影。

2.6 過壩流量

為計(jì)算每座水庫過壩流量，采用改進(jìn)的區(qū)域統(tǒng)計(jì)工具來處理庫區(qū)重疊區(qū)域。采用年徑流量柵格數(shù)據(jù)工具，計(jì)算每座水庫的泄水量。根據(jù)年徑流量柵格數(shù)據(jù)和庫區(qū)面積計(jì)算出總徑流量(mm/a)?？紤]柵格尺寸(m2)的流量(m3/s)，公式如下

為驗(yàn)證采用的全球投影系統(tǒng)是否精確，進(jìn)行了敏感性實(shí)驗(yàn)。利用當(dāng)?shù)赝队皩ν炼鋿|部的克魯河流域(該區(qū)域位于朗伯等角圓錐投影最東側(cè)，因此投影后的變形最大)，采用相同方法計(jì)算流量。對比兩種不同投影，計(jì)算結(jié)果相差小于2%。

根據(jù)計(jì)算出的各大壩過壩流量大小，將大壩分為5類(流量不大于10，10～100，100～1 000，1 000～10 000 m3/s和流量不小于10,000 m3/s)，并得出主要流域的各類水壩數(shù)量。各類大壩在河流上的空間分布表明，河流流量大小是影響水電站分布最顯著的因素。

2.7 流域水資源總量

計(jì)算了主要流域的水資源總量，用以評估水資源的開發(fā)程度。所采用的方法與上述方法相同，不同的是上文中的各大壩集水區(qū)面積數(shù)據(jù)換成各流域集水面積數(shù)據(jù)。此外，還計(jì)算了主要流域已建大壩的密度(例如每平方公里水域年均大壩數(shù)量)，以及已建和擬建大壩的密度。

2.8 大型河流系統(tǒng)的碎片化

在2005年的一項(xiàng)研究中，根據(jù)河流渠道的碎片化和大壩對水流的影響，將未來水電站所處的292個大型流域分類為“無影響”，“中度影響”和“深度影響”。本文數(shù)據(jù)庫中有2 611座水電站位于上述的108個大型流域中，計(jì)算了每個大型流域的未來大壩數(shù)量，以預(yù)測這些在建和擬建大壩對河流碎片化的影響。

2.9 地 圖

所有地圖都采用摩爾魏特投影，該投影對全球主要流域變形最小，在赤道和子午線沒有變形。

3 研究小結(jié)

到2014年3月，有3 700座裝機(jī)超過1 MW的水電站在建(17%)或正在規(guī)劃中(83%)。在未來10～20 a中，這些水電站會將全球裝機(jī)量從2011年的980 GW提高到1 700 GW。雖然中小水電站(裝機(jī)容量為1～100 MW)在數(shù)量上將占大多數(shù)(75%)，但未來裝機(jī)容量的93%將由847座裝機(jī)超過100 MW的大型水電站提供。

未來水電開發(fā)市場主要集中在發(fā)展中國家和新興經(jīng)濟(jì)體，包括南亞、南美和非洲。巴爾干半島、安納托利亞和高加索地區(qū)是水電建設(shè)的次中心。在建和規(guī)劃的水電站中有超過40%的裝機(jī)容量集中于中低收入國家(見圖2)。

圖2 未來每個主要流域水電站數(shù)量分布

南美地區(qū)的水電建設(shè)主要集中在巴西的亞馬遜和拉普拉塔流域。亞洲區(qū)域的水電建設(shè)主要集中在印度和尼泊爾的恒河-雅魯藏布江流域等。裝機(jī)容量超過1 GW的超大水電站主要位于亞洲，尤其是長江流域以及南美洲的亞馬遜流域，例如亞馬遜流域欣谷河上的貝羅蒙特(Belo Mante)。

未來，一些國家的水電建設(shè)發(fā)展較快。以非洲為例，到現(xiàn)在為止只有不到8%的水電資源得到開發(fā)，水電站的建設(shè)只集中在100 MW以上的大型電站。

這3 700座大壩的建設(shè)，可使全球水力發(fā)電量提高73%，也將全球水能開發(fā)比例從22%提高到39%。然而全球能源需求同時也在提升，因此水電占全球發(fā)電量比例只會從2011年的16%提高到2040年的18%。

對環(huán)境方面的分析顯示，水電建設(shè)復(fù)興將會使全球120條天然大型河流系統(tǒng)中的25條碎片化，主要集中在南美洲。全球范圍內(nèi)現(xiàn)存的大型河流系統(tǒng)數(shù)量將會減少21%。同時，分析了大壩建設(shè)在開發(fā)水資源和減少河流流量上造成的環(huán)境影響。未來大壩很少在流量大的河流上建設(shè)。主要建設(shè)集中在流量小、水頭高的區(qū)域，這也驗(yàn)證了未來中小水電站建設(shè)(裝機(jī)不大于100 MW)為主要趨勢的結(jié)論。

之前的研究顯示，生產(chǎn)1 kW·h水電平均產(chǎn)生二氧化碳約為85 g，沼氣約為3 g，這表明，未來水電站將會使大氣增加280～1 000 Tg的二氧化碳和10～40 Tg的沼氣，符合內(nèi)陸水面產(chǎn)生4%～16%溫室氣體的比例。

有經(jīng)濟(jì)學(xué)觀點(diǎn)表明，水電3 a平均投資在2010～2012年間比10 a前增長了6倍。假定1 MW電力需要280萬美元建設(shè)投資，在建和擬建的水電站將需要2萬億美元的投資。平均每座大壩建設(shè)時間為8.6 a，每年的投資將會達(dá)到2 200億美元。

就投資者而言，約有35家投資公司參與。例如在2010～2012年間，來自美國、西班牙、法國和瑞士等國家的7家投資者參與了巴西水電行業(yè)。在非洲主要的投資者是美國水利礦業(yè)公司，其在喀麥隆投資10億美元用于水電開發(fā)。

同樣，未來水電站建設(shè)與各國經(jīng)濟(jì)形勢(GNI)沒有關(guān)聯(lián)，但未來每個國家水力發(fā)電量與GDP增長速率一致，與水電技術(shù)可開發(fā)量一致。經(jīng)濟(jì)增長速率與未來能源需求行業(yè)的高占比(90%)相一致。

與之相反的是，各國水電發(fā)展與其未用上電的人口數(shù)量無關(guān)聯(lián)。例如印度2009年有3億人口用不上電，但由于印度大多數(shù)區(qū)域缺乏可供開發(fā)的水電能源，即使開發(fā)所有水電能源也無法滿足需求。另一方面，剛果民主共和國和巴西也有大部分人口用不上電，但是這些國家水電能源開發(fā)前景很大。隨著水電能源的開發(fā)，有可能滿足全國人民的用電需求，這也促成了國家電網(wǎng)的開發(fā)。私營企業(yè)開發(fā)水電出口的期望或供應(yīng)工業(yè)的愿望也促進(jìn)了水電產(chǎn)業(yè)的擴(kuò)張?？夏醽喓吞股Ｄ醽喌葒宜婇_發(fā)程度非常低，不足總量的20%。如果不考慮礦業(yè)之類的工業(yè)用電，可滿足全國人民生活用電。假定快速增長的人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電力的需求只會消耗一部分新水電站產(chǎn)出的電量，那么巴基斯坦和尼日利亞則可通過水電擴(kuò)張來滿足本國人民生活用電。

4 探 討

研究結(jié)果顯示，水電能源無法替代煤、石油和鈾等非可再生能源。即使大壩興建規(guī)模達(dá)到預(yù)計(jì)的5倍以上，將全球水電技術(shù)可開發(fā)量開發(fā)殆盡，到2040年也只能供應(yīng)全球不足50%的電能需求。如果不再進(jìn)行水電建設(shè)，水電占比將會降低到12%。

即使是可再生能源，水電也因?yàn)榍袛嗪恿鳟a(chǎn)業(yè)的環(huán)境問題受到詬病，造成的其他問題包括水生物無法自由活動、河流改道和氣候變化等。未來水電建設(shè)會影響全球生態(tài)敏感區(qū)域，例如亞馬遜河流域、湄公河流域和剛果河流域，這些流域包含全球18%的淡水魚物種。同樣地，作為水電開發(fā)熱點(diǎn)區(qū)域的巴爾干半島也是歐洲關(guān)鍵的淡水生物多樣性地區(qū)。不可忽視的是，在目前天然河流系統(tǒng)中在建和規(guī)劃的水電站，發(fā)電量將不足全球規(guī)劃電能的8%，而馬來西亞、巴布亞新幾內(nèi)亞和圭亞那的比例則超過80%。這表明可以采取將水電站轉(zhuǎn)移到已碎片化了的河流，以減少對全球所剩不多的天然河流的影響。例如可以將規(guī)劃坦桑尼亞魯菲吉河上的水電站轉(zhuǎn)移到已經(jīng)碎片化了的尼羅河或者贊比亞河上，從而保存東非最后一條天然河。然后，該方式并不適宜全球推廣，只在一部分區(qū)域適用。

眾所周知，水電不是一個完全不影響環(huán)境的電力能源。根據(jù)不同的環(huán)境和技術(shù)，水庫可能會產(chǎn)生大量的溫室氣體。該研究對未來水庫排放的溫室氣體的計(jì)算較為粗略，只考慮了選址和水庫形態(tài)，并未考慮水庫泄水方式(例如底層泄水或表層泄水)。未來水電站主要建設(shè)在熱帶和亞熱帶區(qū)域，這些區(qū)域水庫溫室氣體排放量較大，尤其是在建成后的第一年。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的估測，水庫溫室氣體的排放量最大，可能超過少用化石能源所節(jié)約排放量的10%。然而從全生命周期來說，化石能源比水電能源產(chǎn)生的溫室氣體排放量高出30倍以上。這也引起對不同環(huán)境因素的權(quán)重思考，即到底減少溫室氣體排放重要，還是降低水資源破壞、保護(hù)生物多樣性和生態(tài)環(huán)境功能重要。

水電建設(shè)也對移民造成了直接和間接的影響，尤其是喪失自然資源的移民。也造成了(國際)公司、當(dāng)?shù)卣腿嗣裰g經(jīng)濟(jì)效益和成本極度不平衡的問題。研究結(jié)果顯示，水電行業(yè)的擴(kuò)張基本上不能填補(bǔ)電力缺口。除此之外，與核電發(fā)展過程中同化石能源的相互依賴和競爭相同，多功能水電項(xiàng)目的增長也會引起潛在的沖突。對有不同需求和背景的用戶和利益相關(guān)者，水電可能增加了對能源、水資源、防洪和灌溉需求的復(fù)雜化程度。

水電站建設(shè)和相關(guān)投資在某種程度上也是“跨界”，例如國際商務(wù)。通過對投資者的分析發(fā)現(xiàn)，越來越多的本國項(xiàng)目是由其他國家的公司投資的。總的來說，這些公司只關(guān)注投資，而不具體進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)和水電站運(yùn)行。盡管如此，大多數(shù)全球投資者遵循“赤道原則”(譯者注：赤道原則由世界主要金融機(jī)構(gòu)根據(jù)國際金融公司和世界銀行的政策和指南建立，旨在決定、評估和管理項(xiàng)目融資中的環(huán)境與社會風(fēng)險而確定的金融行業(yè)基準(zhǔn))，以確保國際認(rèn)可的社會環(huán)境風(fēng)險分析。前文提到未來水電站投資2 200億美元/a，這部分投資既不包含水電站運(yùn)行投資和發(fā)電收入，也不包含潛在的社會環(huán)境的費(fèi)用。

通過分析發(fā)現(xiàn)，水力發(fā)電不能解決如下問題：①處理能源需求增加和氣候變化問題；②消除電力缺口；③解決電力生產(chǎn)的相互依賴。實(shí)際上，迫切需要提高目前的規(guī)范和準(zhǔn)則，以協(xié)調(diào)水資源用戶、生態(tài)系統(tǒng)。2010年國際水電協(xié)會的《水電可持續(xù)發(fā)展評估協(xié)議》提出，水電規(guī)劃、實(shí)施和運(yùn)行中需要考慮對環(huán)境和社會的影響，走出了水電開發(fā)可持續(xù)發(fā)展第一步，但未提及受影響人口的參與途徑。本文提供了未來全球水電站數(shù)據(jù)庫，可為水電站選址、改進(jìn)大壩建設(shè)管理奠定重要基礎(chǔ)，從而支持一個包含環(huán)境、社會代價、包含利益相關(guān)方和受影響人口的系統(tǒng)規(guī)劃。

5 結(jié) 語

全球人口增長和電力需求加大、降低溫室氣體排放的需求，均促使全球水電站的建設(shè)進(jìn)入一個新的高峰期。盡管水電屬于可再生能源，但依然帶來了嚴(yán)峻的社會和生態(tài)影響，例如移民和跨界沖突、天然河流碎片化、生物棲息地改變從而威脅到淡水生物多樣性。通過采取可持續(xù)發(fā)展的方式，規(guī)劃和實(shí)施水電站建設(shè)，才能使電力生產(chǎn)最優(yōu)化，使負(fù)面影響減至最小。

馬雅文 譯

(編輯：唐湘茜)

2016-10-20

1006-0081(2016)12-0005-05

TV74：X820.3

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