張曉溪 龔先政,2 劉宇,2

（1北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，北京 100124；2工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室，北京 100124）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟與科技的發(fā)展，人們對可再生能源開發(fā)利用的研究日漸深入，水力發(fā)電在其中占據(jù)很大比重。我國是電力大國，且近年來年發(fā)電量依然在穩(wěn)步增加。根據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)，截至2017年末，全國發(fā)電裝機容量177703 萬kW，比2016年末增長7.6%。其中水電裝機容量34119萬kW，約占總裝機容量的20%。水力發(fā)電的過程會消耗大量的水資源，可能加劇水資源短缺問題。聯(lián)合國《2018年世界水資源開發(fā)》顯示，全球?qū)λY源的需求正在以每年1%的速度增長，主要來自發(fā)展中國家和新興經(jīng)濟體，各國必須盡快對水資源的消費結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，以便更好地利用水資源[1]。我國盡管水資源總量充沛，位居世界前十，但由于巨大的人口基數(shù)，人均占有量僅為世界的四分之一，再加上時空分布不均、水質(zhì)惡化、污染水處理率低等，水資源問題尤為嚴峻，追求對水資源的更好運用十分重要[2]。

水足跡概念由Hoekstra于2002年基于虛擬水及生態(tài)足跡理論提出[3]，指從個人、家庭、部門、行業(yè)、城市到整個國家在生產(chǎn)或者消費的產(chǎn)品中包含的虛擬水?dāng)?shù)量[4]。水足跡可分為藍水足跡、綠水足跡和灰水足跡。藍水足跡指產(chǎn)品供應(yīng)鏈中消耗的地表及地下水資源；綠水足跡指產(chǎn)品消耗的未形成徑流的雨水及土壤水分；灰水足跡為稀釋污染至自然本底濃度或環(huán)境標(biāo)準所需的淡水總量[5]。與其他用水指標(biāo)相比，水足跡不僅可以度量整個產(chǎn)品或者服務(wù)提供過程中的水資源消耗，還通過引入灰水足跡的概念而量化了人類活動產(chǎn)生的污染在自然凈化過程中消耗的水資源。水足跡的概念一經(jīng)提出便被廣泛運用到了農(nóng)業(yè)、工業(yè)等水耗研究中，也有不少學(xué)者運用水足跡方法計算了水力發(fā)電的水資源消耗。目前計算水電水足跡的主流方法有三種，即總蒸發(fā)法、凈蒸發(fā)法、水量平衡法。

三峽工程是當(dāng)今世界最大的水利工程，壩址地處長江干流西陵峽河段、湖北省宜昌市三斗坪鎮(zhèn)，控制流域面積約100萬km2。三峽電站總裝機容量2250萬kW，自2003年開始發(fā)電以來年平均發(fā)電量882億kW·h，占全國水力發(fā)電總量的近10%。因此，對三峽電站的水足跡計算對于評估我國的水電水資源消耗有重要意義。

1 研究方法

水電水足跡指水電站通過水力發(fā)電生產(chǎn)單位電力產(chǎn)生的直接或間接水資源消耗量。通常，水力發(fā)電整個過程中幾乎沒有綠水、灰水足跡，水力發(fā)電的水足跡只計算藍水足跡。

1.1 總蒸發(fā)法

1992年，Glecik率先將水足跡引入水力發(fā)電中，基于水電站庫區(qū)蒸發(fā)水量與發(fā)電量之比計算水力發(fā)電產(chǎn)生的水足跡[6]，隨后Mekonnen等同樣運用總蒸發(fā)法計算了不同國家、地區(qū)的水電水足跡[7]。

總蒸發(fā)耗水法指單位電量生產(chǎn)過程中水庫庫區(qū)產(chǎn)生的總蒸發(fā)量，一般可用水庫年蒸發(fā)量除以年發(fā)電量，計算公式為：

式中：E為水庫年蒸發(fā)量（m3）；P為水電站年發(fā)電量（kW·h）。

1.2 研究方法

凈蒸發(fā)法

Indika Herath等人[8]提出了凈蒸發(fā)量的概念（凈蒸發(fā)法），使用電站蓄水前后的蒸發(fā)量差值來替代總蒸發(fā)量，并指出總蒸發(fā)法高估了水力發(fā)電的水資源消耗。該方法認為，總蒸發(fā)量并不能夠客觀反應(yīng)水電站的環(huán)境影響，因為其忽略了水庫建成前的固有蒸發(fā)量，應(yīng)該在水庫修建后的總耗水量中減去蓄水前水庫淹沒區(qū)的耗水量。與總蒸發(fā)耗水法相比，凈蒸發(fā)法考慮到了庫區(qū)在水庫建成前的地面、河流等蒸騰量。Demekel等人使用這種方法計算了澳大利亞、土耳其等國家的水電站耗水量[9]。

凈蒸發(fā)法計算公式如下：

式中：E為建庫后的總蒸發(fā)量（億m3），Epre為蓄水前總蒸發(fā)量（億m3），P為年發(fā)電量（億kW·h）。

1.3 水量平衡法

水量平衡法的理論基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒原理，它將某一地區(qū)視為一個整體，綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)的水資源轉(zhuǎn)化與消耗，能較全面地對某一地區(qū)特定時段的水足跡進行評估。Indika Herath等人[8]率先提出使用降水量與蒸發(fā)量的差值計算水足跡。Laura Scherer等人[10]則將入庫流量、出庫流量、土壤滲透量等參數(shù)引入計算中，并用此方法計算了全球1500多個水電站的水足跡。

水量平衡法在計算區(qū)域耗水、農(nóng)業(yè)耗水中應(yīng)用較為廣泛，如齊述華等[11]計算了三種蔬菜的需水量和作物系數(shù)。張一平等[12]分析了西雙版納熱帶森林系統(tǒng)中的季節(jié)雨林和橡膠林兩種代表性林型的林冠水文效應(yīng)。目前，國內(nèi)用水量平衡法計算水電水足跡的研究較少。

在整個水庫系統(tǒng)中，發(fā)電過程的水資源損失主要由庫區(qū)的蒸發(fā)量以及滲透量構(gòu)成。事實上，水庫系統(tǒng)較為復(fù)雜，從水量平衡的角度來看，水力發(fā)電消耗水量并不能粗略地由蒸發(fā)量與滲透量加和計算，主要原因有兩方面：一是在水庫系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的滲透并非全是損失水量，而是有一部分轉(zhuǎn)化為徑流進入水庫下游；二是水庫建成前的蒸發(fā)量與滲透量同樣應(yīng)該考慮。因此，本研究將水量平衡法的水足跡計算公式定義為：

式中：SP為建庫后滲透損失水量；E為年蒸發(fā)量，為建庫前年蒸發(fā)量，為建庫前滲透損失水量。

為將滲透量轉(zhuǎn)化成徑流的部分排除，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，庫區(qū)的所有輸入與輸出水應(yīng)近似平衡，因此本研究將庫區(qū)的滲透損失水量表示為：

式中：IF為年入庫徑流量；OF為年出庫徑流量；R為多年平均降水量；ST為年庫容變化量。由此公式（3）可以轉(zhuǎn)化為：

在計算建庫前滲透損失水量時，假設(shè)所有滲透量均未形成徑流回到系統(tǒng)，即以建庫前的河流下滲水量近似表示建庫前滲透損失水量SPpre。

根據(jù)地下水動力學(xué)達西定律，SPpre的計算公式為：

表1 三峽水庫2003-2016年相關(guān)水文數(shù)據(jù)

式中：K為滲透系數(shù)（m3/d）；S為河面面積（m2）；h2為河道高點水位（m）；h1為地下水水位（m）；L為路徑長度。

除此之外還有一些新方法，比如，Dandan Zhao等[13]提出了基于水力發(fā)電在總水庫生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中的比率的量化水足跡的算法，將水電站水足跡與電力在水電站全部生態(tài)服務(wù)價值中的占比相乘，用來表示水電站發(fā)電的合理水足跡。

2 三峽電站運行期水電水足跡

2.1 水文數(shù)據(jù)匯總

通過查閱統(tǒng)計資料和文獻，獲得計算三峽電站水足跡的相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1。

2003-2011年庫區(qū)水面面積與建庫前蒸發(fā)量數(shù)據(jù)來源于孫志禹等[14]的研究，其利用三峽水庫水文資料、湖北省巴東站氣候資料等計算出建庫前的年平均蒸發(fā)數(shù)據(jù)。三峽電站于2010年進入175m蓄水階段之后，水面面積整體變化不大，因此2011-2016年的水面面積均選取1084km2，蓄水前蒸發(fā)數(shù)據(jù)則由2011年的數(shù)據(jù)根據(jù)蒸發(fā)深度推算得出。蓄水后的降雨量、蒸發(fā)量數(shù)據(jù)來源于張靜等[15]的研究，其利用三峽水庫河道處的12個水文站的氣象資料對三峽庫區(qū)蓄水后的蒸發(fā)、降水變化進行了計算分析。三峽庫區(qū)年終庫容量與年發(fā)電量來源于水力發(fā)電年鑒[16]，入庫流量來源于長江三峽工程運行實錄[17]，出庫流量則由三峽運行實錄中的水庫水位及出入庫流量過程線圖利用微積分方法計算。

2.2 總蒸發(fā)法

結(jié)合表1的相關(guān)參數(shù)與公式（1），計算得到三峽電站2003-2016年電力產(chǎn)品水足跡的變化趨勢，如圖1。

圖1 總蒸發(fā)法計算三峽電站電力產(chǎn)品水足跡

由圖1可知：由于電站蓄水初期的裝機容量小、發(fā)電量小，2003年水電水足跡顯著大于其余年份，為0.069m3/kW·h；2004-2010年，隨著三峽水庫蓄水量與發(fā)電量的增加，水足跡呈逐步下降趨勢；而2011-2016年，水足跡受年發(fā)電量、蒸發(fā)量等的影響雖有小幅度的上下波動，但整體趨于穩(wěn)定。

2003年為電站運行初期，未達到穩(wěn)定狀態(tài)，與其余年份數(shù)值差別較大，故剔除2003年水足跡的影響，用總蒸發(fā)法計算的水電運行期水足跡在0.007-0.023m3/kW·h的范圍波動。其中，2004年的水足跡最大，為0.0226m3/kW·h，主要原因是電站蓄水初期發(fā)電總量?。?014年的水足跡最小，一方面原因是2014年發(fā)電量最高，另一方面原因是蒸發(fā)量相對較小。使用2004-2016年水足跡進行多年平均，用總蒸發(fā)法計算的三峽電站水電運行期水足跡均值為0.0132m3/kW·h。

2.3 凈蒸發(fā)法

結(jié)合表1的相關(guān)參數(shù)與公式（2），使用凈蒸發(fā)法計算得出三峽電站2003-2016年電力產(chǎn)品水足跡，如圖2。

由圖2可知：凈蒸發(fā)法得出的2003年水足跡同樣顯著較大，為0.0155m3/kW·h,2003-2009年呈下降趨勢，2010往后的年份則趨于穩(wěn)定。2004-2016年同樣是2014年的水足跡最小，為0.00274m3/kW·h。剔除2003年的數(shù)據(jù)，使用凈蒸發(fā)法計算出2004-2016年三峽電站水電運行期水足跡均值為0.00441m3/kW·h。

圖2 凈蒸發(fā)法計算三峽電站電力產(chǎn)品水足跡

2.4 水量平衡法

由于缺乏2002年水庫蓄水前的河流水量數(shù)據(jù)，在計算水量平衡法時從2004年算起。2004-2010年庫區(qū)處于蓄水階段，該階段水足跡計算采用多年平均數(shù)據(jù)，以避免初期按年度計算的不穩(wěn)定性；而2011年后由于系統(tǒng)基本穩(wěn)定，進行逐年計算與分析。

2.4.1 水庫蓄水期

2004-2010年的多年平均數(shù)據(jù)整合如表2。

表2 水量平衡法相關(guān)數(shù)據(jù)表

建庫前河道沉積物滲透系數(shù)來源于吳佩鵬等[18]的研究，其測算了三峽庫區(qū)建庫前30個觀測點的沉積物滲透系數(shù)，本研究取均值1.78。建庫前河道面積則由水庫總面積減去淹沒土地面積計算[14]。計算建庫前滲透損失水量時，本研究假定下游宜昌為地下水排泄場所，根據(jù)長江水文網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)，三峽庫區(qū)上游寸灘站的干流水位于170m上下浮動，而下游宜昌站的地下水水位于10m上下浮動，因此取h2-h1=160m；L則取寸灘站至宜昌站的干流長度，約為600km。使用公式（6）進行計算，得到三峽電站運行期水電水足跡為0.0158m3/kW·h。

2.4.2 水庫穩(wěn)定期

結(jié)合表1的相關(guān)參數(shù)與公式（5），使用水量平衡法計算得出三峽電站2004-2011年電力產(chǎn)品水足跡，如圖3。

圖3 凈蒸發(fā)法計算三峽電站電力產(chǎn)品水足跡

2010-2016年水量平衡法計算所得水足跡在0.01-0.016m3/kW·h間波動。其中，2013年水足跡最大（0.0159m3/kW·h），這是因為該年庫容較大導(dǎo)致滲透量相對較大，同時蒸發(fā)量為幾年最大，但年發(fā)電量卻相對較小；而2014年庫容較小，但年發(fā)電量卻最大，因此水足跡最小（0.0102m3/kW·h）。2010-2016年的平均水足跡則為0.0133m3/kW·h。

將2004-2016年所得數(shù)據(jù)求均值，按水量平衡法計算出的水電水足跡為0.0147m3/kW·h。與Laura Scherer等人于2011年計算得出的三峽水電水足跡0.0176m3/kW·h相比，本研究所得數(shù)值降低了16.5%，一方面與選取的水文資料有差異，另一方面也與2011年后的年發(fā)電量增長有關(guān)。

3 結(jié)果與討論

圖4為三種計算方法得出的三峽水電站運行期2004-2016年的多年平均水足跡。

圖4 三種水足跡計算方法結(jié)果對比

由圖4可知：三種方法中，水量平衡法計算的水足跡最大，為0.0147m3/kW·h；總蒸發(fā)法次之，為0.0132m3/kW·h；凈蒸發(fā)法結(jié)果最小，為0.00441m3/kW·h，比水量平衡法與總蒸發(fā)法分別降低了70%和67%。

總蒸發(fā)法將水庫建庫后的水面蒸發(fā)量作為水電站發(fā)電的水資源消耗，計算方法較簡單，但卻忽略了水庫建庫前的固有蒸發(fā)量。而凈蒸發(fā)法彌補了總蒸發(fā)法的不足，將建庫前的陸地與水面從總蒸發(fā)量中減去，能夠更加客觀反應(yīng)水電站電力產(chǎn)品的水足跡。對于不同的水電站，凈蒸發(fā)法相對于總蒸發(fā)法的減小比例會有所不同，這取決于建庫前后的地形變化程度。

水量平衡法與總蒸發(fā)法和凈蒸發(fā)法相比主要是引入了滲透量的計算，該方法將水庫視為一個完整系統(tǒng)，通過計算系統(tǒng)的滲透與蒸發(fā)損失水量之和來得到整個系統(tǒng)中損失的水資源總量。水量平衡法計算中,2003-2016年平均滲透損失水量為6.8億m3，占建庫后庫區(qū)損失水量的57%，成為水電水足跡的重要組成部分。本研究在計算建庫前滲透損失量時未考慮其形成徑流重新進入系統(tǒng)的部分，所得結(jié)果較實際略微偏小。由于考慮了滲透損失，因此水量平衡法的計算結(jié)果相較凈蒸發(fā)法與總蒸發(fā)法更大。

4 結(jié)論

對于水電運行期的水足跡的計算，本研究分析和辨識了總蒸發(fā)法、凈蒸發(fā)法和水量平衡法三種方法，并以三峽電站為例進行了水電運行期水足跡的計算與比較分析。總蒸發(fā)法、凈蒸發(fā)法和水量平衡法計算的水電運行期水足跡分別 為0.0132m3/kW·h, 0.00441m3/kW·h和0.0147m3/kW·h，均為藍水足跡；凈蒸發(fā)法計算的水足跡最小，相比總蒸發(fā)法和水量平衡法分別降低了67%與70%。

總蒸發(fā)法與凈蒸發(fā)法均未考慮滲透量的影響，水電運行期水足跡主要來源于水庫蒸發(fā)量?？傉舭l(fā)法直接以蒸發(fā)量進行水足跡計算，凈蒸發(fā)法則進行了改進，將建庫前后的蒸發(fā)量差值作為水電水足跡的來源。水量平衡法則更全面，將滲透量也考慮在水電水足跡的計算中。三種方法中，水量平衡法涉及的影響因素較多，所需數(shù)據(jù)更多、更難獲得，也更加依賴數(shù)據(jù)的準確性。但在數(shù)據(jù)充足可靠的情況下，水量平衡法更加嚴謹，能夠更加客觀、全面評估水電站的水足跡。