［斯洛文尼亞］ K.德澤拉克等

1 概述

德拉瓦(Drava)河是多瑙河論面積和長度排名第四的支流，連接著阿爾卑斯山脈和多瑙河。該河發(fā)源于意大利海拔1192 m區(qū)域，流經(jīng)奧地利、斯洛文尼亞、匈牙利和克羅地亞，河流總長730km，下游為克羅地亞和匈牙利界河。德拉瓦河在奧西耶克(Osijek)鎮(zhèn)下游19km處匯入多瑙河。河流中上游地區(qū)高強度的水電開發(fā)、防洪及其他河道整治工程使其成為多瑙流域開發(fā)程度最高的河流之一。同時，該流域自然資源豐富，具有巨大的可持續(xù)開發(fā)潛力。此外，河道沿岸還有重要的、保存完好的生態(tài)區(qū)，動植物種類豐富多樣。相關(guān)政府通過保護(hù)制度，如國家公園和自然公園的形式，對很多生態(tài)區(qū)進(jìn)行了保護(hù)，這些生態(tài)區(qū)也成為歐盟Natura 2000自然保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)(Natura 2000)的一部分。

德拉瓦河是典型的冰川河流，這就意味著其最大流量出現(xiàn)在7月冰川融化期間，此時其他大多數(shù)河流都已出現(xiàn)夏季干旱的跡象。該河另一個流量峰值出現(xiàn)在11月，此時河內(nèi)注滿了來自于寬闊的阿爾卑斯山腹地的秋季雨水。德拉瓦河意大利和奧地利境內(nèi)的總匯水面積為10964km2，斯洛文尼亞境內(nèi)的匯水面積為3264km2。阿爾卑斯山中部地區(qū)賦予了德拉瓦河一些獨有的特征。由于地中海氣候的強烈影響，來自于流域南部的水量會造成夏季流量短期驟增，特別是8月份，百年一遇的平均流量可超過2800 m3/s，而年平均流量僅297 m3/s。

德拉瓦河上游河段建有很多大壩和水庫，大部分用于水力發(fā)電，均建于20世紀(jì)。該河河道上共建有23座用于水力發(fā)電的水壩和水庫，12座位于奧地利，8座位于斯洛文尼亞，3座位于克羅地亞。在奧地利和斯洛文尼亞北部，德拉瓦河的坡降和陡峭的山谷為建造小型水庫提供了有利條件。在斯洛文尼亞和克羅地亞下游，地勢相對平坦，有利于修建狹長、相對大型和較淺的水庫。德拉瓦河的主要整治工程始于19世紀(jì)初，持續(xù)至20世紀(jì)中葉。同時，很多用于公共供水的地下水井場和灌溉系統(tǒng)也在流域內(nèi)興建。結(jié)果，未加嚴(yán)格控制和協(xié)調(diào)的人類活動使德拉瓦河水文狀況發(fā)生了顯著變化，同時也對總體環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

斯洛文尼亞 Dravske Elektrarne Maribor公司(DEM公司)是斯洛文尼亞一家最大的可再生資源發(fā)電公司。DEM公司電站的裝機容量，在多年平均流量范圍內(nèi)，每年發(fā)電量約2.6 TW·h。夏季德拉瓦河水電站的最大發(fā)電量為1.2 TW·h，在過渡期和冬季則分別為0.8 TW·h和0.5 TW·h。超過40%的發(fā)電量由兩座徑流式水電站，即茲拉托利克杰(Zlatolicje)電站(21.7%)和福爾明(Formin)電站(20.6%)提供。除徑流式水電站之外，還有另外6座蓄水式發(fā)電站，即德拉沃格勒(Dravograd)電站、武澤尼察(Vuzenica)電站、武赫雷德(Vuhred)電站、奧日巴爾特(Ozbalt)電站、法拉(Fala)電站和馬里博爾斯基島(Mariborski Otok)電站，這些電站提供了大約60%的電量。由于可以在斯洛文尼亞電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時為其提供備用電力，德拉瓦河電站的重要性日益增加。通過夜間蓄水，白天騰空庫容，德拉瓦河電站可以將一部分日常發(fā)電量轉(zhuǎn)移至一年中最少8個月的最高需求期。利用庫存水量運行發(fā)電同樣可以使其在二次調(diào)頻和功率調(diào)節(jié)中達(dá)到45MW的發(fā)電容量。

除了兩座位于斯洛文尼亞的徑流式水電站外，在克羅地亞境內(nèi)的德拉瓦河下游還有3座徑流式水電站，即瓦拉日丁(Varazdin)電站、查科韋茨(Cakovec)電站和杜布拉瓦(Dubrava)電站(1.2 TW·h/a)。對于這5座水電站來說，可以制定相同的運行工況。在每座電站的具體運行中，水從水庫通過防滲混凝土襯砌的進(jìn)水渠輸送至水電站，從水電站流經(jīng)挖掘至含水層的出水渠。出水渠無防滲材料保護(hù)，直接與地下水接觸，因此，含水層的補給和排水條件發(fā)生顯著變化。根據(jù)水電管理當(dāng)局的協(xié)議，所有水庫的余流必須排回德拉瓦河。根據(jù)生態(tài)可接受流量的不同，余流流量也會發(fā)生不同的變化。

斯洛文尼亞茲拉托利克杰電站便例證了其對出流流量的影響，該水電站有一條17.2km長的水渠，建于1969年。在這一區(qū)域，水以550 m3/s的流速通過進(jìn)水渠輸送至水電站，但排放的余流流量受季節(jié)影響，冬季為10 m3/s，夏季為20 m3/s。目前很確切的是，對歐洲主要航道的水量造成干擾是不被接受的。

同時，根據(jù)Natura 2000多樣性要求，其鄰近區(qū)域也已部分恢復(fù)自然狀態(tài)，成為對歐洲具有特殊意義的許多動物種群的棲息地。雖然如此，水電站的負(fù)面影響也不容忽視，特別是在對航道的干擾方面。有必要尋求解決方案，通過適當(dāng)?shù)牧W(xué)、流體力學(xué)和電力設(shè)備的使用來緩解水電站所造成的影響，消除水力形態(tài)變化引起的后果。通過合理的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和精心規(guī)劃，則有可能以環(huán)境、社會與經(jīng)濟(jì)可接受的方式來修建水電站。

以下討論在德拉瓦河上擬建小水電開發(fā)的方案。德拉瓦河流經(jīng)馬里博爾斯基島電站附近，并在該處分成兩段。第1段是一條通往茲拉托利克杰電站的水渠，余流仍保留在德拉瓦河的天然河床內(nèi)。歐洲中部的強降雨經(jīng)常會導(dǎo)致德拉瓦河流量增大，因此在馬里博爾斯基島電站，水通常通過大壩溢出。德拉瓦河的水渠只能受納有限的水量，所以剩余的流量會通過德拉瓦河的天然河床泄向下游(高水位時，水渠內(nèi)的流量僅為271 m3/s，正常運行時達(dá)550 m3/s，以保護(hù)馬里博爾斯基島電站不受反向波影響)。

正常運行時，根據(jù)季節(jié)不同，德拉瓦河床的平均流量為10 m3/s或20 m3/s(余流)?？紤]了有關(guān)德拉瓦河開發(fā)的各種技術(shù)方案和相應(yīng)的投資經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果，同時也考慮了德拉瓦天然河床為保護(hù)區(qū)，并被列入Natura 2000這一事實。

2 空間、環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)及相關(guān)政策的挑戰(zhàn)

小水電站從概念設(shè)計到試運行的過程需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的活動，這些活動對于規(guī)劃、組織和管理資源以完成所要求的目標(biāo)，以及平衡公眾和私人(經(jīng)濟(jì))利益來說是必不可少的。平衡利益包括平衡空間、環(huán)境、社會、經(jīng)濟(jì)及相關(guān)政策的挑戰(zhàn)，以實現(xiàn)歐盟關(guān)于就業(yè)、創(chuàng)新、教育、社會融合、氣候變化和能源問題方面的主要目標(biāo)。

根據(jù)現(xiàn)有的知識、標(biāo)準(zhǔn)和原則，如果開發(fā)方法不當(dāng)，就可能會給環(huán)境帶來不利影響。以下介紹了如何通過改善小水電站的運行條件和將50 a前建造的一系列大型徑流式水電站帶來的不利影響降至最低來實現(xiàn)歐盟5個主要目標(biāo)的。這些徑流式水電站建在德拉瓦河下游大約100km長的斯洛文尼亞－克羅地亞河段上，該河段始于馬里博爾(斯洛文尼亞)，止于杜布拉瓦(克羅地亞)，引水流量 550 m3/s，確保20 m3/s的余流。

2.1 現(xiàn) 狀

雖然已有大約長20km的河段發(fā)生了很大變化，大量的水被引走(這在今天是不允許的)，但這片區(qū)域也確實為瀕危物種提供了棲息地，并被列入Natura 2000。不受人類活動干擾，這些河段重新又成為了動物的棲息地。負(fù)面影響涉及水流形態(tài)變化(缺乏泥沙輸移)、居民的重新安置、土地利用變化、人類習(xí)慣以及低河流水位造成的濕地面積萎縮。與修建梯級電站之前相比，這些濕地只能提供更小的棲息地。

2.2 通過實現(xiàn)歐盟目標(biāo)來改善條件

所有這些因素都可以通過恢復(fù)至建設(shè)梯級水電站之前的條件，并通過調(diào)節(jié)水位模擬平均流量和水位得到改善，以德拉瓦河的雪雨型河流來水機制最為典型。實現(xiàn)這一目標(biāo)的可能途徑之一是安裝小型橡膠壩，加強基礎(chǔ)設(shè)施(例如橋梁)的綜合利用，特別是在EWE(環(huán)境、水資源與能源)和氣候變化問題日益加劇的情況下。

最近聯(lián)合國的一份有關(guān)氣候變化的報告表明，人類正在對氣候系統(tǒng)進(jìn)行不可逆轉(zhuǎn)的干擾。氣候變化涉及復(fù)雜的相互作用和改變可能的各種影響。在氣候變化背景下關(guān)注決策風(fēng)險，并對報告進(jìn)行補充。報告的一關(guān)鍵部分提出了氣候變化和基礎(chǔ)設(shè)施的適應(yīng)性。由于歐盟各國各自地理位置和地球物理風(fēng)險、現(xiàn)有適應(yīng)能力和恢復(fù)力及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不同，氣候變化對基礎(chǔ)設(shè)施影響的嚴(yán)重性在歐盟各國也各不相同。

中長期氣候發(fā)展趨勢(氣溫正在升高，雨型的改變等)和越來越頻繁的極端天氣事件對各個地區(qū)的影響不盡相同。氣候影響不僅在地域和季節(jié)上有區(qū)別(北方/南方，冬季/夏季)，還存在局部(城市/農(nóng)村/海岸)差異。因此，為使基礎(chǔ)設(shè)施適應(yīng)氣候變化的影響，通常要求對不同的趨勢和影響模式進(jìn)行綜合的、定點的分析。氣候變化的影響(以5℃為例)將導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施的翻新、升級改造和新基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。根據(jù)聯(lián)合國氣候變化報告，由于氣溫升高和極端降水的影響，基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)、運行和翻新需要更多的資金。固此，需要更多的能源和基礎(chǔ)設(shè)施(新堤防、水庫、保留區(qū)、橋梁、供水和排水系統(tǒng))來應(yīng)對氣候變化的影響。

在2014年～2020年預(yù)算期內(nèi)，歐盟將增加適應(yīng)氣候的基礎(chǔ)設(shè)施方面的融資?？梢灶A(yù)見的是，2014年～2020年歐盟總預(yù)算中至少有20%將用于氣候相關(guān)投資。氣候變化的后果會對基礎(chǔ)設(shè)施造成影響，進(jìn)而對經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性和銀行可融資性造成影響。一般來說，工程的設(shè)計和建設(shè)將變得更為復(fù)雜，維護(hù)和安裝費用也將更高。隨著氣候變化影響的加大，需要采用各種方式對現(xiàn)有資源進(jìn)行優(yōu)化利用，以實現(xiàn)長期的責(zé)利匹配。

據(jù)估算，在防洪上每花費1歐元，損害成本則可節(jié)省6歐元。歐洲委員會估計，2020年不適應(yīng)氣候變化的最低成本將為1000億歐元，到2050年，該成本將變?yōu)?500億歐元(需要在2020年投入150億～200億歐元，并在2050年投入400億歐元)。因此選擇管理對策是必要的，特別是在氣候變化的影響需要對響應(yīng)持續(xù)適應(yīng)的情況下。除了預(yù)防損失，建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施的其他社會經(jīng)濟(jì)影響也應(yīng)考慮在內(nèi)。分析氣候變化對水電的可能影響、管理部門對響應(yīng)變化的適應(yīng)性選擇，以及來水量的季節(jié)和年際變化得出，到2050年，氣候變化和EWE對水力發(fā)電的總體影響估計在大部分地區(qū)略為正面(如亞洲，0.27%)，在其他區(qū)域為消極影響(如歐洲、0.16%)，跨區(qū)域、跨流域，區(qū)域內(nèi)甚至流域內(nèi)分散的各小流域均不相同。

3 技術(shù)方案

分析2007年德拉瓦河天然河床最大和最小流量值得出，通常情況下河流流量僅為10 m3/s或20 m3/s，偶然會出現(xiàn)高水位。2007年該河的最大流量為1558 m3/s。德拉瓦河的整個天然河床(延伸大約25km)被分為76個橫剖面。橫剖面48和49之間的區(qū)域似乎適合小水電開發(fā)。最初選擇該位置是因為原計劃在該區(qū)域建一座橋梁。

小型水力發(fā)電機組的第一個方案是以水力矩陣技術(shù)(hydromatrix technology)為基礎(chǔ)，融入水力發(fā)電方面的創(chuàng)新概念，并且這一方案很容易整合到現(xiàn)有的大壩結(jié)構(gòu)中。另一個選擇方案以建設(shè)“可移動式水電站”為基礎(chǔ)，發(fā)電站可被抬升，泥沙可直接通過。

3.1 水力矩陣技術(shù)

水力矩陣技術(shù)可成為通過水能發(fā)電最經(jīng)濟(jì)可行的解決方案之一。這一技術(shù)利用現(xiàn)有的大壩結(jié)構(gòu)，大壩的閘門被替換為一些“模塊”，這些“模塊”中安裝了幾十臺小型發(fā)電機。因此，建造水電站，也就是土建工程的主要成本被降至中等水平。

3.2 可移動式水電站

“溢流和底流”式創(chuàng)新可移動水電站首次在不需要額外引水的情況下與現(xiàn)有的堰融為一體。因此，渠中分流的水量減少，更多的水量則留在河內(nèi)，進(jìn)而促使生態(tài)改善。

3.3 發(fā)電量計算

小水電站的發(fā)電量主要決定于來水量。除了流量歷時曲線之外，總水頭差、所使用的水輪機類型、設(shè)計流量和發(fā)電機效率也十分重要。在此案例中，總落差為2 m，設(shè)計流量為20 m3/s?；谏鲜鲚斎?yún)?shù)，當(dāng)發(fā)電量為2.5 GW·h/a(水力矩陣技術(shù))和2.7 GW·h/a(可移動水電站)，分析得出水電站的發(fā)電容量相當(dāng)于336kW(水力矩陣技術(shù))和391kW(可移動水電站)。

4 資金因素

累計現(xiàn)金流曲線可以通過年收支差異進(jìn)行計算，其中通貨膨脹、信用和能源成本變動等參數(shù)具有重要的影響力。在累計現(xiàn)金流曲線中，年正向現(xiàn)金流參數(shù)非常重要。曲線顯示了累計現(xiàn)金流值為零的年份。所有的計算從初始成本7000歐元/a(水力矩陣技術(shù))和5500歐元/a(移動式水電站)中推算，貸款50%的初始成本，貸款期限為10 a。圖1顯示了上述兩種方案的累計現(xiàn)金流曲線。曲線與零值交叉的位置(10～12 a)代表年正向現(xiàn)金流。

圖12種方案的累計現(xiàn)金流曲線

5 結(jié)語

水電是最可靠和性價比最高的可再生能源之一，最受歡迎的水電開發(fā)結(jié)構(gòu)之一是小水電站。本文探討了在德拉瓦河上進(jìn)行小水電站建設(shè)的各種可能性。對位于斯洛文尼亞境內(nèi)的河段進(jìn)行了計算，該河段內(nèi)水電站的選址受環(huán)境法的嚴(yán)格保護(hù)。目前德拉瓦河由幾座大壩和用于發(fā)電的水電站，以及數(shù)條依其流向開挖的渠道進(jìn)行調(diào)節(jié)。本文建議的解決方案可改善德拉瓦河河床內(nèi)歐洲重要物種的棲息地生境。兩套方案(水力矩陣發(fā)電站和可移動式水電站)的對比表明，對于本文所述狀況，可移動式水電站是更好的選擇。在建議開發(fā)區(qū)域，德拉瓦河天然河床長25km，總落差約24 m。這意味著每年可發(fā)電約36 GW·h，同時還能改善一些重要物種的棲息地生境。