[加納]　M. 米爾 等

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利用可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)管理綜合平衡水電效益

[加納]M. 米爾 等

摘要：研究通過改變加納沃爾特河下游2個(gè)大壩的運(yùn)行方式，改善下游居民生活的可能性?；谒Y源配置模型，分析了改善下游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和居民生活的可行性以及對(duì)發(fā)電的影響。提出淹沒特定區(qū)域和管理咸水入侵等方案，建議為下游居民提供其他可選的生計(jì)解決方案。

關(guān)鍵詞：生態(tài)系統(tǒng)；水力發(fā)電；可持續(xù)性；非洲

在非洲，通過開發(fā)水電來促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要，即使是在氣候變化較為顯著的非洲大陸亦是如此。然而大壩開發(fā)可帶來的總體經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)?shù)鼐用裼袝r(shí)并未直接受益。

水利基礎(chǔ)設(shè)施投資可為各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出重大貢獻(xiàn)。然而，水利設(shè)施的開發(fā)有時(shí)并不能徹底地消除社會(huì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境方面的負(fù)面影響。最近，建壩的潛在負(fù)面影響受到越來越多的關(guān)注，新的水電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正受到越來越嚴(yán)格的審查。

很多發(fā)展中國家試圖通過投資修建具有發(fā)電、灌溉和防洪功能的水壩，以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。由于大部分發(fā)展中國家所在區(qū)域受氣候變化影響較大，因此，在豐水期儲(chǔ)水、在干旱期用水，不僅能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長，還可以帶來其他效益。但如果管理不善，新建的跨流域大型水利設(shè)施開發(fā)項(xiàng)目將可能引起際爭端。因此，應(yīng)盡可能調(diào)整現(xiàn)有水庫運(yùn)行方案，以滿足當(dāng)?shù)鼐用?主要是下游)需求，使其共享水利開發(fā)效益。同時(shí)，優(yōu)化方案還能增加水庫運(yùn)行的總效益。

1研究區(qū)域

加納沃爾特河上的阿科松博(AKosombo)大壩建于20世紀(jì)70年代。工程主要是為了滿足生活用電需求，并將余電銷往瓦爾科鋁加工廠，以償還建壩貸款，同時(shí)促進(jìn)加納和其他區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。起初，阿科松博電站安裝了4臺(tái)單機(jī)147 MW的水輪機(jī)(588 MW)，之后又增加了2臺(tái)，使總裝機(jī)容量達(dá)到912 MW。隨后，又對(duì)電站進(jìn)行了升級(jí)，使目前的總裝機(jī)達(dá)到1 020 MW。

科龐(Kpong)電站于20世紀(jì)90年代初期開始運(yùn)行，總裝機(jī)容量為148 MW，形成了世界第三大人工湖，產(chǎn)生了大量水庫移民，并使下游河流流態(tài)發(fā)生變化。

受流態(tài)變化影響，預(yù)計(jì)將減少52 000 hm2的洪灌耕地，且沃爾特河下游中段附近的捕蛤業(yè)將無法開展。此外，季節(jié)性洪水形成的溪流，本是多種魚類的重要棲息地和產(chǎn)卵地，也將被完全淹沒或徹底干涸。目前，蛤蜊在沃爾特河河口棲息，捕蛤業(yè)得以在此處延續(xù)，但產(chǎn)量有所下降。

水位穩(wěn)定、流速低，再加上未經(jīng)處理的農(nóng)業(yè)、生活廢水排入河流，導(dǎo)致水生雜草和水傳播性疾病(如血吸蟲病)發(fā)生率增加。水草會(huì)破壞漁網(wǎng)，阻隔與河流之間的通道，為魚類提供棲息場(chǎng)地使其逃避捕撈，因此，給捕漁業(yè)造成不利影響。但是，穩(wěn)定的流態(tài)和水庫的建設(shè)也可促進(jìn)沃爾特河下游的灌溉。

2恢復(fù)河流的天然流態(tài)

2.1　河流流態(tài)與環(huán)境流量

對(duì)調(diào)整阿科松博和科龐電站運(yùn)行方案所產(chǎn)生的后果進(jìn)行了研究，提出恢復(fù)天然狀況下的河流流態(tài)。同時(shí)，研究了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的改善以及發(fā)電和其他經(jīng)濟(jì)活動(dòng)受到的影響。采用統(tǒng)計(jì)分析方法確定了天然狀況下的水流流態(tài)，利用水資源配置模型(WEAP)，模擬了大壩運(yùn)行對(duì)沃爾特河下游水電開發(fā)及灌溉產(chǎn)生的影響。

以當(dāng)?shù)鼐用窈蛯＜覍?duì)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求為基礎(chǔ)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析確定了天然狀況下的水流流態(tài)。借助全球環(huán)境流量計(jì)算軟件(GEFC)，確定了不同環(huán)境管理等級(jí)(EMC)下的流量。通過在流量歷時(shí)曲線(FDC)上標(biāo)繪參考水文條件，得出流量數(shù)據(jù)。通過GEFC一個(gè)轉(zhuǎn)換程序，計(jì)算了不同環(huán)境管理等級(jí)下的流量，從水流流態(tài)幾乎不受影響的天然河流(EMCA)到影響已達(dá)到臨界值的河網(wǎng)系統(tǒng)(EMCF)。采用該方法，確定了不同月份的流量。該方法假定系統(tǒng)受到不斷增強(qiáng)的抽象因素的不利影響，在這里特指流態(tài)變化、峰值流量減小和低流量情況的增多所引起的運(yùn)行方式調(diào)整。本研究采用恢復(fù)水文過程線，在豐水期計(jì)算時(shí)，可使用GEFC;在旱季計(jì)算時(shí)，應(yīng)增加流量以使年徑流量恒定。

環(huán)境流量需求的關(guān)鍵指標(biāo)包括洪水范圍(面積和關(guān)鍵位置，如溪流)以及持續(xù)時(shí)間?？梢圆捎梦譅柼睾庸芾砭謶?yīng)急預(yù)案中開發(fā)的洪泛區(qū)地圖，來確定關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)被淹沒時(shí)的流量。例如，溪流發(fā)生持續(xù)2~3個(gè)月的季節(jié)性洪水，對(duì)于漁業(yè)至關(guān)重要。同時(shí)，還應(yīng)包括其他約束條件，如生活和灌溉用水需求，以及維持一定水平的基流，以防止生活與灌溉取水時(shí)發(fā)生咸水入侵。

雖然并未明確消除或減少水草和衛(wèi)生影響所需的流量，但仍應(yīng)考慮水草和衛(wèi)生問題。假定流速增大、水位波動(dòng)和不斷增加的咸水入侵對(duì)于減少水草和改善衛(wèi)生條件有利，但也可能對(duì)河口附近的生活供水造成潛在影響。

環(huán)境流量情景的開發(fā)是以EMCA和EMCB參考值為基礎(chǔ)，每種情景都還原了河流動(dòng)力學(xué)的部分信息(如洪季流量大于現(xiàn)在的平均流量)。模型中所使用的環(huán)境流量需求情景見圖1，其中包含水力發(fā)電優(yōu)化的情景(穩(wěn)定下泄流量約為1 000 m3/s)和考慮了EMC A和EMC B的情景。以上情景都通過增加旱季流量來彌補(bǔ)洪峰期流量的減少。

圖1　EMC A和EMC B下每月的流量水位

2.2　水力發(fā)電優(yōu)化

該情景考慮與目前下泄流量相同的情況下，通過將所有水輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)來增發(fā)電量，這將會(huì)使大壩下游出現(xiàn)穩(wěn)定的流態(tài)，是對(duì)流態(tài)最大的改變。

2.3　環(huán)境管理等級(jí)A

通過GEFC，EMC A模擬了9，10月份季節(jié)性洪水下的自然狀態(tài)流量，與“幾乎不受影響的天然河流狀況”下的流量值相近。雨季流量超過3 000 m3/s，淹沒部分小溪達(dá)2個(gè)月之久，降低了旱季流量，使年總徑流量與當(dāng)前年均流量相同。這種情況下，可運(yùn)行的水輪機(jī)數(shù)量減少，總發(fā)電量受到影響。

2.4　環(huán)境管理等級(jí)B

與EMC A類似，采用了EMC B“受到輕微影響的河流”的流量值。同樣地，EMC B降低旱季流量以滿足雨季流量增加。雨季流量低于河岸最大過流量，避免了洪災(zāi)損失。

3其他用水戶及需求

沃爾特河下游流域近期的開發(fā)項(xiàng)目包括公共的和私人灌溉系統(tǒng)、籠具捕撈、各種生活用水取水設(shè)施和洪泛區(qū)水利設(shè)施開發(fā)等。目前總用水量(6 m3/s)只占沃爾特河下游流量(1 000 m3/s)的一小部分。未來的用水規(guī)劃包括開發(fā)阿克拉平原用于灌溉，預(yù)計(jì)灌溉面積為5 000～150 000 hm2。以香蕉、大米和蔬菜等農(nóng)作物的平均用水需求為基礎(chǔ)，預(yù)計(jì)未來整個(gè)區(qū)域內(nèi)的灌溉水需求不到沃爾特河下游平均流量的15%。另一重要用水戶加納水資源有限公司從科龐大壩日取水155 000 m3，為首都阿克拉提供生活用水。其他問題還包括泛洪區(qū)洪水對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的影響，高速水流對(duì)籠具捕撈的影響以及咸水入侵對(duì)取水口的影響。

4水資源配置模型

在沃爾特河流域規(guī)劃中，開發(fā)了幾種WEAP模型版本，大部分都是WEAP模型之前版本的升級(jí)，即把WEAP作為獨(dú)立的軟件，或者與SWAT模型氣候變化情景相結(jié)合。第一個(gè)版本用于評(píng)估氣候變化及其對(duì)全球糧食生產(chǎn)安全、環(huán)境與人類生活的影響，并將這些影響與流域?qū)用娴念愃朴绊懧?lián)系起來，以開發(fā)和制定食品與環(huán)境方面的適應(yīng)性策略，緩解流域尺度上的不利影響。當(dāng)前版本(第一個(gè)使用WEAP開發(fā)的日操作模型)采用1965~2013年的歷史數(shù)據(jù)，模擬了阿科松博和科龐大壩的運(yùn)行，并預(yù)測(cè)2020年的情況?？捎脭?shù)據(jù)包括水位、庫容高程曲線及大壩下泄流量。阿科松博大壩和科龐徑流式水力發(fā)電方案中的凈入流量采用日總量平衡方法進(jìn)行計(jì)算：

凈入流量 = 最終庫容-初始庫容+下泄量

(1)

凈入流量=最終庫容-初始庫容+

阿科松博大壩下泄量+下泄量

(2)

通過庫容-高程曲線，采用觀測(cè)水位資料計(jì)算庫容。模型重點(diǎn)考慮了沃爾特河的入流量以及下游用水量，包括水力發(fā)電、生活用水(科龐污水凈化廠)以及農(nóng)業(yè)和環(huán)境流量(不同EMC下)。

圖2，3為3個(gè)情景下的WEAP模型運(yùn)行結(jié)果。研究表明，與優(yōu)化水力發(fā)電方案相比，不同的環(huán)境流量會(huì)導(dǎo)致年發(fā)電量減少10%～50%。這種差異在枯水年表現(xiàn)得尤為明顯。結(jié)果顯示，需要在提供環(huán)境流量和水力發(fā)電之間做出權(quán)衡。目前的灌溉方案未受影響，這是因?yàn)楣喔扔盟康陀诎⒖扑刹┐髩蜗滦沽髁?400~1 000 m3/s)的1%。每天(24 h)以6 m3/s的速率灌溉不會(huì)對(duì)水力發(fā)電造成影響。當(dāng)取水口低于大壩時(shí)，即使考慮將來的灌溉用水需求(預(yù)計(jì)95~110 m3/s)，也不會(huì)影響阿科松博的水電供應(yīng)。但是，科龐電站的發(fā)電量會(huì)受到影響，這是因?yàn)楣喔认到y(tǒng)的取水口位于其上游。

圖2　不同情景下阿科松博和科龐電站的發(fā)電量

圖3　2013年阿科松博和科龐電站在EMC A和EMC B下的水力發(fā)電量

為了滿足各種環(huán)境管理等級(jí)需要，應(yīng)在洪水季節(jié)使用大壩溢洪道，并在旱季關(guān)閉了部分水輪機(jī)。如前所述，阿科松博與科龐電站的裝機(jī)容量分別為1 020 MW和148 MW。以2013年為例，表1顯示了在不同環(huán)境管理等級(jí)下可運(yùn)行的裝機(jī)容量百分比。

表1　2013年日發(fā)電量

5結(jié)語

本文研究表明，改變沃爾特河下游兩座大壩的下泄流量，可能會(huì)減少發(fā)電量。當(dāng)前的模型設(shè)置中，并未考慮通過溢洪道泄洪的經(jīng)濟(jì)用途。需要對(duì)大壩發(fā)電量減少所帶來的經(jīng)濟(jì)損失與下游區(qū)域獲得的經(jīng)濟(jì)收益進(jìn)行對(duì)比之后，再確定大壩運(yùn)行方式是否改變。此外，還應(yīng)對(duì)溢洪道下泄的水量是否可以用于水力發(fā)電進(jìn)行研究。

目前，加納和西非均十分重視水電開發(fā)，特別是考慮到阿科松博和科龐電站在加納和區(qū)域電力供應(yīng)方面的重要性，減少發(fā)電不可行。為確保各方利益共享，應(yīng)研究其他解決方案，以供下游居民選擇，包括對(duì)阿克拉平原灌溉用地的開發(fā)，以及對(duì)科龐電站下游水資源的利用。

感謝：阿科松博電站再運(yùn)行和再優(yōu)化項(xiàng)目由非洲開發(fā)銀行非洲水利設(shè)施基金資助。

雷俊山譯

(編輯：李慧)

(譯者簡介：雷俊山，男，長江水資源保護(hù)科學(xué)研究所，高級(jí)工程師，主要從事水環(huán)境、水生態(tài)的保護(hù)研究工作。)

收稿日期：2015-11-20

中圖法分類號(hào)：F205

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-0081(2016)01-0022-03