水電在減緩和適應(yīng)氣候變化中的作用
Luis Bergaa,bInternational Commission on Large Dams, Paris 75116, France
a r t i c l e i n f o
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Received 31 March 2016
Revised form 22 June 2016
Accepted 8 July 2016
Available online 9 September 2016
可再生能源
水電是一種清潔、可再生,且對(duì)環(huán)境友好的能源。全球每年的水力發(fā)電量達(dá)到3930 TW·h,占全球總發(fā)電量的16 %,同時(shí)占可再生能源發(fā)電量的78 % (2015年)。水電和氣候變化具有雙重的關(guān)系。一方面,水電作為一種重要的可再生能源,對(duì)于避免溫室氣體排放和減緩全球變暖貢獻(xiàn)顯著;另一方面,氣候變化會(huì)改變河道流量,進(jìn)而影響水資源可用量和水力發(fā)電。水電對(duì)于減少溫室氣體排放和保障能源供應(yīng)至關(guān)重要。與常規(guī)燃煤電廠相比,水電每年可避免3×109t CO2的排放,占全球年CO2排放量的9 %。除了對(duì)電力行業(yè)的貢獻(xiàn),水電項(xiàng)目還可作為多功能水庫(kù)的融資工具,以及水資源應(yīng)對(duì)氣候變化影響的一項(xiàng)適應(yīng)性措施,這是因?yàn)樗畮?kù)的蓄水可作為氣候變化的緩沖器,有大水庫(kù)調(diào)節(jié)的流域更能適應(yīng)水資源變化,而不容易受到氣候變化的影響。從全球?qū)用鎭?lái)看,預(yù)期氣候變化對(duì)現(xiàn)有全球水力發(fā)電的整體影響較小,甚至可能產(chǎn)生一些積極影響。然而,世界不同地區(qū)甚至各個(gè)國(guó)家內(nèi)部可能存在巨大差異??傊?,對(duì)水電的解讀為:水電是一種廉價(jià)、成熟的技術(shù),對(duì)減緩氣候變化有重大貢獻(xiàn),且可以在水資源適應(yīng)氣候變化中發(fā)揮重要作用。有必要關(guān)注并減輕巨大的環(huán)境壓力和社會(huì)成本,預(yù)計(jì)未來(lái)幾十年內(nèi)可新增水電裝機(jī)容量1000 GW。
? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license
(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).
電力是人類生活和可持續(xù)發(fā)展必不可少的。夜幕降臨的地球上,燈火璀璨的區(qū)域便是富饒繁榮的地區(qū)。然而全球仍有20 %的人口生活在黑暗當(dāng)中(他們無(wú)法享受照明、冰箱、電腦、良好的教育或自來(lái)水)。有電力的地方即意味著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,而黑暗是阻礙可持續(xù)發(fā)展的主要問(wèn)題。目前,全球有12億人口用不上電,主要在亞洲和非洲地區(qū)(其中80 %的人口生活在農(nóng)村)[1]。電力和發(fā)展的社會(huì)經(jīng)濟(jì)分析主要基于若干重要電力指標(biāo)[年人均用電量、人均用電量及用電人口比例(AE %)]與宏觀社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[人均國(guó)民總收入(GNI)、人類發(fā)展指數(shù)(HDI)]之間的相關(guān)性。所有的社會(huì)經(jīng)濟(jì)分析均表明,發(fā)達(dá)國(guó)家(高收入和高人類發(fā)展指數(shù))用電人口的比例達(dá)到100 %,年人均用電量為8500 kW·h;發(fā)展中國(guó)家(低收入和低人類發(fā)展指數(shù))用電人口比例僅為25 %,年人均用電量不到500 kW·h。由此可見(jiàn),電力指標(biāo)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性[2]。
當(dāng)前,人類面臨實(shí)現(xiàn)2030年可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(SDG)的挑戰(zhàn):指導(dǎo)未來(lái)15年發(fā)展行動(dòng)的一項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃,由17個(gè)目標(biāo)、169個(gè)子目標(biāo)構(gòu)成,預(yù)估年投資額在3.3萬(wàn)億~4.5萬(wàn)億美元。其中目標(biāo)7為有關(guān)能源的挑戰(zhàn),其目的是實(shí)現(xiàn)人人都能獲得廉價(jià)、可靠及可持續(xù)的現(xiàn)代化能源。目標(biāo)7包括4個(gè)子目標(biāo),即到2030年,確保人人享有能源,提高可再生能源在全球能源結(jié)構(gòu)中的比例,提高能效,擴(kuò)建基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)升級(jí)以提供現(xiàn)代化的可持續(xù)能源[3–5]。
人類活動(dòng)導(dǎo)致的溫室氣體排放正改變著全球能源和氣候模式。主要的溫室氣體為CO2,占總排放量的76 %。這些排放導(dǎo)致CO2濃度從1750年的277 ppm上升到2014年的397 ppm,增長(zhǎng)43 %。2015年3月和12月,CO2峰值濃度有幾次超過(guò)400 ppm。從經(jīng)濟(jì)活動(dòng)來(lái)看,用于發(fā)電和供暖的煤炭、天然氣和石油的燃燒是最大的全球溫室氣體排放來(lái)源。
國(guó)際社會(huì)對(duì)全球溫室氣體排放和氣候變化的政策響應(yīng)始于1992年提出的《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》(UNFCCC),其為穩(wěn)定大氣溫室氣體濃度、避免氣候系統(tǒng)受到危險(xiǎn)的人為干擾提供了法律框架。在多次年會(huì)后,UNFCCC第21次締約方會(huì)議(COP 21)于2015年11月29日至12月31日在法國(guó)巴黎召開(kāi)。此次巴黎氣候變化大會(huì)是一場(chǎng)全球領(lǐng)導(dǎo)人盛會(huì),150多個(gè)國(guó)家元首和政府首腦出席會(huì)議,表達(dá)通過(guò)全球氣候變化新協(xié)議的政治意愿。此次會(huì)議匯聚了36 000多位參與者,包括近23 100位政府官員,9400位聯(lián)合國(guó)機(jī)構(gòu)、政府間組織和公民社會(huì)組織的代表及3700位媒體代表。
在巴黎氣候變化大會(huì)上,各方同意確保全球平均氣溫升幅不超過(guò)工業(yè)化前2℃,并繼續(xù)努力,爭(zhēng)取把溫度升幅限定在1.5℃之內(nèi),以大幅減少氣候變化的風(fēng)險(xiǎn)和影響。各方應(yīng)編制、溝通和連續(xù)保持《國(guó)家自主貢獻(xiàn)預(yù)案》(INDCs)。各國(guó)必須自愿保證,而非強(qiáng)制性地逐步減排溫室氣體。這是世界各國(guó)減緩氣候變化的首份全球協(xié)議,也是減緩氣候變化的關(guān)鍵第一步[6]。然而,全球大多數(shù)國(guó)家日前提交的《國(guó)家自主貢獻(xiàn)預(yù)案》僅生效到2030年,屆時(shí)的氣溫升幅或達(dá)3~3.5℃,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于承諾的2℃升幅及CO2濃度450 ppm,為此,有必要提出2030年以后的減排承諾及減排行動(dòng) [7]。
UNFCCC目前正力求達(dá)成全球溫室氣體減排協(xié)議。此外,各方就電力減排的重要方面達(dá)成了普遍共識(shí),如可再生能源的重大發(fā)展:太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮芎蜕锬?綠色電力)、水電(藍(lán)色電力),提高供電和配電效率,煤改氣,核電,熱電聯(lián)產(chǎn),CO2捕獲的先期應(yīng)用。與此同時(shí),第21次締約方會(huì)議上通過(guò)的《巴黎協(xié)定》承認(rèn),有必要通過(guò)加強(qiáng)推廣可再生能源,促進(jìn)其在發(fā)展中國(guó)家,尤其是非洲國(guó)家的廣泛應(yīng)用。
水電是一種清潔且對(duì)環(huán)境友好的可再生能源。全球年平均水力發(fā)電量達(dá)到3930 TW·h,占全球總發(fā)電量的16 %,占可再生能源發(fā)電量的78 %(2015年)。圖1中,水電容量為1100 GW(主要在亞洲和拉丁美洲),過(guò)去五年水電的復(fù)合年增長(zhǎng)率約為3.5 %, 約有160 GW的在建水電項(xiàng)目及1000 MW的規(guī)劃水電項(xiàng)目。
目前,全球約有1200座在建大壩,其中347座為高達(dá)60 m以上的大壩,分布在49個(gè)國(guó)家,主要在亞洲。在這些大壩中,有202座大壩(58 %)主要用于水力發(fā)電,而50 %以上的大壩為多目標(biāo)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目[8]。
水電在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到廣泛的開(kāi)發(fā),技術(shù)可行的水電資源的開(kāi)發(fā)程度超過(guò)50 %。新興經(jīng)濟(jì)體開(kāi)發(fā)了20 %~30 %的水電資源,但發(fā)展中國(guó)家仍有很大的水電資源待開(kāi)發(fā)。如圖2所示,非洲是一個(gè)極端情況,具有經(jīng)濟(jì)可行性的水電資源開(kāi)發(fā)程度僅為8 %。整體而言,發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)了大部分的水電資源,而新興國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家仍有很長(zhǎng)的路要走[1]。
水電和氣候變化具備雙重關(guān)系。一方面,水電作為一種重要的可再生能源,有助于避免溫室氣體排放及減緩全球變暖;另一方面,氣候變化可能改變河道流量,進(jìn)而影響水的可利用量、規(guī)律性及水力發(fā)電[9]。
圖1.2015年主要發(fā)電來(lái)源 (以百分比表示)。
3.1. 水電能源在減緩氣候變化中的作用
水電等可再生能源技術(shù)有助于顯著減少溫室氣體排放,保障能源供應(yīng)安全。與常規(guī)燃煤電廠相比,水電每年可減排3×109t CO2,占全球年CO2排放量的9 %。總之,水電是一種產(chǎn)生較少溫室氣體排放的能源。根據(jù)世界能源理事會(huì)(WEC)的數(shù)據(jù),徑流式和水庫(kù)式水力發(fā)電每百萬(wàn)度電,分別產(chǎn)生3~4 t和10~33 t的CO2排放量,比傳統(tǒng)火力發(fā)電的CO2排放量少近100倍[10]。 如圖3所示,政府間氣候變化委員會(huì)(IPCC)2011年發(fā)布的可再生能源特別報(bào)告表明,大多數(shù)水電站生命周期內(nèi)的溫室氣體排放量為4~14 g CO2eq·(kW·h)–1。然而,在某些情景下,水電站的溫室氣體排放量明顯高,但依然顯著低于火力發(fā)電的排放量 [11]。在過(guò)去的十年間,人們對(duì)水庫(kù)溫室氣體排放的方法和可靠性一直存有爭(zhēng)議。對(duì)水庫(kù)溫室氣體排放的長(zhǎng)期科學(xué)爭(zhēng)論,一些事件的不確定性及夸張的描述不利于水電的發(fā)展,例如, 2000年的研究估計(jì)水庫(kù)溫室氣體排放占全球總排放量的7 %。為了傳播最新的研究進(jìn)展,世界銀行2013年4月發(fā)布了《生化過(guò)程引起水庫(kù)溫室氣體排放的階段性技術(shù)文件》。發(fā)布這一技術(shù)文件的主要目的是:澄清對(duì)水庫(kù)溫室氣體排放的混亂認(rèn)識(shí);提供在環(huán)評(píng)過(guò)程中研究水庫(kù)溫室氣體排放的具體導(dǎo)則。這一階段性技術(shù)文件得出的主要結(jié)論是:水庫(kù)排放大量溫室氣體的觀點(diǎn)主要源于在條件十分惡劣的場(chǎng)址開(kāi)展的早期研究;絕大多數(shù)水庫(kù)的溫室氣體排放相對(duì)較少[12]。
圖2.待開(kāi)發(fā)的具有技術(shù)可行性的水電潛能(%)。
圖3.再生資源與不可再生資源發(fā)電技術(shù)的生命周期溫室氣體排放情況 [11]。
水電是最廉價(jià)的可再生能源,因此在當(dāng)前能源市場(chǎng)中往往更具價(jià)格優(yōu)勢(shì)。水電一般需要相對(duì)較高的初期投資,但擁有較長(zhǎng)的使用周期,且運(yùn)維成本較低。水電項(xiàng)目發(fā)電成本差異很大,在良好條件下,可能低至3~5美分·(kW·h)–1(2005年)[11]。水電的另一優(yōu)勢(shì)是,在所有已知能源中,水電的能源轉(zhuǎn)換率最高(約為90 %)。與此同時(shí),水電項(xiàng)目的可靠性和靈活性較高,且其規(guī)模種類較多,這使得水電既能滿足大規(guī)模集中的城市和工業(yè)需求,也能滿足分散化的農(nóng)村需求。
在過(guò)去的十年間,水電、風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電得到快速發(fā)展,可再生能源增長(zhǎng)迅猛。2004—2013年共新增760 GW可再生能源,其中水電、風(fēng)電和太陽(yáng)能光伏分別占37.5 %、35.5 %和18 %,如圖4所示[13]。另一方面,水電為其他可再生能源提供了及時(shí)的協(xié)同作用。在未來(lái)電力結(jié)構(gòu)下,應(yīng)綜合規(guī)劃水電、風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電。水電與風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電顯示出重要的協(xié)同效益,因?yàn)轱L(fēng)能和太陽(yáng)能是間歇性能源,具有很大的波動(dòng)性,而水電能夠平衡這種波動(dòng)性,并提供峰值負(fù)荷。此外,水電是目前唯一通過(guò)抽水蓄能電站有效存儲(chǔ)能源的系統(tǒng),而全球97.5 % 能源存儲(chǔ)在電力網(wǎng)絡(luò)中 [14]。
圖4.新增可再生能源的發(fā)電容量(2004—2013年) [13]。
3.2. 水電蓄水在適應(yīng)氣候變化中發(fā)揮的作用
氣候變化將導(dǎo)致全球變暖、海平面上升、積雪消融。氣候變化引起的全球增溫與水文循環(huán)相互作用,進(jìn)而導(dǎo)致降水、蒸發(fā)、土壤濕度變化、冰川和冰蓋融化及河流流量變化,對(duì)水資源和供水、洪水和干旱及水力發(fā)電產(chǎn)生影響。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告對(duì)水資源變化的預(yù)測(cè)結(jié)果表明,高緯度地區(qū)、非洲東部熱帶地區(qū)及東南亞的水資源將增加,而許多半干旱和干旱地區(qū)(如地中海盆地、美國(guó)西部、非洲南部、巴西東北部)的水資源將減少,歐洲南部的徑流量將顯著減少[15]。預(yù)測(cè)表明,氣候變化對(duì)水資源的影響可能呈現(xiàn)時(shí)間不規(guī)律和地域分布不均勻的情況,冰川和積雪融水補(bǔ)給的河流的徑流量將出現(xiàn)季節(jié)性變化。于是,水資源可利用量減少,可能會(huì)導(dǎo)致全球缺水國(guó)家面臨重大水資源短缺問(wèn)題。在這種情況下,有必要注意到,從蓄水(大壩和水庫(kù))和水資源可利用量來(lái)看,對(duì)調(diào)控流域水資源開(kāi)展的氣候變化敏感性分析表明,擁有大調(diào)控庫(kù)容的流域更能適應(yīng)水資源變化,較少受到氣候變化的影響,蓄水有助于減緩氣候變化影響[3]。在氣候變化及世界不斷變化的背景下,需要負(fù)責(zé)任地發(fā)展,增加蓄水能力是非常必要的。在適應(yīng)氣候變化方面的投資應(yīng)包括增加蓄水量[4]。面臨的挑戰(zhàn)之一是,促進(jìn)修建多功能大壩,更好地規(guī)劃綜合水利工程。在水資源綜合管理的框架下,水力發(fā)電的蓄水可確保灌溉、飲用水、防洪和通航用水。多功能大壩的蓄水有助于確保水資源適應(yīng)氣候變化。此外,除了對(duì)電力部門(mén)的貢獻(xiàn),多功能水電項(xiàng)目還可作為多功能水庫(kù)的融資工具[11, 16]。
3.3. 氣候變化對(duì)水力發(fā)電的影響
氣候變化可能導(dǎo)致河流流量變化,進(jìn)而影響水力發(fā)電。一般而言,氣候變化對(duì)水力發(fā)電的影響變化差別很大,并隨地域而異,取決于流態(tài)變化及冰川和積雪融化的影響。以歐洲為例,到2070年,預(yù)計(jì)整個(gè)歐洲的水電資源將下降6 %,北歐和東歐的水電資源將增長(zhǎng)15 %~30 %,歐洲西部和中部將保持穩(wěn)定,而地中海地區(qū)的水電資源將下降20 %~50 % [17]。根據(jù)IPCC可再生能源特別報(bào)告,從全球?qū)用鎭?lái)看,氣候變化對(duì)現(xiàn)有全球水力發(fā)電的整體影響可能較小,甚至可能產(chǎn)生一些積極影響。然而,相關(guān)結(jié)果也表明,世界不同地區(qū)甚至各國(guó)內(nèi)部可能存在很大差異,如表1所示[11]。
然而有必要指出的是,這些預(yù)測(cè)存在很大的不確定性。社會(huì)經(jīng)濟(jì)情景、模型預(yù)測(cè)等級(jí)的不確定性表明,對(duì)一些地區(qū)的預(yù)測(cè)存在明顯的矛盾。未來(lái)水文狀況的不確定性,對(duì)水資源和水電管理人員對(duì)氣候變化的認(rèn)識(shí)是一個(gè)挑戰(zhàn)。盡管這些預(yù)測(cè)無(wú)法為決策者提供未來(lái)變化的準(zhǔn)確信息,但可以提供十分有用的信息,供初期評(píng)估使用。未來(lái)應(yīng)密切監(jiān)測(cè)和分析水力發(fā)電數(shù)據(jù)、趨勢(shì)和預(yù)測(cè),并依據(jù)充分的信息實(shí)施適應(yīng)性管理[1]。
21世紀(jì)以來(lái),水力發(fā)電的演化呈現(xiàn)出一種增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),如圖5所示[18]。
與此同時(shí),預(yù)測(cè)未來(lái)幾十年內(nèi),水電仍將呈顯著發(fā)展趨勢(shì)。預(yù)測(cè)結(jié)果表明,到2030年,全球102個(gè)國(guó)家共有3700個(gè)裝機(jī)容量達(dá)1 MW以上的水電項(xiàng)目,包括629個(gè)在建項(xiàng)目(17 %)及3071個(gè)規(guī)劃項(xiàng)目(83 %)。這些項(xiàng)目主要位于發(fā)展中國(guó)家和新興經(jīng)濟(jì)體,包括亞洲、南美洲、歐洲(巴爾干半島、安納托利亞和高加索地區(qū))和非洲(見(jiàn)圖6),預(yù)估投資額將達(dá)到2萬(wàn)億美元[19]。
這些水電項(xiàng)目的總裝機(jī)容量將達(dá)到700 GW,其中76 %以上的水電項(xiàng)目為中小型水電項(xiàng)目(1~100 MW),但812個(gè)大型水電項(xiàng)目(>100 MW)的裝機(jī)容量占比達(dá)到92 %,如圖7所示。
表1.005年發(fā)電量及2050年預(yù)估氣候變化(TW·h·a–1,SRES A1B[11])
水電發(fā)展在未來(lái)的氣候變化減緩中扮演著重要的角色。國(guó)際能源署(IEA)提出的峰值排放量450 ppm (最大增溫為2 ℃)是被普遍認(rèn)可的,在這一條件下,2030年的水電裝機(jī)容量將增長(zhǎng)70 %,2050年的水電裝機(jī)容量將翻一番[20]。近期,國(guó)際可再生能源署(IRENA)的2030年可再生能源發(fā)展路線圖[符合聯(lián)合國(guó)秘書(shū)長(zhǎng)發(fā)起的“人人享有可持續(xù)能源(SE4ALL)”倡議]提出,將全球可再生能源的占比翻一番,實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要總水電裝機(jī)容量達(dá)到2200 GW,這表示需要在IEA預(yù)測(cè)結(jié)果基礎(chǔ)上,新增500 GW的水電裝機(jī)容量[21]。
水電是一種清潔可再生,且對(duì)環(huán)境友好的能源。全球年水力發(fā)電量占全球總發(fā)電量的16 %,占可再生能源發(fā)電量的78 %(2015年)。水電有助于顯著減少溫室氣體排放、確保能源供應(yīng)安全。與常規(guī)燃煤電廠相比,水電每年減排3×109t 的CO2排放,占全球CO2排放量的9 %。因此,水電是一種產(chǎn)生較少溫室氣體排放的能源。
圖5.1980年以來(lái)全球水力發(fā)電量的演化 [18]。
圖6. 2030年在建、規(guī)劃水電站位置圖 [19]。
圖7.未來(lái)水電站數(shù)量及裝機(jī)容量分布。
水電的其他優(yōu)勢(shì)包括:是最廉價(jià)的可再生能源,因此在當(dāng)前能源市場(chǎng)中往往更具價(jià)格優(yōu)勢(shì)。水電一般需要相對(duì)較高的初期投資,但其擁有較長(zhǎng)的使用周期,且運(yùn)行和維護(hù)成本較低。在所有已知能源中,水電的能源轉(zhuǎn)換率最高(約為90 %)。與此同時(shí),水電項(xiàng)目的可靠性、靈活性較高,且其規(guī)模種類較多,這使得水電既能滿足大規(guī)模集中城市和工業(yè)的需求,也能滿足分散化的農(nóng)村需求。
水電、風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電將產(chǎn)生重要的協(xié)同效益,因?yàn)轱L(fēng)能和太陽(yáng)能是間歇性能源,具有很大的波動(dòng)性,而水電能夠平衡這種波動(dòng)性,并提供峰值負(fù)荷。此外,水電是目前唯一通過(guò)抽水蓄能電站有效存儲(chǔ)能源的系統(tǒng),而全球97.5 %的能源儲(chǔ)存在電力網(wǎng)中。
21世紀(jì)初以來(lái),水力發(fā)電呈現(xiàn)出一種增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。與此同時(shí),預(yù)測(cè)未來(lái)幾十年內(nèi),水電將繼續(xù)呈現(xiàn)巨大發(fā)展,尤其是在發(fā)展中國(guó)家和新興經(jīng)濟(jì)體。水電發(fā)展在未來(lái)的氣候變化中將扮演重要的角色。最新的國(guó)際可再生能源署2030年可再生能源發(fā)展路線圖報(bào)告提出將全球可再生能源比例翻一番的目標(biāo),實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),全球的水電裝機(jī)容量需要達(dá)到2200 GW。
總之,水電作為一種廉價(jià)、成熟的技術(shù),將有助于顯著減緩氣候變暖,且可以在氣候變化適應(yīng)水資源可用性中發(fā)揮重要作用。然而,有必要關(guān)注并減輕巨大的環(huán)境和社會(huì)成本。在未來(lái)幾十年內(nèi),預(yù)計(jì)可能新增1000 GW的水電裝機(jī)容量。
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2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.
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英文原文: Engineering 2016, 2(3): 313—318
Luis Berga. The Role of Hydropower in Climate Change Mitigation and Adaptation: A Review. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.03.004
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