周麗娜，趙建達，劉東東，孫見波

(1. 水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；2. 杭州亞太水電設備成套技術有限公司，浙江 杭州 310012；3. 水利部農(nóng)村水電工程技術研究中心，浙江 杭州 310012)

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基于發(fā)達國家新興水電技術論農(nóng)村水電轉(zhuǎn)型升級

周麗娜1,3，趙建達1,3，劉東東2,3，孫見波2,3

(1. 水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；2. 杭州亞太水電設備成套技術有限公司，浙江 杭州 310012；3. 水利部農(nóng)村水電工程技術研究中心，浙江 杭州 310012)

分析了我國發(fā)展小水電對局部生態(tài)環(huán)境造成的影響，介紹了歐盟、美國、加拿大等發(fā)達國家在超低水頭、微小水電和仿生態(tài)魚道方面的新興水電技術。借鑒發(fā)達國家的新興水電技術和發(fā)展環(huán)境友好小水電的經(jīng)驗，結合我國小水電的特點，從中小河流水能規(guī)劃、小水電技術革新、生態(tài)水電示范區(qū)建設、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)建立、水電站標準化管理及生態(tài)修復和轉(zhuǎn)型升級的法制保障等6個方面提出農(nóng)村水電生態(tài)修復和轉(zhuǎn)型升級的建議。圖2幅，表1個。

發(fā)達國家；超低水頭；微小水電；生態(tài)修復；轉(zhuǎn)型升級

0 引 言

小水電是綠色、低碳、可再生能源，全球小水電潛力巨大，可在促進經(jīng)濟效益和保護環(huán)境的基礎上進行開發(fā)。近年來，隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮娜找嬖鲩L、全球氣候變化加劇和人們對生態(tài)環(huán)境重視程度的提高，保障生態(tài)環(huán)境安全、支撐社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，已成為發(fā)達國家關注的重點。而目前水力發(fā)電行業(yè)仍有大量極具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d水電技術可以提高小水電發(fā)展的生態(tài)環(huán)境效益，如小水電、微小水電、低水頭水電、超低水頭水電、魚類友好型水輪機技術和水流技術等[1]；國際能源署將這些研發(fā)主題已列為小水電領域需要高度優(yōu)先發(fā)展的技術內(nèi)容。

本文從我國小水電對生態(tài)環(huán)境的影響進行分析，對發(fā)達國家發(fā)展小水電與環(huán)境生態(tài)保護協(xié)調(diào)的新興技術進行了介紹，旨在為我國借鑒，著力從中小河流水能規(guī)劃、技術創(chuàng)新、生態(tài)修復、監(jiān)測系統(tǒng)、標準化管理、法制保障等方面探討加快小水電生態(tài)修復和轉(zhuǎn)型升級的有效措施。

1 小水電發(fā)展存在的生態(tài)環(huán)境問題

近年來，社會公眾十分關注小水電對生態(tài)環(huán)境的影響，主要涉及開發(fā)程度、河段減脫水、魚類保護、水土保持、地質(zhì)災害防治等。值得注意的是，我國早期開發(fā)建設的一些小水電站由于受到當時資金、技術水平的制約，水資源利用和電站運行效率不高，甚至有的引水式電站開發(fā)時還沒有所在河流的水電開發(fā)規(guī)劃，設計也不科學。小水電對生態(tài)環(huán)境的主要影響(見表1)。

表1 小水電對生態(tài)環(huán)境影響分析[3_8]

續(xù)表1 小水電對生態(tài)環(huán)境影響分析[3_8]

2 發(fā)達國家新興小水電技術的研究應用

歐盟、美國、加拿大是世界上經(jīng)濟、科技發(fā)達國家，其水力發(fā)電領域的專業(yè)能力和技術研發(fā)水平均處于國際領先地位，享有很高的聲譽。特別在低水頭、超低水頭、微小水電技術等方面，包括德國、奧地利、瑞士和挪威等國都取得了很大的進步，出現(xiàn)了形式豐富的各種設計和產(chǎn)品，并逐漸拓展應用到一些現(xiàn)有的水利設施中。例如，農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)(灌溉水庫和灌溉水渠)、航運系統(tǒng)(運河、航道、水堰、廢棄的船閘、導航壩)、城市供排水系統(tǒng)(自來水廠的水源進水塔和引水流道、城市供排水管網(wǎng)和污水處理廠的排水系統(tǒng))，等等。雖說小水電發(fā)電效益不大，但卻是節(jié)能減排和挖潛增效的有效方式之一，發(fā)達國家在超低水頭水電技術、保護魚類水輪機研發(fā)、微小水電及低水頭水工建筑物仿自然魚道等新興水電技術方面的研究，對我國小水電發(fā)展面臨的生態(tài)問題、可持續(xù)發(fā)展均有積極的啟示意義[9]。

2.1 現(xiàn)有水工建筑物的超低水頭水輪機應用

對于低水頭的開發(fā)，盡管有多種技術，但由于土木結構成本高、對環(huán)境影響大以及效率低，大部分是不經(jīng)濟的。超低水頭(Very Low Head，簡稱“VLH”)水輪機于2004年誕生在法國，是一種轉(zhuǎn)輪直徑為3.5～5.6 m、發(fā)電機輸出功率范圍為100～500 kW的新型水輪機技術，適用于1.4～4.2 m的水頭、10～30 m3/s的流量范圍。在該范圍內(nèi)，VLH水輪機的開發(fā)能夠集成到或毗鄰到現(xiàn)有的、上下游水位差(即超低水頭)的分水堰、船閘、落差建筑物、小型水壩和溢洪道等水工建筑物[10]。這些水工建筑物通常分布在河流、湖泊和運河中，用于水位控制、防洪或?qū)Я?，但通常沒有水電設施或水電安裝規(guī)定。在加拿大有大量這種水工建筑物，僅北美地區(qū)估計現(xiàn)有80 000座水工建筑物均可用于低水頭水電開發(fā)。相較于傳統(tǒng)的應用方法，直接將水輪機集成到現(xiàn)有的水工結構可以大大減少土建成本，顯著降低環(huán)境影響，還可以減少水工建筑物的審批、設計和建造工作[11]。

VLH水輪機設計和實施過程中，減少對環(huán)境影響成為主要驅(qū)動因素之一，VLH水輪機尤其適合魚類繁多的低水頭電站河流。與傳統(tǒng)的水輪機相比，VLH水輪機有其特殊的水力設計特點以保證魚類安全(見圖1)，大直徑轉(zhuǎn)子可以降低水輪機入口速度，以及緩慢的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速(約35 r/min)，非常有利于下游的魚類通過[11]。早期的過魚試驗結果表明，平均存活率超過94%，遠高于常規(guī)低水頭水輪機結果，這證實了VLH水輪機對魚的影響較小。在大量測試結果基礎上，有些地區(qū)的VLH改進設計得到驗證，最終目標是將魚類存活率提高到97%以上?；谒啓C水力性能以及卓有成效的魚類生存研究結果，VLH現(xiàn)已被法國環(huán)保機構確定為魚類友好型水輪機。

圖1 超低水頭水輪機(VLH)示意(MJ2 2011，CPL 2013)

圖2 管道式水輪發(fā)電機組構造示意

2.2 微小水電技術

隨著歐美，特別是北美對清潔能源的重視，微小水電技術得到不斷創(chuàng)新，出現(xiàn)了不少新型的水力發(fā)電技術。LucidPipe 是 Lucid Energy公司研發(fā)的一種新型管道式水輪機發(fā)電機系統(tǒng)(見圖2)，是水到電纜終端的一體化解決方案，水輪機的創(chuàng)新設計減少了對流水造成的擾動和對魚類的傷害。2010—2011年，加利福尼亞河濱郡西部城市水源區(qū)供水管道串聯(lián)式安裝了3臺該機組，河濱公共事業(yè)公司為此獲得杰出能源管理獎。2012年該技術得到商業(yè)化應用推廣。

該水輪發(fā)電機組安裝于壓力管道，回收大型水管內(nèi)未利用的壓力水頭能量，不影響原有系統(tǒng)的正常運行。LucidPipe水輪機設計采用基于升力的獨特流體動力學原理，水流驅(qū)動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電力。水輪機可根據(jù)設計和現(xiàn)場調(diào)試在最大程度保證發(fā)電的同時不對水流造成擾亂。隨著水流速度增加，機組產(chǎn)生的電力也相應增加。LucidPipe基于升力的動力學設計，還使得系統(tǒng)能夠在較寬的流速范圍內(nèi)發(fā)電。Lucid Energy對水輪機進行了優(yōu)化設計和實驗室測試，以最大限度地提高效率和發(fā)電的同時限制氣蝕的發(fā)生，延長機組的使用壽命，降低維護成本。

2.3 低水頭堰壩仿生態(tài)魚道

魚道是人工修建的供魚類等生物通過水閘、大壩等障礙物的人工水槽或水道，一般適應于低水頭水利樞紐。原始的魚道是開鑿河道中的礁石、急灘等天然障礙以溝通魚類的洄游路線，直到100年前才有了近代魚道的設計[12]。其類型包括丹尼爾式、溢流堰式、淹沒孔口式、豎縫式、組合式、特殊結構式、仿自然式。近年來，在低水頭水利工程的過魚設施建設中，仿自然魚道由于與天然河道較為相似和有較廣的過魚對象等優(yōu)點，越來越被重視，成為低水頭水利工程過魚設施的發(fā)展方向之一。芬蘭修建的150余座過魚設施中就有83%是采用仿生態(tài)魚道形式，相當一部分收到了良好的過魚效果。而韓國也計劃在4條主要河流上建設33條仿生態(tài)魚道，著名的巴西Itaipu魚道及德國Harkortsee水電站魚道，均為仿生態(tài)魚道典型案例[13]。

3 農(nóng)村水電生態(tài)修復和轉(zhuǎn)型升級

3.1 完善中小河流水能規(guī)劃

20世紀末到本世紀初是我國小水電快速發(fā)展階段，“圈河運動”和部分中小河流無序開發(fā)對小水電開發(fā)造成的誤解，特別是對小水電截斷河流的生態(tài)偏見，至今還無法消除影響。當前中小河流水能資源開發(fā)規(guī)劃應更加重視對已建電站的優(yōu)化調(diào)整，以服務于農(nóng)村水能資源管理為著力點，為農(nóng)村水電生態(tài)修復和轉(zhuǎn)型升級提供科學依據(jù)和法律保障。中小水能資源開發(fā)規(guī)劃應貫徹合理開發(fā)水能資源的理念，堅持和諧相處、保護生態(tài)，根據(jù)流域特點，科學論證、合理確定開發(fā)方式，保障下游河道生態(tài)用水，維護河流健康生命[14]。

3.2 促進小水電技術革新

我國是“小水電大國”，但遠不是“小水電強國”，特別在小水電新興技術研究方面。而發(fā)達國家在小水電新技術、新材料、新設備的研究與應用上已經(jīng)遠遠走在我們的前面。例如，加拿大低水頭、超低水頭、微小水電等方面的研發(fā)應用，挪威已經(jīng)擁有比較成熟的氣墊式調(diào)壓室技術以保護電站周圍植被；日本使用膠凝礫石技術筑壩以追求施工零棄料；GE水電公司“無油潤滑的轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪”以減少小水電機組油污染等。比較而言，如何促進我國小水電技術革新已刻不容緩[15]。

3.3 擴大開展生態(tài)示范區(qū)建設

開展生態(tài)水電示范區(qū)建設是解決農(nóng)村水電在發(fā)展過程中積累和遺留下來的生態(tài)環(huán)境問題、實現(xiàn)生態(tài)修復的對策之一。生態(tài)水電示范區(qū)建設根據(jù)農(nóng)村水電發(fā)展實際，圍繞農(nóng)村水電生態(tài)修復和轉(zhuǎn)型升級的戰(zhàn)略目標進行開展，即以維護和改善河流生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化水能資源配置和科學利用水能資源為目標，開展以流域、區(qū)域為對象的水電生態(tài)修復綜合治理[16]。通過技術改造包括新建或改建生態(tài)流量泄放閘孔、新建生態(tài)堰壩、增設生態(tài)機組等工程措施和非工程措施，解決或緩解因水電站造成河道脫水、減水等流域性環(huán)境問題。2015年以來，浙江省分別在臨安、安吉、開化等縣市建設了生態(tài)水電示范區(qū)試點，總結了一定經(jīng)驗，取得了良好效果。

3.4 加強生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的建立

小水電生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的建立是小水電生態(tài)修復和轉(zhuǎn)型升級的前提，也是保障生態(tài)流量下泄有效措施之一。根據(jù)小水電對生態(tài)與環(huán)境影響特點，對新建電站興建前后庫區(qū)壩體下游相關地區(qū)的生態(tài)與環(huán)境實行全過程系統(tǒng)地跟蹤監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)問題并提出減免不利影響的措施、保護庫區(qū)和下游相關地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量、保障生態(tài)流量、保證水資源的持續(xù)利用；對已建電站增設小水電生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對有可能影響生態(tài)環(huán)境的重要因素進行定期與不定期的監(jiān)測，并對檢測結果進行系統(tǒng)分析，提出相應的生態(tài)環(huán)境問題的對策與措施，使水電工程有利于地方經(jīng)濟與社會發(fā)展[15]。

3.5 全面推進水電站標準化管理

水電站安全管理標準化是農(nóng)村水電生態(tài)修復和轉(zhuǎn)型升級的基本保障，是落實運行管理單位安全責任、強化安全生產(chǎn)基礎、防范事故發(fā)生的重要手段。通過實施電站標準化管理，進一步明確業(yè)主責任，時刻緊繃安全生產(chǎn)這根弦，嚴格執(zhí)行水電站管理標準和制度；進一步明確行業(yè)主管部門責任，加強對水電站標準化管理的檢查和指導，及時糾正不嚴格按標準管理的行為，并依據(jù)相關法律法規(guī)，嚴肅處理相關責任人員。

3.6 農(nóng)村水電生態(tài)修復和轉(zhuǎn)型升級的法制保障

1)積極推進綠色小水電的評價

借鑒瑞士的綠色水電認證[17]、美國的低影響水電認證制度[18]及國際水電協(xié)會的水電可持續(xù)性評估)[19]，我國已開始編制適合我國國情的《綠色小水電評價標準》，綜合考慮了環(huán)境、社會、管理和經(jīng)濟4個方面的評價內(nèi)容。目前生態(tài)綠色小水電的工作剛剛起步，下一步還需國家在政策激勵、監(jiān)管、基礎信息和能力建設等方面給予支持和配合，方可推動該項標準的實施。

2)探索生態(tài)修復和老舊水電站退出機制

按照流域規(guī)劃要求，對環(huán)境影響明顯、安全隱患突出、無法通過改造等手段解決的水電站，可采取逐步淘汰拆除報廢的方式，使水電站有序退出。有條件的地方，可建立政府回購制度，對關停水電站給予合理補償[20]。用生態(tài)電價機制推動河流生態(tài)修復、落實生態(tài)流量，是創(chuàng)造性落實農(nóng)村水電轉(zhuǎn)型升級的新機制。

3)嚴格落實水電站生態(tài)流量制度

落實生態(tài)流量，調(diào)節(jié)河道徑流，是維護河流健康生命的有效措施。對一些引水式、特別是跨流域引水的水電站，原來未明確生態(tài)流量的，要重新進行水資源論證，通過技術改造，增設生態(tài)流量下泄設施，滿足下游河道生態(tài)流量的需求，保持一定的下泄流量。按照不同流域、河流的特征，確定水電站的最小下泄流量及調(diào)控原則，并安裝生態(tài)流量監(jiān)控設施進行動態(tài)管理[20]。

4)推出明確有效的激勵措施

小水電的生態(tài)修復和轉(zhuǎn)型升級能否順利實施，相關激勵措施是關鍵。無論是生態(tài)水電示范區(qū)的建立，綠色小水電認證制度的推行，還是農(nóng)村水電安全標準化的創(chuàng)建，均需要提供有效的激勵措施來支持和實現(xiàn)小水電與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的這一終極目標?，F(xiàn)階段各項工作剛起步，建議采取中央、地方補貼等激勵措施，加大輿論宣傳。下一階段可爭取稅收優(yōu)惠和電價補償來推進農(nóng)村水電的轉(zhuǎn)型升級。

5)生態(tài)電價實踐案例

福建省在永春和長汀縣探索建立農(nóng)村水電生態(tài)修復和老舊水電站退出機制。永春縣卿園、五一水庫一級、二級及長汀溪源水庫電站等4座水電站上網(wǎng)電價每千瓦時提高5分作為生態(tài)電價，這4座電站為河流生態(tài)，由發(fā)電運行轉(zhuǎn)為生態(tài)運行，減少了發(fā)電量，通過提高其上網(wǎng)電價，補償電站因運行方式調(diào)整而減少的發(fā)電量損失。長汀縣以汀江河上游以及涂坊河流域13座電站為試點對象，按照“限制運行、技術改造、轉(zhuǎn)變運行方式、退出運行”等4種方式進行試點工作并成功通過驗收。

4 結 論

一些發(fā)達國家發(fā)展小水電的經(jīng)驗告訴我們，發(fā)展小型和微型水電與環(huán)境保護和生態(tài)建設并不矛盾，應科學全面地認識小水電的經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益。我們發(fā)展小水電出現(xiàn)的一些生態(tài)環(huán)境與小水電發(fā)展不和諧的現(xiàn)象，足以令我們思考。需要借鑒先進發(fā)達國家的成功經(jīng)驗，更科學和合理開發(fā)規(guī)劃小水電資源，積極發(fā)展低水頭和超低水頭水力發(fā)電的產(chǎn)品技術。同時，應堅持生態(tài)至上的發(fā)展理念，適應廣大群眾對良好水環(huán)境、水景觀的合理需求和殷切期盼，按照不同區(qū)域、流域特征和水電站特點，圍繞改善水電站與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，加快農(nóng)村水電轉(zhuǎn)型升級，持續(xù)提升農(nóng)村水電生態(tài)效益，促進河流水生態(tài)文明建設[20]。

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責任編輯 吳 昊

2016-10-21

水利部公益性行業(yè)科研專項資助項目(Y915012)，南京水利科學研究院青年基金資助項目。

周麗娜(1984-)，女，工程師，主要從事農(nóng)村水電可持續(xù)發(fā)展研究工作。E_mail：lnzhou@hrcshp.org