肖復(fù)晉，陸 穎,2，袁 旭，蔣 麗，梁斯琦，蔣永健

(1.云南大學(xué)國際河流與生態(tài)安全研究院，昆明 650500；2.云南省國際河流與跨境生態(tài)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650091)

人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展使全球水資源需求以每年1%的速度增加[1]。我國能源消耗巨大，傳統(tǒng)能源儲備量日趨減少[2]。水電能源開發(fā)是我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型不可忽視的部分。目前，我國水電裝機(jī)增長迅速，截至2016年，全國水電總裝機(jī)容量3.32 億kW，水電裝機(jī)占全國發(fā)電總裝機(jī)容量的20.1%；水電發(fā)電量1.18×1012kWh，占全國發(fā)電量的19.7%[3]。這引發(fā)了關(guān)于水電開發(fā)生態(tài)環(huán)境影響的相關(guān)討論，討論大多關(guān)注于天然河流的湖-庫化、水生生物生境破碎、水庫淹沒、水體富營養(yǎng)化等方面[4,5]，水電建設(shè)產(chǎn)生水資源消耗問題鮮有關(guān)注。擋水建筑修建后擴(kuò)大的水面面積增加了水面蒸發(fā)量，導(dǎo)致水資源消耗。20世紀(jì)80年代，以瑞士、美國為代表的國家先后進(jìn)行了“綠色水電”開發(fā)的認(rèn)證工作以評估水電站建設(shè)和運(yùn)行對環(huán)境的影響[6,7]，評估大多關(guān)于河流水質(zhì)、流量、泥沙及魚類保護(hù)。水足跡模型及理論則從資源成本角度出發(fā)，具體化水電開發(fā)利用水資源消耗，關(guān)聯(lián)起水資源系統(tǒng)與社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)[8]。水電站水足跡最早由Gerbens-Leenes提出[9]，具體是指水電站運(yùn)行過程中生產(chǎn)單位能源消耗的水資源量[10]。在國際上，新西蘭、荷蘭等國家較早將水足跡用于評價(jià)本國的水電站發(fā)電效益。M M Mekonnen等計(jì)算全球35座水電站的平均水足跡為67.74 m3/GJ[11]，在2016年，又預(yù)估了2035年全球能源消耗量，水足跡是其中重要指標(biāo)[12]。Indika等計(jì)算的新西蘭17個水電站的平均水足跡為6.02 m3/GJ[13]；T H Bakken在2016年分別以一個徑流式電站和一個庫區(qū)型電站為例，將水電站的生命周期分為建設(shè)期和運(yùn)行期進(jìn)行研究，用了總蒸發(fā)水量法，得出了兩種類型的水電站運(yùn)行期的凈水消耗皆高于建設(shè)期的結(jié)論[14]。根據(jù)已有研究，存在總蒸發(fā)水量法和水量平衡法等計(jì)算方法，普遍采用總蒸發(fā)水量法。我國對水足跡理論的研究發(fā)展也較為迅速， 2014年，石萍等計(jì)算出三峽-葛洲壩梯級水電站的多年平均水足跡為2.09 m3/GJ[15]；為合理評估我國水電開發(fā)利用水資源損耗，何洋等計(jì)算了我國283座水電站的水足跡[8]；朱艷霞等對金沙江6座梯級電站的水足跡進(jìn)行了計(jì)算[16]；基于已有研究，趙丹丹在水電水足跡計(jì)算中加入水電效益分?jǐn)傁禂?shù)，使得水電水足跡計(jì)算更為合理[17]；為了更能直觀反映水力發(fā)電能耗比，袁旭以瀾滄江中下游干流8座水電站為例，用總蒸發(fā)水量法計(jì)算出8座水電站水足跡平均值為2.23 m3/GJ[18]，并對現(xiàn)有計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)[19]。盡管我國在水足跡模型研究領(lǐng)域取得了較大進(jìn)步，仍有許多流域有待分析，尤其是國家大力發(fā)展水電的西南地區(qū)。

西南地區(qū)作為我國水電能源基地，水電水足跡研究仍處于起步階段，主要集中于瀾滄江中下游和金沙江干流，其他流域鮮有研究。相比我國境內(nèi)河流，開發(fā)跨境河流水電關(guān)系到周邊環(huán)境安全與穩(wěn)定，相關(guān)生態(tài)影響問題往往容易引起國內(nèi)外民眾，特別是下游國家的重點(diǎn)關(guān)注。鑒此，以尚未開展水足跡研究且水熱、地形條件差異較大的國際河流瀾滄江中上游干流和元江干流為對象，分別計(jì)算其水電站水足跡并就兩個不同流域水電建設(shè)對水資源的消耗差異探究其影響因素，同時(shí)從水消耗角度對比全流域判斷瀾滄江中上游水電開發(fā)是否低耗。本研究可服務(wù)于西南地區(qū)水電開發(fā)水資源成本的評估，可供我國規(guī)劃西南地區(qū)水資源與開發(fā)利用水電以參考。

1 研究區(qū)概況

瀾滄江為我國西南地區(qū)大河，發(fā)源青海，流經(jīng)西藏和云南。流域面積16.75 萬km2，長約2 153 km，多年平均徑流總量513 億m3[20]。流域地勢北高南低，自北向南呈條帶狀，地形復(fù)雜，氣候由溫帶向亞熱帶過渡，氣溫及降水由北向南遞增。云南河段規(guī)劃水電站一共15級，上游烏弄龍、里底、黃登、大華橋和苗尾水電站已投產(chǎn)，因?yàn)跖埶娬救狈?yīng)的遙感影像，只能針對里底、黃登、大華橋和苗尾水電站進(jìn)行計(jì)算。元江長677 km，流域面積3.7 萬km2，流經(jīng)河口瑤族自治縣進(jìn)入越南后稱紅河，國境處多年平均徑流量為484 億m3，全程天然落差2 510 m。元江自上游而下河谷逐漸變寬，干流共規(guī)劃11級水電站，目前僅馬堵山水電站及上游南沙水電站建成投產(chǎn)。流域由亞熱帶向熱帶氣候過渡，北部干熱，南部濕熱[21]。

2 計(jì)算方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 水足跡計(jì)算方法

水電站運(yùn)行期間，水推動水輪機(jī)組發(fā)電后下泄，水輪機(jī)組本身不消耗水，下泄水提供下游利用，而滲漏水進(jìn)入流域內(nèi)地下水系統(tǒng)中。同樣的，汛期棄水也不從系統(tǒng)中損失，仍可供下游利用，水足跡模型計(jì)算時(shí)也不考慮汛期棄水。水足跡研究仍處于發(fā)展階段，尚無規(guī)范統(tǒng)一的計(jì)算方法?，F(xiàn)有的計(jì)算方法主要有僅考慮水量消耗和考慮水量平衡的兩種類型。其中考慮水量消耗的方法有：考慮庫區(qū)水面蒸發(fā)的總蒸發(fā)水量法和考慮了建壩之后土地利用性質(zhì)改變的凈蒸發(fā)水量法。而現(xiàn)有研究普遍采用考慮水面蒸發(fā)的總蒸發(fā)水量法。

總蒸發(fā)水量法將庫區(qū)水面蒸發(fā)歸因于建壩蓄水，計(jì)算時(shí)僅考慮大壩建成后水面蒸發(fā)引起的水資源輸出，公式為[9]：

(1)

式中:WF1為總蒸發(fā)水量法水足跡，m3/GJ;E為水電站庫區(qū)水面多年平均蒸發(fā)量，m3;θ為水面蒸發(fā)折算系數(shù)；E0為蒸發(fā)皿實(shí)測蒸發(fā)深度，mm；S為水電站庫區(qū)多年平均水面面積，km2；P為水電站多年平均發(fā)電量折合熱能，GJ。

2.2 數(shù)據(jù)來源

水庫庫區(qū)面積從Landsat-8 OLI月遙感影像中提取。由于瀾滄江上游屬典型V型河谷[20]，河流水面面積年際及年內(nèi)差異較大，故選取每年豐平枯三季云量最少的月份為代表，計(jì)算庫區(qū)河道水面面積。本研究采用1961-2001年距各水電站距離最近的氣象站氣溫、降水及蒸發(fā)的逐年觀測數(shù)據(jù)，并基于WLE Greater Mekong提供的水電站參數(shù)計(jì)算水電站水足跡[22]，相關(guān)信息見表1和表2。水面蒸發(fā)數(shù)據(jù)來自Φ20型蒸發(fā)皿，研究區(qū)水面蒸發(fā)折算系數(shù)根據(jù)施成熙的研究θ確認(rèn)為0.63[23]。

表1 水電站氣象數(shù)據(jù)Tab.1 Hydropower station meteorological data

表2 水電站參數(shù)Tab.2 Hydropower station parameters

3 結(jié)果與分析

3.1 水電站水足跡分析

總蒸發(fā)水量法考慮了水電站建成后庫區(qū)水面面積增大導(dǎo)致的庫區(qū)水資源蒸發(fā)，其計(jì)算結(jié)果能定量評估水電站運(yùn)行的水資源消耗成本。以總蒸發(fā)水量法計(jì)算，所有的水電站水足跡平均值為1.41 m3/GJ ，其中瀾滄江4座水電站平均值為0.51 m3/GJ ，低于元江2座水電站的平均值3.19 m3/GJ ；馬堵山水電站水足跡最高為3.45 m3/GJ ，其次是南沙、苗尾、里底、大華橋、黃登。6座水電站的水足跡結(jié)果見表3。

表3 各水電站水足跡Tab.3 Water footprint calculation results of hydropower stations

馬堵山水電站、南沙水電站水足跡較瀾滄江4個水電站較大，其原因在于馬堵山水電站、南沙水電站水面蒸發(fā)強(qiáng)而發(fā)電量最少，瀾滄江干流四個電站發(fā)電能力遠(yuǎn)強(qiáng)于元江干流兩座水電站，所以平均水足跡低于元江。相比國內(nèi)，何洋等在2015年以總蒸發(fā)水量法算得我國283 座水電站的平均水足跡為6.75 m3/GJ[8]，朱艷霞等計(jì)算金沙江中游6座梯級電站的水足跡均值為1.41 m3/GJ[16]，袁旭等用總蒸發(fā)水量法計(jì)算出瀾滄江干流中下游“兩庫八級”水電站的平均水足跡為2.23 m3/GJ[18]。元江干流2座水電站水足跡比全國平均水平小，說明在元江干流修建水電站相比國內(nèi)其他地區(qū)對水資源損失較少；瀾滄江中上游4座電站的水足跡不僅遠(yuǎn)低于全國平均總水平和金沙江中游6座梯級電站，也低于瀾滄江中下游6座已建電站，從水資源消耗成本上考慮，突顯出瀾滄江中上游相比西南地區(qū)乃至全國的巨大優(yōu)勢，適宜修建大型水電。由于不同的水熱條件及地形因素影響，不同流域的水電站之間水資源損耗情況差異明顯，總蒸發(fā)水量法適宜評價(jià)因建設(shè)水電站導(dǎo)致的水資源量蒸發(fā)消耗問題，同時(shí)因?yàn)楝F(xiàn)有研究和計(jì)算結(jié)果基本都是采用總蒸發(fā)水量法，所以該方法也利于不同流域不同河流及不同水電站之間的橫向比較。

3.2 水足跡結(jié)果影響因子分析

從定義上看，水電站水足跡與庫區(qū)水面面積、蒸發(fā)量及發(fā)電量直接相關(guān)，而庫區(qū)水面面積、蒸發(fā)量和發(fā)電量等條件又受到地形、氣候、庫容等因素的制約。水電站壩址處的地形若能形成水面面積小同時(shí)水深較深的庫區(qū)，該水電站水足跡會較小。氣溫是影響蒸發(fā)強(qiáng)弱的一個關(guān)鍵氣候因素。

表4 各因素相關(guān)性系數(shù)Tab.4 Correlation coefficient of each factor

降水量與蒸發(fā)量的差值，客觀反映了該地區(qū)大氣中水資源量的多寡[24,25]。降水蒸發(fā)差可從較大的時(shí)間和空間尺度評判一個地區(qū)的大氣水資源量多寡[26]，也可與氣溫共同反映一個地區(qū)的水熱條件。水電站修建后，天然河道變?yōu)楹?庫系統(tǒng)，對庫區(qū)內(nèi)部及下游的用水產(chǎn)生影響，采用降水蒸發(fā)差可評判庫區(qū)潛在水資源量多寡，作為評估水電站水足跡的大氣水量因素較適宜。

為了直觀反映地形對于水足跡大小的影響，把庫區(qū)水面面積與壩高的比值作為庫區(qū)地形因素進(jìn)行分析。水電站庫區(qū)的庫容和水面面積受地形因素制約，考慮到水足跡計(jì)算原理，蓄水深度大且水面面積小的峽谷地形建設(shè)水電站優(yōu)勢較大，而壩高決定了蓄水的深度。從表4相關(guān)性上看，總蒸發(fā)水量法計(jì)算結(jié)果與地形因素的相關(guān)系數(shù)為0.485。所以地形因素是在規(guī)劃階段評判水電站水足跡的一個關(guān)鍵因素。瀾滄江中上游4座水電站位于云南省西北部，河流進(jìn)入橫斷山極大起伏高山區(qū)，屬縱向嶺谷區(qū)，地形起伏變化大、地表切割強(qiáng)烈、坡度陡、地貌形態(tài)復(fù)雜[27]，伴隨以上升為主的強(qiáng)烈新構(gòu)造運(yùn)動, 河流下蝕作用強(qiáng)烈,主河谷深切,河道平均比降較大[20]，水電站可利用的落差大，具備較強(qiáng)的潛在發(fā)電效益。而元江干流至個舊市以下河谷逐漸放寬達(dá)300 m以上，兩岸山峰已逐漸降低，相對高差不足千米，河面寬達(dá)100 m[21]，落差條件相比瀾滄江中上游欠缺。同樣受地形所制約的庫容單獨(dú)對計(jì)算的影響甚微。蒸發(fā)是水資源消耗的主要方式，其中氣溫又是影響蒸發(fā)量的主要因素[28]。氣溫對總蒸發(fā)水量法是影響程度最大的因素。以總蒸發(fā)水量法計(jì)算，元江、瀾滄江干流上水足跡最大的馬堵山、南沙和苗尾水電站年平均氣溫也是最高的。基于以上分析，在水電建設(shè)規(guī)劃階段，應(yīng)重點(diǎn)考慮壩址的多年平均氣溫、地形。

4 討 論

考慮到云南省內(nèi)國際河流出境后下游國家炎熱的氣候條件和平坦的地勢，對比陸穎、袁旭等人對瀾滄江-湄公河現(xiàn)有研究[10,18]，我國在瀾滄江干流特別是中上游進(jìn)行大型水電建設(shè)從水資源消耗角度考慮更為低耗。

相同的計(jì)算方法下水足跡最大的泰國詩琳通水電站是苗尾水電站水足跡的1 237 倍，年蒸發(fā)水量是苗尾水電站的近18 倍，這是因?yàn)闉憸娼?湄公河境內(nèi)外南北氣候、地形條件差異明顯。出境后28 座水電站平均水足跡為116.00 m3/GJ[10]，相比之下是中下游6座水電站平均值的近50倍。中上游4座水電站水足跡平均水平僅相當(dāng)于中下游的21.0%，境外28 座水電站的0.4%。瀾滄江-湄公河38座水電站每年要蒸發(fā)28.61 億m3水，其中境外28座水電站蒸發(fā)20.07 億m3，占70.1%，中下游6座水電站占28.4%，中上游4座水電站僅占1.5%。

結(jié)合上文影響元江、瀾滄江干流水足跡結(jié)果差異的因素，考慮尚未進(jìn)行大型水電開發(fā)的國際河流雅魯藏布江和怒江，若未來進(jìn)行大規(guī)模水電開發(fā)，在我國境內(nèi)建設(shè)的水電站從水資源消耗角度是否更符合“綠色水電”理念，將是一個值得討論的話題。

5 結(jié) 論

(1)以總蒸發(fā)水量法計(jì)算，元江干流的2座水電站水足跡平均值為3.19 m3/GJ，低于全國平均水平，瀾滄江4座水電站平均值為0.51 m3/GJ，不僅遠(yuǎn)低于全國平均總水平，也低于中下游6座已建電站，從水電開發(fā)的水資源成本角度考慮，瀾滄江中上游相比西南地區(qū)乃至全國具有優(yōu)勢。

(2)對于總蒸發(fā)水量法來說，氣溫對其計(jì)算結(jié)果影響最大，其次是地形因素，相比之下大氣水量對結(jié)果略有影響。庫容影響甚微。在水電建設(shè)規(guī)劃階段，若要使運(yùn)行后水資源消耗少，符合“綠色水電”發(fā)展理念，則應(yīng)重點(diǎn)考慮壩址的多年平均氣溫、地形。

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