變化世界中的大壩與水電發(fā)展

賈金生 ， 馬 靜 ， 鄭璀瑩 ，2

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；

2.中國大壩協(xié)會，北京 100038；3.國際大壩委員會，巴黎 75008）

1 儲水設(shè)施建設(shè)與水電發(fā)展迎來了新的高潮

世界正處在不斷變化中，人口增加、經(jīng)濟發(fā)展成為刺激資源、能源需求不斷增長的主要因素。水是基礎(chǔ)性自然資源、戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源和環(huán)境控制性要素。受人口增加、經(jīng)濟增長和城市化發(fā)展等影響，人類對水的需求正以每年640億m3的速度增長，預(yù)計到2030年，全球?qū)⒂?7%的人口居住在用水高度緊張的地區(qū)[1]。與此同時，由氣候變化導(dǎo)致的包括洪澇、干旱等極端天氣事件的頻繁發(fā)生，加劇了缺水地區(qū)的水資源供需矛盾，加大了水資源開發(fā)利用的難度，為減災(zāi)救災(zāi)帶來了更大的困難。

作為目前人類面臨的最大挑戰(zhàn)之一，全球氣候變化要求人類必須采取應(yīng)對措施。一方面需要積極推進能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性調(diào)整，改變化石能源在能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位，減少溫室氣體排放；另一方面要對全球氣候變化所帶來的后果采取防御性措施。加大水的存儲、加強水調(diào)控能力，被認為是最核心、最有效的手段。國際社會對水庫大壩在應(yīng)對氣候變化方面的重要作用已達成廣泛共識。越來越多的人認識到儲水設(shè)施對于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要作用，認識到缺乏足夠的儲水設(shè)施將降低人類對各種變化的響應(yīng)能力，從而直接影響千年發(fā)展目標的實現(xiàn)。大力發(fā)展儲水設(shè)施和開發(fā)水電的國際共識，充分反映了發(fā)展需求是形成當前主流共識的基礎(chǔ)，水庫大壩的支持者和反對者能平靜友好地在一起討論全球發(fā)展問題，也從一個側(cè)面說明了這一點。

認識的轉(zhuǎn)變促使水庫大壩建設(shè)和水電開發(fā)迎來了新的高潮。為應(yīng)對氣候變化，刺激經(jīng)濟復(fù)蘇，許多國家加大了對水利和能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入。目前世界上有165個國家已明確將繼續(xù)發(fā)展水電，其中110個國家的規(guī)劃建設(shè)規(guī)模達到3.38億kW。發(fā)達國家多因已基本完成水電開發(fā)任務(wù)，因此將重點投入到對已建水電站的更新改造、增加水庫的泄洪設(shè)施提高防洪能力、調(diào)整電站運行調(diào)度目標實施生態(tài)保護和修復(fù)等方面，如北美、歐洲等不少國家；發(fā)展中國家多數(shù)制定了規(guī)劃，大約在2025年基本完成水電開發(fā)任務(wù)，如亞洲、南美地區(qū)的發(fā)展中國家等；欠發(fā)達國家和地區(qū)，雖然多數(shù)具有豐富的水能資源，也一直致力于發(fā)展水電，但限于資金、技術(shù)等條件，大力開發(fā)水電仍然存在很多困難，如非洲的不少國家等；還有一些政局不穩(wěn)的國家，雖然急需發(fā)展水電，但限于國力等條件，推進非常緩慢。2008年世界上在建大壩有1 200多座，其中壩高60 m以上的大壩有370余座，主要分布在亞洲、南美等55個國家[2]。

2 與其他能源相比水電具有最高的能源回報率

在過去的一個世紀里，水庫大壩充分發(fā)揮了防洪、抗旱、城鄉(xiāng)供水、航運、休閑娛樂以及能源供應(yīng)等方面的功能，為經(jīng)濟社會的發(fā)展提供了有力支撐。同時，多功能的水庫大壩在水與水能資源利用方面的綜合優(yōu)勢，在接連發(fā)生的能源危機、水危機、食品危機和氣候變化中得到充分的顯現(xiàn)。

水的存儲就是能源的存儲。水電在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中扮演了重要角色。目前，水電發(fā)電量在全球電力供應(yīng)中占據(jù)20%的份額[3]，是僅次于化石燃料的第二大主導(dǎo)電源 （見圖 1）。

圖1 全球電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)

在各種能源開發(fā)方式中，水電具有最高的能源回報率和最低的溫室氣體排放量。能源回報率這一概念源于20世紀70年代的能源危機。這次能源危機過后，各國都著力調(diào)整其能源結(jié)構(gòu)，對能源獨立、改善空氣質(zhì)量以至于后來的應(yīng)對氣候變化等問題給予了前所未有的關(guān)注[4]。許多國家開發(fā)化石能源的替代產(chǎn)品，但不同種類能源的選擇成為新的問題。為鑒別各種能源的特性，引入了能源回報率這一概念。以一個火力發(fā)電廠為例，能源回報率的物理意義是指一個火力發(fā)電廠在運行期內(nèi)發(fā)出的所有電量與它在建設(shè)期、運行期為維持其建設(shè)、運行所消耗的所有電量的比值，建設(shè)期、運行期所消耗的所有電量既包括直接能源消耗，如機械設(shè)備運行、照明耗能等，也包括建筑材料、煤炭等制造、運輸?shù)冗^程的耗能。 懷特 （White） 和庫辛斯基 （Kulcinski）[5]推薦了一個簡單公式用于計算各種能源的能源回報率（EPR）， 即

式中，EnL為在電站整個生命周期內(nèi)的電量總產(chǎn)出；EmatL為電站消耗材料 （如煤）的能源投入；EconL為電站修建的能源投入；EopL為電站運行的能源投入；EdecL為運行期滿后拆除電站的能源投入。數(shù)值越大代表能源回報率越高。

根據(jù)加尼翁 （Gagnon）[6]的計算結(jié)果，各種能源開發(fā)方式的能源回報率見圖2，CO2排放強度見圖3。由圖2、圖3可知，水電的能源回報率遠遠高于其他能源，而且是溫室氣體排放量極小的能源。

圖2 各種能源的能源回報率計算結(jié)果

3 水庫大壩、水電開發(fā)與社會經(jīng)濟發(fā)展關(guān)系密切

一個國家擁有的人均水庫庫容、人均水電發(fā)電量與國家社會經(jīng)濟發(fā)展有著密切關(guān)系。研究人均庫容指標、人均發(fā)電量指標與人類發(fā)展指數(shù) （HDI，Human Development Index），可以比較清楚地說明水庫大壩建設(shè)、水電發(fā)展與社會經(jīng)濟發(fā)展水平的關(guān)系。人類發(fā)展指數(shù)由GDP人均指標以及反映生活質(zhì)量的健康和教育三項要素加權(quán)平均計算，作為衡量聯(lián)合國各成員國社會經(jīng)濟發(fā)展水平的綜合指標。該指標避免了以單一人均GDP作為衡量人類發(fā)展指標的缺陷。人類發(fā)展指數(shù)為一個介于0和1之間的數(shù)，數(shù)值越接近于1表示人類發(fā)展水平越高。HDI大于0.9的國家多為發(fā)達國家，如澳大利亞 （0.970）、美國 （0.956）、 英國 （0.947）； HDI介于 0.8～0.9 的國家多為較發(fā)達國家，如阿根廷 （0.866）、俄羅斯（0.817）、 巴西 （0.813）； HDI介于 0.5～0.8 的國家多為亞洲、非洲、拉丁美洲的發(fā)展中國家，如中國（0.772）、 埃及 （0.703）、 印度 （0.612）； HDI小于0.5的國家多為亞洲、非洲的欠發(fā)達國家，如盧旺達（0.46）、 布基納法索 （0.389）、 阿富汗 （0.352） 等。

圖3 各種能源的溫室氣體排放強度計算結(jié)果

按照這一觀點分析全球100余個國家2007年的人類發(fā)展指數(shù)與水庫大壩、水電發(fā)展[2，7]的相關(guān)關(guān)系（見圖4、圖5），結(jié)果表明，在保障水安全和能源安全以及應(yīng)對各種變化的儲水設(shè)施建設(shè)方面，發(fā)達國家已有良好的基礎(chǔ)，而發(fā)展中國家依然任務(wù)艱巨。針對某個國家，盡管也有例外，如以色列HDI為0.935，人均庫容僅為27 m3，贊比亞HDI為0.481，人均庫容為1 072 m3，但總體來講，一個國家或地區(qū)水庫大壩發(fā)展水平與國家人類發(fā)展水平呈較強的正相關(guān)。聯(lián)合國人類發(fā)展報告[8]也指出， “全球水基礎(chǔ)設(shè)施的分布與全球水風(fēng)險的分布呈反比關(guān)系”。

由于響應(yīng)程度不同，氣候變化對處于不同發(fā)展階段的國家產(chǎn)生的影響及后果也不同。布萊爾報告[9]指出， “那些在造成氣候變化上責(zé)任最小的群體，即貧困和脆弱人群，所遭受的負面影響卻是最大的。”同樣，那些過去沒有，現(xiàn)在和將來也不會顯著增加溫室氣體排放的貧困國家或最不發(fā)達國家卻要承擔(dān)氣候變化的成本，他們也最容易受到氣候變化的影響，他們的適應(yīng)能力也是最為脆弱的。因此，處于不同發(fā)展階段的國家，在儲水設(shè)施建設(shè)方面的目標、重點以及所關(guān)注的問題也不同。對于欠發(fā)達國家而言，全球氣候變化帶來的后果往往是災(zāi)難性的，由于缺乏足夠的調(diào)蓄能力，氣候變化導(dǎo)致的極端天氣事件使災(zāi)害頻繁發(fā)生，受災(zāi)程度加重。儲水設(shè)施建設(shè)對這些國家是一個事關(guān)生存、擺脫貧困的問題，正如世界水電宣言（非洲）[10]所闡述的那樣，在欠發(fā)達的非洲國家，水與電力是救命的物品，這些國家對能源和水的需求非常急迫，在蓄水和發(fā)電的雙重效益下，多功能水庫大壩對促進水安全供應(yīng)起著關(guān)鍵性作用，同時水庫大壩可以大大緩解極端天氣事件對非洲造成的影響。因此，水與水能資源開發(fā)對發(fā)展中國家尤其是非洲國家有著特殊意義，是最急迫的改善民生的任務(wù)之一。

圖4 人均庫容與人類發(fā)展指數(shù)的關(guān)系

圖5 人均水電發(fā)電量與人類發(fā)展指數(shù)的關(guān)系

4 大壩的安全與長效運行是事關(guān)大壩建設(shè)和水電發(fā)展的核心問題

對人口占世界大多數(shù)的發(fā)展中國家和不發(fā)達國家，推進經(jīng)濟發(fā)展、改善貧困是主要任務(wù)。人類在可持續(xù)發(fā)展的許多領(lǐng)域仍受到供水、食品和能源供應(yīng)短缺的困擾和威脅，目前全世界有20億人口得不到現(xiàn)代能源供應(yīng)，有11億人口得不到安全的飲用水，有24億人口缺乏健康衛(wèi)生設(shè)施，每年受自然災(zāi)害影響的人口多達2.11億[11]。因此，一方面需要建設(shè)更多的水庫大壩，另一方面要保持已建、新建水庫大壩的安全和長效運行，對此，需要從戰(zhàn)略高度加以認識和研究。

雖然隨著科技發(fā)展和認識的提高，壩工技術(shù)不斷進步，很多關(guān)于大壩建設(shè)和運行維護、修補加固的技術(shù)難題能夠得到很好的解決，但我們?nèi)匀幻媾R很多挑戰(zhàn)性的問題。2009年8月17日，俄羅斯薩揚·舒申斯克水電站發(fā)生重大事故，造成76人死亡，引起了國際上的廣泛關(guān)注，根據(jù)俄羅斯方面的調(diào)查報告，事故是由于一個水輪機罩的螺栓發(fā)生疲勞破壞斷裂而引起的。事實上，很多大壩的安全事故都像薩楊·舒申斯克水電站事故一樣，是由于日常維護和監(jiān)控不當引起的。這些大壩安全事故必將對水利水電行業(yè)的發(fā)展帶來巨大的影響。公眾對大壩安全的重視程度越來越高，這也提醒水利水電工程師們，保障大壩的長效安全性才能使得整個行業(yè)獲得可持續(xù)的發(fā)展。

要保障水庫大壩的長效安全性，主要需考慮以下幾個方面：

（1）設(shè)計、施工和運行維護人員都應(yīng)該提高安全意識，認識到水庫大壩安全不僅僅是技術(shù)問題，也是社會問題；水利水電工程師不僅要承擔(dān)技術(shù)責(zé)任，還要承擔(dān)社會責(zé)任。

（2）在工程的設(shè)計、施工和運行維護的各個階段，都要認識到水庫大壩的使用年限可能會達到50年或100年甚至更長，應(yīng)該采用具有足夠耐久性或者老化破損后便于更換的材料或部件；同時，還要考慮長期運行后水庫大壩可能出現(xiàn)的病害和安全隱患，采取相應(yīng)的處理措施，以便制定合理的后期加固工程方案并順利實施，保障水庫大壩的安全。

（3）大壩壩體本身和其他部位、構(gòu)件的使用年限可能不一樣。對于一座精心設(shè)計、精心施工和精心維護管理的水庫大壩，其本身的使用年限一般超過100年；然而，閘門、啟閉設(shè)備等水力機械構(gòu)件每30～50年就需更換，壓力鋼管的使用年限一般為40～60年。對老化構(gòu)件的及時維護和更換是保障整個水庫大壩工程安全的重要措施。

（4）在大壩運行階段，需結(jié)合大壩的實際觀測資料，考慮所有對大壩運行性態(tài)有影響的因素，定期對大壩的長效安全性進行評價，為制定大壩的加固方案提供參考。

（5）保障水庫大壩的長效安全性是長期、不間斷的任務(wù)，在這個過程中可能會發(fā)生難以預(yù)料的事情，應(yīng)針對每座水庫大壩工程的特點制定應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)急預(yù)案需要把所有與大壩安全相關(guān)的因素考慮在內(nèi)。對政策改變、經(jīng)濟危機或者重大自然災(zāi)害等因素作用下，水庫大壩以及下游人們的安全如何保障，也是應(yīng)急預(yù)案制定過程中需要考慮的問題。

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，水庫大壩建設(shè)已經(jīng)不僅僅是單純的科學(xué)技術(shù)問題。為了消除誤解，確保水庫大壩建設(shè)的長期可持續(xù)發(fā)展，保證水庫大壩的長效安全性是最基本也是最為關(guān)鍵的。

［1］ UNESCO.The United National World Water Development Report-Water in a Changing World［R］.New York:UNESCO,2009.

［2］ Editorial Board.Word Atlas&Industry Guide 2008［M］.London:The International Journal on Hydropower and Dams,2008.

［3］ EIA.Energy Information Administration international statistics database［DB/OL］.EIA,2008.http://www.eia.doe.gov/.

［4］ Gagnon L.Civilisation and energy payback［J］.Energy Policy,2008,36（9）:3317-3322.

［5］ White S W,Kulcinski G L. “Birth to Death”Analysis of the Energy Payback Ratio and CO2Gas Emission Rates from Coal,Fission,Wind and DT Fusion Electrical Power Plants［R］.University of Wisconsin-Madison,1999.

［6］ Gagnon L.Energy Payback Ratio［R］.Montreal:Hydro-Québec,2005.

［7］ UnitedNation.Human Development Report 2009-Overcomingbarriers:Humanmobilityanddevelopment［R］.New York:United Nation,2009.

［8］ United Nation.Human Development Report-2006［R］.New York:United Nation,2006.

［9］ Blair T,The Climate Group.Breaking the climate deadlock:A global deal for our low-carbon future［R］.2008.

［10］ ICOLD.World Declaration Dams and Hydropower for African Sustainable Development.Paris:ICOLP,2008.

［11］ Berga L.Dam for sustainable development［C］//Proceedings of Highlevel International Forum on Water Resources and Hydropower.Beijing:IWHR,2008.1-6.