非洲主要河流的潛在作用

［法國(guó)］ F.雷蒙皮埃爾等

到21世紀(jì)中期，非洲人口可能從10億增長(zhǎng)至20億。為了滿足不斷增長(zhǎng)的人口對(duì)生產(chǎn)及生活用水的需求，必須充分合理地利用水資源，增加農(nóng)田灌溉用水，提高電力生產(chǎn)能力。目前，發(fā)電量?jī)H為750 TW·h/a，因此大部分非洲人都用不上電。預(yù)計(jì)未來(lái)40 a，非洲地區(qū)的發(fā)電量應(yīng)超過(guò)5000 TW·h/a，這意味著人均發(fā)電量需增加到2500 kW·h/a，才能滿足20億人的用電需求。

本文將對(duì)整個(gè)非洲地區(qū)的水電開(kāi)發(fā)潛力和水資源需求進(jìn)行分析，重點(diǎn)討論剛果河、贊比西河、尼日爾河和尼羅河，并對(duì)尼日爾與尼羅河流域面臨的特殊問(wèn)題提出有效的解決方案。

1 水電綜述

(1)水電。到21世紀(jì)中期，預(yù)計(jì)水電發(fā)電量會(huì)占到非洲發(fā)電總量的15%，其主要優(yōu)勢(shì)在于許多開(kāi)發(fā)工程成本很低，遠(yuǎn)低于5美分/kW·h(2010年價(jià)格)，而將來(lái)利用其他資源發(fā)電的成本會(huì)接近10美分/kW·h。但非洲這種低成本的水電潛能有限，為1000 TW·h/a，目前僅開(kāi)發(fā)了其中的10%，較為合理的目標(biāo)是到21世紀(jì)中葉開(kāi)發(fā)水電潛能的70%，即200 GW(700 TW·h/a)。近90%的水電資源都集中在非洲中部地區(qū)(圖1)。

圖1 21世紀(jì)非洲可獲得的電力資源

預(yù)計(jì)非洲的水電開(kāi)發(fā)將會(huì)持續(xù)100 a，所以其設(shè)計(jì)不應(yīng)只依據(jù)未來(lái)30 a的主要情況，同時(shí)也要考慮泥沙淤積以及將來(lái)利用水庫(kù)蓄能可能遇到的問(wèn)題。

(2)水電用于蓄能。非洲目前約80%的發(fā)電量來(lái)自化石燃料，到21世紀(jì)中期，這個(gè)比例將下降到20%～30%。因?yàn)槿虻幕剂隙荚谥鹉隃p少，非洲也不例外，加之其化石燃料本來(lái)就不多。今后核電將占全球發(fā)電總量的10% ～15%，但非洲會(huì)遠(yuǎn)低于該水平。因此，在非洲將有超過(guò)50%的電力由風(fēng)能和太陽(yáng)能提供，而利用太陽(yáng)能發(fā)電則可能成為未來(lái)非洲地區(qū)的主要電源，因其擁有許多全沙漠地區(qū)，日照時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3000～4000 h/a，且2030年之后，其發(fā)電成本很可能低于10美分/kW·h。最大電力需求主要在集中日照充足的月份，而到了雨季，水力發(fā)電又能彌補(bǔ)太陽(yáng)能發(fā)電的不足。太陽(yáng)能發(fā)電站基本上可以依靠當(dāng)?shù)丶夹g(shù)和勞動(dòng)力在短期內(nèi)建成。21世紀(jì)中期，總量為3000 TW·h/a的太陽(yáng)能，所需面積將達(dá)到30000 km2，約為非洲總面積的1/1000，絕大部分在沙漠地區(qū)。因此，太陽(yáng)能的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)也是可能的(見(jiàn)圖2)。

圖2 21世紀(jì)非洲可能達(dá)到的水電容量

風(fēng)能與太陽(yáng)能發(fā)電的缺點(diǎn)是間歇性的供電，需要通過(guò)火電或水電來(lái)作補(bǔ)充以維持供電平穩(wěn)。因此建議:①將白天的太陽(yáng)能發(fā)電與夜間的水力發(fā)電相結(jié)合。②聯(lián)合河道上兩座水庫(kù)，組成抽水蓄能工程模式，安裝可逆式水泵水輪機(jī)。③將一座水電站水庫(kù)作為抽水蓄能電站的下庫(kù)，并在河道之外修建上庫(kù)。④設(shè)計(jì)抽水蓄能電站時(shí)，將近海作為下庫(kù)，在海岸以上高處修建人工上庫(kù)，最好是在懸崖上。

到21世紀(jì)中期，預(yù)計(jì)非洲的間歇性發(fā)電量將達(dá)到3000 TW·h/a，或平均350 GW的供電能力。到2050年，對(duì)抽水蓄能的需求將會(huì)達(dá)到200 GW，與同期200 GW的水力發(fā)電相當(dāng)。

因抽水蓄能的額外成本，間歇性電能將為2美分/kW·h。

2 水資源

非洲河流徑流總量約為2500 km3/a，目前人均水資源擁有量為2000 m3/a，但90%的水資源位于撒哈拉沙漠與贊比西河之間的中部地區(qū);北部和南部人均水資源擁有量均小于1500 m3/a，在其他干旱少雨地區(qū)，人均擁有量更低。

2.1 剛果河

剛果河流域面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)300萬(wàn)km2，與剛果民主共和國(guó)的國(guó)土面積大致相當(dāng);平均河水流量達(dá)4萬(wàn)m3/s，即年均徑流量達(dá)12000億m3，相當(dāng)于非洲所有河流水量的一半。盡管該地區(qū)降水量較大，但該國(guó)和周邊鄰國(guó)的灌溉用水需求依然受到限制。

剛果河經(jīng)濟(jì)上可行的水電蘊(yùn)藏量超過(guò)了300 TW·h/a。其中因加(Inga)工程為200 TW·h/a，且成本僅為1美分/kW·h，是目前世界上最便宜的電力，但至今幾乎未得到開(kāi)發(fā)。該國(guó)人口約7000萬(wàn)，預(yù)計(jì)50 a內(nèi)將翻一倍，屆時(shí)這些水電資源也都將有可能被開(kāi)發(fā)。2020～2060年，電能產(chǎn)量可能會(huì)超過(guò)其需求，因此可以將大多數(shù)剩余電力出售給周邊其他國(guó)家，以幾美分/kW·h出售200 TW/a的電能，就能獲得約50多億美元/a的收益。還可以向南非和尼日尼亞等國(guó)輸出其用電需求10%～20%的電力，即超過(guò)100 TW·h/a。

今后50 a內(nèi)，水電對(duì)該國(guó)的發(fā)展將起巨大的作用。

2.2 贊比西河

贊比西河的徑流量近1000億m3/a，主要為莫桑比克、贊比亞和津巴布韋這3個(gè)國(guó)家約5000萬(wàn)人提供水資源。該河的灌溉用水量很可能不足100億m3/a。

贊比西河及其支流擁有100 TW·h/a的水電蘊(yùn)藏量，通過(guò)修建大約10座大型水電站(沿贊比西河)可基本得到開(kāi)發(fā)，其中的50%位于莫桑比克境內(nèi)。

目前莫桑比克的水力發(fā)電量為25 TW·h/a，其中的10 TW·h/a通過(guò)一條長(zhǎng)1400 km的輸電線路，從卡合拉巴薩(Cahora Bassa)水電站輸往南非。這3個(gè)國(guó)家80%的電力都來(lái)自水電，而且以后水電也將是滿足進(jìn)一步需求最合算的能源。隨著人口的增長(zhǎng)，今后20～30 a內(nèi)可能需要開(kāi)發(fā)贊比西河的全部水電資源，當(dāng)然，也需要其他能源。

津巴布韋與莫桑比克未來(lái)的主要能源很可能是太陽(yáng)能，到21世紀(jì)中期，太陽(yáng)能將會(huì)與水電同等重要。因此，未來(lái)水電項(xiàng)目的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮與這種間歇性能源有關(guān)聯(lián)的蓄能需求。

到本世紀(jì)末，1億人口可能需要500 TW·h/a的電能，其中300～400 TW·h/a可能來(lái)自太陽(yáng)能;抽水蓄能電站相應(yīng)的裝機(jī)容量可能達(dá)到20～30 GW。因此，水電站水庫(kù)也可作為抽水蓄能電站的下庫(kù)使用，在高處修建人工上庫(kù)。

無(wú)論是直接利用或間接利用，贊比西河流域水電資源在滿足當(dāng)?shù)厥兰o(jì)對(duì)可再生資源能源需求方面將起重要作用。

2.3 尼日爾河

尼日爾河全長(zhǎng)4000 km，下游1000 km的河段在尼日利亞境內(nèi)，年降水量超過(guò)1000 mm，當(dāng)?shù)亟涤晷纬傻哪陱搅髁窟_(dá)到2000億m3，因此該地區(qū)水資源并不缺乏。盡管30 TW·h/a的水電資源可以很快得到開(kāi)發(fā)，但在21世紀(jì)中期只能滿足3億人口中一小部分人的需求。

尼日爾河上游段長(zhǎng)1500 km，一部分位于幾內(nèi)亞境內(nèi)，大部分在馬里西部，該河段在莫普提處的年均徑流量達(dá)400億m3，但其中40%在下游莫普提與廷巴克圖(Timbuktu)之間很平坦的Internal三角洲(3萬(wàn)km2)內(nèi)被蒸發(fā)掉。庫(kù)容為10億m3的賽林蓋(Selingue)水庫(kù)，使得旱季時(shí)巴馬科地區(qū)的尼日爾河流量可以保持在100 m3/s。目前正在研究將該水庫(kù)的庫(kù)容增加到50億m3，這樣就能在旱季給巴馬科地區(qū)提供超過(guò)300 m3/s流量的水，這對(duì)于該地區(qū)的灌溉至關(guān)重要，同時(shí)也有利于巴馬科和加奧(Gao)兩地間的航運(yùn)與水力發(fā)電。

在未來(lái)15 a，將在馬里境內(nèi)的尼日爾河上修建徑流式電站并對(duì)賽林蓋水庫(kù)進(jìn)行升級(jí)改建，這樣就可生產(chǎn)5 TW·h/a低成本的電能，以滿足馬里絕大部分的用電需求。該地區(qū)將來(lái)的主要電源很可能是太陽(yáng)能，當(dāng)然，也可能是太陽(yáng)能與水電相結(jié)合，尤其是到21世紀(jì)中葉，應(yīng)在塞林蓋水庫(kù)和Internal三角洲的不同地方，修建大型抽水蓄能電站，利用成本十分合理的可再生資源發(fā)電，完全可以滿足馬里絕大部分地區(qū)的用電需求。

尼日爾河中游段長(zhǎng)1500 km(大部分位于馬里東部，另一部分在尼日爾境內(nèi))，該地區(qū)3個(gè)月的降水量不足500 mm。因此，未來(lái)3000萬(wàn)人的主要水資源是幾個(gè)月內(nèi)從內(nèi)陸三角洲流入尼日爾河的250億m3/a徑流量。目前，正在設(shè)計(jì)或施工的一些水壩擁有數(shù)十億立方米的蓄水能力，這對(duì)于以后的灌溉和發(fā)展不可或缺。

水電蘊(yùn)藏量將得到開(kāi)發(fā)，但畢竟數(shù)量有限。因此，未來(lái)大部分電源應(yīng)是來(lái)自風(fēng)能和太陽(yáng)能，并且是將其與內(nèi)陸三角洲境內(nèi)或靠近新建水庫(kù)的抽水蓄能電站相結(jié)合，以得到有效利用。

2.4 尼羅河

尼羅河很長(zhǎng)，情況也比其他河流復(fù)雜。尼羅河流域包括埃及、蘇丹和烏干達(dá)3國(guó)及另外6個(gè)國(guó)家的部分地區(qū)，流域內(nèi)現(xiàn)有2.5億人，2050年之后人口數(shù)量將上升到4億。流域人均徑流量不足500 m3/a;人均水電蘊(yùn)藏量不足1000 kW·h/a。

(1)尼羅河流域上游為多雨區(qū)域，實(shí)際上提供了幾乎全部的徑流量，且具有80%以上的水電蘊(yùn)藏量。

(2)下游為干旱地區(qū)，包括埃及和北蘇丹，平均降水量?jī)H為200 mm/a。

2.4.1 水電

尼羅河水電蘊(yùn)藏量為300 TW·h/a;其中50 TW·h/a已得到開(kāi)發(fā)，占目前200 TW·h/a總供電量的25%。但各國(guó)目前與未來(lái)數(shù)據(jù)會(huì)有很大差異。

(1)埃塞俄比亞現(xiàn)有人口8000萬(wàn)，水電蘊(yùn)藏量為200 TW·h/a，用電量為5 TW·h/a，另有一些可生產(chǎn)50 TW·h/a的水電工程處于在建或設(shè)計(jì)中。水電將成為該國(guó)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，且部分多余電力可以出售給鄰國(guó)。預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉，該國(guó)水電能夠滿足自身的全部電力需求。

(2)埃及人口8500萬(wàn)，發(fā)電量140 TW·h/a，水電僅為15 TW·h/a。阿斯旺大壩在1975年為埃及提供了50%的電力，但目前僅占5%。目前埃及的電力來(lái)源主要依靠化石燃料(天然氣和石油)，對(duì)抽水蓄能的需求不高。

流域內(nèi)，其他國(guó)家的總?cè)丝诩s8000萬(wàn)，用電量低于20 TW·h/a，而水電蘊(yùn)藏量有80 TW·h/a，主要集中在南蘇丹、北蘇丹和烏干達(dá)。未來(lái)30 a，由于用電需求的增加，這些國(guó)家很可能會(huì)開(kāi)發(fā)本國(guó)大部分水電資源，或從埃塞俄比亞進(jìn)口一些水電;2030年之后，可能將大量利用太陽(yáng)能和抽水蓄能發(fā)電。因此，到21世紀(jì)中期，尼羅河沿岸大多數(shù)國(guó)家的水電發(fā)電量在總發(fā)量中所占比例會(huì)很小，抽水蓄能可能有利于大量開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能。

2.4.2 水資源

尼羅河可利用水資源為720億m3/a，包括其支流在內(nèi)，徑流量為1400億m3/a，但其中的一半都因自然或人為因素而損耗掉。這些徑流由以下3個(gè)部分組成:

(1)東部的總水量為830億m3(基本上來(lái)自埃塞俄比亞)，其中來(lái)自東邊支流索巴特(Sobat)河的水量為160億m3，青尼羅河的為550億m3，阿特巴拉(Atbara)河的為120億m3。約有40億m3的水流經(jīng)索巴特河時(shí)蒸發(fā)在南蘇丹的東濕地(East Swamps)，這些水量都是7～11月流入的。埃塞俄比亞將來(lái)建壩的季節(jié)性蓄水可能超過(guò)300億m3，從而可降低對(duì)阿斯旺水庫(kù)與麥羅維水庫(kù)的蓄水需求。

(2)來(lái)自蘇丹上游白尼羅河南部的全年水量為420億 m3，而其中200億 m3在中部濕地(Central Swamps)，即蘇德(Sudd))濕地蒸發(fā)掉。

(3)8～12月來(lái)自南蘇丹支流(主要為朱爾河和洛爾河)的水量多達(dá)150億m3，實(shí)際上，這部分水量也都在西部濕地(West Swamps)損失掉了。

南蘇丹濕地造成的水資源蒸發(fā)量約為400億m3/a，阿斯旺水庫(kù)蒸發(fā)量達(dá)150億m3/a，另外還有幾十億立方米的水資源在蘇丹的麥羅維水庫(kù)、羅塞爾(Roseires)水庫(kù)、杰貝勒奧利亞(Djebel Aulia)水庫(kù)和其他水庫(kù)蒸發(fā)掉。

維多利亞湖(Victoria)的年均降水量比年均蒸發(fā)量多300 mm，但在北蘇丹和阿斯旺水庫(kù)區(qū)域年蒸發(fā)量比年降水量高出2000 mm。因此，67000 km2的維多利亞湖的蓄水量比阿斯旺水庫(kù)的蓄水量更有吸引力，只是目前未得到很好地利用，因?yàn)槌^(guò)200億m3/a的多余水資源中，約80%在進(jìn)入蘇德濕地后被蒸發(fā)掉了。

為了提高尼羅河水資源的利用率，最行之有效的辦法是對(duì)南蘇丹的主要水庫(kù)實(shí)施合理管理。

2.4.3 蘇德濕地節(jié)水

蘇德濕地即南蘇丹的中部濕地，這里地勢(shì)極其平坦且土壤不透水，主要吸納來(lái)自白尼羅河上游150～650億m3/a的徑流量和50～150億m3/a的降水。因此，年份與季節(jié)不同，濕地面積也會(huì)呈現(xiàn)非常明顯的差異，在非常干旱的年份如1921年，濕地面積實(shí)際上不到10000 km2，而在降水量非常多的年份如1964、1988年，面積為20000～35000 km2;濕地下游徑流量一般為100～200億m3/a。

20世紀(jì)中期，經(jīng)過(guò)大量研究，決定修建一條長(zhǎng)350 km，且繞過(guò)蘇德濕地的運(yùn)河，以使在此處的水量損失減少100～500億m3/a。1978～1983年蘇丹內(nèi)戰(zhàn)之前，該運(yùn)河已完成270 km。

(1)新的運(yùn)河設(shè)計(jì)方案。為了滿足日益增加的依賴運(yùn)河輸水和分洪的需求，在對(duì)當(dāng)?shù)貤l件做了足夠充分的了解后，對(duì)原設(shè)計(jì)做了改進(jìn)。由于采用了新的設(shè)計(jì)方案，1980年，運(yùn)河水位升高到超過(guò)天然地面1.5 m，流量從250 m3/s上升到350 m3/s，亦即100億m3/a。還可以通過(guò)以下途徑使流量提高到1000 m3/s，即300 億 m3/a。

第1種是在該運(yùn)河從尼羅河引水的取水口處修一座閘控低壩(low gated dam)，攔擋尼羅河的水;還可以橫跨尼羅河及沿上游兩岸修建一些低堤壩(low dykes)。

第2種是完成并升級(jí)現(xiàn)有的運(yùn)河工程。

(2)運(yùn)行與影響。運(yùn)河和水壩運(yùn)行后，通常情況下每年留在尼羅河內(nèi)的水量為200～250億m3，相當(dāng)于1900～1960年年均水量的一半。在多水年份，還能將水流量從原來(lái)的650億m3/a降至350億m3/a，這樣可避免災(zāi)難性的洪水發(fā)生。

季節(jié)性濕地可維持以前的狀態(tài)，或根據(jù)當(dāng)?shù)匦枰M(jìn)行優(yōu)化，這樣，可給當(dāng)?shù)鼐用駧?lái)以下效益:①減輕洪水;②灌溉;③馬拉卡勒到朱巴的永久公路;④航運(yùn)。此外，南蘇丹也能從輸送給北蘇丹和埃及的多余水量中獲得巨大的收益。

1960年后，尼羅河平均徑流量約420億m3/a。如果給尼羅河留下220億m3/a，將平均節(jié)水80% ×180≈150億m3/a，而該運(yùn)河的流量將為50～300億m3/a。

與1983年的設(shè)計(jì)相比，新的運(yùn)河設(shè)計(jì)方案更有利:①額外的發(fā)電量補(bǔ)償額外的費(fèi)用;②提供更多的水資源;③減輕當(dāng)?shù)睾樗?④有利于對(duì)阿斯旺水庫(kù)進(jìn)行管理。

2.4.4 其他濕地節(jié)水

來(lái)自索巴特(Sobat)河的水量約有40億m3/a損失在東部濕地，通過(guò)在埃塞俄比亞境內(nèi)的河段上修建大壩和(或)在東部濕地修建一條運(yùn)河，可以避免這些損失。

來(lái)自當(dāng)?shù)馗髦Я鞫噙_(dá)150億m3/a的水量損失在西部濕地。通過(guò)修建水壩和(或)運(yùn)河，同樣可以將其蓄積。

上述方案可以節(jié)水多達(dá)100億m3/a。

2.4.5 阿斯旺水庫(kù)的節(jié)水

阿斯旺水庫(kù)庫(kù)容可達(dá)1570億m3，必要的季節(jié)性蓄水量達(dá)300億m3，埃塞俄比亞大壩和麥洛維大壩將來(lái)水電的季節(jié)性蓄水很可能會(huì)使阿斯旺水庫(kù)季節(jié)性蓄水量大幅降低。阿斯旺水庫(kù)全年的蓄水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)1000億m3;是造成水資源大量蒸發(fā)的主要原因，過(guò)去10 a已造成1500億m3的損失。如果將全年蓄水量減少500億，將能避免40億m3/a的蒸發(fā)以及其他原因造成的水量巨大損失。這樣，總的節(jié)水量將達(dá)到50億m3/a。維多利亞湖富余的蓄水量可通過(guò)蘇德運(yùn)河得到利用，并可補(bǔ)償阿斯旺水庫(kù)減少的500億m3全年蓄水量。不過(guò)，該方案的成本將受制于以下因素:

(1)先在烏干達(dá)修建電站(1億或2億美元)，因?yàn)榫S多利亞湖蓄水量增加勢(shì)必會(huì)在若干年內(nèi)導(dǎo)致烏干達(dá)水力發(fā)電量下降。

(2)阿斯旺電站損失的發(fā)電量大約為300 GW·h/a左右，因?yàn)樗^下降造成的發(fā)電損失，大于節(jié)省的50億m3水的發(fā)電效益。

3 水資源共享及其協(xié)議

3.1 第1階段

促成9個(gè)國(guó)家就分享尼羅河的水資源及未來(lái)修建水壩水渠的利弊達(dá)成一項(xiàng)全面協(xié)議，可能是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的過(guò)程。

蘇德運(yùn)河工程將于2020年完工，對(duì)其他國(guó)家不會(huì)造成直接的不利影響，反而將有助于對(duì)埃及和烏干達(dá)以前簽訂的嚴(yán)格且具有諸多爭(zhēng)議的維多利亞湖管理協(xié)議進(jìn)行可能的評(píng)論;對(duì)于阿斯旺水庫(kù)大量節(jié)水及優(yōu)化蘇德濕地管理具有非常十分重大的意義。在此基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)2020年的節(jié)水總量將達(dá)150～200 億 m3。

非洲許多國(guó)家將在2020年之前修建水電大壩，修建大壩可能會(huì)對(duì)周邊國(guó)家造成一定影響，但總的來(lái)看，這些影響是有利的。

3.2 第2階段

2020年之后為第2階段，將實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)目標(biāo):

(1)通過(guò)各種大壩和渠道，攔蓄來(lái)自南蘇丹西部與東部?jī)纱鬂竦氐乃?

(2)可能在艾伯特(Albert)湖修建一座水壩;

(3)減少蘇丹各水庫(kù)的水量損失，特別是杰貝勒奧利亞水庫(kù)的水量損失。

如果目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，預(yù)計(jì)可節(jié)水100億m3/a。

4 結(jié)語(yǔ)

到21世紀(jì)中期，預(yù)計(jì)水電能夠以低廉的價(jià)格為非洲中部提供大部分的電力。本文介紹了非洲4條主要河流的水電蘊(yùn)藏量及其開(kāi)發(fā)利用狀況，這4條河流流經(jīng)的國(guó)家人口數(shù)量占非洲人口總數(shù)的1/2，并擁有最多的水電蘊(yùn)藏量。

可以對(duì)河流的開(kāi)發(fā)利用方案進(jìn)行優(yōu)化，以便提高其灌溉效益。在這方面，對(duì)于尼羅河與尼日爾河，則要采取特殊的應(yīng)對(duì)措施。當(dāng)然，減輕洪災(zāi)與提高航運(yùn)能力同樣也具有非常重要的相關(guān)效益。