美國非發(fā)電壩發(fā)展?jié)摿υu估

［美國］B.哈杰爾維阿 等

1 研究概述

為增加可再生能源供應(yīng)，美國能源部(DOE)風(fēng)能和水能規(guī)劃署已著手開展一項(xiàng)研究，以分析非發(fā)電壩(NPD)的發(fā)電潛力。研究前提是假定在NPD 修建過程中，已完成對大壩建設(shè)所需費(fèi)用和環(huán)境影響的評估。與新壩相比，NPD 可減少技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的風(fēng)險(xiǎn)，且見效快，在國家增加可再生能源供應(yīng)中極具吸引力。

作為該項(xiàng)研究的一部分，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)和愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室(INL)的研究人員對水電資源進(jìn)行了評估。通過挖掘美國NPD 的蘊(yùn)藏量，量化潛在水電能源的總利用量，旨在了解國家、地區(qū)以及流域范圍內(nèi)增加的總發(fā)電量以及NPD 蘊(yùn)藏的水電潛能?；贜PD 所在的不同河段，ORNL 的研究人員從美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)和美國陸軍工程師兵團(tuán)(USACE)等獲取最新資料，通過一系列地理空間處理技術(shù)，可將每個(gè)壩址上的映射數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，并量化出最大的水電潛能。

每座大壩的過水流量和壩前、后的水頭差決定水電潛能的大小，假設(shè)水通過發(fā)電裝置時(shí)可有效地轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，且水頭保持不變，研究人員就能計(jì)算出大壩產(chǎn)生的總電能。在國家或地區(qū)范圍內(nèi)，可評估和匯總每月、每季的可用水量、水頭、額定功率以及發(fā)電量等。

在美國現(xiàn)有的8 萬多座NPD 中，選擇符合要求的54 391 座進(jìn)行研究。結(jié)果表明，如果在美國NPD上新安裝發(fā)電機(jī)，就有產(chǎn)生12 GW 新生可再生能源的潛力，足以為400 多萬戶家庭提供電力供應(yīng)，并使現(xiàn)有常規(guī)水力發(fā)電機(jī)組的規(guī)模增長15%。這一潛在能源大部分集中在600 座NPD 上，可提供約10 GW的電能。其中最為顯著的10 座NPD 位于俄亥俄河、密西西比河、阿拉巴馬河、湯比格比河，阿肯色河和紅河上。僅這10 座NPD 就可增加3 GW 的新水電能源。

2 NPD 潛在水力發(fā)電量、蘊(yùn)藏量

可根據(jù)式(1)計(jì)算NPD 提供的最大潛在水力發(fā)電量:

式中，Q 為平均流量，m3/s;Δh 為水力發(fā)電總水頭，m;η 為發(fā)電效率(取0.85);T 為總發(fā)電時(shí)間，h。

由于大多數(shù)NPD 所在的河流上未建水文站，歷史水文資料有限，在缺乏可參考數(shù)據(jù)的前提下，難以精確評估潛在水力發(fā)電量。因此，需根據(jù)每個(gè)壩址可用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，輔以其他數(shù)據(jù)資料進(jìn)行評估。通過國家大壩名錄(NID)和其他方法，獲得計(jì)算月水力發(fā)電量中所使用的常水頭。在計(jì)算每座NPD 的月平均流量時(shí)，假定所有徑流均可用于發(fā)電。將每月水力發(fā)電量相加，就可預(yù)測出潛在的年均水力發(fā)電量，這一數(shù)值即是NPD 可獲得的最大理論水力發(fā)電量。此外，從現(xiàn)有水電站計(jì)算的地區(qū)發(fā)電機(jī)容量系數(shù)，可根據(jù)式(2)評估水電蘊(yùn)藏量:

如果一座水電站的所有發(fā)電機(jī)組都持續(xù)不斷地運(yùn)轉(zhuǎn)，則其實(shí)際年發(fā)電量將會接近于裝機(jī)容量與一年總運(yùn)行時(shí)間相乘的結(jié)果，因此Cf值接近1。然而徑流量是隨時(shí)間變化而變化，Cf明顯小于1。故在這一分析中用式(3)計(jì)算蘊(yùn)藏量:

通過式(1)和式(2)，可計(jì)算出每個(gè)NPD 的潛在水力發(fā)電量和蘊(yùn)藏量。

3 NPD 潛力評估

研究中選取54 391 座NPD，對比計(jì)算最大潛在水力發(fā)電量和蘊(yùn)藏量，從中確定最具開發(fā)前景的大壩。由于許多數(shù)據(jù)不能從這些大壩本身獲得，而應(yīng)廣泛收集數(shù)據(jù)源，從中選定發(fā)電模型所需數(shù)據(jù)?？蛇x用的數(shù)據(jù)源包括NID、國家水電資產(chǎn)評估項(xiàng)目(NHAAP)基線數(shù)據(jù)、自然資源保護(hù)局分水嶺邊界數(shù)據(jù)集(WBD)、USGS 國家水文數(shù)據(jù)(NHD，1∶24 000 精度)、環(huán)境保護(hù)署(EPA)－USGS 國家水文資料(NHDPlus，1∶100 000 精度)以及USGS 國家水資源信息系統(tǒng)(NWIS)水文觀測站資料等。

NID 用來提供NPD 的綜合列表和對應(yīng)壩高，最新的NID 囊括了83 987 座大壩的建設(shè)目的、位置、河流名稱、集水面積、壩高、庫容、所有權(quán)以及基本用途等數(shù)據(jù)。NHAAP 基線數(shù)據(jù)可提供許多歷史數(shù)據(jù)，透過這些數(shù)據(jù)可研究、計(jì)劃美國未來在水力發(fā)電中潛在的水電擴(kuò)容改造。為建立流域邊界框架，WBD 定義了6 個(gè)水文單元。利用湖泊、池塘、小溪、河流、渠道以及海洋等的共性特征，NHD 提供了一套綜合數(shù)字空間數(shù)據(jù)，來表征美國的地表水資源。NHDPlus 整合了一系列數(shù)據(jù)，包括對流域累計(jì)面積特點(diǎn)，流向，流線的最低、最高海拔與最緩、最陡坡度，以及這個(gè)河流網(wǎng)絡(luò)中每條流線的流量和流速評估。從22 000 多座NWIS 水文站所收集到的數(shù)據(jù)，可提供位置、流域面積和月徑流量等信息。

3.1 大壩注冊登記法

計(jì)算NPD 的流量需了解大壩的精確位置。使用高分辨率的NHD，對NID 中不夠準(zhǔn)確的41 000 多座大壩坐標(biāo)進(jìn)行了調(diào)整。然后，將NPD 連接到相對應(yīng)的NHDPlus 河段，重新獲得有用的NHDPlus 屬性，例如流域面積和年平均流量。一些只能從高分辨率NHD 上看到的小蓄水池被排除在分析范圍之外。以NID 和NHAAP 屬性為基礎(chǔ)，現(xiàn)有水電站、副壩以及低水頭壩也被排除在外。

3.2 流 量

由于大部分NPD 缺乏水文觀測資料，因此在此項(xiàng)研究中應(yīng)用一個(gè)簡化的單位徑流公式。根據(jù)一些數(shù)據(jù)源，利用式(4)可計(jì)算每個(gè)NPD 壩址的月平均流量:

式中，流域面積是NPD 上的流域累計(jì)面積;徑流量是月平均流量的標(biāo)準(zhǔn)值;采用NID 和NHDPlus 計(jì)算每座NPD 的流域面積。利用NID 和NHDPlus 流網(wǎng)進(jìn)行空間分析，從而找出每座NPD 所在的流線。據(jù)1999～2008 年對5 595 座USGS NWIS 水文站持續(xù)觀測的徑流量資料，計(jì)算所有流域的月平均流量。對每座NPD 而言，將流域徑流量和流域面積代入式(4)即可計(jì)算月流量。

3.3 水 頭

精確地講，水頭是指總水頭(即壩前水位和尾水水位之間的高差)，但未能在數(shù)據(jù)庫中找出。因此，可利用NID 中的3 種高度(水頭高度、壩高以及壩體高度)計(jì)算總水頭。

依據(jù)NID 中可用信息，使用一系列經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算NPD 的總水頭。在較大干流上的NPD，利用USACE 船閘提升高度等數(shù)據(jù)，有助于提供更具說服力的總水頭計(jì)算結(jié)果。

在水電能蘊(yùn)藏量的計(jì)算中，尾水位是未知的。多數(shù)情況下，水頭的季節(jié)性變化也屬于未知量。

3.4 Cf和潛在發(fā)電量

根據(jù)2001～2008 年每座已建水電站的發(fā)電量和裝機(jī)容量，可用公式(2)分別計(jì)算Cf。年均水力發(fā)電量作為一個(gè)權(quán)重系數(shù)，可用來計(jì)算每個(gè)水文區(qū)域內(nèi)的平均Cf。因此，一個(gè)區(qū)域的Cf是現(xiàn)發(fā)電量與發(fā)電機(jī)持續(xù)不斷運(yùn)轉(zhuǎn)的最大可能發(fā)電量之比。可利用公式(3)中的Cf用來預(yù)測潛在的NPD 水電蘊(yùn)藏量。

根據(jù)水頭和月平均流量，按公式(1)可計(jì)算NPD的月均潛在發(fā)電量，NPD 年均潛在發(fā)電量是月均潛在發(fā)電量之和，將年潛在發(fā)電量和區(qū)域蘊(yùn)藏量代入公式(3)中，即可計(jì)算潛在蘊(yùn)藏量。

3.5 水的可利用性

可利用水量是潛在發(fā)電量的決定因素，不同地區(qū)的可利用水量值變化較大。降水量(P)和徑流量(Q)是兩個(gè)重要變量，其比值表示扣除土壤蒸發(fā)蒸騰總水量、地表下滲水量以及其他內(nèi)部水文過程的損失水量后，降水量最終可供利用的百分比。雖然Q/P 比值不直接參與NPD 潛能的計(jì)算，但卻是區(qū)域可利用水量的一項(xiàng)指標(biāo)，有助于計(jì)算水力發(fā)電量。

3.6 質(zhì)量控制

質(zhì)量控制是一項(xiàng)耗時(shí)的工作，不能應(yīng)用于所有的NPD。因此，首先應(yīng)對水電蘊(yùn)藏量較大的NPD 進(jìn)行人工排查，繼而以發(fā)電潛能的降序逐一進(jìn)行檢查。目前，已對近1 000 座水電潛能較大的NPD 進(jìn)行了初步檢查，典型錯誤是不切實(shí)際的大流量會導(dǎo)致過高地評估發(fā)電潛能。通常是由于NPD 坐標(biāo)和屬性不夠精確、不同地區(qū)水文特性各不相同、NID 和NHD 之間坐標(biāo)不一致、NID 屬性信息過時(shí)，以及過高地評估徑流式水壩和高壩水頭。

4 結(jié) 論

根據(jù)大壩的可用信息，從數(shù)據(jù)庫里獲取的大壩特征近似數(shù)據(jù)以及水文變量，對美國54 391 座NPD 的潛在水力發(fā)電量和水電蘊(yùn)藏量進(jìn)行了評估，評估中未考慮其可行性、環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)效益。到目前為止，估算的潛在水電蘊(yùn)藏量和年均發(fā)電量分別為12 GW和45 TW·h/a，約為美國已建水電站發(fā)電總量的15%。大部分NPD 的潛在水電能源蘊(yùn)藏量都較小，水電蘊(yùn)藏量超過1 MW 的597 座壩累計(jì)水電蘊(yùn)藏量占總水電蘊(yùn)藏量的近90%。這些NPD 大都位于俄亥俄河流域以及密西西比河流域的上、下游。通常閘壩的水電蘊(yùn)藏量較高，這是因?yàn)槠浣ㄔO(shè)目的是航運(yùn)而非供水和灌溉，如USACE 建設(shè)的87 座閘壩，其水電潛在蘊(yùn)藏量可達(dá)6.9 GW。

大部分潛在水電蘊(yùn)藏在俄亥俄河流域、密西西比河流域上游、阿肯色河流域的白河與紅河等3 個(gè)地區(qū)較大河流上的航運(yùn)閘壩中。水力發(fā)電量最大的分布在阿拉巴馬州、阿肯色州、伊利諾伊州、肯塔基州、賓夕法尼亞州、田納西州以及路易斯安那州，這主要是因?yàn)槎砗ザ砗雍铀髁枯^大且建設(shè)了一系列閘壩。在水電能源相對較少的地區(qū)增加投資力度，開發(fā)NPD這一新的發(fā)展方向，有助于美國國水電投資在空間分布上的多樣化。此外，水電也是對潛在風(fēng)能及太陽能利用的有益補(bǔ)充。

如果進(jìn)一步考慮經(jīng)濟(jì)制約、可用水量、環(huán)境和社會等因素，選擇適合模型(例如高山區(qū)大壩壓力管道模型)，則可進(jìn)一步提升預(yù)測水電潛力的準(zhǔn)確性。這些因素造成的影響有待于進(jìn)一步研究。