提高水電工程應(yīng)對(duì)氣候變化的能力

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提高水電工程應(yīng)對(duì)氣候變化的能力

摘要:美國(guó)能源部向議會(huì)提交的一份評(píng)估報(bào)告顯示，全球氣候變化將對(duì)聯(lián)邦政府的水力發(fā)電造成影響。詳細(xì)闡述了聯(lián)邦政府水電工程將會(huì)受到的氣候變化的影響，涉及博納維爾地區(qū)、東北地區(qū)、西北地區(qū)，以及西部地區(qū)徑流、降雨及發(fā)電量的預(yù)計(jì)變化。提出了改進(jìn)評(píng)估的方法，并對(duì)未來(lái)的評(píng)估模式及評(píng)估的精確性做出了展望。

關(guān)鍵詞:水力發(fā)電工程;氣候變化;影響評(píng)估;徑流;降雨;美國(guó)

1　美國(guó)聯(lián)邦政府水電工程概況

美國(guó)水電總裝機(jī)容量有95 GW，其中，77 GW為傳統(tǒng)水電; 50%的水電項(xiàng)目為聯(lián)邦政府所有。聯(lián)邦政府水電項(xiàng)目已成為美國(guó)可再生能源重要的一部分。美國(guó)陸軍工程師團(tuán)(USACE)、美國(guó)墾務(wù)局以及國(guó)際邊界及水域委員會(huì)(IBWC)擁有并運(yùn)行著聯(lián)邦政府共132座水電站。USACE的水電工程分布在美國(guó)16個(gè)州，總裝機(jī)容量為21．5 GW;美國(guó)墾務(wù)局在西部地區(qū)的11個(gè)州共有裝機(jī)容量15．1 GW; IBWC在格蘭德河上擁有并運(yùn)行著2座水電站，裝機(jī)容量為100 MW。

上述幾個(gè)實(shí)體機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)運(yùn)行聯(lián)邦政府水電工程，美國(guó)電力銷(xiāo)售管理局(PMA)下屬的4個(gè)地區(qū)管理局則負(fù)責(zé)對(duì)生產(chǎn)的電力進(jìn)行市場(chǎng)銷(xiāo)售。它們分別為博納維爾(Bonneville)電力管理局、東南(Southeastern)電力管理局、西南(Southwestern)電力管理局、以及西部(Western Area)地區(qū)電力管理局。

由于氣候、徑流、以及水電設(shè)備狀況的改變，致使聯(lián)邦政府的發(fā)電狀態(tài)每年都會(huì)發(fā)生變化。此外，發(fā)電情況還受到來(lái)自非電力用戶(hù)以及瀕危物種保護(hù)要求方面的影響。

與其他水電項(xiàng)目一樣，聯(lián)邦政府水電項(xiàng)目對(duì)水資源可利用量十分敏感，其中以徑流最具有代表性。徑流量的變化對(duì)聯(lián)邦政府年均水力發(fā)電量會(huì)造成66%～98%不等的影響。越來(lái)越多的證據(jù)表明，氣候變化將對(duì)徑流的時(shí)間和總量產(chǎn)生不利影響。

正因?yàn)槿绱耍绹?guó)能源部應(yīng)要求向議會(huì)提交了一份報(bào)告，里面記錄了全球氣候變化對(duì)聯(lián)邦政府水力發(fā)電的觀(guān)測(cè)及預(yù)測(cè)結(jié)果的影響。隨后，美國(guó)能源部利用氣候模型和水文及發(fā)電數(shù)據(jù)對(duì)該影響開(kāi)展了一項(xiàng)全國(guó)性的研究，并于2003年8月，發(fā)布了題為“氣候變化對(duì)聯(lián)邦政府水力發(fā)電的影響”的報(bào)告。

2　未來(lái)的氣候和發(fā)電

該報(bào)告由美國(guó)能源部能源效率和可再生能源辦公室擬制，橡樹(shù)嶺(Oak Ridge)國(guó)家圖書(shū)館方面也參與了報(bào)告的編寫(xiě)。它是第一份針對(duì)關(guān)于聯(lián)邦政府水力發(fā)電受氣候變化影響所作的綜合性評(píng)價(jià)報(bào)告(由于田納西流域管理局的電力不由PMA進(jìn)行銷(xiāo)售，所以不包含田納西流域管理局)。該報(bào)告對(duì)氣候變化帶來(lái)的影響和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了客觀(guān)的量化評(píng)估，可應(yīng)用于PMA下屬的4個(gè)地區(qū)，內(nèi)容包括:

(1)水電運(yùn)行對(duì)氣候變化的敏感性歷史分析;

(2)基于氣候模型的未來(lái)水電影響分析;

(3)其他氣候研究與模型結(jié)果的對(duì)比性分析文獻(xiàn)綜述。

美國(guó)能源部的報(bào)告，對(duì)未來(lái)30 a聯(lián)邦政府水電項(xiàng)目供水流域的氣候變量將會(huì)引起的潛在變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。這些變量包括:氣溫、降水、年度及季度徑流、不同水文年頻率、以及枯水期相對(duì)于現(xiàn)狀的強(qiáng)度。

2．1博納維爾地區(qū)

該地區(qū)的預(yù)測(cè)年度降水與其他所有評(píng)價(jià)地區(qū)的近期歷史記錄具有一致性，而季度降水則存在不同。冬季降水量變化不大，變化較大的是時(shí)間，而非降水總量。這就意味著夏季的降水量會(huì)更少，春秋季的降水量則會(huì)更多。

由于氣溫升高對(duì)融雪時(shí)間和蒸發(fā)量會(huì)產(chǎn)生影響，因此，對(duì)博納維爾地區(qū)的預(yù)測(cè)徑流量變化與降水量的變化也有所不同。預(yù)計(jì)夏季徑流量將會(huì)減少20%以上，枯水年頻率從每10 a 2次增加到3次。與現(xiàn)期情況相比，枯水期的強(qiáng)度在夏季可能會(huì)增加(亦即可用水量減少) 30%～40%。

博納維爾地區(qū)的預(yù)計(jì)徑流量的變化可能會(huì)引起聯(lián)邦哥倫比亞電力系統(tǒng)年均發(fā)電量發(fā)生變化。在近期(2010～2024年)，該地區(qū)的年均發(fā)電量預(yù)計(jì)會(huì)增加13億kW·h，相比1989～2008年間的歷史平均發(fā)電量，會(huì)減少2%;中期(2025～2039年)，預(yù)計(jì)會(huì)增加26億kW·h。

2．2西部地區(qū)

據(jù)估計(jì)，該地區(qū)年均降水量大體處在基準(zhǔn)水平。然而在密蘇里地區(qū)，年度及夏季的降水量預(yù)計(jì)會(huì)增加，而格蘭德河地區(qū)的降水量則會(huì)減少。整個(gè)西部地區(qū)的徑流減少幅度大于降水減少幅度，只有密蘇里地區(qū)的徑流量四季均為增加。

西部地區(qū)的年均發(fā)電量預(yù)計(jì)在近期及中期均會(huì)有增加。但是，如果短期內(nèi)的徑流率超過(guò)了水庫(kù)的水力容量，或水庫(kù)調(diào)度變化使可發(fā)電的水量減少，那么這一情況則不能完全實(shí)現(xiàn)。在博納維爾及西部地區(qū)的北部，洪水調(diào)度可能會(huì)面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。

整個(gè)西部地區(qū)的年均發(fā)電量預(yù)計(jì)在近期會(huì)增加60億kW·h (22%)，在中期會(huì)增加55億kW·h (20%)。

2．3西南地區(qū)

由于高溫加劇了蒸散，減小了徑流降水比率，該地區(qū)的徑流量變化幅度預(yù)計(jì)比降水的變化要大。對(duì)于整個(gè)西南地區(qū)來(lái)說(shuō)，預(yù)計(jì)夏季會(huì)更加干燥，枯水期的強(qiáng)度也將會(huì)比前20 a增加10%～30%。

與1989～2008年間的歷史觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)相比，西南地區(qū)的平均發(fā)電量預(yù)計(jì)在近期大約會(huì)減少1億kW·h (1．8%)，在中期大約會(huì)減少5億kW·h (7．7%)。

2．4東南地區(qū)

該地區(qū)徑流量的變化預(yù)計(jì)比降水量的變化會(huì)更強(qiáng)烈，與西南地區(qū)相似。在枯水期，強(qiáng)度將會(huì)比現(xiàn)在增加10%～30%，整個(gè)東南地區(qū)每10 a將會(huì)出現(xiàn)1～2 a的枯水年。

就聯(lián)邦發(fā)電量而言，預(yù)計(jì)近期將會(huì)增加2．7億kW·h(3．6%)，中期的發(fā)電量不會(huì)變化。盡管預(yù)計(jì)將來(lái)的枯水年會(huì)有所增加，然而年均發(fā)電量的范圍將與近年相似。

3　建議

議會(huì)在收到第一份報(bào)告之后，即要求能源部每5 a重新進(jìn)行一次評(píng)估，直至2023年為止。以下是改進(jìn)后續(xù)評(píng)估的一些方法。

(1)對(duì)所有聯(lián)邦水電站的運(yùn)行及發(fā)電進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集以及存儲(chǔ)與分析，至少每月提交一份分析報(bào)告。

(2)開(kāi)發(fā)更詳細(xì)的建模手段，將工程運(yùn)行和氣候變量與發(fā)電模式和水資源管理決策關(guān)聯(lián)起來(lái)。

(3)把氣候變化評(píng)估與其他水資源規(guī)劃項(xiàng)目進(jìn)行整合，而且將可用水資源的所有影響因素都考慮進(jìn)來(lái)。

(4)探索每個(gè)PMA地區(qū)內(nèi)部電力系統(tǒng)的互動(dòng)，以及PMA地區(qū)與更大地區(qū)市場(chǎng)之間的互動(dòng)。

(5)鼓勵(lì)科學(xué)家開(kāi)發(fā)未來(lái)氣候模型，將影響水電的關(guān)鍵變量納入到氣候模型中。

PMA也對(duì)報(bào)告給予了建議，博納維爾電力管理局(BPA)表示，能源局的評(píng)估強(qiáng)化了其對(duì)西北水電系統(tǒng)的了解，而且還認(rèn)為系統(tǒng)的運(yùn)行將會(huì)面臨以下主要風(fēng)險(xiǎn)。

(1)預(yù)計(jì)近期和中期的年均發(fā)電量會(huì)有小幅度的變化;

(2)季度發(fā)電量會(huì)發(fā)生變化，夏季的發(fā)電量會(huì)減少;

(3)流域梯級(jí)水電站保持夏季水質(zhì)和最小流量的能力減弱;

(4)高溫引起的能源需求量增加;

(5)遠(yuǎn)期水流的波動(dòng)性增加，從而導(dǎo)致生產(chǎn)的電力剩余減少以及季節(jié)性的價(jià)格波動(dòng)，并最終導(dǎo)致電力消費(fèi)價(jià)格增加。

BPA表示不會(huì)立即做出改變，但將對(duì)氣候變化及其潛在影響繼續(xù)開(kāi)展研究。同時(shí)指出，由于氣候變化的本質(zhì)和人類(lèi)對(duì)其了解不足，可能會(huì)出現(xiàn)一些意外情況。因此，開(kāi)展持續(xù)研究和適應(yīng)性管理是為將來(lái)的不確定性做好應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備的最佳方式。

4　大壩應(yīng)對(duì)氣候影響的能力

由于對(duì)水質(zhì)和魚(yú)道會(huì)產(chǎn)生破壞性影響，致使大壩一直飽受非議。但最近的一項(xiàng)研究表明，大壩為哥倫比亞河流域的氣候變化影響提供了生態(tài)及工程性的恢復(fù)力。

該研究報(bào)告最近發(fā)表于《加拿大大氣－海洋》雜志，報(bào)告研究了1950～2010年間氣候變暖對(duì)哥倫比亞河7個(gè)子流域上游和下游水流的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，年均融雪徑流的峰值提前了幾天，但是下游的影響可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗畮?kù)的運(yùn)行抵消了這些影響。

J．瓊斯(Jones)是俄勒岡州立大學(xué)地球海洋及氣候科學(xué)學(xué)院的一名水文學(xué)家，也是該研究報(bào)告的研究人員之一。她認(rèn)為，大壩使用工程運(yùn)行手段緩沖了氣候變暖帶來(lái)的影響。由于大壩和水庫(kù)的運(yùn)行，哥倫比亞河流域的水流并未受到氣候變暖的影響，但其他地方也可能不同。

J．瓊斯還表示，水庫(kù)的運(yùn)行，是通過(guò)在洪水期攔蓄上游洪峰并在夏季末增加流量，從而減少了水流變化的幅度。水庫(kù)運(yùn)行是將防洪放在第一位，但同時(shí)也為魚(yú)類(lèi)遷徙、水力發(fā)電、航運(yùn)以及娛樂(lè)休閑采取泄水措施。

這些社會(huì)因素以及氣候變化的影響可能為水流帶來(lái)更多的潛在影響，然而由于大壩運(yùn)行，哥倫比亞河的水文線(xiàn)數(shù)十年仍然能夠保持穩(wěn)定。

水流受氣候變化影響的一些跡象在上游表現(xiàn)得很明顯，但在下游卻并非如此。過(guò)去對(duì)哥倫比亞河的流量管理主要是集中在水流時(shí)間上。迄今為止，盡管水庫(kù)運(yùn)行存在爭(zhēng)議，但是哥倫比亞河的水資源缺乏問(wèn)題卻并不如其他地區(qū)，比如克拉馬斯(Klamath)河流域嚴(yán)重。

該研究得到了國(guó)家科學(xué)基金的資助，研究范圍包括哥倫比亞河的7個(gè)子流域，它們分別是布魯諾(Bruneau)河、恩蒂亞特(Entiat)河、斯內(nèi)克(Snake)河、龐多雷(Pend Oriele)河、普里斯特(Priest)河、薩爾蒙(Salmon)河，以及威拉米特(Willamette)河。

進(jìn)行長(zhǎng)期研究的優(yōu)勢(shì)在于能夠進(jìn)行細(xì)致而長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，以獲取氣候是如何變化的資料。以哥倫比亞河為例，特別是在該河的下游，由于工程因素，氣候變化的影響并非如一些人最初所擔(dān)心的那樣可怕。

未來(lái)也有可能會(huì)仍將如此，但是很難預(yù)測(cè)。能否見(jiàn)到強(qiáng)烈的氣候變化跡象而導(dǎo)致的水資源短缺，還要取決于未來(lái)幾十年社會(huì)因素與氣候變化之間的互動(dòng)性。

5　建議

建議維持并增強(qiáng)適應(yīng)現(xiàn)有氣候變化的能力，以減輕西部地區(qū)潛在的氣候變化影響。目前，西部地區(qū)擁有大量的水資源儲(chǔ)存能力，包括水庫(kù)及自然冰雪，能很好地對(duì)未來(lái)數(shù)周或數(shù)月的水文及運(yùn)行條件進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí)，該地區(qū)電力輸送的合同條款允許調(diào)整，還能在枯水期購(gòu)買(mǎi)電力，并在豐水期銷(xiāo)售多余的電力。

與此相反的是，西南地區(qū)的河流并沒(méi)有很強(qiáng)的水資源存儲(chǔ)能力，也缺乏存儲(chǔ)自然冰雪水資源的山區(qū)，因此，西南地區(qū)發(fā)電必須直接依賴(lài)降水。能源部的評(píng)估認(rèn)為，西南地區(qū)氣候變暖所引起的長(zhǎng)期變化應(yīng)在該地區(qū)已遭受的可變化度之內(nèi)。然而，該地區(qū)必須對(duì)可能影響流量、蓄水、工程運(yùn)行以及水力發(fā)電容量的因素保持警惕。需要特別引起注意的是，干旱頻率的增加以及夏季溫度升高都可能會(huì)引起能源需求量的增加。

西南地區(qū)所有的水電工程均有多個(gè)功能，這些功能對(duì)每個(gè)工程的運(yùn)行均會(huì)有影響。該地區(qū)一直在持續(xù)關(guān)注氣候和水文條件對(duì)來(lái)水量的影響，并主動(dòng)實(shí)施了響應(yīng)舉措。而東南地區(qū)則表示，已經(jīng)采取了市場(chǎng)策略和政策以對(duì)嚴(yán)重干旱進(jìn)行有效的調(diào)控，并將會(huì)持續(xù)下去。

6　未來(lái)的變化

美國(guó)能源部于2013年的報(bào)告，為氣候影響以及聯(lián)邦水電工程的變化提供了新的說(shuō)明。盡管未來(lái)幾十年這些挑戰(zhàn)在整個(gè)國(guó)家規(guī)模上仍處于可控范圍內(nèi)，但一些特殊的地區(qū)和季節(jié)性調(diào)控實(shí)施起來(lái)會(huì)更艱難。能源局已經(jīng)發(fā)出警告，這些挑戰(zhàn)在21世紀(jì)的下半葉將會(huì)變得更加嚴(yán)重。

更長(zhǎng)期的影響則超過(guò)了此次報(bào)告的范圍，比如改變水庫(kù)的運(yùn)行方式以滿(mǎn)足新的非電力使用的需求、聯(lián)邦水電工程設(shè)施的老化可能會(huì)導(dǎo)致可靠性降低和電力中斷等。

綜上所述，能源局表示，未來(lái)的評(píng)估將會(huì)著眼于氣候與非氣候因素對(duì)水資源的影響，以及水庫(kù)運(yùn)行的短期(季節(jié)性)變化以減小影響。

(陳敏白韌編譯)

收稿日期:2015-06-26

文章編號(hào):1006-0081(2015) 09-0006-03

中圖法分類(lèi)號(hào):TV63

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A