氣候變化對剛果河英加瀑布水資源和水力發(fā)電的影響

[挪威]　B.哈姆杜杜 等

水文水資源

氣候變化對剛果河英加瀑布水資源和水力發(fā)電的影響

[挪威]B.哈姆杜杜 等

摘要：在不同地區(qū)，氣候變化對水力發(fā)電可能產(chǎn)生不同程度的影響。這些影響具有不確定性。采用了水文和水力模擬方法，對水力發(fā)電能力變化的影響進行評價，得出了剛果河英加水電站一期、二期項目的評價結(jié)果。結(jié)果表明，到21世紀末，剛果河的水電資源可能以1%～4%的速率增長；季節(jié)性分析顯示，除了3～5月這一時段徑流量減少以外，其他季節(jié)徑流量均略有增加。

關(guān)鍵詞：水資源；水力發(fā)電工程；影響評價；剛果河流域；英加水電站

1研究背景

2011年，國際能源機構(gòu)(IEA)預(yù)言，在“可再生能源利用日益增長的情景”下，2008～2035年，利用可再生能源的發(fā)電量將會增加至原來的3倍。水力發(fā)電將為滿足世界日益增長的用電需求作出重大貢獻。該機構(gòu)指出，可再生能源的發(fā)電量在全球發(fā)電量的占比將從19%增加至1/3左右，與煤炭資源發(fā)電量相當(dāng)。同時，IEA的相關(guān)資料顯示，全球?qū)嶋H水力發(fā)電潛力是當(dāng)前發(fā)電量的2～3倍以上，絕大多數(shù)開發(fā)潛力集中在非洲、亞洲和拉丁美洲。撒哈拉以南非洲(SSA)目前正遭受長期而持續(xù)的用電危機，只有31%的人口可以用上電，剩下近6億人口的用電需求仍得不到滿足。作為一種成熟的、可再生的、具有一定規(guī)模和成本效益的能源，水力發(fā)電成本低廉，大約為0.05～0.07美元/(kW·h)?？偟膩碚f，非洲有豐富的水能資源，其發(fā)電量可用于家庭、企業(yè)、工業(yè)、診所和學(xué)校，以促進經(jīng)濟發(fā)展、創(chuàng)造就業(yè)機會并改善生活等。然而，目前的水電資源僅有10%左右得到開發(fā)。

剛果(金)的綜合水電潛力約為100 GW，居世界第三位，迄今為止，已經(jīng)開發(fā)的僅占2.5%。英加水電站擁有超過40 GW的水電開發(fā)潛力，可能成為世界上最大的水電站，生產(chǎn)可再生能源的成本約為0.03美元/(kW·h)。從近年來的能源生產(chǎn)趨勢可以看出，雖然能源產(chǎn)量在剛果(金)整體范圍內(nèi)的增加量非常少，但是在區(qū)域范圍內(nèi)有所增加。

剛果(金)有成為電力出口國的趨勢，這將為國家?guī)碡斦杖?，從而加速水電開發(fā)以服務(wù)國內(nèi)居民和企業(yè)。剛果(金)是中部非洲電力聯(lián)營(CAPP)和南部非洲電力聯(lián)營(SAPP)的成員。由于已經(jīng)與SAPP的電網(wǎng)并網(wǎng)，SAPP成員國為其水力發(fā)電提供了天然的市場。然而，人口增長、農(nóng)村電氣化和經(jīng)濟增長也導(dǎo)致需求增加，電氣化率已經(jīng)從1999年的不到20%上升至2012年的近31%。

氣候變化是21世紀面臨的重大挑戰(zhàn)之一。氣候變化及其對降水和溫度的影響將會影響水力發(fā)電。一些評估報告均對氣候變化引起的水文脆弱性進行了評述。由于庫容為水電站運行提供了靈活性，因此庫容小的水電系統(tǒng)更容易受到氣候變化的影響。考慮到水力發(fā)電的重要作用，評估氣候變化對剛果河流域水資源和水力發(fā)電可能產(chǎn)生的影響對水資源管理和水力發(fā)電具有重要意義。預(yù)計南部非洲將出現(xiàn)少雨現(xiàn)象；而其他地區(qū)，如東部非洲，將會出現(xiàn)多雨現(xiàn)象；中部非洲并沒有被直接反映出來，但預(yù)計溫度將上升3.4 ℃。

一項針對氣候變化對水力發(fā)電影響的研究結(jié)果認為，全球范圍內(nèi)的水力發(fā)電量有可能以0.08%的速率增長，然而，預(yù)計非洲將有小幅下降，下降幅度為0.05%。研究表明，東部非洲的水力發(fā)電量可能以0.59%的速率增長，中部非洲增長幅度為0.22%，西部非洲為0.03%。預(yù)計非洲南部和北部的水力發(fā)電量將分別以0.83%和0.48%的速率減少。另外，對安哥拉的寬扎(Kwanza)河、馬拉維的希雷(Shire河和贊比亞的卡邦波(Kabompo)河、喀輔埃(Katue)河和贊比西(Zambezi)河的一些流域進行了區(qū)域評估研究，結(jié)果顯示水力發(fā)電量的減少達30%。雖然目前的研究尚未具體到剛果河流域，但還是有一些針對氣候變化對水資源和水力發(fā)電區(qū)域影響的其他研究。最新一些研究主要集中在贊比西河流域、博茨瓦納的奧卡萬戈(Okavango)三角洲、津巴布韋和莫桑比克的蓬圭(Pungwe)河流域。幾乎所有這些針對非洲南部的研究都可以得出結(jié)論：這些流域的水資源量將有所減少，并且隨著用水戶之間競爭的加劇，水資源供給將會更加緊張。最近的氣候和水文研究表明，中非共和國的降水將受南大西洋熱帶和亞熱帶地區(qū)海洋表面溫度(SST)差異的控制，預(yù)計流域北部降水量將會減少，因此，徑流也會相應(yīng)減少。這項研究旨在探討氣候變化對剛果河流域水資源的影響。

2研究區(qū)域

剛果河位于非洲中部，全長4 400 km，流域面積380萬 km2。該流域主要是熱帶雨林，在與大西洋交匯處的西部和南部地區(qū)的溫度變化范圍為25℃～30℃，上游到東部地區(qū)的溫度變化范圍為20℃～25℃。

圖1　剛果河流域南北部地區(qū)溫度、降雨差異

圖2　觀測徑流

圖1為剛果河流域北部和南部地區(qū)溫度(圖1(a))和降雨(圖1(b))差異。從兩個地區(qū)的情況來看，很顯然，剛果河流域兩側(cè)的變化情況幾乎相同，季節(jié)變化比較小。北部地區(qū)全年降雨，雨季可以劃分為兩個時期：3～5月以及9～11月。不同于北部地區(qū)，南部站點呈現(xiàn)NUI峰雨型。盡管降雨開始于10月下旬，并可持續(xù)到次年4月底，但是雨季僅出現(xiàn)在12月至次年2月。徑流觀測值如圖2(a)所示。顯然，直到20世紀60年代，徑流呈現(xiàn)逐漸增長趨勢。此后，可以觀察到大部分非洲中部和南部的徑流呈逐漸下降趨勢。分布直方圖(圖2(b))顯示，剛果河月流量仍然保持相對較高的水平，平均流量約為39 000 m3/s。

英加水電站的主要參數(shù)和數(shù)據(jù)如表1所示。該項目的發(fā)展規(guī)劃是首先增建英加水電站三期(IngaIII)， 其裝機將達3 500 MW。最終建成大英加水電站，橫跨剛果河，總裝機容量達39 500 MW，將成為世界上最大的水電站。

圖3　分析方法和步驟

水電站水頭/m過機流量/(m3·s-1)機組號裝機容量/MW產(chǎn)能/MW英加水電站一期5078063512.4水電站二期5828008142410.4水電站三期60630016350023.5大英加水電站150264005239500288

注：英加水電站三期和英加水電站仍處于開發(fā)研究中

3方法

采用統(tǒng)計學(xué)上降尺度規(guī)模化的大氣環(huán)流模式(GCM)在流域站點系列輸出的方法，研究氣候變化影響。降尺度是根據(jù)當(dāng)前和未來氣象預(yù)報，通過單站點地面氣象月變量情形的統(tǒng)計工具加以實現(xiàn)。圖3為本文分析所采用的方法。從全球歷史氣候網(wǎng)(GHCN)33個站點數(shù)據(jù)進行選擇，發(fā)現(xiàn)只有19個站點有數(shù)據(jù)并可以用于降尺度研究。

將降尺度結(jié)果作為水文模擬過程的輸入值。采用PITMAN水文模型模擬月時間尺度，以月為時間周期，對剛果河流域來說是合理的。PITMAN水文模型所需的數(shù)據(jù)輸入值包括流域面積、流域平均降雨量的時間序列、蒸發(fā)量的季節(jié)分布、灌溉用水需求、其他用水需求和月參數(shù)分布因素。首先，利用所選時間段(1961～1990年)和未來時間段的觀測數(shù)據(jù)，對模型進行人工校準，包括1961～1982年的溫度、降雨和排放量數(shù)據(jù)資料。

為了進行水文模擬，將英加水電站一期和英加水電站二期作為nMag模型中的1個單元。為便于計算和分析，在模型構(gòu)建過程中，將這兩個電站水庫結(jié)合起來作為一個獨立的水庫。對英加水電站一期和英加水電站二期組成的系統(tǒng)進行了模擬，總發(fā)電量為每年12.8 TW·h。用所選時段(1961～1990年)模擬的流量來模擬目前的發(fā)電水平，后期的流量被用于未來階段的模擬。

4結(jié)果

分析表明，未來剛果河流域北部地區(qū)降雨量將減少，南部地區(qū)將會增加，中部地區(qū)可能維持原狀。雖然降雨在所有季節(jié)中都會發(fā)生變化，但是預(yù)計在兩個雨季的變化影響大于其他季節(jié)。預(yù)計南北部地區(qū)最高溫度和最低溫度均會提高，但最高溫度的變化最為顯著。與降雨不同，溫度變化相對較小，但增加趨勢是一致的。

圖4　流域北部地區(qū)降雨變化情況

所選站點的降尺度模型結(jié)果如圖4(a)所示。剛果盆地北部地區(qū)1～3月降雨增加，但在其他月份略有下降，造成全年呈現(xiàn)下降趨勢。在降雨量變化方面，12月至次年2月比其他季節(jié)的變化更為顯著。

水文模型典型月校準情況表明，模擬過程存在一些問題，模擬高流量時，估值過高，而模擬低流量時，估值偏低。由于剛果河的徑流數(shù)據(jù)有限，因此，校準采用金沙薩(Kinshasa)測量站的徑流資料，而假定PITMAN模型的校準參數(shù)在流域內(nèi)是相同的。盡管整個流域被細分為12個模塊，但每個子流域模塊缺乏獨立校準的觀測流量數(shù)據(jù)。

5討論

降尺度過程需要良好的降雨、溫度觀測數(shù)據(jù)，這對剛果河流域來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。目前，已經(jīng)有幾個站點，觀測數(shù)據(jù)系列比較短，部分的數(shù)據(jù)已經(jīng)丟失，并且準確度不高。流量的測量也是如此，使降雨徑流模擬成為一項艱巨任務(wù)。

剛果河流域水力發(fā)電量變化的nMag模擬結(jié)果如表2所示。盡管徑流量在第一階段(2011～2040年期間)略有減少，但未來呈現(xiàn)增加趨勢。到21世紀末，剛果河流域流量可能略有增加，年增幅在1%～4%范圍內(nèi)。

表2　剛果河流域水力發(fā)電量變化的nMag模擬結(jié)果

綜上所述，分析表明，預(yù)計流域內(nèi)降雨和溫度會有所增加，這將導(dǎo)致徑流量略有增加。然而，預(yù)計流域北部徑流量基本保持不變，只有輕微下降。南部地區(qū)增長幅度可能高達2%～10%，北部地區(qū)降雨量下降幅度在5%～15%范圍內(nèi)。觀測數(shù)據(jù)的缺乏是流域建模的關(guān)鍵制約因素。

雖然有一些流域的徑流有所減少，但是預(yù)計非洲中部很多地方的徑流將會增加，并且還存在地區(qū)差異，不同流域所受到的影響也有所不同。總的來說，水資源形勢比較樂觀，中部非洲地區(qū)的徑流可能會增加或基本保持不變(如表2所示)。

6結(jié)論

(1) 在水電站的規(guī)劃、設(shè)計和運行過程中，如果所使用的水文資料缺乏可靠性，會嚴重損害水電系統(tǒng)的性能并降低其運行效率。預(yù)計氣候變化將會增加水文數(shù)據(jù)不準確性的風(fēng)險。由于依據(jù)歷史資料準確性較差，又在此基礎(chǔ)上進行推演，其可靠度將越來越低。

(2) 氣候變化影響評估的結(jié)果顯示，剛果盆地水資源形勢較為樂觀。分析表明，未來水力發(fā)電量將會增加，這與其他研究結(jié)論是一致的。也就是說，剛果盆地將不會受到負面影響。應(yīng)當(dāng)指出的是，盡管對整個剛果河來說，發(fā)電量是增加的，但匯入剛果河的不同區(qū)域之間仍可能存在差異。因此，有必要進行小尺度范圍的評估，以便更好地了解氣候變化的影響。

靳潤芳方麗杰譯

(編輯：李慧)

印度尼西亞政府進行大規(guī)模的大壩施工招標

目前，印度尼西亞公共工程和住房部部長表示，政府將力爭于2016年6月前為8座大壩完成總價值6.46億美元的施工招標工作。

規(guī)劃中的8座大壩分別位于蘇門答臘島、蘇拉威西島和爪哇島，其中包括蘇門答臘島造價7 400萬美元的蘇科哈焦(Sukoharjo)大壩；蘇拉威西島造價5 000萬美元的拉東基(Ladongi)大壩；爪哇島造價8 900萬美元的芝牙威(Ciawi)大壩以及造價1.6億美元的芝巴納斯(Cipanas)大壩等。

這些施工招標將同時向私人投資者開放。一些中標企業(yè)也將與私人承包商合作進行工程建設(shè)。據(jù)政府估計，這8座大壩竣工后，總興利庫容將達4 070 m3，可用于農(nóng)田灌溉，并發(fā)揮顯著的防洪效益。據(jù)報道，預(yù)計截止到2016年6月，政府將每兩周進行一次工程熱源招標。同時根據(jù)國家的戰(zhàn)略目標，到2019年，該國政府將建成28座大壩，其中16座大壩已于2014年完成招標，正在進行工程建設(shè)。另外12座大壩也在2015年進行了招標。

(周虹編譯)

收稿日期：2016-02-05

文章編號：1006-0081(2016)04-0013-04

中圖法分類號：TV213;P311

文獻標志碼：A