美國(guó)水利基礎(chǔ)設(shè)施及內(nèi)陸水系投資案例分析

[美國(guó)]　D.A. 埃爾彭貝克 等

美國(guó)水利基礎(chǔ)設(shè)施及內(nèi)陸水系投資案例分析

[美國(guó)]D.A. 埃爾彭貝克 等

摘要：為滿(mǎn)足水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和內(nèi)河航運(yùn)體系修復(fù)的需求，北美每年需投入資金超過(guò)4.5億美元。據(jù)估計(jì)，未來(lái)北美在這方面的投資規(guī)模會(huì)更大，以滿(mǎn)足現(xiàn)行體系的需求。鑒于區(qū)域基礎(chǔ)設(shè)施已達(dá)到使用極限，對(duì)工程修復(fù)的投資刻不容緩。從水電站、航運(yùn)等方面闡述了基礎(chǔ)設(shè)施需要修復(fù)的根本原因，以及老化問(wèn)題對(duì)水電站和船閘的影響，提出了解決方案，對(duì)水利基礎(chǔ)設(shè)施修復(fù)的投資分析具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：水利；基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)；修復(fù)；投資分析；美國(guó)

北美地區(qū)水電站、大壩和航運(yùn)體系等基礎(chǔ)設(shè)施都存在老化問(wèn)題。據(jù)美華集團(tuán)(MWH)近期評(píng)估，維護(hù)老化水電站和內(nèi)河航運(yùn)系統(tǒng)的船閘分別需要2.5億和2億美元投資?，F(xiàn)首當(dāng)其沖應(yīng)改善基礎(chǔ)設(shè)施，而不是積極推進(jìn)新項(xiàng)目。下面分別從水電站和航運(yùn)方面論述基礎(chǔ)設(shè)施需要升級(jí)改造的原因。

1水電站

1.1二戰(zhàn)后遺留問(wèn)題

北美水電站的平均使用年限已超過(guò)75 a。水電站最初建設(shè)時(shí)，設(shè)備的設(shè)計(jì)使用年限為35～50 a。一些超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限的老式發(fā)電機(jī)組已出現(xiàn)了嚴(yán)重的老化問(wèn)題。

本文收集了美國(guó)境內(nèi)裝機(jī)容量超過(guò)10 MW的發(fā)電機(jī)組實(shí)際使用年限的數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖1)。共收集1 469臺(tái)機(jī)組，占美國(guó)水電總裝機(jī)容量的89%。統(tǒng)計(jì)表明，其中285臺(tái)機(jī)組役齡超過(guò)75 a，接近整修或報(bào)廢的臨界點(diǎn)。總體上，美國(guó)現(xiàn)有水電機(jī)組中近60%已經(jīng)超過(guò)了其初始設(shè)計(jì)使用年限。

注：*表示以2012年為初始年開(kāi)始研究，每10 a遞增。圖1　美國(guó)水電站的實(shí)際使用年限

除水力機(jī)械以外，水電站土建工程部分也存在風(fēng)險(xiǎn)，其中主要問(wèn)題之一是能否保證發(fā)電機(jī)組在允許運(yùn)行偏差范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。一旦水電站運(yùn)行超過(guò)75 a，業(yè)主就必須慎重考慮設(shè)備的去留問(wèn)題。但至今為止，還沒(méi)有任何大型項(xiàng)目因此被棄用，只有大量小型水電站因發(fā)電收益不足以對(duì)土建工程進(jìn)行再投資而被棄用。

1.2水系變化

早期，美國(guó)許多水電站建設(shè)時(shí)并未考慮到未來(lái)上下游水系的變化和當(dāng)前的環(huán)境問(wèn)題。這是由于年代久遠(yuǎn)的水電站是按照當(dāng)時(shí)的水頭和尾水曲線(xiàn)設(shè)計(jì)的，現(xiàn)在卻發(fā)生了改變。此外，為應(yīng)對(duì)諸如魚(yú)類(lèi)洄游等環(huán)境問(wèn)題，電站的運(yùn)行策略也進(jìn)行了調(diào)整。這些因素均導(dǎo)致電站發(fā)電水頭或引用流量發(fā)生變化，許多老式電站的機(jī)組無(wú)法以最佳效率運(yùn)行，運(yùn)行過(guò)程中，空化現(xiàn)象和機(jī)器振動(dòng)時(shí)有發(fā)生。

1.3電網(wǎng)變化

隨著電力行業(yè)管制的放松，許多電站業(yè)主不得不改變?cè)O(shè)備的運(yùn)行方式。當(dāng)時(shí)大多數(shù)老式水電站是按照持續(xù)基荷運(yùn)行考慮的。水電機(jī)組運(yùn)行靈活，能在5 min內(nèi)由靜止到滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，并能為輸電網(wǎng)絡(luò)提供無(wú)功功率和備用容量。因此，機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)，或其他不同模式之間轉(zhuǎn)換(如壓縮調(diào)相模式到發(fā)電模式)比老式水電站初期更為頻繁，從而導(dǎo)致大量磨損。

1.4能源市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)狀況的變化

大量資金重新投入水電站是水電站價(jià)值的直接體現(xiàn)。電站價(jià)值越高，為確保其可靠運(yùn)行投入的資金也就越多。近年來(lái)，由于石化能源價(jià)格上升，火電、燃?xì)夂秃穗娬具\(yùn)營(yíng)管理成本上升，政府對(duì)可再生能源投資組合標(biāo)準(zhǔn)提高，以及修建替代電站成本增加等因素，導(dǎo)致水電站的價(jià)值快速提升。以上因素也是許多水電站升級(jí)改造的原因，若用財(cái)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，1995年以來(lái)計(jì)劃大修的項(xiàng)目都應(yīng)是目前優(yōu)先考慮的工程項(xiàng)目。

1.5項(xiàng)目重新授權(quán)

美國(guó)許多水電項(xiàng)目是通過(guò)聯(lián)邦能源管理委員會(huì)(FERC)批準(zhǔn)的40 a或50 a授權(quán)運(yùn)營(yíng)的，對(duì)水電項(xiàng)目業(yè)主來(lái)說(shuō)，重新獲得授權(quán)是一個(gè)非常重要且成本高昂的過(guò)程。重新申請(qǐng)授權(quán)的過(guò)程中，業(yè)主必須證明他們是優(yōu)秀的現(xiàn)場(chǎng)及河流管理者，并達(dá)到水資源的最優(yōu)利用，包括設(shè)備的高效利用。此外，環(huán)保部門(mén)也想借此要求項(xiàng)目在環(huán)保方面進(jìn)行改進(jìn)。

2航運(yùn)

美國(guó)擁有許多適合長(zhǎng)距離通航的天然水系。自19世紀(jì)初期，美國(guó)政府要求美國(guó)陸軍工程師團(tuán)(USACE)對(duì)密西西比河進(jìn)行疏浚，到20世紀(jì)已修建了一系列閘壩，實(shí)現(xiàn)了密西西比河上游、伊利諾斯河、田納西河、俄亥俄河和哥倫比亞河全年通航。

目前美國(guó)的內(nèi)河通航里程已達(dá)17 700 km，包括192座船閘(共236個(gè)閘室)，年貨運(yùn)量達(dá)8億t。若再加上進(jìn)出口貨物，美國(guó)的港口和內(nèi)河水運(yùn)年貨運(yùn)總量超過(guò)23億t。

2.1貨運(yùn)量增加

圖2為美國(guó)過(guò)去40 a的水運(yùn)貿(mào)易量變化趨勢(shì)。2010年，美國(guó)有 5.66億t貨物通過(guò)內(nèi)河水運(yùn)運(yùn)輸，其中煤炭和石油(包括石油產(chǎn)品)分別占31%和26%，位列第一和第二位，食品和農(nóng)產(chǎn)品占14%。每年通過(guò)內(nèi)河水運(yùn)出口的糧食總量超過(guò)7 000萬(wàn)t。50%的谷物、大豆和精制食料出口通過(guò)駁船運(yùn)輸。

預(yù)計(jì)從2010年到2040年，美國(guó)水運(yùn)貨物總量將增加61%，貨物聯(lián)運(yùn)量將由18%增加至27%，水運(yùn)將成為主要的運(yùn)輸方式。

圖2　美國(guó)過(guò)去40 a的水運(yùn)貿(mào)易量變化趨勢(shì)線(xiàn)

2.2老化的水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施

截止到2015年，在美國(guó)現(xiàn)役的船閘中，約60%的閘室已超過(guò)設(shè)計(jì)使用年限(50 a)，包括密西西比河上游、伊利諾斯河、田納西河等重要航道上使用頻率較高的重要船閘(見(jiàn)圖3)。

圖3　美國(guó)老化的船閘清單(包括隸屬于USACE和田納西河流域管理局的所有正在運(yùn)營(yíng)的船閘)

除此之外，美國(guó)的大壩也在逐漸老化，急需增強(qiáng)安全性。在USACE擁有和運(yùn)營(yíng)的700座大壩中，只有一小部分屬于大壩安全分類(lèi)(DSAC)中的一類(lèi)(極不安全)，約20%屬于二類(lèi)(不安全或潛在不安全)。據(jù)評(píng)估，加固這些大壩需投資243億美元，而目前每年的投資僅為5億美元。

2.3融資限制

美國(guó)聯(lián)邦政府在新建內(nèi)河航運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施上的投資不能滿(mǎn)足其日益增長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)費(fèi)用，而資本存量?jī)r(jià)值是衡量投資這些設(shè)施的指標(biāo)。如圖4所示，資本存量?jī)r(jià)值在1984年達(dá)到峰值(2 650億美元)，由于投資不足，到2011年，該價(jià)值減少至1 920億美元。若據(jù)此推算，到2044年，資本存量?jī)r(jià)值將僅有1 300億美元，不足峰值的一半。

圖4 美國(guó)航運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行維護(hù)、建設(shè)成本及投資(百萬(wàn)美元,2012年價(jià)格水平)

未來(lái)10 a內(nèi)，若保持當(dāng)前資本存量?jī)r(jià)值不變，每年需要投資約69億美元。

3影響

在水電和航運(yùn)領(lǐng)域，基礎(chǔ)設(shè)施正逐漸老化，業(yè)主為此要耗費(fèi)資金和時(shí)間，生產(chǎn)率明顯降低。

水電設(shè)施修復(fù)工程中的最大單項(xiàng)投資不是資金投入，而是停機(jī)時(shí)間。當(dāng)老電站進(jìn)入被迫停機(jī)狀態(tài)時(shí)，業(yè)主可利用這段時(shí)間來(lái)分析設(shè)備的整體狀態(tài)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這可為業(yè)主節(jié)省大量的時(shí)間和資金。

對(duì)于航運(yùn)而言，主要影響是延長(zhǎng)了船舶的通航時(shí)間。盡管維修計(jì)劃有所改進(jìn)，但在過(guò)去4 a中，其實(shí)際通行時(shí)間仍延遲了1倍(見(jiàn)圖5)。通行時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致整個(gè)供應(yīng)鏈產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，如燃油成本增加、上市速度減緩等。2013年，系統(tǒng)總延遲時(shí)間為77萬(wàn)h(約88 a)。

圖5 USACE:船舶在船閘的延遲時(shí)間

4結(jié)語(yǔ)

內(nèi)河航運(yùn)是解決貨運(yùn)量日益增長(zhǎng)的有效途徑之一。就水電站而言，可通過(guò)升級(jí)改造提高其生產(chǎn)效率，創(chuàng)造更多的清潔能源，實(shí)現(xiàn)水電資源利用的最大化。

麥肯錫(McKinsey)全球研究所的一項(xiàng)研究表明，擴(kuò)大對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的投資，能為美國(guó)提供約180萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位，且2020年GDP將達(dá)到3 200億美元。

曹艷輝孫言譯

(編輯：唐湘茜)

收稿日期：2016-01-08

文章編號(hào)：1006-0081(2016)04-0039-03

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV：U417.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A