基于水足跡理論的水電站水資源利用評(píng)價(jià)

趙金輝，王新華*，王中云

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)馬克思主義學(xué)院，云南昆明 650201)

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基于水足跡理論的水電站水資源利用評(píng)價(jià)

趙金輝1，王新華1*，王中云2

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)馬克思主義學(xué)院，云南昆明 650201)

為了從資源的角度分析水電開發(fā)利用的水資源消耗情況，將水足跡的概念應(yīng)用到水電開發(fā)上，從我國(guó)不同水電站的藍(lán)水足跡、不同地區(qū)藍(lán)水足跡、相同發(fā)電量的水電站的藍(lán)水足跡3個(gè)方面，進(jìn)行了水足跡理論在水電站利用水資源中的應(yīng)用研究。結(jié)果表明：我國(guó)水電站藍(lán)水足跡分布不均，區(qū)域性對(duì)水電站藍(lán)水足跡的影響明顯。最后提出建設(shè)水電站或現(xiàn)有水電大壩在很大程度上要以藍(lán)水足跡作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)在多山、蒸發(fā)量小、地形狹窄、水庫面積小的高山峽谷地區(qū)建設(shè)水電站，以有效利用落水差，減少蒸發(fā)，節(jié)約水資源。

水足跡；水資源消耗；藍(lán)水足跡；水電站

2002年Hoekstra提出了水足跡的概念：它是指人類在生產(chǎn)產(chǎn)品和獲取服務(wù)過程中直接或間接所消耗的水資源總量[1-3]。從人們利用水資源角度，可將其分為實(shí)體水和虛擬水[4]兩大類。人們生活生產(chǎn)上消耗的土壤水稱為綠水，服務(wù)于人們的地表水和地下水稱為藍(lán)水，由于多種因素導(dǎo)致水體污染，用來緩解或治理污染用水稱為灰水，因此普遍將水足跡分為綠水足跡、藍(lán)水足跡、灰水足跡。在實(shí)際生產(chǎn)生活中，更多地利用地表水或地下水，因此對(duì)藍(lán)水的研究有實(shí)際意義。

水電站的水足跡是指人們利用水電站在水力發(fā)電過程中，通過直接利用或間接利用水資源的形式，用來獲取單位電量而消耗的水總量。水電站水足跡所涉及的水資源利用取決于整個(gè)水電站水力發(fā)電，它包括水電站發(fā)電期間和建設(shè)過程中對(duì)水的利用。水電站對(duì)水資源的利用過程中，建設(shè)階段與投入發(fā)電階段都消耗一定的水資源。實(shí)際上，水電站在水力發(fā)電階段對(duì)水資源的利用要遠(yuǎn)比其他階段用水量大，占整個(gè)水資源消耗比例的97%以上，當(dāng)建設(shè)水電站規(guī)模和電站總裝機(jī)容量相差不大的情況下，可以認(rèn)為建設(shè)階段所用的水基本上相當(dāng)。因此，可以忽略建設(shè)階段水電站水足跡，重點(diǎn)分析水電站投入發(fā)電階段水足跡。筆者通過研究水電站藍(lán)水足跡用量，明確藍(lán)水足跡的影響因素，以期為我國(guó)合理利用水資源提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源 從水電站藍(lán)水足跡的研究范疇調(diào)查與搜集了具有代表性的水電站近5a的水資源利用情況，計(jì)算并匯總了相關(guān)的藍(lán)水足跡的數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 水足跡的計(jì)算。

1.2.1.1 整體性計(jì)算方法。由于一個(gè)國(guó)家或一個(gè)地區(qū)的生產(chǎn)生活并不完全僅限于該區(qū)域，勢(shì)必與其他國(guó)家或地區(qū)存交往，水足跡也會(huì)隨之發(fā)生變化。

WF=WA+VWI-VWE

式中，WF為一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的水足跡；WA為該區(qū)域的生產(chǎn)生活水資源利用量；VWI為該區(qū)域的虛擬水流入量；VWE為該區(qū)域的虛擬水流出量。該方法的重點(diǎn)是要獲取詳細(xì)的流入與流出的產(chǎn)品數(shù)據(jù)記錄，然而獲取其資料數(shù)據(jù)有局限性。

1.2.1.2 直接求和計(jì)算方法。

WF=VWS+VWG

式中，VWS為該區(qū)域所有消費(fèi)服務(wù)虛擬水量；VWG為該區(qū)域所有消費(fèi)商品虛擬水量。該方法思路明確，但涉及單位服務(wù)或商品消費(fèi)虛擬水量獲取有局限。

1.2.2 藍(lán)水足跡的計(jì)算。水電開發(fā)的水足跡與生物質(zhì)水足跡[5-6]有著區(qū)別，因此不能以傳統(tǒng)水足跡的計(jì)算方法計(jì)算水足跡。為方便計(jì)算，以水電站蒸發(fā)量作為水電站的水資源利用量來計(jì)算其藍(lán)水足跡，綜合評(píng)價(jià)水電站的水足跡。水電站藍(lán)水足跡等于水庫多年平均年蒸發(fā)量除以水電站的多年平均年發(fā)電量[7]，即

WFi=Ei/Pi=KR·Si/Pi

式中，WFi為第i個(gè)水電站的藍(lán)水足跡，m3/GJ；Ei為第i個(gè)水庫多年平均蒸發(fā)量，m3；Pi為第i個(gè)水電站多年平均發(fā)電量，×108kW·h；KR為考慮不同氣候分區(qū)的水面蒸發(fā)折算系數(shù)；Si為第i個(gè)水電站庫區(qū)的水面面積，km2。平均藍(lán)水足跡及總藍(lán)水足跡計(jì)算：

式中，n為所選水電站的個(gè)數(shù)；hi′為第i個(gè)蒸發(fā)皿的實(shí)測(cè)蒸發(fā)深度，mm。

式中，WF0為n個(gè)水電站的總藍(lán)水足跡，Gm3/a。

2 結(jié)果與分析

2.1 我國(guó)不同水電站的藍(lán)水足跡 由表1可知，我國(guó)水電站藍(lán)水足跡分布存在較大差異，排在前10位的水電站的藍(lán)水足跡相差較大，為69.35～379.19 m3/GJ，分布不均，與國(guó)外[8]的藍(lán)水足跡相比明顯較低。

表1 我國(guó)不同水電站的平均藍(lán)水足跡

2.2 我國(guó)不同氣候區(qū)域的藍(lán)水足跡 基于氣候條件因素，筆者搜集與調(diào)研了不同的氣候分區(qū)，進(jìn)而獲得了其各區(qū)域的平均藍(lán)水足跡。由表2可知，華中地區(qū)、康滇地區(qū)、蒙新地區(qū)、青藏地區(qū)的平均藍(lán)水足跡明顯低于東北地區(qū)、華北地區(qū)和華南地區(qū)。造成該差異的主要原因取決于地理位置的差異，如高原區(qū)域山地陡坡明顯，落差大，庫區(qū)水位深、面積狹小，致使平均藍(lán)水足跡較小。

表2 我國(guó)不同氣候區(qū)域的平均藍(lán)水足跡

2.3 發(fā)電量相近的水電站的藍(lán)水足跡 筆者選取發(fā)電量相近的10座水電站進(jìn)行分析，由表3可知，在實(shí)際需求(發(fā)電量)相同的情況下，不同水電站的藍(lán)水足跡隨著蒸發(fā)量的增大呈明顯的增加趨勢(shì)，也就是說，在此情形下水電站藍(lán)水足跡的大小很大程度上依賴于水面面積與蒸發(fā)深度。

表3 發(fā)電量相近的10座水電站的平均藍(lán)水足跡

3 結(jié)論

(1)該研究表明，排在前10位的水電站的藍(lán)水足跡跨度較大，為69.35～379.19 m3/GJ，說明我國(guó)水電站藍(lán)水足跡分布不均；我國(guó)不同氣候區(qū)域的平均藍(lán)水足跡為4.31～33.96 m3/GJ，可見藍(lán)水足跡的地區(qū)差異較大；在實(shí)際需求(發(fā)電量)相同的情況下，不同水電站的藍(lán)水足跡相差較大，為0.15～21.00 m3/GJ，并且隨著蒸發(fā)量的增大呈明顯的增加趨勢(shì)。然而，我國(guó)水電站的藍(lán)水足跡水平與國(guó)外平均藍(lán)水足跡(67.74 m3/GJ)[10]相比，明顯較低。因此，根據(jù)這一情況應(yīng)繼續(xù)保持或提高水電站的水資源利用。

(2)區(qū)域性對(duì)水電站水足跡的影響明顯，能為我國(guó)水電站建設(shè)提供一定依據(jù)，應(yīng)盡量多地選擇在多山、蒸發(fā)量小、地形狹窄、水庫面積小的高山峽谷地區(qū)建設(shè)水電站，以有效利用落水差，減少蒸發(fā)，節(jié)約水資源。建設(shè)水電站或現(xiàn)有水電大壩可以藍(lán)水足跡作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)水足跡能夠定量反映水電站對(duì)水資源的利用率，進(jìn)而為合理規(guī)劃水電開發(fā)提供依據(jù)。

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Evaluation of Water Resources Utilization of Hydropower Station Based on Water Footprint Theory

ZHAO Jin-hui1, WANG Xin-hua1*, WANG Zhong-yun2

(1. Hydraulic College, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201; 2. College of Marxism, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201)

Water resources consumption situation of hydropower development and utilization was analyzed from the aspect of resources. The concept of water footprint was applied in the development of hydropower. Application of water footprint theory in water resources of hydropower station was researched from the three aspects of blue water footprints in hydropower station, blue water footprints in different areas, blue water footprint of hydropower station with the same generated energy. Results showed that blue water footprints in hydropower station of China were unevenly distributed. Region had significant impacts on the blue water footprints. Finally, constructing hydropower station or current hydropower station should take blue water footprint as the yard stick. Hydropower station should be established in mountain valleys with many mountains, small evaporation capacity, narrow topography, and small water reservoir area, which could effectively reduce evaporation and save water resource consumption.

Water footprint; Water consumption; Blue water footprint; Hydropower station

趙金輝(1989- )，男，河南柘城人，碩士研究生，研究方向：水文與水資源。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事水文與水資源研究。

2016-08-30

S 181

A

0517-6611(2016)31-0079-03