一種水電站水足跡改進(jìn)計(jì)算方法

袁 旭，陸 穎，畢曉靜，袁 川，何開為，敦 越

(1.云南大學(xué)國際河流與生態(tài)安全研究院，昆明 650091；2.云南省國際河流與跨境生態(tài)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650091)

0 引 言

作為社會發(fā)展主要推動力，能源的使用及其開發(fā)方式是影響生態(tài)環(huán)境的重要因素之一，水力發(fā)電作為清潔產(chǎn)能方式對推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展起到關(guān)鍵作用[1]。但水電開發(fā)利用中，擋水建筑物修建使得水域面積擴(kuò)大、蒸發(fā)總量增加，造成水資源損耗，在水資源短缺地區(qū)影響尤為突出?？茖W(xué)評價水力發(fā)電中水資源消耗與能源獲取效益間關(guān)系，已成為各方關(guān)注焦點(diǎn)[2,3]。為衡量日常生活中公眾消費(fèi)產(chǎn)品及服務(wù)過程水資源消耗量，荷蘭學(xué)者Hoekstra于2002年提出水足跡概念[4]，隨后被廣泛應(yīng)用于工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及水電開發(fā)中[5,6]。Mekonnen、Herath、Gerbens-Leenes等人將水足跡概念引入水力發(fā)電評價中，基于水電站庫區(qū)蒸發(fā)水量與發(fā)電量之比計(jì)算水力發(fā)電產(chǎn)生的水足跡，并在世界各地進(jìn)行了應(yīng)用[7-13]。但水電站水足跡研究仍處于探索階段[14]，計(jì)算水電站水足跡的方法未排除水電站建設(shè)前河流天然狀態(tài)下水量蒸發(fā)干擾，使水足跡計(jì)算結(jié)果不能真實(shí)反映水電開發(fā)能耗比，特別是對于建壩前后水面面積改變較小的電站，采用傳統(tǒng)方法計(jì)算水足跡可能存在較大誤差。本文提出水足跡改進(jìn)計(jì)算方法，著眼于水電站建成后新增水面蒸發(fā)，以瀾滄江中下游6座已建成水電站為研究對象，對比傳統(tǒng)及改進(jìn)計(jì)算方法水電站水足跡計(jì)算結(jié)果，分析建壩前后水面面積改變程度對計(jì)算結(jié)果的影響，為評估水電生產(chǎn)中水資源消耗提供更為準(zhǔn)確的計(jì)算方法。

1 水電站水足跡計(jì)算方法

1.1 傳統(tǒng)計(jì)算方法

目前水電站水足跡核算方法主要有總蒸發(fā)水量法和水量平衡法。總蒸發(fā)水量法將庫區(qū)水面蒸發(fā)視為水庫全部水量消耗，采用多年平均蒸發(fā)量、多年平均發(fā)電量等年尺度數(shù)據(jù)計(jì)算水足跡[11,12]，總蒸發(fā)水量法計(jì)算公式[8]為：

(1)

式中：WF1為總蒸發(fā)水量法水足跡，m3/GJ；E為水庫庫區(qū)水面年蒸發(fā)量，m3；P為電站多年平均發(fā)電量折合熱能，GJ；Φ為水面蒸發(fā)折算系數(shù)；E0為蒸發(fā)皿實(shí)測蒸發(fā)深度，mm；S為水庫庫區(qū)水面面積，km2。

水量平衡法則通過計(jì)算水庫水量輸入及輸出推算水足跡。該方法認(rèn)為水資源輸入為庫區(qū)降雨，輸出為庫區(qū)水面蒸發(fā)，一定時間內(nèi)庫區(qū)蒸發(fā)量與降雨量差值代表該時段庫區(qū)水資源損失量[7]，水量平衡法計(jì)算公式為：

(2)

式中：WF2為總蒸發(fā)水量法水足跡，m3/GJ；E為水庫庫區(qū)水面年蒸發(fā)量，m3；RF為水庫庫區(qū)水面年降雨量，m3；P為電站多年平均發(fā)電量折合熱能，GJ。

此外，計(jì)算水電站水足跡較為常見的方法還包括考慮水電站建設(shè)前壩址地表蒸發(fā)量的凈蒸發(fā)耗水法和基于效益分?jǐn)偟乃阚E計(jì)算方法[7,13]。這些方法雖然一定程度上能更好地體現(xiàn)水電站水足跡真實(shí)情況，但均未考慮水電站建設(shè)前天然河道水面蒸發(fā)，不能真實(shí)反映水力發(fā)電產(chǎn)生的水資源凈消耗。

1.2 改進(jìn)計(jì)算方法

水電站水足跡傳統(tǒng)計(jì)算方法均著眼于水電站建成后庫區(qū)水面蒸發(fā)量[7,14,15]，將庫區(qū)水面蒸發(fā)完全歸咎于建壩蓄水，但忽略了水電站建設(shè)前天然河道蒸發(fā)量，可能導(dǎo)致水足跡計(jì)算結(jié)果偏大。蓄水發(fā)電使庫區(qū)水面蒸發(fā)量增加，計(jì)算水電站水足跡時將水庫庫區(qū)新增水面蒸發(fā)量視為水力發(fā)電產(chǎn)生的水量損失，可有效避免此類問題，因此水電站水足跡改進(jìn)公式為：

(3)

由于天然河道水面面積S′存在明顯年際和年內(nèi)差異，采用多年平均水面面積能使計(jì)算結(jié)果較為真實(shí)的反映實(shí)際情況。該數(shù)據(jù)可從水電站設(shè)計(jì)與環(huán)評資料中獲取，也可從水電站建設(shè)前天然河道不同年、月遙感影像中提取水面面積，求均值獲得。蒸發(fā)深度與發(fā)電量等數(shù)據(jù)可從水電站及對應(yīng)水文站和氣象站獲取。

2 水足跡計(jì)算案例

本文以瀾滄江中下游6座已建成水電站為研究對象，使用總蒸發(fā)水量法與改進(jìn)計(jì)算方法計(jì)算水電站水足跡，對比二者計(jì)算結(jié)果，并分析造成差異的原因。

2.1 研究區(qū)概況

瀾滄江屬國際河流，在我國境內(nèi)長2 153 km，天然落差4 583 m，水能資源豐富，是重要的水電能源基地。瀾滄江中下游河段采取“兩庫八級”開發(fā)方案，目前已建成功果橋、小灣、漫灣、大朝山、糯扎渡、景洪6座電站，總裝機(jī)容量1 555 萬kW，總發(fā)電量約688.4 億kWh[16,17], 位置示意見圖1。6座電站對應(yīng)河段開發(fā)前天然河道水面面積82.99 km2，建成后擴(kuò)大至578.10 km2，新增水面面積高達(dá)495.11 km2，是天然河道面積的7倍。其中小灣和糯扎渡水電站建有多年調(diào)節(jié)水庫，糯扎渡水庫新增水面面積為291.45 km2，小灣水庫為162.64 km2，新增水面面積主要來源于這兩座水庫，其新增水面面積占6座電站新增總水面面積的91.7%。

圖1 研究區(qū)水電站位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the hydropower development in Lancang River

2.2 數(shù)據(jù)來源

為便于計(jì)算并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，本研究采用電站正常蓄水位對應(yīng)水庫水面面積代替庫區(qū)水面面積，庫區(qū)蒸發(fā)量采用距離各電站庫區(qū)最近水文站及氣象站2000-2010年的20 cm口徑蒸發(fā)皿的平均蒸發(fā)量。鑒于水電站建設(shè)前后水面蒸發(fā)深度變化較小，且缺少電站建設(shè)前所在區(qū)域水面蒸發(fā)數(shù)據(jù)，本文假定建壩前后蒸發(fā)深度不變，采用水電站建成后蒸發(fā)觀測數(shù)據(jù)及電站規(guī)劃資料中天然河道水面面積計(jì)算水電站建設(shè)前水面蒸發(fā)損失，水電站相關(guān)參數(shù)來源于《瀾滄江中下游水電開發(fā)規(guī)劃》。

表1 研究區(qū)水電站相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.1 The data of hydropower plants in the study area

2.3 水足跡計(jì)算結(jié)果與分析

總蒸發(fā)水量法與改進(jìn)計(jì)算方法的水足跡計(jì)算結(jié)果見表2?？傉舭l(fā)水量法算得水電站平均水足跡為2.38 m3/GJ。扣除天然河道蒸發(fā)水量，采用水足跡改進(jìn)計(jì)算方法算得水電站平均水足跡為1.93 m3/GJ。由于建站規(guī)模、地理位置、氣候條件等存在一定差異，各水電站水足跡差異明顯，其中糯扎渡水電站水足跡最大，兩種算法計(jì)算結(jié)果分別為5.35和4.93 m3/GJ。漫灣水電站水足跡最小，兩種算法計(jì)算結(jié)果為1.23和0.83 m3/GJ。其余水電站以水足跡從大到小排序，依次為：小灣(3.23和 2.78 m3/GJ)、大朝山(1.58和1.07 m3/GJ)、功果橋(1.50和1.08 m3/GJ)、景洪(1.41和0.86 m3/GJ)。采用傳統(tǒng)及改進(jìn)計(jì)算方法計(jì)算， 6座電站水足跡大小有較大差異，但基于兩種方法算得差值差異較小，差值集中于0.4～0.6 m3/GJ。為直觀展現(xiàn)水足跡改進(jìn)計(jì)算方法在不同電站應(yīng)用的改進(jìn)效果，本文將兩種計(jì)算方法差值比總蒸發(fā)水量法計(jì)算值視為計(jì)算結(jié)果改變程度(IE)。改變程度越大表明兩種計(jì)算方法差異越大、改進(jìn)方法的改進(jìn)效果越好。計(jì)算公式如下：

(3)

表2 改進(jìn)計(jì)算方法與傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果對比Tab.2 Results comparison between the traditional and new method

經(jīng)計(jì)算，6座電站水足跡計(jì)算結(jié)果平均改變程度為26.4%，6座電站中水足跡小于2 m3/GJ的功果橋、漫灣、大朝山及景洪水電站的計(jì)算結(jié)果改變程度均高于平均值，瀾滄江干流最大的兩座水電站小灣、糯扎渡水電站水足跡較高，但計(jì)算結(jié)果改變程度明顯偏低，分別為15.2%與7.8%。

庫區(qū)水面面積在很大程度上決定了蒸發(fā)水量。水電站水足跡改進(jìn)計(jì)算方法強(qiáng)調(diào)新增水面蒸發(fā)損失，而傳統(tǒng)計(jì)算方法關(guān)注庫區(qū)總水面蒸發(fā)，兩種方法的計(jì)算結(jié)果差異大小主要取決于建壩前后水面面積改變程度(S/S′)。由圖2可見，相較于建壩前天然河道，糯扎渡水電站庫區(qū)水面面積擴(kuò)大了12.87倍，計(jì)算結(jié)果改變程度僅為7.8%。而水面積改變程度最小的景洪電站(2.58倍)，計(jì)算結(jié)果改變程度卻高達(dá)39.0%，研究區(qū)6座水電站水面面積改變程度與計(jì)算結(jié)果改變程度具有較好的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.85)。由此可見，水面面積改變程度是影響水足跡計(jì)算的關(guān)鍵因子，在計(jì)算水足跡時忽略水電站建設(shè)前天然河道水面面積，將高估水力發(fā)電水足跡。

圖2 水面面積改變程度與計(jì)算結(jié)果改變程度的線性關(guān)系Fig.2 Correlations between the change of surface area and the improved performance of water footprint calculation by applying the new method

3 討 論

由于考慮了建壩前天然河道蒸發(fā)水量，本文提出的改進(jìn)計(jì)算方法相較于傳統(tǒng)方法能更準(zhǔn)確地計(jì)算水電站水足跡，尤其適合水面面積改變程度較小的電站。水電站建設(shè)前后水面面積改變程度直接影響傳統(tǒng)計(jì)算方法誤差大?。核婷娣e改變程度越大，誤差越??；水面面積改變程度越小，誤差越大。建壩前后水面面積改變程度不僅與壩址地形及水電站規(guī)模有關(guān)，還與水電站類型有關(guān)。對于有多年調(diào)節(jié)能力的大型電站，水面面積改變較大，采用傳統(tǒng)水足跡計(jì)算方法計(jì)算誤差相對較小。對于不具備調(diào)節(jié)能力的徑流式電站，建成后壩前水位抬升不明顯，水面面積改變程度較小，不適合采用傳統(tǒng)水足跡計(jì)算方法。為此，本文以典型的徑流式電站----葛洲壩水利樞紐為例，分別比較傳統(tǒng)及改進(jìn)計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果。該水利樞紐建設(shè)前庫區(qū)所轄范圍平均水面面積為62.36 km2，水面蒸發(fā)量為4 698 萬m3。建成后，庫區(qū)多年平均水面面積為89.86 km2，多年平均水面蒸發(fā)量為6 921 萬m3，建成前后水面面積僅增加了0.44倍?；诟鹬迚嗡麡屑~1991-1996年相關(guān)數(shù)據(jù)[18,19]，用傳統(tǒng)方法求出多年平均水足跡為1.13 m3/GJ，而用改進(jìn)方法算得的平均水足跡僅為0.31 m3/GJ，計(jì)算結(jié)果平均改變程度為72.3%(表3)。因此，由于徑流式電站建成前后水面面積變化程度小，天然河道水面蒸發(fā)不可忽略，不能單純的采用總蒸發(fā)量計(jì)算水足跡。水足跡改進(jìn)計(jì)算方法考慮了天然河道蒸發(fā)損失，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水電站水足跡計(jì)算方法的不足，更適宜計(jì)算徑流式電站水足跡。

表3 葛洲壩水利樞紐水足跡計(jì)算結(jié)果Tab.3 water footprint of the Gezhouba Key Water Control Project

此外，在使用改進(jìn)計(jì)算方法時，可根據(jù)具體研究目的，參考水電站規(guī)模、類型及功能，借鑒其他水足跡算法優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)水電站水足跡準(zhǔn)確計(jì)算。當(dāng)水利工程以灌溉、供水等其他功能為主，兼顧發(fā)電時，計(jì)算水足跡時可考慮在改進(jìn)計(jì)算方法中加入效益分?jǐn)傁禂?shù)[14]；對于建壩后地表淹沒面積較大電站的水足跡計(jì)算，可借鑒凈蒸發(fā)耗水法[7]，同時考慮天然河道水面蒸發(fā)與地表蒸發(fā)量。

4 結(jié) 語

將水電站建設(shè)前后新增水面蒸發(fā)損失視為水力發(fā)電產(chǎn)生的水資源成本，強(qiáng)調(diào)建壩前天然河道水量蒸發(fā)，提出水電站水足跡改進(jìn)計(jì)算方法，并采用該改進(jìn)計(jì)算方法和傳統(tǒng)計(jì)算方法(總蒸發(fā)水量法)計(jì)算分析瀾滄江中下游干流已建成6座水電站，以及典型的徑流式電站----葛洲壩水利樞紐的水足跡加以驗(yàn)證。得出結(jié)論：

(1)改進(jìn)計(jì)算方法水足跡計(jì)算結(jié)果均低于總蒸發(fā)水量法計(jì)算結(jié)果，改進(jìn)方法有效解決了傳統(tǒng)計(jì)算方法水足跡偏大的問題，考慮建壩前天然河道水面蒸發(fā)的改進(jìn)計(jì)算方法能更真實(shí)反映水電站水足跡。

(2)水面面積改變程度是影響計(jì)算結(jié)果改進(jìn)程度的關(guān)鍵因素，兩者呈顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，即水面面積改變程度越小，改進(jìn)計(jì)算方法改進(jìn)效果越好。

(3)當(dāng)水電站建壩前后水面面積改變程度較小時，不能忽略天然河道水面面積，否則將導(dǎo)致水足跡計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，本文提出的改進(jìn)計(jì)算方法尤為適用于計(jì)算徑流式電站水足跡。