國內(nèi)外小型水電站發(fā)展研究

高國明 ，山長鑫 ，熊泗軍

（1.吉林省水利科學(xué)研究院，吉林 長春 130022；2.長春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春130012；3.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春130012）

0 引言

水是萬物賴以生存的根本，是所有生物的主要組成部分，是人類文明和發(fā)展的起源，為人類生存和發(fā)展提供眾多功能，如發(fā)電、航運(yùn)、灌溉、泥砂輸送、航運(yùn)、觀光等。地球上97%的水都是海水，2%的水存在于冰川當(dāng)中，僅有1%的淡水資源可供人類使用[1]。淡水資源對于維持人類生存至關(guān)重要，河流，湖泊和濕地的改變已經(jīng)帶動(dòng)了幾個(gè)世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2]。小水電作為清潔能源，經(jīng)歷漫長的歷史變革，有著悠久的歷史，在過去的歷史中為人類的發(fā)展作出突出貢獻(xiàn)。但在歷史變革中也存在著些許的詬病，例如小型水電站脫水破壞河流生態(tài)，沉積物在壩體前淤積，各種重要的水力參數(shù)（流速，流量等）改變，影響棲息地條件[3]。

1 小水電發(fā)展歷史沿革

水電是源自流動(dòng)水的能源，是世界上可再生能源的主要來源，占全球可再生能源供應(yīng)的近3/4，占全部電力生產(chǎn)的近1/5[4]。在全球范圍內(nèi)，小水電最常用的定義是額定容量為10 MW或更低的水電機(jī)組，但在一些國家為了滿足當(dāng)?shù)氐男枨笕萘扛哌_(dá)30 MW（如巴西）或50 MW（如加拿大，中國）[5]。世界上大型水電站的修建起源于小型水電站，而水力發(fā)電開始于木質(zhì)水車。水輪機(jī)的出現(xiàn)使得各國開始關(guān)注如何利用水電大規(guī)模發(fā)電。1878年法國修建世界上第一座水電站，1882年美國威斯康星州建成的水電站正式發(fā)電，1956年我國于明姜建成第一座小型水電站，此時(shí)我國處于小水電的初步發(fā)展階段，由于小水電是可再生清潔能源資源，具有投入成本低、工期短、運(yùn)行維護(hù)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，1980年～2000年小水電迎來快速發(fā)展的高峰期。1977年法國有978座小型水電站，總裝機(jī)容量49萬kW，日本運(yùn)行的小型水電站有1350座，總裝機(jī)容量700萬kW[6]。由于經(jīng)濟(jì)效益原因，美國1930年～1970年間關(guān)閉了3000座小型水電站?！皻W盟水框架指令2002/60/CE”的出臺旨在保護(hù)良好的水生態(tài)環(huán)境，使得一些河流被列入保護(hù)區(qū)范疇，進(jìn)一步限制小水電的開發(fā)[7]。1995年歐盟水電總裝機(jī)容量達(dá)到92000 MW，其中小型水電站裝機(jī)容量為9500 MW，占總裝機(jī)容量的10.32%[8]。1999年，歐洲26個(gè)國家共有小型水電站17400座，總裝機(jī)容量約為12300 MW[9]。2006年，歐盟27國共有運(yùn)行小型水電站21000座，裝機(jī)容量超過13000 MW，其中12000 MW的小水電裝機(jī)容量來自歐盟15國，其中超過90%的小水電裝機(jī)容量來自意大利、德國、西班牙、法國、奧地利和瑞典[10]。截至2010年，美國大部分的水電生產(chǎn)主要集中在美國西部，華盛頓州是美國最大的水電生產(chǎn)州，占水力發(fā)電的31%，其余幾大水電生產(chǎn)洲分別是俄勒岡州、加利福尼亞州、紐約州和阿拉巴馬州[11]。

截至2013年，亞洲占世界小水電開發(fā)潛力的63.03%，占世界小水電已開發(fā)的61.27%，可知在小水電的開發(fā)潛力和已開發(fā)上，亞洲都占據(jù)著主導(dǎo)地位，其余幾大洲小水電開發(fā)潛力和已開發(fā)力見圖1、圖2，數(shù)據(jù)來源[12～16]。

圖1 世界小水電開發(fā)潛力

圖2 世界小水電已開發(fā)力

圖3 世界各區(qū)小水電開發(fā)潛力

圖4 世界各區(qū)小水電已開發(fā)力

由圖3和圖4可知，東亞是世界小型水電站開發(fā)潛力最豐富地區(qū)和已開發(fā)強(qiáng)度最強(qiáng)地區(qū)，開發(fā)潛力是75312 MW，已開發(fā)40485MW，具有較大的開發(fā)利用空間。南亞開發(fā)潛力為18077MW，然而已開發(fā)3563 MW，尚有大量的資源供其開發(fā)，北美開發(fā)潛力15000 MW，已開發(fā)7843 MW，小水電資源開發(fā)利用上遠(yuǎn)超南亞，可見雖然有的地區(qū)小型水電資源豐富，但是在水電的開發(fā)利用上卻是不盡人意，采用下式進(jìn)行小型水電資源開發(fā)利用計(jì)算：

將所計(jì)算的數(shù)據(jù)繪制成圖形，見圖5。由圖5可知世界小水電資源利用最強(qiáng)的地區(qū)是北歐，小水電資源開發(fā)利用率達(dá)到94.85%，其次是西歐87.43%，東歐78.25%，北非62.50%等地區(qū)，由于東亞具有豐富的小水電資源和較為可觀的開發(fā)量，但是開發(fā)利用率僅為53.76%，遠(yuǎn)不及北歐地區(qū)（丹麥、瑞典、挪威、芬蘭等國），東亞目前仍具有較大的開發(fā)空間。

圖5 小型水電站開發(fā)利用率

截至2001年，我國已建成小型水電站4300余座，總裝機(jī)容量2600多萬kW，主要集中在廣東、福建、四川、湖南、云南、浙江等省份[17]。

根據(jù)2016年世界小型水電站發(fā)展報(bào)告顯示，截至2016年全球小水電資源總潛力已開發(fā)近36%，裝機(jī)容量相比2013年增加4%，2016年美國水電開發(fā)潛力達(dá)到57%[18]。

目前我國是世界上水電大國，占全球小水電資源總潛力的29%，根據(jù)2017農(nóng)村水電年報(bào)顯示，截至2017底我國共建成小型水電站47498座，占全國水電總裝機(jī)容量的23.2%，可見小水電的發(fā)展在我國水電發(fā)展中占據(jù)著重要的位置。

2 國內(nèi)外小水電發(fā)展問題

小水電在長久的發(fā)展中，由于一些小型水電站修建的年代較為久遠(yuǎn)，設(shè)備設(shè)施老化、已不滿足小型水電站的正常運(yùn)行。在運(yùn)行維護(hù)上不足，造成漏水現(xiàn)象，機(jī)組運(yùn)行噪聲大，效率低下[19]。

1960年美國受外界一些影響，意識到一些水壩和電站長期運(yùn)行后產(chǎn)生的些許詬病，開始水壩和電站的拆除工作，2000年以前美國拆除大壩462座，1999年～2003年拆除水壩168座，所拆壩以小型壩為主，2001年～2009年拆除壩體數(shù)量見圖6[20]。

圖6 2001年～2009年美國逐年拆除壩體數(shù)量

西歐國家中限制小型水電站發(fā)展的因素50%來自于環(huán)保和生態(tài)，其他歐洲國家受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境等綜合制約而實(shí)際可開發(fā)小水電資源為35%～65%。從圖7可知，歐洲小型水電站在1997年至2001年之間發(fā)展呈下降趨勢，相比大型水電的開發(fā)和其余可再生資源的開發(fā)，小型水電站的發(fā)展腳步落后[21]。

圖7 歐洲小型水電站電力市場份額變化

周軍蒼[22]發(fā)現(xiàn)在博州小水電的開發(fā)過程中，由于生態(tài)意識的缺乏，在枯水期階段局部河流產(chǎn)生脫水段，影響該河段生物的正常生長發(fā)育。青海省湟水流域和西寧地區(qū)小水電的過度開發(fā)，水資源的過分利用，已經(jīng)嚴(yán)重超出安全警戒線，近幾年來青海省對于生態(tài)紅線以內(nèi)的敏感區(qū)，環(huán)境保護(hù)區(qū)和脆弱區(qū)，對于小水電的開發(fā)提高要求，小水電的開發(fā)受到限制，對于已建成并且造成生態(tài)破壞的小型水電站進(jìn)行生態(tài)修復(fù)[23]。福建省擬計(jì)劃完成1000座小型水電站的關(guān)停工作，準(zhǔn)備改善200條河流的水生態(tài)。貴定在建的兩個(gè)引水式水電站均有近4 km的引水隧道，極易造生態(tài)需水無法得到保障，影響生物環(huán)境的需水要求[24]。

圖8 我國小型水電站發(fā)展?fàn)顩r

由于小水電發(fā)展中存在的些許問題，限制小型水電站的發(fā)展，從圖8小型水電站總裝機(jī)容量斜率可知我國小型水電站的發(fā)展腳步在放緩放慢，從圖中小型水電站占當(dāng)年全國電力總裝機(jī)的百分比來看，我國在小型水電站資源的開發(fā)利用上不如其余電力的開發(fā)。

3 國內(nèi)外小水電生態(tài)影響

小型水電站雖然有可再生清潔能源、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是小型水電站，面臨的生態(tài)問題也及其突出，Therrien和Bourgeois[25]認(rèn)為小型水電站面臨的主要環(huán)境挑戰(zhàn)之一與魚類通過有關(guān)。Blanco and Gonza′lez and Elvira[26]認(rèn)為水壩是影響西班牙魚類的主要不利因素。在法國，所有水電設(shè)施，無論大小，都必須有洄游魚類通行的設(shè)施[4]。眾所周知水壩和堰會(huì)中斷縱向河流連通性，孤立魚類群落，而縱向河流連通性是基本的魚類社區(qū)持久性的要求，因?yàn)樗试S季節(jié)性運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)終身生殖發(fā)育[27]。Elizabeth P.Anderson,Mary C.Freeman 等[28]研究了Puerto Viejo河脫水段上游和下游的魚類組合成分和水生棲息地變化，研究結(jié)果表明魚類組合在Puerto Viejo河上的大壩的上游和下游是不同的，小壩（＜15 m高）阻礙了魚類的遷移，從研究數(shù)據(jù)上得出未來至少有一種物種可能面臨局部大壩上游的滅絕。在哥斯達(dá)黎加，幾乎所有的小型水力發(fā)電廠都引水式，水從大壩那里轉(zhuǎn)移到河流發(fā)電后返回至下游的主要通道。這些類型的大壩項(xiàng)目導(dǎo)致引水口和下游水之間的流量大量減少（通常為幾公里），無法滿足更多生殖需求的物種[28]。歐文斯河下游16 km峽谷，由于水力發(fā)電原因從1953年～1991年脫水，導(dǎo)致沒有河岸植被和魚類的河道[29]。Anderson等人回顧了中小河流水電站對棲息地的影響，最明顯的影響是引水式水電站大壩下游的脫水河段（進(jìn)水口和水返回之間段），Katharina Lange等[30]人認(rèn)為引水式水電站對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出剩余流量范圍。小水電的環(huán)境影響包括那些與大壩建設(shè)時(shí)的土地，以及后期建設(shè)改變的流量制度，棲息地連通性的喪失，以及多個(gè)安裝的累積效應(yīng)。水電大壩的建設(shè)不僅會(huì)改變下游流動(dòng)狀態(tài)，通道形態(tài)和水溫，同時(shí)也影響沉積物的運(yùn)輸和沉積[4]。小水電梯級開發(fā)所產(chǎn)生的累積效應(yīng)更加的深遠(yuǎn)，因?yàn)槊總€(gè)小水電廠的負(fù)面影響的協(xié)同作用實(shí)際上可能超過大型水電站的負(fù)面影響[31]。小水電產(chǎn)生的生態(tài)問題影響，可歸納為以下幾類[32～34]：

1）引水式水電站將水引入下游發(fā)電，造成壩后下游產(chǎn)生脫水段，脫水段內(nèi)無法完成灌溉、供水等需求，并且對河段內(nèi)生態(tài)環(huán)境造成不利影響。

2）隔斷洄游魚類的洄游，魚類正常的生存繁衍受到影響，導(dǎo)致種群整體遺傳多樣性的喪失，區(qū)域內(nèi)物種多樣性的喪失，甚至有物種滅絕。

3）壩體的建立，使得水流速度變慢，水體滯留周期長，水體自凈能力降低，造成水質(zhì)的變壞。

4 結(jié)論

小型水電站在發(fā)展的過程中，既有造福人類，改善人類生活的優(yōu)點(diǎn)，也存在著破壞生態(tài)平衡等缺點(diǎn)，要用客觀的態(tài)度對待整個(gè)事件。縱觀小型水電站的發(fā)展歷程，人類在重視發(fā)展的同時(shí)，也在逐漸加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)的意識，生態(tài)保護(hù)儼然成為限制小型水電站快速發(fā)展的要素之一。