瀾滄江中上游及元江水電開發(fā)水足跡分析

肖復晉，陸 穎,2，袁 旭，蔣 麗，梁斯琦，蔣永健

(1.云南大學國際河流與生態(tài)安全研究院，昆明 650500；2.云南省國際河流與跨境生態(tài)安全重點實驗室，昆明 650091)

人口增長和經濟發(fā)展使全球水資源需求以每年1%的速度增加[1]。我國能源消耗巨大，傳統能源儲備量日趨減少[2]。水電能源開發(fā)是我國能源結構轉型不可忽視的部分。目前，我國水電裝機增長迅速，截至2016年，全國水電總裝機容量3.32 億kW，水電裝機占全國發(fā)電總裝機容量的20.1%；水電發(fā)電量1.18×1012kWh，占全國發(fā)電量的19.7%[3]。這引發(fā)了關于水電開發(fā)生態(tài)環(huán)境影響的相關討論，討論大多關注于天然河流的湖-庫化、水生生物生境破碎、水庫淹沒、水體富營養(yǎng)化等方面[4,5]，水電建設產生水資源消耗問題鮮有關注。擋水建筑修建后擴大的水面面積增加了水面蒸發(fā)量，導致水資源消耗。20世紀80年代，以瑞士、美國為代表的國家先后進行了“綠色水電”開發(fā)的認證工作以評估水電站建設和運行對環(huán)境的影響[6,7]，評估大多關于河流水質、流量、泥沙及魚類保護。水足跡模型及理論則從資源成本角度出發(fā)，具體化水電開發(fā)利用水資源消耗，關聯起水資源系統與社會經濟系統[8]。水電站水足跡最早由Gerbens-Leenes提出[9]，具體是指水電站運行過程中生產單位能源消耗的水資源量[10]。在國際上，新西蘭、荷蘭等國家較早將水足跡用于評價本國的水電站發(fā)電效益。M M Mekonnen等計算全球35座水電站的平均水足跡為67.74 m3/GJ[11]，在2016年，又預估了2035年全球能源消耗量，水足跡是其中重要指標[12]。Indika等計算的新西蘭17個水電站的平均水足跡為6.02 m3/GJ[13]；T H Bakken在2016年分別以一個徑流式電站和一個庫區(qū)型電站為例，將水電站的生命周期分為建設期和運行期進行研究，用了總蒸發(fā)水量法，得出了兩種類型的水電站運行期的凈水消耗皆高于建設期的結論[14]。根據已有研究，存在總蒸發(fā)水量法和水量平衡法等計算方法，普遍采用總蒸發(fā)水量法。我國對水足跡理論的研究發(fā)展也較為迅速， 2014年，石萍等計算出三峽-葛洲壩梯級水電站的多年平均水足跡為2.09 m3/GJ[15]；為合理評估我國水電開發(fā)利用水資源損耗，何洋等計算了我國283座水電站的水足跡[8]；朱艷霞等對金沙江6座梯級電站的水足跡進行了計算[16]；基于已有研究，趙丹丹在水電水足跡計算中加入水電效益分攤系數，使得水電水足跡計算更為合理[17]；為了更能直觀反映水力發(fā)電能耗比，袁旭以瀾滄江中下游干流8座水電站為例，用總蒸發(fā)水量法計算出8座水電站水足跡平均值為2.23 m3/GJ[18]，并對現有計算方法進行改進[19]。盡管我國在水足跡模型研究領域取得了較大進步，仍有許多流域有待分析，尤其是國家大力發(fā)展水電的西南地區(qū)。

西南地區(qū)作為我國水電能源基地，水電水足跡研究仍處于起步階段，主要集中于瀾滄江中下游和金沙江干流，其他流域鮮有研究。相比我國境內河流，開發(fā)跨境河流水電關系到周邊環(huán)境安全與穩(wěn)定，相關生態(tài)影響問題往往容易引起國內外民眾，特別是下游國家的重點關注。鑒此，以尚未開展水足跡研究且水熱、地形條件差異較大的國際河流瀾滄江中上游干流和元江干流為對象，分別計算其水電站水足跡并就兩個不同流域水電建設對水資源的消耗差異探究其影響因素，同時從水消耗角度對比全流域判斷瀾滄江中上游水電開發(fā)是否低耗。本研究可服務于西南地區(qū)水電開發(fā)水資源成本的評估，可供我國規(guī)劃西南地區(qū)水資源與開發(fā)利用水電以參考。

1 研究區(qū)概況

瀾滄江為我國西南地區(qū)大河，發(fā)源青海，流經西藏和云南。流域面積16.75 萬km2，長約2 153 km，多年平均徑流總量513 億m3[20]。流域地勢北高南低，自北向南呈條帶狀，地形復雜，氣候由溫帶向亞熱帶過渡，氣溫及降水由北向南遞增。云南河段規(guī)劃水電站一共15級，上游烏弄龍、里底、黃登、大華橋和苗尾水電站已投產，因烏弄龍水電站缺乏對應的遙感影像，只能針對里底、黃登、大華橋和苗尾水電站進行計算。元江長677 km，流域面積3.7 萬km2，流經河口瑤族自治縣進入越南后稱紅河，國境處多年平均徑流量為484 億m3，全程天然落差2 510 m。元江自上游而下河谷逐漸變寬，干流共規(guī)劃11級水電站，目前僅馬堵山水電站及上游南沙水電站建成投產。流域由亞熱帶向熱帶氣候過渡，北部干熱，南部濕熱[21]。

2 計算方法及數據來源

2.1 水足跡計算方法

水電站運行期間，水推動水輪機組發(fā)電后下泄，水輪機組本身不消耗水，下泄水提供下游利用，而滲漏水進入流域內地下水系統中。同樣的，汛期棄水也不從系統中損失，仍可供下游利用，水足跡模型計算時也不考慮汛期棄水。水足跡研究仍處于發(fā)展階段，尚無規(guī)范統一的計算方法?，F有的計算方法主要有僅考慮水量消耗和考慮水量平衡的兩種類型。其中考慮水量消耗的方法有：考慮庫區(qū)水面蒸發(fā)的總蒸發(fā)水量法和考慮了建壩之后土地利用性質改變的凈蒸發(fā)水量法。而現有研究普遍采用考慮水面蒸發(fā)的總蒸發(fā)水量法。

總蒸發(fā)水量法將庫區(qū)水面蒸發(fā)歸因于建壩蓄水，計算時僅考慮大壩建成后水面蒸發(fā)引起的水資源輸出，公式為[9]：

(1)

式中:WF1為總蒸發(fā)水量法水足跡，m3/GJ;E為水電站庫區(qū)水面多年平均蒸發(fā)量，m3;θ為水面蒸發(fā)折算系數；E0為蒸發(fā)皿實測蒸發(fā)深度，mm；S為水電站庫區(qū)多年平均水面面積，km2；P為水電站多年平均發(fā)電量折合熱能，GJ。

2.2 數據來源

水庫庫區(qū)面積從Landsat-8 OLI月遙感影像中提取。由于瀾滄江上游屬典型V型河谷[20]，河流水面面積年際及年內差異較大，故選取每年豐平枯三季云量最少的月份為代表，計算庫區(qū)河道水面面積。本研究采用1961-2001年距各水電站距離最近的氣象站氣溫、降水及蒸發(fā)的逐年觀測數據，并基于WLE Greater Mekong提供的水電站參數計算水電站水足跡[22]，相關信息見表1和表2。水面蒸發(fā)數據來自Φ20型蒸發(fā)皿，研究區(qū)水面蒸發(fā)折算系數根據施成熙的研究θ確認為0.63[23]。

表1 水電站氣象數據Tab.1 Hydropower station meteorological data

表2 水電站參數Tab.2 Hydropower station parameters

3 結果與分析

3.1 水電站水足跡分析

總蒸發(fā)水量法考慮了水電站建成后庫區(qū)水面面積增大導致的庫區(qū)水資源蒸發(fā)，其計算結果能定量評估水電站運行的水資源消耗成本。以總蒸發(fā)水量法計算，所有的水電站水足跡平均值為1.41 m3/GJ ，其中瀾滄江4座水電站平均值為0.51 m3/GJ ，低于元江2座水電站的平均值3.19 m3/GJ ；馬堵山水電站水足跡最高為3.45 m3/GJ ，其次是南沙、苗尾、里底、大華橋、黃登。6座水電站的水足跡結果見表3。

表3 各水電站水足跡Tab.3 Water footprint calculation results of hydropower stations

馬堵山水電站、南沙水電站水足跡較瀾滄江4個水電站較大，其原因在于馬堵山水電站、南沙水電站水面蒸發(fā)強而發(fā)電量最少，瀾滄江干流四個電站發(fā)電能力遠強于元江干流兩座水電站，所以平均水足跡低于元江。相比國內，何洋等在2015年以總蒸發(fā)水量法算得我國283 座水電站的平均水足跡為6.75 m3/GJ[8]，朱艷霞等計算金沙江中游6座梯級電站的水足跡均值為1.41 m3/GJ[16]，袁旭等用總蒸發(fā)水量法計算出瀾滄江干流中下游“兩庫八級”水電站的平均水足跡為2.23 m3/GJ[18]。元江干流2座水電站水足跡比全國平均水平小，說明在元江干流修建水電站相比國內其他地區(qū)對水資源損失較少；瀾滄江中上游4座電站的水足跡不僅遠低于全國平均總水平和金沙江中游6座梯級電站，也低于瀾滄江中下游6座已建電站，從水資源消耗成本上考慮，突顯出瀾滄江中上游相比西南地區(qū)乃至全國的巨大優(yōu)勢，適宜修建大型水電。由于不同的水熱條件及地形因素影響，不同流域的水電站之間水資源損耗情況差異明顯，總蒸發(fā)水量法適宜評價因建設水電站導致的水資源量蒸發(fā)消耗問題，同時因為現有研究和計算結果基本都是采用總蒸發(fā)水量法，所以該方法也利于不同流域不同河流及不同水電站之間的橫向比較。

3.2 水足跡結果影響因子分析

從定義上看，水電站水足跡與庫區(qū)水面面積、蒸發(fā)量及發(fā)電量直接相關，而庫區(qū)水面面積、蒸發(fā)量和發(fā)電量等條件又受到地形、氣候、庫容等因素的制約。水電站壩址處的地形若能形成水面面積小同時水深較深的庫區(qū)，該水電站水足跡會較小。氣溫是影響蒸發(fā)強弱的一個關鍵氣候因素。

表4 各因素相關性系數Tab.4 Correlation coefficient of each factor

降水量與蒸發(fā)量的差值，客觀反映了該地區(qū)大氣中水資源量的多寡[24,25]。降水蒸發(fā)差可從較大的時間和空間尺度評判一個地區(qū)的大氣水資源量多寡[26]，也可與氣溫共同反映一個地區(qū)的水熱條件。水電站修建后，天然河道變?yōu)楹?庫系統，對庫區(qū)內部及下游的用水產生影響，采用降水蒸發(fā)差可評判庫區(qū)潛在水資源量多寡，作為評估水電站水足跡的大氣水量因素較適宜。

為了直觀反映地形對于水足跡大小的影響，把庫區(qū)水面面積與壩高的比值作為庫區(qū)地形因素進行分析。水電站庫區(qū)的庫容和水面面積受地形因素制約，考慮到水足跡計算原理，蓄水深度大且水面面積小的峽谷地形建設水電站優(yōu)勢較大，而壩高決定了蓄水的深度。從表4相關性上看，總蒸發(fā)水量法計算結果與地形因素的相關系數為0.485。所以地形因素是在規(guī)劃階段評判水電站水足跡的一個關鍵因素。瀾滄江中上游4座水電站位于云南省西北部，河流進入橫斷山極大起伏高山區(qū)，屬縱向嶺谷區(qū)，地形起伏變化大、地表切割強烈、坡度陡、地貌形態(tài)復雜[27]，伴隨以上升為主的強烈新構造運動, 河流下蝕作用強烈,主河谷深切,河道平均比降較大[20]，水電站可利用的落差大，具備較強的潛在發(fā)電效益。而元江干流至個舊市以下河谷逐漸放寬達300 m以上，兩岸山峰已逐漸降低，相對高差不足千米，河面寬達100 m[21]，落差條件相比瀾滄江中上游欠缺。同樣受地形所制約的庫容單獨對計算的影響甚微。蒸發(fā)是水資源消耗的主要方式，其中氣溫又是影響蒸發(fā)量的主要因素[28]。氣溫對總蒸發(fā)水量法是影響程度最大的因素。以總蒸發(fā)水量法計算，元江、瀾滄江干流上水足跡最大的馬堵山、南沙和苗尾水電站年平均氣溫也是最高的?；谝陨戏治?，在水電建設規(guī)劃階段，應重點考慮壩址的多年平均氣溫、地形。

4 討 論

考慮到云南省內國際河流出境后下游國家炎熱的氣候條件和平坦的地勢，對比陸穎、袁旭等人對瀾滄江-湄公河現有研究[10,18]，我國在瀾滄江干流特別是中上游進行大型水電建設從水資源消耗角度考慮更為低耗。

相同的計算方法下水足跡最大的泰國詩琳通水電站是苗尾水電站水足跡的1 237 倍，年蒸發(fā)水量是苗尾水電站的近18 倍，這是因為瀾滄江-湄公河境內外南北氣候、地形條件差異明顯。出境后28 座水電站平均水足跡為116.00 m3/GJ[10]，相比之下是中下游6座水電站平均值的近50倍。中上游4座水電站水足跡平均水平僅相當于中下游的21.0%，境外28 座水電站的0.4%。瀾滄江-湄公河38座水電站每年要蒸發(fā)28.61 億m3水，其中境外28座水電站蒸發(fā)20.07 億m3，占70.1%，中下游6座水電站占28.4%，中上游4座水電站僅占1.5%。

結合上文影響元江、瀾滄江干流水足跡結果差異的因素，考慮尚未進行大型水電開發(fā)的國際河流雅魯藏布江和怒江，若未來進行大規(guī)模水電開發(fā)，在我國境內建設的水電站從水資源消耗角度是否更符合“綠色水電”理念，將是一個值得討論的話題。

5 結 論

(1)以總蒸發(fā)水量法計算，元江干流的2座水電站水足跡平均值為3.19 m3/GJ，低于全國平均水平，瀾滄江4座水電站平均值為0.51 m3/GJ，不僅遠低于全國平均總水平，也低于中下游6座已建電站，從水電開發(fā)的水資源成本角度考慮，瀾滄江中上游相比西南地區(qū)乃至全國具有優(yōu)勢。

(2)對于總蒸發(fā)水量法來說，氣溫對其計算結果影響最大，其次是地形因素，相比之下大氣水量對結果略有影響。庫容影響甚微。在水電建設規(guī)劃階段，若要使運行后水資源消耗少，符合“綠色水電”發(fā)展理念，則應重點考慮壩址的多年平均氣溫、地形。

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