溪洛渡水電站生命周期環(huán)境影響分析

夏 欣

（中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

生命周期評價是一種全過程的評價方法，能夠揭示隱含在產(chǎn)業(yè)鏈中的能源消耗和污染物排放。目前，生命周期評價法在水電站建設(shè)進行環(huán)境影響評價方面有一定的研究，其環(huán)境影響評價包括水電站的建設(shè)、運行維護和廢棄處置階段。

在國外，EdgarG.Hertwich［1］等使用LCA混合模型分析了火電、水電、風(fēng)電、核電及光伏發(fā)電多種發(fā)電模式對環(huán)境影響的效應(yīng)。HanneLercheRaadal等［2］分析了自1996—2010年間的39篇水電站生命周期評價文獻，認(rèn)為帶水庫的水力發(fā)電根據(jù)水電站所在地的氣候、被淹沒土地面積等因素對溫室氣體的排放有很大的影響；FlaviodeMirandaRiberio［3］等以巴西Ttaipu水電站大壩建設(shè)期和運行期的投資總額為核心，運用投入產(chǎn)出法得到了該電站生命周期環(huán)境影響清單，并客觀地分析了該水電站生命周期清單。

在國內(nèi)，ZhangQ，karneyB等［4］利用投入產(chǎn)出法計算了中國裝機容量44MW與3600MW的2座水電站溫室氣體排放情況；張社榮等［5］用混合生命周期評價方法定量評估糯扎渡水電站采用重力壩和堆石壩兩種樞紐布置方案下的生命周期碳排放；PangMingyue等［6］運用過程分析法計算了中國小水電——觀音巖水電站的環(huán)境效應(yīng)；杜海龍等［7］以可渡河上某水電站為例，計算了可渡河水電開發(fā)的碳減排潛力，認(rèn)為水電開發(fā)對碳減排有明顯貢獻；杜海龍［8］以金沙江下游的4個梯級電站作為例，進行水電站生命周期碳足跡的分析和研究；JiangTing等［9］對中國4個水電站（95～500MW）分別進行了10—100年生命周期的溫室氣體排的評估。

1 研究方法

1.1 工程概況

溪洛渡水電站位于金沙江下游，工程采用混凝土雙曲拱壩，壩高285.5m，裝機容量1386萬kW。本文選擇以金沙江溪洛渡水電站為依托工程，開展水電站生命周期中對環(huán)境影響的初步分析研究，主要有以下幾方面原因：首先，溪洛渡水電站地處西南深山峽谷地區(qū)，工程區(qū)自然環(huán)境脆弱，勢必對水電站建設(shè)要求更加嚴(yán)格。其次，溪洛渡水電站位于西部欠發(fā)達地區(qū)，工程建設(shè)必然產(chǎn)生較大的社會經(jīng)濟影響。第三，溪洛渡水電站裝機規(guī)模大（13860MW），僅次于中國三峽水電站和巴西伊泰普水電站；壩高達285.5m，引水發(fā)電等地下洞室群結(jié)構(gòu)為世界最復(fù)雜；工程建設(shè)周期長達11年?？梢姡宥伤娬驹诩夹g(shù)難度及綜合效益方面，都十分具有代表性。

1.2 研究目標(biāo)

基于生命周期評價方法，以溪洛渡水電站為研究對象，研究混凝土拱壩樞紐工程生命周期環(huán)境影響特點；將水力發(fā)電工程生命周期溫室氣體排放與傳統(tǒng)火力發(fā)電相比，評估減排效益，探討水力發(fā)電的清潔性與優(yōu)質(zhì)性。

1.3 系統(tǒng)邊界

圖1 溪洛渡水電站LCA系統(tǒng)邊界

2 環(huán)境影響清單分析

2.1 主要工程量

在本文為溪洛渡水電站設(shè)置的邊界范圍內(nèi)，涉及的環(huán)境影響因素的環(huán)節(jié)主要包括：（1）建設(shè)耗材生產(chǎn)：水泥、鋼材、粉煤灰、木材、炸藥、機電設(shè)備及金屬結(jié)構(gòu)；（2）材料運輸；（3）施工過程：土石方工程、混凝土工程、灌漿工程；（4）水電站運營及維護；（5）水電站廢棄處置。其中主要工程量見表1。

表1 主要工程量

2.2 排放清單分析

以PO42.5水泥為典型對象進行能源消耗及污染物排放清單分析（見表2）。

表2 PO42.5水泥能耗及污染物排放清單

在水電站運營及維護階段，溪洛渡水電站是以發(fā)電和防洪為主的水利水電工程，在電站運行期間幾乎沒有污染物的排放［10］；在電站水庫淹沒的植被和土壤有機物被微生物分解為CO2和CH4，是水庫中重要的溫室氣體來源。

在水電站廢棄處置階段，電站退役后往往會繼續(xù)保留大壩。目前還沒有關(guān)于水電站廢棄處置污染排放方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，一般假定該過程CO2排放為建設(shè)過程的10%［1］。

2.3 清單分析結(jié)果

根據(jù)各階段的清單分析，溪洛渡水電站生命周期能耗及污染物排放情況結(jié)果如表3所示。

表3 溪洛渡水電站的生命周期能耗及污染物排放情況

3 影響評價及結(jié)果初步分析

3.1 環(huán)境影響類型

根據(jù)水電建設(shè)排放影響較大及受到關(guān)注比較多的影響類型，本文選取全球變暖潛力GWP、酸化潛力ACP、富營養(yǎng)潛力NEP、光化學(xué)臭氧合成潛力POCP及煙塵和灰塵潛力SAP5個環(huán)境影響類型進行分析［11］。

3.2 環(huán)境影響潛值計算

環(huán)境影響潛值的計算公式如式（1）：

式中：EP（j）為生命周期產(chǎn)品系統(tǒng)對第j種潛在環(huán)境影響類型的影響值；EP（j）i為生命周期產(chǎn)品系統(tǒng)第i種排放物質(zhì)對第j種潛在環(huán)境影響類型的影響值；Q（j）i為生命周期產(chǎn)品系統(tǒng)第i種物質(zhì)排放量；EF（j）i為生命周期產(chǎn)品系統(tǒng)第i種物質(zhì)對第j種潛在環(huán)境影響的當(dāng)量因子。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織地理信息技術(shù)委員會（CEN/TC 287）負(fù)責(zé)歐洲范圍內(nèi)的數(shù)字地理信息標(biāo)準(zhǔn)化工作，研制結(jié)構(gòu)化的標(biāo)準(zhǔn)與指南框架，規(guī)定地理數(shù)據(jù)與服務(wù)的定義、描述和轉(zhuǎn)換方法。

一般而言，不同類型的環(huán)境影響會通過不同的當(dāng)量因子來衡量，以特征化因子作為參考，再進行潛值的計算。國內(nèi)外通用的做法是，全球變暖以CO2為參考，酸化以SO2為參考，富營養(yǎng)化的當(dāng)量因子為PO3-4，光化學(xué)臭氧合成的當(dāng)量因子為C2H4。

溪洛渡水電站每發(fā)1MW·h的發(fā)電量的生命周期環(huán)境影響潛值如表4所示。

表4 每1MWh發(fā)電量的生命周期環(huán)境影響潛值

3.3 環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化及加權(quán)評估

目前通用的做法是選用1990年作為基準(zhǔn)年，建立標(biāo)準(zhǔn)人當(dāng)量，也就是說生命周期內(nèi)平均每個人每年對環(huán)境造成的影響的大?。?2］。根據(jù)上述分析，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的潛在環(huán)境影響和資源消耗NP的計算公式為式（2）：

式中：T代表產(chǎn)品生命周期的年限；ER（j）90代表1990年全球（或地區(qū)）人均資源消耗量和人均環(huán)境影響潛值，EP（j）代表產(chǎn)品系統(tǒng)的資源消耗和環(huán)境影響潛值。

一般而言，即使兩種不同類型環(huán)境影響潛值通過標(biāo)準(zhǔn)化后得出了不同數(shù)據(jù)，但這并不代表二者的潛在環(huán)境影響是相同的。鑒于此，對不同的影響類型進行排序尤為重要，也就是加權(quán)評估。通過對不同的影響類型賦予不同的權(quán)重數(shù)值，然后再進行比較。加權(quán)后的影響潛值WF（j）的計算公式見式（3）：

式中：WF（j）為j種環(huán)境影響的權(quán)重因子；NP（j）為標(biāo)準(zhǔn)化后的影響潛值。

文獻［1］和［12］對中國不同地域及不同環(huán)境影響類型的標(biāo)準(zhǔn)化基準(zhǔn)和權(quán)重進行了研究。溪洛渡水電站地處中國西部，其不同環(huán)境影響類型的標(biāo)準(zhǔn)人當(dāng)量基準(zhǔn)值和權(quán)重值如表5所示。溪洛渡水電站每生產(chǎn)1MW·h電量的環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)分析如表6所示。

表5 環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)人當(dāng)量基準(zhǔn)值和權(quán)重值

表6 每生產(chǎn)1MWh電量的環(huán)境影響潛值標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)分析

3.4 環(huán)境影響潛值分析

溪洛渡水電站生命周期各個子過程對環(huán)境影響的大小如圖2所示。

圖2 每1MW發(fā)電量各階段對環(huán)境產(chǎn)生的影響占比

該電站每產(chǎn)生1MW·h的電量，投入建設(shè)原材料的排放貢獻如圖3所示。

圖3 每1MW發(fā)電量投入的建設(shè)原材料對環(huán)境產(chǎn)生的影響占比

通過圖2及圖3可以看出，溪洛渡水電站的建設(shè)原材料生產(chǎn)對全球變暖潛值、酸化潛值和富營養(yǎng)化潛值的貢獻率大大超過了50%，對煙塵及灰塵潛值的貢獻率甚至接近100%。而在原材料生產(chǎn)階段，水泥及鋼材對全球變暖潛值、酸化潛值、富營養(yǎng)化潛值、光化學(xué)臭氧合成潛值及煙塵及灰塵潛值的貢獻率均超過了60%。因此，水電站建設(shè)應(yīng)更加關(guān)注建設(shè)原材料生產(chǎn)階段、尤其是水泥及鋼材的生產(chǎn)所造成的環(huán)境影響。

3.5 能耗分析

根據(jù)各能源消耗與標(biāo)準(zhǔn)煤的換算，可將溪洛渡水電站生命周期能耗換算為標(biāo)準(zhǔn)煤2.85×106t。

溪洛渡水電站年發(fā)電量575.5億度電，設(shè)計使用壽命50年，總發(fā)電量約2.88×109MW·h。經(jīng)換算，每發(fā)電1MW·h會消耗標(biāo)準(zhǔn)煤約0.99kg。溪洛渡水電站生命周期內(nèi)可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約11.6億t。

將各建設(shè)子過程能源消耗換算為標(biāo)準(zhǔn)煤，并分析各建設(shè)子過程能耗占比，如表7所示，建設(shè)耗材生產(chǎn)過程能耗占比最大，占總能耗的61.21%，其次是施工過程，占總能耗的35.85%，材料運輸過程能耗最少，占比為2.95%。

表7 各建設(shè)子過程能耗占比

4 與其他能源類型的碳排放比較

根據(jù)相關(guān)研究成果，得到不同能源類型生命周期碳排放系數(shù)，火電［11，13］為1083.7～1341.9kg CO2-eq／MW·h，核電［14］為7.0～13.0kgCO2-eq／MW·h，風(fēng)電［14］為6.0～9.0kgCO2-eq／MW·h，生物質(zhì)能［15］為210.0～260.0kgCO2-eq／MW·h，太陽能光伏發(fā)電［16］20.0～40.0kgCO2-eq／MW·h。將溪洛渡水電站碳排放系數(shù)與其他能源類型進行對比，如圖4所示。

圖4 溪洛渡水電站生命周期碳排放系數(shù)與其他能源類型的比較

可以看出，溪洛渡水電站生命周期碳排放系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的火電，與風(fēng)電、核電、太陽能發(fā)電及生物質(zhì)發(fā)電相比，溪洛渡水電站也具有一定的優(yōu)越性。水力發(fā)電具有明顯的清潔屬性，大力開發(fā)水電對我國溫室氣體減排的意義重大。

5 結(jié) 論

（1）溪洛渡水電站生命周期內(nèi)CO2排放約1.10×1010kg，生命周期內(nèi)發(fā)電量約2.88×109MW·h。經(jīng)換算，每發(fā)電1MW·h的溫室氣體排放量約為3.83kgCO2-eq／MW·h，所消耗的能源相當(dāng)于0.99kg標(biāo)準(zhǔn)煤。溪洛渡水電站單位發(fā)電CO2排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)火電的1000kg／MW·h，亦低于國際水電碳排放系數(shù)平均19.4kg／MW·h，彰顯出該電站開發(fā)質(zhì)量的優(yōu)越性。溪洛渡水電站生命周期總發(fā)電量約2.88×109MW·h，相比火力發(fā)電可減少CO2排放約28.64億t。大力進行水電站建設(shè)能夠有效減少我國化石能源使用和碳排放，促進能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是實現(xiàn)我國節(jié)能減排目標(biāo)的有效途徑。

（2）通過溪洛渡水電站環(huán)境影響潛值分析可見，水電站的建設(shè)原材料生產(chǎn)對全球變暖潛值、酸化潛值和富營養(yǎng)化潛值的貢獻率大大超過了50%，對煙塵及灰塵潛值的貢獻率甚至接近100%。水電站建設(shè)應(yīng)更加關(guān)注建設(shè)原材料生產(chǎn)階段的環(huán)境影響。