非洲主要河流的潜在作用

2012-11-21法国雷蒙皮埃尔等

水利水电快报 2012年3期

［法国］ F.雷蒙皮埃尔等

到21世纪中期，非洲人口可能从10亿增长至20亿。为了满足不断增长的人口对生产及生活用水的需求，必须充分合理地利用水资源，增加农田灌溉用水，提高电力生产能力。目前，发电量仅为750 TW·h/a，因此大部分非洲人都用不上电。预计未来40 a，非洲地区的发电量应超过5000 TW·h/a，这意味着人均发电量需增加到2500 kW·h/a，才能满足20亿人的用电需求。

本文将对整个非洲地区的水电开发潜力和水资源需求进行分析，重点讨论刚果河、赞比西河、尼日尔河和尼罗河，并对尼日尔与尼罗河流域面临的特殊问题提出有效的解决方案。

1 水电综述

(1)水电。到21世纪中期，预计水电发电量会占到非洲发电总量的15%，其主要优势在于许多开发工程成本很低，远低于5美分/kW·h(2010年价格)，而将来利用其他资源发电的成本会接近10美分/kW·h。但非洲这种低成本的水电潜能有限，为1000 TW·h/a，目前仅开发了其中的10%，较为合理的目标是到21世纪中叶开发水电潜能的70%，即200 GW(700 TW·h/a)。近90%的水电资源都集中在非洲中部地区(图1)。

图1 21世纪非洲可获得的电力资源

预计非洲的水电开发将会持续100 a，所以其设计不应只依据未来30 a的主要情况，同时也要考虑泥沙淤积以及将来利用水库蓄能可能遇到的问题。

(2)水电用于蓄能。非洲目前约80%的发电量来自化石燃料，到21世纪中期，这个比例将下降到20%～30%。因为全球的化石燃料都在逐年减少，非洲也不例外，加之其化石燃料本来就不多。今后核电将占全球发电总量的10% ～15%，但非洲会远低于该水平。因此，在非洲将有超过50%的电力由风能和太阳能提供，而利用太阳能发电则可能成为未来非洲地区的主要电源，因其拥有许多全沙漠地区，日照时间长达3000～4000 h/a，且2030年之后，其发电成本很可能低于10美分/kW·h。最大电力需求主要在集中日照充足的月份，而到了雨季，水力发电又能弥补太阳能发电的不足。太阳能发电站基本上可以依靠当地技术和劳动力在短期内建成。21世纪中期，总量为3000 TW·h/a的太阳能，所需面积将达到30000 km2，约为非洲总面积的1/1000，绝大部分在沙漠地区。因此，太阳能的进一步开发也是可能的(见图2)。

图2 21世纪非洲可能达到的水电容量

风能与太阳能发电的缺点是间歇性的供电，需要通过火电或水电来作补充以维持供电平稳。因此建议:①将白天的太阳能发电与夜间的水力发电相结合。②联合河道上两座水库，组成抽水蓄能工程模式，安装可逆式水泵水轮机。③将一座水电站水库作为抽水蓄能电站的下库，并在河道之外修建上库。④设计抽水蓄能电站时，将近海作为下库，在海岸以上高处修建人工上库，最好是在悬崖上。

到21世纪中期，预计非洲的间歇性发电量将达到3000 TW·h/a，或平均350 GW的供电能力。到2050年，对抽水蓄能的需求将会达到200 GW，与同期200 GW的水力发电相当。

因抽水蓄能的额外成本，间歇性电能将为2美分/kW·h。

2 水资源

非洲河流径流总量约为2500 km3/a，目前人均水资源拥有量为2000 m3/a，但90%的水资源位于撒哈拉沙漠与赞比西河之间的中部地区;北部和南部人均水资源拥有量均小于1500 m3/a，在其他干旱少雨地区，人均拥有量更低。

2.1 刚果河

刚果河流域面积远远超过300万km2，与刚果民主共和国的国土面积大致相当;平均河水流量达4万m3/s，即年均径流量达12000亿m3，相当于非洲所有河流水量的一半。尽管该地区降水量较大，但该国和周边邻国的灌溉用水需求依然受到限制。

刚果河经济上可行的水电蕴藏量超过了300 TW·h/a。其中因加(Inga)工程为200 TW·h/a，且成本仅为1美分/kW·h，是目前世界上最便宜的电力，但至今几乎未得到开发。该国人口约7000万，预计50 a内将翻一倍，届时这些水电资源也都将有可能被开发。2020～2060年，电能产量可能会超过其需求，因此可以将大多数剩余电力出售给周边其他国家，以几美分/kW·h出售200 TW/a的电能，就能获得约50多亿美元/a的收益。还可以向南非和尼日尼亚等国输出其用电需求10%～20%的电力，即超过100 TW·h/a。

今后50 a内，水电对该国的发展将起巨大的作用。

2.2 赞比西河

赞比西河的径流量近1000亿m3/a，主要为莫桑比克、赞比亚和津巴布韦这3个国家约5000万人提供水资源。该河的灌溉用水量很可能不足100亿m3/a。

赞比西河及其支流拥有100 TW·h/a的水电蕴藏量，通过修建大约10座大型水电站(沿赞比西河)可基本得到开发，其中的50%位于莫桑比克境内。

目前莫桑比克的水力发电量为25 TW·h/a，其中的10 TW·h/a通过一条长1400 km的输电线路，从卡合拉巴萨(Cahora Bassa)水电站输往南非。这3个国家80%的电力都来自水电，而且以后水电也将是满足进一步需求最合算的能源。随着人口的增长，今后20～30 a内可能需要开发赞比西河的全部水电资源，当然，也需要其他能源。

津巴布韦与莫桑比克未来的主要能源很可能是太阳能，到21世纪中期，太阳能将会与水电同等重要。因此，未来水电项目的设计应考虑与这种间歇性能源有关联的蓄能需求。

到本世纪末，1亿人口可能需要500 TW·h/a的电能，其中300～400 TW·h/a可能来自太阳能;抽水蓄能电站相应的装机容量可能达到20～30 GW。因此，水电站水库也可作为抽水蓄能电站的下库使用，在高处修建人工上库。

无论是直接利用或间接利用，赞比西河流域水电资源在满足当地世纪对可再生资源能源需求方面将起重要作用。

2.3 尼日尔河

尼日尔河全长4000 km，下游1000 km的河段在尼日利亚境内，年降水量超过1000 mm，当地降雨形成的年径流量达到2000亿m3，因此该地区水资源并不缺乏。尽管30 TW·h/a的水电资源可以很快得到开发，但在21世纪中期只能满足3亿人口中一小部分人的需求。

尼日尔河上游段长1500 km，一部分位于几内亚境内，大部分在马里西部，该河段在莫普提处的年均径流量达400亿m3，但其中40%在下游莫普提与廷巴克图(Timbuktu)之间很平坦的Internal三角洲(3万km2)内被蒸发掉。库容为10亿m3的赛林盖(Selingue)水库，使得旱季时巴马科地区的尼日尔河流量可以保持在100 m3/s。目前正在研究将该水库的库容增加到50亿m3，这样就能在旱季给巴马科地区提供超过300 m3/s流量的水，这对于该地区的灌溉至关重要，同时也有利于巴马科和加奥(Gao)两地间的航运与水力发电。

在未来15 a，将在马里境内的尼日尔河上修建径流式电站并对赛林盖水库进行升级改建，这样就可生产5 TW·h/a低成本的电能，以满足马里绝大部分的用电需求。该地区将来的主要电源很可能是太阳能，当然，也可能是太阳能与水电相结合，尤其是到21世纪中叶，应在塞林盖水库和Internal三角洲的不同地方，修建大型抽水蓄能电站，利用成本十分合理的可再生资源发电，完全可以满足马里绝大部分地区的用电需求。

尼日尔河中游段长1500 km(大部分位于马里东部，另一部分在尼日尔境内)，该地区3个月的降水量不足500 mm。因此，未来3000万人的主要水资源是几个月内从内陆三角洲流入尼日尔河的250亿m3/a径流量。目前，正在设计或施工的一些水坝拥有数十亿立方米的蓄水能力，这对于以后的灌溉和发展不可或缺。

水电蕴藏量将得到开发，但毕竟数量有限。因此，未来大部分电源应是来自风能和太阳能，并且是将其与内陆三角洲境内或靠近新建水库的抽水蓄能电站相结合，以得到有效利用。

2.4 尼罗河

尼罗河很长，情况也比其他河流复杂。尼罗河流域包括埃及、苏丹和乌干达3国及另外6个国家的部分地区，流域内现有2.5亿人，2050年之后人口数量将上升到4亿。流域人均径流量不足500 m3/a;人均水电蕴藏量不足1000 kW·h/a。

(1)尼罗河流域上游为多雨区域，实际上提供了几乎全部的径流量，且具有80%以上的水电蕴藏量。

(2)下游为干旱地区，包括埃及和北苏丹，平均降水量仅为200 mm/a。

2.4.1 水电

尼罗河水电蕴藏量为300 TW·h/a;其中50 TW·h/a已得到开发，占目前200 TW·h/a总供电量的25%。但各国目前与未来数据会有很大差异。

(1)埃塞俄比亚现有人口8000万，水电蕴藏量为200 TW·h/a，用电量为5 TW·h/a，另有一些可生产50 TW·h/a的水电工程处于在建或设计中。水电将成为该国发展的重要基础，且部分多余电力可以出售给邻国。预计到21世纪中叶，该国水电能够满足自身的全部电力需求。

(2)埃及人口8500万，发电量140 TW·h/a，水电仅为15 TW·h/a。阿斯旺大坝在1975年为埃及提供了50%的电力，但目前仅占5%。目前埃及的电力来源主要依靠化石燃料(天然气和石油)，对抽水蓄能的需求不高。

流域内，其他国家的总人口约8000万，用电量低于20 TW·h/a，而水电蕴藏量有80 TW·h/a，主要集中在南苏丹、北苏丹和乌干达。未来30 a，由于用电需求的增加，这些国家很可能会开发本国大部分水电资源，或从埃塞俄比亚进口一些水电;2030年之后，可能将大量利用太阳能和抽水蓄能发电。因此，到21世纪中期，尼罗河沿岸大多数国家的水电发电量在总发量中所占比例会很小，抽水蓄能可能有利于大量开发利用太阳能。

2.4.2 水资源

尼罗河可利用水资源为720亿m3/a，包括其支流在内，径流量为1400亿m3/a，但其中的一半都因自然或人为因素而损耗掉。这些径流由以下3个部分组成:

(1)东部的总水量为830亿m3(基本上来自埃塞俄比亚)，其中来自东边支流索巴特(Sobat)河的水量为160亿m3，青尼罗河的为550亿m3，阿特巴拉(Atbara)河的为120亿m3。约有40亿m3的水流经索巴特河时蒸发在南苏丹的东湿地(East Swamps)，这些水量都是7～11月流入的。埃塞俄比亚将来建坝的季节性蓄水可能超过300亿m3，从而可降低对阿斯旺水库与麦罗维水库的蓄水需求。

(2)来自苏丹上游白尼罗河南部的全年水量为420亿 m3，而其中200亿 m3在中部湿地(Central Swamps)，即苏德(Sudd))湿地蒸发掉。

(3)8～12月来自南苏丹支流(主要为朱尔河和洛尔河)的水量多达150亿m3，实际上，这部分水量也都在西部湿地(West Swamps)损失掉了。

南苏丹湿地造成的水资源蒸发量约为400亿m3/a，阿斯旺水库蒸发量达150亿m3/a，另外还有几十亿立方米的水资源在苏丹的麦罗维水库、罗塞尔(Roseires)水库、杰贝勒奥利亚(Djebel Aulia)水库和其他水库蒸发掉。

维多利亚湖(Victoria)的年均降水量比年均蒸发量多300 mm，但在北苏丹和阿斯旺水库区域年蒸发量比年降水量高出2000 mm。因此，67000 km2的维多利亚湖的蓄水量比阿斯旺水库的蓄水量更有吸引力，只是目前未得到很好地利用，因为超过200亿m3/a的多余水资源中，约80%在进入苏德湿地后被蒸发掉了。

为了提高尼罗河水资源的利用率，最行之有效的办法是对南苏丹的主要水库实施合理管理。

2.4.3 苏德湿地节水

苏德湿地即南苏丹的中部湿地，这里地势极其平坦且土壤不透水，主要吸纳来自白尼罗河上游150～650亿m3/a的径流量和50～150亿m3/a的降水。因此，年份与季节不同，湿地面积也会呈现非常明显的差异，在非常干旱的年份如1921年，湿地面积实际上不到10000 km2，而在降水量非常多的年份如1964、1988年，面积为20000～35000 km2;湿地下游径流量一般为100～200亿m3/a。

20世纪中期，经过大量研究，决定修建一条长350 km，且绕过苏德湿地的运河，以使在此处的水量损失减少100～500亿m3/a。1978～1983年苏丹内战之前，该运河已完成270 km。

(1)新的运河设计方案。为了满足日益增加的依赖运河输水和分洪的需求，在对当地条件做了足够充分的了解后，对原设计做了改进。由于采用了新的设计方案，1980年，运河水位升高到超过天然地面1.5 m，流量从250 m3/s上升到350 m3/s，亦即100亿m3/a。还可以通过以下途径使流量提高到1000 m3/s，即300 亿 m3/a。

第1种是在该运河从尼罗河引水的取水口处修一座闸控低坝(low gated dam)，拦挡尼罗河的水;还可以横跨尼罗河及沿上游两岸修建一些低堤坝(low dykes)。

第2种是完成并升级现有的运河工程。

(2)运行与影响。运河和水坝运行后，通常情况下每年留在尼罗河内的水量为200～250亿m3，相当于1900～1960年年均水量的一半。在多水年份，还能将水流量从原来的650亿m3/a降至350亿m3/a，这样可避免灾难性的洪水发生。

季节性湿地可维持以前的状态，或根据当地需要进行优化，这样，可给当地居民带来以下效益:①减轻洪水;②灌溉;③马拉卡勒到朱巴的永久公路;④航运。此外，南苏丹也能从输送给北苏丹和埃及的多余水量中获得巨大的收益。

1960年后，尼罗河平均径流量约420亿m3/a。如果给尼罗河留下220亿m3/a，将平均节水80% ×180≈150亿m3/a，而该运河的流量将为50～300亿m3/a。

与1983年的设计相比，新的运河设计方案更有利:①额外的发电量补偿额外的费用;②提供更多的水资源;③减轻当地洪水;④有利于对阿斯旺水库进行管理。

2.4.4 其他湿地节水

来自索巴特(Sobat)河的水量约有40亿m3/a损失在东部湿地，通过在埃塞俄比亚境内的河段上修建大坝和(或)在东部湿地修建一条运河，可以避免这些损失。

来自当地各支流多达150亿m3/a的水量损失在西部湿地。通过修建水坝和(或)运河，同样可以将其蓄积。

上述方案可以节水多达100亿m3/a。

2.4.5 阿斯旺水库的节水

阿斯旺水库库容可达1570亿m3，必要的季节性蓄水量达300亿m3，埃塞俄比亚大坝和麦洛维大坝将来水电的季节性蓄水很可能会使阿斯旺水库季节性蓄水量大幅降低。阿斯旺水库全年的蓄水量远远超过1000亿m3;是造成水资源大量蒸发的主要原因，过去10 a已造成1500亿m3的损失。如果将全年蓄水量减少500亿，将能避免40亿m3/a的蒸发以及其他原因造成的水量巨大损失。这样，总的节水量将达到50亿m3/a。维多利亚湖富余的蓄水量可通过苏德运河得到利用，并可补偿阿斯旺水库减少的500亿m3全年蓄水量。不过，该方案的成本将受制于以下因素:

(1)先在乌干达修建电站(1亿或2亿美元)，因为维多利亚湖蓄水量增加势必会在若干年内导致乌干达水力发电量下降。

(2)阿斯旺电站损失的发电量大约为300 GW·h/a左右，因为水头下降造成的发电损失，大于节省的50亿m3水的发电效益。