全球范围水电站建设进展

[德国] C.扎夫

全球范围水电站建设进展

[德国] C.扎夫

随着全球人口数量的增长,加之经济发展、气候变化以及为消除电力缺口的需求，促使人们寻求可再生能源的新途径，许多水电站建设也在酝酿之中。通过已建和拟建的水电站建设综合分析地图，提供了全球范围内未来水电站的数量级和选址的基础，也为同一流域内多个大坝网络效应和累积影响提供了系统的管理方法，通过该方法，可更好地评估并减小水电站建设带来的社会、经济和生态影响。

水电站；能源建设；生物多样性；河流管理；可持续发展；生态影响

1 全球水电概况

随着全球人口数量的增长和经济的快速发展，对能源的需求量也越来越大。全球至少有3 700座装机容量为1 MW以上的水电站正在规划或建设中，主要集中在发展中国家。1993～2010年，装机容量新增72%，根据世界银行和美国能源信息管理局2014年的估计，装机容量到2040年将会再增56%。尽管如此，据估测，这些水电站的装机容量将占全球现有水电装机容量的73%(1 700 GW)，依然不能满足持续增长的电力需求，只能减小电力缺口而非实质上减少温室气体排放，也不能减少互相依赖和社会冲突，相反还会减少地球上约21%的剩余大型天然河流。全球仍有14亿人口未用上电，主要集中在非洲撒哈拉附近以及南亚的郊区。因此，保障未来能源供应和减小电力缺口成为能源界最重要的目标。

能源的生产和转化导致29%的温室气体排放，化石能源的消耗和铀的开采也使能源问题备受关注。能源在全球范围内的分布不均造成国家之间的互相依赖。可再生能源(热能、光能、风能、潮汐能、生物燃料、水力发电)变得越来越重要，1991～2011年,能源生产增加了一倍。可再生能源提供了20%的电力，而水力发电占其中的80%。在全球范围内，坝高大于15 m的坝超过了37 600座，其中8 600座处于运行状态。巴西、莫桑比克、尼泊尔和挪威等32个国家的水力发电量占总电力需求量的80%。

2012年，联合国可持续发展大会的目标是要求各国按照《京都议定书》的要求满足持续增长的能源需求，这更增加了投资水电的驱动力。现在全球水电技术可开发量中，有22%(每年不小于1 560万GW·h)得到了开发。过去20 a间，水电发展相对滞后，而目前水电建设的激增在范围和规模上都属空前(图1)，对经济、生态和社会造成的影响成为不可忽视的问题。然而，全球范围内水电建设的空间分布尚不清楚，对河流系统的影响、温室气体排放和社会影响(例如移民)也不明确。

图1 全球现存(已建和在建)及拟建水电站统计

鉴于此，可以做出未来全球范围内装机不小于1 MW的水电站综合清单，包含在建和拟建的项目。每座坝的信息包括项目名称、地理位置、河流、发电量和建设时间。清单信息来自政府和非政府方面，超过350项科技研究以及其他公共数据库、报告和新闻。采用相对独立的系统对照、验证数据的准确性。统计成果集中在以发电为主的坝，不包含其他用于供水、防洪、航运或旅游等目的的坝。统计成果也不包含在建和规划中装机小于1 MW的水电站，因为小水电数量众多且未做详细记录。

通过以上内容，可得到以下启示：①找到未来水电发展的热点；②计算与主要河流流量相关的水电站数量；③预测现在和未来水电站建设对河流的影响，从而为针对水电建设与生态环境、社会经济影响的冲突与平衡的研究提供基础信息。

2 统计方法

2.1 从水电投资方面获取的数据

从对水电投资的分析可以得出水电经济的数量级，汇总了1978年以来将近500家投资方的相关信息，包含投资方名称、投资的国家和年份、项目名称和投资额度(美元)。投资方不仅限于建设投资，也包含了维护、维修和扩容等内容。大部分数据来自报告和各投资方的网上信息，有些投资数据来自世界银行和国际河流组织。

2.2 从大坝方面获取的数据

记录了在建和拟建装机容量不小于1MW的水电站，包含地理信息的数据。数据的收集时间从2012年8月到2014年2月，数据来源如下：①同行文献；②政府文件；③非盈利组织的报告和出版物；④新闻文章；⑤商业数据库；⑥能源供应商的报告；⑦建造商和咨询商的报告；⑧其他网络资源。

如果原始数据或者可行性研究阶段报告中有大坝细节参数记录，本文数据库也作了相关注释，不包含预可行性研究阶段的大坝。约80%的数据包含不同格式的空间信息，最终都被转换为WGS 84可用的格式；其他没有地理信息的数据根据文献记载、谷歌地图或者谷歌地球，采用ArcGIS 10.1手动添加地理参考信息。

除了12个不在美国地质调查局HydroSHEDS范围之内的项目，其他所有数据都参照HydroSHEDS全球河流网格15”(网格尺寸大约500 m)进行了调整，大坝位置均在HydroSHEDS中对应到最近的河流上。这种方式很大程度上依赖原始数据坐标的准确性，如果原始数据不准确，则该对应也会出现误差。因此所有有其他数据来源的的坝址都采用人工方法进行了对照检验，以确保对应到正确的河流上。

每座坝属性数据(包含空间信息)的可获得性和准确性由项目的不同阶段决定。因此，在建项目总是有更多的补充数据，可将这些信息与原始数据源相对照。在可能情况下，本文的数据与多处数据源进行了对照，从而确定项目状态，以便补充缺失信息。属性数据还包括大坝名称、所在洲和国家、主要河流系统、主要流域、子流域、建设阶段、最大装机容量、大坝高度、开工时间和预计完工时间。流量计算在下一步进行。

为分析未来水电站的空间分布，收集了规划和在建水电站的国家信息。包括到2002年为止各国未能用上电的人口数量、2012年国民总收入(GNI)和人均国内生产总值(GDP/人)，其中GNI和GDP均与未来人均水力发电量相关。除此之外，还统计了2011年各国水电技术可开发量(E潜在开发量，GW·h/a)、装机容量(K装机，MW)和发电量(E发电量，GW·h/a)。假设水电站发电效率一定，就可根据这些数据，预测在建或规划水电站的装机容量(K未来装机，MW)和发电量(E未来发电量，GW·h/a)，如下所示：

·K未来装机

通过对水电技术可开发量、现有发电量和未来发电量的分析，可计算出各国对剩余能源的未来可开发量。

2.3 流量测算

对位于HydroSHEDS范围内的3 688座大坝平均流量进行了计算，形成了全球流量栅格数据，进而可得出每个栅格1980～2009年的年径流量。通过WaterGAP全球水文模型计算获得数值，计算中考虑了土地、湖泊和湿地径流以及水面蒸发量。本文采用ArcGIS软件中的水文工具勾画出大坝上游集水区范围，然后采用区域统计工具计算流量数值。

2.4 地形处理

采用定义河流、划分河流、勾画集水区域、集水区域处理、排水线处理以及相邻集水区域处理等步骤，通过分辨率为15”的HydroSHEDS准备河流网络地形数据。

2.5 流域处理

运用ArcGIS的分水线处理工具软件，批量勾画了流域投影面积，并处理了WaterGAP全球水文模型提供的全球降雨栅格地图，使之与HydroSHEDS分辨率和范围相同，从而计算每座大坝的流量。对新西兰采用新西兰地图网格投影，其他大坝库区范围采用朗伯等角圆锥投影。

2.6 过坝流量

为计算每座水库过坝流量，采用改进的区域统计工具来处理库区重叠区域。采用年径流量栅格数据工具，计算每座水库的泄水量。根据年径流量栅格数据和库区面积计算出总径流量(mm/a)。考虑栅格尺寸(m2)的流量(m3/s)，公式如下

为验证采用的全球投影系统是否精确，进行了敏感性实验。利用当地投影对土耳其东部的克鲁河流域(该区域位于朗伯等角圆锥投影最东侧，因此投影后的变形最大)，采用相同方法计算流量。对比两种不同投影，计算结果相差小于2%。

根据计算出的各大坝过坝流量大小，将大坝分为5类(流量不大于10，10～100，100～1 000，1 000～10 000 m3/s和流量不小于10,000 m3/s)，并得出主要流域的各类水坝数量。各类大坝在河流上的空间分布表明，河流流量大小是影响水电站分布最显著的因素。

2.7 流域水资源总量

计算了主要流域的水资源总量，用以评估水资源的开发程度。所采用的方法与上述方法相同，不同的是上文中的各大坝集水区面积数据换成各流域集水面积数据。此外，还计算了主要流域已建大坝的密度(例如每平方公里水域年均大坝数量)，以及已建和拟建大坝的密度。

2.8 大型河流系统的碎片化

在2005年的一项研究中，根据河流渠道的碎片化和大坝对水流的影响，将未来水电站所处的292个大型流域分类为“无影响”，“中度影响”和“深度影响”。本文数据库中有2 611座水电站位于上述的108个大型流域中，计算了每个大型流域的未来大坝数量，以预测这些在建和拟建大坝对河流碎片化的影响。

2.9 地 图

所有地图都采用摩尔魏特投影，该投影对全球主要流域变形最小，在赤道和子午线没有变形。

3 研究小结

到2014年3月，有3 700座装机超过1 MW的水电站在建(17%)或正在规划中(83%)。在未来10～20 a中，这些水电站会将全球装机量从2011年的980 GW提高到1 700 GW。虽然中小水电站(装机容量为1～100 MW)在数量上将占大多数(75%)，但未来装机容量的93%将由847座装机超过100 MW的大型水电站提供。

未来水电开发市场主要集中在发展中国家和新兴经济体，包括南亚、南美和非洲。巴尔干半岛、安纳托利亚和高加索地区是水电建设的次中心。在建和规划的水电站中有超过40%的装机容量集中于中低收入国家(见图2)。

图2 未来每个主要流域水电站数量分布

南美地区的水电建设主要集中在巴西的亚马逊和拉普拉塔流域。亚洲区域的水电建设主要集中在印度和尼泊尔的恒河-雅鲁藏布江流域等。装机容量超过1 GW的超大水电站主要位于亚洲，尤其是长江流域以及南美洲的亚马逊流域，例如亚马逊流域欣谷河上的贝罗蒙特(Belo Mante)。

未来，一些国家的水电建设发展较快。以非洲为例，到现在为止只有不到8%的水电资源得到开发，水电站的建设只集中在100 MW以上的大型电站。

这3 700座大坝的建设，可使全球水力发电量提高73%，也将全球水能开发比例从22%提高到39%。然而全球能源需求同时也在提升，因此水电占全球发电量比例只会从2011年的16%提高到2040年的18%。

对环境方面的分析显示，水电建设复兴将会使全球120条天然大型河流系统中的25条碎片化，主要集中在南美洲。全球范围内现存的大型河流系统数量将会减少21%。同时，分析了大坝建设在开发水资源和减少河流流量上造成的环境影响。未来大坝很少在流量大的河流上建设。主要建设集中在流量小、水头高的区域，这也验证了未来中小水电站建设(装机不大于100 MW)为主要趋势的结论。

之前的研究显示，生产1 kW·h水电平均产生二氧化碳约为85 g，沼气约为3 g，这表明，未来水电站将会使大气增加280～1 000 Tg的二氧化碳和10～40 Tg的沼气，符合内陆水面产生4%～16%温室气体的比例。

有经济学观点表明，水电3 a平均投资在2010～2012年间比10 a前增长了6倍。假定1 MW电力需要280万美元建设投资，在建和拟建的水电站将需要2万亿美元的投资。平均每座大坝建设时间为8.6 a，每年的投资将会达到2 200亿美元。

就投资者而言，约有35家投资公司参与。例如在2010～2012年间，来自美国、西班牙、法国和瑞士等国家的7家投资者参与了巴西水电行业。在非洲主要的投资者是美国水利矿业公司，其在喀麦隆投资10亿美元用于水电开发。

同样，未来水电站建设与各国经济形势(GNI)没有关联，但未来每个国家水力发电量与GDP增长速率一致，与水电技术可开发量一致。经济增长速率与未来能源需求行业的高占比(90%)相一致。

与之相反的是，各国水电发展与其未用上电的人口数量无关联。例如印度2009年有3亿人口用不上电，但由于印度大多数区域缺乏可供开发的水电能源，即使开发所有水电能源也无法满足需求。另一方面，刚果民主共和国和巴西也有大部分人口用不上电，但是这些国家水电能源开发前景很大。随着水电能源的开发，有可能满足全国人民的用电需求，这也促成了国家电网的开发。私营企业开发水电出口的期望或供应工业的愿望也促进了水电产业的扩张。肯尼亚和坦桑尼亚等国家水电开发程度非常低，不足总量的20%。如果不考虑矿业之类的工业用电，可满足全国人民生活用电。假定快速增长的人口和经济发展对电力的需求只会消耗一部分新水电站产出的电量，那么巴基斯坦和尼日利亚则可通过水电扩张来满足本国人民生活用电。

4 探 讨

研究结果显示，水电能源无法替代煤、石油和铀等非可再生能源。即使大坝兴建规模达到预计的5倍以上，将全球水电技术可开发量开发殆尽，到2040年也只能供应全球不足50%的电能需求。如果不再进行水电建设，水电占比将会降低到12%。

即使是可再生能源，水电也因为切断河流产业的环境问题受到诟病，造成的其他问题包括水生物无法自由活动、河流改道和气候变化等。未来水电建设会影响全球生态敏感区域，例如亚马逊河流域、湄公河流域和刚果河流域，这些流域包含全球18%的淡水鱼物种。同样地，作为水电开发热点区域的巴尔干半岛也是欧洲关键的淡水生物多样性地区。不可忽视的是，在目前天然河流系统中在建和规划的水电站，发电量将不足全球规划电能的8%，而马来西亚、巴布亚新几内亚和圭亚那的比例则超过80%。这表明可以采取将水电站转移到已碎片化了的河流，以减少对全球所剩不多的天然河流的影响。例如可以将规划坦桑尼亚鲁菲吉河上的水电站转移到已经碎片化了的尼罗河或者赞比亚河上，从而保存东非最后一条天然河。然后，该方式并不适宜全球推广，只在一部分区域适用。

众所周知，水电不是一个完全不影响环境的电力能源。根据不同的环境和技术，水库可能会产生大量的温室气体。该研究对未来水库排放的温室气体的计算较为粗略，只考虑了选址和水库形态，并未考虑水库泄水方式(例如底层泄水或表层泄水)。未来水电站主要建设在热带和亚热带区域，这些区域水库温室气体排放量较大，尤其是在建成后的第一年。根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)的估测，水库温室气体的排放量最大，可能超过少用化石能源所节约排放量的10%。然而从全生命周期来说，化石能源比水电能源产生的温室气体排放量高出30倍以上。这也引起对不同环境因素的权重思考，即到底减少温室气体排放重要，还是降低水资源破坏、保护生物多样性和生态环境功能重要。

水电建设也对移民造成了直接和间接的影响，尤其是丧失自然资源的移民。也造成了(国际)公司、当地政府和人民之间经济效益和成本极度不平衡的问题。研究结果显示，水电行业的扩张基本上不能填补电力缺口。除此之外，与核电发展过程中同化石能源的相互依赖和竞争相同，多功能水电项目的增长也会引起潜在的冲突。对有不同需求和背景的用户和利益相关者，水电可能增加了对能源、水资源、防洪和灌溉需求的复杂化程度。

水电站建设和相关投资在某种程度上也是“跨界”，例如国际商务。通过对投资者的分析发现，越来越多的本国项目是由其他国家的公司投资的。总的来说，这些公司只关注投资，而不具体进行项目开发和水电站运行。尽管如此，大多数全球投资者遵循“赤道原则”(译者注：赤道原则由世界主要金融机构根据国际金融公司和世界银行的政策和指南建立，旨在决定、评估和管理项目融资中的环境与社会风险而确定的金融行业基准)，以确保国际认可的社会环境风险分析。前文提到未来水电站投资2 200亿美元/a，这部分投资既不包含水电站运行投资和发电收入，也不包含潜在的社会环境的费用。

通过分析发现，水力发电不能解决如下问题：①处理能源需求增加和气候变化问题；②消除电力缺口；③解决电力生产的相互依赖。实际上，迫切需要提高目前的规范和准则，以协调水资源用户、生态系统。2010年国际水电协会的《水电可持续发展评估协议》提出，水电规划、实施和运行中需要考虑对环境和社会的影响，走出了水电开发可持续发展第一步，但未提及受影响人口的参与途径。本文提供了未来全球水电站数据库，可为水电站选址、改进大坝建设管理奠定重要基础，从而支持一个包含环境、社会代价、包含利益相关方和受影响人口的系统规划。

5 结 语

全球人口增长和电力需求加大、降低温室气体排放的需求，均促使全球水电站的建设进入一个新的高峰期。尽管水电属于可再生能源，但依然带来了严峻的社会和生态影响，例如移民和跨界冲突、天然河流碎片化、生物栖息地改变从而威胁到淡水生物多样性。通过采取可持续发展的方式，规划和实施水电站建设，才能使电力生产最优化，使负面影响减至最小。

马雅文 译

(编辑：唐湘茜)

2016-10-20

1006-0081(2016)12-0005-05

TV74：X820.3

A