国内外小型水电站发展研究

2019-12-19高国明山长鑫熊泗军

陕西水利 2019年11期

高国明，山长鑫，熊泗军

（1.吉林省水利科学研究院，吉林长春 130022；2.长春工程学院水利与环境工程学院，吉林长春130012；3.吉林省水工程安全与灾害防治工程实验室，吉林长春130012）

0 引言

水是万物赖以生存的根本，是所有生物的主要组成部分，是人类文明和发展的起源，为人类生存和发展提供众多功能，如发电、航运、灌溉、泥砂输送、航运、观光等。地球上97%的水都是海水，2%的水存在于冰川当中，仅有1%的淡水资源可供人类使用[1]。淡水资源对于维持人类生存至关重要，河流，湖泊和湿地的改变已经带动了几个世纪的经济发展[2]。小水电作为清洁能源，经历漫长的历史变革，有着悠久的历史，在过去的历史中为人类的发展作出突出贡献。但在历史变革中也存在着些许的诟病，例如小型水电站脱水破坏河流生态，沉积物在坝体前淤积，各种重要的水力参数（流速，流量等）改变，影响栖息地条件[3]。

1 小水电发展历史沿革

水电是源自流动水的能源，是世界上可再生能源的主要来源，占全球可再生能源供应的近3/4，占全部电力生产的近1/5[4]。在全球范围内，小水电最常用的定义是额定容量为10 MW或更低的水电机组，但在一些国家为了满足当地的需求容量高达30 MW（如巴西）或50 MW（如加拿大，中国）[5]。世界上大型水电站的修建起源于小型水电站，而水力发电开始于木质水车。水轮机的出现使得各国开始关注如何利用水电大规模发电。1878年法国修建世界上第一座水电站，1882年美国威斯康星州建成的水电站正式发电，1956年我国于明姜建成第一座小型水电站，此时我国处于小水电的初步发展阶段，由于小水电是可再生清洁能源资源，具有投入成本低、工期短、运行维护成本低廉等优点，1980年～2000年小水电迎来快速发展的高峰期。1977年法国有978座小型水电站，总装机容量49万kW，日本运行的小型水电站有1350座，总装机容量700万kW[6]。由于经济效益原因，美国1930年～1970年间关闭了3000座小型水电站。“欧盟水框架指令2002/60/CE”的出台旨在保护良好的水生态环境，使得一些河流被列入保护区范畴，进一步限制小水电的开发[7]。1995年欧盟水电总装机容量达到92000 MW，其中小型水电站装机容量为9500 MW，占总装机容量的10.32%[8]。1999年，欧洲26个国家共有小型水电站17400座，总装机容量约为12300 MW[9]。2006年，欧盟27国共有运行小型水电站21000座，装机容量超过13000 MW，其中12000 MW的小水电装机容量来自欧盟15国，其中超过90%的小水电装机容量来自意大利、德国、西班牙、法国、奥地利和瑞典[10]。截至2010年，美国大部分的水电生产主要集中在美国西部，华盛顿州是美国最大的水电生产州，占水力发电的31%，其余几大水电生产洲分别是俄勒冈州、加利福尼亚州、纽约州和阿拉巴马州[11]。

截至2013年，亚洲占世界小水电开发潜力的63.03%，占世界小水电已开发的61.27%，可知在小水电的开发潜力和已开发上，亚洲都占据着主导地位，其余几大洲小水电开发潜力和已开发力见图1、图2，数据来源[12～16]。

图1 世界小水电开发潜力

图2 世界小水电已开发力

图3 世界各区小水电开发潜力

图4 世界各区小水电已开发力

由图3和图4可知，东亚是世界小型水电站开发潜力最丰富地区和已开发强度最强地区，开发潜力是75312 MW，已开发40485MW，具有较大的开发利用空间。南亚开发潜力为18077MW，然而已开发3563 MW，尚有大量的资源供其开发，北美开发潜力15000 MW，已开发7843 MW，小水电资源开发利用上远超南亚，可见虽然有的地区小型水电资源丰富，但是在水电的开发利用上却是不尽人意，采用下式进行小型水电资源开发利用计算：

将所计算的数据绘制成图形，见图5。由图5可知世界小水电资源利用最强的地区是北欧，小水电资源开发利用率达到94.85%，其次是西欧87.43%，东欧78.25%，北非62.50%等地区，由于东亚具有丰富的小水电资源和较为可观的开发量，但是开发利用率仅为53.76%，远不及北欧地区（丹麦、瑞典、挪威、芬兰等国），东亚目前仍具有较大的开发空间。

图5 小型水电站开发利用率

截至2001年，我国已建成小型水电站4300余座，总装机容量2600多万kW，主要集中在广东、福建、四川、湖南、云南、浙江等省份[17]。

根据2016年世界小型水电站发展报告显示，截至2016年全球小水电资源总潜力已开发近36%，装机容量相比2013年增加4%，2016年美国水电开发潜力达到57%[18]。

目前我国是世界上水电大国，占全球小水电资源总潜力的29%，根据2017农村水电年报显示，截至2017底我国共建成小型水电站47498座，占全国水电总装机容量的23.2%，可见小水电的发展在我国水电发展中占据着重要的位置。

2 国内外小水电发展问题

小水电在长久的发展中，由于一些小型水电站修建的年代较为久远，设备设施老化、已不满足小型水电站的正常运行。在运行维护上不足，造成漏水现象，机组运行噪声大，效率低下[19]。

1960年美国受外界一些影响，意识到一些水坝和电站长期运行后产生的些许诟病，开始水坝和电站的拆除工作，2000年以前美国拆除大坝462座，1999年～2003年拆除水坝168座，所拆坝以小型坝为主，2001年～2009年拆除坝体数量见图6[20]。

图6 2001年～2009年美国逐年拆除坝体数量

西欧国家中限制小型水电站发展的因素50%来自于环保和生态，其他欧洲国家受经济、技术、环境等综合制约而实际可开发小水电资源为35%～65%。从图7可知，欧洲小型水电站在1997年至2001年之间发展呈下降趋势，相比大型水电的开发和其余可再生资源的开发，小型水电站的发展脚步落后[21]。

图7 欧洲小型水电站电力市场份额变化

周军苍[22]发现在博州小水电的开发过程中，由于生态意识的缺乏，在枯水期阶段局部河流产生脱水段，影响该河段生物的正常生长发育。青海省湟水流域和西宁地区小水电的过度开发，水资源的过分利用，已经严重超出安全警戒线，近几年来青海省对于生态红线以内的敏感区，环境保护区和脆弱区，对于小水电的开发提高要求，小水电的开发受到限制，对于已建成并且造成生态破坏的小型水电站进行生态修复[23]。福建省拟计划完成1000座小型水电站的关停工作，准备改善200条河流的水生态。贵定在建的两个引水式水电站均有近4 km的引水隧道，极易造生态需水无法得到保障，影响生物环境的需水要求[24]。

图8 我国小型水电站发展状况

由于小水电发展中存在的些许问题，限制小型水电站的发展，从图8小型水电站总装机容量斜率可知我国小型水电站的发展脚步在放缓放慢，从图中小型水电站占当年全国电力总装机的百分比来看，我国在小型水电站资源的开发利用上不如其余电力的开发。

3 国内外小水电生态影响

小型水电站虽然有可再生清洁能源、运行成本低等优点，但是小型水电站，面临的生态问题也及其突出，Therrien和Bourgeois[25]认为小型水电站面临的主要环境挑战之一与鱼类通过有关。Blanco and Gonza′lez and Elvira[26]认为水坝是影响西班牙鱼类的主要不利因素。在法国，所有水电设施，无论大小，都必须有洄游鱼类通行的设施[4]。众所周知水坝和堰会中断纵向河流连通性，孤立鱼类群落，而纵向河流连通性是基本的鱼类社区持久性的要求，因为它允许季节性运动，增强终身生殖发育[27]。Elizabeth P.Anderson,Mary C.Freeman 等[28]研究了Puerto Viejo河脱水段上游和下游的鱼类组合成分和水生栖息地变化，研究结果表明鱼类组合在Puerto Viejo河上的大坝的上游和下游是不同的，小坝（＜15 m高）阻碍了鱼类的迁移，从研究数据上得出未来至少有一种物种可能面临局部大坝上游的灭绝。在哥斯达黎加，几乎所有的小型水力发电厂都引水式，水从大坝那里转移到河流发电后返回至下游的主要通道。这些类型的大坝项目导致引水口和下游水之间的流量大量减少（通常为几公里），无法满足更多生殖需求的物种[28]。欧文斯河下游16 km峡谷，由于水力发电原因从1953年～1991年脱水，导致没有河岸植被和鱼类的河道[29]。Anderson等人回顾了中小河流水电站对栖息地的影响，最明显的影响是引水式水电站大坝下游的脱水河段（进水口和水返回之间段），Katharina Lange等[30]人认为引水式水电站对河流生态系统的影响远远超出剩余流量范围。小水电的环境影响包括那些与大坝建设时的土地，以及后期建设改变的流量制度，栖息地连通性的丧失，以及多个安装的累积效应。水电大坝的建设不仅会改变下游流动状态，通道形态和水温，同时也影响沉积物的运输和沉积[4]。小水电梯级开发所产生的累积效应更加的深远，因为每个小水电厂的负面影响的协同作用实际上可能超过大型水电站的负面影响[31]。小水电产生的生态问题影响，可归纳为以下几类[32～34]：

1）引水式水电站将水引入下游发电，造成坝后下游产生脱水段，脱水段内无法完成灌溉、供水等需求，并且对河段内生态环境造成不利影响。

2）隔断洄游鱼类的洄游，鱼类正常的生存繁衍受到影响，导致种群整体遗传多样性的丧失，区域内物种多样性的丧失，甚至有物种灭绝。

3）坝体的建立，使得水流速度变慢，水体滞留周期长，水体自净能力降低，造成水质的变坏。