全球水能资源评估模型与方法研究

2021-08-11肖晋宇吴佳玮胡延龙李美儒

水力发电 2021年5期

仇欣，肖晋宇，吴佳玮，胡延龙，王羽，彭莉，李美儒

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072；2.全球能源互联网集团有限公司，北京 100031；3.全球能源互联网发展合作组织，北京 100031；4.水电水利规划设计总院有限公司，北京 100120)

0 引言

经济发展与人口增长带来的能源与环境问题日益严重，已成为制约人类生存的关键因素，因此保障能源安全、转化能源结构以及实现可持续发展是当今世界各国的重要任务，大规模开发利用清洁的可再生能源是最有效的措施[1- 4]。水能作为一种可再生的清洁能源，具有分布广泛、可循环重复利用、技术发展成熟以及经济成本低等优势，已在世界范围内获得广泛开发利用，是清洁能源相关战略的主力技术[5-7]。

全球能源互联网是全球尺度研究清洁能源大规模开发、输送、使用的全过程平台，旨在促进世界能源转型和电力发展方式转变，是加快实现世界能源清洁低碳、安全高效和可持续发展的有效工具[1，8-10]。全球能源互联网将水能作为发展的主要对象之一，利用高精度地形数据提取数字化河网、获取河流的水文数据，开展流域、国家乃至大洲范围内的水能资源评估，了解、掌握不同流域、国家的水能资源禀赋及其分布特性。在此基础上，本文构建一套全球尺度的水能资源评估的参数标准、一般技术流程与方法体系，针对全球水能资源评估提出了一套适用于内业工作的数字化评估方法与流程，构建了河流水能资源理论蕴藏量、技术可开发量评估和电站开发经济性测算模型，并结合非洲刚果河流域水能资源评估案例进行了实证研究。

1 研究背景

1.1 水能资源评估概述

水能资源评估是指导水能资源技术与经济开发利用的基础。广义水能资源包括河川水能、潮汐水能、波浪能、海流能等；狭义水能资源指蕴藏于河川和海洋水体中的势能和动能，本文主要研究狭义水能资源。反映水能资源量的一个重要指标是水能理论蕴藏量，其计算主要由河道上下游水位差和流量决定。刘鑫等[11]研究了河段的划分和控制断面的选择对于水能蕴藏量计算的影响，指出在实际工作中河段数越多，计算的理论蕴藏量越接近真值。曹丽军[12]通过势能法与理论站址法推算了水能蕴藏量计算公式。谈戈等[13]分析了流域分布式水文模型、空间插值、四维同化技术等方法在无资料地区水文预报中的意义和作用。唐洪波等[14]研究发现，基于DEM及ArcGIS水文分析功能可应用于少资料地区水能资源评估。目前，国内外学者主要结合应用遥感数据与实测径流数据评估水能资源[15-17]。

我国已经开展了3次全国范围内的水力资源普查[18]。王翠翠[19]将滦河干流划分为37段，计算了其水能蕴藏量。李璐等[20]通过收集地形、降雨以及径流资料，通过直接计算径流值与移用径流系数的方法，估算奥果韦河流域理论蕴藏量。徐志等[7]通过对全球各大洲、各国水能资源等分析对比，从宏观角度明确我国水能资源开发利用水平。

1.2 水能资源数据获取

水能资源评估的关键是依托数字高程模型(DEM)数据生成数字化河网，获取落差、比降、集水面积等河流特征参数。在此基础上，结合河流径流量等水文数据开展资源的评估。

数字高程模型是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟，可通过遥感、摄影测量、地面测量等手段获取数据，是区域性水电规划获取地形图的主要方法和高效手段。目前覆盖全球的高精度地形数据集主要包括ASTER GDEM数据产品、SRTM DEM数据产品等，能提供全球陆地范围80%以上最高地面分辨率30 m的DEM数据[21]。

水文数据用于描述河流、湖泊等水体的特征值，包含降水、蒸发、下渗、水位、流量、泥沙、水质等，是涉水工程在规划、设计和施工阶段重要的基础资料，一般通过建立永久或临时的水文站点观测获取。目前能支撑开展全球河流水能资源评估的水文数据集主要是全球径流数据中心(GRDC)，该数据集收集了全球9 900余座水文站的观测数据，能提供逐日、逐月、多年平均等径流数据。

1.3 水电站选址影响因素数据获取

开展河流技术与经济可开发量评估需要进行电站选址。影响电站选址的因素包括水文、地质、环保、移民等多个方面。本文选取互联网公开数据资料，收集整理全球卫星影像、全球地物覆盖、全球保护区分布、全球水库和湖泊分布、全球地震和断层分布、全球地质岩层分布、全球城镇与人口分布、全球已建水电站分布、全球电网分布、全球交通基础设施分布等符合全球尺度的地理信息数据集。

1.4 水能资源评估方法

水能资源评估主要包含表征河流水能势能大小的水能理论蕴藏量，表征河流水能可转化为其他形式能量(主要是电能)大小以及价值的技术可开发量和经济可开发量。

(1)水能理论蕴藏量与河流地形落差和径流量直接相关。河道天然落差取决于地形，一般情况下区域地形较为稳定。流域内河流虽受全球气候变化、区域环境变化、人类活动影响等存在一定变化，但其多年平均径流量相对稳定。因此，河流的水能理论蕴藏量是相对固定和客观的，是评价河流水能资源大小的宏观指标，是本次研究的重点。

(2)技术可开发量是以河流理论蕴藏量评估结果为基础，剔除不宜开发水电的河段资源。对可开发的河段，依据当前的水电开发技术水平和机电设备参数性能开展梯级水电站布置，计算电站的装机、发电量等工程参数。可用整条河流布置梯级的装机总量或多年平均总发电量来表示该河流的技术可开发量。

(3)经济可开发量是在技术可开发量的基础上，综合考虑影响水电投资的经济性因素，并与可对比的替代电源成本或受电地区可承受的电力成本(电价)进行对比，选出当前条件下整条河流中适宜开发的梯级电站，用其装机总量或多年平均总发电量来表示经济可开发量。

1.5 存在问题

现有大部分研究空间尺度较小，主要针对单条河流或流域开展水能资源评估，而针对国家或大洲的水能资源评估研究主要以数据收集和统计分析为主。当进行宏观层面水能资源的空间分布特征分析时，被汇总到行政单位一级的信息缺乏空间细节。同时，在进行水能资源评估，特别是技术可开发量和经济可开发量评估时，需要考虑水文、地质、环保、移民、收益率等多方面因素，涉及大量的数据收集与分析工作，很多数据还需去现场收集。大量开展现场数据收集的工作方式并不适合在全球范围尺度上开展水能资源评估研究。

因此，在开展全球尺度下的水能资源评估应增加分析方法的弹性，既要能展示大洲、国家等较大空间尺度下的水能资源分布的细节特征，也要能从流域、河流等微观层面计算出理论蕴藏量、技术可开发量。此外，在模型中还需要考虑数据收集的可行性，关注影响评估的主要因素，提出通用性的解决方案，为政策制定者和商业投资人提供实用的建议。总之，面对全球范围内清洁能源的评估与开发需求，开展兼具大空间宏观尺度与河流等微观层面相结合的水能资源评估研究，整合全球水能资源评估所需的数据，构建通用的标准水能资源评估模型与数字化计算框架十分必要。

2 水能资源评估方法

2.1 理论蕴藏量

河流水能资源理论蕴藏量是河流水力势能的多年平均值，由河流多年平均流量和全部落差经逐段计算得到。理论上，水能资源蕴藏量的计算应采用有限元法，离散化处理河段长度并逐段计算，通过增加单元划分数量，提高数值近似精度。但在操作中，由于条件复杂多变、数据量大、计算繁琐而不被采用。水能资源理论蕴藏量是一个宏观指标，按一般分段计算即可满足应用要求。实际工作中，通过合理设置河流上下断面，进行分段计算并累积获得评估结果。

数字化评估水能资源理论蕴藏量，首先，以卫星遥感观测数据为基础获得数字化高程模型，形成数字化河网数据，通过提取河流支流汇入点、比降突变点和河口位置，在满足断面间距要求的前提下，合理确定控制断面生成河段；然后，以河流径流量等水文数据为基础，结合河流或湖泊年降水量、河段区间集水面积等信息，计算得到河段流量信息，进而完成水能资源理论蕴藏量的测算。计算流程见图1。

图1 水能资源理论蕴藏量计算流程

基于上下断面高程差、河段年平均径流量计算理论蕴藏量，公式为

ETRWater=ρ·g·Q·ΔH·t

(1)

式中，ETRWater为河流水能资源理论蕴藏量；ρ为河水密度；g为重力加速度；Q为年平均径流量；ΔH为上下断面高程差；t为小时数，取8 760 h。

对水能资源进行评估时，应按从河段到河流、从支流到干流的原则逐级统计理论蕴藏量。一条河流、一个水系或一个地区的水能资源理论蕴藏量是其范围内各河段理论蕴藏量的总和。对于界河，其河段理论蕴藏量可按界河两岸各50%分别计入。水能资源理论蕴藏量可根据其值分为最丰富、很丰富、丰富、一般4个级别(见表1)，便于重点分析。

表1 水能资源理论蕴藏量等级

2.2 技术可开发量

河流水能资源技术可开发量是指存在于河流中，在当前技术水平条件下，通过修建水库、电站等工程设施，可开发利用的水能资源的量值[22]。技术可开发量随技术水平和社会、环境等外部条件的变化有所不同。对于河流技术可开发量的评估，首先收集已建、在建电站信息，然后针对未开发的河段开展数字化规划选址，最后将上述电站都纳入技术可开发量统计。

本文所开展的水电站数字化规划选址方法以河流水能利用最大化为选址出发点，面向项目建议书阶段开展规划。采用内业工作方法，利用收集的DEM、水文、选址影响因素等数据开展数字化规划。数字化规划以数字化河网为基础划分流域干支流及对应的分水岭。通过水文、河段比降、河两岸等高线分布、卫星影像选取流量大、落差集中的河谷狭窄处作为初拟坝址，拟定正常蓄水位生成库区。叠加地质灾害、岩层、自然保护区数据确保坝址及库区位置地质条件较好，远离断裂、地震高发区域，且不位于自然保护区内。通过地物覆盖数据、城镇与人口分布数据和交通设施数据计算库区影响的城镇、道路、用地和人口数量，减少对城市、耕地、森林等不宜淹没土地的占用。经过比选后选定最终坝址位置，计算水电站特征水位、调节库容、装机容量、引用流量、发电量等工程参数。本文采用发电量最高的方案计入河流的技术可开发量，评估流程见图2。表2为影响电站选址的部分限制性因素。

图2 水能资源技术可开发量评估流程

按照流域评估技术可开发量，当流域选定范围内的水系发育、支流众多时，干流及重要一级支流为重点研究河段，是水能资源开发利用的主要河段，可进行大中型电站布置；对小型一级支流及二级支流可进行小电站布置。将各梯级电站的装机容量相加即得到河段流域的技术可开发量。评估公式为

(2)

表2 水电站选址限制性因素

式中，PTPWater为水能资源技术可开发量；ptec为符合技术开发条件的梯级电站容量。

2.3 经济可开发量

河流水能资源经济可开发量是指在当前技术水平条件下，通过修建水库、电站等工程措施，可开发利用且具有经济可开发价值的水能资源的量值[22]。其评估过程需要考虑水能资源条件、工程枢纽投资、移民环保投资、电网接入条件、消纳市场替代电源投资水平等内容。面向全球尺度与项目前期阶段，受限于内业为主的数据收集方式，难以开展完整的河流经济可开发量评估。除将已建、在建、已完成水电开发规划的电站计入经济可开发量外，对于开展了数字化规划的电站进行以开发成本为主的经济性分析，将有开发价值的电站也纳入其中。

电站经济性分析采用平准化度电成本模型。参考电站数字规划成果中的装机容量、年发电量、库容、坝型、坝高等参数，类比国内相似工程，同时，参考本地水电工程造价水平进行估算，得出投资的初步范围。结合电站所在国发展水平以及融资利率、税率等金融参数，根据项目特点与实际需要，以经济内部收益率为主要评价指标，开展经济性评价，在实现建设期与运行期逐年现金流测算的基础上，获得水电站度电成本。经济可开发量评估公式为。

(3)

式中，PEPWater为水能经济可开发量；peco为具有经济可开发价值的梯级电站装机容量。

3 刚果河流域水能资源评估研究

刚果河长约4 640 km，位于非洲中西部，是仅次于尼罗河的非洲第二长河，流域面积约370万km2，源于赞比亚境内的东非大裂谷的高地山区，主要流经赞比亚、刚果民主共和国、刚果共和国与安哥拉等国家，最终注入大西洋。刚果河干流落差1 510 m，平均比降0.33‰，水量充沛，是世界著名的大河。流域水能开发潜力巨大，现有开发规模尚不足水能蕴藏量的1%。

开展刚果河流域水能资源的数字化评估测算，获得干流及流域内主要支流的水能资源理论蕴藏量，遴选出适宜开发水电工程且未利用的河段，开展数字化规划选址并评估电站装机规模与开发成本，将有效助力非洲水能开发和利用，提振刚果河流域水电基础设施投资信心，推进能源清洁化发展进程。刚果河水能资源丰富，主要集中在干流上，但干流长度长且流经国家多，中游穿过全球第二大热带雨林，不宜大规模开发，收集梯级布置及经济性评价所需的数据较困难，通过数字化手段开展整个干流的技术与经济可开发量评估难度较大。因此，本次水能资源评估以干流的理论蕴藏量分析为重点，仅选取干流蕴藏量最为丰富的下游河段开展技术和经济可开发量评估。

3.1 水能资源理论蕴藏量

3.1.1 水能资源理论蕴藏量概况

基于基础数据和算法模型，建立刚果河流域数字化河网，共包含102 905个河段，总长度约17万km，覆盖了370万km2的流域面积，流域水能资源理论蕴藏量为23 848.5亿kW·h/a。通过计算，刚果河干流与主要支流的水能资源理论蕴藏量为13 653.9亿kW·h/a，占比约57.25%；其次为开赛河，理论蕴藏量为3 806.6亿kW·h/a，占比15.96%；乌班吉河与卢库加河理论蕴藏量分别为1 548.2亿kW·h/a和1076.5亿kW·h/a，分别占比约为6.49%和4.51%。

3.1.2 干流理论蕴藏量分析

刚果河干流以赞比亚境内的谦比西(Chambeshi)河为源头，上游由卢阿普拉(Luapula)河、卢武阿(Luvua)河、卢阿拉巴(Lualaba)河组成；中游河段自基桑加尼(Kisangani)起至金沙萨(Kinshasa)，主要位于刚果盆地中部，流经世界第二大热带雨林；刚果河下游较短，在金沙萨和大西洋入海口之间，长约400 km，落差达280 m，河道平均比降0.70‰，流域面积约10万km2，水能资源极为集中。表3为刚果河干流分河段水能资源理论蕴藏量分布。

表3 刚果河干流分河段水能资源理论蕴藏量亿kW·h/a

刚果河干流水能资源主要分布在刚果民主共和国，理论蕴藏量为10 668亿kW·h/a，占比约78%；其次为刚果共和国，理论蕴藏量为1 892.6亿kW·h/a，占比约14%；安哥拉水能理论蕴藏量为692.2亿kW·h/a，占比约5%。

3.2 水能资源技术可开发量

刚果河上、中、下游河流特性以及两岸经济社会发展状况很不相同。其中，上游段多汇流、湖泊、瀑布和险滩，水流湍急，可满足发电需求；中游段河道纵坡平缓，水量丰富，水流平稳，两岸多沼泽、热带雨林分布，城镇相对密集，水能资源条件和开发条件均较差，不适宜开发大型电站；下游水量大，水流湍急，河面收窄，多瀑布，无通航条件，可满足发电需求。根据测算，刚果河干流水能资源集中水能富集河段为上、下游区域。其中，金沙萨以下的下游河段理论蕴藏量9 658.6亿kW·h/a，占干流总蕴藏量的70%，非常适合开发水电，也是本次水能资源技术可开发量的评估重点。刚果河下游河段全长约400 km，落差280 m，平均比降0.70%。金沙萨(Kinshasa)～卢奥济(Luozi)河段两岸地貌以丘陵为主，地质条件稳定，无大型断裂与地震带，周边无自然保护区，两岸人口稀少无大面积城镇和田地分布，有较好的建坝和成库条件。

(1)在皮奥卡(Pioka)处布置1座梯级电站，采用混凝土重力坝，最大坝高约90 m。库区面积约190 km2，涉及淹没的林地、灌丛等面积约为80 km2，库区内人口密度约30人/km2，未淹没公路等基础设施造。

(2)卢奥济(Luozi)～英加镇(Inga)河段坡降较大，沿途多跌水、瀑布，两岸以山体为主，河谷收窄。其中，英加镇北侧有一山间盆地，地形开阔，具有较好成库条件，可布置1座梯级电站。采用混凝土重力坝，最大坝高约60 m，库区面积约210 km2，涉及淹没的林地、灌丛等面积约为100 km2，库区内人口密度约25人/km2，未淹没公路等基础设施造。

(3)英加镇(Inga)～马塔迪(Matadi)河段两岸以丘陵为主，河谷狭长，成库条件较好，可在马塔迪镇附近河段布置1梯级电站，采用混凝土重力坝，最大坝高约43 m。库区面积约23 km2，涉及淹没的林地、灌丛等面积约为9 km2，库区内人口密度约60人/km2，未淹没公路等基础设施造。

(4)马塔迪以下河段较为平缓，两岸地形平坦，开发条件差，基本不具备水电开发条件。

图3给出了3个梯级电站的位置示意。图4给出了3个梯级电站库区主要地面覆盖物分类示意。表4给出了3个梯级电站的主要技术参数。

图3 刚果河下游河段梯级水电站布置

图4 刚果河下游河段梯级水电站库区主要地面覆盖物分类示意

表4 刚果河下游梯级电站主要技术参数

3.3 水能资源经济可开发量

根据刚果河下游开发条件，拟开发的3个梯级电站的工程规模、坝型、坝长、坝高、机组数量等情况，类比国内三峡水电工程，同时参考当地工程造价水平得出投资的初步范围。根据水电工程投资、电站运维成本、当地财税政策、投资收益水平等条件，测算上网电价。表5给出了刚果河下游3个梯级电站的经济性测算结果。刚果河下游水电站可向非洲西部、南部、东部以及北部输电。通过计算水电站上网电价并与送电目标市场电源平均价格水平进行比较可知，上网电价比目标市场电源平均电价低约2～5美分/(kW·h)[23]。