溪洛渡水电站生命周期环境影响分析

夏 欣

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 前 言

生命周期评价是一种全过程的评价方法，能够揭示隐含在产业链中的能源消耗和污染物排放。目前，生命周期评价法在水电站建设进行环境影响评价方面有一定的研究，其环境影响评价包括水电站的建设、运行维护和废弃处置阶段。

在国外，EdgarG.Hertwich［1］等使用LCA混合模型分析了火电、水电、风电、核电及光伏发电多种发电模式对环境影响的效应。HanneLercheRaadal等［2］分析了自1996—2010年间的39篇水电站生命周期评价文献，认为带水库的水力发电根据水电站所在地的气候、被淹没土地面积等因素对温室气体的排放有很大的影响；FlaviodeMirandaRiberio［3］等以巴西Ttaipu水电站大坝建设期和运行期的投资总额为核心，运用投入产出法得到了该电站生命周期环境影响清单，并客观地分析了该水电站生命周期清单。

在国内，ZhangQ，karneyB等［4］利用投入产出法计算了中国装机容量44MW与3600MW的2座水电站温室气体排放情况；张社荣等［5］用混合生命周期评价方法定量评估糯扎渡水电站采用重力坝和堆石坝两种枢纽布置方案下的生命周期碳排放；PangMingyue等［6］运用过程分析法计算了中国小水电——观音岩水电站的环境效应；杜海龙等［7］以可渡河上某水电站为例，计算了可渡河水电开发的碳减排潜力，认为水电开发对碳减排有明显贡献；杜海龙［8］以金沙江下游的4个梯级电站作为例，进行水电站生命周期碳足迹的分析和研究；JiangTing等［9］对中国4个水电站（95～500MW）分别进行了10—100年生命周期的温室气体排的评估。

1 研究方法

1.1 工程概况

溪洛渡水电站位于金沙江下游，工程采用混凝土双曲拱坝，坝高285.5m，装机容量1386万kW。本文选择以金沙江溪洛渡水电站为依托工程，开展水电站生命周期中对环境影响的初步分析研究，主要有以下几方面原因：首先，溪洛渡水电站地处西南深山峡谷地区，工程区自然环境脆弱，势必对水电站建设要求更加严格。其次，溪洛渡水电站位于西部欠发达地区，工程建设必然产生较大的社会经济影响。第三，溪洛渡水电站装机规模大（13860MW），仅次于中国三峡水电站和巴西伊泰普水电站；坝高达285.5m，引水发电等地下洞室群结构为世界最复杂；工程建设周期长达11年。可见，溪洛渡水电站在技术难度及综合效益方面，都十分具有代表性。

1.2 研究目标

基于生命周期评价方法，以溪洛渡水电站为研究对象，研究混凝土拱坝枢纽工程生命周期环境影响特点；将水力发电工程生命周期温室气体排放与传统火力发电相比，评估减排效益，探讨水力发电的清洁性与优质性。

1.3 系统边界

图1 溪洛渡水电站LCA系统边界

2 环境影响清单分析

2.1 主要工程量

在本文为溪洛渡水电站设置的边界范围内，涉及的环境影响因素的环节主要包括：（1）建设耗材生产：水泥、钢材、粉煤灰、木材、炸药、机电设备及金属结构；（2）材料运输；（3）施工过程：土石方工程、混凝土工程、灌浆工程；（4）水电站运营及维护；（5）水电站废弃处置。其中主要工程量见表1。

表1 主要工程量

2.2 排放清单分析

以PO42.5水泥为典型对象进行能源消耗及污染物排放清单分析（见表2）。

表2 PO42.5水泥能耗及污染物排放清单

在水电站运营及维护阶段，溪洛渡水电站是以发电和防洪为主的水利水电工程，在电站运行期间几乎没有污染物的排放［10］；在电站水库淹没的植被和土壤有机物被微生物分解为CO2和CH4，是水库中重要的温室气体来源。

在水电站废弃处置阶段，电站退役后往往会继续保留大坝。目前还没有关于水电站废弃处置污染排放方面的基础数据，一般假定该过程CO2排放为建设过程的10%［1］。

2.3 清单分析结果

根据各阶段的清单分析，溪洛渡水电站生命周期能耗及污染物排放情况结果如表3所示。

表3 溪洛渡水电站的生命周期能耗及污染物排放情况

3 影响评价及结果初步分析

3.1 环境影响类型

根据水电建设排放影响较大及受到关注比较多的影响类型，本文选取全球变暖潜力GWP、酸化潜力ACP、富营养潜力NEP、光化学臭氧合成潜力POCP及烟尘和灰尘潜力SAP5个环境影响类型进行分析［11］。

3.2 环境影响潜值计算

环境影响潜值的计算公式如式（1）：

式中：EP（j）为生命周期产品系统对第j种潜在环境影响类型的影响值；EP（j）i为生命周期产品系统第i种排放物质对第j种潜在环境影响类型的影响值；Q（j）i为生命周期产品系统第i种物质排放量；EF（j）i为生命周期产品系统第i种物质对第j种潜在环境影响的当量因子。

欧洲标准化组织地理信息技术委员会（CEN/TC 287）负责欧洲范围内的数字地理信息标准化工作，研制结构化的标准与指南框架，规定地理数据与服务的定义、描述和转换方法。

一般而言，不同类型的环境影响会通过不同的当量因子来衡量，以特征化因子作为参考，再进行潜值的计算。国内外通用的做法是，全球变暖以CO2为参考，酸化以SO2为参考，富营养化的当量因子为PO3-4，光化学臭氧合成的当量因子为C2H4。

溪洛渡水电站每发1MW·h的发电量的生命周期环境影响潜值如表4所示。

表4 每1MWh发电量的生命周期环境影响潜值

3.3 环境影响潜值标准化及加权评估

目前通用的做法是选用1990年作为基准年，建立标准人当量，也就是说生命周期内平均每个人每年对环境造成的影响的大小［12］。根据上述分析，数据标准化后的潜在环境影响和资源消耗NP的计算公式为式（2）：

式中：T代表产品生命周期的年限；ER（j）90代表1990年全球（或地区）人均资源消耗量和人均环境影响潜值，EP（j）代表产品系统的资源消耗和环境影响潜值。

一般而言，即使两种不同类型环境影响潜值通过标准化后得出了不同数据，但这并不代表二者的潜在环境影响是相同的。鉴于此，对不同的影响类型进行排序尤为重要，也就是加权评估。通过对不同的影响类型赋予不同的权重数值，然后再进行比较。加权后的影响潜值WF（j）的计算公式见式（3）：

式中：WF（j）为j种环境影响的权重因子；NP（j）为标准化后的影响潜值。

文献［1］和［12］对中国不同地域及不同环境影响类型的标准化基准和权重进行了研究。溪洛渡水电站地处中国西部，其不同环境影响类型的标准人当量基准值和权重值如表5所示。溪洛渡水电站每生产1MW·h电量的环境影响潜值标准化和加权分析如表6所示。

表5 环境影响潜值标准人当量基准值和权重值

表6 每生产1MWh电量的环境影响潜值标准化和加权分析

3.4 环境影响潜值分析

溪洛渡水电站生命周期各个子过程对环境影响的大小如图2所示。

图2 每1MW发电量各阶段对环境产生的影响占比

该电站每产生1MW·h的电量，投入建设原材料的排放贡献如图3所示。

图3 每1MW发电量投入的建设原材料对环境产生的影响占比

通过图2及图3可以看出，溪洛渡水电站的建设原材料生产对全球变暖潜值、酸化潜值和富营养化潜值的贡献率大大超过了50%，对烟尘及灰尘潜值的贡献率甚至接近100%。而在原材料生产阶段，水泥及钢材对全球变暖潜值、酸化潜值、富营养化潜值、光化学臭氧合成潜值及烟尘及灰尘潜值的贡献率均超过了60%。因此，水电站建设应更加关注建设原材料生产阶段、尤其是水泥及钢材的生产所造成的环境影响。

3.5 能耗分析

根据各能源消耗与标准煤的换算，可将溪洛渡水电站生命周期能耗换算为标准煤2.85×106t。

溪洛渡水电站年发电量575.5亿度电，设计使用寿命50年，总发电量约2.88×109MW·h。经换算，每发电1MW·h会消耗标准煤约0.99kg。溪洛渡水电站生命周期内可节约标准煤约11.6亿t。

将各建设子过程能源消耗换算为标准煤，并分析各建设子过程能耗占比，如表7所示，建设耗材生产过程能耗占比最大，占总能耗的61.21%，其次是施工过程，占总能耗的35.85%，材料运输过程能耗最少，占比为2.95%。

表7 各建设子过程能耗占比

4 与其他能源类型的碳排放比较

根据相关研究成果，得到不同能源类型生命周期碳排放系数，火电［11，13］为1083.7～1341.9kg CO2-eq／MW·h，核电［14］为7.0～13.0kgCO2-eq／MW·h，风电［14］为6.0～9.0kgCO2-eq／MW·h，生物质能［15］为210.0～260.0kgCO2-eq／MW·h，太阳能光伏发电［16］20.0～40.0kgCO2-eq／MW·h。将溪洛渡水电站碳排放系数与其他能源类型进行对比，如图4所示。

图4 溪洛渡水电站生命周期碳排放系数与其他能源类型的比较

可以看出，溪洛渡水电站生命周期碳排放系数远远低于传统的火电，与风电、核电、太阳能发电及生物质发电相比，溪洛渡水电站也具有一定的优越性。水力发电具有明显的清洁属性，大力开发水电对我国温室气体减排的意义重大。

5 结 论

（1）溪洛渡水电站生命周期内CO2排放约1.10×1010kg，生命周期内发电量约2.88×109MW·h。经换算，每发电1MW·h的温室气体排放量约为3.83kgCO2-eq／MW·h，所消耗的能源相当于0.99kg标准煤。溪洛渡水电站单位发电CO2排放远远低于传统火电的1000kg／MW·h，亦低于国际水电碳排放系数平均19.4kg／MW·h，彰显出该电站开发质量的优越性。溪洛渡水电站生命周期总发电量约2.88×109MW·h，相比火力发电可减少CO2排放约28.64亿t。大力进行水电站建设能够有效减少我国化石能源使用和碳排放，促进能源结构优化，是实现我国节能减排目标的有效途径。

（2）通过溪洛渡水电站环境影响潜值分析可见，水电站的建设原材料生产对全球变暖潜值、酸化潜值和富营养化潜值的贡献率大大超过了50%，对烟尘及灰尘潜值的贡献率甚至接近100%。水电站建设应更加关注建设原材料生产阶段的环境影响。