變化世界中的大壩與水電發展

賈金生 ， 馬 靜 ， 鄭璀瑩 ，2

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；

2.中國大壩協會，北京 100038；3.國際大壩委員會，巴黎 75008）

1 儲水設施建設與水電發展迎來了新的高潮

世界正處在不斷變化中，人口增加、經濟發展成為刺激資源、能源需求不斷增長的主要因素。水是基礎性自然資源、戰略性經濟資源和環境控制性要素。受人口增加、經濟增長和城市化發展等影響，人類對水的需求正以每年640億m3的速度增長，預計到2030年，全球將有47%的人口居住在用水高度緊張的地區[1]。與此同時，由氣候變化導致的包括洪澇、干旱等極端天氣事件的頻繁發生，加劇了缺水地區的水資源供需矛盾，加大了水資源開發利用的難度，為減災救災帶來了更大的困難。

作為目前人類面臨的最大挑戰之一，全球氣候變化要求人類必須采取應對措施。一方面需要積極推進能源結構的戰略性調整，改變化石能源在能源結構中的主導地位，減少溫室氣體排放；另一方面要對全球氣候變化所帶來的后果采取防御性措施。加大水的存儲、加強水調控能力，被認為是最核心、最有效的手段。國際社會對水庫大壩在應對氣候變化方面的重要作用已達成廣泛共識。越來越多的人認識到儲水設施對于實現可持續發展的重要作用，認識到缺乏足夠的儲水設施將降低人類對各種變化的響應能力，從而直接影響千年發展目標的實現。大力發展儲水設施和開發水電的國際共識，充分反映了發展需求是形成當前主流共識的基礎，水庫大壩的支持者和反對者能平靜友好地在一起討論全球發展問題，也從一個側面說明了這一點。

認識的轉變促使水庫大壩建設和水電開發迎來了新的高潮。為應對氣候變化，刺激經濟復蘇，許多國家加大了對水利和能源基礎設施建設的投入。目前世界上有165個國家已明確將繼續發展水電，其中110個國家的規劃建設規模達到3.38億kW。發達國家多因已基本完成水電開發任務，因此將重點投入到對已建水電站的更新改造、增加水庫的泄洪設施提高防洪能力、調整電站運行調度目標實施生態保護和修復等方面，如北美、歐洲等不少國家；發展中國家多數制定了規劃，大約在2025年基本完成水電開發任務，如亞洲、南美地區的發展中國家等；欠發達國家和地區，雖然多數具有豐富的水能資源，也一直致力于發展水電，但限于資金、技術等條件，大力開發水電仍然存在很多困難，如非洲的不少國家等；還有一些政局不穩的國家，雖然急需發展水電，但限于國力等條件，推進非常緩慢。2008年世界上在建大壩有1 200多座，其中壩高60 m以上的大壩有370余座，主要分布在亞洲、南美等55個國家[2]。

2 與其他能源相比水電具有最高的能源回報率

在過去的一個世紀里，水庫大壩充分發揮了防洪、抗旱、城鄉供水、航運、休閑娛樂以及能源供應等方面的功能，為經濟社會的發展提供了有力支撐。同時，多功能的水庫大壩在水與水能資源利用方面的綜合優勢，在接連發生的能源危機、水危機、食品危機和氣候變化中得到充分的顯現。

水的存儲就是能源的存儲。水電在現代電力系統中扮演了重要角色。目前，水電發電量在全球電力供應中占據20%的份額[3]，是僅次于化石燃料的第二大主導電源 （見圖 1）。

圖1 全球電力供應結構

在各種能源開發方式中，水電具有最高的能源回報率和最低的溫室氣體排放量。能源回報率這一概念源于20世紀70年代的能源危機。這次能源危機過后，各國都著力調整其能源結構，對能源獨立、改善空氣質量以至于后來的應對氣候變化等問題給予了前所未有的關注[4]。許多國家開發化石能源的替代產品，但不同種類能源的選擇成為新的問題。為鑒別各種能源的特性，引入了能源回報率這一概念。以一個火力發電廠為例，能源回報率的物理意義是指一個火力發電廠在運行期內發出的所有電量與它在建設期、運行期為維持其建設、運行所消耗的所有電量的比值，建設期、運行期所消耗的所有電量既包括直接能源消耗，如機械設備運行、照明耗能等，也包括建筑材料、煤炭等制造、運輸等過程的耗能。 懷特 （White） 和庫辛斯基 （Kulcinski）[5]推薦了一個簡單公式用于計算各種能源的能源回報率（EPR）， 即

式中，EnL為在電站整個生命周期內的電量總產出；EmatL為電站消耗材料 （如煤）的能源投入；EconL為電站修建的能源投入；EopL為電站運行的能源投入；EdecL為運行期滿后拆除電站的能源投入。數值越大代表能源回報率越高。

根據加尼翁 （Gagnon）[6]的計算結果，各種能源開發方式的能源回報率見圖2，CO2排放強度見圖3。由圖2、圖3可知，水電的能源回報率遠遠高于其他能源，而且是溫室氣體排放量極小的能源。

圖2 各種能源的能源回報率計算結果

3 水庫大壩、水電開發與社會經濟發展關系密切

一個國家擁有的人均水庫庫容、人均水電發電量與國家社會經濟發展有著密切關系。研究人均庫容指標、人均發電量指標與人類發展指數 （HDI，Human Development Index），可以比較清楚地說明水庫大壩建設、水電發展與社會經濟發展水平的關系。人類發展指數由GDP人均指標以及反映生活質量的健康和教育三項要素加權平均計算，作為衡量聯合國各成員國社會經濟發展水平的綜合指標。該指標避免了以單一人均GDP作為衡量人類發展指標的缺陷。人類發展指數為一個介于0和1之間的數，數值越接近于1表示人類發展水平越高。HDI大于0.9的國家多為發達國家，如澳大利亞 （0.970）、美國 （0.956）、 英國 （0.947）； HDI介于 0.8～0.9 的國家多為較發達國家，如阿根廷 （0.866）、俄羅斯（0.817）、 巴西 （0.813）； HDI介于 0.5～0.8 的國家多為亞洲、非洲、拉丁美洲的發展中國家，如中國（0.772）、 埃及 （0.703）、 印度 （0.612）； HDI小于0.5的國家多為亞洲、非洲的欠發達國家，如盧旺達（0.46）、 布基納法索 （0.389）、 阿富汗 （0.352） 等。

圖3 各種能源的溫室氣體排放強度計算結果

按照這一觀點分析全球100余個國家2007年的人類發展指數與水庫大壩、水電發展[2，7]的相關關系（見圖4、圖5），結果表明，在保障水安全和能源安全以及應對各種變化的儲水設施建設方面，發達國家已有良好的基礎，而發展中國家依然任務艱巨。針對某個國家，盡管也有例外，如以色列HDI為0.935，人均庫容僅為27 m3，贊比亞HDI為0.481，人均庫容為1 072 m3，但總體來講，一個國家或地區水庫大壩發展水平與國家人類發展水平呈較強的正相關。聯合國人類發展報告[8]也指出， “全球水基礎設施的分布與全球水風險的分布呈反比關系”。

由于響應程度不同，氣候變化對處于不同發展階段的國家產生的影響及后果也不同。布萊爾報告[9]指出， “那些在造成氣候變化上責任最小的群體，即貧困和脆弱人群，所遭受的負面影響卻是最大的?！蓖瑯?，那些過去沒有，現在和將來也不會顯著增加溫室氣體排放的貧困國家或最不發達國家卻要承擔氣候變化的成本，他們也最容易受到氣候變化的影響，他們的適應能力也是最為脆弱的。因此，處于不同發展階段的國家，在儲水設施建設方面的目標、重點以及所關注的問題也不同。對于欠發達國家而言，全球氣候變化帶來的后果往往是災難性的，由于缺乏足夠的調蓄能力，氣候變化導致的極端天氣事件使災害頻繁發生，受災程度加重。儲水設施建設對這些國家是一個事關生存、擺脫貧困的問題，正如世界水電宣言（非洲）[10]所闡述的那樣，在欠發達的非洲國家，水與電力是救命的物品，這些國家對能源和水的需求非常急迫，在蓄水和發電的雙重效益下，多功能水庫大壩對促進水安全供應起著關鍵性作用，同時水庫大壩可以大大緩解極端天氣事件對非洲造成的影響。因此，水與水能資源開發對發展中國家尤其是非洲國家有著特殊意義，是最急迫的改善民生的任務之一。

圖4 人均庫容與人類發展指數的關系

圖5 人均水電發電量與人類發展指數的關系

4 大壩的安全與長效運行是事關大壩建設和水電發展的核心問題

對人口占世界大多數的發展中國家和不發達國家，推進經濟發展、改善貧困是主要任務。人類在可持續發展的許多領域仍受到供水、食品和能源供應短缺的困擾和威脅，目前全世界有20億人口得不到現代能源供應，有11億人口得不到安全的飲用水，有24億人口缺乏健康衛生設施，每年受自然災害影響的人口多達2.11億[11]。因此，一方面需要建設更多的水庫大壩，另一方面要保持已建、新建水庫大壩的安全和長效運行，對此，需要從戰略高度加以認識和研究。

雖然隨著科技發展和認識的提高，壩工技術不斷進步，很多關于大壩建設和運行維護、修補加固的技術難題能夠得到很好的解決，但我們仍然面臨很多挑戰性的問題。2009年8月17日，俄羅斯薩揚·舒申斯克水電站發生重大事故，造成76人死亡，引起了國際上的廣泛關注，根據俄羅斯方面的調查報告，事故是由于一個水輪機罩的螺栓發生疲勞破壞斷裂而引起的。事實上，很多大壩的安全事故都像薩楊·舒申斯克水電站事故一樣，是由于日常維護和監控不當引起的。這些大壩安全事故必將對水利水電行業的發展帶來巨大的影響。公眾對大壩安全的重視程度越來越高，這也提醒水利水電工程師們，保障大壩的長效安全性才能使得整個行業獲得可持續的發展。

要保障水庫大壩的長效安全性，主要需考慮以下幾個方面：

（1）設計、施工和運行維護人員都應該提高安全意識，認識到水庫大壩安全不僅僅是技術問題，也是社會問題；水利水電工程師不僅要承擔技術責任，還要承擔社會責任。

（2）在工程的設計、施工和運行維護的各個階段，都要認識到水庫大壩的使用年限可能會達到50年或100年甚至更長，應該采用具有足夠耐久性或者老化破損后便于更換的材料或部件；同時，還要考慮長期運行后水庫大壩可能出現的病害和安全隱患，采取相應的處理措施，以便制定合理的后期加固工程方案并順利實施，保障水庫大壩的安全。

（3）大壩壩體本身和其他部位、構件的使用年限可能不一樣。對于一座精心設計、精心施工和精心維護管理的水庫大壩，其本身的使用年限一般超過100年；然而，閘門、啟閉設備等水力機械構件每30～50年就需更換，壓力鋼管的使用年限一般為40～60年。對老化構件的及時維護和更換是保障整個水庫大壩工程安全的重要措施。

（4）在大壩運行階段，需結合大壩的實際觀測資料，考慮所有對大壩運行性態有影響的因素，定期對大壩的長效安全性進行評價，為制定大壩的加固方案提供參考。

（5）保障水庫大壩的長效安全性是長期、不間斷的任務，在這個過程中可能會發生難以預料的事情，應針對每座水庫大壩工程的特點制定應急預案，應急預案需要把所有與大壩安全相關的因素考慮在內。對政策改變、經濟危機或者重大自然災害等因素作用下，水庫大壩以及下游人們的安全如何保障，也是應急預案制定過程中需要考慮的問題。

隨著社會經濟的發展，水庫大壩建設已經不僅僅是單純的科學技術問題。為了消除誤解，確保水庫大壩建設的長期可持續發展，保證水庫大壩的長效安全性是最基本也是最為關鍵的。

［1］ UNESCO.The United National World Water Development Report-Water in a Changing World［R］.New York:UNESCO,2009.

［2］ Editorial Board.Word Atlas&Industry Guide 2008［M］.London:The International Journal on Hydropower and Dams,2008.

［3］ EIA.Energy Information Administration international statistics database［DB/OL］.EIA,2008.http://www.eia.doe.gov/.

［4］ Gagnon L.Civilisation and energy payback［J］.Energy Policy,2008,36（9）:3317-3322.

［5］ White S W,Kulcinski G L. “Birth to Death”Analysis of the Energy Payback Ratio and CO2Gas Emission Rates from Coal,Fission,Wind and DT Fusion Electrical Power Plants［R］.University of Wisconsin-Madison,1999.

［6］ Gagnon L.Energy Payback Ratio［R］.Montreal:Hydro-Québec,2005.

［7］ UnitedNation.Human Development Report 2009-Overcomingbarriers:Humanmobilityanddevelopment［R］.New York:United Nation,2009.

［8］ United Nation.Human Development Report-2006［R］.New York:United Nation,2006.

［9］ Blair T,The Climate Group.Breaking the climate deadlock:A global deal for our low-carbon future［R］.2008.

［10］ ICOLD.World Declaration Dams and Hydropower for African Sustainable Development.Paris:ICOLP,2008.

［11］ Berga L.Dam for sustainable development［C］//Proceedings of Highlevel International Forum on Water Resources and Hydropower.Beijing:IWHR,2008.1-6.