非洲主要河流的潛在作用

［法國］ F.雷蒙皮埃爾等

到21世紀中期，非洲人口可能從10億增長至20億。為了滿足不斷增長的人口對生產及生活用水的需求，必須充分合理地利用水資源，增加農田灌溉用水，提高電力生產能力。目前，發電量僅為750 TW·h/a，因此大部分非洲人都用不上電。預計未來40 a，非洲地區的發電量應超過5000 TW·h/a，這意味著人均發電量需增加到2500 kW·h/a，才能滿足20億人的用電需求。

本文將對整個非洲地區的水電開發潛力和水資源需求進行分析，重點討論剛果河、贊比西河、尼日爾河和尼羅河，并對尼日爾與尼羅河流域面臨的特殊問題提出有效的解決方案。

1 水電綜述

(1)水電。到21世紀中期，預計水電發電量會占到非洲發電總量的15%，其主要優勢在于許多開發工程成本很低，遠低于5美分/kW·h(2010年價格)，而將來利用其他資源發電的成本會接近10美分/kW·h。但非洲這種低成本的水電潛能有限，為1000 TW·h/a，目前僅開發了其中的10%，較為合理的目標是到21世紀中葉開發水電潛能的70%，即200 GW(700 TW·h/a)。近90%的水電資源都集中在非洲中部地區(圖1)。

圖1 21世紀非洲可獲得的電力資源

預計非洲的水電開發將會持續100 a，所以其設計不應只依據未來30 a的主要情況，同時也要考慮泥沙淤積以及將來利用水庫蓄能可能遇到的問題。

(2)水電用于蓄能。非洲目前約80%的發電量來自化石燃料，到21世紀中期，這個比例將下降到20%～30%。因為全球的化石燃料都在逐年減少，非洲也不例外，加之其化石燃料本來就不多。今后核電將占全球發電總量的10% ～15%，但非洲會遠低于該水平。因此，在非洲將有超過50%的電力由風能和太陽能提供，而利用太陽能發電則可能成為未來非洲地區的主要電源，因其擁有許多全沙漠地區，日照時間長達3000～4000 h/a，且2030年之后，其發電成本很可能低于10美分/kW·h。最大電力需求主要在集中日照充足的月份，而到了雨季，水力發電又能彌補太陽能發電的不足。太陽能發電站基本上可以依靠當地技術和勞動力在短期內建成。21世紀中期，總量為3000 TW·h/a的太陽能，所需面積將達到30000 km2，約為非洲總面積的1/1000，絕大部分在沙漠地區。因此，太陽能的進一步開發也是可能的(見圖2)。

圖2 21世紀非洲可能達到的水電容量

風能與太陽能發電的缺點是間歇性的供電，需要通過火電或水電來作補充以維持供電平穩。因此建議:①將白天的太陽能發電與夜間的水力發電相結合。②聯合河道上兩座水庫，組成抽水蓄能工程模式，安裝可逆式水泵水輪機。③將一座水電站水庫作為抽水蓄能電站的下庫，并在河道之外修建上庫。④設計抽水蓄能電站時，將近海作為下庫，在海岸以上高處修建人工上庫，最好是在懸崖上。

到21世紀中期，預計非洲的間歇性發電量將達到3000 TW·h/a，或平均350 GW的供電能力。到2050年，對抽水蓄能的需求將會達到200 GW，與同期200 GW的水力發電相當。

因抽水蓄能的額外成本，間歇性電能將為2美分/kW·h。

2 水資源

非洲河流徑流總量約為2500 km3/a，目前人均水資源擁有量為2000 m3/a，但90%的水資源位于撒哈拉沙漠與贊比西河之間的中部地區;北部和南部人均水資源擁有量均小于1500 m3/a，在其他干旱少雨地區，人均擁有量更低。

2.1 剛果河

剛果河流域面積遠遠超過300萬km2，與剛果民主共和國的國土面積大致相當;平均河水流量達4萬m3/s，即年均徑流量達12000億m3，相當于非洲所有河流水量的一半。盡管該地區降水量較大，但該國和周邊鄰國的灌溉用水需求依然受到限制。

剛果河經濟上可行的水電蘊藏量超過了300 TW·h/a。其中因加(Inga)工程為200 TW·h/a，且成本僅為1美分/kW·h，是目前世界上最便宜的電力，但至今幾乎未得到開發。該國人口約7000萬，預計50 a內將翻一倍，屆時這些水電資源也都將有可能被開發。2020～2060年，電能產量可能會超過其需求，因此可以將大多數剩余電力出售給周邊其他國家，以幾美分/kW·h出售200 TW/a的電能，就能獲得約50多億美元/a的收益。還可以向南非和尼日尼亞等國輸出其用電需求10%～20%的電力，即超過100 TW·h/a。

今后50 a內，水電對該國的發展將起巨大的作用。

2.2 贊比西河

贊比西河的徑流量近1000億m3/a，主要為莫桑比克、贊比亞和津巴布韋這3個國家約5000萬人提供水資源。該河的灌溉用水量很可能不足100億m3/a。

贊比西河及其支流擁有100 TW·h/a的水電蘊藏量，通過修建大約10座大型水電站(沿贊比西河)可基本得到開發，其中的50%位于莫桑比克境內。

目前莫桑比克的水力發電量為25 TW·h/a，其中的10 TW·h/a通過一條長1400 km的輸電線路，從卡合拉巴薩(Cahora Bassa)水電站輸往南非。這3個國家80%的電力都來自水電，而且以后水電也將是滿足進一步需求最合算的能源。隨著人口的增長，今后20～30 a內可能需要開發贊比西河的全部水電資源，當然，也需要其他能源。

津巴布韋與莫桑比克未來的主要能源很可能是太陽能，到21世紀中期，太陽能將會與水電同等重要。因此，未來水電項目的設計應考慮與這種間歇性能源有關聯的蓄能需求。

到本世紀末，1億人口可能需要500 TW·h/a的電能，其中300～400 TW·h/a可能來自太陽能;抽水蓄能電站相應的裝機容量可能達到20～30 GW。因此，水電站水庫也可作為抽水蓄能電站的下庫使用，在高處修建人工上庫。

無論是直接利用或間接利用，贊比西河流域水電資源在滿足當地世紀對可再生資源能源需求方面將起重要作用。

2.3 尼日爾河

尼日爾河全長4000 km，下游1000 km的河段在尼日利亞境內，年降水量超過1000 mm，當地降雨形成的年徑流量達到2000億m3，因此該地區水資源并不缺乏。盡管30 TW·h/a的水電資源可以很快得到開發，但在21世紀中期只能滿足3億人口中一小部分人的需求。

尼日爾河上游段長1500 km，一部分位于幾內亞境內，大部分在馬里西部，該河段在莫普提處的年均徑流量達400億m3，但其中40%在下游莫普提與廷巴克圖(Timbuktu)之間很平坦的Internal三角洲(3萬km2)內被蒸發掉。庫容為10億m3的賽林蓋(Selingue)水庫，使得旱季時巴馬科地區的尼日爾河流量可以保持在100 m3/s。目前正在研究將該水庫的庫容增加到50億m3，這樣就能在旱季給巴馬科地區提供超過300 m3/s流量的水，這對于該地區的灌溉至關重要，同時也有利于巴馬科和加奧(Gao)兩地間的航運與水力發電。

在未來15 a，將在馬里境內的尼日爾河上修建徑流式電站并對賽林蓋水庫進行升級改建，這樣就可生產5 TW·h/a低成本的電能，以滿足馬里絕大部分的用電需求。該地區將來的主要電源很可能是太陽能，當然，也可能是太陽能與水電相結合，尤其是到21世紀中葉，應在塞林蓋水庫和Internal三角洲的不同地方，修建大型抽水蓄能電站，利用成本十分合理的可再生資源發電，完全可以滿足馬里絕大部分地區的用電需求。

尼日爾河中游段長1500 km(大部分位于馬里東部，另一部分在尼日爾境內)，該地區3個月的降水量不足500 mm。因此，未來3000萬人的主要水資源是幾個月內從內陸三角洲流入尼日爾河的250億m3/a徑流量。目前，正在設計或施工的一些水壩擁有數十億立方米的蓄水能力，這對于以后的灌溉和發展不可或缺。

水電蘊藏量將得到開發，但畢竟數量有限。因此，未來大部分電源應是來自風能和太陽能，并且是將其與內陸三角洲境內或靠近新建水庫的抽水蓄能電站相結合，以得到有效利用。

2.4 尼羅河

尼羅河很長，情況也比其他河流復雜。尼羅河流域包括埃及、蘇丹和烏干達3國及另外6個國家的部分地區，流域內現有2.5億人，2050年之后人口數量將上升到4億。流域人均徑流量不足500 m3/a;人均水電蘊藏量不足1000 kW·h/a。

(1)尼羅河流域上游為多雨區域，實際上提供了幾乎全部的徑流量，且具有80%以上的水電蘊藏量。

(2)下游為干旱地區，包括埃及和北蘇丹，平均降水量僅為200 mm/a。

2.4.1 水電

尼羅河水電蘊藏量為300 TW·h/a;其中50 TW·h/a已得到開發，占目前200 TW·h/a總供電量的25%。但各國目前與未來數據會有很大差異。

(1)埃塞俄比亞現有人口8000萬，水電蘊藏量為200 TW·h/a，用電量為5 TW·h/a，另有一些可生產50 TW·h/a的水電工程處于在建或設計中。水電將成為該國發展的重要基礎，且部分多余電力可以出售給鄰國。預計到21世紀中葉，該國水電能夠滿足自身的全部電力需求。

(2)埃及人口8500萬，發電量140 TW·h/a，水電僅為15 TW·h/a。阿斯旺大壩在1975年為埃及提供了50%的電力，但目前僅占5%。目前埃及的電力來源主要依靠化石燃料(天然氣和石油)，對抽水蓄能的需求不高。

流域內，其他國家的總人口約8000萬，用電量低于20 TW·h/a，而水電蘊藏量有80 TW·h/a，主要集中在南蘇丹、北蘇丹和烏干達。未來30 a，由于用電需求的增加，這些國家很可能會開發本國大部分水電資源，或從埃塞俄比亞進口一些水電;2030年之后，可能將大量利用太陽能和抽水蓄能發電。因此，到21世紀中期，尼羅河沿岸大多數國家的水電發電量在總發量中所占比例會很小，抽水蓄能可能有利于大量開發利用太陽能。

2.4.2 水資源

尼羅河可利用水資源為720億m3/a，包括其支流在內，徑流量為1400億m3/a，但其中的一半都因自然或人為因素而損耗掉。這些徑流由以下3個部分組成:

(1)東部的總水量為830億m3(基本上來自埃塞俄比亞)，其中來自東邊支流索巴特(Sobat)河的水量為160億m3，青尼羅河的為550億m3，阿特巴拉(Atbara)河的為120億m3。約有40億m3的水流經索巴特河時蒸發在南蘇丹的東濕地(East Swamps)，這些水量都是7～11月流入的。埃塞俄比亞將來建壩的季節性蓄水可能超過300億m3，從而可降低對阿斯旺水庫與麥羅維水庫的蓄水需求。

(2)來自蘇丹上游白尼羅河南部的全年水量為420億 m3，而其中200億 m3在中部濕地(Central Swamps)，即蘇德(Sudd))濕地蒸發掉。

(3)8～12月來自南蘇丹支流(主要為朱爾河和洛爾河)的水量多達150億m3，實際上，這部分水量也都在西部濕地(West Swamps)損失掉了。

南蘇丹濕地造成的水資源蒸發量約為400億m3/a，阿斯旺水庫蒸發量達150億m3/a，另外還有幾十億立方米的水資源在蘇丹的麥羅維水庫、羅塞爾(Roseires)水庫、杰貝勒奧利亞(Djebel Aulia)水庫和其他水庫蒸發掉。

維多利亞湖(Victoria)的年均降水量比年均蒸發量多300 mm，但在北蘇丹和阿斯旺水庫區域年蒸發量比年降水量高出2000 mm。因此，67000 km2的維多利亞湖的蓄水量比阿斯旺水庫的蓄水量更有吸引力，只是目前未得到很好地利用，因為超過200億m3/a的多余水資源中，約80%在進入蘇德濕地后被蒸發掉了。

為了提高尼羅河水資源的利用率，最行之有效的辦法是對南蘇丹的主要水庫實施合理管理。

2.4.3 蘇德濕地節水

蘇德濕地即南蘇丹的中部濕地，這里地勢極其平坦且土壤不透水，主要吸納來自白尼羅河上游150～650億m3/a的徑流量和50～150億m3/a的降水。因此，年份與季節不同，濕地面積也會呈現非常明顯的差異，在非常干旱的年份如1921年，濕地面積實際上不到10000 km2，而在降水量非常多的年份如1964、1988年，面積為20000～35000 km2;濕地下游徑流量一般為100～200億m3/a。

20世紀中期，經過大量研究，決定修建一條長350 km，且繞過蘇德濕地的運河，以使在此處的水量損失減少100～500億m3/a。1978～1983年蘇丹內戰之前，該運河已完成270 km。

(1)新的運河設計方案。為了滿足日益增加的依賴運河輸水和分洪的需求，在對當地條件做了足夠充分的了解后，對原設計做了改進。由于采用了新的設計方案，1980年，運河水位升高到超過天然地面1.5 m，流量從250 m3/s上升到350 m3/s，亦即100億m3/a。還可以通過以下途徑使流量提高到1000 m3/s，即300 億 m3/a。

第1種是在該運河從尼羅河引水的取水口處修一座閘控低壩(low gated dam)，攔擋尼羅河的水;還可以橫跨尼羅河及沿上游兩岸修建一些低堤壩(low dykes)。

第2種是完成并升級現有的運河工程。

(2)運行與影響。運河和水壩運行后，通常情況下每年留在尼羅河內的水量為200～250億m3，相當于1900～1960年年均水量的一半。在多水年份，還能將水流量從原來的650億m3/a降至350億m3/a，這樣可避免災難性的洪水發生。

季節性濕地可維持以前的狀態，或根據當地需要進行優化，這樣，可給當地居民帶來以下效益:①減輕洪水;②灌溉;③馬拉卡勒到朱巴的永久公路;④航運。此外，南蘇丹也能從輸送給北蘇丹和埃及的多余水量中獲得巨大的收益。

1960年后，尼羅河平均徑流量約420億m3/a。如果給尼羅河留下220億m3/a，將平均節水80% ×180≈150億m3/a，而該運河的流量將為50～300億m3/a。

與1983年的設計相比，新的運河設計方案更有利:①額外的發電量補償額外的費用;②提供更多的水資源;③減輕當地洪水;④有利于對阿斯旺水庫進行管理。

2.4.4 其他濕地節水

來自索巴特(Sobat)河的水量約有40億m3/a損失在東部濕地，通過在埃塞俄比亞境內的河段上修建大壩和(或)在東部濕地修建一條運河，可以避免這些損失。

來自當地各支流多達150億m3/a的水量損失在西部濕地。通過修建水壩和(或)運河，同樣可以將其蓄積。

上述方案可以節水多達100億m3/a。

2.4.5 阿斯旺水庫的節水

阿斯旺水庫庫容可達1570億m3，必要的季節性蓄水量達300億m3，埃塞俄比亞大壩和麥洛維大壩將來水電的季節性蓄水很可能會使阿斯旺水庫季節性蓄水量大幅降低。阿斯旺水庫全年的蓄水量遠遠超過1000億m3;是造成水資源大量蒸發的主要原因，過去10 a已造成1500億m3的損失。如果將全年蓄水量減少500億，將能避免40億m3/a的蒸發以及其他原因造成的水量巨大損失。這樣，總的節水量將達到50億m3/a。維多利亞湖富余的蓄水量可通過蘇德運河得到利用，并可補償阿斯旺水庫減少的500億m3全年蓄水量。不過，該方案的成本將受制于以下因素:

(1)先在烏干達修建電站(1億或2億美元)，因為維多利亞湖蓄水量增加勢必會在若干年內導致烏干達水力發電量下降。

(2)阿斯旺電站損失的發電量大約為300 GW·h/a左右，因為水頭下降造成的發電損失，大于節省的50億m3水的發電效益。

3 水資源共享及其協議

3.1 第1階段

促成9個國家就分享尼羅河的水資源及未來修建水壩水渠的利弊達成一項全面協議，可能是一項長期而艱巨的過程。

蘇德運河工程將于2020年完工，對其他國家不會造成直接的不利影響，反而將有助于對埃及和烏干達以前簽訂的嚴格且具有諸多爭議的維多利亞湖管理協議進行可能的評論;對于阿斯旺水庫大量節水及優化蘇德濕地管理具有非常十分重大的意義。在此基礎上，預計2020年的節水總量將達150～200 億 m3。

非洲許多國家將在2020年之前修建水電大壩，修建大壩可能會對周邊國家造成一定影響，但總的來看，這些影響是有利的。

3.2 第2階段

2020年之后為第2階段，將實現以下3個目標:

(1)通過各種大壩和渠道，攔蓄來自南蘇丹西部與東部兩大濕地的水;

(2)可能在艾伯特(Albert)湖修建一座水壩;

(3)減少蘇丹各水庫的水量損失，特別是杰貝勒奧利亞水庫的水量損失。

如果目標得以實現，預計可節水100億m3/a。

4 結語

到21世紀中期，預計水電能夠以低廉的價格為非洲中部提供大部分的電力。本文介紹了非洲4條主要河流的水電蘊藏量及其開發利用狀況，這4條河流流經的國家人口數量占非洲人口總數的1/2，并擁有最多的水電蘊藏量。

可以對河流的開發利用方案進行優化，以便提高其灌溉效益。在這方面，對于尼羅河與尼日爾河，則要采取特殊的應對措施。當然，減輕洪災與提高航運能力同樣也具有非常重要的相關效益。