美國非發電壩發展潛力評估

［美國］B.哈杰爾維阿 等

1 研究概述

為增加可再生能源供應，美國能源部(DOE)風能和水能規劃署已著手開展一項研究，以分析非發電壩(NPD)的發電潛力。研究前提是假定在NPD 修建過程中，已完成對大壩建設所需費用和環境影響的評估。與新壩相比，NPD 可減少技術和經濟上的風險，且見效快，在國家增加可再生能源供應中極具吸引力。

作為該項研究的一部分，美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)和愛達荷國家實驗室(INL)的研究人員對水電資源進行了評估。通過挖掘美國NPD 的蘊藏量，量化潛在水電能源的總利用量，旨在了解國家、地區以及流域范圍內增加的總發電量以及NPD 蘊藏的水電潛能。基于NPD 所在的不同河段，ORNL 的研究人員從美國地質調查局(USGS)和美國陸軍工程師兵團(USACE)等獲取最新資料，通過一系列地理空間處理技術，可將每個壩址上的映射數據進行疊加，并量化出最大的水電潛能。

每座大壩的過水流量和壩前、后的水頭差決定水電潛能的大小，假設水通過發電裝置時可有效地轉變為電能，且水頭保持不變，研究人員就能計算出大壩產生的總電能。在國家或地區范圍內，可評估和匯總每月、每季的可用水量、水頭、額定功率以及發電量等。

在美國現有的8 萬多座NPD 中，選擇符合要求的54 391 座進行研究。結果表明，如果在美國NPD上新安裝發電機，就有產生12 GW 新生可再生能源的潛力，足以為400 多萬戶家庭提供電力供應，并使現有常規水力發電機組的規模增長15%。這一潛在能源大部分集中在600 座NPD 上，可提供約10 GW的電能。其中最為顯著的10 座NPD 位于俄亥俄河、密西西比河、阿拉巴馬河、湯比格比河，阿肯色河和紅河上。僅這10 座NPD 就可增加3 GW 的新水電能源。

2 NPD 潛在水力發電量、蘊藏量

可根據式(1)計算NPD 提供的最大潛在水力發電量:

式中，Q 為平均流量，m3/s;Δh 為水力發電總水頭，m;η 為發電效率(取0.85);T 為總發電時間，h。

由于大多數NPD 所在的河流上未建水文站，歷史水文資料有限，在缺乏可參考數據的前提下，難以精確評估潛在水力發電量。因此，需根據每個壩址可用的統計數據，輔以其他數據資料進行評估。通過國家大壩名錄(NID)和其他方法，獲得計算月水力發電量中所使用的常水頭。在計算每座NPD 的月平均流量時，假定所有徑流均可用于發電。將每月水力發電量相加，就可預測出潛在的年均水力發電量，這一數值即是NPD 可獲得的最大理論水力發電量。此外，從現有水電站計算的地區發電機容量系數，可根據式(2)評估水電蘊藏量:

如果一座水電站的所有發電機組都持續不斷地運轉，則其實際年發電量將會接近于裝機容量與一年總運行時間相乘的結果，因此Cf值接近1。然而徑流量是隨時間變化而變化，Cf明顯小于1。故在這一分析中用式(3)計算蘊藏量:

通過式(1)和式(2)，可計算出每個NPD 的潛在水力發電量和蘊藏量。

3 NPD 潛力評估

研究中選取54 391 座NPD，對比計算最大潛在水力發電量和蘊藏量，從中確定最具開發前景的大壩。由于許多數據不能從這些大壩本身獲得，而應廣泛收集數據源，從中選定發電模型所需數據。可選用的數據源包括NID、國家水電資產評估項目(NHAAP)基線數據、自然資源保護局分水嶺邊界數據集(WBD)、USGS 國家水文數據(NHD，1∶24 000 精度)、環境保護署(EPA)－USGS 國家水文資料(NHDPlus，1∶100 000 精度)以及USGS 國家水資源信息系統(NWIS)水文觀測站資料等。

NID 用來提供NPD 的綜合列表和對應壩高，最新的NID 囊括了83 987 座大壩的建設目的、位置、河流名稱、集水面積、壩高、庫容、所有權以及基本用途等數據。NHAAP 基線數據可提供許多歷史數據，透過這些數據可研究、計劃美國未來在水力發電中潛在的水電擴容改造。為建立流域邊界框架，WBD 定義了6 個水文單元。利用湖泊、池塘、小溪、河流、渠道以及海洋等的共性特征，NHD 提供了一套綜合數字空間數據，來表征美國的地表水資源。NHDPlus 整合了一系列數據，包括對流域累計面積特點，流向，流線的最低、最高海拔與最緩、最陡坡度，以及這個河流網絡中每條流線的流量和流速評估。從22 000 多座NWIS 水文站所收集到的數據，可提供位置、流域面積和月徑流量等信息。

3.1 大壩注冊登記法

計算NPD 的流量需了解大壩的精確位置。使用高分辨率的NHD，對NID 中不夠準確的41 000 多座大壩坐標進行了調整。然后，將NPD 連接到相對應的NHDPlus 河段，重新獲得有用的NHDPlus 屬性，例如流域面積和年平均流量。一些只能從高分辨率NHD 上看到的小蓄水池被排除在分析范圍之外。以NID 和NHAAP 屬性為基礎，現有水電站、副壩以及低水頭壩也被排除在外。

3.2 流 量

由于大部分NPD 缺乏水文觀測資料，因此在此項研究中應用一個簡化的單位徑流公式。根據一些數據源，利用式(4)可計算每個NPD 壩址的月平均流量:

式中，流域面積是NPD 上的流域累計面積;徑流量是月平均流量的標準值;采用NID 和NHDPlus 計算每座NPD 的流域面積。利用NID 和NHDPlus 流網進行空間分析，從而找出每座NPD 所在的流線。據1999～2008 年對5 595 座USGS NWIS 水文站持續觀測的徑流量資料，計算所有流域的月平均流量。對每座NPD 而言，將流域徑流量和流域面積代入式(4)即可計算月流量。

3.3 水 頭

精確地講，水頭是指總水頭(即壩前水位和尾水水位之間的高差)，但未能在數據庫中找出。因此，可利用NID 中的3 種高度(水頭高度、壩高以及壩體高度)計算總水頭。

依據NID 中可用信息，使用一系列經驗公式來計算NPD 的總水頭。在較大干流上的NPD，利用USACE 船閘提升高度等數據，有助于提供更具說服力的總水頭計算結果。

在水電能蘊藏量的計算中，尾水位是未知的。多數情況下，水頭的季節性變化也屬于未知量。

3.4 Cf和潛在發電量

根據2001～2008 年每座已建水電站的發電量和裝機容量，可用公式(2)分別計算Cf。年均水力發電量作為一個權重系數，可用來計算每個水文區域內的平均Cf。因此，一個區域的Cf是現發電量與發電機持續不斷運轉的最大可能發電量之比。可利用公式(3)中的Cf用來預測潛在的NPD 水電蘊藏量。

根據水頭和月平均流量，按公式(1)可計算NPD的月均潛在發電量，NPD 年均潛在發電量是月均潛在發電量之和，將年潛在發電量和區域蘊藏量代入公式(3)中，即可計算潛在蘊藏量。

3.5 水的可利用性

可利用水量是潛在發電量的決定因素，不同地區的可利用水量值變化較大。降水量(P)和徑流量(Q)是兩個重要變量，其比值表示扣除土壤蒸發蒸騰總水量、地表下滲水量以及其他內部水文過程的損失水量后，降水量最終可供利用的百分比。雖然Q/P 比值不直接參與NPD 潛能的計算，但卻是區域可利用水量的一項指標，有助于計算水力發電量。

3.6 質量控制

質量控制是一項耗時的工作，不能應用于所有的NPD。因此，首先應對水電蘊藏量較大的NPD 進行人工排查，繼而以發電潛能的降序逐一進行檢查。目前，已對近1 000 座水電潛能較大的NPD 進行了初步檢查，典型錯誤是不切實際的大流量會導致過高地評估發電潛能。通常是由于NPD 坐標和屬性不夠精確、不同地區水文特性各不相同、NID 和NHD 之間坐標不一致、NID 屬性信息過時，以及過高地評估徑流式水壩和高壩水頭。

4 結 論

根據大壩的可用信息，從數據庫里獲取的大壩特征近似數據以及水文變量，對美國54 391 座NPD 的潛在水力發電量和水電蘊藏量進行了評估，評估中未考慮其可行性、環境影響和經濟效益。到目前為止，估算的潛在水電蘊藏量和年均發電量分別為12 GW和45 TW·h/a，約為美國已建水電站發電總量的15%。大部分NPD 的潛在水電能源蘊藏量都較小，水電蘊藏量超過1 MW 的597 座壩累計水電蘊藏量占總水電蘊藏量的近90%。這些NPD 大都位于俄亥俄河流域以及密西西比河流域的上、下游。通常閘壩的水電蘊藏量較高，這是因為其建設目的是航運而非供水和灌溉，如USACE 建設的87 座閘壩，其水電潛在蘊藏量可達6.9 GW。

大部分潛在水電蘊藏在俄亥俄河流域、密西西比河流域上游、阿肯色河流域的白河與紅河等3 個地區較大河流上的航運閘壩中。水力發電量最大的分布在阿拉巴馬州、阿肯色州、伊利諾伊州、肯塔基州、賓夕法尼亞州、田納西州以及路易斯安那州，這主要是因為俄亥俄河河水流量較大且建設了一系列閘壩。在水電能源相對較少的地區增加投資力度，開發NPD這一新的發展方向，有助于美國國水電投資在空間分布上的多樣化。此外，水電也是對潛在風能及太陽能利用的有益補充。

如果進一步考慮經濟制約、可用水量、環境和社會等因素，選擇適合模型(例如高山區大壩壓力管道模型)，則可進一步提升預測水電潛力的準確性。這些因素造成的影響有待于進一步研究。