保護區小水電站開發方案

［斯洛文尼亞］ K.德澤拉克等

1 概述

德拉瓦(Drava)河是多瑙河論面積和長度排名第四的支流，連接著阿爾卑斯山脈和多瑙河。該河發源于意大利海拔1192 m區域，流經奧地利、斯洛文尼亞、匈牙利和克羅地亞，河流總長730km，下游為克羅地亞和匈牙利界河。德拉瓦河在奧西耶克(Osijek)鎮下游19km處匯入多瑙河。河流中上游地區高強度的水電開發、防洪及其他河道整治工程使其成為多瑙流域開發程度最高的河流之一。同時，該流域自然資源豐富，具有巨大的可持續開發潛力。此外，河道沿岸還有重要的、保存完好的生態區，動植物種類豐富多樣。相關政府通過保護制度，如國家公園和自然公園的形式，對很多生態區進行了保護，這些生態區也成為歐盟Natura 2000自然保護區網絡(Natura 2000)的一部分。

德拉瓦河是典型的冰川河流，這就意味著其最大流量出現在7月冰川融化期間，此時其他大多數河流都已出現夏季干旱的跡象。該河另一個流量峰值出現在11月，此時河內注滿了來自于寬闊的阿爾卑斯山腹地的秋季雨水。德拉瓦河意大利和奧地利境內的總匯水面積為10964km2，斯洛文尼亞境內的匯水面積為3264km2。阿爾卑斯山中部地區賦予了德拉瓦河一些獨有的特征。由于地中海氣候的強烈影響，來自于流域南部的水量會造成夏季流量短期驟增，特別是8月份，百年一遇的平均流量可超過2800 m3/s，而年平均流量僅297 m3/s。

德拉瓦河上游河段建有很多大壩和水庫，大部分用于水力發電，均建于20世紀。該河河道上共建有23座用于水力發電的水壩和水庫，12座位于奧地利，8座位于斯洛文尼亞，3座位于克羅地亞。在奧地利和斯洛文尼亞北部，德拉瓦河的坡降和陡峭的山谷為建造小型水庫提供了有利條件。在斯洛文尼亞和克羅地亞下游，地勢相對平坦，有利于修建狹長、相對大型和較淺的水庫。德拉瓦河的主要整治工程始于19世紀初，持續至20世紀中葉。同時，很多用于公共供水的地下水井場和灌溉系統也在流域內興建。結果，未加嚴格控制和協調的人類活動使德拉瓦河水文狀況發生了顯著變化，同時也對總體環境造成嚴重影響。

斯洛文尼亞 Dravske Elektrarne Maribor公司(DEM公司)是斯洛文尼亞一家最大的可再生資源發電公司。DEM公司電站的裝機容量，在多年平均流量范圍內，每年發電量約2.6 TW·h。夏季德拉瓦河水電站的最大發電量為1.2 TW·h，在過渡期和冬季則分別為0.8 TW·h和0.5 TW·h。超過40%的發電量由兩座徑流式水電站，即茲拉托利克杰(Zlatolicje)電站(21.7%)和福爾明(Formin)電站(20.6%)提供。除徑流式水電站之外，還有另外6座蓄水式發電站，即德拉沃格勒(Dravograd)電站、武澤尼察(Vuzenica)電站、武赫雷德(Vuhred)電站、奧日巴爾特(Ozbalt)電站、法拉(Fala)電站和馬里博爾斯基島(Mariborski Otok)電站，這些電站提供了大約60%的電量。由于可以在斯洛文尼亞電力系統出現故障時為其提供備用電力，德拉瓦河電站的重要性日益增加。通過夜間蓄水，白天騰空庫容，德拉瓦河電站可以將一部分日常發電量轉移至一年中最少8個月的最高需求期。利用庫存水量運行發電同樣可以使其在二次調頻和功率調節中達到45MW的發電容量。

除了兩座位于斯洛文尼亞的徑流式水電站外，在克羅地亞境內的德拉瓦河下游還有3座徑流式水電站，即瓦拉日丁(Varazdin)電站、查科韋茨(Cakovec)電站和杜布拉瓦(Dubrava)電站(1.2 TW·h/a)。對于這5座水電站來說，可以制定相同的運行工況。在每座電站的具體運行中，水從水庫通過防滲混凝土襯砌的進水渠輸送至水電站，從水電站流經挖掘至含水層的出水渠。出水渠無防滲材料保護，直接與地下水接觸，因此，含水層的補給和排水條件發生顯著變化。根據水電管理當局的協議，所有水庫的余流必須排回德拉瓦河。根據生態可接受流量的不同，余流流量也會發生不同的變化。

斯洛文尼亞茲拉托利克杰電站便例證了其對出流流量的影響，該水電站有一條17.2km長的水渠，建于1969年。在這一區域，水以550 m3/s的流速通過進水渠輸送至水電站，但排放的余流流量受季節影響，冬季為10 m3/s，夏季為20 m3/s。目前很確切的是，對歐洲主要航道的水量造成干擾是不被接受的。

同時，根據Natura 2000多樣性要求，其鄰近區域也已部分恢復自然狀態，成為對歐洲具有特殊意義的許多動物種群的棲息地。雖然如此，水電站的負面影響也不容忽視，特別是在對航道的干擾方面。有必要尋求解決方案，通過適當的力學、流體力學和電力設備的使用來緩解水電站所造成的影響，消除水力形態變化引起的后果。通過合理的基礎設施建設和精心規劃，則有可能以環境、社會與經濟可接受的方式來修建水電站。

以下討論在德拉瓦河上擬建小水電開發的方案。德拉瓦河流經馬里博爾斯基島電站附近，并在該處分成兩段。第1段是一條通往茲拉托利克杰電站的水渠，余流仍保留在德拉瓦河的天然河床內。歐洲中部的強降雨經常會導致德拉瓦河流量增大，因此在馬里博爾斯基島電站，水通常通過大壩溢出。德拉瓦河的水渠只能受納有限的水量，所以剩余的流量會通過德拉瓦河的天然河床泄向下游(高水位時，水渠內的流量僅為271 m3/s，正常運行時達550 m3/s，以保護馬里博爾斯基島電站不受反向波影響)。

正常運行時，根據季節不同，德拉瓦河床的平均流量為10 m3/s或20 m3/s(余流)。考慮了有關德拉瓦河開發的各種技術方案和相應的投資經濟分析結果，同時也考慮了德拉瓦天然河床為保護區，并被列入Natura 2000這一事實。

2 空間、環境、社會經濟及相關政策的挑戰

小水電站從概念設計到試運行的過程需要經過一系列復雜的活動，這些活動對于規劃、組織和管理資源以完成所要求的目標，以及平衡公眾和私人(經濟)利益來說是必不可少的。平衡利益包括平衡空間、環境、社會、經濟及相關政策的挑戰，以實現歐盟關于就業、創新、教育、社會融合、氣候變化和能源問題方面的主要目標。

根據現有的知識、標準和原則，如果開發方法不當，就可能會給環境帶來不利影響。以下介紹了如何通過改善小水電站的運行條件和將50 a前建造的一系列大型徑流式水電站帶來的不利影響降至最低來實現歐盟5個主要目標的。這些徑流式水電站建在德拉瓦河下游大約100km長的斯洛文尼亞－克羅地亞河段上，該河段始于馬里博爾(斯洛文尼亞)，止于杜布拉瓦(克羅地亞)，引水流量 550 m3/s，確保20 m3/s的余流。

2.1 現 狀

雖然已有大約長20km的河段發生了很大變化，大量的水被引走(這在今天是不允許的)，但這片區域也確實為瀕危物種提供了棲息地，并被列入Natura 2000。不受人類活動干擾，這些河段重新又成為了動物的棲息地。負面影響涉及水流形態變化(缺乏泥沙輸移)、居民的重新安置、土地利用變化、人類習慣以及低河流水位造成的濕地面積萎縮。與修建梯級電站之前相比，這些濕地只能提供更小的棲息地。

2.2 通過實現歐盟目標來改善條件

所有這些因素都可以通過恢復至建設梯級水電站之前的條件，并通過調節水位模擬平均流量和水位得到改善，以德拉瓦河的雪雨型河流來水機制最為典型。實現這一目標的可能途徑之一是安裝小型橡膠壩，加強基礎設施(例如橋梁)的綜合利用，特別是在EWE(環境、水資源與能源)和氣候變化問題日益加劇的情況下。

最近聯合國的一份有關氣候變化的報告表明，人類正在對氣候系統進行不可逆轉的干擾。氣候變化涉及復雜的相互作用和改變可能的各種影響。在氣候變化背景下關注決策風險，并對報告進行補充。報告的一關鍵部分提出了氣候變化和基礎設施的適應性。由于歐盟各國各自地理位置和地球物理風險、現有適應能力和恢復力及區域經濟發展水平的不同，氣候變化對基礎設施影響的嚴重性在歐盟各國也各不相同。

中長期氣候發展趨勢(氣溫正在升高，雨型的改變等)和越來越頻繁的極端天氣事件對各個地區的影響不盡相同。氣候影響不僅在地域和季節上有區別(北方/南方，冬季/夏季)，還存在局部(城市/農村/海岸)差異。因此，為使基礎設施適應氣候變化的影響，通常要求對不同的趨勢和影響模式進行綜合的、定點的分析。氣候變化的影響(以5℃為例)將導致基礎設施的翻新、升級改造和新基礎設施的建設。根據聯合國氣候變化報告，由于氣溫升高和極端降水的影響，基礎設施的維護、運行和翻新需要更多的資金。固此，需要更多的能源和基礎設施(新堤防、水庫、保留區、橋梁、供水和排水系統)來應對氣候變化的影響。

在2014年～2020年預算期內，歐盟將增加適應氣候的基礎設施方面的融資?？梢灶A見的是，2014年～2020年歐盟總預算中至少有20%將用于氣候相關投資。氣候變化的后果會對基礎設施造成影響，進而對經濟可持續性和銀行可融資性造成影響。一般來說，工程的設計和建設將變得更為復雜，維護和安裝費用也將更高。隨著氣候變化影響的加大，需要采用各種方式對現有資源進行優化利用，以實現長期的責利匹配。

據估算，在防洪上每花費1歐元，損害成本則可節省6歐元。歐洲委員會估計，2020年不適應氣候變化的最低成本將為1000億歐元，到2050年，該成本將變為2500億歐元(需要在2020年投入150億～200億歐元，并在2050年投入400億歐元)。因此選擇管理對策是必要的，特別是在氣候變化的影響需要對響應持續適應的情況下。除了預防損失，建設基礎設施的其他社會經濟影響也應考慮在內。分析氣候變化對水電的可能影響、管理部門對響應變化的適應性選擇，以及來水量的季節和年際變化得出，到2050年，氣候變化和EWE對水力發電的總體影響估計在大部分地區略為正面(如亞洲，0.27%)，在其他區域為消極影響(如歐洲、0.16%)，跨區域、跨流域，區域內甚至流域內分散的各小流域均不相同。

3 技術方案

分析2007年德拉瓦河天然河床最大和最小流量值得出，通常情況下河流流量僅為10 m3/s或20 m3/s，偶然會出現高水位。2007年該河的最大流量為1558 m3/s。德拉瓦河的整個天然河床(延伸大約25km)被分為76個橫剖面。橫剖面48和49之間的區域似乎適合小水電開發。最初選擇該位置是因為原計劃在該區域建一座橋梁。

小型水力發電機組的第一個方案是以水力矩陣技術(hydromatrix technology)為基礎，融入水力發電方面的創新概念，并且這一方案很容易整合到現有的大壩結構中。另一個選擇方案以建設“可移動式水電站”為基礎，發電站可被抬升，泥沙可直接通過。

3.1 水力矩陣技術

水力矩陣技術可成為通過水能發電最經濟可行的解決方案之一。這一技術利用現有的大壩結構，大壩的閘門被替換為一些“模塊”，這些“模塊”中安裝了幾十臺小型發電機。因此，建造水電站，也就是土建工程的主要成本被降至中等水平。

3.2 可移動式水電站

“溢流和底流”式創新可移動水電站首次在不需要額外引水的情況下與現有的堰融為一體。因此，渠中分流的水量減少，更多的水量則留在河內，進而促使生態改善。

3.3 發電量計算

小水電站的發電量主要決定于來水量。除了流量歷時曲線之外，總水頭差、所使用的水輪機類型、設計流量和發電機效率也十分重要。在此案例中，總落差為2 m，設計流量為20 m3/s。基于上述輸入參數，當發電量為2.5 GW·h/a(水力矩陣技術)和2.7 GW·h/a(可移動水電站)，分析得出水電站的發電容量相當于336kW(水力矩陣技術)和391kW(可移動水電站)。

4 資金因素

累計現金流曲線可以通過年收支差異進行計算，其中通貨膨脹、信用和能源成本變動等參數具有重要的影響力。在累計現金流曲線中，年正向現金流參數非常重要。曲線顯示了累計現金流值為零的年份。所有的計算從初始成本7000歐元/a(水力矩陣技術)和5500歐元/a(移動式水電站)中推算，貸款50%的初始成本，貸款期限為10 a。圖1顯示了上述兩種方案的累計現金流曲線。曲線與零值交叉的位置(10～12 a)代表年正向現金流。

圖12種方案的累計現金流曲線

5 結語

水電是最可靠和性價比最高的可再生能源之一，最受歡迎的水電開發結構之一是小水電站。本文探討了在德拉瓦河上進行小水電站建設的各種可能性。對位于斯洛文尼亞境內的河段進行了計算，該河段內水電站的選址受環境法的嚴格保護。目前德拉瓦河由幾座大壩和用于發電的水電站，以及數條依其流向開挖的渠道進行調節。本文建議的解決方案可改善德拉瓦河河床內歐洲重要物種的棲息地生境。兩套方案(水力矩陣發電站和可移動式水電站)的對比表明，對于本文所述狀況，可移動式水電站是更好的選擇。在建議開發區域，德拉瓦河天然河床長25km，總落差約24 m。這意味著每年可發電約36 GW·h，同時還能改善一些重要物種的棲息地生境。