全球范圍水電站建設進展

[德國] C.扎夫

全球范圍水電站建設進展

[德國] C.扎夫

隨著全球人口數量的增長,加之經濟發展、氣候變化以及為消除電力缺口的需求，促使人們尋求可再生能源的新途徑，許多水電站建設也在醞釀之中。通過已建和擬建的水電站建設綜合分析地圖，提供了全球范圍內未來水電站的數量級和選址的基礎，也為同一流域內多個大壩網絡效應和累積影響提供了系統的管理方法，通過該方法，可更好地評估并減小水電站建設帶來的社會、經濟和生態影響。

水電站；能源建設；生物多樣性；河流管理；可持續發展；生態影響

1 全球水電概況

隨著全球人口數量的增長和經濟的快速發展，對能源的需求量也越來越大。全球至少有3 700座裝機容量為1 MW以上的水電站正在規劃或建設中，主要集中在發展中國家。1993～2010年，裝機容量新增72%，根據世界銀行和美國能源信息管理局2014年的估計，裝機容量到2040年將會再增56%。盡管如此，據估測，這些水電站的裝機容量將占全球現有水電裝機容量的73%(1 700 GW)，依然不能滿足持續增長的電力需求，只能減小電力缺口而非實質上減少溫室氣體排放，也不能減少互相依賴和社會沖突，相反還會減少地球上約21%的剩余大型天然河流。全球仍有14億人口未用上電，主要集中在非洲撒哈拉附近以及南亞的郊區。因此，保障未來能源供應和減小電力缺口成為能源界最重要的目標。

能源的生產和轉化導致29%的溫室氣體排放，化石能源的消耗和鈾的開采也使能源問題備受關注。能源在全球范圍內的分布不均造成國家之間的互相依賴。可再生能源(熱能、光能、風能、潮汐能、生物燃料、水力發電)變得越來越重要，1991～2011年,能源生產增加了一倍。可再生能源提供了20%的電力，而水力發電占其中的80%。在全球范圍內，壩高大于15 m的壩超過了37 600座，其中8 600座處于運行狀態。巴西、莫桑比克、尼泊爾和挪威等32個國家的水力發電量占總電力需求量的80%。

2012年，聯合國可持續發展大會的目標是要求各國按照《京都議定書》的要求滿足持續增長的能源需求，這更增加了投資水電的驅動力。現在全球水電技術可開發量中，有22%(每年不小于1 560萬GW·h)得到了開發。過去20 a間，水電發展相對滯后，而目前水電建設的激增在范圍和規模上都屬空前(圖1)，對經濟、生態和社會造成的影響成為不可忽視的問題。然而，全球范圍內水電建設的空間分布尚不清楚，對河流系統的影響、溫室氣體排放和社會影響(例如移民)也不明確。

圖1 全球現存(已建和在建)及擬建水電站統計

鑒于此，可以做出未來全球范圍內裝機不小于1 MW的水電站綜合清單，包含在建和擬建的項目。每座壩的信息包括項目名稱、地理位置、河流、發電量和建設時間。清單信息來自政府和非政府方面，超過350項科技研究以及其他公共數據庫、報告和新聞。采用相對獨立的系統對照、驗證數據的準確性。統計成果集中在以發電為主的壩，不包含其他用于供水、防洪、航運或旅游等目的的壩。統計成果也不包含在建和規劃中裝機小于1 MW的水電站，因為小水電數量眾多且未做詳細記錄。

通過以上內容，可得到以下啟示：①找到未來水電發展的熱點；②計算與主要河流流量相關的水電站數量；③預測現在和未來水電站建設對河流的影響，從而為針對水電建設與生態環境、社會經濟影響的沖突與平衡的研究提供基礎信息。

2 統計方法

2.1 從水電投資方面獲取的數據

從對水電投資的分析可以得出水電經濟的數量級，匯總了1978年以來將近500家投資方的相關信息，包含投資方名稱、投資的國家和年份、項目名稱和投資額度(美元)。投資方不僅限于建設投資，也包含了維護、維修和擴容等內容。大部分數據來自報告和各投資方的網上信息，有些投資數據來自世界銀行和國際河流組織。

2.2 從大壩方面獲取的數據

記錄了在建和擬建裝機容量不小于1MW的水電站，包含地理信息的數據。數據的收集時間從2012年8月到2014年2月，數據來源如下：①同行文獻；②政府文件；③非盈利組織的報告和出版物；④新聞文章；⑤商業數據庫；⑥能源供應商的報告；⑦建造商和咨詢商的報告；⑧其他網絡資源。

如果原始數據或者可行性研究階段報告中有大壩細節參數記錄，本文數據庫也作了相關注釋，不包含預可行性研究階段的大壩。約80%的數據包含不同格式的空間信息，最終都被轉換為WGS 84可用的格式；其他沒有地理信息的數據根據文獻記載、谷歌地圖或者谷歌地球，采用ArcGIS 10.1手動添加地理參考信息。

除了12個不在美國地質調查局HydroSHEDS范圍之內的項目，其他所有數據都參照HydroSHEDS全球河流網格15”(網格尺寸大約500 m)進行了調整，大壩位置均在HydroSHEDS中對應到最近的河流上。這種方式很大程度上依賴原始數據坐標的準確性，如果原始數據不準確，則該對應也會出現誤差。因此所有有其他數據來源的的壩址都采用人工方法進行了對照檢驗，以確保對應到正確的河流上。

每座壩屬性數據(包含空間信息)的可獲得性和準確性由項目的不同階段決定。因此，在建項目總是有更多的補充數據，可將這些信息與原始數據源相對照。在可能情況下，本文的數據與多處數據源進行了對照，從而確定項目狀態，以便補充缺失信息。屬性數據還包括大壩名稱、所在洲和國家、主要河流系統、主要流域、子流域、建設階段、最大裝機容量、大壩高度、開工時間和預計完工時間。流量計算在下一步進行。

為分析未來水電站的空間分布，收集了規劃和在建水電站的國家信息。包括到2002年為止各國未能用上電的人口數量、2012年國民總收入(GNI)和人均國內生產總值(GDP/人)，其中GNI和GDP均與未來人均水力發電量相關。除此之外，還統計了2011年各國水電技術可開發量(E潛在開發量，GW·h/a)、裝機容量(K裝機，MW)和發電量(E發電量，GW·h/a)。假設水電站發電效率一定，就可根據這些數據，預測在建或規劃水電站的裝機容量(K未來裝機，MW)和發電量(E未來發電量，GW·h/a)，如下所示：

·K未來裝機

通過對水電技術可開發量、現有發電量和未來發電量的分析，可計算出各國對剩余能源的未來可開發量。

2.3 流量測算

對位于HydroSHEDS范圍內的3 688座大壩平均流量進行了計算，形成了全球流量柵格數據，進而可得出每個柵格1980～2009年的年徑流量。通過WaterGAP全球水文模型計算獲得數值，計算中考慮了土地、湖泊和濕地徑流以及水面蒸發量。本文采用ArcGIS軟件中的水文工具勾畫出大壩上游集水區范圍，然后采用區域統計工具計算流量數值。

2.4 地形處理

采用定義河流、劃分河流、勾畫集水區域、集水區域處理、排水線處理以及相鄰集水區域處理等步驟，通過分辨率為15”的HydroSHEDS準備河流網絡地形數據。

2.5 流域處理

運用ArcGIS的分水線處理工具軟件，批量勾畫了流域投影面積，并處理了WaterGAP全球水文模型提供的全球降雨柵格地圖，使之與HydroSHEDS分辨率和范圍相同，從而計算每座大壩的流量。對新西蘭采用新西蘭地圖網格投影，其他大壩庫區范圍采用朗伯等角圓錐投影。

2.6 過壩流量

為計算每座水庫過壩流量，采用改進的區域統計工具來處理庫區重疊區域。采用年徑流量柵格數據工具，計算每座水庫的泄水量。根據年徑流量柵格數據和庫區面積計算出總徑流量(mm/a)。考慮柵格尺寸(m2)的流量(m3/s)，公式如下

為驗證采用的全球投影系統是否精確，進行了敏感性實驗。利用當地投影對土耳其東部的克魯河流域(該區域位于朗伯等角圓錐投影最東側，因此投影后的變形最大)，采用相同方法計算流量。對比兩種不同投影，計算結果相差小于2%。

根據計算出的各大壩過壩流量大小，將大壩分為5類(流量不大于10，10～100，100～1 000，1 000～10 000 m3/s和流量不小于10,000 m3/s)，并得出主要流域的各類水壩數量。各類大壩在河流上的空間分布表明，河流流量大小是影響水電站分布最顯著的因素。

2.7 流域水資源總量

計算了主要流域的水資源總量，用以評估水資源的開發程度。所采用的方法與上述方法相同，不同的是上文中的各大壩集水區面積數據換成各流域集水面積數據。此外，還計算了主要流域已建大壩的密度(例如每平方公里水域年均大壩數量)，以及已建和擬建大壩的密度。

2.8 大型河流系統的碎片化

在2005年的一項研究中，根據河流渠道的碎片化和大壩對水流的影響，將未來水電站所處的292個大型流域分類為“無影響”，“中度影響”和“深度影響”。本文數據庫中有2 611座水電站位于上述的108個大型流域中，計算了每個大型流域的未來大壩數量，以預測這些在建和擬建大壩對河流碎片化的影響。

2.9 地 圖

所有地圖都采用摩爾魏特投影，該投影對全球主要流域變形最小，在赤道和子午線沒有變形。

3 研究小結

到2014年3月，有3 700座裝機超過1 MW的水電站在建(17%)或正在規劃中(83%)。在未來10～20 a中，這些水電站會將全球裝機量從2011年的980 GW提高到1 700 GW。雖然中小水電站(裝機容量為1～100 MW)在數量上將占大多數(75%)，但未來裝機容量的93%將由847座裝機超過100 MW的大型水電站提供。

未來水電開發市場主要集中在發展中國家和新興經濟體，包括南亞、南美和非洲。巴爾干半島、安納托利亞和高加索地區是水電建設的次中心。在建和規劃的水電站中有超過40%的裝機容量集中于中低收入國家(見圖2)。

圖2 未來每個主要流域水電站數量分布

南美地區的水電建設主要集中在巴西的亞馬遜和拉普拉塔流域。亞洲區域的水電建設主要集中在印度和尼泊爾的恒河-雅魯藏布江流域等。裝機容量超過1 GW的超大水電站主要位于亞洲，尤其是長江流域以及南美洲的亞馬遜流域，例如亞馬遜流域欣谷河上的貝羅蒙特(Belo Mante)。

未來，一些國家的水電建設發展較快。以非洲為例，到現在為止只有不到8%的水電資源得到開發，水電站的建設只集中在100 MW以上的大型電站。

這3 700座大壩的建設，可使全球水力發電量提高73%，也將全球水能開發比例從22%提高到39%。然而全球能源需求同時也在提升，因此水電占全球發電量比例只會從2011年的16%提高到2040年的18%。

對環境方面的分析顯示，水電建設復興將會使全球120條天然大型河流系統中的25條碎片化，主要集中在南美洲。全球范圍內現存的大型河流系統數量將會減少21%。同時，分析了大壩建設在開發水資源和減少河流流量上造成的環境影響。未來大壩很少在流量大的河流上建設。主要建設集中在流量小、水頭高的區域，這也驗證了未來中小水電站建設(裝機不大于100 MW)為主要趨勢的結論。

之前的研究顯示，生產1 kW·h水電平均產生二氧化碳約為85 g，沼氣約為3 g，這表明，未來水電站將會使大氣增加280～1 000 Tg的二氧化碳和10～40 Tg的沼氣，符合內陸水面產生4%～16%溫室氣體的比例。

有經濟學觀點表明，水電3 a平均投資在2010～2012年間比10 a前增長了6倍。假定1 MW電力需要280萬美元建設投資，在建和擬建的水電站將需要2萬億美元的投資。平均每座大壩建設時間為8.6 a，每年的投資將會達到2 200億美元。

就投資者而言，約有35家投資公司參與。例如在2010～2012年間，來自美國、西班牙、法國和瑞士等國家的7家投資者參與了巴西水電行業。在非洲主要的投資者是美國水利礦業公司，其在喀麥隆投資10億美元用于水電開發。

同樣，未來水電站建設與各國經濟形勢(GNI)沒有關聯，但未來每個國家水力發電量與GDP增長速率一致，與水電技術可開發量一致。經濟增長速率與未來能源需求行業的高占比(90%)相一致。

與之相反的是，各國水電發展與其未用上電的人口數量無關聯。例如印度2009年有3億人口用不上電，但由于印度大多數區域缺乏可供開發的水電能源，即使開發所有水電能源也無法滿足需求。另一方面，剛果民主共和國和巴西也有大部分人口用不上電，但是這些國家水電能源開發前景很大。隨著水電能源的開發，有可能滿足全國人民的用電需求，這也促成了國家電網的開發。私營企業開發水電出口的期望或供應工業的愿望也促進了水電產業的擴張。肯尼亞和坦桑尼亞等國家水電開發程度非常低，不足總量的20%。如果不考慮礦業之類的工業用電，可滿足全國人民生活用電。假定快速增長的人口和經濟發展對電力的需求只會消耗一部分新水電站產出的電量，那么巴基斯坦和尼日利亞則可通過水電擴張來滿足本國人民生活用電。

4 探 討

研究結果顯示，水電能源無法替代煤、石油和鈾等非可再生能源。即使大壩興建規模達到預計的5倍以上，將全球水電技術可開發量開發殆盡，到2040年也只能供應全球不足50%的電能需求。如果不再進行水電建設，水電占比將會降低到12%。

即使是可再生能源，水電也因為切斷河流產業的環境問題受到詬病，造成的其他問題包括水生物無法自由活動、河流改道和氣候變化等。未來水電建設會影響全球生態敏感區域，例如亞馬遜河流域、湄公河流域和剛果河流域，這些流域包含全球18%的淡水魚物種。同樣地，作為水電開發熱點區域的巴爾干半島也是歐洲關鍵的淡水生物多樣性地區。不可忽視的是，在目前天然河流系統中在建和規劃的水電站，發電量將不足全球規劃電能的8%，而馬來西亞、巴布亞新幾內亞和圭亞那的比例則超過80%。這表明可以采取將水電站轉移到已碎片化了的河流，以減少對全球所剩不多的天然河流的影響。例如可以將規劃坦桑尼亞魯菲吉河上的水電站轉移到已經碎片化了的尼羅河或者贊比亞河上，從而保存東非最后一條天然河。然后，該方式并不適宜全球推廣，只在一部分區域適用。

眾所周知，水電不是一個完全不影響環境的電力能源。根據不同的環境和技術，水庫可能會產生大量的溫室氣體。該研究對未來水庫排放的溫室氣體的計算較為粗略，只考慮了選址和水庫形態，并未考慮水庫泄水方式(例如底層泄水或表層泄水)。未來水電站主要建設在熱帶和亞熱帶區域，這些區域水庫溫室氣體排放量較大，尤其是在建成后的第一年。根據政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的估測，水庫溫室氣體的排放量最大，可能超過少用化石能源所節約排放量的10%。然而從全生命周期來說，化石能源比水電能源產生的溫室氣體排放量高出30倍以上。這也引起對不同環境因素的權重思考，即到底減少溫室氣體排放重要，還是降低水資源破壞、保護生物多樣性和生態環境功能重要。

水電建設也對移民造成了直接和間接的影響，尤其是喪失自然資源的移民。也造成了(國際)公司、當地政府和人民之間經濟效益和成本極度不平衡的問題。研究結果顯示，水電行業的擴張基本上不能填補電力缺口。除此之外，與核電發展過程中同化石能源的相互依賴和競爭相同，多功能水電項目的增長也會引起潛在的沖突。對有不同需求和背景的用戶和利益相關者，水電可能增加了對能源、水資源、防洪和灌溉需求的復雜化程度。

水電站建設和相關投資在某種程度上也是“跨界”，例如國際商務。通過對投資者的分析發現，越來越多的本國項目是由其他國家的公司投資的。總的來說，這些公司只關注投資，而不具體進行項目開發和水電站運行。盡管如此，大多數全球投資者遵循“赤道原則”(譯者注：赤道原則由世界主要金融機構根據國際金融公司和世界銀行的政策和指南建立，旨在決定、評估和管理項目融資中的環境與社會風險而確定的金融行業基準)，以確保國際認可的社會環境風險分析。前文提到未來水電站投資2 200億美元/a，這部分投資既不包含水電站運行投資和發電收入，也不包含潛在的社會環境的費用。

通過分析發現，水力發電不能解決如下問題：①處理能源需求增加和氣候變化問題；②消除電力缺口；③解決電力生產的相互依賴。實際上，迫切需要提高目前的規范和準則，以協調水資源用戶、生態系統。2010年國際水電協會的《水電可持續發展評估協議》提出，水電規劃、實施和運行中需要考慮對環境和社會的影響，走出了水電開發可持續發展第一步，但未提及受影響人口的參與途徑。本文提供了未來全球水電站數據庫，可為水電站選址、改進大壩建設管理奠定重要基礎，從而支持一個包含環境、社會代價、包含利益相關方和受影響人口的系統規劃。

5 結 語

全球人口增長和電力需求加大、降低溫室氣體排放的需求，均促使全球水電站的建設進入一個新的高峰期。盡管水電屬于可再生能源，但依然帶來了嚴峻的社會和生態影響，例如移民和跨界沖突、天然河流碎片化、生物棲息地改變從而威脅到淡水生物多樣性。通過采取可持續發展的方式，規劃和實施水電站建設，才能使電力生產最優化，使負面影響減至最小。

馬雅文 譯

(編輯：唐湘茜)

2016-10-20

1006-0081(2016)12-0005-05

TV74：X820.3

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