美國水利基礎設施及內陸水系投資案例分析

[美國]　D.A. 埃爾彭貝克 等

美國水利基礎設施及內陸水系投資案例分析

[美國]D.A. 埃爾彭貝克 等

摘要：為滿足水利基礎設施建設和內河航運體系修復的需求，北美每年需投入資金超過4.5億美元。據估計，未來北美在這方面的投資規模會更大，以滿足現行體系的需求。鑒于區域基礎設施已達到使用極限，對工程修復的投資刻不容緩。從水電站、航運等方面闡述了基礎設施需要修復的根本原因，以及老化問題對水電站和船閘的影響，提出了解決方案，對水利基礎設施修復的投資分析具有參考價值。

關鍵詞：水利；基礎設施建設；修復；投資分析；美國

北美地區水電站、大壩和航運體系等基礎設施都存在老化問題。據美華集團(MWH)近期評估，維護老化水電站和內河航運系統的船閘分別需要2.5億和2億美元投資。現首當其沖應改善基礎設施，而不是積極推進新項目。下面分別從水電站和航運方面論述基礎設施需要升級改造的原因。

1水電站

1.1二戰后遺留問題

北美水電站的平均使用年限已超過75 a。水電站最初建設時，設備的設計使用年限為35～50 a。一些超過設計使用年限的老式發電機組已出現了嚴重的老化問題。

本文收集了美國境內裝機容量超過10 MW的發電機組實際使用年限的數據(見圖1)。共收集1 469臺機組，占美國水電總裝機容量的89%。統計表明，其中285臺機組役齡超過75 a，接近整修或報廢的臨界點?？傮w上，美國現有水電機組中近60%已經超過了其初始設計使用年限。

注：*表示以2012年為初始年開始研究，每10 a遞增。圖1　美國水電站的實際使用年限

除水力機械以外，水電站土建工程部分也存在風險，其中主要問題之一是能否保證發電機組在允許運行偏差范圍內穩定運行。一旦水電站運行超過75 a，業主就必須慎重考慮設備的去留問題。但至今為止，還沒有任何大型項目因此被棄用，只有大量小型水電站因發電收益不足以對土建工程進行再投資而被棄用。

1.2水系變化

早期，美國許多水電站建設時并未考慮到未來上下游水系的變化和當前的環境問題。這是由于年代久遠的水電站是按照當時的水頭和尾水曲線設計的，現在卻發生了改變。此外，為應對諸如魚類洄游等環境問題，電站的運行策略也進行了調整。這些因素均導致電站發電水頭或引用流量發生變化，許多老式電站的機組無法以最佳效率運行，運行過程中，空化現象和機器振動時有發生。

1.3電網變化

隨著電力行業管制的放松，許多電站業主不得不改變設備的運行方式。當時大多數老式水電站是按照持續基荷運行考慮的。水電機組運行靈活，能在5 min內由靜止到滿負荷運行，并能為輸電網絡提供無功功率和備用容量。因此，機組啟動和停機，或其他不同模式之間轉換(如壓縮調相模式到發電模式)比老式水電站初期更為頻繁，從而導致大量磨損。

1.4能源市場經濟狀況的變化

大量資金重新投入水電站是水電站價值的直接體現。電站價值越高，為確保其可靠運行投入的資金也就越多。近年來，由于石化能源價格上升，火電、燃氣和核電站運營管理成本上升，政府對可再生能源投資組合標準提高，以及修建替代電站成本增加等因素，導致水電站的價值快速提升。以上因素也是許多水電站升級改造的原因，若用財務標準來衡量，1995年以來計劃大修的項目都應是目前優先考慮的工程項目。

1.5項目重新授權

美國許多水電項目是通過聯邦能源管理委員會(FERC)批準的40 a或50 a授權運營的，對水電項目業主來說，重新獲得授權是一個非常重要且成本高昂的過程。重新申請授權的過程中，業主必須證明他們是優秀的現場及河流管理者，并達到水資源的最優利用，包括設備的高效利用。此外，環保部門也想借此要求項目在環保方面進行改進。

2航運

美國擁有許多適合長距離通航的天然水系。自19世紀初期，美國政府要求美國陸軍工程師團(USACE)對密西西比河進行疏浚，到20世紀已修建了一系列閘壩，實現了密西西比河上游、伊利諾斯河、田納西河、俄亥俄河和哥倫比亞河全年通航。

目前美國的內河通航里程已達17 700 km，包括192座船閘(共236個閘室)，年貨運量達8億t。若再加上進出口貨物，美國的港口和內河水運年貨運總量超過23億t。

2.1貨運量增加

圖2為美國過去40 a的水運貿易量變化趨勢。2010年，美國有 5.66億t貨物通過內河水運運輸，其中煤炭和石油(包括石油產品)分別占31%和26%，位列第一和第二位，食品和農產品占14%。每年通過內河水運出口的糧食總量超過7 000萬t。50%的谷物、大豆和精制食料出口通過駁船運輸。

預計從2010年到2040年，美國水運貨物總量將增加61%，貨物聯運量將由18%增加至27%，水運將成為主要的運輸方式。

圖2　美國過去40 a的水運貿易量變化趨勢線

2.2老化的水運基礎設施

截止到2015年，在美國現役的船閘中，約60%的閘室已超過設計使用年限(50 a)，包括密西西比河上游、伊利諾斯河、田納西河等重要航道上使用頻率較高的重要船閘(見圖3)。

圖3　美國老化的船閘清單(包括隸屬于USACE和田納西河流域管理局的所有正在運營的船閘)

除此之外，美國的大壩也在逐漸老化，急需增強安全性。在USACE擁有和運營的700座大壩中，只有一小部分屬于大壩安全分類(DSAC)中的一類(極不安全)，約20%屬于二類(不安全或潛在不安全)。據評估，加固這些大壩需投資243億美元，而目前每年的投資僅為5億美元。

2.3融資限制

美國聯邦政府在新建內河航運基礎設施上的投資不能滿足其日益增長的運營和維護費用，而資本存量價值是衡量投資這些設施的指標。如圖4所示，資本存量價值在1984年達到峰值(2 650億美元)，由于投資不足，到2011年，該價值減少至1 920億美元。若據此推算，到2044年，資本存量價值將僅有1 300億美元，不足峰值的一半。

圖4 美國航運基礎設施運行維護、建設成本及投資(百萬美元,2012年價格水平)

未來10 a內，若保持當前資本存量價值不變，每年需要投資約69億美元。

3影響

在水電和航運領域，基礎設施正逐漸老化，業主為此要耗費資金和時間，生產率明顯降低。

水電設施修復工程中的最大單項投資不是資金投入，而是停機時間。當老電站進入被迫停機狀態時，業主可利用這段時間來分析設備的整體狀態。從長遠來看，這可為業主節省大量的時間和資金。

對于航運而言，主要影響是延長了船舶的通航時間。盡管維修計劃有所改進，但在過去4 a中，其實際通行時間仍延遲了1倍(見圖5)。通行時間延長，導致整個供應鏈產生負面效應，如燃油成本增加、上市速度減緩等。2013年，系統總延遲時間為77萬h(約88 a)。

圖5 USACE:船舶在船閘的延遲時間

4結語

內河航運是解決貨運量日益增長的有效途徑之一。就水電站而言，可通過升級改造提高其生產效率，創造更多的清潔能源，實現水電資源利用的最大化。

麥肯錫(McKinsey)全球研究所的一項研究表明，擴大對基礎設施領域的投資，能為美國提供約180萬個就業崗位，且2020年GDP將達到3 200億美元。

曹艷輝孫言譯

(編輯：唐湘茜)

收稿日期：2016-01-08

文章編號：1006-0081(2016)04-0039-03

中圖法分類號：TV：U417.9

文獻標志碼：A