基于水足跡理論的水電站水資源利用評價

趙金輝，王新華*，王中云

(1.云南農業大學水利學院，云南昆明 650201；2.云南農業大學馬克思主義學院，云南昆明 650201)

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基于水足跡理論的水電站水資源利用評價

趙金輝1，王新華1*，王中云2

(1.云南農業大學水利學院，云南昆明 650201；2.云南農業大學馬克思主義學院，云南昆明 650201)

為了從資源的角度分析水電開發利用的水資源消耗情況，將水足跡的概念應用到水電開發上，從我國不同水電站的藍水足跡、不同地區藍水足跡、相同發電量的水電站的藍水足跡3個方面，進行了水足跡理論在水電站利用水資源中的應用研究。結果表明：我國水電站藍水足跡分布不均，區域性對水電站藍水足跡的影響明顯。最后提出建設水電站或現有水電大壩在很大程度上要以藍水足跡作為衡量標準，應在多山、蒸發量小、地形狹窄、水庫面積小的高山峽谷地區建設水電站，以有效利用落水差，減少蒸發，節約水資源。

水足跡；水資源消耗；藍水足跡；水電站

2002年Hoekstra提出了水足跡的概念：它是指人類在生產產品和獲取服務過程中直接或間接所消耗的水資源總量[1-3]。從人們利用水資源角度，可將其分為實體水和虛擬水[4]兩大類。人們生活生產上消耗的土壤水稱為綠水，服務于人們的地表水和地下水稱為藍水，由于多種因素導致水體污染，用來緩解或治理污染用水稱為灰水，因此普遍將水足跡分為綠水足跡、藍水足跡、灰水足跡。在實際生產生活中，更多地利用地表水或地下水，因此對藍水的研究有實際意義。

水電站的水足跡是指人們利用水電站在水力發電過程中，通過直接利用或間接利用水資源的形式，用來獲取單位電量而消耗的水總量。水電站水足跡所涉及的水資源利用取決于整個水電站水力發電，它包括水電站發電期間和建設過程中對水的利用。水電站對水資源的利用過程中，建設階段與投入發電階段都消耗一定的水資源。實際上，水電站在水力發電階段對水資源的利用要遠比其他階段用水量大，占整個水資源消耗比例的97%以上，當建設水電站規模和電站總裝機容量相差不大的情況下，可以認為建設階段所用的水基本上相當。因此，可以忽略建設階段水電站水足跡，重點分析水電站投入發電階段水足跡。筆者通過研究水電站藍水足跡用量，明確藍水足跡的影響因素，以期為我國合理利用水資源提供理論依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源 從水電站藍水足跡的研究范疇調查與搜集了具有代表性的水電站近5a的水資源利用情況，計算并匯總了相關的藍水足跡的數據。

1.2 研究方法

1.2.1 水足跡的計算。

1.2.1.1 整體性計算方法。由于一個國家或一個地區的生產生活并不完全僅限于該區域，勢必與其他國家或地區存交往，水足跡也會隨之發生變化。

WF=WA+VWI-VWE

式中，WF為一個國家或地區的水足跡；WA為該區域的生產生活水資源利用量；VWI為該區域的虛擬水流入量；VWE為該區域的虛擬水流出量。該方法的重點是要獲取詳細的流入與流出的產品數據記錄，然而獲取其資料數據有局限性。

1.2.1.2 直接求和計算方法。

WF=VWS+VWG

式中，VWS為該區域所有消費服務虛擬水量；VWG為該區域所有消費商品虛擬水量。該方法思路明確，但涉及單位服務或商品消費虛擬水量獲取有局限。

1.2.2 藍水足跡的計算。水電開發的水足跡與生物質水足跡[5-6]有著區別，因此不能以傳統水足跡的計算方法計算水足跡。為方便計算，以水電站蒸發量作為水電站的水資源利用量來計算其藍水足跡，綜合評價水電站的水足跡。水電站藍水足跡等于水庫多年平均年蒸發量除以水電站的多年平均年發電量[7]，即

WFi=Ei/Pi=KR·Si/Pi

式中，WFi為第i個水電站的藍水足跡，m3/GJ；Ei為第i個水庫多年平均蒸發量，m3；Pi為第i個水電站多年平均發電量，×108kW·h；KR為考慮不同氣候分區的水面蒸發折算系數；Si為第i個水電站庫區的水面面積，km2。平均藍水足跡及總藍水足跡計算：

式中，n為所選水電站的個數；hi′為第i個蒸發皿的實測蒸發深度，mm。

式中，WF0為n個水電站的總藍水足跡，Gm3/a。

2 結果與分析

2.1 我國不同水電站的藍水足跡 由表1可知，我國水電站藍水足跡分布存在較大差異，排在前10位的水電站的藍水足跡相差較大，為69.35～379.19 m3/GJ，分布不均，與國外[8]的藍水足跡相比明顯較低。

表1 我國不同水電站的平均藍水足跡

2.2 我國不同氣候區域的藍水足跡 基于氣候條件因素，筆者搜集與調研了不同的氣候分區，進而獲得了其各區域的平均藍水足跡。由表2可知，華中地區、康滇地區、蒙新地區、青藏地區的平均藍水足跡明顯低于東北地區、華北地區和華南地區。造成該差異的主要原因取決于地理位置的差異，如高原區域山地陡坡明顯，落差大，庫區水位深、面積狹小，致使平均藍水足跡較小。

表2 我國不同氣候區域的平均藍水足跡

2.3 發電量相近的水電站的藍水足跡 筆者選取發電量相近的10座水電站進行分析，由表3可知，在實際需求(發電量)相同的情況下，不同水電站的藍水足跡隨著蒸發量的增大呈明顯的增加趨勢，也就是說，在此情形下水電站藍水足跡的大小很大程度上依賴于水面面積與蒸發深度。

表3 發電量相近的10座水電站的平均藍水足跡

3 結論

(1)該研究表明，排在前10位的水電站的藍水足跡跨度較大，為69.35～379.19 m3/GJ，說明我國水電站藍水足跡分布不均；我國不同氣候區域的平均藍水足跡為4.31～33.96 m3/GJ，可見藍水足跡的地區差異較大；在實際需求(發電量)相同的情況下，不同水電站的藍水足跡相差較大，為0.15～21.00 m3/GJ，并且隨著蒸發量的增大呈明顯的增加趨勢。然而，我國水電站的藍水足跡水平與國外平均藍水足跡(67.74 m3/GJ)[10]相比，明顯較低。因此，根據這一情況應繼續保持或提高水電站的水資源利用。

(2)區域性對水電站水足跡的影響明顯，能為我國水電站建設提供一定依據，應盡量多地選擇在多山、蒸發量小、地形狹窄、水庫面積小的高山峽谷地區建設水電站，以有效利用落水差，減少蒸發，節約水資源。建設水電站或現有水電大壩可以藍水足跡作為衡量標準，藍水足跡能夠定量反映水電站對水資源的利用率，進而為合理規劃水電開發提供依據。

[1] HOEKSTRA A Y，CHAPAGAIN A K.Water footprints of nations：Water use by people as a function of their consumption pattern[J].Water resources management，2007，21(1)：35-48.

[2] HERATH I，DEURER M，HORNE D，et al.The water footprint of hydroelectricity：A methodological comparison from a case study in New Zealand[J].Journal of cleaner production，2011，19(4)：1582-1589.

[3] 戚瑞，耿涌，朱慶華.基于水足跡理論的區域水資源利用評價[J].自然資源學報，2011，26(3)：486-495.

[4] 程國棟.虛擬水——中國水資源安全戰略的新思路[J].中國科學院院刊，2003，18(4)：260-265.

[5] 狄乾斌，韓增林，劉桂春.基于虛擬水消費的水足跡計算：以大連市為例[J].云南地理環境研究，2006，18(5)：28-33.

[6] 龍愛華，徐中民，張志強，等.甘肅省2000年水資源足跡的初步估算[J].資源科學，2005，27(3)：123-129.

[7] 龍愛華，徐中民，王新華，等.人口、富裕及技術對2000年中國水足跡的影響[J].生態學報，2006，26(10)：3358-3365.

[8] 朱艷霞，紀昌明，周婷，等.梯級水電站群發電運行的水足跡研究[J].水電能源科學，2013，31(2)：87-90.

[9] 周建平，錢鋼糧.十三大水電基地的規劃及其開發現狀[J].水利水電施工，2011(1)：1-7.

[10] MEKONNEN M M，HOEKSTRA A Y.The blue water footprint of electricity from hydropower[J].Hydrology and earth system science，2012，16(4)：179-187.

[11] GERBENS-LEENES P W，HOEKSTRA A Y，VANDER MEER T.The water footprint of energy from biomass：A quantitative assessment and consequences of an increasing share of bio-energy in energy supply[J].Ecological economices，2009，68(4)：1052-1060.

[12] 馬靜，汪黨獻，來海亮，等.中國區域水足跡的估算[J].資源科學，2005，27(5)：96-100.

[13] 李先華，李建民.碗米坡水電站發電耗水率分析[J].中國電力教育，2011(6)：130-131.

[14] 陳云華，吳世勇，馬光文.中國水電發展形勢與展望[J].水力發電學報，2013，32(6)：1-4，10.

[15] 陳堯，馬光文，楊道輝，等．水電站綜合耗水率參數在水庫優化調度中的應用[J].水力發電，2009，35(4)：22-23，28.

Evaluation of Water Resources Utilization of Hydropower Station Based on Water Footprint Theory

ZHAO Jin-hui1, WANG Xin-hua1*, WANG Zhong-yun2

(1. Hydraulic College, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201; 2. College of Marxism, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201)

Water resources consumption situation of hydropower development and utilization was analyzed from the aspect of resources. The concept of water footprint was applied in the development of hydropower. Application of water footprint theory in water resources of hydropower station was researched from the three aspects of blue water footprints in hydropower station, blue water footprints in different areas, blue water footprint of hydropower station with the same generated energy. Results showed that blue water footprints in hydropower station of China were unevenly distributed. Region had significant impacts on the blue water footprints. Finally, constructing hydropower station or current hydropower station should take blue water footprint as the yard stick. Hydropower station should be established in mountain valleys with many mountains, small evaporation capacity, narrow topography, and small water reservoir area, which could effectively reduce evaporation and save water resource consumption.

Water footprint; Water consumption; Blue water footprint; Hydropower station

趙金輝(1989- )，男，河南柘城人，碩士研究生，研究方向：水文與水資源。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導師，從事水文與水資源研究。

2016-08-30

S 181

A

0517-6611(2016)31-0079-03