可再生能源開發(fā)的生態(tài)環(huán)境影響及建議

陳柏言，薛聯(lián)芳，顧洪賓

(水電水利規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

由于世界各地的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展，對能源的需求正在顯著增加[1]。過去30年全球經(jīng)濟(jì)每年增長3.3%，能源需求增長3.6%[2]。根據(jù)美國能源信息署(EIA)的預(yù)測，預(yù)計2012年～2040年全球能源消費將增長48%。到2035年，世界一次能源消費總量將達(dá)到280億t標(biāo)準(zhǔn)煤。能源的消費通常伴隨著環(huán)境污染與全球變暖，這已成為21世紀(jì)對人類的最嚴(yán)重威脅[3-4]。可再生能源是從可再生資源中收集的能量，而可再生資源在人類時間尺度上可以自然補充。相比煤炭、石油等化石能源，可再生能源作為一種更加清潔的能源，在能源供應(yīng)多元化發(fā)展中扮演愈來愈重要的角色。特別是在發(fā)電領(lǐng)域，根據(jù)國際可再生能源署(IREAN)的預(yù)測，到2040年，電力在最終能源消耗中的份額將達(dá)到38%，可再生能源在發(fā)電中的份額將達(dá)到75%。

目前，有關(guān)可再生能源的開發(fā)、設(shè)計、性能、經(jīng)濟(jì)和政策存在大量研究。但是，有關(guān)不同種類可再生能源對生態(tài)環(huán)境的疊加、連鎖、復(fù)合影響，尚未有綜合的、系統(tǒng)的研究。

1 可再生能源開發(fā)現(xiàn)狀

根據(jù)IREAN的數(shù)據(jù)，截至2018年，全球可再生能源發(fā)電裝機(jī)量已達(dá)到2 342 GW(因生物質(zhì)、海洋能、垃圾焚燒等能源份額較小，本文可再生能源研究范圍為水力、風(fēng)力、太陽能發(fā)電)，年均增長率為8.1%。其中，水電3.0%、風(fēng)電15.8%、太陽能發(fā)電40.1%(見圖1)。相比之下，可再生能源裝機(jī)增長率大幅高于同時期全球GDP年均增長率。

圖1 可再生能源歷年裝機(jī)容量與增長率

2 可再生能源開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的積極影響

2.1 減少耗水量

一座中等規(guī)模的火力發(fā)電廠用于熱力循環(huán)的冷凝水和燃料處理的清潔水每天可達(dá)數(shù)百萬升。通過可再生能源開發(fā)，可減少水的消耗，將其保存或用于其他目的。加利福尼亞州能源委員會(CEC)估算了不同種類能源的單位發(fā)電耗水量，如表1所示，風(fēng)電和光伏發(fā)電耗水量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)發(fā)電廠[5-6]。

表1 不同種類能源單位發(fā)電耗水量

有關(guān)水電站耗水量則相對復(fù)雜，事實上無論是徑流電站、引水電站或水庫電站，發(fā)電的過程均不耗水；而水庫蒸發(fā)現(xiàn)象卻是客觀存在。根據(jù)相關(guān)研究，美國水電站單位電量(蒸發(fā))耗水值從東北部的1.2L/(kW·h)到西部的39.1 L/(kW·h)不等。這種蒸發(fā)更多地取決于氣候和水文條件而與技術(shù)無關(guān)[7]。

光熱電站的耗水量也較為復(fù)雜，水主要被用于冷卻塔和清洗反射鏡。槽式濕冷光熱電站單位電量耗水可達(dá)到3～3.8 L/(kW·h)，塔式濕冷則略低，為2.8～3.4 L/(kW·h)。如使用空冷技術(shù)，則單位電量耗水可大幅降低，槽式與塔式分別為0.19～0.38、0～0.19 L/(kW·h)，與光伏電站相當(dāng)。使用斯特林機(jī)冷卻的光熱電站，其單位電量耗水甚至可低至0.038 L/(kW·h)。此外，如光熱電站配備儲熱系統(tǒng)，則耗水則會有一定幅度的上升。100 MW槽式濕冷光熱電站，如配備6 h儲熱系統(tǒng)，其單位電量耗水會上升約30%。

2.2 減少CO2和大氣污染物排放

通常，水力、風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電在發(fā)電過程中的直接空氣污染為0。其在建設(shè)和維護(hù)階段，存在少量的CO2排放；而這一數(shù)量級的CO2比其他基于化石燃料的發(fā)電廠排放要少得多。實際上，植被通過光合作用完全可以吸收這種數(shù)量級的CO2。此外，可再生能源發(fā)電代替化石燃料燃燒[8]，避免了SO2、NOx、Hg、顆粒物或任何其他類型的空氣污染[9]。

根據(jù)水電水利規(guī)劃設(shè)計總院數(shù)據(jù)，中國2017年可再生能源發(fā)電16 979億kW·h，少燃燒約5.2億t標(biāo)準(zhǔn)煤，相應(yīng)的減少排放碳粉塵3.6億t、CO213億t、SO23 922萬t、NOx 1 961萬t。

3 可再生能源開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的不利影響

3.1 局地氣候變化

通常，徑流式電站與引水式電站發(fā)電過程不耗水，亦無大規(guī)模的蒸發(fā)效應(yīng)。水庫電站則會對局地氣候產(chǎn)生影響。根據(jù)有關(guān)思林、錦屏二級、龍羊峽和劉家峽等電站(群)的研究，水庫蓄水后，局地年盛行風(fēng)穩(wěn)定，風(fēng)速增加，年降水量增加，庫區(qū)年平均水溫和氣溫上升，春夏水溫和氣溫下降，秋冬水溫和氣溫上升，日氣溫差減小，相對濕度增大，空氣濕潤，蒸發(fā)減少，大氣對流活動減弱，低云量減少，日照時數(shù)增加，雷暴日數(shù)減少[10-11]。然而，水庫電站對氣候影響范圍有限，一般不超過河岸兩側(cè)垂直100 m，直線200 m的距離，區(qū)域大環(huán)境對庫區(qū)氣候仍起控制作用[12-13]。

風(fēng)力發(fā)電對局地氣候的影響主要體現(xiàn)在風(fēng)速影響方面。有研究指出，運行中的風(fēng)電場可顯著減小下游風(fēng)速，同時根據(jù)局地近地層穩(wěn)定度的不同，也會造成下游氣溫明顯上升或下降[14]。風(fēng)機(jī)尾流中的湍流會改變地面高速風(fēng)的方向，從而通過混合空氣影響局地氣候，使得局地水分蒸發(fā)增強[15]。根據(jù)內(nèi)蒙古錫林郭勒盟的數(shù)據(jù)，在風(fēng)電場區(qū)域出現(xiàn)的干旱，比周邊區(qū)域發(fā)展的更快[16]。有研究通過在兩個不同的一般循環(huán)模型中改變表面的阻力系數(shù)來模擬風(fēng)力渦輪機(jī)的氣候影響，研究指出風(fēng)電可以在大陸尺度上引起局地氣候變化，但其對全球平均表面溫度的影響是次要[17]。截止到目前，風(fēng)電對局地乃至全球氣候的影響尚缺乏系統(tǒng)深入的研究，隨著風(fēng)電裝機(jī)量的迅速上升，該領(lǐng)域的研究顯得愈發(fā)重要。

太陽能電站對局地小氣候也會產(chǎn)生一定的影響，這種影響主要體現(xiàn)在對局地風(fēng)力、空氣和土壤的影響。根據(jù)殷代英等和高曉清等的研究，布設(shè)光伏電站降低了風(fēng)速、改變了風(fēng)向，提升了局地空氣和土壤濕度，降低了土壤溫度，特別是在夏季使共和盆地荒漠區(qū)10 cm土壤平均濕度上升了71.61%[18-19]。與光伏電站相比，光熱電站在春天和夏天對局地氣候的影響的相關(guān)研究也得到了類似的結(jié)果。根據(jù)北京延慶光熱項目的數(shù)據(jù)，在春天和夏天光熱電站可以使所在地土壤溫度比附近低0.5～4 ℃。然而在冬天，光熱電站則作為熱源，所在地土壤溫度較之附近高0.5～4 ℃，這與光伏電站在冬天也作為冷源不同。這種不同可能是因為在冬天光熱電站對空氣流動的影響占主導(dǎo)因素，而在夏天由電站產(chǎn)生的陰影占主導(dǎo)因素。太陽能電站的開發(fā)對局地土壤的溫度和濕度產(chǎn)生了影響，這對所在區(qū)域植物生長和生態(tài)系統(tǒng)的演化尤為重要。事實上，已有利用太陽能發(fā)電場的土壤條件改善種植牧草，從而飼喂牲畜的“牧光互補”新模式出現(xiàn)。

3.2 影響水生生物

水電站對水生生物的影響主要有大壩阻隔、水庫蓄水和減水河段3個方面。一般水工建筑物如大壩和水閘等，將河流攔腰截斷，阻斷了魚類通道，特別是對洄游性魚類的索餌、產(chǎn)卵、越冬等行為影響較大。如美國哥倫比亞河干流水利樞紐影響鮭魚洄游，我國長江三峽、葛洲壩等水利工程影響中華鱘洄游[20]，等等。水庫蓄水后形成靜、緩流為主的環(huán)境，會對水質(zhì)、浮游植物、浮游動物、底棲動物、水生維管束植物和魚類等產(chǎn)生影響。特別是對于魚類，水庫蓄水對使原有產(chǎn)卵場消失，索餌場和越冬場環(huán)境改變，對喜流水生境以及產(chǎn)粘性卵和產(chǎn)漂浮性的魚類有直接或間接的不利影響，導(dǎo)致魚類資源和生態(tài)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[21]。此外，水庫蓄水后，水溫呈垂向分層，而發(fā)電用水一般取自水庫底部的低溫水(東北、西藏等部分區(qū)域則相反，為高溫水)，低溫水下泄推后了魚類繁殖時間。同時，由于上游來水在水庫聚集，泥沙沉淀、清水下泄，可能導(dǎo)致庫區(qū)富營養(yǎng)化，下游食物鏈斷裂，間接的影響了魚類資源的組成和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[22-23]。引水式電站主要通過減、脫水河段對水生生物產(chǎn)生影響。由于河道生態(tài)用水減少，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，魚類被迫向下游遷徙，浮游植物增加[24-25]。

海上風(fēng)電的開發(fā)尚處于起步階段，但對海洋生物的影響卻不容忽視。Thomsen等指出，在風(fēng)力渦輪機(jī)的建造和運行過程中，一些敏感的海洋生物，如鰈魚和鮭魚(dab and salmon)，可以感知到遠(yuǎn)距離的打樁脈沖(pile-driving pulses)，其行為亦會受到這些風(fēng)機(jī)的影響[26]。海上風(fēng)電對海洋生物的研究目前較少，隨著海上風(fēng)電開發(fā)規(guī)模的持續(xù)增大，該領(lǐng)域亟待進(jìn)一步的深入研究。

3.3 影響鳥類

水電工程通過蓄水形成水庫，或通過引水造成減水河段，會致使局地鳥類區(qū)系組成、種群數(shù)量和生活分布發(fā)生變化。周材權(quán)等研究了二灘水電站建成前后庫區(qū)流域鳥類多樣性的變化，指出水庫建成后鳥類多樣性略有下降，這說明鳥類的生存環(huán)境趨向單一化，異質(zhì)性有所下降[27]。對于引水式電站，余志偉等開展了錦屏二級水電站對鳥類群落的影響研究，指出相對于較小的水庫，減、脫水河段對鳥類的影響占主導(dǎo)。海拔1 900 m以下的減、脫水河段發(fā)生植被演替，草叢和灌叢呈現(xiàn)主導(dǎo)，鳥類的區(qū)系組成發(fā)生變化，種類和種群數(shù)量趨于減少[12]。

建在鳥類棲息地或遷徙路線的風(fēng)電場對鳥類可造成一定的影響。風(fēng)電開發(fā)對鳥類的影響主要表現(xiàn)在鳥類與風(fēng)機(jī)或電線相撞而導(dǎo)致的撞死、撞傷，風(fēng)機(jī)和電線阻礙鳥類遷徙，以及鳥類棲息地的破壞等方面[28]。有研究指出，與森林砍伐等人類活動相比，風(fēng)電開發(fā)對鳥類數(shù)量的影響可忽略不計[15]，根據(jù)美國National Audubon Society的數(shù)據(jù)，美國每年死于風(fēng)機(jī)的鳥類約為14萬～30萬只，遠(yuǎn)低于死于高層建筑的鳥類數(shù)量(6億只)。同時，鳥類對噪聲有回避的天性，可以避開障礙物[3]。然而，從維護(hù)生物多樣性和保護(hù)珍稀物種的角度，應(yīng)在風(fēng)電開發(fā)前進(jìn)行野生動植物調(diào)查，研究當(dāng)?shù)伉B類的生活和繁殖行為，并在風(fēng)電運行期采用雷達(dá)預(yù)警、驅(qū)趕或停機(jī)等保護(hù)措施，最大限度的減少風(fēng)電開發(fā)對鳥類的危害[8,29]。

3.4 噪聲和視覺沖擊力

水力發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電所使用的渦輪機(jī)對周圍環(huán)境可產(chǎn)生一定的噪聲(部分分布式光伏并網(wǎng)逆變器會有少量噪聲，相比渦輪機(jī)其噪聲極小，可認(rèn)為太陽能發(fā)電不產(chǎn)生噪聲)。渦輪機(jī)產(chǎn)生的噪聲主要分為兩類：機(jī)械噪聲和動力噪聲。相比于水電的動力噪聲主要發(fā)生在泄水時，風(fēng)電的空氣動力噪聲則在渦輪機(jī)運行的全程都存在。噪聲影響的主要對象是人群，但在鄰近野生動物棲息地(包括飛禽和水生生物)應(yīng)考慮噪聲對野生動物生長繁殖以及候鳥遷徙的影響。戴英健等研究了水力發(fā)電工人職業(yè)性噪聲聾與累積噪聲暴露劑量的關(guān)系，指出對于水電工人應(yīng)以100 dB為閾值[30]。郭維東等研究了河道泄水閘下泄水流噪聲特性分析，指出噪聲與上游流量呈正相關(guān)，相同條件、不同斷面上頻率在63.5 Hz和1 000 Hz的噪聲值最大[31]。Punch等指出風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的低頻噪聲可引起睡眠障礙甚至聽力損傷，并且還可能造成前庭系統(tǒng)的損傷[32]。Torrance等指出風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)通過優(yōu)化改造房屋結(jié)構(gòu)來阻擋噪聲，或?qū)L(fēng)力發(fā)電機(jī)建設(shè)在距離人類居住地2 km范圍外[33]。Oerlemans的研究表明，優(yōu)化的葉片或鋸齒狀葉片可以分別平均降低0.5 dB和3.2 dB的噪聲水平[34]。

對視覺沖擊力的評價則較為主觀。部分人認(rèn)為水電站、風(fēng)電場、太陽能發(fā)電場是自然景觀的一部分，甚至對自然景觀有提升作用；而部分人，則持反對意見。從環(huán)境影響評價技術(shù)而言，視覺影響較難評估[3]。多標(biāo)準(zhǔn)分析(multicriteria analysis)目前是一種廣泛使用的方法，通過分析物理屬性(PA)(如水，土地形態(tài)，雪等)和美學(xué)屬性(如顏色，質(zhì)地，等)，得出0～100的評估分?jǐn)?shù)。羅小勇研究了水利水電工程景觀及視覺影響評價方法，指出應(yīng)從生態(tài)環(huán)境破壞度、動植物珍稀度、動植物豐富度、地形地貌自然度和穩(wěn)定度等14個因子進(jìn)行評價[35]。此外，Quechee Test與the Spanish Method也是被廣泛使用的景觀評估方法[36-37]。

表2 各種類可再生能源開發(fā)對生態(tài)環(huán)境影響

3.5 其他影響

水電、風(fēng)電和太陽能發(fā)電在施工期會對水、氣、聲、土壤和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。水環(huán)境影響主要來自清洗用水和生活污水，大氣環(huán)境影響主要是來自現(xiàn)場施工揚塵，以及施工車輛燃油排放的廢氣，噪聲污染主要來自施工機(jī)械的作業(yè)。水電、風(fēng)電和太陽能發(fā)電的開發(fā)可能對所在區(qū)域土壤狀態(tài)和性質(zhì)以及生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的影響。此外，光伏組件退役后因回收不完全產(chǎn)生的碲化鎘、砷化鎵等材料泄露，會對土壤和地下水環(huán)境產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論與建議

綜合各種類可再生能源對生態(tài)環(huán)境的影響，根據(jù)環(huán)境影響要素分類，可得出表2[38-39]。如表2所示，水力、風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電在建設(shè)期和退役期主要對水、氣、聲環(huán)境產(chǎn)生影響，光伏組件的不規(guī)范回收可能導(dǎo)致土壤污染。在運營期，水庫電站、陸上風(fēng)電、光伏電站和光熱電站均可以對風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度產(chǎn)生影響。其中，水庫電站和陸上風(fēng)電還對局地降水量有影響。值得注意的是，水電和風(fēng)電均可直接或間接影響到鳥類；然而對鳥類區(qū)系組成和種群結(jié)構(gòu)影響到何種程度，目前尚不清楚。上述不同種類能源對生態(tài)環(huán)境的共同作用，在以往研究中是被忽視的。在大力推進(jìn)“水風(fēng)光”互補新格局的今天，研究不同種類能源開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的疊加、連鎖、復(fù)合影響非常重要。為此建議：

(1)落實回顧性評價，研究累積影響。在可再生能源開發(fā)中，應(yīng)充分落實對局地氣候、水生生物、鳥類等要素的調(diào)查，合理評估、深入論證項目開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的影響；并在項目運營后，每隔5～10 a開展回顧性評價，從時間序列上研究環(huán)境的變化趨勢、評價已產(chǎn)生的累積影響。

(2)關(guān)注疊加性影響，開展系統(tǒng)研究。國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)多能互補集成優(yōu)化示范工程建設(shè)的實施意見》等文件，風(fēng)光水火儲多能互補系統(tǒng)一體化運行，有助于提高電力輸出功率的穩(wěn)定性，提升電力系統(tǒng)消納風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性可再生能源的能力和綜合效益。目前已開展龍羊峽水光互補電站、雅礱江流域風(fēng)光水互補清潔能源基地等項目，未來隨著風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電開發(fā)規(guī)模的迅速擴(kuò)大，水電作為互補或調(diào)峰電源的趨勢愈發(fā)明顯。下一步應(yīng)從空間序列上，關(guān)注不同種類可再生能源對生態(tài)環(huán)境的疊加影響，開展互補電源局地氣候模型、調(diào)度模型、生態(tài)環(huán)境影響等整體性、系統(tǒng)性的研究。

(3)實施全過程監(jiān)測，加強適應(yīng)性管理。除不同種類能源開發(fā)對生態(tài)環(huán)境的疊加效應(yīng)外，由于局地小氣候或生物多樣性改變會衍生出連鎖性的影響。直接影響與衍生影響、衍生影響之間再疊加和衍生會產(chǎn)生更為復(fù)雜的復(fù)合影響。下一步在對上述累積影響和疊加影響充分研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)實施對局地氣候、水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境的全過程監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整、優(yōu)化環(huán)境管理措施，實現(xiàn)可再生能源及互補系統(tǒng)的可持續(xù)性。