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雅砻江流域水电站水足迹计算及分析

俞雷 贾本有 吴时强 吴修锋 徐鹏 魏金俐

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雅砻江流域水电站水足迹计算及分析

    作者简介: 俞 雷(1994—),男,江西上饶人,博士研究生,主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail:yulei0405@foxmail.com.
    通讯作者: 吴时强(E-mail:sqwu@nhri.cn); 
  • 基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2017YFC0404605);国家自然科学基金资助项目(51709178)
  • 中图分类号: TV697

Calculation and analysis of water footprint of hydropower stations in Yalong River Basin

    Corresponding author: WU Shiqiang, sqwu@nhri.cn;
  • 摘要: 为量化水电开发利用对当地水资源消耗情况,引入水电站水足迹概念,以雅砻江流域梯级水电站群为研究对象,选择总水量消耗法,利用多年实测资料,考虑3种空间系统边界(一库一级、一库多级、流域整体),计算了干流7座水电站的水足迹。结果表明:(1)雅砻江流域7座水电站的水足迹范围为0.01~2.91 m3/GJ,平均水足迹为1.13 m3/GJ,小于其他空间尺度研究的水足迹,表明雅砻江流域水电开发利用的水资源利用效率高于其他地区和流域;(2)水电站水足迹主要受能效因子(单位装机容量的库区水面面积)和地形因子(库区水面面积与库区平均水深比)影响(相关指数分别为0.950 7和0.783 1),而蒸发深度和气象因子(降雨量和气温)对水电站水足迹值的影响较小;(3)水电站水足迹值与空间系统边界的设定有关,需根据水电站实际运行方式选择合适的空间系统边界。
  • 图 1  雅砻江流域水电站及水面蒸发量站位置示意

    Figure 1.  Schematic diagram of the location of the hydropower stations and surface evaporation stations in the Yalong River Basin

    图 2  水电站水足迹与能效因子的关系

    Figure 2.  Relationship between water footprint and efficiency factor of hydropower stations

    图 3  水电站水足迹与地形因子的关系

    Figure 3.  Relationship between water footprint and topographic factors of hydropower stations

    图 4  3种空间系统边界水足迹计算结果

    Figure 4.  Calculation results of water footprint in three spatial system boundary

    表 1  研究区域水面蒸发量站点数据

    Table 1.  Water surface evaporation site data in study area

    水电站名称水面蒸发量站经度纬度多年年平均蒸发深度/mm
    两河口雅江101°01′30°02′1 046.27
    杨房沟泸宁站101°52′28°27′905.11
    锦屏一级泸宁站101°52′28°27′905.11
    锦屏二级泸宁站101°52′28°27′905.11
    官地孙水关站/泸宁站102°12′/101°52′28°18′/28°27′1 017.74
    二滩桐子林站101°51′26°41′1 454.43
    桐子林桐子林站101°51′26°41′1 454.43
    注:官地水电站的蒸发量数据采用孙水关站和泸宁站数据的均值。
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    表 2  雅砻江中下游7座水电站水足迹

    Table 2.  Water footprint of 7 hydropower stations in the middle-lower reaches of the Yalong River

    水电站名称水面蒸发量站平均年蒸发深度/mm年发电量/(亿kW·h)水库水面面积/km2蒸发水量/m3装机容量/MW水电站水足迹/(m3·GJ-1)
    两河口雅江1046.27108.90109.02114 064 355.403 0002.91
    杨房沟泸宁站905.1169.4310.199 220 446.081 5000.37
    锦屏一级泸宁站905.11180.9082.5574 716 830.503 6001.15
    锦屏二级泸宁站905.11258.800.87787 445.704 8000.01
    官地孙水关站/泸宁站1 017.7499.5014.6914 950 527.152 4000.42
    二滩桐子林站1 454.43176.70100.60146 315 658.003 3002.30
    桐子林桐子林站1 454.4330.205.608 144 808.006000.75
    注:官地水电站的蒸发量数据采用孙水关站和泸宁站数据的均值。
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    表 3  现有研究水电站水足迹结果比较

    Table 3.  Comparison of existing water footprint results of hydropower stations

    序号水足迹/(m3·GJ−1研究区域空间尺度水电站数量来源
    最小值最大值平均值
    10.0156.001.50加利福尼亚州,美国省级/Gleick(1993)[14]
    20.755.018.86新西兰北岛国家9Herath (2011)[9]
    30.8032.482.17新西兰南岛8Herath (2011) [9]
    40.28166.676.94全球全球/Pfister (2011)[15]
    50.30846.0068.00全球全球35Mekonnen(2012)[8]
    60.403.581.51金沙江中游流域6朱艳霞(2013)[16]
    7//2.68三峡水电站流域1石萍(2014)[12]
    8//1.10葛洲坝水电站1
    90.0014 2343.60中国国家209Junguo Liu(2015)[17]
    10//6.75中国国家283何洋(2015)[18]
    111.155.352.23澜沧江中下游流域8袁旭(2018)[19]
    120.012.911.13雅砻江流域中下游流域7本研究
    注:只选择总蒸发量法的研究成果。
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    表 4  3种空间系统边界水足迹统计量

    Table 4.  Statistics of water footprint in three spatial system boundary

    统计量SSB1SSB2SSB3
    最大值2.917.104.84
    最小值0.010.320.56
    均值1.132.001.71
    CV88.66%109.50%79.53%
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-03
  • 网络出版日期:  2020-03-25

雅砻江流域水电站水足迹计算及分析

    通讯作者: 吴时强, sqwu@nhri.cn
    作者简介: 俞 雷(1994—),男,江西上饶人,博士研究生,主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail:yulei0405@foxmail.com
  • 1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029
  • 2. 河海大学 水利水电学院,江苏 南京 210098
  • 3. 河海大学 水文水资源学院,江苏 南京 210098

摘要: 为量化水电开发利用对当地水资源消耗情况,引入水电站水足迹概念,以雅砻江流域梯级水电站群为研究对象,选择总水量消耗法,利用多年实测资料,考虑3种空间系统边界(一库一级、一库多级、流域整体),计算了干流7座水电站的水足迹。结果表明:(1)雅砻江流域7座水电站的水足迹范围为0.01~2.91 m3/GJ,平均水足迹为1.13 m3/GJ,小于其他空间尺度研究的水足迹,表明雅砻江流域水电开发利用的水资源利用效率高于其他地区和流域;(2)水电站水足迹主要受能效因子(单位装机容量的库区水面面积)和地形因子(库区水面面积与库区平均水深比)影响(相关指数分别为0.950 7和0.783 1),而蒸发深度和气象因子(降雨量和气温)对水电站水足迹值的影响较小;(3)水电站水足迹值与空间系统边界的设定有关,需根据水电站实际运行方式选择合适的空间系统边界。

English Abstract

  • 中国水电快速发展,装机容量已达344 GW,占全球装机容量(全部还是水电???)的29.73%,居世界第一(截至2016年底)[1-2]。水电在满足人类对能源不断增加需求的同时,也会对环境、生态、社会等带来一些不利的影响[3-4]。然而,传统水资源指标“取水量”无法衡量水电站耗水情况,因此如何客观评价水电站电力产出与水资源消耗关系是一个难题,也对流域水电开发、规划具有重大意义。

    水电站水足迹是基于水足迹概念[5],用于表征水电站电力产出过程中单位电力生产消耗水资源(水库库区水面蒸发耗水)的指标,单位为m3/GJ。Gerbens-Leenese等[6]于2009年完善了该概念,并计算出1990年全球平均水电站水足迹为22 m3/GJ。水电站水足迹方法在不同空间尺度(全球、国家和流域)得到了广泛应用[7-11],如Mekonnen等[8]用总水量消耗法,计算了全球尺度水电站水足迹,其水足迹范围为0.3~850 m3/GJ,平均水足迹为68 m3/GJ,但仅选择了35座水电站,其代表性有待进一步论证;Herath等[9]用水量平衡方法计算了新西兰17座水电站水足迹,计算结果为-2.80~19.80 m3/GJ,然而水足迹是量化淡水使用的指标,不应出现负值情况,故水量平衡方法不适合计算水电站水足迹;Zheng等[10]于2012年首次将水足迹理论应用于国内大型流域水电梯级开发利用,估算了怒江梯级水电站水足迹为0. 31~1.19 m3/GJ;陆颖等[11]对澜沧江-湄公河37座水电站水足迹进行计算分析,其平均水足迹为88. 56 m3/GJ。然而上述研究多关注“一库一级”的空间系统边界(即一座水库与紧邻的水电站作为一个空间系统),而综合考虑流域梯级水库群联合调度下的水电站水足迹相关研究较少。

    本文用总水量消耗法,基于多年实测资料,考虑3种空间系统边界(一库一级,一库多级,流域整体),计算雅砻江干流已建和在建的共7座水电站的水足迹,分析其影响因子,量化水电站电力产出耗水效率,旨在为已建水电站水资源的消耗情况及流域梯级水电站的合理规划、布局提供理论依据。

    • 雅砻江全长1 571 km,天然落差3 830 m,年径流量609亿m3,流域水力资源丰富,理论蕴藏量达3 839万kW,是我国十三大水电基地之一。根据流域综合规划,雅砻江干流规划可开发21个大中型相结合、水库调节性能良好的梯级水电站,可装机容量约3 000万kW。当前,已建水电站5座(锦屏一级、锦屏二级、官地、二滩和桐子林水电站),在建水电站2座(两河口和杨房沟水电站),即本文的研究对象,水电站及对应的水面蒸发量站具体位置如图1所示。

      图  1  雅砻江流域水电站及水面蒸发量站位置示意

      Figure 1.  Schematic diagram of the location of the hydropower stations and surface evaporation stations in the Yalong River Basin

    • 本文采用水库正常蓄水位对应的水面面积代替多年平均水库水面面积,水电站相关参数来源于《雅砻江流域综合规划》。用2007—2016年的蒸发深度均值代替水库年平均蒸发深度,其计算精度符合要求[12]。蒸发的数据来源于水文年鉴,秉承距离优先和无较大气候差异的原则,水电站对应水面蒸发量站的选取及其相关数据如表1所示。

      表 1  研究区域水面蒸发量站点数据

      Table 1.  Water surface evaporation site data in study area

      水电站名称水面蒸发量站经度纬度多年年平均蒸发深度/mm
      两河口雅江101°01′30°02′1 046.27
      杨房沟泸宁站101°52′28°27′905.11
      锦屏一级泸宁站101°52′28°27′905.11
      锦屏二级泸宁站101°52′28°27′905.11
      官地孙水关站/泸宁站102°12′/101°52′28°18′/28°27′1 017.74
      二滩桐子林站101°51′26°41′1 454.43
      桐子林桐子林站101°51′26°41′1 454.43
      注:官地水电站的蒸发量数据采用孙水关站和泸宁站数据的均值。
    • 水电站发电期间,不会消耗上游来水,但上游水库因蓄水增大水库水面面积,从而导致大量地表水蒸发,引起水资源消耗。目前,用于水电站水足迹的计算方法主要有总水量消耗法、净水量消耗法(考虑原始河道蒸发水量)和水量平衡法[7]。雅砻江干流为山区河流,河床呈V型,原始河道水面面积小,较建坝后水库水面面积可忽略不计;此外,雅砻江干流水电站均以发电、防洪为主,无灌溉和供水功能,故无需考虑水电站水足迹分配问题[13]。因此,本文采用总消耗水量法,核算水电站水足迹,公式如下:

      ${W_{\rm{F}}} = \frac{ 1000 \times {h_{\rm{E}}} \times A}{{3.6 \times {{10}^5} \times {E_{\rm{G}}}}}$

      (1)

      式中:WF为水电站水足迹(m3/GJ);WE为水库年均蒸发量(m3);hE 为水库多年平均蒸发深度(mm);A为正常蓄水位对应的水面面积(km2;3.6×105为单位转换系数;EG为水电站多年年均发电量(亿kW·h)。

    • 雅砻江流域已建和在建共7座水电站平均水足迹为1.13 m3/GJ,两河口水电站水足迹最大,为2.91 m3/GJ;锦屏二级水电站水足迹最小,为0.01 m3/GJ,各电站水足迹差异性较大(离差系数CV=88.66%),水足迹最大值是最小值的291倍,具体见表2。从表2可知,两河口水库水面面积最大,为109.02 km2,这是导致两河口水电站水足迹最大的主要原因;锦屏二级水电站比较特殊,在锦屏一级水电站下游库区建挡水坝,通过4条长约16.7 km的引水隧洞,利用天然大河湾形成巨大落差发电(引水式电站),故其水库水面面积最小,这是锦屏二级水电站水足迹最小的主要原因。

      表 2  雅砻江中下游7座水电站水足迹

      Table 2.  Water footprint of 7 hydropower stations in the middle-lower reaches of the Yalong River

      水电站名称水面蒸发量站平均年蒸发深度/mm年发电量/(亿kW·h)水库水面面积/km2蒸发水量/m3装机容量/MW水电站水足迹/(m3·GJ-1)
      两河口雅江1046.27108.90109.02114 064 355.403 0002.91
      杨房沟泸宁站905.1169.4310.199 220 446.081 5000.37
      锦屏一级泸宁站905.11180.9082.5574 716 830.503 6001.15
      锦屏二级泸宁站905.11258.800.87787 445.704 8000.01
      官地孙水关站/泸宁站1 017.7499.5014.6914 950 527.152 4000.42
      二滩桐子林站1 454.43176.70100.60146 315 658.003 3002.30
      桐子林桐子林站1 454.4330.205.608 144 808.006000.75
      注:官地水电站的蒸发量数据采用孙水关站和泸宁站数据的均值。

      根据研究方法和资料口径一致性原则,本文对现有国内外研究成果进行筛选和分析,具体见表3

      表 3  现有研究水电站水足迹结果比较

      Table 3.  Comparison of existing water footprint results of hydropower stations

      序号水足迹/(m3·GJ−1研究区域空间尺度水电站数量来源
      最小值最大值平均值
      10.0156.001.50加利福尼亚州,美国省级/Gleick(1993)[14]
      20.755.018.86新西兰北岛国家9Herath (2011)[9]
      30.8032.482.17新西兰南岛8Herath (2011) [9]
      40.28166.676.94全球全球/Pfister (2011)[15]
      50.30846.0068.00全球全球35Mekonnen(2012)[8]
      60.403.581.51金沙江中游流域6朱艳霞(2013)[16]
      7//2.68三峡水电站流域1石萍(2014)[12]
      8//1.10葛洲坝水电站1
      90.0014 2343.60中国国家209Junguo Liu(2015)[17]
      10//6.75中国国家283何洋(2015)[18]
      111.155.352.23澜沧江中下游流域8袁旭(2018)[19]
      120.012.911.13雅砻江流域中下游流域7本研究
      注:只选择总蒸发量法的研究成果。

      可见,现有研究包含全球、国家、省级和流域等多种空间尺度的水电站水足迹核算结果,不同地区水电站水足迹相差悬殊。由表3可见,水电站水足迹最大值和最小值分别为长江流域的章岗水电站(4 234 m3/GJ)和红一水电站(0.001 m3/GJ),章岗水电站有较大水库水面面积(13.2 km2),但年发电量很少,仅1 GW·h,故其水电站水足迹远远大于其他水电站;红一水电站年发电量为369 GW·h,但水库水面面积很小,故其水电站水足迹远远小于其他水电站[17]

      表3可以看出,雅砻江流域水电站水足迹均值均小于全球、国家和省级空间尺度下研究的水电站水足迹,说明雅砻江流域水电开发水资源利用效率大于其他流域、地区。这与雅砻江流域所处的地理环境有关,即流域地处山区,天然落差大,水库水面面积小,而年发电量大,对水资源消耗较少。此外,根据郭志华等[20]基于GIS对中国气候进行分区的结果,雅砻江流域、金沙江流域和澜沧江流域均为第Ⅰ分区,其各流域气温、降水量、相对湿度和光照强度相似,这解释了雅砻江流域水电站水足迹与金沙江流域和澜沧江流域较为接近。

    • 水电站水足迹大小与众多因素有关,如能效因子[8]、地形因子[19](水库水面面积与库区平均水深的比值,106 m)、蒸发深度和气象因子(降雨量和气温)等。能效因子表征单位装机容量的水库水面面积(hm2/MW),其与水电站水足迹的相关性如图2所示。从图2可以看出,两河口水电站能效因子最大(3.63 hm2/MW),锦屏二级能效因子最小(0.02 hm2/MW),7座水电站能效因子平均值为1.60 hm2/MW;雅砻江流域7座水电站水足迹与能效因子有非常好的相关性(R2 =0.950 7),说明具有较大能效因子的水电站,水足迹通常比能效因子较小的水电站大。

      图  2  水电站水足迹与能效因子的关系

      Figure 2.  Relationship between water footprint and efficiency factor of hydropower stations

      地形因子表征水库水面面积与库区平均水深的比值(106 m),其与水电站水足迹的相关性如图3所示。从图3可以看出,两河口水电站的地形因子最大(1.75×106 m),锦屏二级的地形因子最小(0.05×106 m),7座水电站地形因子平均值为0.72×106 m。雅砻江流域7座水电站水足迹与地形因子有较好的相关性(R2 = 0.783 1),说明具有较大地形因子的水电站,水足迹一般来说比地形因子较小的水电站大(两河口水电站除外)。

      图  3  水电站水足迹与地形因子的关系

      Figure 3.  Relationship between water footprint and topographic factors of hydropower stations

      蒸发深度是由气温、光照强度、空气湿度和风速等多项因素组成的综合指标,因此,蒸发深度对水电站水足迹的影响包含了气温因子的影响。这里,本文利用相关分析法分析了水电站水足迹与蒸发深度和降雨量相关性,相关系数分别为0.139 6和0.172 3,相关性很弱,说明蒸发深度和气象因子不是影响水电站水足迹的关键影响因子。

    • 在流域水能资源的开发,一种常用方法是使用一个或多个调节系统,将河道由上而下地拟定多个水电站,呈阶梯状的分布形式,形成梯级开发。梯级水电站,在水头利用上,是分级开发、分段利用;在水量利用上是多次开发、重复利用(一库多级)。然而,传统水电站水足迹计算仅考虑单个水电站及其相邻的上游水库(一库一级)的空间系统边界,未考虑梯级开发上下级水库相互协调、相互制约作用。因此,本文以雅砻江梯级水电站群为例,对比分析3种空间系统边界水足迹计算结果的差异性,具体空间系统边界设定如下[6]

      (1)“一库一级”空间系统边界1(SSB1):每个水电站和上游紧邻的水库为1个空间系统,核算水电站水足迹。

      (2)“一库多级”空间系统边界2(SSB2):以控制性水库(具有季及以上调节能力)及所调配的下游水库为1个空间系统,即两河口和杨房沟水库为1个空间系统,锦屏一级、锦屏二级、官地为1个空间系统,二滩和桐子林水库为1个空间系统,分别计算3个空间系统水电站水足迹;不同空间系统内各水库年蒸发水量按对应空间系统总年蒸发水量的均值计算。

      (3)“流域整体”空间系统边界3(SSB3):将整个梯级水电站划为一个空间系统,核算水电站水足迹。各水库年蒸发水量按该空间系统总年蒸发水量的均值计算。

      根据雅砻江流域7座水电站不同空间系统边界下的水电站水足迹核算结果(图4),可以看出空间系统边界的设定对水电站水足迹核算结果影响显著。对于控制性水库(两河口、锦屏一级和二滩),SSB1核算结果均高于SSB2和SSB3,说明传统水电站水足迹核算方法会高估控制性水库的水资源消耗;对于非控制性水库(杨房沟、锦屏二级、官地和桐子林),SSB1核算结果均低于SSB2和SSB3,说明传统水电站水足迹核算方法会低估非控制性水库的水资源消耗。7座水电站中,锦屏二级和桐子林水电站变化最为显著。当锦屏二级电站被视为“一库一级”空间系统时,其水电站水足迹几乎为0,而考虑该电站受益于上游水库的调蓄作用,则其水电站水足迹为0.32 m3/GJ(SSB2)或0.56 m3/GJ(SSB3);当桐子林电站被视为“一库一级”空间系统时,其水电站水足迹为0.75 m3/GJ,而考虑该电站受益于上游水库的调蓄作用,则其水电站水足迹为7.10 m3/GJ(SSB2)或4.84 m3/GJ(SSB3)。3种空间系统边界水电站水足迹计算结果的统计量如表4所示。从表4可以看出,不同空间系统边界水足迹差异显著,最大值、最小值、均值和CV值均有明显差异因此,如何以一种公平的方式来分配水库水面蒸发引起的水资源损失显得至关重要。

      图  4  3种空间系统边界水足迹计算结果

      Figure 4.  Calculation results of water footprint in three spatial system boundary

      表 4  3种空间系统边界水足迹统计量

      Table 4.  Statistics of water footprint in three spatial system boundary

      统计量SSB1SSB2SSB3
      最大值2.917.104.84
      最小值0.010.320.56
      均值1.132.001.71
      CV88.66%109.50%79.53%

      水库现行运行管理方式是将一条干流上若干个水库联合调度运行,提高防洪、发电和供水等效益,实现“1+1>2”的目标[21]。如三峡-葛洲坝的联合调度,显著提升了葛洲坝电站的发电效益[22]。因此,当雅砻江干流未实现梯级水库联合调度时,本文推荐“一库一级”空间系统边界的水电站水足迹计算方式;当雅砻江干流实现部分梯级水库联合调度时(以控制性水库为节点),本文推荐“一库多级”空间系统边界的水电站水足迹计算方式;当雅砻江干流整体实现梯级水库联合调度时,本文推荐“流域整体”空间系统边界的水电站水足迹计算方式。通过这种方式,将水库水面蒸发引起的水资源损失公平地分配到各个受益的水电站,这使水电站水足迹的核算更加科学合理。

    • 水电站水足迹能量化水电站单位电力产出所消耗的水资源量,在一定程度上能表征水电开发利用对当地环境生态和水资源消耗影响程度。本文计算了雅砻江干流已建和在建的共7座水电站水足迹,分析其影响因子,并与现有成果进行对比分析,具体结论如下:

      (1)雅砻江流域7座水电站的水足迹范围为0.01~2.91 m3/GJ,平均水足迹为1.13 m3/GJ,各电站水足迹差异性较大(CV=88.66%);该流域水电站平均水足迹均小于其他研究全球、国家等空间尺度的水足迹,表明雅砻江流域水电开发利用的水资源利用效率高于其他地区和流域。

      (2)水电站水足迹主要受能效因子和地形因子影响,具有较好的正相关性,其相关指数分别为0.950 7和0.783 1,而蒸发深度和气象因子(降雨量和气温)对水电站水足迹大小的影响甚微。

      (3)水电站水足迹大小与空间系统边界设定有关,需根据实际水电站群运行方式选择合适的空间系统边界,避免计算结果出现较大偏差。

参考文献 (22)

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