美国非发电坝发展潜力评估

［美国］B.哈杰尔维阿 等

1 研究概述

为增加可再生能源供应，美国能源部(DOE)风能和水能规划署已着手开展一项研究，以分析非发电坝(NPD)的发电潜力。研究前提是假定在NPD 修建过程中，已完成对大坝建设所需费用和环境影响的评估。与新坝相比，NPD 可减少技术和经济上的风险，且见效快，在国家增加可再生能源供应中极具吸引力。

作为该项研究的一部分，美国橡树岭国家实验室(ORNL)和爱达荷国家实验室(INL)的研究人员对水电资源进行了评估。通过挖掘美国NPD 的蕴藏量，量化潜在水电能源的总利用量，旨在了解国家、地区以及流域范围内增加的总发电量以及NPD 蕴藏的水电潜能。基于NPD 所在的不同河段，ORNL 的研究人员从美国地质调查局(USGS)和美国陆军工程师兵团(USACE)等获取最新资料，通过一系列地理空间处理技术，可将每个坝址上的映射数据进行叠加，并量化出最大的水电潜能。

每座大坝的过水流量和坝前、后的水头差决定水电潜能的大小，假设水通过发电装置时可有效地转变为电能，且水头保持不变，研究人员就能计算出大坝产生的总电能。在国家或地区范围内，可评估和汇总每月、每季的可用水量、水头、额定功率以及发电量等。

在美国现有的8 万多座NPD 中，选择符合要求的54 391 座进行研究。结果表明，如果在美国NPD上新安装发电机，就有产生12 GW 新生可再生能源的潜力，足以为400 多万户家庭提供电力供应，并使现有常规水力发电机组的规模增长15%。这一潜在能源大部分集中在600 座NPD 上，可提供约10 GW的电能。其中最为显著的10 座NPD 位于俄亥俄河、密西西比河、阿拉巴马河、汤比格比河，阿肯色河和红河上。仅这10 座NPD 就可增加3 GW 的新水电能源。

2 NPD 潜在水力发电量、蕴藏量

可根据式(1)计算NPD 提供的最大潜在水力发电量:

式中，Q 为平均流量，m3/s;Δh 为水力发电总水头，m;η 为发电效率(取0.85);T 为总发电时间，h。

由于大多数NPD 所在的河流上未建水文站，历史水文资料有限，在缺乏可参考数据的前提下，难以精确评估潜在水力发电量。因此，需根据每个坝址可用的统计数据，辅以其他数据资料进行评估。通过国家大坝名录(NID)和其他方法，获得计算月水力发电量中所使用的常水头。在计算每座NPD 的月平均流量时，假定所有径流均可用于发电。将每月水力发电量相加，就可预测出潜在的年均水力发电量，这一数值即是NPD 可获得的最大理论水力发电量。此外，从现有水电站计算的地区发电机容量系数，可根据式(2)评估水电蕴藏量:

如果一座水电站的所有发电机组都持续不断地运转，则其实际年发电量将会接近于装机容量与一年总运行时间相乘的结果，因此Cf值接近1。然而径流量是随时间变化而变化，Cf明显小于1。故在这一分析中用式(3)计算蕴藏量:

通过式(1)和式(2)，可计算出每个NPD 的潜在水力发电量和蕴藏量。

3 NPD 潜力评估

研究中选取54 391 座NPD，对比计算最大潜在水力发电量和蕴藏量，从中确定最具开发前景的大坝。由于许多数据不能从这些大坝本身获得，而应广泛收集数据源，从中选定发电模型所需数据。可选用的数据源包括NID、国家水电资产评估项目(NHAAP)基线数据、自然资源保护局分水岭边界数据集(WBD)、USGS 国家水文数据(NHD，1∶24 000 精度)、环境保护署(EPA)－USGS 国家水文资料(NHDPlus，1∶100 000 精度)以及USGS 国家水资源信息系统(NWIS)水文观测站资料等。

NID 用来提供NPD 的综合列表和对应坝高，最新的NID 囊括了83 987 座大坝的建设目的、位置、河流名称、集水面积、坝高、库容、所有权以及基本用途等数据。NHAAP 基线数据可提供许多历史数据，透过这些数据可研究、计划美国未来在水力发电中潜在的水电扩容改造。为建立流域边界框架，WBD 定义了6 个水文单元。利用湖泊、池塘、小溪、河流、渠道以及海洋等的共性特征，NHD 提供了一套综合数字空间数据，来表征美国的地表水资源。NHDPlus 整合了一系列数据，包括对流域累计面积特点，流向，流线的最低、最高海拔与最缓、最陡坡度，以及这个河流网络中每条流线的流量和流速评估。从22 000 多座NWIS 水文站所收集到的数据，可提供位置、流域面积和月径流量等信息。

3.1 大坝注册登记法

计算NPD 的流量需了解大坝的精确位置。使用高分辨率的NHD，对NID 中不够准确的41 000 多座大坝坐标进行了调整。然后，将NPD 连接到相对应的NHDPlus 河段，重新获得有用的NHDPlus 属性，例如流域面积和年平均流量。一些只能从高分辨率NHD 上看到的小蓄水池被排除在分析范围之外。以NID 和NHAAP 属性为基础，现有水电站、副坝以及低水头坝也被排除在外。

3.2 流 量

由于大部分NPD 缺乏水文观测资料，因此在此项研究中应用一个简化的单位径流公式。根据一些数据源，利用式(4)可计算每个NPD 坝址的月平均流量:

式中，流域面积是NPD 上的流域累计面积;径流量是月平均流量的标准值;采用NID 和NHDPlus 计算每座NPD 的流域面积。利用NID 和NHDPlus 流网进行空间分析，从而找出每座NPD 所在的流线。据1999～2008 年对5 595 座USGS NWIS 水文站持续观测的径流量资料，计算所有流域的月平均流量。对每座NPD 而言，将流域径流量和流域面积代入式(4)即可计算月流量。

3.3 水 头

精确地讲，水头是指总水头(即坝前水位和尾水水位之间的高差)，但未能在数据库中找出。因此，可利用NID 中的3 种高度(水头高度、坝高以及坝体高度)计算总水头。

依据NID 中可用信息，使用一系列经验公式来计算NPD 的总水头。在较大干流上的NPD，利用USACE 船闸提升高度等数据，有助于提供更具说服力的总水头计算结果。

在水电能蕴藏量的计算中，尾水位是未知的。多数情况下，水头的季节性变化也属于未知量。

3.4 Cf和潜在发电量

根据2001～2008 年每座已建水电站的发电量和装机容量，可用公式(2)分别计算Cf。年均水力发电量作为一个权重系数，可用来计算每个水文区域内的平均Cf。因此，一个区域的Cf是现发电量与发电机持续不断运转的最大可能发电量之比。可利用公式(3)中的Cf用来预测潜在的NPD 水电蕴藏量。

根据水头和月平均流量，按公式(1)可计算NPD的月均潜在发电量，NPD 年均潜在发电量是月均潜在发电量之和，将年潜在发电量和区域蕴藏量代入公式(3)中，即可计算潜在蕴藏量。

3.5 水的可利用性

可利用水量是潜在发电量的决定因素，不同地区的可利用水量值变化较大。降水量(P)和径流量(Q)是两个重要变量，其比值表示扣除土壤蒸发蒸腾总水量、地表下渗水量以及其他内部水文过程的损失水量后，降水量最终可供利用的百分比。虽然Q/P 比值不直接参与NPD 潜能的计算，但却是区域可利用水量的一项指标，有助于计算水力发电量。

3.6 质量控制

质量控制是一项耗时的工作，不能应用于所有的NPD。因此，首先应对水电蕴藏量较大的NPD 进行人工排查，继而以发电潜能的降序逐一进行检查。目前，已对近1 000 座水电潜能较大的NPD 进行了初步检查，典型错误是不切实际的大流量会导致过高地评估发电潜能。通常是由于NPD 坐标和属性不够精确、不同地区水文特性各不相同、NID 和NHD 之间坐标不一致、NID 属性信息过时，以及过高地评估径流式水坝和高坝水头。

4 结 论

根据大坝的可用信息，从数据库里获取的大坝特征近似数据以及水文变量，对美国54 391 座NPD 的潜在水力发电量和水电蕴藏量进行了评估，评估中未考虑其可行性、环境影响和经济效益。到目前为止，估算的潜在水电蕴藏量和年均发电量分别为12 GW和45 TW·h/a，约为美国已建水电站发电总量的15%。大部分NPD 的潜在水电能源蕴藏量都较小，水电蕴藏量超过1 MW 的597 座坝累计水电蕴藏量占总水电蕴藏量的近90%。这些NPD 大都位于俄亥俄河流域以及密西西比河流域的上、下游。通常闸坝的水电蕴藏量较高，这是因为其建设目的是航运而非供水和灌溉，如USACE 建设的87 座闸坝，其水电潜在蕴藏量可达6.9 GW。

大部分潜在水电蕴藏在俄亥俄河流域、密西西比河流域上游、阿肯色河流域的白河与红河等3 个地区较大河流上的航运闸坝中。水力发电量最大的分布在阿拉巴马州、阿肯色州、伊利诺伊州、肯塔基州、宾夕法尼亚州、田纳西州以及路易斯安那州，这主要是因为俄亥俄河河水流量较大且建设了一系列闸坝。在水电能源相对较少的地区增加投资力度，开发NPD这一新的发展方向，有助于美国国水电投资在空间分布上的多样化。此外，水电也是对潜在风能及太阳能利用的有益补充。

如果进一步考虑经济制约、可用水量、环境和社会等因素，选择适合模型(例如高山区大坝压力管道模型)，则可进一步提升预测水电潜力的准确性。这些因素造成的影响有待于进一步研究。