保护区小水电站开发方案

［斯洛文尼亚］ K.德泽拉克等

1 概述

德拉瓦(Drava)河是多瑙河论面积和长度排名第四的支流，连接着阿尔卑斯山脉和多瑙河。该河发源于意大利海拔1192 m区域，流经奥地利、斯洛文尼亚、匈牙利和克罗地亚，河流总长730km，下游为克罗地亚和匈牙利界河。德拉瓦河在奥西耶克(Osijek)镇下游19km处汇入多瑙河。河流中上游地区高强度的水电开发、防洪及其他河道整治工程使其成为多瑙流域开发程度最高的河流之一。同时，该流域自然资源丰富，具有巨大的可持续开发潜力。此外，河道沿岸还有重要的、保存完好的生态区，动植物种类丰富多样。相关政府通过保护制度，如国家公园和自然公园的形式，对很多生态区进行了保护，这些生态区也成为欧盟Natura 2000自然保护区网络(Natura 2000)的一部分。

德拉瓦河是典型的冰川河流，这就意味着其最大流量出现在7月冰川融化期间，此时其他大多数河流都已出现夏季干旱的迹象。该河另一个流量峰值出现在11月，此时河内注满了来自于宽阔的阿尔卑斯山腹地的秋季雨水。德拉瓦河意大利和奥地利境内的总汇水面积为10964km2，斯洛文尼亚境内的汇水面积为3264km2。阿尔卑斯山中部地区赋予了德拉瓦河一些独有的特征。由于地中海气候的强烈影响，来自于流域南部的水量会造成夏季流量短期骤增，特别是8月份，百年一遇的平均流量可超过2800 m3/s，而年平均流量仅297 m3/s。

德拉瓦河上游河段建有很多大坝和水库，大部分用于水力发电，均建于20世纪。该河河道上共建有23座用于水力发电的水坝和水库，12座位于奥地利，8座位于斯洛文尼亚，3座位于克罗地亚。在奥地利和斯洛文尼亚北部，德拉瓦河的坡降和陡峭的山谷为建造小型水库提供了有利条件。在斯洛文尼亚和克罗地亚下游，地势相对平坦，有利于修建狭长、相对大型和较浅的水库。德拉瓦河的主要整治工程始于19世纪初，持续至20世纪中叶。同时，很多用于公共供水的地下水井场和灌溉系统也在流域内兴建。结果，未加严格控制和协调的人类活动使德拉瓦河水文状况发生了显著变化，同时也对总体环境造成严重影响。

斯洛文尼亚 Dravske Elektrarne Maribor公司(DEM公司)是斯洛文尼亚一家最大的可再生资源发电公司。DEM公司电站的装机容量，在多年平均流量范围内，每年发电量约2.6 TW·h。夏季德拉瓦河水电站的最大发电量为1.2 TW·h，在过渡期和冬季则分别为0.8 TW·h和0.5 TW·h。超过40%的发电量由两座径流式水电站，即兹拉托利克杰(Zlatolicje)电站(21.7%)和福尔明(Formin)电站(20.6%)提供。除径流式水电站之外，还有另外6座蓄水式发电站，即德拉沃格勒(Dravograd)电站、武泽尼察(Vuzenica)电站、武赫雷德(Vuhred)电站、奥日巴尔特(Ozbalt)电站、法拉(Fala)电站和马里博尔斯基岛(Mariborski Otok)电站，这些电站提供了大约60%的电量。由于可以在斯洛文尼亚电力系统出现故障时为其提供备用电力，德拉瓦河电站的重要性日益增加。通过夜间蓄水，白天腾空库容，德拉瓦河电站可以将一部分日常发电量转移至一年中最少8个月的最高需求期。利用库存水量运行发电同样可以使其在二次调频和功率调节中达到45MW的发电容量。

除了两座位于斯洛文尼亚的径流式水电站外，在克罗地亚境内的德拉瓦河下游还有3座径流式水电站，即瓦拉日丁(Varazdin)电站、查科韦茨(Cakovec)电站和杜布拉瓦(Dubrava)电站(1.2 TW·h/a)。对于这5座水电站来说，可以制定相同的运行工况。在每座电站的具体运行中，水从水库通过防渗混凝土衬砌的进水渠输送至水电站，从水电站流经挖掘至含水层的出水渠。出水渠无防渗材料保护，直接与地下水接触，因此，含水层的补给和排水条件发生显著变化。根据水电管理当局的协议，所有水库的余流必须排回德拉瓦河。根据生态可接受流量的不同，余流流量也会发生不同的变化。

斯洛文尼亚兹拉托利克杰电站便例证了其对出流流量的影响，该水电站有一条17.2km长的水渠，建于1969年。在这一区域，水以550 m3/s的流速通过进水渠输送至水电站，但排放的余流流量受季节影响，冬季为10 m3/s，夏季为20 m3/s。目前很确切的是，对欧洲主要航道的水量造成干扰是不被接受的。

同时，根据Natura 2000多样性要求，其邻近区域也已部分恢复自然状态，成为对欧洲具有特殊意义的许多动物种群的栖息地。虽然如此，水电站的负面影响也不容忽视，特别是在对航道的干扰方面。有必要寻求解决方案，通过适当的力学、流体力学和电力设备的使用来缓解水电站所造成的影响，消除水力形态变化引起的后果。通过合理的基础设施建设和精心规划，则有可能以环境、社会与经济可接受的方式来修建水电站。

以下讨论在德拉瓦河上拟建小水电开发的方案。德拉瓦河流经马里博尔斯基岛电站附近，并在该处分成两段。第1段是一条通往兹拉托利克杰电站的水渠，余流仍保留在德拉瓦河的天然河床内。欧洲中部的强降雨经常会导致德拉瓦河流量增大，因此在马里博尔斯基岛电站，水通常通过大坝溢出。德拉瓦河的水渠只能受纳有限的水量，所以剩余的流量会通过德拉瓦河的天然河床泄向下游(高水位时，水渠内的流量仅为271 m3/s，正常运行时达550 m3/s，以保护马里博尔斯基岛电站不受反向波影响)。

正常运行时，根据季节不同，德拉瓦河床的平均流量为10 m3/s或20 m3/s(余流)。考虑了有关德拉瓦河开发的各种技术方案和相应的投资经济分析结果，同时也考虑了德拉瓦天然河床为保护区，并被列入Natura 2000这一事实。

2 空间、环境、社会经济及相关政策的挑战

小水电站从概念设计到试运行的过程需要经过一系列复杂的活动，这些活动对于规划、组织和管理资源以完成所要求的目标，以及平衡公众和私人(经济)利益来说是必不可少的。平衡利益包括平衡空间、环境、社会、经济及相关政策的挑战，以实现欧盟关于就业、创新、教育、社会融合、气候变化和能源问题方面的主要目标。

根据现有的知识、标准和原则，如果开发方法不当，就可能会给环境带来不利影响。以下介绍了如何通过改善小水电站的运行条件和将50 a前建造的一系列大型径流式水电站带来的不利影响降至最低来实现欧盟5个主要目标的。这些径流式水电站建在德拉瓦河下游大约100km长的斯洛文尼亚－克罗地亚河段上，该河段始于马里博尔(斯洛文尼亚)，止于杜布拉瓦(克罗地亚)，引水流量 550 m3/s，确保20 m3/s的余流。

2.1 现 状

虽然已有大约长20km的河段发生了很大变化，大量的水被引走(这在今天是不允许的)，但这片区域也确实为濒危物种提供了栖息地，并被列入Natura 2000。不受人类活动干扰，这些河段重新又成为了动物的栖息地。负面影响涉及水流形态变化(缺乏泥沙输移)、居民的重新安置、土地利用变化、人类习惯以及低河流水位造成的湿地面积萎缩。与修建梯级电站之前相比，这些湿地只能提供更小的栖息地。

2.2 通过实现欧盟目标来改善条件

所有这些因素都可以通过恢复至建设梯级水电站之前的条件，并通过调节水位模拟平均流量和水位得到改善，以德拉瓦河的雪雨型河流来水机制最为典型。实现这一目标的可能途径之一是安装小型橡胶坝，加强基础设施(例如桥梁)的综合利用，特别是在EWE(环境、水资源与能源)和气候变化问题日益加剧的情况下。

最近联合国的一份有关气候变化的报告表明，人类正在对气候系统进行不可逆转的干扰。气候变化涉及复杂的相互作用和改变可能的各种影响。在气候变化背景下关注决策风险，并对报告进行补充。报告的一关键部分提出了气候变化和基础设施的适应性。由于欧盟各国各自地理位置和地球物理风险、现有适应能力和恢复力及区域经济发展水平的不同，气候变化对基础设施影响的严重性在欧盟各国也各不相同。

中长期气候发展趋势(气温正在升高，雨型的改变等)和越来越频繁的极端天气事件对各个地区的影响不尽相同。气候影响不仅在地域和季节上有区别(北方/南方，冬季/夏季)，还存在局部(城市/农村/海岸)差异。因此，为使基础设施适应气候变化的影响，通常要求对不同的趋势和影响模式进行综合的、定点的分析。气候变化的影响(以5℃为例)将导致基础设施的翻新、升级改造和新基础设施的建设。根据联合国气候变化报告，由于气温升高和极端降水的影响，基础设施的维护、运行和翻新需要更多的资金。固此，需要更多的能源和基础设施(新堤防、水库、保留区、桥梁、供水和排水系统)来应对气候变化的影响。

在2014年～2020年预算期内，欧盟将增加适应气候的基础设施方面的融资。可以预见的是，2014年～2020年欧盟总预算中至少有20%将用于气候相关投资。气候变化的后果会对基础设施造成影响，进而对经济可持续性和银行可融资性造成影响。一般来说，工程的设计和建设将变得更为复杂，维护和安装费用也将更高。随着气候变化影响的加大，需要采用各种方式对现有资源进行优化利用，以实现长期的责利匹配。

据估算，在防洪上每花费1欧元，损害成本则可节省6欧元。欧洲委员会估计，2020年不适应气候变化的最低成本将为1000亿欧元，到2050年，该成本将变为2500亿欧元(需要在2020年投入150亿～200亿欧元，并在2050年投入400亿欧元)。因此选择管理对策是必要的，特别是在气候变化的影响需要对响应持续适应的情况下。除了预防损失，建设基础设施的其他社会经济影响也应考虑在内。分析气候变化对水电的可能影响、管理部门对响应变化的适应性选择，以及来水量的季节和年际变化得出，到2050年，气候变化和EWE对水力发电的总体影响估计在大部分地区略为正面(如亚洲，0.27%)，在其他区域为消极影响(如欧洲、0.16%)，跨区域、跨流域，区域内甚至流域内分散的各小流域均不相同。

3 技术方案

分析2007年德拉瓦河天然河床最大和最小流量值得出，通常情况下河流流量仅为10 m3/s或20 m3/s，偶然会出现高水位。2007年该河的最大流量为1558 m3/s。德拉瓦河的整个天然河床(延伸大约25km)被分为76个横剖面。横剖面48和49之间的区域似乎适合小水电开发。最初选择该位置是因为原计划在该区域建一座桥梁。

小型水力发电机组的第一个方案是以水力矩阵技术(hydromatrix technology)为基础，融入水力发电方面的创新概念，并且这一方案很容易整合到现有的大坝结构中。另一个选择方案以建设“可移动式水电站”为基础，发电站可被抬升，泥沙可直接通过。

3.1 水力矩阵技术

水力矩阵技术可成为通过水能发电最经济可行的解决方案之一。这一技术利用现有的大坝结构，大坝的闸门被替换为一些“模块”，这些“模块”中安装了几十台小型发电机。因此，建造水电站，也就是土建工程的主要成本被降至中等水平。

3.2 可移动式水电站

“溢流和底流”式创新可移动水电站首次在不需要额外引水的情况下与现有的堰融为一体。因此，渠中分流的水量减少，更多的水量则留在河内，进而促使生态改善。

3.3 发电量计算

小水电站的发电量主要决定于来水量。除了流量历时曲线之外，总水头差、所使用的水轮机类型、设计流量和发电机效率也十分重要。在此案例中，总落差为2 m，设计流量为20 m3/s。基于上述输入参数，当发电量为2.5 GW·h/a(水力矩阵技术)和2.7 GW·h/a(可移动水电站)，分析得出水电站的发电容量相当于336kW(水力矩阵技术)和391kW(可移动水电站)。

4 资金因素

累计现金流曲线可以通过年收支差异进行计算，其中通货膨胀、信用和能源成本变动等参数具有重要的影响力。在累计现金流曲线中，年正向现金流参数非常重要。曲线显示了累计现金流值为零的年份。所有的计算从初始成本7000欧元/a(水力矩阵技术)和5500欧元/a(移动式水电站)中推算，贷款50%的初始成本，贷款期限为10 a。图1显示了上述两种方案的累计现金流曲线。曲线与零值交叉的位置(10～12 a)代表年正向现金流。

图12种方案的累计现金流曲线

5 结语

水电是最可靠和性价比最高的可再生能源之一，最受欢迎的水电开发结构之一是小水电站。本文探讨了在德拉瓦河上进行小水电站建设的各种可能性。对位于斯洛文尼亚境内的河段进行了计算，该河段内水电站的选址受环境法的严格保护。目前德拉瓦河由几座大坝和用于发电的水电站，以及数条依其流向开挖的渠道进行调节。本文建议的解决方案可改善德拉瓦河河床内欧洲重要物种的栖息地生境。两套方案(水力矩阵发电站和可移动式水电站)的对比表明，对于本文所述状况，可移动式水电站是更好的选择。在建议开发区域，德拉瓦河天然河床长25km，总落差约24 m。这意味着每年可发电约36 GW·h，同时还能改善一些重要物种的栖息地生境。