气候变化对刚果河英加瀑布水资源和水力发电的影响

[挪威]　B.哈姆杜杜 等

水文水资源

气候变化对刚果河英加瀑布水资源和水力发电的影响

[挪威]B.哈姆杜杜 等

摘要：在不同地区，气候变化对水力发电可能产生不同程度的影响。这些影响具有不确定性。采用了水文和水力模拟方法，对水力发电能力变化的影响进行评价，得出了刚果河英加水电站一期、二期项目的评价结果。结果表明，到21世纪末，刚果河的水电资源可能以1%～4%的速率增长；季节性分析显示，除了3～5月这一时段径流量减少以外，其他季节径流量均略有增加。

关键词：水资源；水力发电工程；影响评价；刚果河流域；英加水电站

1研究背景

2011年，国际能源机构(IEA)预言，在“可再生能源利用日益增长的情景”下，2008～2035年，利用可再生能源的发电量将会增加至原来的3倍。水力发电将为满足世界日益增长的用电需求作出重大贡献。该机构指出，可再生能源的发电量在全球发电量的占比将从19%增加至1/3左右，与煤炭资源发电量相当。同时，IEA的相关资料显示，全球实际水力发电潜力是当前发电量的2～3倍以上，绝大多数开发潜力集中在非洲、亚洲和拉丁美洲。撒哈拉以南非洲(SSA)目前正遭受长期而持续的用电危机，只有31%的人口可以用上电，剩下近6亿人口的用电需求仍得不到满足。作为一种成熟的、可再生的、具有一定规模和成本效益的能源，水力发电成本低廉，大约为0.05～0.07美元/(kW·h)。总的来说，非洲有丰富的水能资源，其发电量可用于家庭、企业、工业、诊所和学校，以促进经济发展、创造就业机会并改善生活等。然而，目前的水电资源仅有10%左右得到开发。

刚果(金)的综合水电潜力约为100 GW，居世界第三位，迄今为止，已经开发的仅占2.5%。英加水电站拥有超过40 GW的水电开发潜力，可能成为世界上最大的水电站，生产可再生能源的成本约为0.03美元/(kW·h)。从近年来的能源生产趋势可以看出，虽然能源产量在刚果(金)整体范围内的增加量非常少，但是在区域范围内有所增加。

刚果(金)有成为电力出口国的趋势，这将为国家带来财政收入，从而加速水电开发以服务国内居民和企业。刚果(金)是中部非洲电力联营(CAPP)和南部非洲电力联营(SAPP)的成员。由于已经与SAPP的电网并网，SAPP成员国为其水力发电提供了天然的市场。然而，人口增长、农村电气化和经济增长也导致需求增加，电气化率已经从1999年的不到20%上升至2012年的近31%。

气候变化是21世纪面临的重大挑战之一。气候变化及其对降水和温度的影响将会影响水力发电。一些评估报告均对气候变化引起的水文脆弱性进行了评述。由于库容为水电站运行提供了灵活性，因此库容小的水电系统更容易受到气候变化的影响。考虑到水力发电的重要作用，评估气候变化对刚果河流域水资源和水力发电可能产生的影响对水资源管理和水力发电具有重要意义。预计南部非洲将出现少雨现象；而其他地区，如东部非洲，将会出现多雨现象；中部非洲并没有被直接反映出来，但预计温度将上升3.4 ℃。

一项针对气候变化对水力发电影响的研究结果认为，全球范围内的水力发电量有可能以0.08%的速率增长，然而，预计非洲将有小幅下降，下降幅度为0.05%。研究表明，东部非洲的水力发电量可能以0.59%的速率增长，中部非洲增长幅度为0.22%，西部非洲为0.03%。预计非洲南部和北部的水力发电量将分别以0.83%和0.48%的速率减少。另外，对安哥拉的宽扎(Kwanza)河、马拉维的希雷(Shire河和赞比亚的卡邦波(Kabompo)河、喀辅埃(Katue)河和赞比西(Zambezi)河的一些流域进行了区域评估研究，结果显示水力发电量的减少达30%。虽然目前的研究尚未具体到刚果河流域，但还是有一些针对气候变化对水资源和水力发电区域影响的其他研究。最新一些研究主要集中在赞比西河流域、博茨瓦纳的奥卡万戈(Okavango)三角洲、津巴布韦和莫桑比克的蓬圭(Pungwe)河流域。几乎所有这些针对非洲南部的研究都可以得出结论：这些流域的水资源量将有所减少，并且随着用水户之间竞争的加剧，水资源供给将会更加紧张。最近的气候和水文研究表明，中非共和国的降水将受南大西洋热带和亚热带地区海洋表面温度(SST)差异的控制，预计流域北部降水量将会减少，因此，径流也会相应减少。这项研究旨在探讨气候变化对刚果河流域水资源的影响。

2研究区域

刚果河位于非洲中部，全长4 400 km，流域面积380万 km2。该流域主要是热带雨林，在与大西洋交汇处的西部和南部地区的温度变化范围为25℃～30℃，上游到东部地区的温度变化范围为20℃～25℃。

图1　刚果河流域南北部地区温度、降雨差异

图2　观测径流

图1为刚果河流域北部和南部地区温度(图1(a))和降雨(图1(b))差异。从两个地区的情况来看，很显然，刚果河流域两侧的变化情况几乎相同，季节变化比较小。北部地区全年降雨，雨季可以划分为两个时期：3～5月以及9～11月。不同于北部地区，南部站点呈现NUI峰雨型。尽管降雨开始于10月下旬，并可持续到次年4月底，但是雨季仅出现在12月至次年2月。径流观测值如图2(a)所示。显然，直到20世纪60年代，径流呈现逐渐增长趋势。此后，可以观察到大部分非洲中部和南部的径流呈逐渐下降趋势。分布直方图(图2(b))显示，刚果河月流量仍然保持相对较高的水平，平均流量约为39 000 m3/s。

英加水电站的主要参数和数据如表1所示。该项目的发展规划是首先增建英加水电站三期(IngaIII)， 其装机将达3 500 MW。最终建成大英加水电站，横跨刚果河，总装机容量达39 500 MW，将成为世界上最大的水电站。

图3　分析方法和步骤

水电站水头/m过机流量/(m3·s-1)机组号装机容量/MW产能/MW英加水电站一期5078063512.4水电站二期5828008142410.4水电站三期60630016350023.5大英加水电站150264005239500288

注：英加水电站三期和英加水电站仍处于开发研究中

3方法

采用统计学上降尺度规模化的大气环流模式(GCM)在流域站点系列输出的方法，研究气候变化影响。降尺度是根据当前和未来气象预报，通过单站点地面气象月变量情形的统计工具加以实现。图3为本文分析所采用的方法。从全球历史气候网(GHCN)33个站点数据进行选择，发现只有19个站点有数据并可以用于降尺度研究。

将降尺度结果作为水文模拟过程的输入值。采用PITMAN水文模型模拟月时间尺度，以月为时间周期，对刚果河流域来说是合理的。PITMAN水文模型所需的数据输入值包括流域面积、流域平均降雨量的时间序列、蒸发量的季节分布、灌溉用水需求、其他用水需求和月参数分布因素。首先，利用所选时间段(1961～1990年)和未来时间段的观测数据，对模型进行人工校准，包括1961～1982年的温度、降雨和排放量数据资料。

为了进行水文模拟，将英加水电站一期和英加水电站二期作为nMag模型中的1个单元。为便于计算和分析，在模型构建过程中，将这两个电站水库结合起来作为一个独立的水库。对英加水电站一期和英加水电站二期组成的系统进行了模拟，总发电量为每年12.8 TW·h。用所选时段(1961～1990年)模拟的流量来模拟目前的发电水平，后期的流量被用于未来阶段的模拟。

4结果

分析表明，未来刚果河流域北部地区降雨量将减少，南部地区将会增加，中部地区可能维持原状。虽然降雨在所有季节中都会发生变化，但是预计在两个雨季的变化影响大于其他季节。预计南北部地区最高温度和最低温度均会提高，但最高温度的变化最为显著。与降雨不同，温度变化相对较小，但增加趋势是一致的。

图4　流域北部地区降雨变化情况

所选站点的降尺度模型结果如图4(a)所示。刚果盆地北部地区1～3月降雨增加，但在其他月份略有下降，造成全年呈现下降趋势。在降雨量变化方面，12月至次年2月比其他季节的变化更为显著。

水文模型典型月校准情况表明，模拟过程存在一些问题，模拟高流量时，估值过高，而模拟低流量时，估值偏低。由于刚果河的径流数据有限，因此，校准采用金沙萨(Kinshasa)测量站的径流资料，而假定PITMAN模型的校准参数在流域内是相同的。尽管整个流域被细分为12个模块，但每个子流域模块缺乏独立校准的观测流量数据。

5讨论

降尺度过程需要良好的降雨、温度观测数据，这对刚果河流域来说是一个巨大的挑战。目前，已经有几个站点，观测数据系列比较短，部分的数据已经丢失，并且准确度不高。流量的测量也是如此，使降雨径流模拟成为一项艰巨任务。

刚果河流域水力发电量变化的nMag模拟结果如表2所示。尽管径流量在第一阶段(2011～2040年期间)略有减少，但未来呈现增加趋势。到21世纪末，刚果河流域流量可能略有增加，年增幅在1%～4%范围内。

表2　刚果河流域水力发电量变化的nMag模拟结果

综上所述，分析表明，预计流域内降雨和温度会有所增加，这将导致径流量略有增加。然而，预计流域北部径流量基本保持不变，只有轻微下降。南部地区增长幅度可能高达2%～10%，北部地区降雨量下降幅度在5%～15%范围内。观测数据的缺乏是流域建模的关键制约因素。

虽然有一些流域的径流有所减少，但是预计非洲中部很多地方的径流将会增加，并且还存在地区差异，不同流域所受到的影响也有所不同。总的来说，水资源形势比较乐观，中部非洲地区的径流可能会增加或基本保持不变(如表2所示)。

6结论

(1) 在水电站的规划、设计和运行过程中，如果所使用的水文资料缺乏可靠性，会严重损害水电系统的性能并降低其运行效率。预计气候变化将会增加水文数据不准确性的风险。由于依据历史资料准确性较差，又在此基础上进行推演，其可靠度将越来越低。

(2) 气候变化影响评估的结果显示，刚果盆地水资源形势较为乐观。分析表明，未来水力发电量将会增加，这与其他研究结论是一致的。也就是说，刚果盆地将不会受到负面影响。应当指出的是，尽管对整个刚果河来说，发电量是增加的，但汇入刚果河的不同区域之间仍可能存在差异。因此，有必要进行小尺度范围的评估，以便更好地了解气候变化的影响。

靳润芳方丽杰译

(编辑：李慧)

印度尼西亚政府进行大规模的大坝施工招标

目前，印度尼西亚公共工程和住房部部长表示，政府将力争于2016年6月前为8座大坝完成总价值6.46亿美元的施工招标工作。

规划中的8座大坝分别位于苏门答腊岛、苏拉威西岛和爪哇岛，其中包括苏门答腊岛造价7 400万美元的苏科哈焦(Sukoharjo)大坝；苏拉威西岛造价5 000万美元的拉东基(Ladongi)大坝；爪哇岛造价8 900万美元的芝牙威(Ciawi)大坝以及造价1.6亿美元的芝巴纳斯(Cipanas)大坝等。

这些施工招标将同时向私人投资者开放。一些中标企业也将与私人承包商合作进行工程建设。据政府估计，这8座大坝竣工后，总兴利库容将达4 070 m3，可用于农田灌溉，并发挥显著的防洪效益。据报道，预计截止到2016年6月，政府将每两周进行一次工程热源招标。同时根据国家的战略目标，到2019年，该国政府将建成28座大坝，其中16座大坝已于2014年完成招标，正在进行工程建设。另外12座大坝也在2015年进行了招标。

(周虹编译)

收稿日期：2016-02-05

文章编号：1006-0081(2016)04-0013-04

中图法分类号：TV213;P311

文献标志码：A