一种水电站水足迹改进计算方法

袁 旭，陆 颖，毕晓静，袁 川，何开为，敦 越

(1.云南大学国际河流与生态安全研究院，昆明 650091；2.云南省国际河流与跨境生态安全重点实验室，昆明 650091)

0 引 言

作为社会发展主要推动力，能源的使用及其开发方式是影响生态环境的重要因素之一，水力发电作为清洁产能方式对推进循环经济建设与可持续发展起到关键作用[1]。但水电开发利用中，挡水建筑物修建使得水域面积扩大、蒸发总量增加，造成水资源损耗，在水资源短缺地区影响尤为突出。科学评价水力发电中水资源消耗与能源获取效益间关系，已成为各方关注焦点[2,3]。为衡量日常生活中公众消费产品及服务过程水资源消耗量，荷兰学者Hoekstra于2002年提出水足迹概念[4]，随后被广泛应用于工、农业生产及水电开发中[5,6]。Mekonnen、Herath、Gerbens-Leenes等人将水足迹概念引入水力发电评价中，基于水电站库区蒸发水量与发电量之比计算水力发电产生的水足迹，并在世界各地进行了应用[7-13]。但水电站水足迹研究仍处于探索阶段[14]，计算水电站水足迹的方法未排除水电站建设前河流天然状态下水量蒸发干扰，使水足迹计算结果不能真实反映水电开发能耗比，特别是对于建坝前后水面面积改变较小的电站，采用传统方法计算水足迹可能存在较大误差。本文提出水足迹改进计算方法，着眼于水电站建成后新增水面蒸发，以澜沧江中下游6座已建成水电站为研究对象，对比传统及改进计算方法水电站水足迹计算结果，分析建坝前后水面面积改变程度对计算结果的影响，为评估水电生产中水资源消耗提供更为准确的计算方法。

1 水电站水足迹计算方法

1.1 传统计算方法

目前水电站水足迹核算方法主要有总蒸发水量法和水量平衡法。总蒸发水量法将库区水面蒸发视为水库全部水量消耗，采用多年平均蒸发量、多年平均发电量等年尺度数据计算水足迹[11,12]，总蒸发水量法计算公式[8]为：

(1)

式中：WF1为总蒸发水量法水足迹，m3/GJ；E为水库库区水面年蒸发量，m3；P为电站多年平均发电量折合热能，GJ；Φ为水面蒸发折算系数；E0为蒸发皿实测蒸发深度，mm；S为水库库区水面面积，km2。

水量平衡法则通过计算水库水量输入及输出推算水足迹。该方法认为水资源输入为库区降雨，输出为库区水面蒸发，一定时间内库区蒸发量与降雨量差值代表该时段库区水资源损失量[7]，水量平衡法计算公式为：

(2)

式中：WF2为总蒸发水量法水足迹，m3/GJ；E为水库库区水面年蒸发量，m3；RF为水库库区水面年降雨量，m3；P为电站多年平均发电量折合热能，GJ。

此外，计算水电站水足迹较为常见的方法还包括考虑水电站建设前坝址地表蒸发量的净蒸发耗水法和基于效益分摊的水足迹计算方法[7,13]。这些方法虽然一定程度上能更好地体现水电站水足迹真实情况，但均未考虑水电站建设前天然河道水面蒸发，不能真实反映水力发电产生的水资源净消耗。

1.2 改进计算方法

水电站水足迹传统计算方法均着眼于水电站建成后库区水面蒸发量[7,14,15]，将库区水面蒸发完全归咎于建坝蓄水，但忽略了水电站建设前天然河道蒸发量，可能导致水足迹计算结果偏大。蓄水发电使库区水面蒸发量增加，计算水电站水足迹时将水库库区新增水面蒸发量视为水力发电产生的水量损失，可有效避免此类问题，因此水电站水足迹改进公式为：

(3)

由于天然河道水面面积S′存在明显年际和年内差异，采用多年平均水面面积能使计算结果较为真实的反映实际情况。该数据可从水电站设计与环评资料中获取，也可从水电站建设前天然河道不同年、月遥感影像中提取水面面积，求均值获得。蒸发深度与发电量等数据可从水电站及对应水文站和气象站获取。

2 水足迹计算案例

本文以澜沧江中下游6座已建成水电站为研究对象，使用总蒸发水量法与改进计算方法计算水电站水足迹，对比二者计算结果，并分析造成差异的原因。

2.1 研究区概况

澜沧江属国际河流，在我国境内长2 153 km，天然落差4 583 m，水能资源丰富，是重要的水电能源基地。澜沧江中下游河段采取“两库八级”开发方案，目前已建成功果桥、小湾、漫湾、大朝山、糯扎渡、景洪6座电站，总装机容量1 555 万kW，总发电量约688.4 亿kWh[16,17], 位置示意见图1。6座电站对应河段开发前天然河道水面面积82.99 km2，建成后扩大至578.10 km2，新增水面面积高达495.11 km2，是天然河道面积的7倍。其中小湾和糯扎渡水电站建有多年调节水库，糯扎渡水库新增水面面积为291.45 km2，小湾水库为162.64 km2，新增水面面积主要来源于这两座水库，其新增水面面积占6座电站新增总水面面积的91.7%。

图1 研究区水电站位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the hydropower development in Lancang River

2.2 数据来源

为便于计算并结合实际应用，本研究采用电站正常蓄水位对应水库水面面积代替库区水面面积，库区蒸发量采用距离各电站库区最近水文站及气象站2000-2010年的20 cm口径蒸发皿的平均蒸发量。鉴于水电站建设前后水面蒸发深度变化较小，且缺少电站建设前所在区域水面蒸发数据，本文假定建坝前后蒸发深度不变，采用水电站建成后蒸发观测数据及电站规划资料中天然河道水面面积计算水电站建设前水面蒸发损失，水电站相关参数来源于《澜沧江中下游水电开发规划》。

表1 研究区水电站相关数据Tab.1 The data of hydropower plants in the study area

2.3 水足迹计算结果与分析

总蒸发水量法与改进计算方法的水足迹计算结果见表2。总蒸发水量法算得水电站平均水足迹为2.38 m3/GJ。扣除天然河道蒸发水量，采用水足迹改进计算方法算得水电站平均水足迹为1.93 m3/GJ。由于建站规模、地理位置、气候条件等存在一定差异，各水电站水足迹差异明显，其中糯扎渡水电站水足迹最大，两种算法计算结果分别为5.35和4.93 m3/GJ。漫湾水电站水足迹最小，两种算法计算结果为1.23和0.83 m3/GJ。其余水电站以水足迹从大到小排序，依次为：小湾(3.23和 2.78 m3/GJ)、大朝山(1.58和1.07 m3/GJ)、功果桥(1.50和1.08 m3/GJ)、景洪(1.41和0.86 m3/GJ)。采用传统及改进计算方法计算， 6座电站水足迹大小有较大差异，但基于两种方法算得差值差异较小，差值集中于0.4～0.6 m3/GJ。为直观展现水足迹改进计算方法在不同电站应用的改进效果，本文将两种计算方法差值比总蒸发水量法计算值视为计算结果改变程度(IE)。改变程度越大表明两种计算方法差异越大、改进方法的改进效果越好。计算公式如下：

(3)

表2 改进计算方法与传统方法计算结果对比Tab.2 Results comparison between the traditional and new method

经计算，6座电站水足迹计算结果平均改变程度为26.4%，6座电站中水足迹小于2 m3/GJ的功果桥、漫湾、大朝山及景洪水电站的计算结果改变程度均高于平均值，澜沧江干流最大的两座水电站小湾、糯扎渡水电站水足迹较高，但计算结果改变程度明显偏低，分别为15.2%与7.8%。

库区水面面积在很大程度上决定了蒸发水量。水电站水足迹改进计算方法强调新增水面蒸发损失，而传统计算方法关注库区总水面蒸发，两种方法的计算结果差异大小主要取决于建坝前后水面面积改变程度(S/S′)。由图2可见，相较于建坝前天然河道，糯扎渡水电站库区水面面积扩大了12.87倍，计算结果改变程度仅为7.8%。而水面积改变程度最小的景洪电站(2.58倍)，计算结果改变程度却高达39.0%，研究区6座水电站水面面积改变程度与计算结果改变程度具有较好的线性负相关关系(R2=0.85)。由此可见，水面面积改变程度是影响水足迹计算的关键因子，在计算水足迹时忽略水电站建设前天然河道水面面积，将高估水力发电水足迹。

图2 水面面积改变程度与计算结果改变程度的线性关系Fig.2 Correlations between the change of surface area and the improved performance of water footprint calculation by applying the new method

3 讨 论

由于考虑了建坝前天然河道蒸发水量，本文提出的改进计算方法相较于传统方法能更准确地计算水电站水足迹，尤其适合水面面积改变程度较小的电站。水电站建设前后水面面积改变程度直接影响传统计算方法误差大小：水面面积改变程度越大，误差越小；水面面积改变程度越小，误差越大。建坝前后水面面积改变程度不仅与坝址地形及水电站规模有关，还与水电站类型有关。对于有多年调节能力的大型电站，水面面积改变较大，采用传统水足迹计算方法计算误差相对较小。对于不具备调节能力的径流式电站，建成后坝前水位抬升不明显，水面面积改变程度较小，不适合采用传统水足迹计算方法。为此，本文以典型的径流式电站----葛洲坝水利枢纽为例，分别比较传统及改进计算方法计算结果。该水利枢纽建设前库区所辖范围平均水面面积为62.36 km2，水面蒸发量为4 698 万m3。建成后，库区多年平均水面面积为89.86 km2，多年平均水面蒸发量为6 921 万m3，建成前后水面面积仅增加了0.44倍。基于葛洲坝水利枢纽1991-1996年相关数据[18,19]，用传统方法求出多年平均水足迹为1.13 m3/GJ，而用改进方法算得的平均水足迹仅为0.31 m3/GJ，计算结果平均改变程度为72.3%(表3)。因此，由于径流式电站建成前后水面面积变化程度小，天然河道水面蒸发不可忽略，不能单纯的采用总蒸发量计算水足迹。水足迹改进计算方法考虑了天然河道蒸发损失，弥补了传统水电站水足迹计算方法的不足，更适宜计算径流式电站水足迹。

表3 葛洲坝水利枢纽水足迹计算结果Tab.3 water footprint of the Gezhouba Key Water Control Project

此外，在使用改进计算方法时，可根据具体研究目的，参考水电站规模、类型及功能，借鉴其他水足迹算法优势，实现水电站水足迹准确计算。当水利工程以灌溉、供水等其他功能为主，兼顾发电时，计算水足迹时可考虑在改进计算方法中加入效益分摊系数[14]；对于建坝后地表淹没面积较大电站的水足迹计算，可借鉴净蒸发耗水法[7]，同时考虑天然河道水面蒸发与地表蒸发量。

4 结 语

将水电站建设前后新增水面蒸发损失视为水力发电产生的水资源成本，强调建坝前天然河道水量蒸发，提出水电站水足迹改进计算方法，并采用该改进计算方法和传统计算方法(总蒸发水量法)计算分析澜沧江中下游干流已建成6座水电站，以及典型的径流式电站----葛洲坝水利枢纽的水足迹加以验证。得出结论：

(1)改进计算方法水足迹计算结果均低于总蒸发水量法计算结果，改进方法有效解决了传统计算方法水足迹偏大的问题，考虑建坝前天然河道水面蒸发的改进计算方法能更真实反映水电站水足迹。

(2)水面面积改变程度是影响计算结果改进程度的关键因素，两者呈显著线性负相关关系，即水面面积改变程度越小，改进计算方法改进效果越好。

(3)当水电站建坝前后水面面积改变程度较小时，不能忽略天然河道水面面积，否则将导致水足迹计算结果产生较大误差，本文提出的改进计算方法尤为适用于计算径流式电站水足迹。