可再生能源开发的生态环境影响及建议

陈柏言，薛联芳，顾洪宾

(水电水利规划设计总院，北京 100120)

由于世界各地的经济和技术发展，对能源的需求正在显著增加[1]。过去30年全球经济每年增长3.3%，能源需求增长3.6%[2]。根据美国能源信息署(EIA)的预测，预计2012年～2040年全球能源消费将增长48%。到2035年，世界一次能源消费总量将达到280亿t标准煤。能源的消费通常伴随着环境污染与全球变暖，这已成为21世纪对人类的最严重威胁[3-4]。可再生能源是从可再生资源中收集的能量，而可再生资源在人类时间尺度上可以自然补充。相比煤炭、石油等化石能源，可再生能源作为一种更加清洁的能源，在能源供应多元化发展中扮演愈来愈重要的角色。特别是在发电领域，根据国际可再生能源署(IREAN)的预测，到2040年，电力在最终能源消耗中的份额将达到38%，可再生能源在发电中的份额将达到75%。

目前，有关可再生能源的开发、设计、性能、经济和政策存在大量研究。但是，有关不同种类可再生能源对生态环境的叠加、连锁、复合影响，尚未有综合的、系统的研究。

1 可再生能源开发现状

根据IREAN的数据，截至2018年，全球可再生能源发电装机量已达到2 342 GW(因生物质、海洋能、垃圾焚烧等能源份额较小，本文可再生能源研究范围为水力、风力、太阳能发电)，年均增长率为8.1%。其中，水电3.0%、风电15.8%、太阳能发电40.1%(见图1)。相比之下，可再生能源装机增长率大幅高于同时期全球GDP年均增长率。

图1 可再生能源历年装机容量与增长率

2 可再生能源开发对生态环境的积极影响

2.1 减少耗水量

一座中等规模的火力发电厂用于热力循环的冷凝水和燃料处理的清洁水每天可达数百万升。通过可再生能源开发，可减少水的消耗，将其保存或用于其他目的。加利福尼亚州能源委员会(CEC)估算了不同种类能源的单位发电耗水量，如表1所示，风电和光伏发电耗水量远低于传统发电厂[5-6]。

表1 不同种类能源单位发电耗水量

有关水电站耗水量则相对复杂，事实上无论是径流电站、引水电站或水库电站，发电的过程均不耗水；而水库蒸发现象却是客观存在。根据相关研究，美国水电站单位电量(蒸发)耗水值从东北部的1.2L/(kW·h)到西部的39.1 L/(kW·h)不等。这种蒸发更多地取决于气候和水文条件而与技术无关[7]。

光热电站的耗水量也较为复杂，水主要被用于冷却塔和清洗反射镜。槽式湿冷光热电站单位电量耗水可达到3～3.8 L/(kW·h)，塔式湿冷则略低，为2.8～3.4 L/(kW·h)。如使用空冷技术，则单位电量耗水可大幅降低，槽式与塔式分别为0.19～0.38、0～0.19 L/(kW·h)，与光伏电站相当。使用斯特林机冷却的光热电站，其单位电量耗水甚至可低至0.038 L/(kW·h)。此外，如光热电站配备储热系统，则耗水则会有一定幅度的上升。100 MW槽式湿冷光热电站，如配备6 h储热系统，其单位电量耗水会上升约30%。

2.2 减少CO2和大气污染物排放

通常，水力、风力发电和太阳能发电在发电过程中的直接空气污染为0。其在建设和维护阶段，存在少量的CO2排放；而这一数量级的CO2比其他基于化石燃料的发电厂排放要少得多。实际上，植被通过光合作用完全可以吸收这种数量级的CO2。此外，可再生能源发电代替化石燃料燃烧[8]，避免了SO2、NOx、Hg、颗粒物或任何其他类型的空气污染[9]。

根据水电水利规划设计总院数据，中国2017年可再生能源发电16 979亿kW·h，少燃烧约5.2亿t标准煤，相应的减少排放碳粉尘3.6亿t、CO213亿t、SO23 922万t、NOx 1 961万t。

3 可再生能源开发对生态环境的不利影响

3.1 局地气候变化

通常，径流式电站与引水式电站发电过程不耗水，亦无大规模的蒸发效应。水库电站则会对局地气候产生影响。根据有关思林、锦屏二级、龙羊峡和刘家峡等电站(群)的研究，水库蓄水后，局地年盛行风稳定，风速增加，年降水量增加，库区年平均水温和气温上升，春夏水温和气温下降，秋冬水温和气温上升，日气温差减小，相对湿度增大，空气湿润，蒸发减少，大气对流活动减弱，低云量减少，日照时数增加，雷暴日数减少[10-11]。然而，水库电站对气候影响范围有限，一般不超过河岸两侧垂直100 m，直线200 m的距离，区域大环境对库区气候仍起控制作用[12-13]。

风力发电对局地气候的影响主要体现在风速影响方面。有研究指出，运行中的风电场可显著减小下游风速，同时根据局地近地层稳定度的不同，也会造成下游气温明显上升或下降[14]。风机尾流中的湍流会改变地面高速风的方向，从而通过混合空气影响局地气候，使得局地水分蒸发增强[15]。根据内蒙古锡林郭勒盟的数据，在风电场区域出现的干旱，比周边区域发展的更快[16]。有研究通过在两个不同的一般循环模型中改变表面的阻力系数来模拟风力涡轮机的气候影响，研究指出风电可以在大陆尺度上引起局地气候变化，但其对全球平均表面温度的影响是次要[17]。截止到目前，风电对局地乃至全球气候的影响尚缺乏系统深入的研究，随着风电装机量的迅速上升，该领域的研究显得愈发重要。

太阳能电站对局地小气候也会产生一定的影响，这种影响主要体现在对局地风力、空气和土壤的影响。根据殷代英等和高晓清等的研究，布设光伏电站降低了风速、改变了风向，提升了局地空气和土壤湿度，降低了土壤温度，特别是在夏季使共和盆地荒漠区10 cm土壤平均湿度上升了71.61%[18-19]。与光伏电站相比，光热电站在春天和夏天对局地气候的影响的相关研究也得到了类似的结果。根据北京延庆光热项目的数据，在春天和夏天光热电站可以使所在地土壤温度比附近低0.5～4 ℃。然而在冬天，光热电站则作为热源，所在地土壤温度较之附近高0.5～4 ℃，这与光伏电站在冬天也作为冷源不同。这种不同可能是因为在冬天光热电站对空气流动的影响占主导因素，而在夏天由电站产生的阴影占主导因素。太阳能电站的开发对局地土壤的温度和湿度产生了影响，这对所在区域植物生长和生态系统的演化尤为重要。事实上，已有利用太阳能发电场的土壤条件改善种植牧草，从而饲喂牲畜的“牧光互补”新模式出现。

3.2 影响水生生物

水电站对水生生物的影响主要有大坝阻隔、水库蓄水和减水河段3个方面。一般水工建筑物如大坝和水闸等，将河流拦腰截断，阻断了鱼类通道，特别是对洄游性鱼类的索饵、产卵、越冬等行为影响较大。如美国哥伦比亚河干流水利枢纽影响鲑鱼洄游，我国长江三峡、葛洲坝等水利工程影响中华鲟洄游[20]，等等。水库蓄水后形成静、缓流为主的环境，会对水质、浮游植物、浮游动物、底栖动物、水生维管束植物和鱼类等产生影响。特别是对于鱼类，水库蓄水对使原有产卵场消失，索饵场和越冬场环境改变，对喜流水生境以及产粘性卵和产漂浮性的鱼类有直接或间接的不利影响，导致鱼类资源和生态系统的组成结构发生变化[21]。此外，水库蓄水后，水温呈垂向分层，而发电用水一般取自水库底部的低温水(东北、西藏等部分区域则相反，为高温水)，低温水下泄推后了鱼类繁殖时间。同时，由于上游来水在水库聚集，泥沙沉淀、清水下泄，可能导致库区富营养化，下游食物链断裂，间接的影响了鱼类资源的组成和生态系统的稳定性[22-23]。引水式电站主要通过减、脱水河段对水生生物产生影响。由于河道生态用水减少，生态环境遭到破坏，鱼类被迫向下游迁徙，浮游植物增加[24-25]。

海上风电的开发尚处于起步阶段，但对海洋生物的影响却不容忽视。Thomsen等指出，在风力涡轮机的建造和运行过程中，一些敏感的海洋生物，如鲽鱼和鲑鱼(dab and salmon)，可以感知到远距离的打桩脉冲(pile-driving pulses)，其行为亦会受到这些风机的影响[26]。海上风电对海洋生物的研究目前较少，随着海上风电开发规模的持续增大，该领域亟待进一步的深入研究。

3.3 影响鸟类

水电工程通过蓄水形成水库，或通过引水造成减水河段，会致使局地鸟类区系组成、种群数量和生活分布发生变化。周材权等研究了二滩水电站建成前后库区流域鸟类多样性的变化，指出水库建成后鸟类多样性略有下降，这说明鸟类的生存环境趋向单一化，异质性有所下降[27]。对于引水式电站，余志伟等开展了锦屏二级水电站对鸟类群落的影响研究，指出相对于较小的水库，减、脱水河段对鸟类的影响占主导。海拔1 900 m以下的减、脱水河段发生植被演替，草丛和灌丛呈现主导，鸟类的区系组成发生变化，种类和种群数量趋于减少[12]。

建在鸟类栖息地或迁徙路线的风电场对鸟类可造成一定的影响。风电开发对鸟类的影响主要表现在鸟类与风机或电线相撞而导致的撞死、撞伤，风机和电线阻碍鸟类迁徙，以及鸟类栖息地的破坏等方面[28]。有研究指出，与森林砍伐等人类活动相比，风电开发对鸟类数量的影响可忽略不计[15]，根据美国National Audubon Society的数据，美国每年死于风机的鸟类约为14万～30万只，远低于死于高层建筑的鸟类数量(6亿只)。同时，鸟类对噪声有回避的天性，可以避开障碍物[3]。然而，从维护生物多样性和保护珍稀物种的角度，应在风电开发前进行野生动植物调查，研究当地鸟类的生活和繁殖行为，并在风电运行期采用雷达预警、驱赶或停机等保护措施，最大限度的减少风电开发对鸟类的危害[8,29]。

3.4 噪声和视觉冲击力

水力发电和风力发电所使用的涡轮机对周围环境可产生一定的噪声(部分分布式光伏并网逆变器会有少量噪声，相比涡轮机其噪声极小，可认为太阳能发电不产生噪声)。涡轮机产生的噪声主要分为两类：机械噪声和动力噪声。相比于水电的动力噪声主要发生在泄水时，风电的空气动力噪声则在涡轮机运行的全程都存在。噪声影响的主要对象是人群，但在邻近野生动物栖息地(包括飞禽和水生生物)应考虑噪声对野生动物生长繁殖以及候鸟迁徙的影响。戴英健等研究了水力发电工人职业性噪声聋与累积噪声暴露剂量的关系，指出对于水电工人应以100 dB为阈值[30]。郭维东等研究了河道泄水闸下泄水流噪声特性分析，指出噪声与上游流量呈正相关，相同条件、不同断面上频率在63.5 Hz和1 000 Hz的噪声值最大[31]。Punch等指出风力涡轮机产生的低频噪声可引起睡眠障碍甚至听力损伤，并且还可能造成前庭系统的损伤[32]。Torrance等指出风力发电机应通过优化改造房屋结构来阻挡噪声，或将风力发电机建设在距离人类居住地2 km范围外[33]。Oerlemans的研究表明，优化的叶片或锯齿状叶片可以分别平均降低0.5 dB和3.2 dB的噪声水平[34]。

对视觉冲击力的评价则较为主观。部分人认为水电站、风电场、太阳能发电场是自然景观的一部分，甚至对自然景观有提升作用；而部分人，则持反对意见。从环境影响评价技术而言，视觉影响较难评估[3]。多标准分析(multicriteria analysis)目前是一种广泛使用的方法，通过分析物理属性(PA)(如水，土地形态，雪等)和美学属性(如颜色，质地，等)，得出0～100的评估分数。罗小勇研究了水利水电工程景观及视觉影响评价方法，指出应从生态环境破坏度、动植物珍稀度、动植物丰富度、地形地貌自然度和稳定度等14个因子进行评价[35]。此外，Quechee Test与the Spanish Method也是被广泛使用的景观评估方法[36-37]。

表2 各种类可再生能源开发对生态环境影响

3.5 其他影响

水电、风电和太阳能发电在施工期会对水、气、声、土壤和生态环境产生影响。水环境影响主要来自清洗用水和生活污水，大气环境影响主要是来自现场施工扬尘，以及施工车辆燃油排放的废气，噪声污染主要来自施工机械的作业。水电、风电和太阳能发电的开发可能对所在区域土壤状态和性质以及生态系统结构产生不可逆的影响。此外，光伏组件退役后因回收不完全产生的碲化镉、砷化镓等材料泄露，会对土壤和地下水环境产生影响。

4 结论与建议

综合各种类可再生能源对生态环境的影响，根据环境影响要素分类，可得出表2[38-39]。如表2所示，水力、风力发电和太阳能发电在建设期和退役期主要对水、气、声环境产生影响，光伏组件的不规范回收可能导致土壤污染。在运营期，水库电站、陆上风电、光伏电站和光热电站均可以对风向、风速、温度、湿度产生影响。其中，水库电站和陆上风电还对局地降水量有影响。值得注意的是，水电和风电均可直接或间接影响到鸟类；然而对鸟类区系组成和种群结构影响到何种程度，目前尚不清楚。上述不同种类能源对生态环境的共同作用，在以往研究中是被忽视的。在大力推进“水风光”互补新格局的今天，研究不同种类能源开发对生态环境的叠加、连锁、复合影响非常重要。为此建议：

(1)落实回顾性评价，研究累积影响。在可再生能源开发中，应充分落实对局地气候、水生生物、鸟类等要素的调查，合理评估、深入论证项目开发对生态环境的影响；并在项目运营后，每隔5～10 a开展回顾性评价，从时间序列上研究环境的变化趋势、评价已产生的累积影响。

(2)关注叠加性影响，开展系统研究。国家发改委、国家能源局发布《关于推进多能互补集成优化示范工程建设的实施意见》等文件，风光水火储多能互补系统一体化运行，有助于提高电力输出功率的稳定性，提升电力系统消纳风电、光伏发电等间歇性可再生能源的能力和综合效益。目前已开展龙羊峡水光互补电站、雅砻江流域风光水互补清洁能源基地等项目，未来随着风力发电和太阳能发电开发规模的迅速扩大，水电作为互补或调峰电源的趋势愈发明显。下一步应从空间序列上，关注不同种类可再生能源对生态环境的叠加影响，开展互补电源局地气候模型、调度模型、生态环境影响等整体性、系统性的研究。

(3)实施全过程监测，加强适应性管理。除不同种类能源开发对生态环境的叠加效应外，由于局地小气候或生物多样性改变会衍生出连锁性的影响。直接影响与衍生影响、衍生影响之间再叠加和衍生会产生更为复杂的复合影响。下一步在对上述累积影响和叠加影响充分研究的基础上，应实施对局地气候、水环境、生态环境的全过程监测，并根据监测数据及时调整、优化环境管理措施，实现可再生能源及互补系统的可持续性。