國內外小型水電站發展研究

高國明 ，山長鑫 ，熊泗軍

（1.吉林省水利科學研究院，吉林 長春 130022；2.長春工程學院水利與環境工程學院，吉林 長春130012；3.吉林省水工程安全與災害防治工程實驗室，吉林 長春130012）

0 引言

水是萬物賴以生存的根本，是所有生物的主要組成部分，是人類文明和發展的起源，為人類生存和發展提供眾多功能，如發電、航運、灌溉、泥砂輸送、航運、觀光等。地球上97%的水都是海水，2%的水存在于冰川當中，僅有1%的淡水資源可供人類使用[1]。淡水資源對于維持人類生存至關重要，河流，湖泊和濕地的改變已經帶動了幾個世紀的經濟發展[2]。小水電作為清潔能源，經歷漫長的歷史變革，有著悠久的歷史，在過去的歷史中為人類的發展作出突出貢獻。但在歷史變革中也存在著些許的詬病，例如小型水電站脫水破壞河流生態，沉積物在壩體前淤積，各種重要的水力參數（流速，流量等）改變，影響棲息地條件[3]。

1 小水電發展歷史沿革

水電是源自流動水的能源，是世界上可再生能源的主要來源，占全球可再生能源供應的近3/4，占全部電力生產的近1/5[4]。在全球范圍內，小水電最常用的定義是額定容量為10 MW或更低的水電機組，但在一些國家為了滿足當地的需求容量高達30 MW（如巴西）或50 MW（如加拿大，中國）[5]。世界上大型水電站的修建起源于小型水電站，而水力發電開始于木質水車。水輪機的出現使得各國開始關注如何利用水電大規模發電。1878年法國修建世界上第一座水電站，1882年美國威斯康星州建成的水電站正式發電，1956年我國于明姜建成第一座小型水電站，此時我國處于小水電的初步發展階段，由于小水電是可再生清潔能源資源，具有投入成本低、工期短、運行維護成本低廉等優點，1980年～2000年小水電迎來快速發展的高峰期。1977年法國有978座小型水電站，總裝機容量49萬kW，日本運行的小型水電站有1350座，總裝機容量700萬kW[6]。由于經濟效益原因，美國1930年～1970年間關閉了3000座小型水電站。“歐盟水框架指令2002/60/CE”的出臺旨在保護良好的水生態環境，使得一些河流被列入保護區范疇，進一步限制小水電的開發[7]。1995年歐盟水電總裝機容量達到92000 MW，其中小型水電站裝機容量為9500 MW，占總裝機容量的10.32%[8]。1999年，歐洲26個國家共有小型水電站17400座，總裝機容量約為12300 MW[9]。2006年，歐盟27國共有運行小型水電站21000座，裝機容量超過13000 MW，其中12000 MW的小水電裝機容量來自歐盟15國，其中超過90%的小水電裝機容量來自意大利、德國、西班牙、法國、奧地利和瑞典[10]。截至2010年，美國大部分的水電生產主要集中在美國西部，華盛頓州是美國最大的水電生產州，占水力發電的31%，其余幾大水電生產洲分別是俄勒岡州、加利福尼亞州、紐約州和阿拉巴馬州[11]。

截至2013年，亞洲占世界小水電開發潛力的63.03%，占世界小水電已開發的61.27%，可知在小水電的開發潛力和已開發上，亞洲都占據著主導地位，其余幾大洲小水電開發潛力和已開發力見圖1、圖2，數據來源[12～16]。

圖1 世界小水電開發潛力

圖2 世界小水電已開發力

圖3 世界各區小水電開發潛力

圖4 世界各區小水電已開發力

由圖3和圖4可知，東亞是世界小型水電站開發潛力最豐富地區和已開發強度最強地區，開發潛力是75312 MW，已開發40485MW，具有較大的開發利用空間。南亞開發潛力為18077MW，然而已開發3563 MW，尚有大量的資源供其開發，北美開發潛力15000 MW，已開發7843 MW，小水電資源開發利用上遠超南亞，可見雖然有的地區小型水電資源豐富，但是在水電的開發利用上卻是不盡人意，采用下式進行小型水電資源開發利用計算：

將所計算的數據繪制成圖形，見圖5。由圖5可知世界小水電資源利用最強的地區是北歐，小水電資源開發利用率達到94.85%，其次是西歐87.43%，東歐78.25%，北非62.50%等地區，由于東亞具有豐富的小水電資源和較為可觀的開發量，但是開發利用率僅為53.76%，遠不及北歐地區（丹麥、瑞典、挪威、芬蘭等國），東亞目前仍具有較大的開發空間。

圖5 小型水電站開發利用率

截至2001年，我國已建成小型水電站4300余座，總裝機容量2600多萬kW，主要集中在廣東、福建、四川、湖南、云南、浙江等省份[17]。

根據2016年世界小型水電站發展報告顯示，截至2016年全球小水電資源總潛力已開發近36%，裝機容量相比2013年增加4%，2016年美國水電開發潛力達到57%[18]。

目前我國是世界上水電大國，占全球小水電資源總潛力的29%，根據2017農村水電年報顯示，截至2017底我國共建成小型水電站47498座，占全國水電總裝機容量的23.2%，可見小水電的發展在我國水電發展中占據著重要的位置。

2 國內外小水電發展問題

小水電在長久的發展中，由于一些小型水電站修建的年代較為久遠，設備設施老化、已不滿足小型水電站的正常運行。在運行維護上不足，造成漏水現象，機組運行噪聲大，效率低下[19]。

1960年美國受外界一些影響，意識到一些水壩和電站長期運行后產生的些許詬病，開始水壩和電站的拆除工作，2000年以前美國拆除大壩462座，1999年～2003年拆除水壩168座，所拆壩以小型壩為主，2001年～2009年拆除壩體數量見圖6[20]。

圖6 2001年～2009年美國逐年拆除壩體數量

西歐國家中限制小型水電站發展的因素50%來自于環保和生態，其他歐洲國家受經濟、技術、環境等綜合制約而實際可開發小水電資源為35%～65%。從圖7可知，歐洲小型水電站在1997年至2001年之間發展呈下降趨勢，相比大型水電的開發和其余可再生資源的開發，小型水電站的發展腳步落后[21]。

圖7 歐洲小型水電站電力市場份額變化

周軍蒼[22]發現在博州小水電的開發過程中，由于生態意識的缺乏，在枯水期階段局部河流產生脫水段，影響該河段生物的正常生長發育。青海省湟水流域和西寧地區小水電的過度開發，水資源的過分利用，已經嚴重超出安全警戒線，近幾年來青海省對于生態紅線以內的敏感區，環境保護區和脆弱區，對于小水電的開發提高要求，小水電的開發受到限制，對于已建成并且造成生態破壞的小型水電站進行生態修復[23]。福建省擬計劃完成1000座小型水電站的關停工作，準備改善200條河流的水生態。貴定在建的兩個引水式水電站均有近4 km的引水隧道，極易造生態需水無法得到保障，影響生物環境的需水要求[24]。

圖8 我國小型水電站發展狀況

由于小水電發展中存在的些許問題，限制小型水電站的發展，從圖8小型水電站總裝機容量斜率可知我國小型水電站的發展腳步在放緩放慢，從圖中小型水電站占當年全國電力總裝機的百分比來看，我國在小型水電站資源的開發利用上不如其余電力的開發。

3 國內外小水電生態影響

小型水電站雖然有可再生清潔能源、運行成本低等優點，但是小型水電站，面臨的生態問題也及其突出，Therrien和Bourgeois[25]認為小型水電站面臨的主要環境挑戰之一與魚類通過有關。Blanco and Gonza′lez and Elvira[26]認為水壩是影響西班牙魚類的主要不利因素。在法國，所有水電設施，無論大小，都必須有洄游魚類通行的設施[4]。眾所周知水壩和堰會中斷縱向河流連通性，孤立魚類群落，而縱向河流連通性是基本的魚類社區持久性的要求，因為它允許季節性運動，增強終身生殖發育[27]。Elizabeth P.Anderson,Mary C.Freeman 等[28]研究了Puerto Viejo河脫水段上游和下游的魚類組合成分和水生棲息地變化，研究結果表明魚類組合在Puerto Viejo河上的大壩的上游和下游是不同的，小壩（＜15 m高）阻礙了魚類的遷移，從研究數據上得出未來至少有一種物種可能面臨局部大壩上游的滅絕。在哥斯達黎加，幾乎所有的小型水力發電廠都引水式，水從大壩那里轉移到河流發電后返回至下游的主要通道。這些類型的大壩項目導致引水口和下游水之間的流量大量減少（通常為幾公里），無法滿足更多生殖需求的物種[28]。歐文斯河下游16 km峽谷，由于水力發電原因從1953年～1991年脫水，導致沒有河岸植被和魚類的河道[29]。Anderson等人回顧了中小河流水電站對棲息地的影響，最明顯的影響是引水式水電站大壩下游的脫水河段（進水口和水返回之間段），Katharina Lange等[30]人認為引水式水電站對河流生態系統的影響遠遠超出剩余流量范圍。小水電的環境影響包括那些與大壩建設時的土地，以及后期建設改變的流量制度，棲息地連通性的喪失，以及多個安裝的累積效應。水電大壩的建設不僅會改變下游流動狀態，通道形態和水溫，同時也影響沉積物的運輸和沉積[4]。小水電梯級開發所產生的累積效應更加的深遠，因為每個小水電廠的負面影響的協同作用實際上可能超過大型水電站的負面影響[31]。小水電產生的生態問題影響，可歸納為以下幾類[32～34]：

1）引水式水電站將水引入下游發電，造成壩后下游產生脫水段，脫水段內無法完成灌溉、供水等需求，并且對河段內生態環境造成不利影響。

2）隔斷洄游魚類的洄游，魚類正常的生存繁衍受到影響，導致種群整體遺傳多樣性的喪失，區域內物種多樣性的喪失，甚至有物種滅絕。

3）壩體的建立，使得水流速度變慢，水體滯留周期長，水體自凈能力降低，造成水質的變壞。

4 結論

小型水電站在發展的過程中，既有造福人類，改善人類生活的優點，也存在著破壞生態平衡等缺點，要用客觀的態度對待整個事件。縱觀小型水電站的發展歷程，人類在重視發展的同時，也在逐漸加強生態保護的意識，生態保護儼然成為限制小型水電站快速發展的要素之一。