水電運(yùn)行期典型水足跡計(jì)算方法分析
——以三峽水電站為例

張曉溪 龔先政,2 劉宇,2

（1北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，北京 100124；2工業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，人們對(duì)可再生能源開發(fā)利用的研究日漸深入，水力發(fā)電在其中占據(jù)很大比重。我國(guó)是電力大國(guó)，且近年來年發(fā)電量依然在穩(wěn)步增加。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，截至2017年末，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量177703 萬kW，比2016年末增長(zhǎng)7.6%。其中水電裝機(jī)容量34119萬kW，約占總裝機(jī)容量的20%。水力發(fā)電的過程會(huì)消耗大量的水資源，可能加劇水資源短缺問題。聯(lián)合國(guó)《2018年世界水資源開發(fā)》顯示，全球?qū)λY源的需求正在以每年1%的速度增長(zhǎng)，主要來自發(fā)展中國(guó)家和新興經(jīng)濟(jì)體，各國(guó)必須盡快對(duì)水資源的消費(fèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以便更好地利用水資源[1]。我國(guó)盡管水資源總量充沛，位居世界前十，但由于巨大的人口基數(shù)，人均占有量?jī)H為世界的四分之一，再加上時(shí)空分布不均、水質(zhì)惡化、污染水處理率低等，水資源問題尤為嚴(yán)峻，追求對(duì)水資源的更好運(yùn)用十分重要[2]。

水足跡概念由Hoekstra于2002年基于虛擬水及生態(tài)足跡理論提出[3]，指從個(gè)人、家庭、部門、行業(yè)、城市到整個(gè)國(guó)家在生產(chǎn)或者消費(fèi)的產(chǎn)品中包含的虛擬水?dāng)?shù)量[4]。水足跡可分為藍(lán)水足跡、綠水足跡和灰水足跡。藍(lán)水足跡指產(chǎn)品供應(yīng)鏈中消耗的地表及地下水資源；綠水足跡指產(chǎn)品消耗的未形成徑流的雨水及土壤水分；灰水足跡為稀釋污染至自然本底濃度或環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)所需的淡水總量[5]。與其他用水指標(biāo)相比，水足跡不僅可以度量整個(gè)產(chǎn)品或者服務(wù)提供過程中的水資源消耗，還通過引入灰水足跡的概念而量化了人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染在自然凈化過程中消耗的水資源。水足跡的概念一經(jīng)提出便被廣泛運(yùn)用到了農(nóng)業(yè)、工業(yè)等水耗研究中，也有不少學(xué)者運(yùn)用水足跡方法計(jì)算了水力發(fā)電的水資源消耗。目前計(jì)算水電水足跡的主流方法有三種，即總蒸發(fā)法、凈蒸發(fā)法、水量平衡法。

三峽工程是當(dāng)今世界最大的水利工程，壩址地處長(zhǎng)江干流西陵峽河段、湖北省宜昌市三斗坪鎮(zhèn)，控制流域面積約100萬km2。三峽電站總裝機(jī)容量2250萬kW，自2003年開始發(fā)電以來年平均發(fā)電量882億kW·h，占全國(guó)水力發(fā)電總量的近10%。因此，對(duì)三峽電站的水足跡計(jì)算對(duì)于評(píng)估我國(guó)的水電水資源消耗有重要意義。

1 研究方法

水電水足跡指水電站通過水力發(fā)電生產(chǎn)單位電力產(chǎn)生的直接或間接水資源消耗量。通常，水力發(fā)電整個(gè)過程中幾乎沒有綠水、灰水足跡，水力發(fā)電的水足跡只計(jì)算藍(lán)水足跡。

1.1 總蒸發(fā)法

1992年，Glecik率先將水足跡引入水力發(fā)電中，基于水電站庫(kù)區(qū)蒸發(fā)水量與發(fā)電量之比計(jì)算水力發(fā)電產(chǎn)生的水足跡[6]，隨后Mekonnen等同樣運(yùn)用總蒸發(fā)法計(jì)算了不同國(guó)家、地區(qū)的水電水足跡[7]。

總蒸發(fā)耗水法指單位電量生產(chǎn)過程中水庫(kù)庫(kù)區(qū)產(chǎn)生的總蒸發(fā)量，一般可用水庫(kù)年蒸發(fā)量除以年發(fā)電量，計(jì)算公式為：

式中：E為水庫(kù)年蒸發(fā)量（m3）；P為水電站年發(fā)電量（kW·h）。

1.2 研究方法

凈蒸發(fā)法

Indika Herath等人[8]提出了凈蒸發(fā)量的概念（凈蒸發(fā)法），使用電站蓄水前后的蒸發(fā)量差值來替代總蒸發(fā)量，并指出總蒸發(fā)法高估了水力發(fā)電的水資源消耗。該方法認(rèn)為，總蒸發(fā)量并不能夠客觀反應(yīng)水電站的環(huán)境影響，因?yàn)槠浜雎粤怂畮?kù)建成前的固有蒸發(fā)量，應(yīng)該在水庫(kù)修建后的總耗水量中減去蓄水前水庫(kù)淹沒區(qū)的耗水量。與總蒸發(fā)耗水法相比，凈蒸發(fā)法考慮到了庫(kù)區(qū)在水庫(kù)建成前的地面、河流等蒸騰量。Demekel等人使用這種方法計(jì)算了澳大利亞、土耳其等國(guó)家的水電站耗水量[9]。

凈蒸發(fā)法計(jì)算公式如下：

式中：E為建庫(kù)后的總蒸發(fā)量（億m3），Epre為蓄水前總蒸發(fā)量（億m3），P為年發(fā)電量（億kW·h）。

1.3 水量平衡法

水量平衡法的理論基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒原理，它將某一地區(qū)視為一個(gè)整體，綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)的水資源轉(zhuǎn)化與消耗，能較全面地對(duì)某一地區(qū)特定時(shí)段的水足跡進(jìn)行評(píng)估。Indika Herath等人[8]率先提出使用降水量與蒸發(fā)量的差值計(jì)算水足跡。Laura Scherer等人[10]則將入庫(kù)流量、出庫(kù)流量、土壤滲透量等參數(shù)引入計(jì)算中，并用此方法計(jì)算了全球1500多個(gè)水電站的水足跡。

水量平衡法在計(jì)算區(qū)域耗水、農(nóng)業(yè)耗水中應(yīng)用較為廣泛，如齊述華等[11]計(jì)算了三種蔬菜的需水量和作物系數(shù)。張一平等[12]分析了西雙版納熱帶森林系統(tǒng)中的季節(jié)雨林和橡膠林兩種代表性林型的林冠水文效應(yīng)。目前，國(guó)內(nèi)用水量平衡法計(jì)算水電水足跡的研究較少。

在整個(gè)水庫(kù)系統(tǒng)中，發(fā)電過程的水資源損失主要由庫(kù)區(qū)的蒸發(fā)量以及滲透量構(gòu)成。事實(shí)上，水庫(kù)系統(tǒng)較為復(fù)雜，從水量平衡的角度來看，水力發(fā)電消耗水量并不能粗略地由蒸發(fā)量與滲透量加和計(jì)算，主要原因有兩方面：一是在水庫(kù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的滲透并非全是損失水量，而是有一部分轉(zhuǎn)化為徑流進(jìn)入水庫(kù)下游；二是水庫(kù)建成前的蒸發(fā)量與滲透量同樣應(yīng)該考慮。因此，本研究將水量平衡法的水足跡計(jì)算公式定義為：

式中：SP為建庫(kù)后滲透損失水量；E為年蒸發(fā)量，為建庫(kù)前年蒸發(fā)量，為建庫(kù)前滲透損失水量。

為將滲透量轉(zhuǎn)化成徑流的部分排除，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，庫(kù)區(qū)的所有輸入與輸出水應(yīng)近似平衡，因此本研究將庫(kù)區(qū)的滲透損失水量表示為：

式中：IF為年入庫(kù)徑流量；OF為年出庫(kù)徑流量；R為多年平均降水量；ST為年庫(kù)容變化量。由此公式（3）可以轉(zhuǎn)化為：

在計(jì)算建庫(kù)前滲透損失水量時(shí)，假設(shè)所有滲透量均未形成徑流回到系統(tǒng)，即以建庫(kù)前的河流下滲水量近似表示建庫(kù)前滲透損失水量SPpre。

根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)達(dá)西定律，SPpre的計(jì)算公式為：

表1 三峽水庫(kù)2003-2016年相關(guān)水文數(shù)據(jù)

式中：K為滲透系數(shù)（m3/d）；S為河面面積（m2）；h2為河道高點(diǎn)水位（m）；h1為地下水水位（m）；L為路徑長(zhǎng)度。

除此之外還有一些新方法，比如，Dandan Zhao等[13]提出了基于水力發(fā)電在總水庫(kù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中的比率的量化水足跡的算法，將水電站水足跡與電力在水電站全部生態(tài)服務(wù)價(jià)值中的占比相乘，用來表示水電站發(fā)電的合理水足跡。

2 三峽電站運(yùn)行期水電水足跡

2.1 水文數(shù)據(jù)匯總

通過查閱統(tǒng)計(jì)資料和文獻(xiàn)，獲得計(jì)算三峽電站水足跡的相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1。

2003-2011年庫(kù)區(qū)水面面積與建庫(kù)前蒸發(fā)量數(shù)據(jù)來源于孫志禹等[14]的研究，其利用三峽水庫(kù)水文資料、湖北省巴東站氣候資料等計(jì)算出建庫(kù)前的年平均蒸發(fā)數(shù)據(jù)。三峽電站于2010年進(jìn)入175m蓄水階段之后，水面面積整體變化不大，因此2011-2016年的水面面積均選取1084km2，蓄水前蒸發(fā)數(shù)據(jù)則由2011年的數(shù)據(jù)根據(jù)蒸發(fā)深度推算得出。蓄水后的降雨量、蒸發(fā)量數(shù)據(jù)來源于張靜等[15]的研究，其利用三峽水庫(kù)河道處的12個(gè)水文站的氣象資料對(duì)三峽庫(kù)區(qū)蓄水后的蒸發(fā)、降水變化進(jìn)行了計(jì)算分析。三峽庫(kù)區(qū)年終庫(kù)容量與年發(fā)電量來源于水力發(fā)電年鑒[16]，入庫(kù)流量來源于長(zhǎng)江三峽工程運(yùn)行實(shí)錄[17]，出庫(kù)流量則由三峽運(yùn)行實(shí)錄中的水庫(kù)水位及出入庫(kù)流量過程線圖利用微積分方法計(jì)算。

2.2 總蒸發(fā)法

結(jié)合表1的相關(guān)參數(shù)與公式（1），計(jì)算得到三峽電站2003-2016年電力產(chǎn)品水足跡的變化趨勢(shì)，如圖1。

圖1 總蒸發(fā)法計(jì)算三峽電站電力產(chǎn)品水足跡

由圖1可知：由于電站蓄水初期的裝機(jī)容量小、發(fā)電量小，2003年水電水足跡顯著大于其余年份，為0.069m3/kW·h；2004-2010年，隨著三峽水庫(kù)蓄水量與發(fā)電量的增加，水足跡呈逐步下降趨勢(shì)；而2011-2016年，水足跡受年發(fā)電量、蒸發(fā)量等的影響雖有小幅度的上下波動(dòng)，但整體趨于穩(wěn)定。

2003年為電站運(yùn)行初期，未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，與其余年份數(shù)值差別較大，故剔除2003年水足跡的影響，用總蒸發(fā)法計(jì)算的水電運(yùn)行期水足跡在0.007-0.023m3/kW·h的范圍波動(dòng)。其中，2004年的水足跡最大，為0.0226m3/kW·h，主要原因是電站蓄水初期發(fā)電總量小；2014年的水足跡最小，一方面原因是2014年發(fā)電量最高，另一方面原因是蒸發(fā)量相對(duì)較小。使用2004-2016年水足跡進(jìn)行多年平均，用總蒸發(fā)法計(jì)算的三峽電站水電運(yùn)行期水足跡均值為0.0132m3/kW·h。

2.3 凈蒸發(fā)法

結(jié)合表1的相關(guān)參數(shù)與公式（2），使用凈蒸發(fā)法計(jì)算得出三峽電站2003-2016年電力產(chǎn)品水足跡，如圖2。

由圖2可知：凈蒸發(fā)法得出的2003年水足跡同樣顯著較大，為0.0155m3/kW·h,2003-2009年呈下降趨勢(shì)，2010往后的年份則趨于穩(wěn)定。2004-2016年同樣是2014年的水足跡最小，為0.00274m3/kW·h。剔除2003年的數(shù)據(jù)，使用凈蒸發(fā)法計(jì)算出2004-2016年三峽電站水電運(yùn)行期水足跡均值為0.00441m3/kW·h。

圖2 凈蒸發(fā)法計(jì)算三峽電站電力產(chǎn)品水足跡

2.4 水量平衡法

由于缺乏2002年水庫(kù)蓄水前的河流水量數(shù)據(jù)，在計(jì)算水量平衡法時(shí)從2004年算起。2004-2010年庫(kù)區(qū)處于蓄水階段，該階段水足跡計(jì)算采用多年平均數(shù)據(jù)，以避免初期按年度計(jì)算的不穩(wěn)定性；而2011年后由于系統(tǒng)基本穩(wěn)定，進(jìn)行逐年計(jì)算與分析。

2.4.1 水庫(kù)蓄水期

2004-2010年的多年平均數(shù)據(jù)整合如表2。

表2 水量平衡法相關(guān)數(shù)據(jù)表

建庫(kù)前河道沉積物滲透系數(shù)來源于吳佩鵬等[18]的研究，其測(cè)算了三峽庫(kù)區(qū)建庫(kù)前30個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的沉積物滲透系數(shù)，本研究取均值1.78。建庫(kù)前河道面積則由水庫(kù)總面積減去淹沒土地面積計(jì)算[14]。計(jì)算建庫(kù)前滲透損失水量時(shí)，本研究假定下游宜昌為地下水排泄場(chǎng)所，根據(jù)長(zhǎng)江水文網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，三峽庫(kù)區(qū)上游寸灘站的干流水位于170m上下浮動(dòng)，而下游宜昌站的地下水水位于10m上下浮動(dòng)，因此取h2-h1=160m；L則取寸灘站至宜昌站的干流長(zhǎng)度，約為600km。使用公式（6）進(jìn)行計(jì)算，得到三峽電站運(yùn)行期水電水足跡為0.0158m3/kW·h。

2.4.2 水庫(kù)穩(wěn)定期

結(jié)合表1的相關(guān)參數(shù)與公式（5），使用水量平衡法計(jì)算得出三峽電站2004-2011年電力產(chǎn)品水足跡，如圖3。

圖3 凈蒸發(fā)法計(jì)算三峽電站電力產(chǎn)品水足跡

2010-2016年水量平衡法計(jì)算所得水足跡在0.01-0.016m3/kW·h間波動(dòng)。其中，2013年水足跡最大（0.0159m3/kW·h），這是因?yàn)樵撃陰?kù)容較大導(dǎo)致滲透量相對(duì)較大，同時(shí)蒸發(fā)量為幾年最大，但年發(fā)電量卻相對(duì)較小；而2014年庫(kù)容較小，但年發(fā)電量卻最大，因此水足跡最小（0.0102m3/kW·h）。2010-2016年的平均水足跡則為0.0133m3/kW·h。

將2004-2016年所得數(shù)據(jù)求均值，按水量平衡法計(jì)算出的水電水足跡為0.0147m3/kW·h。與Laura Scherer等人于2011年計(jì)算得出的三峽水電水足跡0.0176m3/kW·h相比，本研究所得數(shù)值降低了16.5%，一方面與選取的水文資料有差異，另一方面也與2011年后的年發(fā)電量增長(zhǎng)有關(guān)。

3 結(jié)果與討論

圖4為三種計(jì)算方法得出的三峽水電站運(yùn)行期2004-2016年的多年平均水足跡。

圖4 三種水足跡計(jì)算方法結(jié)果對(duì)比

由圖4可知：三種方法中，水量平衡法計(jì)算的水足跡最大，為0.0147m3/kW·h；總蒸發(fā)法次之，為0.0132m3/kW·h；凈蒸發(fā)法結(jié)果最小，為0.00441m3/kW·h，比水量平衡法與總蒸發(fā)法分別降低了70%和67%。

總蒸發(fā)法將水庫(kù)建庫(kù)后的水面蒸發(fā)量作為水電站發(fā)電的水資源消耗，計(jì)算方法較簡(jiǎn)單，但卻忽略了水庫(kù)建庫(kù)前的固有蒸發(fā)量。而凈蒸發(fā)法彌補(bǔ)了總蒸發(fā)法的不足，將建庫(kù)前的陸地與水面從總蒸發(fā)量中減去，能夠更加客觀反應(yīng)水電站電力產(chǎn)品的水足跡。對(duì)于不同的水電站，凈蒸發(fā)法相對(duì)于總蒸發(fā)法的減小比例會(huì)有所不同，這取決于建庫(kù)前后的地形變化程度。

水量平衡法與總蒸發(fā)法和凈蒸發(fā)法相比主要是引入了滲透量的計(jì)算，該方法將水庫(kù)視為一個(gè)完整系統(tǒng)，通過計(jì)算系統(tǒng)的滲透與蒸發(fā)損失水量之和來得到整個(gè)系統(tǒng)中損失的水資源總量。水量平衡法計(jì)算中,2003-2016年平均滲透損失水量為6.8億m3，占建庫(kù)后庫(kù)區(qū)損失水量的57%，成為水電水足跡的重要組成部分。本研究在計(jì)算建庫(kù)前滲透損失量時(shí)未考慮其形成徑流重新進(jìn)入系統(tǒng)的部分，所得結(jié)果較實(shí)際略微偏小。由于考慮了滲透損失，因此水量平衡法的計(jì)算結(jié)果相較凈蒸發(fā)法與總蒸發(fā)法更大。

4 結(jié)論

對(duì)于水電運(yùn)行期的水足跡的計(jì)算，本研究分析和辨識(shí)了總蒸發(fā)法、凈蒸發(fā)法和水量平衡法三種方法，并以三峽電站為例進(jìn)行了水電運(yùn)行期水足跡的計(jì)算與比較分析。總蒸發(fā)法、凈蒸發(fā)法和水量平衡法計(jì)算的水電運(yùn)行期水足跡分別 為0.0132m3/kW·h, 0.00441m3/kW·h和0.0147m3/kW·h，均為藍(lán)水足跡；凈蒸發(fā)法計(jì)算的水足跡最小，相比總蒸發(fā)法和水量平衡法分別降低了67%與70%。

總蒸發(fā)法與凈蒸發(fā)法均未考慮滲透量的影響，水電運(yùn)行期水足跡主要來源于水庫(kù)蒸發(fā)量。總蒸發(fā)法直接以蒸發(fā)量進(jìn)行水足跡計(jì)算，凈蒸發(fā)法則進(jìn)行了改進(jìn)，將建庫(kù)前后的蒸發(fā)量差值作為水電水足跡的來源。水量平衡法則更全面，將滲透量也考慮在水電水足跡的計(jì)算中。三種方法中，水量平衡法涉及的影響因素較多，所需數(shù)據(jù)更多、更難獲得，也更加依賴數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。但在數(shù)據(jù)充足可靠的情況下，水量平衡法更加嚴(yán)謹(jǐn)，能夠更加客觀、全面評(píng)估水電站的水足跡。