全球水能資源評估模型與方法研究

仇 欣，肖晉宇，吳佳瑋，胡延龍，王 羽，彭 莉，李美儒

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.全球能源互聯網集團有限公司，北京 100031；3.全球能源互聯網發展合作組織，北京 100031；4.水電水利規劃設計總院有限公司，北京 100120)

0 引 言

經濟發展與人口增長帶來的能源與環境問題日益嚴重，已成為制約人類生存的關鍵因素，因此保障能源安全、轉化能源結構以及實現可持續發展是當今世界各國的重要任務，大規模開發利用清潔的可再生能源是最有效的措施[1- 4]。水能作為一種可再生的清潔能源，具有分布廣泛、可循環重復利用、技術發展成熟以及經濟成本低等優勢，已在世界范圍內獲得廣泛開發利用，是清潔能源相關戰略的主力技術[5-7]。

全球能源互聯網是全球尺度研究清潔能源大規模開發、輸送、使用的全過程平臺，旨在促進世界能源轉型和電力發展方式轉變，是加快實現世界能源清潔低碳、安全高效和可持續發展的有效工具[1，8-10]。全球能源互聯網將水能作為發展的主要對象之一，利用高精度地形數據提取數字化河網、獲取河流的水文數據，開展流域、國家乃至大洲范圍內的水能資源評估，了解、掌握不同流域、國家的水能資源稟賦及其分布特性。在此基礎上，本文構建一套全球尺度的水能資源評估的參數標準、一般技術流程與方法體系，針對全球水能資源評估提出了一套適用于內業工作的數字化評估方法與流程，構建了河流水能資源理論蘊藏量、技術可開發量評估和電站開發經濟性測算模型，并結合非洲剛果河流域水能資源評估案例進行了實證研究。

1 研究背景

1.1 水能資源評估概述

水能資源評估是指導水能資源技術與經濟開發利用的基礎。廣義水能資源包括河川水能、潮汐水能、波浪能、海流能等；狹義水能資源指蘊藏于河川和海洋水體中的勢能和動能，本文主要研究狹義水能資源。反映水能資源量的一個重要指標是水能理論蘊藏量，其計算主要由河道上下游水位差和流量決定。劉鑫等[11]研究了河段的劃分和控制斷面的選擇對于水能蘊藏量計算的影響，指出在實際工作中河段數越多，計算的理論蘊藏量越接近真值。曹麗軍[12]通過勢能法與理論站址法推算了水能蘊藏量計算公式。談戈等[13]分析了流域分布式水文模型、空間插值、四維同化技術等方法在無資料地區水文預報中的意義和作用。唐洪波等[14]研究發現，基于DEM及ArcGIS水文分析功能可應用于少資料地區水能資源評估。目前，國內外學者主要結合應用遙感數據與實測徑流數據評估水能資源[15-17]。

我國已經開展了3次全國范圍內的水力資源普查[18]。王翠翠[19]將灤河干流劃分為37段，計算了其水能蘊藏量。李璐等[20]通過收集地形、降雨以及徑流資料，通過直接計算徑流值與移用徑流系數的方法，估算奧果韋河流域理論蘊藏量。徐志等[7]通過對全球各大洲、各國水能資源等分析對比，從宏觀角度明確我國水能資源開發利用水平。

1.2 水能資源數據獲取

水能資源評估的關鍵是依托數字高程模型(DEM)數據生成數字化河網，獲取落差、比降、集水面積等河流特征參數。在此基礎上，結合河流徑流量等水文數據開展資源的評估。

數字高程模型是通過有限的地形高程數據實現對地面地形的數字化模擬，可通過遙感、攝影測量、地面測量等手段獲取數據，是區域性水電規劃獲取地形圖的主要方法和高效手段。目前覆蓋全球的高精度地形數據集主要包括ASTER GDEM數據產品、SRTM DEM數據產品等，能提供全球陸地范圍80%以上最高地面分辨率30 m的DEM數據[21]。

水文數據用于描述河流、湖泊等水體的特征值，包含降水、蒸發、下滲、水位、流量、泥沙、水質等，是涉水工程在規劃、設計和施工階段重要的基礎資料，一般通過建立永久或臨時的水文站點觀測獲取。目前能支撐開展全球河流水能資源評估的水文數據集主要是全球徑流數據中心(GRDC)，該數據集收集了全球9 900余座水文站的觀測數據，能提供逐日、逐月、多年平均等徑流數據。

1.3 水電站選址影響因素數據獲取

開展河流技術與經濟可開發量評估需要進行電站選址。影響電站選址的因素包括水文、地質、環保、移民等多個方面。本文選取互聯網公開數據資料，收集整理全球衛星影像、全球地物覆蓋、全球保護區分布、全球水庫和湖泊分布、全球地震和斷層分布、全球地質巖層分布、全球城鎮與人口分布、全球已建水電站分布、全球電網分布、全球交通基礎設施分布等符合全球尺度的地理信息數據集。

1.4 水能資源評估方法

水能資源評估主要包含表征河流水能勢能大小的水能理論蘊藏量，表征河流水能可轉化為其他形式能量(主要是電能)大小以及價值的技術可開發量和經濟可開發量。

(1)水能理論蘊藏量與河流地形落差和徑流量直接相關。河道天然落差取決于地形，一般情況下區域地形較為穩定。流域內河流雖受全球氣候變化、區域環境變化、人類活動影響等存在一定變化，但其多年平均徑流量相對穩定。因此，河流的水能理論蘊藏量是相對固定和客觀的，是評價河流水能資源大小的宏觀指標，是本次研究的重點。

(2)技術可開發量是以河流理論蘊藏量評估結果為基礎，剔除不宜開發水電的河段資源。對可開發的河段，依據當前的水電開發技術水平和機電設備參數性能開展梯級水電站布置，計算電站的裝機、發電量等工程參數。可用整條河流布置梯級的裝機總量或多年平均總發電量來表示該河流的技術可開發量。

(3)經濟可開發量是在技術可開發量的基礎上，綜合考慮影響水電投資的經濟性因素，并與可對比的替代電源成本或受電地區可承受的電力成本(電價)進行對比，選出當前條件下整條河流中適宜開發的梯級電站，用其裝機總量或多年平均總發電量來表示經濟可開發量。

1.5 存在問題

現有大部分研究空間尺度較小，主要針對單條河流或流域開展水能資源評估，而針對國家或大洲的水能資源評估研究主要以數據收集和統計分析為主。當進行宏觀層面水能資源的空間分布特征分析時，被匯總到行政單位一級的信息缺乏空間細節。同時，在進行水能資源評估，特別是技術可開發量和經濟可開發量評估時，需要考慮水文、地質、環保、移民、收益率等多方面因素，涉及大量的數據收集與分析工作，很多數據還需去現場收集。大量開展現場數據收集的工作方式并不適合在全球范圍尺度上開展水能資源評估研究。

因此，在開展全球尺度下的水能資源評估應增加分析方法的彈性，既要能展示大洲、國家等較大空間尺度下的水能資源分布的細節特征，也要能從流域、河流等微觀層面計算出理論蘊藏量、技術可開發量。此外，在模型中還需要考慮數據收集的可行性，關注影響評估的主要因素，提出通用性的解決方案，為政策制定者和商業投資人提供實用的建議。總之，面對全球范圍內清潔能源的評估與開發需求，開展兼具大空間宏觀尺度與河流等微觀層面相結合的水能資源評估研究，整合全球水能資源評估所需的數據，構建通用的標準水能資源評估模型與數字化計算框架十分必要。

2 水能資源評估方法

2.1 理論蘊藏量

河流水能資源理論蘊藏量是河流水力勢能的多年平均值，由河流多年平均流量和全部落差經逐段計算得到。理論上，水能資源蘊藏量的計算應采用有限元法，離散化處理河段長度并逐段計算，通過增加單元劃分數量，提高數值近似精度。但在操作中，由于條件復雜多變、數據量大、計算繁瑣而不被采用。水能資源理論蘊藏量是一個宏觀指標，按一般分段計算即可滿足應用要求。實際工作中，通過合理設置河流上下斷面，進行分段計算并累積獲得評估結果。

數字化評估水能資源理論蘊藏量，首先，以衛星遙感觀測數據為基礎獲得數字化高程模型，形成數字化河網數據，通過提取河流支流匯入點、比降突變點和河口位置，在滿足斷面間距要求的前提下，合理確定控制斷面生成河段；然后，以河流徑流量等水文數據為基礎，結合河流或湖泊年降水量、河段區間集水面積等信息，計算得到河段流量信息，進而完成水能資源理論蘊藏量的測算。計算流程見圖1。

圖1 水能資源理論蘊藏量計算流程

基于上下斷面高程差、河段年平均徑流量計算理論蘊藏量，公式為

ETRWater=ρ·g·Q·ΔH·t

(1)

式中，ETRWater為河流水能資源理論蘊藏量；ρ為河水密度；g為重力加速度；Q為年平均徑流量；ΔH為上下斷面高程差；t為小時數，取8 760 h。

對水能資源進行評估時，應按從河段到河流、從支流到干流的原則逐級統計理論蘊藏量。一條河流、一個水系或一個地區的水能資源理論蘊藏量是其范圍內各河段理論蘊藏量的總和。對于界河，其河段理論蘊藏量可按界河兩岸各50%分別計入。水能資源理論蘊藏量可根據其值分為最豐富、很豐富、豐富、一般4個級別(見表1)，便于重點分析。

表1 水能資源理論蘊藏量等級

2.2 技術可開發量

河流水能資源技術可開發量是指存在于河流中，在當前技術水平條件下，通過修建水庫、電站等工程設施，可開發利用的水能資源的量值[22]。技術可開發量隨技術水平和社會、環境等外部條件的變化有所不同。對于河流技術可開發量的評估，首先收集已建、在建電站信息，然后針對未開發的河段開展數字化規劃選址，最后將上述電站都納入技術可開發量統計。

本文所開展的水電站數字化規劃選址方法以河流水能利用最大化為選址出發點，面向項目建議書階段開展規劃。采用內業工作方法，利用收集的DEM、水文、選址影響因素等數據開展數字化規劃。數字化規劃以數字化河網為基礎劃分流域干支流及對應的分水嶺。通過水文、河段比降、河兩岸等高線分布、衛星影像選取流量大、落差集中的河谷狹窄處作為初擬壩址，擬定正常蓄水位生成庫區。疊加地質災害、巖層、自然保護區數據確保壩址及庫區位置地質條件較好，遠離斷裂、地震高發區域，且不位于自然保護區內。通過地物覆蓋數據、城鎮與人口分布數據和交通設施數據計算庫區影響的城鎮、道路、用地和人口數量，減少對城市、耕地、森林等不宜淹沒土地的占用。經過比選后選定最終壩址位置，計算水電站特征水位、調節庫容、裝機容量、引用流量、發電量等工程參數。本文采用發電量最高的方案計入河流的技術可開發量，評估流程見圖2。表2為影響電站選址的部分限制性因素。

圖2 水能資源技術可開發量評估流程

按照流域評估技術可開發量，當流域選定范圍內的水系發育、支流眾多時，干流及重要一級支流為重點研究河段，是水能資源開發利用的主要河段，可進行大中型電站布置；對小型一級支流及二級支流可進行小電站布置。將各梯級電站的裝機容量相加即得到河段流域的技術可開發量。評估公式為

(2)

表2 水電站選址限制性因素

式中，PTPWater為水能資源技術可開發量；ptec為符合技術開發條件的梯級電站容量。

2.3 經濟可開發量

河流水能資源經濟可開發量是指在當前技術水平條件下，通過修建水庫、電站等工程措施，可開發利用且具有經濟可開發價值的水能資源的量值[22]。其評估過程需要考慮水能資源條件、工程樞紐投資、移民環保投資、電網接入條件、消納市場替代電源投資水平等內容。面向全球尺度與項目前期階段，受限于內業為主的數據收集方式，難以開展完整的河流經濟可開發量評估。除將已建、在建、已完成水電開發規劃的電站計入經濟可開發量外，對于開展了數字化規劃的電站進行以開發成本為主的經濟性分析，將有開發價值的電站也納入其中。

電站經濟性分析采用平準化度電成本模型。參考電站數字規劃成果中的裝機容量、年發電量、庫容、壩型、壩高等參數，類比國內相似工程，同時，參考本地水電工程造價水平進行估算，得出投資的初步范圍。結合電站所在國發展水平以及融資利率、稅率等金融參數，根據項目特點與實際需要，以經濟內部收益率為主要評價指標，開展經濟性評價，在實現建設期與運行期逐年現金流測算的基礎上，獲得水電站度電成本。經濟可開發量評估公式為。

(3)

式中，PEPWater為水能經濟可開發量；peco為具有經濟可開發價值的梯級電站裝機容量。

3 剛果河流域水能資源評估研究

剛果河長約4 640 km，位于非洲中西部，是僅次于尼羅河的非洲第二長河，流域面積約370萬km2，源于贊比亞境內的東非大裂谷的高地山區，主要流經贊比亞、剛果民主共和國、剛果共和國與安哥拉等國家，最終注入大西洋。剛果河干流落差1 510 m，平均比降0.33‰，水量充沛，是世界著名的大河。流域水能開發潛力巨大，現有開發規模尚不足水能蘊藏量的1%。

開展剛果河流域水能資源的數字化評估測算，獲得干流及流域內主要支流的水能資源理論蘊藏量，遴選出適宜開發水電工程且未利用的河段，開展數字化規劃選址并評估電站裝機規模與開發成本，將有效助力非洲水能開發和利用，提振剛果河流域水電基礎設施投資信心，推進能源清潔化發展進程。剛果河水能資源豐富，主要集中在干流上，但干流長度長且流經國家多，中游穿過全球第二大熱帶雨林，不宜大規模開發，收集梯級布置及經濟性評價所需的數據較困難，通過數字化手段開展整個干流的技術與經濟可開發量評估難度較大。因此，本次水能資源評估以干流的理論蘊藏量分析為重點，僅選取干流蘊藏量最為豐富的下游河段開展技術和經濟可開發量評估。

3.1 水能資源理論蘊藏量

3.1.1 水能資源理論蘊藏量概況

基于基礎數據和算法模型，建立剛果河流域數字化河網，共包含102 905個河段，總長度約17萬km，覆蓋了370萬km2的流域面積，流域水能資源理論蘊藏量為23 848.5億kW·h/a。通過計算，剛果河干流與主要支流的水能資源理論蘊藏量為13 653.9億kW·h/a，占比約57.25%；其次為開賽河，理論蘊藏量為3 806.6億kW·h/a，占比15.96%；烏班吉河與盧庫加河理論蘊藏量分別為1 548.2億kW·h/a和1076.5億kW·h/a，分別占比約為6.49%和4.51%。

3.1.2 干流理論蘊藏量分析

剛果河干流以贊比亞境內的謙比西(Chambeshi)河為源頭，上游由盧阿普拉(Luapula)河、盧武阿(Luvua)河、盧阿拉巴(Lualaba)河組成；中游河段自基桑加尼(Kisangani)起至金沙薩(Kinshasa)，主要位于剛果盆地中部，流經世界第二大熱帶雨林；剛果河下游較短，在金沙薩和大西洋入海口之間，長約400 km，落差達280 m，河道平均比降0.70‰，流域面積約10萬km2，水能資源極為集中。表3為剛果河干流分河段水能資源理論蘊藏量分布。

表3 剛果河干流分河段水能資源理論蘊藏量 億kW·h/a

剛果河干流水能資源主要分布在剛果民主共和國，理論蘊藏量為10 668億kW·h/a，占比約78%；其次為剛果共和國，理論蘊藏量為1 892.6億kW·h/a，占比約14%；安哥拉水能理論蘊藏量為692.2億kW·h/a，占比約5%。

3.2 水能資源技術可開發量

剛果河上、中、下游河流特性以及兩岸經濟社會發展狀況很不相同。其中，上游段多匯流、湖泊、瀑布和險灘，水流湍急，可滿足發電需求；中游段河道縱坡平緩，水量豐富，水流平穩，兩岸多沼澤、熱帶雨林分布，城鎮相對密集，水能資源條件和開發條件均較差，不適宜開發大型電站；下游水量大，水流湍急，河面收窄，多瀑布，無通航條件，可滿足發電需求。根據測算，剛果河干流水能資源集中水能富集河段為上、下游區域。其中，金沙薩以下的下游河段理論蘊藏量9 658.6億kW·h/a，占干流總蘊藏量的70%，非常適合開發水電，也是本次水能資源技術可開發量的評估重點。剛果河下游河段全長約400 km，落差280 m，平均比降0.70%。金沙薩(Kinshasa)～盧奧濟(Luozi)河段兩岸地貌以丘陵為主，地質條件穩定，無大型斷裂與地震帶，周邊無自然保護區，兩岸人口稀少無大面積城鎮和田地分布，有較好的建壩和成庫條件。

(1)在皮奧卡(Pioka)處布置1座梯級電站，采用混凝土重力壩，最大壩高約90 m。庫區面積約190 km2，涉及淹沒的林地、灌叢等面積約為80 km2，庫區內人口密度約30人/km2，未淹沒公路等基礎設施造。

(2)盧奧濟(Luozi)～英加鎮(Inga)河段坡降較大，沿途多跌水、瀑布，兩岸以山體為主，河谷收窄。其中，英加鎮北側有一山間盆地，地形開闊，具有較好成庫條件，可布置1座梯級電站。采用混凝土重力壩，最大壩高約60 m，庫區面積約210 km2，涉及淹沒的林地、灌叢等面積約為100 km2，庫區內人口密度約25人/km2，未淹沒公路等基礎設施造。

(3)英加鎮(Inga)～馬塔迪(Matadi)河段兩岸以丘陵為主，河谷狹長，成庫條件較好，可在馬塔迪鎮附近河段布置1梯級電站，采用混凝土重力壩，最大壩高約43 m。庫區面積約23 km2，涉及淹沒的林地、灌叢等面積約為9 km2，庫區內人口密度約60人/km2，未淹沒公路等基礎設施造。

(4)馬塔迪以下河段較為平緩，兩岸地形平坦，開發條件差，基本不具備水電開發條件。

圖3給出了3個梯級電站的位置示意。圖4給出了3個梯級電站庫區主要地面覆蓋物分類示意。表4給出了3個梯級電站的主要技術參數。

圖3 剛果河下游河段梯級水電站布置

圖4 剛果河下游河段梯級水電站庫區主要地面覆蓋物分類示意

表4 剛果河下游梯級電站主要技術參數

3.3 水能資源經濟可開發量

根據剛果河下游開發條件，擬開發的3個梯級電站的工程規模、壩型、壩長、壩高、機組數量等情況，類比國內三峽水電工程，同時參考當地工程造價水平得出投資的初步范圍。根據水電工程投資、電站運維成本、當地財稅政策、投資收益水平等條件，測算上網電價。表5給出了剛果河下游3個梯級電站的經濟性測算結果。剛果河下游水電站可向非洲西部、南部、東部以及北部輸電。通過計算水電站上網電價并與送電目標市場電源平均價格水平進行比較可知，上網電價比目標市場電源平均電價低約2～5美分/(kW·h)[23]。

表5 剛果河下游梯級電站經濟性測算

綜上，集中開發剛果河下游3個梯級電站，能充分利用其巨大的水能資源優勢，有效攤薄全周期投資，且輸送端上網電價低，電價具有較強競爭力。因此，剛果河下游河段的技術可開發裝機均滿足經濟性要求，具有巨大的規模化開發潛力。

4 結 語

本文建立了一套面向全球清潔能源評估應用的水能資源量化評估方法，提出了理論蘊藏量、技術可開發量和經濟可開發量3個維度評價指標體系，構建了數字化量化測算模型，可實現覆蓋全球范圍從河流、流域到國家的水能資源評估研究，并應用于非洲剛果河干流水能資源評估，結論如下：

(1)按照水能資源理論蘊藏量計算，剛果河流域水能資源蘊藏總量為23 848.5億kW·h/a，干流理論蘊藏量為13 653.9億kW·h/a，干流下游河段理論蘊藏量為9 658.6億kW·h/a。

(2)考慮資源條件、技術水平、地形地貌、土地利用類型等限制性影響因素，剛果河下游河段的技術可開發量110 000 MW，年發電量6 811億kW·h，約為理論蘊藏量的70%。

(3)經濟可開發量評估主要與電站造價、投資收益、上網電價等經濟性參數等有關，剛果河下游經濟可開發規模為110 000 MW，平均上網電價為4～4.8美分/(kW·h)，比目標市場電源平均電價低約2～5美分/(kW·h)。