利用可持续生态系统管理综合平衡水电效益

2016-03-07加纳米尔

水利水电快报 2016年1期

[加纳]　M. 米尔等

利用可持续生态系统管理综合平衡水电效益

[加纳]M. 米尔等

摘要：研究通过改变加纳沃尔特河下游2个大坝的运行方式，改善下游居民生活的可能性。基于水资源配置模型，分析了改善下游生态系统服务和居民生活的可行性以及对发电的影响。提出淹没特定区域和管理咸水入侵等方案，建议为下游居民提供其他可选的生计解决方案。

关键词：生态系统；水力发电；可持续性；非洲

在非洲，通过开发水电来促进经济发展至关重要，即使是在气候变化较为显著的非洲大陆亦是如此。然而大坝开发可带来的总体经济效益，当地居民有时并未直接受益。

水利基础设施投资可为各国经济发展作出重大贡献。然而，水利设施的开发有时并不能彻底地消除社会经济与环境方面的负面影响。最近，建坝的潜在负面影响受到越来越多的关注，新的水电基础设施建设正受到越来越严格的审查。

很多发展中国家试图通过投资修建具有发电、灌溉和防洪功能的水坝，以促进经济发展。由于大部分发展中国家所在区域受气候变化影响较大，因此，在丰水期储水、在干旱期用水，不仅能促进经济增长，还可以带来其他效益。但如果管理不善，新建的跨流域大型水利设施开发项目将可能引起际争端。因此，应尽可能调整现有水库运行方案，以满足当地居民(主要是下游)需求，使其共享水利开发效益。同时，优化方案还能增加水库运行的总效益。

1研究区域

加纳沃尔特河上的阿科松博(AKosombo)大坝建于20世纪70年代。工程主要是为了满足生活用电需求，并将余电销往瓦尔科铝加工厂，以偿还建坝贷款，同时促进加纳和其他区域的经济发展。起初，阿科松博电站安装了4台单机147 MW的水轮机(588 MW)，之后又增加了2台，使总装机容量达到912 MW。随后，又对电站进行了升级，使目前的总装机达到1 020 MW。

科庞(Kpong)电站于20世纪90年代初期开始运行，总装机容量为148 MW，形成了世界第三大人工湖，产生了大量水库移民，并使下游河流流态发生变化。

受流态变化影响，预计将减少52 000 hm2的洪灌耕地，且沃尔特河下游中段附近的捕蛤业将无法开展。此外，季节性洪水形成的溪流，本是多种鱼类的重要栖息地和产卵地，也将被完全淹没或彻底干涸。目前，蛤蜊在沃尔特河河口栖息，捕蛤业得以在此处延续，但产量有所下降。

水位稳定、流速低，再加上未经处理的农业、生活废水排入河流，导致水生杂草和水传播性疾病(如血吸虫病)发生率增加。水草会破坏渔网，阻隔与河流之间的通道，为鱼类提供栖息场地使其逃避捕捞，因此，给捕渔业造成不利影响。但是，稳定的流态和水库的建设也可促进沃尔特河下游的灌溉。

2恢复河流的天然流态

2.1　河流流态与环境流量

对调整阿科松博和科庞电站运行方案所产生的后果进行了研究，提出恢复天然状况下的河流流态。同时，研究了生态系统服务功能的改善以及发电和其他经济活动受到的影响。采用统计分析方法确定了天然状况下的水流流态，利用水资源配置模型(WEAP)，模拟了大坝运行对沃尔特河下游水电开发及灌溉产生的影响。

以当地居民和专家对不同生态系统服务的需求为基础，结合统计分析确定了天然状况下的水流流态。借助全球环境流量计算软件(GEFC)，确定了不同环境管理等级(EMC)下的流量。通过在流量历时曲线(FDC)上标绘参考水文条件，得出流量数据。通过GEFC一个转换程序，计算了不同环境管理等级下的流量，从水流流态几乎不受影响的天然河流(EMCA)到影响已达到临界值的河网系统(EMCF)。采用该方法，确定了不同月份的流量。该方法假定系统受到不断增强的抽象因素的不利影响，在这里特指流态变化、峰值流量减小和低流量情况的增多所引起的运行方式调整。本研究采用恢复水文过程线，在丰水期计算时，可使用GEFC;在旱季计算时，应增加流量以使年径流量恒定。

环境流量需求的关键指标包括洪水范围(面积和关键位置，如溪流)以及持续时间。可以采用沃尔特河管理局应急预案中开发的洪泛区地图，来确定关键生态系统被淹没时的流量。例如，溪流发生持续2~3个月的季节性洪水，对于渔业至关重要。同时，还应包括其他约束条件，如生活和灌溉用水需求，以及维持一定水平的基流，以防止生活与灌溉取水时发生咸水入侵。

虽然并未明确消除或减少水草和卫生影响所需的流量，但仍应考虑水草和卫生问题。假定流速增大、水位波动和不断增加的咸水入侵对于减少水草和改善卫生条件有利，但也可能对河口附近的生活供水造成潜在影响。

环境流量情景的开发是以EMCA和EMCB参考值为基础，每种情景都还原了河流动力学的部分信息(如洪季流量大于现在的平均流量)。模型中所使用的环境流量需求情景见图1，其中包含水力发电优化的情景(稳定下泄流量约为1 000 m3/s)和考虑了EMC A和EMC B的情景。以上情景都通过增加旱季流量来弥补洪峰期流量的减少。

图1　EMC A和EMC B下每月的流量水位

2.2　水力发电优化

该情景考虑与目前下泄流量相同的情况下，通过将所有水轮机满负荷运转来增发电量，这将会使大坝下游出现稳定的流态，是对流态最大的改变。

2.3　环境管理等级A

通过GEFC，EMC A模拟了9，10月份季节性洪水下的自然状态流量，与“几乎不受影响的天然河流状况”下的流量值相近。雨季流量超过3 000 m3/s，淹没部分小溪达2个月之久，降低了旱季流量，使年总径流量与当前年均流量相同。这种情况下，可运行的水轮机数量减少，总发电量受到影响。

2.4　环境管理等级B

与EMC A类似，采用了EMC B“受到轻微影响的河流”的流量值。同样地，EMC B降低旱季流量以满足雨季流量增加。雨季流量低于河岸最大过流量，避免了洪灾损失。

3其他用水户及需求

沃尔特河下游流域近期的开发项目包括公共的和私人灌溉系统、笼具捕捞、各种生活用水取水设施和洪泛区水利设施开发等。目前总用水量(6 m3/s)只占沃尔特河下游流量(1 000 m3/s)的一小部分。未来的用水规划包括开发阿克拉平原用于灌溉，预计灌溉面积为5 000～150 000 hm2。以香蕉、大米和蔬菜等农作物的平均用水需求为基础，预计未来整个区域内的灌溉水需求不到沃尔特河下游平均流量的15%。另一重要用水户加纳水资源有限公司从科庞大坝日取水155 000 m3，为首都阿克拉提供生活用水。其他问题还包括泛洪区洪水对基础设施的影响，高速水流对笼具捕捞的影响以及咸水入侵对取水口的影响。

4水资源配置模型

在沃尔特河流域规划中，开发了几种WEAP模型版本，大部分都是WEAP模型之前版本的升级，即把WEAP作为独立的软件，或者与SWAT模型气候变化情景相结合。第一个版本用于评估气候变化及其对全球粮食生产安全、环境与人类生活的影响，并将这些影响与流域层面的类似影响联系起来，以开发和制定食品与环境方面的适应性策略，缓解流域尺度上的不利影响。当前版本(第一个使用WEAP开发的日操作模型)采用1965~2013年的历史数据，模拟了阿科松博和科庞大坝的运行，并预测2020年的情况。可用数据包括水位、库容高程曲线及大坝下泄流量。阿科松博大坝和科庞径流式水力发电方案中的净入流量采用日总量平衡方法进行计算：

净入流量 = 最终库容-初始库容+下泄量

(1)

净入流量=最终库容-初始库容+

阿科松博大坝下泄量+下泄量

(2)

通过库容-高程曲线，采用观测水位资料计算库容。模型重点考虑了沃尔特河的入流量以及下游用水量，包括水力发电、生活用水(科庞污水净化厂)以及农业和环境流量(不同EMC下)。

图2，3为3个情景下的WEAP模型运行结果。研究表明，与优化水力发电方案相比，不同的环境流量会导致年发电量减少10%～50%。这种差异在枯水年表现得尤为明显。结果显示，需要在提供环境流量和水力发电之间做出权衡。目前的灌溉方案未受影响，这是因为灌溉用水量低于阿科松博大坝下泄流量(400~1 000 m3/s)的1%。每天(24 h)以6 m3/s的速率灌溉不会对水力发电造成影响。当取水口低于大坝时，即使考虑将来的灌溉用水需求(预计95~110 m3/s)，也不会影响阿科松博的水电供应。但是，科庞电站的发电量会受到影响，这是因为灌溉系统的取水口位于其上游。