夏 欣，钟 权

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，成都 610072)

0 引 言

中国是能源消耗大国，但从中国富煤、贫油、少气的特点来看，中国亦是一个温室气体排放大国。根据《中国可再生能源展望2018》报告预测，中国化石能源消费总量将在2020年达峰，在2035年之前稳步下降[1]。在可持续发展的战略下，优化能源结构是节能减排的重要途径之一。最终到2050年，非化石能源的消费比重要维持在50%以上。

水电作为清洁可再生能源，不仅是二次能源供给的重要途径，也是世界各国能源发展的优先选择和改善生态环境、应对气候变化的重要举措。据中国电力企业联合会统计：截至2018年底，水电、火电、核电、风电、太阳能等发电类型的装机容量及发电量如表1所示。

表1 装机容量及发电量占比Tab.1 Proportion of installed capacity and power generation

不难看出，水电、核电、风电、太阳能等非火电装机容量达到38%，其中水电占19%，达到了清洁能源的一半。从发电量的角度来看，在2018年水电发单量占据了全国发电量的18%，仅次于火电。如图1、图2所示。

图1 2018年中国发电装机容量占比Fig.1 Proportion of installed capacity in China, 2018

图2 2018年中国发电量占比Fig.2 Proportion of power generation in China, 2018

由此可见，水电在我国电力行业中扮演了重要的角色。但水电站的建设终究是对自然的改造，其施工、运行和拆除仍存在能耗消耗和污染物排放的问题。从环境的角度来说，发电系统的温室气体排放特点对全球气候变化具有非常重要的意义。

生命周期评价是一种全过程的评价方法，能够揭示隐含在产业链中的温室气体排放。目前，国际上生命周期评价法在水电站建设进行环境影响评价方面有一定的研究，例如中国、泰国、巴西、日本和瑞士等国家进行了水电温室气体的分析及影响评价。Zhang等[2]利用投入产出法计算了中国装机容量44 MW与3 600 MW的两座水电站温室气体排放情况；de Riberio等[3]以巴西Ttaipu水电站为例，以水电站大坝建设期和运行期的投资总额为核心，给出了生产系统边界、运用投入产出法的生命周期清单，客观地分析了典型的巴西水电站生命周期清单；Raadal等[4]分析了1996-2010年间39篇水电站生命周期评价，揭示不同水电站温室气体排放量存在一定的差异性。Sunwanit等[5]针对泰国5个坐落在不同地方的小型水电站进行了生命周期评价分析，计算了相应的温室气体排放系数，并进行了定量评价；Zhang等[6]对西藏直孔进行了生命周期温室气体排放的计算，并对大型水电站(LHP)的清洁属性提出了质疑；张社荣等[7]用混合生命周期评价方法定量评估糯扎渡水电站采用重力坝和堆石坝两种枢纽布置方案下的生命周期温室气体排放；Pang等[8]运用过程分析法计算了中国小水电----观音岩水电站的环境效应；杜海龙等[9]以可渡河上某水电站为例，计算了可渡河水电开发的碳减排潜力，认为水电开发对碳减排有明显贡献；杜海龙[10]根据ISO14067标准，以金沙江下游梯级电站作为案例进行水电碳足迹分析研究，结果表明我国西南水电具有显著的优质性，认为大力开发水电能有效节能减排；Jiang等[11]对中国四个水电站分别进行了10～100 a生命周期的温室气体排的评估，当使用寿命接近100 a的时候，温室气体排放强度仅为煤炭发电的1/100，认为水力发电代替化石燃料发电在应对气候变化方面有着十分重要的作用。

在充分查阅国内外的研究进展及大量相关数据资料的基础上，阐述了水电站生命周期温室气体排放研究方法，研究了装机容量和温室气体排放系数的相关性，并与火电进行了温室气体排放系数的比较，为水电项目的清洁属性和后续水电站修建的减排工作提供基础支撑。

1 生命周期评价方法在水电方面的应用

生命周期评价是一种评价产品、工艺过程或活动从原材料的开采、运输及产品的加工、生产、运输、销售、使用、回收、养护、循环利用和最终处理整个生命周期系统有关的环境负荷的过程[12]。国际标准化组织(ISO)对生命周期评价的定义是：对一个产品系统生命周期中输入、输出及潜在环境影响的综合评价。在每一个阶段，产品都以不同的方式和程度影响着环境[13]。水电站在生命周期内会消耗能源和材料，也必将造成温室气体排放。

生命周期评价分为4个步骤：确定目标和范围、清单分析、影响评价和结果解释。

1.1 目标及范围

生命周期评价工作的第一步是目标及范围的确定，这也是后期评价工作的大前提。范围的确定包括对评价目标时间边界及空间边界的确定。时间边界指生命周期评价的时间范畴，指产品从摇篮到坟墓的整个生命过程。对于水电站而言，生命周期以一般为设计使用年限，故不同水电站的生命周期可能因设计使用年限的不同而不同。水电站生命周期周期可分为4个阶段：筹建阶段、建设阶段、运行阶段以及废弃处置阶段[10]。空间边界一般为水电站的建设范围，通常包括：大坝、引水系统、厂房、尾水系统和变电站。在计算库区气体通量时，需要将库区纳入空间边界。一般情况下，水电站筹建阶段基本不涉及温室气体排放或其温室气体排放量少，可以忽略不计。建设阶段的温室气体排放主要来源于建筑原材料及设备的生产和场内外运输的能源消耗，该过程是碳排强度最大的过程[14]；运行阶段的持续时间最长，一般在30～100年，主要包括日常运行过程及电站维护产生的温室气体排放和水库温室气体排放。运行阶段也是温室气体排放总量最大的阶段。废弃处置阶段主要包括坝体以及淤积物处理。

水电站生命周期边界见图3。

图3 水电站生命周期边界Fig.3 Life cycle boundary of hydropower plant

1.2 清单分析

主要包括建设原材料的生产、材料运输、建设施工、运行维护过程及废弃处置。

1.2.1 建设原材料的生产

水电站建设过程消耗的材料主要包括混凝土、钢筋、炸药、水泥、砂、油料、炸药等；设备包括机电设备与金属结构。根据各类材料工程量及耗材生产的环境影响清单，确定建设耗材生产过程温室气体排放情况[15]。这些建设原材料、机电设备和金属结构在生产过程中产生的温室气体排放占建设期温室气体排放的很大比重。

1.2.2 材料运输

运输过程指材料及设备场外和场内运输过程，其温室气体排放主要来自于运输过程中柴油、汽油等油类的消耗。根据水电站主要材料运输工程量及各类交通工具运输的环境影响清单，确定材料运输过程温室气体排放情况[16]。

1.2.3 建设施工

建设施工阶段是最复杂的一个阶段，该过程主要包括土石方工程及混凝土工程等。

土石方工程包括土石开挖和土石填筑等。根据施工机械及施工效率计算耗油量，进而确定温室气体排放量[16,17]。混凝土工程包括骨料开采及运输、骨料加工及混凝土生产等过程，根据混凝土工程量及各子过程温室气体排放清单，确定混凝土工程温室气体排放情况。

1.2.4 运行维护过程

水电站运行阶段的温室气体排放主要来自于日常运行、电站维护与水库温室气体排放。日常运行指水电站的维护过程中使用的材料、机械产生的温室气体排放，这些温室气体排放的量很小。水库温室气体排放指水库蓄水后改变淹没区的原生环境，淹没区域的温室气体排放过程加快，进而产生了大量温室气体，其主要是生物降解而产生的甲烷和二氧化碳以及微量的氧化亚氮。对于水库温室气体通量的计量主要有两种方式：一种以水库温室气体排放总量作为评价指标，另一种以水库温室气体排放净通量作为评价指标[9]。

然而，在不同地区，不同温度以及不同水库龄期的条件下，所排放的温室气体的量也有差异。据文献统计分析，在82次样本测量中，每1 kWh水力发电产生的甲烷排放量和水库面积呈对数分布，从微克到千克不等。在日常的运行维护中基本没有能源的输入，温室气体排放的强度远远小于施工期，但该阶段是温室气体排放持续时间最久的一个时期。从多元回归分析可以看出，每1 kWh的库区温室气体排放量对水力发电生命周期温室气体排放的影响很大[18]。

1.2.5 废弃处置

废弃处置指水电站完成使命后的处理过程，一般而言采取坝体拆除的方式以恢复原生态或继续保持大坝以维持新的生态平衡，其温室气体排放主要包括坝体修补加固或拆除处理以及水库内淤积物的分解过程中的温室气体排放[19]。坝体处理过程温室气体排放可采用建设阶段温室气体排放总量10%的方式简化处理[20]。

1.3 生命周期影响评价

清单分析后的步骤是生命周期影响评价。该步骤是在环境影响分类、特征化和量化之后，根据计算结果对环境影响作定量的分析或定性的评价，最后再进行环境影响分析。

温室气体排放系数是指每一种能源燃烧或使用过程中单位能源的温室气体排放强度表示。在水力发电中温室气体排放系数是指每产生1 kWh的电所排放的CO2的质量。水力发电排放的碳有CO2、CO和CH4等多种形式，一般研究通常采用CO2作为标准对其他因子进行并归。综合水电站各子过程生命周期温室气体排放清单，确定出水电站生命周期内总的温室气体排放量(千克或克)。根据水电站装机容量、建成后年均发电量及生命周期长度，确定出生命周期总的发电量(kWh)。通过温室气体排放总量除以发电总量，即可得到水电站温室气体排放系数g/(CO2/kWh)。

1.4 结果解释

结果解释是在生命周期评价标准的基础上，对环境影响评价结果做出进一步的解释。识别、评估和报告为生命周期结果解释的三要素。识别主要是对清单分析和环境影响评价这两个阶段中的子过程是否有重大排放进行判断。评估是对全生命周期过程中的完整性、敏感性和一致性进行评判。报告即得出最后的结论，识别是否存在产品某个生产环节排放过多，如果有潜在的改善机会，则提出改进建议[21]。

2 水电站生命周期温室气体排放分析

2.1 国内外研究成果

对于水电站温室气体排放而言，国内外针对大中小型水电站均有一定的应用。国内外水电站生命周期温室气体排放研究成果见表2。

目前关于水电站生命周期温室气体排放研究主要是针对中国的水电站，这与中国水电资源丰富、已建及在建水电站数量多的现实情况是一致的。可以看出，不同研究的水电站生命周期一般为50～100 a，少数水电站为30 a。水电站生命周期温室气体排放系数为3.7～44 g/kWh，基本介于早期关于水电站温室气体排放系数的研究范围内(2～48 g/kWh)[7,24]。

从表2中可以看出，直孔电站温室气体排放系数高达195 g/kWh，明显远远高于其他水电站的温室气体排放情况，该点可作异点处理。

2.2 温室气体排放系数与装机容量的关系

根据上述列表所示水电站温室气体排放研究成果，做出单位电量温室气体排放系数与装机容量之间的关系曲线，如图4所示。

从图4可以看出，随着水电站装机容量的增大，温室气体排放系数逐渐减小，两者之间具有一定的相关性。

表2 国内外水电站生命周期温室气体排放研究成果Tab.2 Research achievements of life cycle greenhouse gas emissions from hydropower plants

图4 单位电量温室气体排放系数与装机容量之间的关系曲线Fig.4 Correlation curve of life cycle greenhouse gas emission coefficient and installed capacity

需要指出的是，水电站温室气体排放系数与装机容量总体呈反相关趋势，但仍有部分研究成果值偏离较大，其原因可能是生命周期不一致或范围界定不明晰、采用的数据库不同、采用的分析方法不同抑或是水电站类型不同，如水库型与径流式而导致的差异。考虑到目前资料有限，尚无法做进一步研究分析。

2.3 与火电温室气体排放系数的比较

根据相关研究成果，刘胜强[25]估算中国火电生命周期的温室气体排放系数为1188.8 g/kWh，夏德建[26]的研究成果显示我国煤电能源链的温室气体排放系数为975.24 g/kWh，叶斌等[27]对燃煤电厂的研究数据表明，每发1 kWh电的温室气体排放量为1 018 g。可以看出，火力发电的温室气体排放系数在1 000 g/kWh左右，大约是水力发电温室气体排放系数(3～44 g/kWh)的20～300倍。由此可见，与火力发电相比，水力发电在减少温室气体排放方面的优势十分显著。

2.4 大型水电站生命周期各阶段温室气体排放分析

根据参考文献[2,7,10]，整理了国内6座大型水电站生命周期各阶段温室气体排放情况，如表3所示。电站装机容量为3 600～16 000 MW，温室气体排放系数为4.39～10.04 g/kWh。其中，筹建期主要包括清库工作，建设期主要包括材料及设备生产制造、运输过程与施工过程，运营期主要包括水电站日常维护和库区排放，废弃处置温室气体排放假定为建设过程的10%。

表3 国内大型水电站生命周期各阶段温室气体排放量Tab.3 Life cycle greenhouse gas emissions of each stage for large hydropower plants

根据上述列表所示水电站生命周期各阶段温室气体排放量，确定各阶段温室气体排放占比情况，如图5所示。

图5 水电站生命周期各阶段温室气体排放占比Fig.5 Proportion of life cycle greenhouse gas emissions of each stage for large hydropower plants

运营期温室气体排放占比最大，达到58.57%～79.45%，这是由于大型水电站水库面积往往较大，水库蓄水后温室气体通量大；筹建期温室气体排放占比为0.82%～2.83%，废弃处置阶段温室气体排放占比为1.73%～3.51%，占比均较小，部分研究成果甚至忽略了上述两阶段的温室气体排放；建设期温室气体排放占比为17.28%～39.08%。

3 结 语

(1)从生命周期的角度出发，阐述了水电站生命周期温室气体排放研究方法。通过搜集并整理近年来的研究成果，可以看出水电站生命周期温室气体排放系数为3.7～44 g/(kWh)，且随着水电站装机容量的增大，温室气体排放系数逐渐减小。与火力发电相比，水电站生命周期单位温室气体排放量很小。大力开发水电资源，对减少温室气体排放具有十分重大的意义。

(2)考虑水电站类型差异、生命周期不同且涉及范围广泛而复杂，不同研究成果往往存在较大差异，更加全面而准确的水电站生命周期温室气体排放分析还有待进一步研究。