澜沧江中上游及元江水电开发水足迹分析

肖复晋，陆 颖,2，袁 旭，蒋 丽，梁斯琦，蒋永健

(1.云南大学国际河流与生态安全研究院，昆明 650500；2.云南省国际河流与跨境生态安全重点实验室，昆明 650091)

人口增长和经济发展使全球水资源需求以每年1%的速度增加[1]。我国能源消耗巨大，传统能源储备量日趋减少[2]。水电能源开发是我国能源结构转型不可忽视的部分。目前，我国水电装机增长迅速，截至2016年，全国水电总装机容量3.32 亿kW，水电装机占全国发电总装机容量的20.1%；水电发电量1.18×1012kWh，占全国发电量的19.7%[3]。这引发了关于水电开发生态环境影响的相关讨论，讨论大多关注于天然河流的湖-库化、水生生物生境破碎、水库淹没、水体富营养化等方面[4,5]，水电建设产生水资源消耗问题鲜有关注。挡水建筑修建后扩大的水面面积增加了水面蒸发量，导致水资源消耗。20世纪80年代，以瑞士、美国为代表的国家先后进行了“绿色水电”开发的认证工作以评估水电站建设和运行对环境的影响[6,7]，评估大多关于河流水质、流量、泥沙及鱼类保护。水足迹模型及理论则从资源成本角度出发，具体化水电开发利用水资源消耗，关联起水资源系统与社会经济系统[8]。水电站水足迹最早由Gerbens-Leenes提出[9]，具体是指水电站运行过程中生产单位能源消耗的水资源量[10]。在国际上，新西兰、荷兰等国家较早将水足迹用于评价本国的水电站发电效益。M M Mekonnen等计算全球35座水电站的平均水足迹为67.74 m3/GJ[11]，在2016年，又预估了2035年全球能源消耗量，水足迹是其中重要指标[12]。Indika等计算的新西兰17个水电站的平均水足迹为6.02 m3/GJ[13]；T H Bakken在2016年分别以一个径流式电站和一个库区型电站为例，将水电站的生命周期分为建设期和运行期进行研究，用了总蒸发水量法，得出了两种类型的水电站运行期的净水消耗皆高于建设期的结论[14]。根据已有研究，存在总蒸发水量法和水量平衡法等计算方法，普遍采用总蒸发水量法。我国对水足迹理论的研究发展也较为迅速， 2014年，石萍等计算出三峡-葛洲坝梯级水电站的多年平均水足迹为2.09 m3/GJ[15]；为合理评估我国水电开发利用水资源损耗，何洋等计算了我国283座水电站的水足迹[8]；朱艳霞等对金沙江6座梯级电站的水足迹进行了计算[16]；基于已有研究，赵丹丹在水电水足迹计算中加入水电效益分摊系数，使得水电水足迹计算更为合理[17]；为了更能直观反映水力发电能耗比，袁旭以澜沧江中下游干流8座水电站为例，用总蒸发水量法计算出8座水电站水足迹平均值为2.23 m3/GJ[18]，并对现有计算方法进行改进[19]。尽管我国在水足迹模型研究领域取得了较大进步，仍有许多流域有待分析，尤其是国家大力发展水电的西南地区。

西南地区作为我国水电能源基地，水电水足迹研究仍处于起步阶段，主要集中于澜沧江中下游和金沙江干流，其他流域鲜有研究。相比我国境内河流，开发跨境河流水电关系到周边环境安全与稳定，相关生态影响问题往往容易引起国内外民众，特别是下游国家的重点关注。鉴此，以尚未开展水足迹研究且水热、地形条件差异较大的国际河流澜沧江中上游干流和元江干流为对象，分别计算其水电站水足迹并就两个不同流域水电建设对水资源的消耗差异探究其影响因素，同时从水消耗角度对比全流域判断澜沧江中上游水电开发是否低耗。本研究可服务于西南地区水电开发水资源成本的评估，可供我国规划西南地区水资源与开发利用水电以参考。

1 研究区概况

澜沧江为我国西南地区大河，发源青海，流经西藏和云南。流域面积16.75 万km2，长约2 153 km，多年平均径流总量513 亿m3[20]。流域地势北高南低，自北向南呈条带状，地形复杂，气候由温带向亚热带过渡，气温及降水由北向南递增。云南河段规划水电站一共15级，上游乌弄龙、里底、黄登、大华桥和苗尾水电站已投产，因乌弄龙水电站缺乏对应的遥感影像，只能针对里底、黄登、大华桥和苗尾水电站进行计算。元江长677 km，流域面积3.7 万km2，流经河口瑶族自治县进入越南后称红河，国境处多年平均径流量为484 亿m3，全程天然落差2 510 m。元江自上游而下河谷逐渐变宽，干流共规划11级水电站，目前仅马堵山水电站及上游南沙水电站建成投产。流域由亚热带向热带气候过渡，北部干热，南部湿热[21]。

2 计算方法及数据来源

2.1 水足迹计算方法

水电站运行期间，水推动水轮机组发电后下泄，水轮机组本身不消耗水，下泄水提供下游利用，而渗漏水进入流域内地下水系统中。同样的，汛期弃水也不从系统中损失，仍可供下游利用，水足迹模型计算时也不考虑汛期弃水。水足迹研究仍处于发展阶段，尚无规范统一的计算方法。现有的计算方法主要有仅考虑水量消耗和考虑水量平衡的两种类型。其中考虑水量消耗的方法有：考虑库区水面蒸发的总蒸发水量法和考虑了建坝之后土地利用性质改变的净蒸发水量法。而现有研究普遍采用考虑水面蒸发的总蒸发水量法。

总蒸发水量法将库区水面蒸发归因于建坝蓄水，计算时仅考虑大坝建成后水面蒸发引起的水资源输出，公式为[9]：

(1)

式中:WF1为总蒸发水量法水足迹，m3/GJ;E为水电站库区水面多年平均蒸发量，m3;θ为水面蒸发折算系数；E0为蒸发皿实测蒸发深度，mm；S为水电站库区多年平均水面面积，km2；P为水电站多年平均发电量折合热能，GJ。

2.2 数据来源

水库库区面积从Landsat-8 OLI月遥感影像中提取。由于澜沧江上游属典型V型河谷[20]，河流水面面积年际及年内差异较大，故选取每年丰平枯三季云量最少的月份为代表，计算库区河道水面面积。本研究采用1961-2001年距各水电站距离最近的气象站气温、降水及蒸发的逐年观测数据，并基于WLE Greater Mekong提供的水电站参数计算水电站水足迹[22]，相关信息见表1和表2。水面蒸发数据来自Φ20型蒸发皿，研究区水面蒸发折算系数根据施成熙的研究θ确认为0.63[23]。

表1 水电站气象数据Tab.1 Hydropower station meteorological data

表2 水电站参数Tab.2 Hydropower station parameters

3 结果与分析

3.1 水电站水足迹分析

总蒸发水量法考虑了水电站建成后库区水面面积增大导致的库区水资源蒸发，其计算结果能定量评估水电站运行的水资源消耗成本。以总蒸发水量法计算，所有的水电站水足迹平均值为1.41 m3/GJ ，其中澜沧江4座水电站平均值为0.51 m3/GJ ，低于元江2座水电站的平均值3.19 m3/GJ ；马堵山水电站水足迹最高为3.45 m3/GJ ，其次是南沙、苗尾、里底、大华桥、黄登。6座水电站的水足迹结果见表3。

表3 各水电站水足迹Tab.3 Water footprint calculation results of hydropower stations

马堵山水电站、南沙水电站水足迹较澜沧江4个水电站较大，其原因在于马堵山水电站、南沙水电站水面蒸发强而发电量最少，澜沧江干流四个电站发电能力远强于元江干流两座水电站，所以平均水足迹低于元江。相比国内，何洋等在2015年以总蒸发水量法算得我国283 座水电站的平均水足迹为6.75 m3/GJ[8]，朱艳霞等计算金沙江中游6座梯级电站的水足迹均值为1.41 m3/GJ[16]，袁旭等用总蒸发水量法计算出澜沧江干流中下游“两库八级”水电站的平均水足迹为2.23 m3/GJ[18]。元江干流2座水电站水足迹比全国平均水平小，说明在元江干流修建水电站相比国内其他地区对水资源损失较少；澜沧江中上游4座电站的水足迹不仅远低于全国平均总水平和金沙江中游6座梯级电站，也低于澜沧江中下游6座已建电站，从水资源消耗成本上考虑，突显出澜沧江中上游相比西南地区乃至全国的巨大优势，适宜修建大型水电。由于不同的水热条件及地形因素影响，不同流域的水电站之间水资源损耗情况差异明显，总蒸发水量法适宜评价因建设水电站导致的水资源量蒸发消耗问题，同时因为现有研究和计算结果基本都是采用总蒸发水量法，所以该方法也利于不同流域不同河流及不同水电站之间的横向比较。

3.2 水足迹结果影响因子分析

从定义上看，水电站水足迹与库区水面面积、蒸发量及发电量直接相关，而库区水面面积、蒸发量和发电量等条件又受到地形、气候、库容等因素的制约。水电站坝址处的地形若能形成水面面积小同时水深较深的库区，该水电站水足迹会较小。气温是影响蒸发强弱的一个关键气候因素。

表4 各因素相关性系数Tab.4 Correlation coefficient of each factor

降水量与蒸发量的差值，客观反映了该地区大气中水资源量的多寡[24,25]。降水蒸发差可从较大的时间和空间尺度评判一个地区的大气水资源量多寡[26]，也可与气温共同反映一个地区的水热条件。水电站修建后，天然河道变为湖-库系统，对库区内部及下游的用水产生影响，采用降水蒸发差可评判库区潜在水资源量多寡，作为评估水电站水足迹的大气水量因素较适宜。

为了直观反映地形对于水足迹大小的影响，把库区水面面积与坝高的比值作为库区地形因素进行分析。水电站库区的库容和水面面积受地形因素制约，考虑到水足迹计算原理，蓄水深度大且水面面积小的峡谷地形建设水电站优势较大，而坝高决定了蓄水的深度。从表4相关性上看，总蒸发水量法计算结果与地形因素的相关系数为0.485。所以地形因素是在规划阶段评判水电站水足迹的一个关键因素。澜沧江中上游4座水电站位于云南省西北部，河流进入横断山极大起伏高山区，属纵向岭谷区，地形起伏变化大、地表切割强烈、坡度陡、地貌形态复杂[27]，伴随以上升为主的强烈新构造运动, 河流下蚀作用强烈,主河谷深切,河道平均比降较大[20]，水电站可利用的落差大，具备较强的潜在发电效益。而元江干流至个旧市以下河谷逐渐放宽达300 m以上，两岸山峰已逐渐降低，相对高差不足千米，河面宽达100 m[21]，落差条件相比澜沧江中上游欠缺。同样受地形所制约的库容单独对计算的影响甚微。蒸发是水资源消耗的主要方式，其中气温又是影响蒸发量的主要因素[28]。气温对总蒸发水量法是影响程度最大的因素。以总蒸发水量法计算，元江、澜沧江干流上水足迹最大的马堵山、南沙和苗尾水电站年平均气温也是最高的。基于以上分析，在水电建设规划阶段，应重点考虑坝址的多年平均气温、地形。

4 讨 论

考虑到云南省内国际河流出境后下游国家炎热的气候条件和平坦的地势，对比陆颖、袁旭等人对澜沧江-湄公河现有研究[10,18]，我国在澜沧江干流特别是中上游进行大型水电建设从水资源消耗角度考虑更为低耗。

相同的计算方法下水足迹最大的泰国诗琳通水电站是苗尾水电站水足迹的1 237 倍，年蒸发水量是苗尾水电站的近18 倍，这是因为澜沧江-湄公河境内外南北气候、地形条件差异明显。出境后28 座水电站平均水足迹为116.00 m3/GJ[10]，相比之下是中下游6座水电站平均值的近50倍。中上游4座水电站水足迹平均水平仅相当于中下游的21.0%，境外28 座水电站的0.4%。澜沧江-湄公河38座水电站每年要蒸发28.61 亿m3水，其中境外28座水电站蒸发20.07 亿m3，占70.1%，中下游6座水电站占28.4%，中上游4座水电站仅占1.5%。

结合上文影响元江、澜沧江干流水足迹结果差异的因素，考虑尚未进行大型水电开发的国际河流雅鲁藏布江和怒江，若未来进行大规模水电开发，在我国境内建设的水电站从水资源消耗角度是否更符合“绿色水电”理念，将是一个值得讨论的话题。

5 结 论

(1)以总蒸发水量法计算，元江干流的2座水电站水足迹平均值为3.19 m3/GJ，低于全国平均水平，澜沧江4座水电站平均值为0.51 m3/GJ，不仅远低于全国平均总水平，也低于中下游6座已建电站，从水电开发的水资源成本角度考虑，澜沧江中上游相比西南地区乃至全国具有优势。

(2)对于总蒸发水量法来说，气温对其计算结果影响最大，其次是地形因素，相比之下大气水量对结果略有影响。库容影响甚微。在水电建设规划阶段，若要使运行后水资源消耗少，符合“绿色水电”发展理念，则应重点考虑坝址的多年平均气温、地形。

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