水力发电的可持续性及未来发展

在全球范围内，水力发电有很多其他发电技术不可企及的优点。水力发电是可再生的、可靠的、清洁的、基本上是无碳的，而且是一个灵活的负荷调峰技术。但是，就当地一级而言，由于地理特征的不同，存在各种不同的相互影响，包括水道、环境、当地社区和居民人口等。事实上，系统越大，影响越严重。但是，为了在同一个基础上对水电系统进行比较，应该通过相关的发电量来评估所产生的影响。也就是说，每产生千瓦时电能的单位影响或用金钱来计算，即每产生千瓦时电的外部成本。小规模和大规模的水力发电系统之间的讨论必须建立在以上这些条件基础上。总体说来，人们总错误地以为小规模水力发电比大规模水力发电造成的环境伤害小。

水力发电不会消耗或者污染用来运转涡轮机的水资源，但是修建大坝、分流、调峰等确实会对环境造成影响。大坝和水库会引发洪水，改道、水峰等问题。大坝和水库中断了水流，结果造成很多环境问题，其中很多与鱼类相关。大坝和水库就像阻碍鱼类到达它们的产卵地区屏障（尤其是鲑鱼）。因此专门的鱼类通道有助于缓解这一问题，但是却无法完全解决。对于径流式系统，水库上游和压力前池的水流将大幅度减少。这形成了类似于湖中相反的栖息特征，对于需要更强的水流来定位、喂养和繁殖的沿河鱼类需要的理想栖息特征来说相去甚远。不仅仅鱼类受到影响，游艇和航运也受到影响。此外，沉积物的自然运移受到改变，这有时会缩短水力水电系统的寿命，因为水库或者压力前池会被流入的沉积物填满。水峰和低流速度是发生在下游地区的影响。另一方面，太少或者最小生态流量得不到满足使得鱼类无法生存，而另一方面水峰产生的栖息特征太剧烈而不适合大部分的沿河动物的生存。

大坝的构造和水库填料由于淹没总会带来土地流失，巨型坝导致的水土地流失更为严重。土地的流失是对当地居民造成的主要影响，尤其是住房和农业用地受到影响。重新安置是水力发电的主要问题之一，补偿措施显示出很多实际中尚未解决的问题。水电系统发电过程中除了会导致土地流失，还会发生水体的改变、栖息地和景观的改变，另外也会对其他商业或工业部门造成影响。这些影响有积极的也有消极的，但是造成的消极影响是应用中很多矛盾的核心所在。位于水电厂附近的能源密集型产业可以受益于廉价可靠的电力供应，而其他行业的成本效益分析可能就没有有利了。比如说旅游业，新技术的使用可能会改变景观，使天然河道消失，有时甚至会淹没文化遗迹。另一方面，作为娱乐区域的水库为划船和各种水上运动提供了机会。对农业的影响不尽相同，从提供灌溉到泄洪造成土地流失等。这里的问题是，当地居民经常要忍受土地流失带来的负面影响，而更多远距离的农业可以从灌溉中受益。蓄水层的盐碱化和不良变化是大坝建设可能会产生的深远影响。此外，当地的捕鱼业也会由于水资源的变化而遭到重创。

有关人类健康的影响也不能低估，尤其是在热带地区的大型水力发电工程。有很多来自于非洲，南美和加勒比海的研究报导了关于水库的存在而引发的血吸虫病，疟疾和其他由蚊子传播的传染病^[15]。非自愿移民安置、栖息地的丧失以及生计问题，可能引发水库移民产生心理健康问题，接着会产生从个体意志的消沉到集体暴乱和社会瓦解等现象。在水库中沉积的上游工业污染物或其他生活垃圾可能会进入当地居民的食物链中。在许多大型水库中由于藻类生物毒素或甲基汞还会出现其他的一些问题^[5]。图11.4所示为对水电系统的影响进行的总结。

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图11.4 水电系统的影响

对于水库来说，沉淀物是一个主要问题。它主要是由植被，地质结构和水库地区土地的利用所决定，在过去很长时间里这一问题一直没有得到足够的重视，它可以通过主水库停运作业来避免^[6]。巨大的沉淀物会导致水库容量的损失、增加对涡轮机的侵蚀。温室气体排放可能是一个重要要问题，这取决于纬度、海拔和水库地域情况。在北方地区很少有这个问题，但是在热带这是一个严重问题，因为在那里事先没有砍伐掉的热带雨林被淹没后会排放出大量的甲烷[16]。刚开始水库（或者径流式系统中的压力前池）通常作为当地居民的娱乐场所，起初给人的印象是人造的，但是几十年后就成为了环境的自然状态，也就成了新物种的栖息地。另外一个支持水力发电的论点是水库可以控制和缓解洪水。水库能够通过其滞留容积和/或把大量的水转移到一个不同的集水区，从而帮助缓减洪峰。径流式发电厂一般不适合用来作为防洪设施，除非它们能提供通向滞留区域的入口。

每生产1kW·h电力的外部成本是可以估算的，估算方法是总结系统所有外部的负面影响并计算出每种影响的最终成本。为了对这些成本进行估算，并且与其他发电技术的外部成本相比较，已经完成了很多关于国家的甚至国际成本水平的研究。国际上估算的水力发电外部成本为0～0.26美元/（kW·h）之间^[17]，瑞典为0.002～0.015瑞士法郎/（kW·h）^[18]，或者施工阶段的外部成本为0.0006～0.0019瑞士法郎/（kW·h），运行阶段的外部成本为0.002～0.005瑞士法郎/（kW·h）^[19]。与其他技术相比，水力发电系统的外部成本最低，比所有矿石燃料技术的成本都要少得多^[17，20]。尽管如此，水力发电系统的外部成本可能会有很大的变化，因此很难给出一个关于所有水力发电成本的可靠描述。

如果在规划和建造过程中早些考虑上面提到的这些消极影响，那么这些不利影响就可以减轻或者避免。然而，这个过程相当复杂并且要花费很长时间。调查和前期可行性研究包括对环境影响评估、股东的投入、确定潜在的负面影响以及缓减这些负面影响的方法等。从一开始就综合考虑环境和社会因素是缩短这个过程的关键先决条件。在设计和建造过程中也必须融入适当的缓解和补偿措施。对于大型的水力发电系统来说，花10年时间设计、4～8年时间进行建设是很正常的事情。政府，地方当局，市政和其他众多的股东都和这个过程息息相关。各自不同的利益使得水力发电厂的实现过程变得异常困难。这个调控过程因国家而异、因地而异，这使得其变得既困难又独特。关于水力发电的经济效益，规划和建设过程尤其重要，因为这个阶段的建设成本和资本成本很高。许多国家都严格管理水电系统对环境影响的评估。为了找出实际工程中最重要的争议点和潜在问题，通常要进行预研。开展预研的主要目标是，在工程早期对基本兼容性进行评估，从而避免把资金浪费到一个不切实际的工程中。这种预研有助于缩短整个规划进程，事实证明这是一个重要的环节。地理信息系统可以支持这种规划进程的开展，因为该系统允许规划人员从空间的角度将各种不同因素组合起来，比如环境因素、社会经济因素和各种经济参数。这样，可能发生的一系列问题通过空间相互作用就能够在早期识别出来，并且找到解决方法。由于水电系统位置的特殊性及其与环境的相互作用，地理信息系统工程可以为规划进程提供各种有用的分析工具，即确定水电场址的潜能、三维视图和未来水电系统和厂址的模型、流域和水库建型，确定自然灾害（山体滑坡，洪水等）以及利用水力发电产生潜在冲突的可能性，对景观改造的视域分析等^[21]。