基于能值分析的大型水電站建設系統(tǒng)資源利用與可持續(xù)評價

摘要：為科學量化大型水電工程建設過程中自然資源和社會經濟活動對系統(tǒng)水力發(fā)電效益和質量的貢獻，基于能值分析方法，構建大型水電工程建設系統(tǒng)能值評價指標體系，解析各類資源的真實價值與其可持續(xù)發(fā)展水平。結果表明：① 系統(tǒng)對可更新資源依賴程度更高，其中水資源（雨水和徑流來水）占系統(tǒng)總投入能值的54.55%，不可更新資源中主要以混凝土、水泥、機械與建設用電投入較大。② 相較于其他水電工程，該系統(tǒng)凈能值產出率較大（EYR為2.22），系統(tǒng)經濟活力更強、更具有競爭性；環(huán)境壓力較?。‥LR為0.82）、可持續(xù)發(fā)展能力較好（ESI為2.69），與生態(tài)環(huán)境協(xié)調發(fā)展。③ 該系統(tǒng)水力發(fā)電太陽能值轉換率為3.12×1010 sej/（kW·h），處于較低水平，體現(xiàn)其施工技術和管理水平較高，發(fā)電質量較好。研究結果有助于提高雅礱江流域水資源利用效率和優(yōu)化水資源調度，可為大型水電工程建設中環(huán)境效益與經濟效益評價提供參考。

關鍵詞：能值分析； 資源利用； 水力發(fā)電質量； 大型水電工程; 雅礱江流域

中圖法分類號：TV741""文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.08.009

文章編號：1006-0081（2024）08-0059-06

0 引 言

2023年中國國民經濟和社會發(fā)展公報顯示［1］，水電、風電、太陽能發(fā)電等清潔能源消耗占總能源264%，其中水電裝機容量較上年末增長41%，占全國發(fā)電裝機容量14.44%?！笆奈濉币?guī)劃提出要構建現(xiàn)代能源體系，加快清潔能源發(fā)展，提高非化石能源消費比重到20%，西南水電基地建設中雅礱江流域作為大型清潔能源基地之一，為保障國家能源安全作出重要貢獻?？茖W全面評價水電工程建設的資源利用與環(huán)境生態(tài)效益成為工程建設中的關鍵問題［2］，而能值分析方法實現(xiàn)了在同一尺度標準定量分析自然資源與人類經濟活動在水電工程建設過程中的真實價值與實際貢獻［3］。

能值不同于能量，是指任何流動或儲存的能量中所包含的太陽能數(shù)量，即為該能量的太陽能值［4］。能值分析方法從能量流動的角度提供了一種統(tǒng)一的能量貨幣表達新方法，綜合分析不同種類、不可比較的能量在系統(tǒng)中的作用和貢獻，定量分析系統(tǒng)的結構功能特征與生態(tài)經濟效益［5］。目前能值理論在自然生態(tài)、社會經濟和工業(yè)發(fā)展等系統(tǒng)中應用廣泛［6-7］，但關于水利水電工程能值分析的研究較少，特別是大型水電工程建設。

孟底溝水電站是雅礱江流域中游“一庫七級”中的第五個梯級水電站，在水電開發(fā)中起承上啟下的作用，壩型為混凝土雙曲拱壩，最大壩高198.00 m，規(guī)劃裝機2 400 MW，多年平均年發(fā)電量104.05億kW·h，工程總投資347.22億元。孟底溝水電站計劃于2031年12月底首臺機組發(fā)電，是“十四五”期間雅礱江流域開工建設的最大規(guī)模水電工程。綜上，本文以孟底溝水電站建設期為例，結合能值分析方法，構建大型水電站建設期系統(tǒng)能值分析表，探索大型水電站建設過程中各項資源投入與發(fā)電效益之間的內在聯(lián)系與生態(tài)環(huán)境影響，完善大型水電站工程建設資源利用研究，為大型水電站工程管理與評價提供參考。

1 研究方法

1.1 能值分析方法

根據(jù)水電工程建設過程中的投入產出關系，該系統(tǒng)的能量流動與相互作用關系如圖1所示。將系統(tǒng)中所有投入產出的原始數(shù)據(jù)通過能值轉換率（UEV）統(tǒng)一轉化為太陽能值（sej）。一般而言，系統(tǒng)中各項能流的能值計算為

EMi=UEVi×fi（1）

式中，EMi為i種能流（產品或服務）的能值（sej）；UEVi為i種能流的太陽能值轉換率，即生產單位該種能流所需要的太陽能值，單位為sej/j，sej/g，sej/m2，sej/m3，sej/（kW·h）或者sej/$；fi是指該i種能流的數(shù)量，單位為J，g，m2，m3，kW·h或$。計算過程中各項太陽能值轉換率采用全球能值基準944×1024 sej/a和1.58×1025 sej/a的需要，分別乘以系數(shù)1.27和076轉化為最新基準1.2×1025 sej/a［8］。

具體而言，本系統(tǒng)主要投入產出資源能流數(shù)量f根據(jù)目前常見系統(tǒng)能值分析研究計算方法［9-12］，列明如下。

（1） 太陽能。

fs=A×E×（1-rs）×Ts（2）

式中：fs為太陽光能，J;

A為系統(tǒng)面積，m2;

E為太陽光總輻射量［13］，W/m2;

rs為太陽光反射率［14］，取30%;

Ts為年平均總日照時數(shù)，s。

（2） 雨水化學能。

frc=A×P×ρr×G（3）

式中：frc為雨水化學能，J;

P為年平均降雨量，m;

ρr為雨水密度，取1×103 kg/m3;

G為雨水吉布斯自由能［14］，取4.94×103 J/kg。

（3） 雨水勢能。

frg=A×P×ρr×g×H（4）

式中：frg為雨水勢能，J;g為重力加速度，取9.8 m/s2;H為海拔高度，m。

（4） 風能。

fw=A×ρw×Cd×S×Tw

（5）

式中：fw為風能，J;

ρw為空氣密度［15］，取1.29 kg/m3;

Cd為陸地風應力拖拽系數(shù)［16］，取1.64×10-3;

S為年平均風速，m/s;

Tw為年平均刮風時間，s。

尚科輝

基于能值分析的大型水電站建設系統(tǒng)資源利用與可持續(xù)評價

（5） 徑流來水。

frw=Q×Crw×ρr×g×ΔH（6）

式中：frw為徑流來水，一般以勢能計量，J;

Q為年均徑流量，m3;

Crw為徑流系數(shù)［17］，取25%;

ΔH為水電站上下游高差，本文以壩高計，m。

（6） 表土層損失能。

fts=A×rts×Co×En×Ce

（7）

式中：fts為表土層損失能，J;

rts為表土侵蝕速率，t/km2;

Co為有機質百分比［18］，取1.97%;

En為每克土壤有機質所含能量，取5.4 kcal/t;

Ce為能量折算系數(shù)，取4.19×103 J/kcal。

（7） 其他。根據(jù)SL 654-2014《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規(guī)范》確定以發(fā)電為主的Ⅰ等工程合理使用年限為100 a，故在計算本系統(tǒng)其他資源能流數(shù)量時（如土石方、混凝土、水泥、鋼材、機械等一次性投入），需除以使用年限換算成年平均值。

1.2 能值評價指標

水電工程建設系統(tǒng)的資源輸入分為4種類型，分別為本地免費可更新資源（RL），如太陽能、雨水、風等；外界輸入免費可更新資源（RO），如徑流來水；本地免費不可更新資源（NL），如表土層損失；購入資源（P），如土石方、混凝土、水泥、鋼材、木材、炸藥、油料、機械、人力等。購入資源中如電力和人力等不僅包含可更新部分也包含不可更新部分，故此可分為可更新購入資源（RP）和不可更新購入資源（NP），主要以可更新系數(shù)區(qū)分［19］。由于本文選取的孟底溝水電站主要功能為發(fā)電，故該系統(tǒng)產出主要為水力發(fā)電。在上述工作的基礎上，通過建立水電工程建設期能值利用評價指標體系（見表1），對各類資源利用進行定量分析，可為大型水電工程建設中資源高效利用及合理配置提供基礎支撐。

2 結果分析

2.1 能值投入結構分析

孟底溝水電站建設期能值分析計算結果如表2所示。需注意的是，在能值分析中，太陽輻射能、雨水化學能、雨水勢能和風能均為同一太陽能驅動的能量，為避免重復計算，在本地免費可更新資源計算中只取最大值項目［20］。水電站建設過程中總投入能值為3.25×1020 sej，其中自然資源能值投入為179×1020 sej，占總投入能值54.98%，購入資源則占45.02%。自然資源投入中以徑流來水占比最大，達97.22%。在購入資源中，混凝土、水泥、機械以及建設用電能值投入占購入資源的86.82%。表2第20～23項又可被視為負效應產出，合計為2.62×1018 sej，表明對社會經濟和生態(tài)環(huán)境消極作用的產出，亦為系統(tǒng)額外投入。上述結果表明以水力發(fā)電為主的水電工程主要依靠外界徑流和工程建設期購入資源投入驅動，同時水力發(fā)電系統(tǒng)受自然資源制約影響較大，發(fā)電效益與徑流來水成正相關。

2.2 能值指標評價特征

水電工程建設系統(tǒng)中投入的可更新能值是不可更新能值的1.21倍，其中可更新自然資源能值占總投入能值54.55%，主要源于可更新資源投入中水資源投入占比高。系統(tǒng)凈能值產出率一般可衡量系統(tǒng)產出對經濟貢獻的大小，如表3所示，該水電建設系統(tǒng)生產效率較高。能值自給率越高說明系統(tǒng)自給自足能力越強，本系統(tǒng)能值自給率超過50%，表明1.78×10201.47×102054.550.432.220.550.820.822.693.12×1010自然環(huán)境支持能力較高。同樣地，系統(tǒng)能值投入率較高，表明其對環(huán)境資源利用程度較高。環(huán)境壓力可反映系統(tǒng)運轉過程中環(huán)境的承載能力，本系統(tǒng)ELR小于3表明該系統(tǒng)對環(huán)境影響相對較低，若大于10則說明環(huán)境處于高負荷狀態(tài)。相類似能值可持續(xù)指數(shù)是綜合評價系統(tǒng)發(fā)展可持續(xù)性高低，當ESI小于1，系統(tǒng)長期發(fā)展?jié)摿^低，更依賴不可更新資源投入；大于10時則表明系統(tǒng)不可持續(xù)，開發(fā)利用資源不充分；處于兩者之間則具有長期發(fā)展的潛力，如表3所示該系統(tǒng)可持續(xù)運作。本文水電建設系統(tǒng)多年平均發(fā)電量為104.05億kW·h，計算出本系統(tǒng)生產1 kW·h的水電，需要投入3.12×1010 sej太陽能值，數(shù)值高低與系統(tǒng)生產效率、先進工藝與管理水平等密切相關。

3 討論與結論

3.1 討 論

研究結果發(fā)現(xiàn)以發(fā)電為主的大型水電建設系統(tǒng)中水資源仍是系統(tǒng)生產能力即發(fā)電效益高低的關鍵，而構成水電站工程實體如土石方、混凝土、水泥、機械以及建設用電對發(fā)電效率影響較大，亦符合工程實際。為進一步提高系統(tǒng)正效應產出，需盡可能減少負效應產出，如水庫的泥沙淤積和淹沒面積等，一般可通過科學規(guī)劃壩址壩型、優(yōu)化水量調度、減小移民影響等有效提高水電站發(fā)電效益［2］。

本研究水電建設系統(tǒng)較其他大中小型水電工程［22］可持續(xù)發(fā)展程度較高，對資源利用比較充分，如觀音巖水電站、湄公河上巴蒙（Pa Mong）大壩和清康（Chiang Khan）大壩ELR分別為1.92，3.2和3.1。觀音巖水電站ESI為1.22；紅巖二級水電站ELR為0.92，ESI為4.77；三峽大壩EYR、ELR和ESI分別為0.73，071和1.03。這源于本研究對象位于四川省西部甘孜州境內，而電站所在的雅礱江流域水量豐沛、落差巨大，蘊藏豐富的水能資源，本研究對象設計規(guī)劃可與上游兩河口水電站和下游楊房溝水電站等聯(lián)合調控，其水頭變幅小，運行條件好，因此相對于人類社會購入資源，本研究對象對自然資源利用程度更高，河水徑流勢能是主要驅動力。

賀成龍［2］通過構建中國2003～2014年水利水電工程建設能值分析表得出中國2003年水力發(fā)電太陽能值轉換率為2.41×1012 sej/（kW·h），至2008年年均降幅為13.5%，2008～2014年逐漸趨于平穩(wěn)，年均減小7.91%，據(jù)此估算截至2021年減少至 3.2×1010 sej/（kW·h），與本研究計算結果基本相當（為3.12×1010 sej/（kW·h））。此外，本研究結果均小于其他國內外水電站水力發(fā)電能值轉換率［22］，如觀音巖水電站、紅巖二級水電站、三峽大壩、泰國Pa Mong大壩和Chiang Khan大壩UEV分別為9.83×1011，3.71×1011，2.01×1012，554×1011，5.65×1011 sej/（kW·h）。上述結果主要源于對比的案例均是2010年以前，部分為2000年前，同時也表明中國水電工程建設水平與資源利用逐漸提高，施工建設技術、管理水平與生產效率處于較高水平。

一般而言對于大型水力發(fā)電建設系統(tǒng)，根據(jù)水電工程水力發(fā)電、灌溉、防洪、航運、供水等單一或綜合功能明確系統(tǒng)研究邊界，如何準確核算其能值投入對研究結果影響較大。本研究不足之處在于未考慮水電工程建設過程中地企合作資源投入與開始發(fā)電后運行和檢修以及管理人員的投入，且為雅礱江流域梯級開發(fā)，部分社會經濟與生態(tài)環(huán)境影響或有重復，需要明確不同因素對水電建設系統(tǒng)的作用程度。

3.2 結 論

本文主要基于能值分析量化了孟底溝水電站建設系統(tǒng)中資源利用水平，研究方法和結果不僅可為孟底溝水電站環(huán)境影響效應與工程建設水平提供評價參考，還為以發(fā)電為主的大型水電工程建設中社會、經濟和生態(tài)等各因素與發(fā)電效益內在聯(lián)系的定量分析提供方法參考，具體得到以下結論。

（1） 本研究水力發(fā)電生產系統(tǒng)中投入較大的主要為徑流來水、建設用電、混凝土與水泥，分別占系統(tǒng)總投入能值的53.45%、11.73%、11.69%、1156%；其中可更新能值投入較不可更新部分高出3.13×1019 sej；相對于社會資源投入，自然資源對本系統(tǒng)驅動力更強，水力發(fā)電效益受水資源影響大。

（2） 從環(huán)境影響結果看，該系統(tǒng)自我供給能力較高，對自然環(huán)境資源利用程度較充分，同樣的環(huán)境壓力較其他水電工程建設系統(tǒng)較低，可持續(xù)性更強，經濟活力較高。

（3） 整體而言， 該系統(tǒng)水力發(fā)電的能值轉換率低于中國評價水電開發(fā)建設系統(tǒng)平均值，也從側面反映出隨著施工技術水平的提高，管理模式的改進以及社會整體生產力的增強，水電工程建設的發(fā)電效益和質量逐步提高。

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編輯：李 晗

Emergy-based resource utilization and sustainable evaluation of large hydropower station construction system

SHANG Kehui

（Yalong River Hydropower Development Co.，Ltd.，Chengdu 610051，China）

Abstract：

The contribution of natural resources and socio-economic activities to the efficiency and quality of hydropower generation in the process of large-scale hydropower engineering construction can be quantified scientifically by using the method of emergy analysis. Based on the method of emergy analysis，we constructed the emergy value evaluation index system of large-scale hydropower engineering construction system，and analyzed the real value of various resources in the system and its sustainable development level. The results showed that： ① The system was more dependent on renewable resources，among which water resources （rainwater and runoff water） account for 54.55% of the total input emergy of the system，and the non-renewable resources mainly include concrete，cement，machinery and construction electricity. ② Compared with other hydropower projects，the net emergy value output rate of the system in the study is larger （EYR is 2.22），and the system has stronger economic vitality and more competitiveness. The environmental pressure is smaller （ELR is 0.82），and the sustainable development ability is better （ESI is 2.69），which is coordinated with the ecological environment. ③ The solar emergy value conversion rate of hydropower generation in the system is 3.12×1010 sej/（kW·h），which is at a lower level，reflecting the higher construction technology and management level and better power generation quality. The research results can provide a reference for the evaluation of environmental benefits and economic benefits in the construction of large-scale hydropower engineering，and helping to improve the utilization efficiency of water resources and optimize the water resources scheduling in the Yalong River Basin.

Key words：

emergy analysis； resource utilization； hydropower quality； large hydropower projects； Yalong River Basin

作者簡介：尚科輝，男，碩士，主要從事水利水電工程管理工作。E-mail：k.h.shang@nwafu.edu.cn

引用格式：尚科輝.基于能值分析的大型水電站建設系統(tǒng)資源利用與可持續(xù)評價［J］.水利水電快報，2024，45（8）：59-64.