周麗娜，趙建達(dá)，劉東東，孫見波

(1. 水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；2. 杭州亞太水電設(shè)備成套技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310012；3. 水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 310012)

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基于發(fā)達(dá)國家新興水電技術(shù)論農(nóng)村水電轉(zhuǎn)型升級

周麗娜1,3，趙建達(dá)1,3，劉東東2,3，孫見波2,3

(1. 水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；2. 杭州亞太水電設(shè)備成套技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310012；3. 水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 310012)

分析了我國發(fā)展小水電對局部生態(tài)環(huán)境造成的影響，介紹了歐盟、美國、加拿大等發(fā)達(dá)國家在超低水頭、微小水電和仿生態(tài)魚道方面的新興水電技術(shù)。借鑒發(fā)達(dá)國家的新興水電技術(shù)和發(fā)展環(huán)境友好小水電的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國小水電的特點(diǎn)，從中小河流水能規(guī)劃、小水電技術(shù)革新、生態(tài)水電示范區(qū)建設(shè)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)建立、水電站標(biāo)準(zhǔn)化管理及生態(tài)修復(fù)和轉(zhuǎn)型升級的法制保障等6個方面提出農(nóng)村水電生態(tài)修復(fù)和轉(zhuǎn)型升級的建議。圖2幅，表1個。

發(fā)達(dá)國家；超低水頭；微小水電；生態(tài)修復(fù)；轉(zhuǎn)型升級

0 引 言

小水電是綠色、低碳、可再生能源，全球小水電潛力巨大，可在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)效益和保護(hù)環(huán)境的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)。近年來，隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮娜找嬖鲩L、全球氣候變化加劇和人們對生態(tài)環(huán)境重視程度的提高，保障生態(tài)環(huán)境安全、支撐社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，已成為發(fā)達(dá)國家關(guān)注的重點(diǎn)。而目前水力發(fā)電行業(yè)仍有大量極具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d水電技術(shù)可以提高小水電發(fā)展的生態(tài)環(huán)境效益，如小水電、微小水電、低水頭水電、超低水頭水電、魚類友好型水輪機(jī)技術(shù)和水流技術(shù)等[1]；國際能源署將這些研發(fā)主題已列為小水電領(lǐng)域需要高度優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)內(nèi)容。

本文從我國小水電對生態(tài)環(huán)境的影響進(jìn)行分析，對發(fā)達(dá)國家發(fā)展小水電與環(huán)境生態(tài)保護(hù)協(xié)調(diào)的新興技術(shù)進(jìn)行了介紹，旨在為我國借鑒，著力從中小河流水能規(guī)劃、技術(shù)創(chuàng)新、生態(tài)修復(fù)、監(jiān)測系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)化管理、法制保障等方面探討加快小水電生態(tài)修復(fù)和轉(zhuǎn)型升級的有效措施。

1 小水電發(fā)展存在的生態(tài)環(huán)境問題

近年來，社會公眾十分關(guān)注小水電對生態(tài)環(huán)境的影響，主要涉及開發(fā)程度、河段減脫水、魚類保護(hù)、水土保持、地質(zhì)災(zāi)害防治等。值得注意的是，我國早期開發(fā)建設(shè)的一些小水電站由于受到當(dāng)時資金、技術(shù)水平的制約，水資源利用和電站運(yùn)行效率不高，甚至有的引水式電站開發(fā)時還沒有所在河流的水電開發(fā)規(guī)劃，設(shè)計(jì)也不科學(xué)。小水電對生態(tài)環(huán)境的主要影響(見表1)。

表1 小水電對生態(tài)環(huán)境影響分析[3_8]

續(xù)表1 小水電對生態(tài)環(huán)境影響分析[3_8]

2 發(fā)達(dá)國家新興小水電技術(shù)的研究應(yīng)用

歐盟、美國、加拿大是世界上經(jīng)濟(jì)、科技發(fā)達(dá)國家，其水力發(fā)電領(lǐng)域的專業(yè)能力和技術(shù)研發(fā)水平均處于國際領(lǐng)先地位，享有很高的聲譽(yù)。特別在低水頭、超低水頭、微小水電技術(shù)等方面，包括德國、奧地利、瑞士和挪威等國都取得了很大的進(jìn)步，出現(xiàn)了形式豐富的各種設(shè)計(jì)和產(chǎn)品，并逐漸拓展應(yīng)用到一些現(xiàn)有的水利設(shè)施中。例如，農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)(灌溉水庫和灌溉水渠)、航運(yùn)系統(tǒng)(運(yùn)河、航道、水堰、廢棄的船閘、導(dǎo)航壩)、城市供排水系統(tǒng)(自來水廠的水源進(jìn)水塔和引水流道、城市供排水管網(wǎng)和污水處理廠的排水系統(tǒng))，等等。雖說小水電發(fā)電效益不大，但卻是節(jié)能減排和挖潛增效的有效方式之一，發(fā)達(dá)國家在超低水頭水電技術(shù)、保護(hù)魚類水輪機(jī)研發(fā)、微小水電及低水頭水工建筑物仿自然魚道等新興水電技術(shù)方面的研究，對我國小水電發(fā)展面臨的生態(tài)問題、可持續(xù)發(fā)展均有積極的啟示意義[9]。

2.1 現(xiàn)有水工建筑物的超低水頭水輪機(jī)應(yīng)用

對于低水頭的開發(fā)，盡管有多種技術(shù)，但由于土木結(jié)構(gòu)成本高、對環(huán)境影響大以及效率低，大部分是不經(jīng)濟(jì)的。超低水頭(Very Low Head，簡稱“VLH”)水輪機(jī)于2004年誕生在法國，是一種轉(zhuǎn)輪直徑為3.5～5.6 m、發(fā)電機(jī)輸出功率范圍為100～500 kW的新型水輪機(jī)技術(shù)，適用于1.4～4.2 m的水頭、10～30 m3/s的流量范圍。在該范圍內(nèi)，VLH水輪機(jī)的開發(fā)能夠集成到或毗鄰到現(xiàn)有的、上下游水位差(即超低水頭)的分水堰、船閘、落差建筑物、小型水壩和溢洪道等水工建筑物[10]。這些水工建筑物通常分布在河流、湖泊和運(yùn)河中，用于水位控制、防洪或?qū)Я鳎ǔ]有水電設(shè)施或水電安裝規(guī)定。在加拿大有大量這種水工建筑物，僅北美地區(qū)估計(jì)現(xiàn)有80 000座水工建筑物均可用于低水頭水電開發(fā)。相較于傳統(tǒng)的應(yīng)用方法，直接將水輪機(jī)集成到現(xiàn)有的水工結(jié)構(gòu)可以大大減少土建成本，顯著降低環(huán)境影響，還可以減少水工建筑物的審批、設(shè)計(jì)和建造工作[11]。

VLH水輪機(jī)設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中，減少對環(huán)境影響成為主要驅(qū)動因素之一，VLH水輪機(jī)尤其適合魚類繁多的低水頭電站河流。與傳統(tǒng)的水輪機(jī)相比，VLH水輪機(jī)有其特殊的水力設(shè)計(jì)特點(diǎn)以保證魚類安全(見圖1)，大直徑轉(zhuǎn)子可以降低水輪機(jī)入口速度，以及緩慢的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速(約35 r/min)，非常有利于下游的魚類通過[11]。早期的過魚試驗(yàn)結(jié)果表明，平均存活率超過94%，遠(yuǎn)高于常規(guī)低水頭水輪機(jī)結(jié)果，這證實(shí)了VLH水輪機(jī)對魚的影響較小。在大量測試結(jié)果基礎(chǔ)上，有些地區(qū)的VLH改進(jìn)設(shè)計(jì)得到驗(yàn)證，最終目標(biāo)是將魚類存活率提高到97%以上?；谒啓C(jī)水力性能以及卓有成效的魚類生存研究結(jié)果，VLH現(xiàn)已被法國環(huán)保機(jī)構(gòu)確定為魚類友好型水輪機(jī)。

圖1 超低水頭水輪機(jī)(VLH)示意(MJ2 2011，CPL 2013)

圖2 管道式水輪發(fā)電機(jī)組構(gòu)造示意

2.2 微小水電技術(shù)

隨著歐美，特別是北美對清潔能源的重視，微小水電技術(shù)得到不斷創(chuàng)新，出現(xiàn)了不少新型的水力發(fā)電技術(shù)。LucidPipe 是 Lucid Energy公司研發(fā)的一種新型管道式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)(見圖2)，是水到電纜終端的一體化解決方案，水輪機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)減少了對流水造成的擾動和對魚類的傷害。2010—2011年，加利福尼亞河濱郡西部城市水源區(qū)供水管道串聯(lián)式安裝了3臺該機(jī)組，河濱公共事業(yè)公司為此獲得杰出能源管理獎。2012年該技術(shù)得到商業(yè)化應(yīng)用推廣。

該水輪發(fā)電機(jī)組安裝于壓力管道，回收大型水管內(nèi)未利用的壓力水頭能量，不影響原有系統(tǒng)的正常運(yùn)行。LucidPipe水輪機(jī)設(shè)計(jì)采用基于升力的獨(dú)特流體動力學(xué)原理，水流驅(qū)動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電力。水輪機(jī)可根據(jù)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場調(diào)試在最大程度保證發(fā)電的同時不對水流造成擾亂。隨著水流速度增加，機(jī)組產(chǎn)生的電力也相應(yīng)增加。LucidPipe基于升力的動力學(xué)設(shè)計(jì)，還使得系統(tǒng)能夠在較寬的流速范圍內(nèi)發(fā)電。Lucid Energy對水輪機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)室測試，以最大限度地提高效率和發(fā)電的同時限制氣蝕的發(fā)生，延長機(jī)組的使用壽命，降低維護(hù)成本。

2.3 低水頭堰壩仿生態(tài)魚道

魚道是人工修建的供魚類等生物通過水閘、大壩等障礙物的人工水槽或水道，一般適應(yīng)于低水頭水利樞紐。原始的魚道是開鑿河道中的礁石、急灘等天然障礙以溝通魚類的洄游路線，直到100年前才有了近代魚道的設(shè)計(jì)[12]。其類型包括丹尼爾式、溢流堰式、淹沒孔口式、豎縫式、組合式、特殊結(jié)構(gòu)式、仿自然式。近年來，在低水頭水利工程的過魚設(shè)施建設(shè)中，仿自然魚道由于與天然河道較為相似和有較廣的過魚對象等優(yōu)點(diǎn)，越來越被重視，成為低水頭水利工程過魚設(shè)施的發(fā)展方向之一。芬蘭修建的150余座過魚設(shè)施中就有83%是采用仿生態(tài)魚道形式，相當(dāng)一部分收到了良好的過魚效果。而韓國也計(jì)劃在4條主要河流上建設(shè)33條仿生態(tài)魚道，著名的巴西Itaipu魚道及德國Harkortsee水電站魚道，均為仿生態(tài)魚道典型案例[13]。

3 農(nóng)村水電生態(tài)修復(fù)和轉(zhuǎn)型升級

3.1 完善中小河流水能規(guī)劃

20世紀(jì)末到本世紀(jì)初是我國小水電快速發(fā)展階段，“圈河運(yùn)動”和部分中小河流無序開發(fā)對小水電開發(fā)造成的誤解，特別是對小水電截斷河流的生態(tài)偏見，至今還無法消除影響。當(dāng)前中小河流水能資源開發(fā)規(guī)劃應(yīng)更加重視對已建電站的優(yōu)化調(diào)整，以服務(wù)于農(nóng)村水能資源管理為著力點(diǎn)，為農(nóng)村水電生態(tài)修復(fù)和轉(zhuǎn)型升級提供科學(xué)依據(jù)和法律保障。中小水能資源開發(fā)規(guī)劃應(yīng)貫徹合理開發(fā)水能資源的理念，堅(jiān)持和諧相處、保護(hù)生態(tài)，根據(jù)流域特點(diǎn)，科學(xué)論證、合理確定開發(fā)方式，保障下游河道生態(tài)用水，維護(hù)河流健康生命[14]。

3.2 促進(jìn)小水電技術(shù)革新

我國是“小水電大國”，但遠(yuǎn)不是“小水電強(qiáng)國”，特別在小水電新興技術(shù)研究方面。而發(fā)達(dá)國家在小水電新技術(shù)、新材料、新設(shè)備的研究與應(yīng)用上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在我們的前面。例如，加拿大低水頭、超低水頭、微小水電等方面的研發(fā)應(yīng)用，挪威已經(jīng)擁有比較成熟的氣墊式調(diào)壓室技術(shù)以保護(hù)電站周圍植被；日本使用膠凝礫石技術(shù)筑壩以追求施工零棄料；GE水電公司“無油潤滑的轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪”以減少小水電機(jī)組油污染等。比較而言，如何促進(jìn)我國小水電技術(shù)革新已刻不容緩[15]。

3.3 擴(kuò)大開展生態(tài)示范區(qū)建設(shè)

開展生態(tài)水電示范區(qū)建設(shè)是解決農(nóng)村水電在發(fā)展過程中積累和遺留下來的生態(tài)環(huán)境問題、實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)的對策之一。生態(tài)水電示范區(qū)建設(shè)根據(jù)農(nóng)村水電發(fā)展實(shí)際，圍繞農(nóng)村水電生態(tài)修復(fù)和轉(zhuǎn)型升級的戰(zhàn)略目標(biāo)進(jìn)行開展，即以維護(hù)和改善河流生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化水能資源配置和科學(xué)利用水能資源為目標(biāo)，開展以流域、區(qū)域?yàn)閷ο蟮乃娚鷳B(tài)修復(fù)綜合治理[16]。通過技術(shù)改造包括新建或改建生態(tài)流量泄放閘孔、新建生態(tài)堰壩、增設(shè)生態(tài)機(jī)組等工程措施和非工程措施，解決或緩解因水電站造成河道脫水、減水等流域性環(huán)境問題。2015年以來，浙江省分別在臨安、安吉、開化等縣市建設(shè)了生態(tài)水電示范區(qū)試點(diǎn)，總結(jié)了一定經(jīng)驗(yàn)，取得了良好效果。

3.4 加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的建立

小水電生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的建立是小水電生態(tài)修復(fù)和轉(zhuǎn)型升級的前提，也是保障生態(tài)流量下泄有效措施之一。根據(jù)小水電對生態(tài)與環(huán)境影響特點(diǎn)，對新建電站興建前后庫區(qū)壩體下游相關(guān)地區(qū)的生態(tài)與環(huán)境實(shí)行全過程系統(tǒng)地跟蹤監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)問題并提出減免不利影響的措施、保護(hù)庫區(qū)和下游相關(guān)地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量、保障生態(tài)流量、保證水資源的持續(xù)利用；對已建電站增設(shè)小水電生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，對有可能影響生態(tài)環(huán)境的重要因素進(jìn)行定期與不定期的監(jiān)測，并對檢測結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析，提出相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境問題的對策與措施，使水電工程有利于地方經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展[15]。

3.5 全面推進(jìn)水電站標(biāo)準(zhǔn)化管理

水電站安全管理標(biāo)準(zhǔn)化是農(nóng)村水電生態(tài)修復(fù)和轉(zhuǎn)型升級的基本保障，是落實(shí)運(yùn)行管理單位安全責(zé)任、強(qiáng)化安全生產(chǎn)基礎(chǔ)、防范事故發(fā)生的重要手段。通過實(shí)施電站標(biāo)準(zhǔn)化管理，進(jìn)一步明確業(yè)主責(zé)任，時刻緊繃安全生產(chǎn)這根弦，嚴(yán)格執(zhí)行水電站管理標(biāo)準(zhǔn)和制度；進(jìn)一步明確行業(yè)主管部門責(zé)任，加強(qiáng)對水電站標(biāo)準(zhǔn)化管理的檢查和指導(dǎo)，及時糾正不嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)管理的行為，并依據(jù)相關(guān)法律法規(guī)，嚴(yán)肅處理相關(guān)責(zé)任人員。

3.6 農(nóng)村水電生態(tài)修復(fù)和轉(zhuǎn)型升級的法制保障

1)積極推進(jìn)綠色小水電的評價

借鑒瑞士的綠色水電認(rèn)證[17]、美國的低影響水電認(rèn)證制度[18]及國際水電協(xié)會的水電可持續(xù)性評估)[19]，我國已開始編制適合我國國情的《綠色小水電評價標(biāo)準(zhǔn)》，綜合考慮了環(huán)境、社會、管理和經(jīng)濟(jì)4個方面的評價內(nèi)容。目前生態(tài)綠色小水電的工作剛剛起步，下一步還需國家在政策激勵、監(jiān)管、基礎(chǔ)信息和能力建設(shè)等方面給予支持和配合，方可推動該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施。

2)探索生態(tài)修復(fù)和老舊水電站退出機(jī)制

按照流域規(guī)劃要求，對環(huán)境影響明顯、安全隱患突出、無法通過改造等手段解決的水電站，可采取逐步淘汰拆除報廢的方式，使水電站有序退出。有條件的地方，可建立政府回購制度，對關(guān)停水電站給予合理補(bǔ)償[20]。用生態(tài)電價機(jī)制推動河流生態(tài)修復(fù)、落實(shí)生態(tài)流量，是創(chuàng)造性落實(shí)農(nóng)村水電轉(zhuǎn)型升級的新機(jī)制。

3)嚴(yán)格落實(shí)水電站生態(tài)流量制度

落實(shí)生態(tài)流量，調(diào)節(jié)河道徑流，是維護(hù)河流健康生命的有效措施。對一些引水式、特別是跨流域引水的水電站，原來未明確生態(tài)流量的，要重新進(jìn)行水資源論證，通過技術(shù)改造，增設(shè)生態(tài)流量下泄設(shè)施，滿足下游河道生態(tài)流量的需求，保持一定的下泄流量。按照不同流域、河流的特征，確定水電站的最小下泄流量及調(diào)控原則，并安裝生態(tài)流量監(jiān)控設(shè)施進(jìn)行動態(tài)管理[20]。

4)推出明確有效的激勵措施

小水電的生態(tài)修復(fù)和轉(zhuǎn)型升級能否順利實(shí)施，相關(guān)激勵措施是關(guān)鍵。無論是生態(tài)水電示范區(qū)的建立，綠色小水電認(rèn)證制度的推行，還是農(nóng)村水電安全標(biāo)準(zhǔn)化的創(chuàng)建，均需要提供有效的激勵措施來支持和實(shí)現(xiàn)小水電與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的這一終極目標(biāo)?，F(xiàn)階段各項(xiàng)工作剛起步，建議采取中央、地方補(bǔ)貼等激勵措施，加大輿論宣傳。下一階段可爭取稅收優(yōu)惠和電價補(bǔ)償來推進(jìn)農(nóng)村水電的轉(zhuǎn)型升級。

5)生態(tài)電價實(shí)踐案例

福建省在永春和長汀縣探索建立農(nóng)村水電生態(tài)修復(fù)和老舊水電站退出機(jī)制。永春縣卿園、五一水庫一級、二級及長汀溪源水庫電站等4座水電站上網(wǎng)電價每千瓦時提高5分作為生態(tài)電價，這4座電站為河流生態(tài)，由發(fā)電運(yùn)行轉(zhuǎn)為生態(tài)運(yùn)行，減少了發(fā)電量，通過提高其上網(wǎng)電價，補(bǔ)償電站因運(yùn)行方式調(diào)整而減少的發(fā)電量損失。長汀縣以汀江河上游以及涂坊河流域13座電站為試點(diǎn)對象，按照“限制運(yùn)行、技術(shù)改造、轉(zhuǎn)變運(yùn)行方式、退出運(yùn)行”等4種方式進(jìn)行試點(diǎn)工作并成功通過驗(yàn)收。

4 結(jié) 論

一些發(fā)達(dá)國家發(fā)展小水電的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，發(fā)展小型和微型水電與環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)并不矛盾，應(yīng)科學(xué)全面地認(rèn)識小水電的經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)效益。我們發(fā)展小水電出現(xiàn)的一些生態(tài)環(huán)境與小水電發(fā)展不和諧的現(xiàn)象，足以令我們思考。需要借鑒先進(jìn)發(fā)達(dá)國家的成功經(jīng)驗(yàn)，更科學(xué)和合理開發(fā)規(guī)劃小水電資源，積極發(fā)展低水頭和超低水頭水力發(fā)電的產(chǎn)品技術(shù)。同時，應(yīng)堅(jiān)持生態(tài)至上的發(fā)展理念，適應(yīng)廣大群眾對良好水環(huán)境、水景觀的合理需求和殷切期盼，按照不同區(qū)域、流域特征和水電站特點(diǎn)，圍繞改善水電站與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，加快農(nóng)村水電轉(zhuǎn)型升級，持續(xù)提升農(nóng)村水電生態(tài)效益，促進(jìn)河流水生態(tài)文明建設(shè)[20]。

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責(zé)任編輯 吳 昊

2016-10-21

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目(Y915012)，南京水利科學(xué)研究院青年基金資助項(xiàng)目。

周麗娜(1984-)，女，工程師，主要從事農(nóng)村水電可持續(xù)發(fā)展研究工作。E_mail：lnzhou@hrcshp.org