仇 欣，肖晉宇，吳佳瑋，胡延龍，王 羽，彭 莉，李美儒

(1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)集團(tuán)有限公司，北京 100031；3.全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織，北京 100031；4.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院有限公司，北京 100120)

0 引 言

經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人口增長(zhǎng)帶來(lái)的能源與環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，已成為制約人類生存的關(guān)鍵因素，因此保障能源安全、轉(zhuǎn)化能源結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今世界各國(guó)的重要任務(wù)，大規(guī)模開發(fā)利用清潔的可再生能源是最有效的措施[1- 4]。水能作為一種可再生的清潔能源，具有分布廣泛、可循環(huán)重復(fù)利用、技術(shù)發(fā)展成熟以及經(jīng)濟(jì)成本低等優(yōu)勢(shì)，已在世界范圍內(nèi)獲得廣泛開發(fā)利用，是清潔能源相關(guān)戰(zhàn)略的主力技術(shù)[5-7]。

全球能源互聯(lián)網(wǎng)是全球尺度研究清潔能源大規(guī)模開發(fā)、輸送、使用的全過(guò)程平臺(tái)，旨在促進(jìn)世界能源轉(zhuǎn)型和電力發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，是加快實(shí)現(xiàn)世界能源清潔低碳、安全高效和可持續(xù)發(fā)展的有效工具[1，8-10]。全球能源互聯(lián)網(wǎng)將水能作為發(fā)展的主要對(duì)象之一，利用高精度地形數(shù)據(jù)提取數(shù)字化河網(wǎng)、獲取河流的水文數(shù)據(jù)，開展流域、國(guó)家乃至大洲范圍內(nèi)的水能資源評(píng)估，了解、掌握不同流域、國(guó)家的水能資源稟賦及其分布特性。在此基礎(chǔ)上，本文構(gòu)建一套全球尺度的水能資源評(píng)估的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、一般技術(shù)流程與方法體系，針對(duì)全球水能資源評(píng)估提出了一套適用于內(nèi)業(yè)工作的數(shù)字化評(píng)估方法與流程，構(gòu)建了河流水能資源理論蘊(yùn)藏量、技術(shù)可開發(fā)量評(píng)估和電站開發(fā)經(jīng)濟(jì)性測(cè)算模型，并結(jié)合非洲剛果河流域水能資源評(píng)估案例進(jìn)行了實(shí)證研究。

1 研究背景

1.1 水能資源評(píng)估概述

水能資源評(píng)估是指導(dǎo)水能資源技術(shù)與經(jīng)濟(jì)開發(fā)利用的基礎(chǔ)。廣義水能資源包括河川水能、潮汐水能、波浪能、海流能等；狹義水能資源指蘊(yùn)藏于河川和海洋水體中的勢(shì)能和動(dòng)能，本文主要研究狹義水能資源。反映水能資源量的一個(gè)重要指標(biāo)是水能理論蘊(yùn)藏量，其計(jì)算主要由河道上下游水位差和流量決定。劉鑫等[11]研究了河段的劃分和控制斷面的選擇對(duì)于水能蘊(yùn)藏量計(jì)算的影響，指出在實(shí)際工作中河段數(shù)越多，計(jì)算的理論蘊(yùn)藏量越接近真值。曹麗軍[12]通過(guò)勢(shì)能法與理論站址法推算了水能蘊(yùn)藏量計(jì)算公式。談戈等[13]分析了流域分布式水文模型、空間插值、四維同化技術(shù)等方法在無(wú)資料地區(qū)水文預(yù)報(bào)中的意義和作用。唐洪波等[14]研究發(fā)現(xiàn)，基于DEM及ArcGIS水文分析功能可應(yīng)用于少資料地區(qū)水能資源評(píng)估。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要結(jié)合應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)評(píng)估水能資源[15-17]。

我國(guó)已經(jīng)開展了3次全國(guó)范圍內(nèi)的水力資源普查[18]。王翠翠[19]將灤河干流劃分為37段，計(jì)算了其水能蘊(yùn)藏量。李璐等[20]通過(guò)收集地形、降雨以及徑流資料，通過(guò)直接計(jì)算徑流值與移用徑流系數(shù)的方法，估算奧果韋河流域理論蘊(yùn)藏量。徐志等[7]通過(guò)對(duì)全球各大洲、各國(guó)水能資源等分析對(duì)比，從宏觀角度明確我國(guó)水能資源開發(fā)利用水平。

1.2 水能資源數(shù)據(jù)獲取

水能資源評(píng)估的關(guān)鍵是依托數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)生成數(shù)字化河網(wǎng)，獲取落差、比降、集水面積等河流特征參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合河流徑流量等水文數(shù)據(jù)開展資源的評(píng)估。

數(shù)字高程模型是通過(guò)有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面地形的數(shù)字化模擬，可通過(guò)遙感、攝影測(cè)量、地面測(cè)量等手段獲取數(shù)據(jù)，是區(qū)域性水電規(guī)劃獲取地形圖的主要方法和高效手段。目前覆蓋全球的高精度地形數(shù)據(jù)集主要包括ASTER GDEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品、SRTM DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品等，能提供全球陸地范圍80%以上最高地面分辨率30 m的DEM數(shù)據(jù)[21]。

水文數(shù)據(jù)用于描述河流、湖泊等水體的特征值，包含降水、蒸發(fā)、下滲、水位、流量、泥沙、水質(zhì)等，是涉水工程在規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工階段重要的基礎(chǔ)資料，一般通過(guò)建立永久或臨時(shí)的水文站點(diǎn)觀測(cè)獲取。目前能支撐開展全球河流水能資源評(píng)估的水文數(shù)據(jù)集主要是全球徑流數(shù)據(jù)中心(GRDC)，該數(shù)據(jù)集收集了全球9 900余座水文站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，能提供逐日、逐月、多年平均等徑流數(shù)據(jù)。

1.3 水電站選址影響因素?cái)?shù)據(jù)獲取

開展河流技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量評(píng)估需要進(jìn)行電站選址。影響電站選址的因素包括水文、地質(zhì)、環(huán)保、移民等多個(gè)方面。本文選取互聯(lián)網(wǎng)公開數(shù)據(jù)資料，收集整理全球衛(wèi)星影像、全球地物覆蓋、全球保護(hù)區(qū)分布、全球水庫(kù)和湖泊分布、全球地震和斷層分布、全球地質(zhì)巖層分布、全球城鎮(zhèn)與人口分布、全球已建水電站分布、全球電網(wǎng)分布、全球交通基礎(chǔ)設(shè)施分布等符合全球尺度的地理信息數(shù)據(jù)集。

1.4 水能資源評(píng)估方法

水能資源評(píng)估主要包含表征河流水能勢(shì)能大小的水能理論蘊(yùn)藏量，表征河流水能可轉(zhuǎn)化為其他形式能量(主要是電能)大小以及價(jià)值的技術(shù)可開發(fā)量和經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量。

(1)水能理論蘊(yùn)藏量與河流地形落差和徑流量直接相關(guān)。河道天然落差取決于地形，一般情況下區(qū)域地形較為穩(wěn)定。流域內(nèi)河流雖受全球氣候變化、區(qū)域環(huán)境變化、人類活動(dòng)影響等存在一定變化，但其多年平均徑流量相對(duì)穩(wěn)定。因此，河流的水能理論蘊(yùn)藏量是相對(duì)固定和客觀的，是評(píng)價(jià)河流水能資源大小的宏觀指標(biāo)，是本次研究的重點(diǎn)。

(2)技術(shù)可開發(fā)量是以河流理論蘊(yùn)藏量評(píng)估結(jié)果為基礎(chǔ)，剔除不宜開發(fā)水電的河段資源。對(duì)可開發(fā)的河段，依據(jù)當(dāng)前的水電開發(fā)技術(shù)水平和機(jī)電設(shè)備參數(shù)性能開展梯級(jí)水電站布置，計(jì)算電站的裝機(jī)、發(fā)電量等工程參數(shù)。可用整條河流布置梯級(jí)的裝機(jī)總量或多年平均總發(fā)電量來(lái)表示該河流的技術(shù)可開發(fā)量。

(3)經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量是在技術(shù)可開發(fā)量的基礎(chǔ)上，綜合考慮影響水電投資的經(jīng)濟(jì)性因素，并與可對(duì)比的替代電源成本或受電地區(qū)可承受的電力成本(電價(jià))進(jìn)行對(duì)比，選出當(dāng)前條件下整條河流中適宜開發(fā)的梯級(jí)電站，用其裝機(jī)總量或多年平均總發(fā)電量來(lái)表示經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量。

1.5 存在問(wèn)題

現(xiàn)有大部分研究空間尺度較小，主要針對(duì)單條河流或流域開展水能資源評(píng)估，而針對(duì)國(guó)家或大洲的水能資源評(píng)估研究主要以數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計(jì)分析為主。當(dāng)進(jìn)行宏觀層面水能資源的空間分布特征分析時(shí)，被匯總到行政單位一級(jí)的信息缺乏空間細(xì)節(jié)。同時(shí)，在進(jìn)行水能資源評(píng)估，特別是技術(shù)可開發(fā)量和經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量評(píng)估時(shí)，需要考慮水文、地質(zhì)、環(huán)保、移民、收益率等多方面因素，涉及大量的數(shù)據(jù)收集與分析工作，很多數(shù)據(jù)還需去現(xiàn)場(chǎng)收集。大量開展現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集的工作方式并不適合在全球范圍尺度上開展水能資源評(píng)估研究。

因此，在開展全球尺度下的水能資源評(píng)估應(yīng)增加分析方法的彈性，既要能展示大洲、國(guó)家等較大空間尺度下的水能資源分布的細(xì)節(jié)特征，也要能從流域、河流等微觀層面計(jì)算出理論蘊(yùn)藏量、技術(shù)可開發(fā)量。此外，在模型中還需要考慮數(shù)據(jù)收集的可行性，關(guān)注影響評(píng)估的主要因素，提出通用性的解決方案，為政策制定者和商業(yè)投資人提供實(shí)用的建議。總之，面對(duì)全球范圍內(nèi)清潔能源的評(píng)估與開發(fā)需求，開展兼具大空間宏觀尺度與河流等微觀層面相結(jié)合的水能資源評(píng)估研究，整合全球水能資源評(píng)估所需的數(shù)據(jù)，構(gòu)建通用的標(biāo)準(zhǔn)水能資源評(píng)估模型與數(shù)字化計(jì)算框架十分必要。

2 水能資源評(píng)估方法

2.1 理論蘊(yùn)藏量

河流水能資源理論蘊(yùn)藏量是河流水力勢(shì)能的多年平均值，由河流多年平均流量和全部落差經(jīng)逐段計(jì)算得到。理論上，水能資源蘊(yùn)藏量的計(jì)算應(yīng)采用有限元法，離散化處理河段長(zhǎng)度并逐段計(jì)算，通過(guò)增加單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)量，提高數(shù)值近似精度。但在操作中，由于條件復(fù)雜多變、數(shù)據(jù)量大、計(jì)算繁瑣而不被采用。水能資源理論蘊(yùn)藏量是一個(gè)宏觀指標(biāo)，按一般分段計(jì)算即可滿足應(yīng)用要求。實(shí)際工作中，通過(guò)合理設(shè)置河流上下斷面，進(jìn)行分段計(jì)算并累積獲得評(píng)估結(jié)果。

數(shù)字化評(píng)估水能資源理論蘊(yùn)藏量，首先，以衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)獲得數(shù)字化高程模型，形成數(shù)字化河網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)提取河流支流匯入點(diǎn)、比降突變點(diǎn)和河口位置，在滿足斷面間距要求的前提下，合理確定控制斷面生成河段；然后，以河流徑流量等水文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合河流或湖泊年降水量、河段區(qū)間集水面積等信息，計(jì)算得到河段流量信息，進(jìn)而完成水能資源理論蘊(yùn)藏量的測(cè)算。計(jì)算流程見圖1。

圖1 水能資源理論蘊(yùn)藏量計(jì)算流程

基于上下斷面高程差、河段年平均徑流量計(jì)算理論蘊(yùn)藏量，公式為

ETRWater=ρ·g·Q·ΔH·t

(1)

式中，ETRWater為河流水能資源理論蘊(yùn)藏量；ρ為河水密度；g為重力加速度；Q為年平均徑流量；ΔH為上下斷面高程差；t為小時(shí)數(shù)，取8 760 h。

對(duì)水能資源進(jìn)行評(píng)估時(shí)，應(yīng)按從河段到河流、從支流到干流的原則逐級(jí)統(tǒng)計(jì)理論蘊(yùn)藏量。一條河流、一個(gè)水系或一個(gè)地區(qū)的水能資源理論蘊(yùn)藏量是其范圍內(nèi)各河段理論蘊(yùn)藏量的總和。對(duì)于界河，其河段理論蘊(yùn)藏量可按界河兩岸各50%分別計(jì)入。水能資源理論蘊(yùn)藏量可根據(jù)其值分為最豐富、很豐富、豐富、一般4個(gè)級(jí)別(見表1)，便于重點(diǎn)分析。

表1 水能資源理論蘊(yùn)藏量等級(jí)

2.2 技術(shù)可開發(fā)量

河流水能資源技術(shù)可開發(fā)量是指存在于河流中，在當(dāng)前技術(shù)水平條件下，通過(guò)修建水庫(kù)、電站等工程設(shè)施，可開發(fā)利用的水能資源的量值[22]。技術(shù)可開發(fā)量隨技術(shù)水平和社會(huì)、環(huán)境等外部條件的變化有所不同。對(duì)于河流技術(shù)可開發(fā)量的評(píng)估，首先收集已建、在建電站信息，然后針對(duì)未開發(fā)的河段開展數(shù)字化規(guī)劃選址，最后將上述電站都納入技術(shù)可開發(fā)量統(tǒng)計(jì)。

本文所開展的水電站數(shù)字化規(guī)劃選址方法以河流水能利用最大化為選址出發(fā)點(diǎn)，面向項(xiàng)目建議書階段開展規(guī)劃。采用內(nèi)業(yè)工作方法，利用收集的DEM、水文、選址影響因素等數(shù)據(jù)開展數(shù)字化規(guī)劃。數(shù)字化規(guī)劃以數(shù)字化河網(wǎng)為基礎(chǔ)劃分流域干支流及對(duì)應(yīng)的分水嶺。通過(guò)水文、河段比降、河兩岸等高線分布、衛(wèi)星影像選取流量大、落差集中的河谷狹窄處作為初擬壩址，擬定正常蓄水位生成庫(kù)區(qū)。疊加地質(zhì)災(zāi)害、巖層、自然保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)確保壩址及庫(kù)區(qū)位置地質(zhì)條件較好，遠(yuǎn)離斷裂、地震高發(fā)區(qū)域，且不位于自然保護(hù)區(qū)內(nèi)。通過(guò)地物覆蓋數(shù)據(jù)、城鎮(zhèn)與人口分布數(shù)據(jù)和交通設(shè)施數(shù)據(jù)計(jì)算庫(kù)區(qū)影響的城鎮(zhèn)、道路、用地和人口數(shù)量，減少對(duì)城市、耕地、森林等不宜淹沒土地的占用。經(jīng)過(guò)比選后選定最終壩址位置，計(jì)算水電站特征水位、調(diào)節(jié)庫(kù)容、裝機(jī)容量、引用流量、發(fā)電量等工程參數(shù)。本文采用發(fā)電量最高的方案計(jì)入河流的技術(shù)可開發(fā)量，評(píng)估流程見圖2。表2為影響電站選址的部分限制性因素。

圖2 水能資源技術(shù)可開發(fā)量評(píng)估流程

按照流域評(píng)估技術(shù)可開發(fā)量，當(dāng)流域選定范圍內(nèi)的水系發(fā)育、支流眾多時(shí)，干流及重要一級(jí)支流為重點(diǎn)研究河段，是水能資源開發(fā)利用的主要河段，可進(jìn)行大中型電站布置；對(duì)小型一級(jí)支流及二級(jí)支流可進(jìn)行小電站布置。將各梯級(jí)電站的裝機(jī)容量相加即得到河段流域的技術(shù)可開發(fā)量。評(píng)估公式為

(2)

表2 水電站選址限制性因素

式中，PTPWater為水能資源技術(shù)可開發(fā)量；ptec為符合技術(shù)開發(fā)條件的梯級(jí)電站容量。

2.3 經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量

河流水能資源經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量是指在當(dāng)前技術(shù)水平條件下，通過(guò)修建水庫(kù)、電站等工程措施，可開發(fā)利用且具有經(jīng)濟(jì)可開發(fā)價(jià)值的水能資源的量值[22]。其評(píng)估過(guò)程需要考慮水能資源條件、工程樞紐投資、移民環(huán)保投資、電網(wǎng)接入條件、消納市場(chǎng)替代電源投資水平等內(nèi)容。面向全球尺度與項(xiàng)目前期階段，受限于內(nèi)業(yè)為主的數(shù)據(jù)收集方式，難以開展完整的河流經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量評(píng)估。除將已建、在建、已完成水電開發(fā)規(guī)劃的電站計(jì)入經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量外，對(duì)于開展了數(shù)字化規(guī)劃的電站進(jìn)行以開發(fā)成本為主的經(jīng)濟(jì)性分析，將有開發(fā)價(jià)值的電站也納入其中。

電站經(jīng)濟(jì)性分析采用平準(zhǔn)化度電成本模型。參考電站數(shù)字規(guī)劃成果中的裝機(jī)容量、年發(fā)電量、庫(kù)容、壩型、壩高等參數(shù)，類比國(guó)內(nèi)相似工程，同時(shí)，參考本地水電工程造價(jià)水平進(jìn)行估算，得出投資的初步范圍。結(jié)合電站所在國(guó)發(fā)展水平以及融資利率、稅率等金融參數(shù)，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)與實(shí)際需要，以經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，在實(shí)現(xiàn)建設(shè)期與運(yùn)行期逐年現(xiàn)金流測(cè)算的基礎(chǔ)上，獲得水電站度電成本。經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量評(píng)估公式為。

(3)

式中，PEPWater為水能經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量；peco為具有經(jīng)濟(jì)可開發(fā)價(jià)值的梯級(jí)電站裝機(jī)容量。

3 剛果河流域水能資源評(píng)估研究

剛果河長(zhǎng)約4 640 km，位于非洲中西部，是僅次于尼羅河的非洲第二長(zhǎng)河，流域面積約370萬(wàn)km2，源于贊比亞境內(nèi)的東非大裂谷的高地山區(qū)，主要流經(jīng)贊比亞、剛果民主共和國(guó)、剛果共和國(guó)與安哥拉等國(guó)家，最終注入大西洋。剛果河干流落差1 510 m，平均比降0.33‰，水量充沛，是世界著名的大河。流域水能開發(fā)潛力巨大，現(xiàn)有開發(fā)規(guī)模尚不足水能蘊(yùn)藏量的1%。

開展剛果河流域水能資源的數(shù)字化評(píng)估測(cè)算，獲得干流及流域內(nèi)主要支流的水能資源理論蘊(yùn)藏量，遴選出適宜開發(fā)水電工程且未利用的河段，開展數(shù)字化規(guī)劃選址并評(píng)估電站裝機(jī)規(guī)模與開發(fā)成本，將有效助力非洲水能開發(fā)和利用，提振剛果河流域水電基礎(chǔ)設(shè)施投資信心，推進(jìn)能源清潔化發(fā)展進(jìn)程。剛果河水能資源豐富，主要集中在干流上，但干流長(zhǎng)度長(zhǎng)且流經(jīng)國(guó)家多，中游穿過(guò)全球第二大熱帶雨林，不宜大規(guī)模開發(fā)，收集梯級(jí)布置及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)所需的數(shù)據(jù)較困難，通過(guò)數(shù)字化手段開展整個(gè)干流的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量評(píng)估難度較大。因此，本次水能資源評(píng)估以干流的理論蘊(yùn)藏量分析為重點(diǎn)，僅選取干流蘊(yùn)藏量最為豐富的下游河段開展技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量評(píng)估。

3.1 水能資源理論蘊(yùn)藏量

3.1.1 水能資源理論蘊(yùn)藏量概況

基于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和算法模型，建立剛果河流域數(shù)字化河網(wǎng)，共包含102 905個(gè)河段，總長(zhǎng)度約17萬(wàn)km，覆蓋了370萬(wàn)km2的流域面積，流域水能資源理論蘊(yùn)藏量為23 848.5億kW·h/a。通過(guò)計(jì)算，剛果河干流與主要支流的水能資源理論蘊(yùn)藏量為13 653.9億kW·h/a，占比約57.25%；其次為開賽河，理論蘊(yùn)藏量為3 806.6億kW·h/a，占比15.96%；烏班吉河與盧庫(kù)加河理論蘊(yùn)藏量分別為1 548.2億kW·h/a和1076.5億kW·h/a，分別占比約為6.49%和4.51%。

3.1.2 干流理論蘊(yùn)藏量分析

剛果河干流以贊比亞境內(nèi)的謙比西(Chambeshi)河為源頭，上游由盧阿普拉(Luapula)河、盧武阿(Luvua)河、盧阿拉巴(Lualaba)河組成；中游河段自基桑加尼(Kisangani)起至金沙薩(Kinshasa)，主要位于剛果盆地中部，流經(jīng)世界第二大熱帶雨林；剛果河下游較短，在金沙薩和大西洋入?？谥g，長(zhǎng)約400 km，落差達(dá)280 m，河道平均比降0.70‰，流域面積約10萬(wàn)km2，水能資源極為集中。表3為剛果河干流分河段水能資源理論蘊(yùn)藏量分布。

表3 剛果河干流分河段水能資源理論蘊(yùn)藏量 億kW·h/a

剛果河干流水能資源主要分布在剛果民主共和國(guó)，理論蘊(yùn)藏量為10 668億kW·h/a，占比約78%；其次為剛果共和國(guó)，理論蘊(yùn)藏量為1 892.6億kW·h/a，占比約14%；安哥拉水能理論蘊(yùn)藏量為692.2億kW·h/a，占比約5%。

3.2 水能資源技術(shù)可開發(fā)量

剛果河上、中、下游河流特性以及兩岸經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r很不相同。其中，上游段多匯流、湖泊、瀑布和險(xiǎn)灘，水流湍急，可滿足發(fā)電需求；中游段河道縱坡平緩，水量豐富，水流平穩(wěn)，兩岸多沼澤、熱帶雨林分布，城鎮(zhèn)相對(duì)密集，水能資源條件和開發(fā)條件均較差，不適宜開發(fā)大型電站；下游水量大，水流湍急，河面收窄，多瀑布，無(wú)通航條件，可滿足發(fā)電需求。根據(jù)測(cè)算，剛果河干流水能資源集中水能富集河段為上、下游區(qū)域。其中，金沙薩以下的下游河段理論蘊(yùn)藏量9 658.6億kW·h/a，占干流總蘊(yùn)藏量的70%，非常適合開發(fā)水電，也是本次水能資源技術(shù)可開發(fā)量的評(píng)估重點(diǎn)。剛果河下游河段全長(zhǎng)約400 km，落差280 m，平均比降0.70%。金沙薩(Kinshasa)～盧奧濟(jì)(Luozi)河段兩岸地貌以丘陵為主，地質(zhì)條件穩(wěn)定，無(wú)大型斷裂與地震帶，周邊無(wú)自然保護(hù)區(qū)，兩岸人口稀少無(wú)大面積城鎮(zhèn)和田地分布，有較好的建壩和成庫(kù)條件。

(1)在皮奧卡(Pioka)處布置1座梯級(jí)電站，采用混凝土重力壩，最大壩高約90 m。庫(kù)區(qū)面積約190 km2，涉及淹沒的林地、灌叢等面積約為80 km2，庫(kù)區(qū)內(nèi)人口密度約30人/km2，未淹沒公路等基礎(chǔ)設(shè)施造。

(2)盧奧濟(jì)(Luozi)～英加鎮(zhèn)(Inga)河段坡降較大，沿途多跌水、瀑布，兩岸以山體為主，河谷收窄。其中，英加鎮(zhèn)北側(cè)有一山間盆地，地形開闊，具有較好成庫(kù)條件，可布置1座梯級(jí)電站。采用混凝土重力壩，最大壩高約60 m，庫(kù)區(qū)面積約210 km2，涉及淹沒的林地、灌叢等面積約為100 km2，庫(kù)區(qū)內(nèi)人口密度約25人/km2，未淹沒公路等基礎(chǔ)設(shè)施造。

(3)英加鎮(zhèn)(Inga)～馬塔迪(Matadi)河段兩岸以丘陵為主，河谷狹長(zhǎng)，成庫(kù)條件較好，可在馬塔迪鎮(zhèn)附近河段布置1梯級(jí)電站，采用混凝土重力壩，最大壩高約43 m。庫(kù)區(qū)面積約23 km2，涉及淹沒的林地、灌叢等面積約為9 km2，庫(kù)區(qū)內(nèi)人口密度約60人/km2，未淹沒公路等基礎(chǔ)設(shè)施造。

(4)馬塔迪以下河段較為平緩，兩岸地形平坦，開發(fā)條件差，基本不具備水電開發(fā)條件。

圖3給出了3個(gè)梯級(jí)電站的位置示意。圖4給出了3個(gè)梯級(jí)電站庫(kù)區(qū)主要地面覆蓋物分類示意。表4給出了3個(gè)梯級(jí)電站的主要技術(shù)參數(shù)。

圖3 剛果河下游河段梯級(jí)水電站布置

圖4 剛果河下游河段梯級(jí)水電站庫(kù)區(qū)主要地面覆蓋物分類示意

表4 剛果河下游梯級(jí)電站主要技術(shù)參數(shù)

3.3 水能資源經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量

根據(jù)剛果河下游開發(fā)條件，擬開發(fā)的3個(gè)梯級(jí)電站的工程規(guī)模、壩型、壩長(zhǎng)、壩高、機(jī)組數(shù)量等情況，類比國(guó)內(nèi)三峽水電工程，同時(shí)參考當(dāng)?shù)毓こ淘靸r(jià)水平得出投資的初步范圍。根據(jù)水電工程投資、電站運(yùn)維成本、當(dāng)?shù)刎?cái)稅政策、投資收益水平等條件，測(cè)算上網(wǎng)電價(jià)。表5給出了剛果河下游3個(gè)梯級(jí)電站的經(jīng)濟(jì)性測(cè)算結(jié)果。剛果河下游水電站可向非洲西部、南部、東部以及北部輸電。通過(guò)計(jì)算水電站上網(wǎng)電價(jià)并與送電目標(biāo)市場(chǎng)電源平均價(jià)格水平進(jìn)行比較可知，上網(wǎng)電價(jià)比目標(biāo)市場(chǎng)電源平均電價(jià)低約2～5美分/(kW·h)[23]。

表5 剛果河下游梯級(jí)電站經(jīng)濟(jì)性測(cè)算

綜上，集中開發(fā)剛果河下游3個(gè)梯級(jí)電站，能充分利用其巨大的水能資源優(yōu)勢(shì)，有效攤薄全周期投資，且輸送端上網(wǎng)電價(jià)低，電價(jià)具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，剛果河下游河段的技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)均滿足經(jīng)濟(jì)性要求，具有巨大的規(guī)?；_發(fā)潛力。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了一套面向全球清潔能源評(píng)估應(yīng)用的水能資源量化評(píng)估方法，提出了理論蘊(yùn)藏量、技術(shù)可開發(fā)量和經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量3個(gè)維度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，構(gòu)建了數(shù)字化量化測(cè)算模型，可實(shí)現(xiàn)覆蓋全球范圍從河流、流域到國(guó)家的水能資源評(píng)估研究，并應(yīng)用于非洲剛果河干流水能資源評(píng)估，結(jié)論如下：

(1)按照水能資源理論蘊(yùn)藏量計(jì)算，剛果河流域水能資源蘊(yùn)藏總量為23 848.5億kW·h/a，干流理論蘊(yùn)藏量為13 653.9億kW·h/a，干流下游河段理論蘊(yùn)藏量為9 658.6億kW·h/a。

(2)考慮資源條件、技術(shù)水平、地形地貌、土地利用類型等限制性影響因素，剛果河下游河段的技術(shù)可開發(fā)量110 000 MW，年發(fā)電量6 811億kW·h，約為理論蘊(yùn)藏量的70%。

(3)經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量評(píng)估主要與電站造價(jià)、投資收益、上網(wǎng)電價(jià)等經(jīng)濟(jì)性參數(shù)等有關(guān)，剛果河下游經(jīng)濟(jì)可開發(fā)規(guī)模為110 000 MW，平均上網(wǎng)電價(jià)為4～4.8美分/(kW·h)，比目標(biāo)市場(chǎng)電源平均電價(jià)低約2～5美分/(kW·h)。