水能资源健康可开发利用率初探

摘要：
        按照“维护健康长江，促进人水和谐”治江新理念，长江水利委员会于2005年提出了《维护健康长江提要》，并从总体层、系统层、状态层和要素层4个不同的层面建立了健康长江评价指标体系，提出了14个评价长江健康状况的基本指标，其中一个重要的指标为水能资源健康开发利用率指标，旨在满足河流健康要求前提下为合理开发长江水能资源服务。根据健康长江评价指标体系设计原则，分析拟定水能资源健康评价指标，在此基础上运用层次分析法对指标的分项权重进行确定，建立水能资源健康可开发利用率评价指标模型。此模型可为合理开发长江水能资源、实现长江水资源可持续发展提供决策支持服务，也可为其它相关专题的研究提供借鉴。 
关 键 词: 水能资源健康可开发率;水能资源健康可利用率;层次分析法;评价指标
中图分类号: TV213 文献标识码: A
1 全国水能资源概况
1.1 水力资源总量 
　　我国幅员辽阔，国土面积达960万km2 ，分布着7大水系。流域面积100km2 以上的河流有5万多条，1000km2 
　　 以上的也有1500多条，大多数河流具有落差大，水量丰沛的特点，蕴藏着丰富的水力资源。根据2003年全国水力资源复查成果，包括理论蕴藏量、技术可开发量和经济可开发量，主要数据见表1，均居世界各国同类资源量统计的首位。
　　1.2 水力资源在能源资源中的地位
　　我国常规能源资源（按使用100a计算）探明（技术可开发）总储量约8450亿t标准煤，探明剩余可采（经济可开发）总储量为1590亿t标准煤，分别约占世界总量的2.6%和11.5%。我国常规能源以煤炭和水能为主，水能仅次于煤炭，在能源探明总储量的构成和能源剩余可采总储量的构成中，水能均居第2位，分别占11.9%和44.6%。世界上一些国家水能按200a计算其资源储量，按这种计算方式，我国水能剩余可采总量在常规能源构成中的比例则超过60%。由此可见，水能在我国能源资源中具有举足轻重的地位和作用。中国目前80%的发电量来自于煤炭，但由于煤电的污染严重，加上目前二氧化碳等“温室气体”排放量仅次于美国，已经过大，煤电的发展将受到影响。我国正在对能源结构进行大规模的调整，加快水电开发应是能源发展的较好补充。
1.3 当前水电开发存在的一些问题
　　水电发展在不同时期受到不同的制约，先后经历了技术制约、投资制约、市场制约和生态制约4个发展阶段。根据有关规划，到2020年中国水电装机容量将由目前的约1亿kW发展到2.5亿kW。加快水电开发进程势所必然，但在当前加快水电建设形势下出现了一些十分令人担忧的问题:①缺乏明确的生态与环境保护措施;②部分流域水电开发仍缺乏统一规划、已有的河流规划亟待完善、审批;③建设管理机构缺乏协调机制等等。从根本上说，水能资源的开发利用需要正确处理开发与保护的关系，水电工程项目的选择、建设和运营都要与生态系统保护和生态与环境建设相适应，真正体现生态效益、经济效益、社会效益的统筹兼顾。

　　水电应加快开发，但开发不能以牺牲环境和整体的长远经济、社会利益为代价，应当在充分考虑水资源的生态、环境和景观等功能的综合开发模式下进行。

 2 水能资源健康开发利用指标及其应用
　　按照“维护健康长江，促进人水和谐”治江新理念，长江水利委员会于2005年提出了《维护健康长江提要》（以下简称《提要》），并从总体层、系统层、状态层和要素层4个不同的层面建立了健康长江评价指标体系，提出了14个评价长江健康状况的基本指标，其中一个重要的指标为水能资源健康开发利用率指标，旨在满足河流健康要求前提下为合理开发长江水能资源服务。

2.1 指标计算基础数据采纳
　　水能资源的量化指标有理论蕴藏量、技术可开发量、经济可开发量等，通常用装机容量或年发电量表达。若以装机容量计，由于理论蕴藏量、技术可开发量为河流落差和水量具有的能量指标，而经济可开发量一般根据电站性能、规模、电力系统需求及技术经济性拟定，其规模有可能大于技术可开发量或理论蕴藏量，不能真实反映河流的开发能量比重;而发电量指标可真实反映河流的发电能力，规律是:理论蕴藏量大于技术可开发量，技术可开发量大于经济可开发量。因此，水能资源开发利用率指标宜采用年发电量作为基础计算数据。此外，技术可开发量及经济可开发量亦具有一定的时效性，随着人类生产技术水平的提高，经济的发展，当前制约性的环境因素极有可能发生变化，技术可开发量及经济可开发量亦可能随之改变。

2.2 研究指标
　　水能资源健康开发利用指标涉及两个方面:即水能资源健康利用率与水能资源健康开发率。无论任何一个方面均与水能资源健康开发量密切相关。一个流域（河流）水能资源健康开发量指在以人为本的科学发展观指导下，充分考虑河流综合利用的用水需求、维持基本生态健康的用水需求以及预测的其它用水需求，以某河流经济可开发水能资源量减去因满足生态与环境要求和其它用水要求损失的年电量作为水能资源健康开发量。可用公式表示为:

　　E健康 =［E经济 （1-Φ1 ）+（E技术 -E经济 ）（1-Φ2 ）］（1）
　　式中E健康 为某一流域水能资源健康开发量;E经济 为某一流域经济可开发水能资源量;Φ1
　　为对现阶段流域（河流）内所有经济可开发枢纽因考虑满足生态与环境用水需求、考虑随着社会经济发展人类赋予河流新的功能而损失年发电量占原经济可开发枢纽年发电量的比重。Φ2
　　为对现阶段流域（河流）内技术可开发但开发不经济的所有枢纽，考虑为满足生态与环境用水需求以及为将来可能赋予河流新的功能留有余地而损失年发电量占原技术可开发水能资源与经济可开发水能资源差值的比重。
（1）水能资源健康利用率，即某流域（河流）水能资源健康开发量与其理论蕴藏量的比值。可用公式表示为: E利用 =E健康/E理论
（2） 式中E健康 为某一流域水能资源健康开发量;E理论 为某一流域水能资源理论蕴藏量;K利用 为某一流域适度开发利用，实现了“水资源可持续利用、河流生态良好”下的水能资源健康利用率。
（2）水能资源健康开发率，即某流域（河流）水能资源健康开发量与其技术可开发量的比值。鉴于经济可开发水能资源量受自然地理、社会经济水平、技术水平等因素尤其是社会经济水平的制约，对于不同的水平年，其经济可开发水能资源量可能发生较大的变化，而现今的水能开发技术已较为成熟，不存在明显的技术制约，技术可开发水能资源是相对稳定的，因此作者认为取技术可开发水能资源作为研究水能资源健康开发率的对比量比较合适。用公式表示为:  E开发 =E健康/E技术 （3） 式中E健康 为某一流域水能资源健康开发量;E技术 为某一流域技术可开发枢纽年发电量;E开发 为某一流域水能资源健康开发量占该流域技术可开发枢纽年发电量的比重，即水能资源健康开发率。
                 
2.3 指标计算方法
　　影响河流水能开发利用的因素很多，有些因子可以度量和确定，而有些因子尽管能很好地反映出系统中某一方面的状态或某几个方面间的相互关联，但要将这些因子定量化，使其具有较强可操作性，用一般统计方法却很困难。事实上在某些因子的研究还未能进入定量规律的情形下，统一地采用定量方法来确定其指标值也是不科学的。对于影响水能开发利用指标的因素权重的确定有很多种方法，目前较常用的有德尔菲法、均方差法、回归分析法、灰关联分析法、层次分析法以及主成份分析法等6种方法，每一种方法都有其自身特点和适用范围。由于层次分析法将定量计算与定性分析相结合，且计算方法成熟简便，本文在对水能资源开发特点和诸多评价方法优劣综合分析比较的基础上，选取层次分析法作为权重因子的计算方法。

　　将长江水能资源开发标准分为3级设置，即目标层、准则层及方案层。通过分层设置，计算方案层指标的权重，累加所得即为综合损失总权重，即Φ=
                  ∑ni=1 ηi ，i=1，2，…，n。开发评价标准研究见表2，亦可以表示为树型层次结构，简化如图1所示。
　　从概念上说，方案层权重的计算分母应为不考虑综合利用要求的规划梯级纯发电开发年发电量，各项η均为考虑河流满足各项要求（服务功能、生态功能及其它利用要求）后损失电量与规划梯级纯发电开发电量的比值。河流规划梯级一般均要求具有多项服务功能和满足其它需求，不可能先设定成以发电为单一开发目标的规模，再扣减满足各项要求后的损失电量，因此，确定梯级纯发电开发的年发电量是不切实际的。在水力资源复查时，统计的规划梯级开发方案年发电量考虑了河流的综合利用要求，为扣除综合利用后的经济或技术可开发年发电量。而且为理顺关系，体现经济可开发水能资源、技术可开发经济可开发水能资源的差值中不同开发方式（坝式、引水式、混合式）的年发电量分别占上述电量的比例，也宜选用考虑河流综合利用电量损失后的梯级年发电量作为分母计算损失权重。鉴于水力资源复查成果的规划梯级已考虑了综合利用要求，计算综合损失总权重时，对满足服务功能的电量损失权重将不作重复计算，即###。水能资源健康开发量、水能资源健康利用率以及水能资源健康开发率的计算均以现有的《长江流域综合利用规划简要报告》为基础，以《中华人民共和国水力资源复查成果》（长江卷）提供的基本数据为依据，以电量计。

2.4 应用实例
　　根据前述介绍的权重因子计算方法，对长江流域上典型区域嘉陵江与乌江进行了两个指标的模拟。
　　（1）水能资源健康可利用率。考虑充分发挥河流的服务功能、满足生态功能及其它后续功能用水要求，对现有的河流规划梯级的发电量指标进行适当调整，调整后乌江总损失电量为32.56亿kW•h，综合损失总权重为0.06，乌江水能资源健康开发量为506.72亿kW•h，其水能资源健康可利用率为56.57%。嘉陵江总损失电量为52.13亿kW•h，综合损失总权重为0.107，水能资源健康开发量为433.82亿kW•h，则水能资源健康可利用率为 30.69%。
　　（2）水能资源健康可开发率。在满足服务功能、生态功能及其它后续功能用水需求的条件下，对河流规划梯级的发电量指标进行适当调整，调整后乌江水能资源健康开发率为93.96%，嘉陵江水能资源健康可开妇率为89.27%。
　　从乌江和嘉陵江水能资源健康利用率与健康开发率的计算成果来看，综合损失总权重在0.1左右（两个流域合并计算的综合损失总权重约0.083），说明原河流规划充分考虑了河流的特性和开发任务，是合理可行的。只是限于当时经济发展和认识水平，河流的生态维护在原规划中考虑的还不完善，但从综合损失权重的数据来看，在原规划调整范围之内。

3 结论建议
　　（1）本研究中对长江流域典型区域水能资源健康可开发利用率进行了模拟，从其成果看，原河流综合规划较充分地考虑了河流的特性和开发任务。
　　（2）从长江流域典型区域水能资源健康评价指标模拟成果来看，由于各河流受地质地形条件、水库淹没、移民安置、自然景观保护、气象水文、生态与环境保护、社会经济及人文等方面的限制因素不同，长江流域各典型区域有较大的差异，如健康可利用率乌江与嘉陵江差距较大，因此不宜提出统一的水能资源健康可利用率。现阶段宜针对各典型河流，综合考虑防洪、发电、航运、灌溉、供水、生态与环境等用水需求下研究河流的水能资源健康可利用率和健康开发率指标。
　　（3）建议加紧补充各干支流综合规划和相关专题研究。本次研究很大一部分采用了估算的形式，主要因为有些影响方面的需水量难以确定。为更好的开展水能指标研究提供数据依据，必须加快相关方面需水量的研究。