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与环境适应的瑞典水电  

2012-01-22 11:14:32|  分类: 历史军事地理 |  标签: |举报 |字号 订阅

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与环境适应的瑞典水电

1引言

与其他工业化国家相似,瑞典的河流改道十分普遍。为了围湖造田,从19世纪末期至今大约有2500个湖泊的蓄水量减少,其中超过600个湖泊完全干涸。直到20世纪50年代末,专门的围湖造田行为才停下来,然而为了林业的发展,湿地筑渠、疏浚河道与对河道的渠道化改造却依然进行。为了满足水力发电的不同需要,本世纪初又开始了对河流的调控。那时瑞典北方河流的开发最重要的经济收益来自漂木运输。

河流湖泊曾经是瑞典人的主要食物来源地,但是现在这种情况发生了很大变化。目前瑞典人均每天蛋白质摄入量为90g,其中6%来自鱼类。但是只有不到1g的蛋白质来自淡水鱼或是来自海洋捕捞或饲养的大马哈鱼。休闲渔业的作用存在不确定性,即使将其考虑进去的话,淡水水产资源的捕捞对当今生活在水边的瑞典人维持生计发挥不了多大作用。从另一方面讲,钓鱼爱好者积极呼吁保持河流的自然本色以及复原那些已经被开发的河流。与生态学者的观点一致,有人还赞成调整河流的发展方向,重点发展休闲渔业。这些观点大部分来自对水生和近岸生物群落的研究,该研究表明水生和近岸生物群落在有无人工调节的河流中是有区别的。物种保护和环境保护将是改变瑞典未来的水库调度方式的主要观点。然而目前的经验表明改善环境条件与保证电力生产是可能共存的。本文的目的是以瑞典的情况为基础,为推导出这样的方法提供背景信息。我要用鱼类代表生物多样性和生物产品,这是因为人们经常把鱼类和水产业作为原始的高度适应的自然环境的象征。

2河流调节

在瑞典经调节河流一般主要有一个或是几个蓄水水库,沿下游方向形成一系列的梯级水库蓄水区。在坝和相邻的下游蓄水区之间,发电厂或是建在坝内或是建在地下(见图1)。在上游首级大坝和大海之间,主要的经调节河流已完全在控制之下,这样从侧面看去这些河流就像阶梯一样(见图2)。

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图1一条用于水力发电的大型河流的概貌

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图2从上游水库到海边,律勒汶河水力

发电利用的总水头。该河有2条主干分支——斯托拉河与里拉·律勒汶河(分别对应左右断面)加粗线是表明从前的河流一直延伸到河流改道点以下

瑞典的大型水库主要位于北部的山区。那里每年的径流量(降水量减去蒸发量)超过1000mm,而东南部地区则只有250mm。不同地区的季节流量变化也不一样。南部的水文过程线比较平缓,而北部的在春季则有峰点,这是积雪融化的结果。这也表明北部的自然流量多少和电力需求有点背道而驰。这样北部山区的调节河流水文过程线就和自然状态有较大的偏差,而低纬度的河流则没有这么大的变化。此外,南部地区的水电厂相对比较小而且主要是径流式。从图1可以看出,经调节河流主要分为3种水生环境。

1)水库的蓄水期从夏季到冬季,有的年份降水量很大甚至全年都在蓄水。在瑞典水库水位最大的变化量达到35m(达拉汶河上的特朗塞尔大坝),而自然湖泊只能达到1m左右。律勒汶河是瑞典最大的水电发电河流,经调节河段全长670km,其中着棕鲑鱼,为了保证有充足的水生物作为该种鱼类的食物需要有很大的水流量,这将花费不菲(大约30万瑞典克朗/立方米·年)。另一条是索克尤卡河,长25km,是律勒汶河的支流,位于亚北极地区。冬季河流通常干涸或是结冰,然而到了夏季四周山脉的积雪融化(包括1座冰川)汇入河道,水量丰沛。由于河流改道,流量减少到原来的1/10左右。虽然在冬季水库额外补充了2m3/s的流量,但对鱼类生产影响微不足道,对生态过程影响也不大。因此水权法庭最后同意取消最小流量,相当于每年节省350万瑞典克朗。

实际上,洄游的海鳟和波罗的海大马哈鱼在人工调节河流的主干道洪流中产卵,同时人们也在孵卵所人工喂养这些鱼类品种,然后在河口附近将其放养。为保持溯游产卵的鱼类的数量而维持某个基本水流,只在个别情况下有作用,例如,最低一级坝的下游或是靠近坝的支流依然是鱼类的产卵地。下面分别以达拉汶河和乌米兰河举例。

在律勒汶河的调节部分增加鱼类的自然产量的可能性不大。在最高水位时水域面积达1000km2,而调节前只有600km2。除非大坝被拆除或是功能发生根本性的变化,否则只有不到10km2的以前的浅滩可能复原。如果在这条寒冷贫瘠的河水中生物数量真如预测的那样少,即使增加排放水量,相应地鱼类产量虽然有所增加,但是这样花费无疑极为昂贵。

3立法

对河流水电资源的开发利用进行立法主要是限制新建设施及其运行产生的潜在影响,以及处理水资源的竞争性使用现象。河内流量的需要受到两个或者更多彼此冲突的需要的影响。如果两个在经济利益方面类似的需求对同一资源展开竞争,由于可以应用传统的经济手法,处理这样的对河内流量的水资源需求是比较容易解决的。如果只有一方的效益能用经济指标精确量化,处理这样的问题就很棘手。比如发展休闲渔业或保持生物多样性的观点就是水力发电的主要制衡力量。目前这样的情况在瑞典经常发生。不过,大部分调节坝和电厂开始建设前,都会考虑其他竞争性经济体的利益。

一旦大坝或是水电厂的建设和运行获得批准,其有效性就是长期的。但是根据某些规章,工程建设运行的条件可能需要复核。这样的复核是指水权法庭决定该工程是否存在需要增加新运行条件或是修改运行条件的理由。复核应该满足什么利益要求决定了复核有多大的可能性。只有涉及到共同利益的情况下才会考虑这样的复核。法律把公共渔场、环境保护、人体健康、航运和漂木认定为核心利益。实际上,目前只有前两项使用过。由于水电工程引起的渔业产量下降,渔民在复核程序开始后可以得到补偿,补偿方式有移民、补偿性捕鱼机会、或是纯经济补偿。

改变水的使用方式需要专门的司法实体(卡马叩莱吉)提出申请,该机构负责开展和调整随后的法律程序。国家渔业委员会和环保局负责渔业和环境保护,水权法庭只是间接地管理这两个机构。

复核程序的结果就是许可证持有者必须接受没有任何补偿的损失,最高达总产值的5%~20%。水权法庭在许可证颁发的时候就对该数字做了明确规定。不过老水法规定损失的上限是5%。由于大部分许可证是在那时颁发的,所以很少有偏离该较低上限的情况发生。

瑞典的环境立法发生了相当全面的变化。尽管复核程序仍然可能使电力生产造成损失,但是在涉及河内流量这样的重要问题上最后的结果可能会有些不同。目前补偿措施只可能是强制运营商放水。其他的方法都需要公共基金的资助,比如开展生物群落调整或是鱼类养殖。由于后几种方法相对便宜,所以目前常用的做法是在电力生产实体和其他利益所有者之间达成自愿协议,再由水权法庭公证。将来在水资源利用方面,不管是涉及水库调度还是其他水产养殖方案,各种解决方案会实现全面的互利互惠。

4整体观察

瑞典年均水电发电量大约是650亿kW·h,占瑞典全部用电量的一半左右。假定如上所述,复核程序导致水电发电量减少5%,由此带来的经济损失每年高达5亿瑞典克朗,是目前瑞典水产业产值的一半。不过最近在颁发许可证时已经考虑到其他方面的利益,通过规定某个最小流量减少了可能的损失,总计最大损失可能为20亿kW·h。

由于拦河坝的水头相对较高,而且干涸的河道很陡(图2),所以为了恢复鱼类资源需要下泄大量的水。经济价值的重要性是开发各种可以促进渔业发展的替代方式的主要原因。如果瑞典把相当于三分之一国土面积的水域保护起来,禁止进行水电开发,有理由相信增加的水量将使受到威胁的各种物种获得更多的保护。但是在调控河流很难出现这样的情况。对河流的调控经常导致当地生物的完全消失,而且任何手段也不可能使鱼类从根本上得到恢复。至于鱼类,以前人们主要关心产量,而不考虑保护。改善措施主要是强化保护剩余的鱼类或引进能更好的适应发生变化的环境的新品种。如果引进新品种成功的话,那么也就不可能恢复当地原始生物了。

实际上水产业而不是保护原生鱼类是推动采用成本效益分析的最重要的原因。也就是生产同样的产品,人们会考虑采用较廉价的替代手段。因此,瑞典立法机构允许通过在附近的河流或是湖泊增加渔业生产的方法来代替由于河流调控产生的渔业机会减少。这种互换的经济效益是显而易见的。

近些年在瑞典出现了对河内流量需要的讨论,这与保护生物多样性有关系。一般认为自然水流条件是保持生物多样性的先决条件。但是先前的调查显示季节性河流中的大型无脊椎动物群落和生活在自然流动的低地河岸地区的动物区别不大。人们认为这些低地区域对河流调控比较敏感。所以天然河流改道虽然引起生物减少甚至是灭绝,但是这些人工河渠却成为这些生物的避难所。

有时增加河内流量的强烈要求也是为了使宏观生态适宜人居,即使在这种情况下,美学方面也是次重要的。这些方面也是最难用经济术语来描述的。

我们还必须谈一下用其他形式的电力代替水电的成本。今后瑞典国内短缺的电力将从丹麦进口。这部分电能依靠燃煤的火电厂提供,煤使用前基本不作脱硫处理。这样瑞典会有平均4%的硫化物排放产生沉淀。这种沉淀物的影响可以定量地表示出来,并与保持现有水电发电量的影响做出比较。比如1996年秋季非常干旱,瑞典从丹麦进口了30亿kW·h的电力。由此导致的硫化物排放超过了区域承载极限,影响区域达到360km2,超过了律勒汶河全部淹没区的面积(324km2)。

5河内流量

为了在渔业生产与水力发电之间找到最佳的折中方案,人们设计了很多方法,其中3个基本方案可能被采用。

最简单的办法是依据水文学特点和关于流量与鱼类数量关系的假设。有人认为鱼类的数量受低水流条件而不是高水流条件控制,所以需要河内流量等于或小于平均低水流量。所需流量很容易从水文过程线或是历时曲线中确定。瑞典就使用过这种方法或是与此相似的办法。主要的反对意见认为这样的方法没有考虑当地地形条件。从大的范围来说,水流和鱼的产量之间可能存在一定的关联,但是只有动水区域和静水区域保持自然比例,这样的关联才有效。大坝和水电厂常常修建在河流的深水区。这些建筑物的上游,蓄高的水位自然会引起水量的增加。在经调节河流中,通过人工方式能保持已有或是更多水量,所以流量的变化对鱼类生活空间的影响不大。另外,在湍急的水流中,新增的流量自然会提高流速,同时也会为鱼类提供持续不断的水量。因此如果要计算河内流量的需要量,这部分水也是最后考虑的(一般不考虑)。所以使用该特定的方法来局部优化水资源的使用会带来很明显的风险。同理,对于多种鱼类来说,水深的增加对鱼群密度的影响要大于流速的增加对鱼群密度的影响(见图3)。

利用流量和润周的关系要考虑地形条件。这种方法需要对河道断面形状进行测量。用这种方法确定合适的河内流量,通常需要在曲线上找到描绘上述关系的稳定区和变化区,也就是说在这个水平以上,额外增加的水量对河流覆盖区域面积的增加投有多大作用。图4表示的就是这种关系,它是建立在对大量经调节河流与非经调节河流水域测量的基础上。尽管这样方法并没有在瑞典得到应用,但是根据上述关系进行推论常常在决策过程中出现。不过事实证明很难在润周和有关鱼类的变量之间建立起某种关系。

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图3不同流速、水深条件下鲑鱼数量的日观测图(向上或向下的数据条表明了每间隔河段的鲑鱼数量。参数计算根据雅可比方程)

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图4瑞典北部拦河坝的维持流量和宽度关系(维持流量用平均未减流量的百分数表示)

目前用数学模型的方法精确地预测河流河段的水文特性是可行的,所以为了更精确估测河内流量,可以把水文数据和有关个体种群栖息地的要求的信息综合起来。事实上这就是应用广泛的IPIM法的目的。尽管这种方法已经很难满足法律程序需要的逻辑性与可重复性的要求。

6群落生境调整

由前文可知,流量是影响水产生产率的要素之一。流量由两部分组成:容量和速度。假设速度的重要性小于容积,那么仅通过调控容积就可以实现增加水产产量。这种调控容积的办法是通过所谓群落生境调整来实现,这是费效比最高的方法,即人工改变河道形态。

在瑞典公认群落生境调整是可替代增加放水的成功方法,签发新许可证以及重新签发程序的结果都要考察群落生境调整方法。由于瑞典北部地区的水质很好,所以水流减少通常不会引起水中氧气浓度的剧烈变化。同时含沙量一般较低,所以依靠急流带走产卵地的泥沙的需要也不大。

很难对群落生境调整的费效比进行全面分析。从最近的一些工程看来,利用筑坝抬高水面的造价基本是每米断面7000瑞典克朗。现在的拦河堰由大鹅卵石和石块砌成,为了达到自然的效果,这些石块排列无序凌乱。虽然偶发的洪水可能冲垮这样的沙卵石块结构的堰体,不过却达到了很高的自然外观。但是这样的堰体在计划阶段必须把将来的修理费用列入工程概算里。群落生境调整的目的更多是通过增加河流底部的地形复杂性和增加润周来改善鱼类的栖息地以及其他生物区,这种方法成本变化很大。整个费用(包括计划和现场施工)从每km河段1.5~5万瑞典克朗不等。

在瑞典群落生境调整已经得到广泛的应用,所以没有必要对其科学满意度进行评估。然而最近几个项目正进行细节研究。挪威也补充了相关信息,该国拦河堰建筑的效果已经全部记录在册。

7结论

河流调节产生人工环境,对于物种的数量和生产率来说,有些环境很贫瘠,但是至少改善某些受影响区域的形势令人鼓舞。为了优化自然资源和经济资源的使用,把水力发电和保持原始的河流生态系统结合起来的尝试可能是徒劳的,但是我们必须去尝试。与林业和农业资源相比,水电资源的使用需法律许可,这样在开发水电资源中才有可能采用整体布置的方法以改善对环境的影响,

在经调节河流中对各种改善水产业的方法进行评估很困难,因为不可能为了发展水产业就封闭河流即使是某个河段。鱼类种间或是种内的相互作用同样也很难预测。由于在解决河内流量的问题上花大量的钱风险很大,水文/地形参数和鱼类产量之间的量化关系急需解决,所以为了互利互惠,暂时接受方法上的缺陷是明智的,同时要继续改进方法,而不能仅考虑水文条件就完全解开水文和生物之间明显松散的结合。

由于增加河内流量而减少的发电量可以用其他形式的电力补偿。所以河内流量法应该有其他措施补充,这些方法能够对替换的电力提供所谓全程成本分析。


来源:小水电

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