一種水電站淨水足跡評價計算方法與流程
2023-05-07 15:19:36 1
本發明屬於生態環境技術領域，特別是涉及一種水電站淨水足跡評價計算方法。
背景技術：
我國河流數量眾多、徑流豐沛、落差巨大並且蘊藏豐富的水能資源。據統計，我國河流水能資源蘊藏量為6.76億kw，可供開發水能資源裝機容量為3.78億kw。水力發電有著發電效率高、發電成本低以及產能方式清潔的特點，是我國電能的重要獲取手段。然而我國水資源人均佔有量僅為世界1/4，水電開發對水資源的消耗日益受到各方關注。水電站發電運行過程並不直接消耗水資源，但水電站發電運行期間，水庫水量會以蒸發、滲漏及下洩流量的形式流失，造成水資源消耗。而滲漏的水量依然保留在庫區或轉變為地下水，下洩水量可被壩後河段再次利用。因此，水電站發電運行期間水資源主要消耗源是庫區水面蒸發。
由於水電站擋水建築物的修建，使得壩前河道水位抬升，在水域面積大幅擴大的同時，水面蒸發量也大幅增加。特別是梯級水電大壩建設使得河段形成水面寬廣的河庫水域，其水面蒸發水量遠大於自然狀態下的河流水域，造成水資源的大量流失。水電站庫區水面蒸發引起的水資源損耗在一定時間內有可能加劇流域水資源承載負重，影響供需水關係和水生態可持續性。因此，在進行水電站項目開發選址時，特別是缺水地區，應著重關注水電開發的水資源消耗問題。但現有的水電建設項目環境影響分析，較少考慮水資源消耗，極少將水資源消耗與發電量相結合進行綜合評價，更缺乏能夠在不同水電站間，進行發電-耗水(能耗比)橫向比較的科學方法。
水足跡概念最早由荷蘭學者阿爾傑恩·胡克斯特拉於2002年提出，指在衡量日常生活中公眾消費產品及服務過程所耗費水資源量。水電站水足跡是指水電站在發電過程中所消耗的水資源量。
傳統的水足跡計算方法沒有排除水電站建設前河流天然狀態下已有水量蒸發乾擾，不能準確反映水電站單位發電量所產生的水資源淨消耗量；從而導致評價結果不能真實、全面的反映水電開發的水資源消耗的能耗比。依照本發明計算的淨水足跡指標，著眼於水電站建成後水資源淨消耗量，通過比較各水電站淨水足跡大小，可以精確的評估建站發電背後的水資源成本，更加科學地為水資源開發利用提供決策依據。
技術實現要素：
本發明實施例的目的在於提供一種水電站淨水足跡評價計算方法，可以定量評價水電站水電開發產生的水資源消耗，更加準確的計算水資源淨損失量。
本發明所採用的技術方案是，一種水電站淨水足跡評價計算方法，按照以下公式計算：
新增水面面積計算公式：
▽si,t＝si,t-si,t′
(1)
水電站庫區新增水面蒸發量計算公式為：
水電站淨水足跡計算公式為：
式中，▽si,t為i水電站對應t月新增水面面積；si,t為i水電站建成後t月庫區水面面積；si,t′為i水電站未建設時對應t月天然河道水面面積；▽ei為i水電站庫區新增年水面蒸發水量；φi,t為i水電站t月水面蒸發折算係數；e′i,t為i水電站t月蒸發皿蒸發深度；pi為i水電站多年平均發電量折合熱能；為i水電站發電的淨水足跡。
進一步的，所述si,t和pi從水電開發規劃中獲得。
進一步的，所述e′i,t從監測部門歷史監測數據中獲得。
進一步的，所述φi,t可從水電站建設區域相關研究文獻中獲取。
本發明的有益效果是現有技術只考慮的庫區蓄水產生的水資源損失量，而本發明是考慮的是水資源淨損失量。因此本文既充分考慮了水電站建成後蒸發產生的水資源消耗，也排除了水電站建設前河流天然狀態下已有水量蒸發乾擾，提供了一種更加準確的計算方法用於定量計算由水電站庫區蓄水產生的水資源淨損失量，從而為不同水電站間水電開發的能耗比提供統一、可衡量的指標，可為水電開發項目選址和環境影響評價提供新的評價指標。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明實施例中瀾滄江幹流電站水足跡計算電站位置示意圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
一種水電站淨水足跡評價計算方法，按照以下步驟進行：
新增水面面積計算公式：
▽si,t＝si,t-si,t′
(1)
水電站庫區新增水面蒸發量計算公式為：
水電站淨水足跡計算公式為：
式中，▽si,t為i水電站對應t月新增水面面積(km2)；si,t為i水電站建成後t月庫區水面面積(km2)；si,t′為i水電站未建設時對應t月天然河道水面面積(km2)；▽ei為i水電站庫區新增年水面蒸發水量(m3)；φi,t為i水電站t月水面蒸發折算係數；e′i,t為i水電站t月蒸發皿蒸發深度(mm)；pi為i水電站多年平均發電量折合熱能(gj)；為i水電站發電的淨水足跡(m3/gj)。
水電站庫區水面面積si,t和發電量數據pi可從水電開發規劃中獲得，蒸發皿蒸發深度e′i,t可從水文、氣象等監測部門歷史監測數據中獲得，水面蒸發折算係數φi,t可從水電站建設區域相關研究文獻中獲取。
本文的蒸發皿布設於水電站庫區內各水文站、氣象站以及各水文氣象監測點。
本發明結合水電站水資源開發的特點引入水足跡以水電站建成後水資源淨消耗量為切入點，排除水電站建設前河流天然狀態下已有水量蒸發乾擾，推求水電站庫區形成後新增水面蒸發水量，進而核算水電站發電量與水資源淨損耗間的能耗比。
由本發明算得的淨水足跡可為評估提供定量的評價指標，可為水資源規劃管理提供科學依據。
本發明中水電站淨水足跡的三個公式是基於原有的水電站水足跡公式的原理進行的修改，其形式以及意義均進行了修改。
1：新增水面面積計算公式▽si,t＝si,t-si,t′
由於水電站淨水足跡的大小與水電站新增水面蒸發量密切相關。而新增水面蒸發量關鍵影響因素為水電站建設前後水面面積變化量。為排除i水電站建設前河流天然狀態下已有水量蒸發乾擾，計算公式採用i水電站建成後t月庫區水面面積si,t減去i水電站未建設時對應t月天然河道水面面積si,t′既可求得i水電站對應t月新增水面面積▽si,t。
2：水電站庫區新增水面蒸發量計算公式
由於受到水電站調度以及季節變化的影響，庫區水面面積與天然河道水面面積均會體現時間上的差異性，從而不同月份新增水面面積有所差異。因此本公式採用逐月計算再求和的方式求庫區新增水面蒸發量。i水電站對應t月新增水面蒸發水量計算公式主要由三部分組成：i水電站對應t月的實測蒸發深度e′i,t(mm)、蒸發折算係數φi,t以及新增水面面積▽si,t(km2)。實測蒸發深度e′i,t(mm)與蒸發折算係數φi,t的乘積即為實際蒸發深度；實際蒸發深度與新增水面面積的乘積即為庫區新增水面蒸發量；此外式中分母1000為單位轉換係數。
3：水電站淨水足跡計算公式
水電站淨水足跡是用於評估由於水電站運行發電所引起的水資源的淨消耗。故將新增水面蒸發量比上發電量，求得水電站發電量與水資源淨損耗間的能耗比即為水電站淨水足跡。
本文的創新之處在於：1.公式計算的是一個全新的值——水電站淨水足跡，而非水電站水足跡。淨水足跡計算公式：是基於水足跡計算公式
改進所得。創新點體現在將水足跡計算公式中水電站庫區蒸發量e改為庫區新增水面蒸發水量▽ei。而水電站庫區新增水面蒸發水量的計算公式是在水電站庫區水面蒸發水量公式的基礎上進行修改。將公式中的水庫水面面積s改為了新增水面面積▽si,t，從而將算得的蒸發量轉變為淨蒸發量，到達排除水電站建設前河流天然狀態下已有水量蒸發乾擾的效果。
2.對時間尺度進行了調整。由於受到水電站調度以及季節變化的影響，庫區水面面積與天然河道水面面積均會體現時間上的差異性，從而不同月份新增水面面積有所差異。因此本發明採用新逐月計算再求和的方式進行。
實施例
結合瀾滄江中下遊幹流六座已建成的梯級水電站(功果橋、小灣、漫灣、大朝山、糯扎渡及景洪)，闡述水電站淨水足跡計算方法，如圖1所示。
研究區概況：
瀾滄江-湄公河全長約4880km，總落差約為5500m，中國境內幹流長約2153km，落差約5023m。瀾滄江流域徑流豐沛，水能資源豐富。其水能蘊藏量為3656萬kw，可開發利用水能資源容量為2737萬kw。瀾滄江幹流在雲南省境內分15級開發，利用落差1655米，總裝機容量約2580萬千瓦。其中瀾滄江中下遊河段規劃兩庫八級開發方案，自上而下為功果橋、小灣、漫灣、大朝山、糯扎渡、景洪、檄攬壩、勐松電站，其中小灣和糯扎渡具有多年調節水庫。選擇功果橋、小灣、漫灣、大朝山、糯扎渡和景洪六座電站進行淨水足跡計算。
利用建站前後逐月庫區水面面積資料，由新增水面面積計算公式▽si,t＝si,t-si,t′推算得各水電站新增水面面積(單位：km2)，得下表1。
表1各水電站對應各月新增水面面積
利用上表新增庫區水面面積數據，並收集各水電站蒸發皿蒸發深度數據，利用水電站庫區新增水面蒸發水量計算公式算得水電站庫區新增年水面蒸發水量▽ei。並收集各水電站發電量資料，整理得下表2。
表2各水電站年發電量與蒸發水量
再利用水電站發電淨水足跡計算公式推求六座電站的淨水足跡，結果見下表3。
表3瀾滄江中下遊幹流水電站淨水足跡
瀾滄江中下遊幹流六座水電站的平均淨水足跡為1.76m3/gj。其中漫灣水電站的淨足跡最小，為0.67m3/gj；糯扎渡水電站的年發電量和庫區面積最大，淨水足跡亦最大，為4.81m3/gj。從水資源消耗上看，漫灣水電站淨水足跡最小，水資源損耗最小，而糯扎渡電站則相反。
需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關係術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關係或者順序。而且，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
本說明書中的各個實施例均採用相關的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對於系統實施例而言，由於其基本相似於方法實施例，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護範圍內。