气候变化重创水力发电

Mitch Leslie

Engineering ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (4) : 13 -16.

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Engineering ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (4) : 13 -16. DOI: 10.1016/j.eng.2024.10.003
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Mitch Leslie. 气候变化重创水力发电[J]. 工程（英文）, 2025, 47(4): 13-16 DOI:10.1016/j.eng.2024.10.003

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美国亚利桑那州北部的葛兰峡谷大坝（Glen Canyon Dam）装机容量达1320 MW，为七个州的居民供电[1]。但到2023年2月，该大坝的发电能力岌岌可危。历经二十多年的干旱后，大坝后的水库——鲍威尔湖（Lake Powell）——的水位已降至海拔1074 m的历史最低点（图1）[2]。若水位再下降10 m，大坝可能会停止发电；若水位降至1027 m，水流将完全无法通过大坝[2]。
截至2024年5月，降水增加使该水库水位回升至约海拔1085 m [3]，灾难得以避免。尽管如此，该湖蓄水量仍不足一半[4]，且大坝的发电量较20世纪90年代下降了逾50% [5]。
鲍威尔湖是气候变化影响水力发电设施的典型例证。正当各国期待水电提供更多低碳电力之际，气候变化的影响（如更严重的干旱和径流减少）却正在削弱水电站的发电能力[6]。研究人员尚无法预测所有影响，但迄今研究表明，气候变化可能颠覆全球的发电格局[7‒8]。此外，气温升高会引发灾难性洪水、山体滑坡和泥石流，从而威胁水电站及其他电力基础设施[9]。美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校环境研究助理教授Ranjit Deshmukh表示：“气候变化将影响全球电力供应系统的所有环节，但对水电的影响最为显著。”
不过，专家认为多种措施或可减轻气候变化对发电（包括水力发电）的影响。位于奥地利拉克森堡的国际应用系统分析研究所（International Institute for Applied Systems Analysis）的能源、气候与环境项目研究员Giacomo Falchetta指出：“在大多数地区，水力发电量将减少或可靠性会下降，但我们至少可以部分缓解这些影响。”
美国近6%的电力（约每年249 TW∙h）来自水电[10]，而其他国家对水电的依赖度更高。中国每年的水力发电量约1300 TW∙h，是全球最大的水力发电国，水电约占全国电力供应的15% [11]。巴拉圭是水电依赖度最高的国家，其99.7%的电力来自水坝[11]。全球水电装机容量增长迅猛，2001—2020年间增加了538 GW [12]。中国白鹤滩水电站和埃塞俄比亚复兴大坝两座巨型水坝均于2020年后投运，年发电量合计达76 TW∙h [13]。尽管水电装机容量增速已放缓[12]，但仍有更多水坝处于规划阶段。仅非洲一地就可能新增300座水坝[14]。
水电具有多重气候效益。据国际能源署估算，水电使全球二氧化碳排放量减少9% [15]。美国加利福尼亚大学欧文分校土木与环境工程系副研究员Brian Tarroja表示，随着全球经济向碳中和转型，“水电在能源体系中扮演的角色将愈发重要”。例如，水电可在太阳能和风能无法发电时供电，从而增强电网可靠性；水电还能迅速增加电力输出以应对临时电力短缺（如电力需求预测偏低或其他发电设施故障）。Taroja称，通过帮助平抑电力输出的波动，水电可促进发电系统向其他可再生能源的平稳过渡。
尽管益处众多，但专家强调，水电并非万能灵药，其电力生产伴随着高昂的环境、社会及文化成本，这些成本通常未纳入电价。水坝及形成的水库会破坏河流生态系统、淹没陆地生态系统、摧毁渔业、迫使蓄洪区居民迁移并淹没文化遗址[13,16‒17]。大坝建设还会产生温室气体。全球范围内，水泥和混凝土生产占所有二氧化碳排放量的比例高达9% [18‒19]，而大型水坝多使用大量混凝土。水库会促进植被分解释放甲烷，从而增加温室气体排放[20]。Deshmukh指出，因甲烷在大面积区域缓慢冒出水面，其释放量难以精确测量。不过据一项研究估计，水库可能贡献了全球1.3%的温室气体排放[20]。
全球工程咨询公司HDR（美国内布拉斯加州奥马哈市）美国加利福尼亚州萨克拉门托办事处水资源专家Asphota Wasti表示，气候变化及其对当地水文与水电的影响并非处处相同。例如，在美国加利福尼亚州，内华达山脉“如同第二个水库”；山上的冬季积雪在春季缓慢融化，有助于在炎热夏季为湖泊补充地下水；然而若积雪融化过快，水流将涌入水库而非补充地下水层，导致大坝在年初更早大量放水。Wasti称，这会扰乱供水管理，有时还会减少发电量。
随着加利福尼亚州及美国西部其他地区持续干旱，当地水力发电量已跌至历史低点[21]。但全球部分区域可能因气候变化而变得更加湿润。Tarroja及其同事在研究气候变化对长江三峡大坝的影响时发现，更多降水未必有益于水电[22]。三峡大坝装机容量为22 500 MW，是全球发电量最大的水坝[22]。研究人员模型模拟表明，到21世纪末该水库流域降水量将增加多达11.7%；然而，大部分降水径流将在春季或夏末秋初的汛期末进入水库。春季径流可促进发电，而秋季径流益处甚微，因为此时水库水位因防洪措施被降至最低，运营者或难以利用额外径流[22]。研究结果显示，2080年前增加的径流不会提升总发电量，届时发电量的增幅也仅5%~8% [22]。该研究还表明，气候变化将增加发电量的年际波动。“不仅是水量增减，时机和强度同样关键。”Tarroja说道。
气候变化引发山体滑坡、雪崩及其他灾难性地貌变动，也可能直接重创水电站。例如，2021年，一块体积达2700万立方米的冰岩混合体从印度北部喜马拉雅山脉朗提峰（Ronti Peak）坠落，冲入下方山谷[23]。这场山体滑坡导致204人遇难，两座水电站严重受损；遇难者多为大坝的工作人员。英国邓迪大学环境科学专业高级讲师Simon Cook及其同事通过研究视频、卫星图像等证据判定，此次山体崩塌很可能是由于固定冰岩混合体的冻土融化所致[24]。他们估计此次灾害造成的经济损失约为2.23亿美元[24]。
随着冻土和冰川融化，全球其他地区水电站愈发易受类似灾害威胁。Cook指出，秘鲁和瑞士等依赖山区水电设施的国家风险尤甚。“这将成为世界部分地区的巨大难题。”
许多电力生产商通过增加化石燃料发电来补偿水电输出的下降。2023年全球水力发电量较2022年减少200 TW∙h（主要缘于天气因素）便反映了这一点[25‒26]。其结果是温室气体排放量激增约1.7亿吨，达到374亿吨的历史新高[26]。
不过，其他方法或可补偿水电输出的减少，且不加剧气候变化。风能和太阳能可弥补部分损失的水力发电能力，其价格暴跌或使某些水坝建设不再必要。据Deshmukh及其同事估算，因太阳能和风能设施成本大幅下降，非洲南部约半数规划中的水坝从经济角度来看已不再具有建设意义[27]。Deshmukh称，作为水电替代方案，太阳能和风能项目在其他方面也具优势：建设速度快于水坝且环境和社会影响更小。
电池储能的日益普及可部分替代水电的电网可靠性支撑作用。据美国能源信息署预测，2024年美国公用事业规模电池储能容量将翻番，从16 GW增至31 GW [28]。另一种技术——抽水蓄能——已远超电池储能规模；2023年其全球装机容量近140 GW [29‒30]。抽水蓄能设施将水从河流或水库等水源泵至更高海拔的水库（图2）[29]。Falchetta指出，抽水蓄能的优势在于，太阳能和风能（或非高峰时段过剩电力）可为泵水供电。当泵送的水经管道下流时，可驱动涡轮机发电。利用抽水蓄能在夜间或无风时发电，可平抑风能和太阳能发电的波动性。中国抽水蓄能装机容量约为51 GW，居全球之首，并且据报道另有66座此类设施在建[29,31]。
应对水电输出下降的其他解决方案包括加强国家间及国家内部电力共享。Falchetta举例说，模型表明，随着气候变化，非洲中部和南部将更干旱，而东部将更湿润[32]。因此东部水电设施或可向中、南部送电。但他强调，要实现这一目标，相关国家需建设输电线路。
结构升级或可保护现有水坝及其他易受极端天气威胁的能源基础设施[33]。例如，中亚国家塔吉克斯坦已加固其凯拉库姆（Kayrakkum）大坝，以抵御万年一遇洪水[33]。Cook称，更科学的选址也有帮助。他指出，2021年喜马拉雅大坝灾难发生地附近曾发生过两次类似坍塌事件。“他们究竟为何在此地又建了一座水电站？”
尽管输出下降，水电仍是全球能源生产的重要组成部分。“水电依然重要，因其存量巨大且成本相对低廉。”Tarroja表示。Deshmukh则认为，可以凭借现有可再生能源策略弥补缺口，问题并没有想象中那么严重。“我们有关键技术来填补缺口。”

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
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