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1、Journal of Water Resources Research 水资源研究水资源研究, 2012, 1, 501-504 doi:10.4236/jwrr.2012.16081 Published Online December 2012 (http:/www.hanspub.org/journal/jwrr.html) Brief Discussion of Several Issues on Development of Hydropower Energy under Climate Change* Libing Zhang1,2, Juliang Jin2#, Zhanyu Zh
2、ang1, Hu Zhang2, Yanguo Zhao3 1School of Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 2School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 3Water Resource Bureau of Yishu River, The Huaihe River Commission of ministry of Water Resources, Linyi Email: , # Received: Jul. 17th, 2012
3、; revised: Jul. 29th, 2012; accepted: Aug. 11th, 2012 Abstract: The global climate change has been doing greater and greater influence on nature and human society. After a brief discussion on the great opportunities, as well as challenge, that brought by the global climate change, this paper try to
4、probe several issues such as the development and utilization, running risk analysis, and optimal scheduling of hydropower energy under the climate change. The main research contents existed in this field are analyzed finally. It is only way, for the social development and modern management of hydrop
5、ower energy, that to minimize the its sensitivity to climate change taking full account of all kinds of extreme weather. Keywords: Climate Change; Hydropower Energy; Development and Utilization 气候变化下水电能源开发利用若干问题探讨气候变化下水电能源开发利用若干问题探讨* 张礼兵张礼兵1,2，金菊良，金菊良2#，张展羽，张展羽1，张，张 虎虎2，赵言国，赵言国3 1河海大学水利水电学院，南京 2合肥工业
6、大学土木与水利工程学院，合肥 3水利部淮委沂沭河水利管理局，临沂 Email: , # 收稿日期：2012 年 7 月 17 日；修回日期：2012 年 7 月 29 日；录用日期：2012 年 8 月 11 日 摘摘 要：要：全球气候变化已对现代自然环境和人类社会的各个方面产生越来越深入的影响。在简要论述了全球气候变化对水电能源开发带来重大机遇和挑战的基础上，分别就气候变化下的水电能源开发、运行风险分析以及优化调度管理等问题进行了初步探讨，最后就今后该领域主要研究内容进行了分析。充分考虑水电能源系统在各种极端气候情景下的运行状况以把其对气候变化的敏感性降到最低程度，是现代水电工程科学建设管理
7、和社会发展实践的必由之路。 关键词：关键词：气候变化；水电能源；开发利用 1. 引言引言 联合国气候变化框架公约(UNFCCC)中，将“气候变化”定义为： “经过相当一段时间的观察，在自然气候变化之外由人类活动直接或间接地改变全球大气组成所导致的气候改变” 。目前，气候变化(Climate Change)主要表现为三个方面： 全球气候变暖(Global Warming)、酸雨(Acid Deposition)、臭氧层破坏(Ozone Depletion)，其中全球气候变暖是人类目前最迫切的问题。在人类社会发展过程中，能源是经济 *资助信息：本研究得到“北京理工大学能源与环境政策研究中心”和“国
8、家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07106-001)” 及国家自然科学基金项目(批准号 51079037)的支持。 #通讯作者。 作者简介：张礼兵(1972-)，男，安徽肥东人，副教授，博士后，主 要从事水资源与水环境系统工程研究。 Copyright 2012 Hanspub 501 张礼兵，等：气候变化下水电能源开发利用若干问题探讨 第 1 卷 第 6 期 社会前进发展的动力，其开发利用水平标志着一个国家和民族的进步和文明程度。但能源部门同样也是温室气体单项来源中最大的一个部门，其对温室效应增强的比例占人为气候影响的一半以上。过去 100 多年间，人类主要依赖石油、煤炭、天然
9、气等化石燃料来提供生产生活所需的能源，这些化石能源的燃烧所排放的二氧化碳、甲烷等温室气体使得地球温室效应有逐渐增强趋势，进而引发全球气候变化1。 中国应对气候变化国家方案指出： “近百年来，许多观测资料表明，地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化，中国的气候变化趋势与全球的总趋势基本一致” ，并且中国政府和企业也开始为应对全球气候变化制订一系列行动纲要。全球碳循环的分析表明2，水电能源开发会带来区域生态环境、社会经济效益的极大改善，大量减少温室气体排放，是优质、绿色、清洁的可再生能源。就这点而言，气候变化为水电能源开发利用提供了良好的发展契机。 为实践政府承诺积极应对全球气候变化，
10、国家 “十二五”电力发展规划把水电能源列在优先开发的位置。同时，在以往水电规划的基础上，中国适时提出规模庞大的 “十三大水电基地” 建设规划， 计划到 2050年， 陆续开发建设金沙江水电基地、 雅砻江水电基地、怒江水电基地、澜沧江干流水电基地、黄河中上游水电基地、东北水电基地等十三大水电基地，总装机容量 275,772 MW，工程总投资达 2 万亿元以上，以实现水电流域梯级滚动开发，资源优化配置和带动西部经济发展。 2. 气候变化为水电能源开发利用带来的气候变化为水电能源开发利用带来的 若干问题若干问题 然而，气候变化为水电能源开发提供发展契机的同时，也带来前所未有的挑战。由于水电站是直接利
11、用气候资源的基础设施，其能源开发与利用极易受到气候变化和极端事件的影响。 2.1. 气候变化对水电能源开发的影响气候变化对水电能源开发的影响 一般而言，大气温度、降水和风这三种气候因子与水力发电关系密切：温度升高和风速加大，都会使水库蒸发增加而减少水力发电的引水量，同时也使水轮机需要频繁冷却；降水变化则直接影响水库的径流量而使水能蕴藏量显著降低。过去数十年间，气候变化和极端天气事件已经对世界范围的水力发电造成了极大的影响2-4。研究表明5，美国的干旱引起水电生产的显著削减，科罗拉多河融雪径流的减少可能导致水电生产潜力下降，如果温度上升到中热程度，降水减少 10%20%，水力发电量将减少 30%
12、。以水电为主的南美洲国家巴西，2001 年遭遇干旱气候，加之能源需求增加，造成该国大部分地区水电减产，使当年 GDP 减少 1.5%，约合 100 亿美元。该年持续的干旱同时也造成大湖水位下降，导致加拿大尼亚加拉和苏圣玛丽 2 座水电站的发电量大幅减少。沃尔特水库是西非最大的人工湖，正常情况下能承担加纳 60%的能源需求，2007 年由于降雨量小，其水位常年处于低位，甚至低于死水位 1.5 m，缺水造成了 300 MW 的电力缺口6。而对于北欧的瑞典，气候变化中温度和降水的上升可使其水电年生产量增加 15%7。全球气候变化对我国水电能源利用的影响，在部分地区也得到较明显地印证，刘春婷8以吉林省
13、相邻的白山地区和通化地区水电站为例，通过对两地区水电站的运行与气温、降雨等气象关系的多年统计分析，说明气候变化已经对两区水电站的发电能力同时产生正、反影响，其中冬季温度的升高增加了利用小时数，而春季温度的升高使发电能力降低，且降低的幅度大于升高的幅度，使得水电站的年利用小时数总体上趋于降低。 2.2. 气候变化对水电能源利用风险分析气候变化对水电能源利用风险分析 气候变化引起的区域极端气象的频度和深度已越来越显著，也对水电系统的水能开发带来较大的风险性。平均气候的变化对水力发电影响有限且较易控制，但极端气候事件如暴雨、干旱等，将严重影响水电的生产、输送和分配。气候变化可能出现 3 种可能情景：
14、干旱发生的频率和量级增加，洪水发生的频率和量级增加，或两者同时增加。降雨稀少引起干旱造成水库水位快速下降，水力发电水库可能难以蓄积多余的水量或发电；而降雨过多导致的洪水使库水位长时间处于高位而加大水力发电受阻容量，同时增加的径流将带来大量的泥沙引起水库淤积量的增加，并威胁着水库大坝的安全等6，这些风险都是在现代水电系统开发运行管理中要慎重和着重考虑的。目前，水Copyright 2012 Hanspub 502 张礼兵，等：气候变化下水电能源开发利用若干问题探讨 第 1 卷 第 6 期 系统中风险分析方法已有多种9，概括起来主要有： 1) 直接积分法： 直接积分法理论概念强， 可应用于随机变量
15、影响因素个数较少的系统问题，但针对影响因素众多的系统问题则难以找出概率密度函数或概率关系，或即使有也难以求得分布的解析解或数值解。 2) 蒙特卡罗法(MC)：蒙特卡罗法可以考虑随机变量各影响因素，且无论系统多么复杂都会有计算结果，但计算量最大且结果未必一定精确和收敛。 3) 一次两阶矩法(FOSM)：一次两阶矩法是一种在随机变量分布尚不清楚时，采用只有均值和方差的数学模型的方法。 它运用泰勒级数展开， 使之线性化。另外，根据线性化点选择的不同，分为 MFOSM(均值一次两阶矩)法和 AFOSM(改进一次两阶矩)法。MFOSM 法假设各影响因素相互独立，将线性化点选为均值点。MFOSM 的计算可
16、能误差颇大。AFOSM针对这一缺点，在进行泰勒级数展开时，将线性化点选为风险发生的极值点(风险点)。 4) 一次二阶矩验算点法(JC 法)： 其基本原理是先将随机变量的非正态分布用正态分布代替，对于此正态分布函数要求在验算点处的累计概率分布函数(CDF)值和概率密度函数(PDF)值与原来分布函数的CDF 值和 PDF 值相同。然后根据这两个条件求得等效正态分布的均值和标准差， 最后用 FOSM 法求出风险值。该法适用于随机变量为任意分布的情况。 在水库(库群)运行管理的风险分析研究方面，国内外已经做了许多有益的探讨并取得了丰富的成果。Baecher 等10引入风险收益系数计算大坝失事概率。Moy 等11引入了易损性和可恢复性量度指标。 洪家宁12通过来水、来沙的随机模拟和水库冲淤计算，分析了水库泥沙淤积量的风险度。冯平等13研究了汛限水位
