基于水足迹理论的水电站水资源利用评价

赵金辉，王新华*，王中云

(1.云南农业大学水利学院，云南昆明 650201；2.云南农业大学马克思主义学院，云南昆明 650201)



基于水足迹理论的水电站水资源利用评价

赵金辉1，王新华1*，王中云2

(1.云南农业大学水利学院，云南昆明 650201；2.云南农业大学马克思主义学院，云南昆明 650201)

为了从资源的角度分析水电开发利用的水资源消耗情况，将水足迹的概念应用到水电开发上，从我国不同水电站的蓝水足迹、不同地区蓝水足迹、相同发电量的水电站的蓝水足迹3个方面，进行了水足迹理论在水电站利用水资源中的应用研究。结果表明：我国水电站蓝水足迹分布不均，区域性对水电站蓝水足迹的影响明显。最后提出建设水电站或现有水电大坝在很大程度上要以蓝水足迹作为衡量标准，应在多山、蒸发量小、地形狭窄、水库面积小的高山峡谷地区建设水电站，以有效利用落水差，减少蒸发，节约水资源。

水足迹；水资源消耗；蓝水足迹；水电站

2002年Hoekstra提出了水足迹的概念：它是指人类在生产产品和获取服务过程中直接或间接所消耗的水资源总量[1-3]。从人们利用水资源角度，可将其分为实体水和虚拟水[4]两大类。人们生活生产上消耗的土壤水称为绿水，服务于人们的地表水和地下水称为蓝水，由于多种因素导致水体污染，用来缓解或治理污染用水称为灰水，因此普遍将水足迹分为绿水足迹、蓝水足迹、灰水足迹。在实际生产生活中，更多地利用地表水或地下水，因此对蓝水的研究有实际意义。

水电站的水足迹是指人们利用水电站在水力发电过程中，通过直接利用或间接利用水资源的形式，用来获取单位电量而消耗的水总量。水电站水足迹所涉及的水资源利用取决于整个水电站水力发电，它包括水电站发电期间和建设过程中对水的利用。水电站对水资源的利用过程中，建设阶段与投入发电阶段都消耗一定的水资源。实际上，水电站在水力发电阶段对水资源的利用要远比其他阶段用水量大，占整个水资源消耗比例的97%以上，当建设水电站规模和电站总装机容量相差不大的情况下，可以认为建设阶段所用的水基本上相当。因此，可以忽略建设阶段水电站水足迹，重点分析水电站投入发电阶段水足迹。笔者通过研究水电站蓝水足迹用量，明确蓝水足迹的影响因素，以期为我国合理利用水资源提供理论依据。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源 从水电站蓝水足迹的研究范畴调查与搜集了具有代表性的水电站近5a的水资源利用情况，计算并汇总了相关的蓝水足迹的数据。

1.2 研究方法

1.2.1 水足迹的计算。

1.2.1.1 整体性计算方法。由于一个国家或一个地区的生产生活并不完全仅限于该区域，势必与其他国家或地区存交往，水足迹也会随之发生变化。

WF=WA+VWI-VWE

式中，WF为一个国家或地区的水足迹；WA为该区域的生产生活水资源利用量；VWI为该区域的虚拟水流入量；VWE为该区域的虚拟水流出量。该方法的重点是要获取详细的流入与流出的产品数据记录，然而获取其资料数据有局限性。

1.2.1.2 直接求和计算方法。

WF=VWS+VWG

式中，VWS为该区域所有消费服务虚拟水量；VWG为该区域所有消费商品虚拟水量。该方法思路明确，但涉及单位服务或商品消费虚拟水量获取有局限。

1.2.2 蓝水足迹的计算。水电开发的水足迹与生物质水足迹[5-6]有着区别，因此不能以传统水足迹的计算方法计算水足迹。为方便计算，以水电站蒸发量作为水电站的水资源利用量来计算其蓝水足迹，综合评价水电站的水足迹。水电站蓝水足迹等于水库多年平均年蒸发量除以水电站的多年平均年发电量[7]，即

WFi=Ei/Pi=KR·Si/Pi

式中，WFi为第i个水电站的蓝水足迹，m3/GJ；Ei为第i个水库多年平均蒸发量，m3；Pi为第i个水电站多年平均发电量，×108kW·h；KR为考虑不同气候分区的水面蒸发折算系数；Si为第i个水电站库区的水面面积，km2。平均蓝水足迹及总蓝水足迹计算：

式中，n为所选水电站的个数；hi′为第i个蒸发皿的实测蒸发深度，mm。

式中，WF0为n个水电站的总蓝水足迹，Gm3/a。

2 结果与分析

2.1 我国不同水电站的蓝水足迹 由表1可知，我国水电站蓝水足迹分布存在较大差异，排在前10位的水电站的蓝水足迹相差较大，为69.35～379.19 m3/GJ，分布不均，与国外[8]的蓝水足迹相比明显较低。

表1 我国不同水电站的平均蓝水足迹

2.2 我国不同气候区域的蓝水足迹 基于气候条件因素，笔者搜集与调研了不同的气候分区，进而获得了其各区域的平均蓝水足迹。由表2可知，华中地区、康滇地区、蒙新地区、青藏地区的平均蓝水足迹明显低于东北地区、华北地区和华南地区。造成该差异的主要原因取决于地理位置的差异，如高原区域山地陡坡明显，落差大，库区水位深、面积狭小，致使平均蓝水足迹较小。

表2 我国不同气候区域的平均蓝水足迹

2.3 发电量相近的水电站的蓝水足迹 笔者选取发电量相近的10座水电站进行分析，由表3可知，在实际需求(发电量)相同的情况下，不同水电站的蓝水足迹随着蒸发量的增大呈明显的增加趋势，也就是说，在此情形下水电站蓝水足迹的大小很大程度上依赖于水面面积与蒸发深度。

表3 发电量相近的10座水电站的平均蓝水足迹

3 结论

(1)该研究表明，排在前10位的水电站的蓝水足迹跨度较大，为69.35～379.19 m3/GJ，说明我国水电站蓝水足迹分布不均；我国不同气候区域的平均蓝水足迹为4.31～33.96 m3/GJ，可见蓝水足迹的地区差异较大；在实际需求(发电量)相同的情况下，不同水电站的蓝水足迹相差较大，为0.15～21.00 m3/GJ，并且随着蒸发量的增大呈明显的增加趋势。然而，我国水电站的蓝水足迹水平与国外平均蓝水足迹(67.74 m3/GJ)[10]相比，明显较低。因此，根据这一情况应继续保持或提高水电站的水资源利用。

(2)区域性对水电站水足迹的影响明显，能为我国水电站建设提供一定依据，应尽量多地选择在多山、蒸发量小、地形狭窄、水库面积小的高山峡谷地区建设水电站，以有效利用落水差，减少蒸发，节约水资源。建设水电站或现有水电大坝可以蓝水足迹作为衡量标准，蓝水足迹能够定量反映水电站对水资源的利用率，进而为合理规划水电开发提供依据。

[1] HOEKSTRA A Y，CHAPAGAIN A K.Water footprints of nations：Water use by people as a function of their consumption pattern[J].Water resources management，2007，21(1)：35-48.

[2] HERATH I，DEURER M，HORNE D，et al.The water footprint of hydroelectricity：A methodological comparison from a case study in New Zealand[J].Journal of cleaner production，2011，19(4)：1582-1589.

[3] 戚瑞，耿涌，朱庆华.基于水足迹理论的区域水资源利用评价[J].自然资源学报，2011，26(3)：486-495.

[4] 程国栋.虚拟水——中国水资源安全战略的新思路[J].中国科学院院刊，2003，18(4)：260-265.

[5] 狄乾斌，韩增林，刘桂春.基于虚拟水消费的水足迹计算：以大连市为例[J].云南地理环境研究，2006，18(5)：28-33.

[6] 龙爱华，徐中民，张志强，等.甘肃省2000年水资源足迹的初步估算[J].资源科学，2005，27(3)：123-129.

[7] 龙爱华，徐中民，王新华，等.人口、富裕及技术对2000年中国水足迹的影响[J].生态学报，2006，26(10)：3358-3365.

[8] 朱艳霞，纪昌明，周婷，等.梯级水电站群发电运行的水足迹研究[J].水电能源科学，2013，31(2)：87-90.

[9] 周建平，钱钢粮.十三大水电基地的规划及其开发现状[J].水利水电施工，2011(1)：1-7.

[10] MEKONNEN M M，HOEKSTRA A Y.The blue water footprint of electricity from hydropower[J].Hydrology and earth system science，2012，16(4)：179-187.

[11] GERBENS-LEENES P W，HOEKSTRA A Y，VANDER MEER T.The water footprint of energy from biomass：A quantitative assessment and consequences of an increasing share of bio-energy in energy supply[J].Ecological economices，2009，68(4)：1052-1060.

[12] 马静，汪党献，来海亮，等.中国区域水足迹的估算[J].资源科学，2005，27(5)：96-100.

[13] 李先华，李建民.碗米坡水电站发电耗水率分析[J].中国电力教育，2011(6)：130-131.

[14] 陈云华，吴世勇，马光文.中国水电发展形势与展望[J].水力发电学报，2013，32(6)：1-4，10.

[15] 陈尧，马光文，杨道辉，等．水电站综合耗水率参数在水库优化调度中的应用[J].水力发电，2009，35(4)：22-23，28.

Evaluation of Water Resources Utilization of Hydropower Station Based on Water Footprint Theory

ZHAO Jin-hui1, WANG Xin-hua1*, WANG Zhong-yun2

(1. Hydraulic College, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201; 2. College of Marxism, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201)

Water resources consumption situation of hydropower development and utilization was analyzed from the aspect of resources. The concept of water footprint was applied in the development of hydropower. Application of water footprint theory in water resources of hydropower station was researched from the three aspects of blue water footprints in hydropower station, blue water footprints in different areas, blue water footprint of hydropower station with the same generated energy. Results showed that blue water footprints in hydropower station of China were unevenly distributed. Region had significant impacts on the blue water footprints. Finally, constructing hydropower station or current hydropower station should take blue water footprint as the yard stick. Hydropower station should be established in mountain valleys with many mountains, small evaporation capacity, narrow topography, and small water reservoir area, which could effectively reduce evaporation and save water resource consumption.

Water footprint; Water consumption; Blue water footprint; Hydropower station

赵金辉(1989- )，男，河南柘城人，硕士研究生，研究方向：水文与水资源。*通讯作者，副教授，博士，硕士生导师，从事水文与水资源研究。

2016-08-30

S 181

A

0517-6611(2016)31-0079-03