水电被认为是目前技术最成熟、最具有经济性的可再生能源，是我国政府为缓解能源紧缺和优化能源结构的首要选择^[1]。其中，小型水电站(简称小水电)因其灵活的开发方式及能够有效推动农村经济发展等优点而逐渐受到社会各界的广泛关注^[2]。在我国，小水电一般是指单站装机容量在5万kW及以下的水电站，技术可开发资源量为1.28亿kW，居世界第一位，主要分布在中西部远离大电网且水资源丰富的山区^[3]。截至2011年末，全国范围内已建成小型水电站4.5万多座，装机容量6212万kW，年发电量1757亿kWh^[4]。与大水电相比，小水电对生态影响的争议更大，Paish认为小水电工程量小，不会对当地生态环境造成如大坝所产生的负面影响，且在经济上是划算的^[5]；而Abbasi等人则认为小水电对环境所造成的负面影响不亚于大型水电工程^[6]。国内关于小水电的环境影响及经济效益争论更是莫衷一是^{[7, 8]}，相关的研究也主要集中在小水电开发对河流动、植物群落的影响及节能减排等单一要素方面^{[9, 10]}。

能值分析是H.T.Odum基于能量学和系统生态学建立的系统分析方法，通过将系统内储存和流动的各种形式的能量转化成统一单位的能值，能够对系统的生态环境影响及可持续发展能力等进行定量评估^{[11, 12, 13]}，目前已成为城市、湿地、农业等生态系统常见的评估方法^{[14, 15, 16, 17]}。值得强调的是，能值分析近年来也被用于灌区改造、热力电厂等工程的评价^{[18, 19]}，尤其是Brown、Kang、Yang等学者先后利用能值分析方法定量分析泰国湄公河上Pa Mong和Chiang Khan两座大坝、韩国多功能大坝以及三峡大坝等大型水电站的可持续性等^{[20, 21, 22]}，为本研究提供了很好的基础和平行参照的对象。

本文选取贵州省安龙县红岩二级水电站为案例，基于生态能量视角，利用能值分析方法对其建设和运行进行定量分析，探讨小水电建设运行的生态效益、环境负荷、公平电价以及不稳定运行等问题，以期为小水电的可持续发展提供定量参考依据。

如前所述，我国小水电资源主要分布在中西部水资源丰富的山区，尤其是西南部的云贵川地区。安龙县位于贵州省黔西南布依族苗族自治州，该县小水电资源丰富且开发密度较高，目前投入运行的小水电站已达20多座，在小水电的建设运行方面具有很强的代表性。因此选择该县的红岩二级水电站(N24°59′44.52″，E105°11′55.68″)为案例点进行研究。红岩二级水电站位于安龙县城西南部阿油槽村肖家云组南盘江畔，为无调节引水式水电站，始建于2003年，其发电用水来自河流上游，干旱时需用作农田灌溉。水电站利用挡水坝拦截河水，通过引水渠道将河水平缓地引至与进水口有一定距离的河道下游，集中落差。在引水渠道末端设置压力前池，以连接引水渠道和水轮机的压力水管，通过压力水管将河水引至发电厂房发电，尾水排至河流下游，水电通过变电设备等进行上网。与常规大中型水电站不同的是，小水电一般无库容，流量调节能力差，来水受季节性降雨和灌溉争水等影响较大，导致小水电的实际运行和设计规划有所不同。2010年该水电站实际发电量2452万kWh，上网电量2442万kWh，折合年满发小时数为3066h，与设计容量存在一定的差距(表 1)。

所谓能值是指产品或劳务形成过程中直接或间接投入应用的有效能总量^[11]。实际应用中，太阳能是包含在地球所有生物化学过程中最重要的能量，所以常以太阳能值(solar emergy)为基准衡量某一能量的能值，单位为太阳能焦耳(solar emjoules，缩写为sej)^[23]。不同类别的能量即能量(J)、质量(g)和货币($)通过单位能值价值(UEV)转化成太阳能值，从而对系统进行定量比较和分析。当能量形式为焦耳时，UEV又可称为能值转换率^[24]。

根据Odum设计的能量语言^[11]，绘制了小水电生态经济系统的物质能量流动图(图1)，图中包含自然资源和经济输入主要成分以及系统组分之间的主要结构。根据输入资源是否免费以及是否具有可再生性，将其分为本地免费可更新资源(RL)、外界输入免费可更新资源(RO)、本地免费非可更新资源(NL)以及购入资源(P)， 其中购入资源又可分为购入可更新资源(FR)和购入非可更新资源(FN)，表 2列出了小水电系统不同资源输入及主要能值指标。

图1 红岩二级水电站的物质能量流动图 Fig. 1 Diagram of the emergy flows in the studied system

图选项

基于红岩二级水电站设计报告书和课题组的实地调研，建立了2010年红岩二级水电站实际运行的系统能值核算表(表 3)。需要指出的是水电站设计运行30a，而本研究是基于1a的静态研究，因此在能值核算清单中建设材料及发电设备等一次性投入能值均折算为年度的流动量。核算结果显示，该水电站2010年实际发电8.79×10¹³J，系统需要9.04×10¹⁸sej的太阳能值。其中，河水势能(4.37×10¹⁸sej/a)占总输入能值的48.35%，是系统运行的主要能量驱动力；在本地免费可更新资源中，雨水的能值是最大的，为避免重复计算，只将雨水纳入到核算体系中，为1.99×10¹⁴sej/a；此外，建设石材(2.62×10¹⁸sej/a)是唯一本地非可更新资源，且在核算表中为第二大能值输入项。总体来看，在该水电站的能量输入中有77.29%来自免费的自然资源，可见小水电建设运行对自然资源的依赖程度很高。

在购入资源中，税费、运行维护及建设水泥是其中3个最大的能值投入，分别为6.74×10¹⁷,3.79×10¹⁷和2.79×10¹⁷sej/a。而钢材、机械设备及其他建设材料所占比例较小，这是因为小水电站的水工建筑物结构简单。但由于安龙县地处典型的喀斯特地貌区域，地表易被流水侵蚀，所以需石子、水泥等组成混凝土来加固引水渠道以防止水的下渗等。此外，与大型水电站不同的是，小水电淹没和移民损失很小，重新安置只占到能值总投入的0.44%。图2给出了红岩二级水电站的主要能值输入即能值结构。

图2 案例小水电系统的能值输入结构 Fig. 2 Structure of detailed inputs for the studied system

图选项

由能值核算表计算可得到一系列能值指标包括能值转换率、能值产出率、环境负载率和能值可持续指标等，并将其分别与所选泰国湄公河上两座大坝^[20]、韩国多功能大坝^[21]以及三峡水电站^[22]相对比(表 4)，以便对小水电生态经济系统作更深入的分析。

能值转换率是指系统生产单位物质所需投入的能值量。当不同系统生产相同的产品时，能值转换率可表征系统的生产效率。能值转换率低，生产相同的产品所需能量少，或者相同能量可生产出更多的产品，则说明系统生产效率高^{[11, 33]}。本研究中，小水电的能值转换率为1.03×10⁵sej/J，其可再生性比例为52.01%。对比大水电，其能值转换率均在1.50×10⁵sej/J之上，可见小水电的生产效率较高，这是因为小水电建设运行中所需水工建筑物等较少，主要是对于水能的转化，而大水电所需机械设备等投入较多，并有大量泥沙堆积、移民等，在转化水能的同时需要大量能值输入及能值损失，因此转化水能效率较低。

能值产出率指示系统通过从人类经济社会输入资源对自然资源的开发能力^[32]，与支撑系统运行的资源是否免费有关，而与资源是否为可再生无关，可用来评估免费自然资源对系统运行的潜在贡献能力^[14]，同时也反映了系统的经济活力。EYR越大，表明免费自然资源对系统生产过程的贡献越大，系统经济活力越强，竞争力越大。本研究中，小水电的EYR为4.40，是其他几座大型水电站EYR的2.36到6.03倍，这意味着小水电在建设运行过程中对从人类社会输入的资源依赖程度较低，而对免费自然资源的利用程度要明显高于其他几座大型水电站，其开发效益较高，经济竞争力强于大水电^[34]。

环境负载率表示系统建设运行中从外界输入能值以及开发本地非可再生资源对当地生态环境造成的胁迫作用，与支撑系统运行的资源可再生比例直接相关。理论上，一个自然系统如果100%依靠可再生资源支撑运行，则ELR为0^[35]，若系统持续处于较高的环境负载率，将会造成不可逆转的系统功能退化^[34]。三峡水电站因为河水重力势能输入较大而ELR较低，除此之外，本研究中小水电的ELR(0.92)远小于湄公河上两座大坝和韩国多功能大坝(分别为3.2、3.1和2.94)，这说明该小水电在建设运行过程中能量的传递和转移对环境造成的压力小，其环境表现要远远好于大水电，这主要是因为小水电系统运行过程中河水势能是主要驱动力，而对不可再生资源的依赖程度较低。

能值可持续指标表征系统的可持续发展能力，若系统的能值产出率较高，同时环境负载率较低，则该系统的可持续能力较好^[35]。一般而言，ESI介于1和10之间，说明该系统既有较好的发展潜力又有很好的持续能力；ESI<1，该系统为消费性系统，是不可持续的；ESI>10，该系统发展水平较低^[36]。本研究中，小水电的ESI为4.77，表明小水电生态经济系统既有较好的经济活力，又有较强的可持续发展能力；而湄公河上两座大坝和韩国多功能大坝的ESI均小于1，为消费型系统，长久来看是不可持续的，三峡水电站ESI为1.03，可持续能力较低。

一直以来，小水电的上网电价备受争议。从区域资源交换的角度来说，能值分析能够定量比较出售产品的能值和支付货币的能值当量，因此可用能值分析方法判定小水电上网电价是否合理，如图3所示。能值交换率是指购买者支付货币相当的能值与产品能值之比率，可以衡量交易双方哪方占优势。EER>1，说明交易有利于卖方；EER<1，说明交易有利于买方；只有当EER等于1时，买方和卖方之间的交易才是公平的^{[32, 37]}。2010年，红岩二级水电站的上网电价为0.23元/kWh，由此得到EER为0.58<1，说明水电上网过程中，小水电输出的能值高于得到的货币能值，从而在运行过程中消耗本地自然资源，该价格不利于电站的可持续发展。计算可知，水电的合理价格为0.40元/kWh，这意味着水电站在2010年由于不合理电价损失了3.83×10¹⁸sej的太阳能值，占到总投入能值的42.35%。

图3 水电上网过程中的能值交换示意图 Fig. 3 Diagram showing the emergy exchange in the process of the electricity integrated into the grid

图选项

不合理电价已经成为小水电可持续发展最重要的限制因素之一，很多小水电站因为利益亏损而停产。一旦停产，投入到这些小水电站中的设备、建筑材料等因为在偏远山区没有其他用途而被闲置，造成资源浪费。因此，为避免资源浪费、保证小水电产业的经济可持续发展，应该适当提高水电上网电价，至少应该保证其合理电价。

如前所述，小水电由于没有拦河坝或水库，流量调节能力差，受季节性降雨及灌溉争水等影响，来水情况不稳定，日发电量波动较大^{[5, 38]}。图4为红岩二级水电站2010年日上网电量波动图，可看出从2月到5月，因为在枯水季节无水可发，水电站几乎处于完全停运状态；从6月开始，随着降雨增多，水电站除了因工程质量问题停运之外，一直处于相对满负载运行；进入10月之后，降雨减少，发电量随之相应减少，一直持续到翌年1月。小水电站每年的发电量不同，水电站的能值分析结果也会随之改变。因此有必要分析发电量对水电站的环境表现的影响程度。

图4 红岩二级水电站2010年日上网电量波动图 Fig. 4 Daily generation integrated into the grid of the studied plant in 2010

图选项

根据现场调研，水电站自运行以来最低达到了50%的设计年发电量，因此本研究考虑3种情况：设计发电量、2010年实际发电量(83%)以及最少发电量即50%的设计发电量，并将3种情况下水电站的能值指标作对比，如图5所示。可以看出，发电量对水电站能值指标的影响很大，随着发电量的减少，水电站系统的可持续表现逐渐变差。尤其是当发电量由设计发电量减少到50%设计发电量时，红岩二级水电站产出的水电能值转换率由9.8×10⁴sej/J增大到1.31×10⁵sej/J，接近于湄公河上大型水电站产出水电的效率(分别为1.54×10⁵、1.57×10⁵sej/J)；系统ESI值也从6.12急剧减小到3.01，证明小水电系统的可持续能力对发电量变化十分敏感。水电站的发电量是由可用水量决定的。因此，在确定一个小水电规模的时候，投资者和规划者应该特别关注河流的可开发资源量，并充分考虑各种不确定性因素。如果水电站规模超过了可利用水量，则会因缺水造成设备闲置；如果水电站规模小于可利用水量，则会造成部分水能资源的浪费。可见，对于特定的河流，适度规模的水电开发以使水电站在生态和经济效益达到最佳状态至关重要。

图5 不同发电量情况下红岩二级水电站能值指标变化图 Fig. 5 Analysis of environmental performance of the studied system in response to variation of generation

图选项

本研究以能值分析理论为方法，通过计算能值指标及对比，对小水电生态经济系统的运行特征进行分析，结果表明：

(1)2010年安龙红岩二级小水电生态经济系统需要9.04×10¹⁸sej的能值支撑，主要依靠免费自然资源，免费自然资源占到总投入能值的77.29%。通过和大水电的系统能值指标对比可知，相对于大水电，小水电对本地资源的转化能力较高而环境负荷较低。整体来讲，小水电的可持续性表现要优于大水电。

(2)2010年红岩二级水电站水电上网过程中的EER为0.58，上网电价低于其合理价格，水电站损失了3.83×10¹⁸sej的能值。因此，为保证小水电的经济可持续健康发展，应该适当提高小水电的上网电价，至少应该保证其合理电价。

(3)通过分析可知，红岩二级水电站的环境表现受发电量影响很大，随着发电量减少，生产效率、环境压力等表现变差。当发电量由设计发电量减少到最少发电量时，ESI值从6.12急剧降低至3.01，可见系统的可持续能力对发电量非常敏感。而发电量是由小水电可用水量决定的，因此，系统评估水电资源，做好流域小水电总体开发规划，保证小水电系统稳定运行是提高其可持续性的关键之一。