环境流量政策对电力系统平衡成本及河流生态系统服务效益的影响

《Water Resources and Economics》：Impact of environmental flow policy on power system balancing costs and river ecosystem service benefits

可持续河流管理需要更多关于环境流量约束的成本效益信息。本文以芬兰科米约基河水电系统为例，通过多市场优化模型和生态服务价值评估，分析50%降低流量波动限制对水电收益、系统平衡成本及河流生态服务的影响。研究发现，环境流量政策虽使水电收入减少1.12%（269,000欧元/年），但通过减少水文波动和改善生态系统服务，消费者支付意愿达334,247欧元/年，成本效益比在无碳排放增加时可达1:0.41。研究证实，在考虑系统平衡成本和生态服务价值时，适度收紧环境流量政策具有经济合理性。

　　在当今全球对可持续发展的重视日益增强的背景下，水资源的合理管理与生态系统的保护成为研究的重要议题。尤其是在能源转型的推动下，可再生能源的使用比例不断上升，其中水电因其灵活性和稳定性，成为电力系统中不可或缺的一部分。然而，随着风能和太阳能等间歇性可再生能源的广泛应用，电力系统的波动性也显著增加，这使得水电在维持系统平衡方面扮演了更加关键的角色。与此同时，水电的运行方式，特别是“水文峰谷调节”（hydropeaking）现象，对河流生态系统和其提供的服务带来了深远的影响。因此，如何在保障电力系统稳定运行的同时，减轻对河流生态系统的负面影响，成为政策制定者和水电企业需要认真思考的问题。

本文以北欧电力市场和河流生态系统服务为研究背景，选取芬兰的Kemijoki河作为案例，探讨了对水电站运行进行“水文峰谷调节”限制的环境流量政策（Environmental Flow Policy, EF policy）对电力系统平衡服务、水文条件以及生态系统服务的影响。研究团队通过构建优化模型和应用高分辨率水文模型，分析了在实施该政策前后的经济成本与生态效益，并对政策的综合影响进行了评估。研究结果表明，随着环境流量政策的严格程度提高，水电站的平衡市场灵活性最优水平下降，这在一定程度上降低了其收益。然而，环境流量政策的实施也带来了生态效益的提升，包括改善河流的水文条件和生态系统状态。进一步的分析显示，如果电力系统可以通过无排放的替代技术（如风能、储能系统和需求侧管理）实现平衡，则环境流量政策带来的生态改善价值会显著增加，从而拉大地方利益与系统成本之间的差距。因此，这种政策不仅有助于改善河流生态，也对电力系统的可持续发展具有重要意义。

### 水电的灵活性与水文峰谷调节

水电作为一种可调节的可再生能源，能够提供基荷电力和平衡服务，以适应电力系统中日益增加的波动性。通过调整水电站的发电调度，可以灵活地应对电力需求的变化，从而维持系统的稳定性。然而，这种灵活性的代价是河流水文条件的剧烈变化，即水文峰谷调节。水文峰谷调节指的是在电力需求高峰时增加放水量，在低谷时减少放水量，从而导致河流的水位、流速和水温发生快速变化。这种变化对河流生态系统产生了多方面的影响，包括对鱼类栖息地的破坏、对水体形态的改变以及对水文和生态服务的负面影响。

水文峰谷调节现象在Kemijoki河尤为显著，其河流的运行受到多个水电站的调控，且每个水电站的运行都会对下游的水文条件产生影响。研究指出，水文峰谷调节不仅影响河流的物理特性，还对生态系统的功能和服务产生深远影响。例如，它可能导致鱼类繁殖条件恶化、水体沉积物增加、水体温度波动，以及对人类休闲活动的干扰。这些影响通常被视为外部性，即由水电运行带来的非市场效益或成本，而这些外部性往往未被纳入电力系统的经济评估之中。

### 环境流量政策的引入与影响

为了缓解水文峰谷调节对生态系统的负面影响，研究团队提出了一种“环境流量政策”，即通过限制水电站的放水速率来减少水文波动。该政策在Kemijoki河的Ossauskoski水电站实施，并通过对比“现状运营”（Business as Usual, BAU）和“适度环境流量改善”（Moderate Environmental Flow Improvement, MEFI）两种情景，分析了政策对水电运营和生态效益的影响。

在BAU情景中，Ossauskoski水电站的每小时放水速率设定为250单位，而在MEFI情景中，这一数值被降低至125单位，即减少了50%。研究结果表明，这种限制虽然会降低水电站的灵活性，从而减少其在平衡市场中的收益，但同时也能带来显著的生态效益。例如，受影响的区域面积从2.43平方公里减少至2.35平方公里，降幅约为3%。特别是在浅水区和河岸附近的区域，水文波动的减少显著改善了生态条件，如提高了水体的稳定性，降低了水流对河岸的侵蚀，并改善了鱼类栖息地的条件。

此外，研究还发现，环境流量政策对河流的生态服务产生了积极影响。通过水文模型分析，发现水体的深度和流速在MEFI情景下更加稳定，这有助于维持河流生态系统的健康。同时，环境流量政策对河流的水文形态也有改善作用，减少了由于水文峰谷调节导致的水体表面变化，从而降低了对河岸植被和人类活动的干扰。这些变化表明，适度的环境流量政策能够在一定程度上缓解水文峰谷调节带来的负面影响，同时保持电力系统的稳定性。

### 经济成本与生态效益的权衡

尽管环境流量政策带来了生态上的改善，但其实施也伴随着一定的经济成本。研究团队通过构建优化模型，分析了在实施MEFI情景下的水电收益变化。结果表明，与BAU情景相比，MEFI情景下的水电总收益减少了约1.12%，即减少了269,000欧元。这一收益损失主要来源于水电站平衡市场的灵活性下降，导致其在平衡市场中的收益减少。同时，由于水电站的放水速率受到限制，电力系统需要从其他资源中获取平衡服务，这可能导致系统平衡成本的增加。在MEFI情景下，系统平衡成本增加了约59,000欧元，主要体现在向上平衡和向下平衡的价格变化上。

然而，研究团队进一步评估了环境流量政策的生态效益，并将其与经济成本进行了比较。通过应用选择实验（Choice Experiment, CE）方法，他们估算出居民愿意为改善河流状态支付的金额。结果显示，在考虑电力系统仍然依赖化石燃料的情况下，居民每年平均愿意支付约66.6欧元，而在电力系统实现碳中和的情况下，这一数值上升至92.9欧元。这些数据表明，环境流量政策的生态效益具有较高的社会价值，且在实现碳中和的电力系统中，这种效益更加显著。

### 政策建议与未来研究方向

本文的研究结果为政策制定者和水电企业提供了重要的参考。首先，环境流量政策的实施有助于改善河流的生态状况，但同时也需要权衡其对水电收益的影响。因此，政策制定者在设计环境流量政策时，应充分考虑其对电力系统运行的影响，并寻求优化策略，以在生态效益和经济效益之间取得平衡。其次，研究指出，未来的电力系统可能更多地依赖风能、储能技术和其他可调节资源来实现平衡，这将为环境流量政策的设计提供更大的灵活性。因此，水电企业在规划运营时，应关注这些新兴技术的发展，并将其纳入平衡策略中。

此外，本文也指出了研究的局限性。目前的研究仅基于单一水电站的运行数据，且所使用的水文模型和优化模型主要依赖于2015至2019年的数据。由于近年来风能和太阳能的快速发展，电力系统的运行模式已发生变化，这可能会影响环境流量政策的效果。因此，未来的研究应关注更广泛的水电站群，以及更长时间跨度的数据，以更全面地评估环境流量政策的影响。

最后，研究强调了对生态服务的综合评估的重要性。通过将生态服务纳入经济分析，可以更全面地理解环境流量政策的综合影响，并为政策的优化提供依据。同时，研究也指出，未来的研究应进一步探讨水文峰谷调节对河流生态和形态的影响，以及如何通过政策调整来改善这些条件。这不仅有助于提升河流生态系统的健康，也为实现可持续发展提供了理论支持和实践指导。