美国水利基础设施及内陆水系投资案例分析

[美国]　D.A. 埃尔彭贝克 等

美国水利基础设施及内陆水系投资案例分析

[美国]D.A. 埃尔彭贝克 等

摘要：为满足水利基础设施建设和内河航运体系修复的需求，北美每年需投入资金超过4.5亿美元。据估计，未来北美在这方面的投资规模会更大，以满足现行体系的需求。鉴于区域基础设施已达到使用极限，对工程修复的投资刻不容缓。从水电站、航运等方面阐述了基础设施需要修复的根本原因，以及老化问题对水电站和船闸的影响，提出了解决方案，对水利基础设施修复的投资分析具有参考价值。

关键词：水利；基础设施建设；修复；投资分析；美国

北美地区水电站、大坝和航运体系等基础设施都存在老化问题。据美华集团(MWH)近期评估，维护老化水电站和内河航运系统的船闸分别需要2.5亿和2亿美元投资。现首当其冲应改善基础设施，而不是积极推进新项目。下面分别从水电站和航运方面论述基础设施需要升级改造的原因。

1水电站

1.1二战后遗留问题

北美水电站的平均使用年限已超过75 a。水电站最初建设时，设备的设计使用年限为35～50 a。一些超过设计使用年限的老式发电机组已出现了严重的老化问题。

本文收集了美国境内装机容量超过10 MW的发电机组实际使用年限的数据(见图1)。共收集1 469台机组，占美国水电总装机容量的89%。统计表明，其中285台机组役龄超过75 a，接近整修或报废的临界点。总体上，美国现有水电机组中近60%已经超过了其初始设计使用年限。

注：*表示以2012年为初始年开始研究，每10 a递增。图1　美国水电站的实际使用年限

除水力机械以外，水电站土建工程部分也存在风险，其中主要问题之一是能否保证发电机组在允许运行偏差范围内稳定运行。一旦水电站运行超过75 a，业主就必须慎重考虑设备的去留问题。但至今为止，还没有任何大型项目因此被弃用，只有大量小型水电站因发电收益不足以对土建工程进行再投资而被弃用。

1.2水系变化

早期，美国许多水电站建设时并未考虑到未来上下游水系的变化和当前的环境问题。这是由于年代久远的水电站是按照当时的水头和尾水曲线设计的，现在却发生了改变。此外，为应对诸如鱼类洄游等环境问题，电站的运行策略也进行了调整。这些因素均导致电站发电水头或引用流量发生变化，许多老式电站的机组无法以最佳效率运行，运行过程中，空化现象和机器振动时有发生。

1.3电网变化

随着电力行业管制的放松，许多电站业主不得不改变设备的运行方式。当时大多数老式水电站是按照持续基荷运行考虑的。水电机组运行灵活，能在5 min内由静止到满负荷运行，并能为输电网络提供无功功率和备用容量。因此，机组启动和停机，或其他不同模式之间转换(如压缩调相模式到发电模式)比老式水电站初期更为频繁，从而导致大量磨损。

1.4能源市场经济状况的变化

大量资金重新投入水电站是水电站价值的直接体现。电站价值越高，为确保其可靠运行投入的资金也就越多。近年来，由于石化能源价格上升，火电、燃气和核电站运营管理成本上升，政府对可再生能源投资组合标准提高，以及修建替代电站成本增加等因素，导致水电站的价值快速提升。以上因素也是许多水电站升级改造的原因，若用财务标准来衡量，1995年以来计划大修的项目都应是目前优先考虑的工程项目。

1.5项目重新授权

美国许多水电项目是通过联邦能源管理委员会(FERC)批准的40 a或50 a授权运营的，对水电项目业主来说，重新获得授权是一个非常重要且成本高昂的过程。重新申请授权的过程中，业主必须证明他们是优秀的现场及河流管理者，并达到水资源的最优利用，包括设备的高效利用。此外，环保部门也想借此要求项目在环保方面进行改进。

2航运

美国拥有许多适合长距离通航的天然水系。自19世纪初期，美国政府要求美国陆军工程师团(USACE)对密西西比河进行疏浚，到20世纪已修建了一系列闸坝，实现了密西西比河上游、伊利诺斯河、田纳西河、俄亥俄河和哥伦比亚河全年通航。

目前美国的内河通航里程已达17 700 km，包括192座船闸(共236个闸室)，年货运量达8亿t。若再加上进出口货物，美国的港口和内河水运年货运总量超过23亿t。

2.1货运量增加

图2为美国过去40 a的水运贸易量变化趋势。2010年，美国有 5.66亿t货物通过内河水运运输，其中煤炭和石油(包括石油产品)分别占31%和26%，位列第一和第二位，食品和农产品占14%。每年通过内河水运出口的粮食总量超过7 000万t。50%的谷物、大豆和精制食料出口通过驳船运输。

预计从2010年到2040年，美国水运货物总量将增加61%，货物联运量将由18%增加至27%，水运将成为主要的运输方式。

图2　美国过去40 a的水运贸易量变化趋势线

2.2老化的水运基础设施

截止到2015年，在美国现役的船闸中，约60%的闸室已超过设计使用年限(50 a)，包括密西西比河上游、伊利诺斯河、田纳西河等重要航道上使用频率较高的重要船闸(见图3)。

图3　美国老化的船闸清单(包括隶属于USACE和田纳西河流域管理局的所有正在运营的船闸)

除此之外，美国的大坝也在逐渐老化，急需增强安全性。在USACE拥有和运营的700座大坝中，只有一小部分属于大坝安全分类(DSAC)中的一类(极不安全)，约20%属于二类(不安全或潜在不安全)。据评估，加固这些大坝需投资243亿美元，而目前每年的投资仅为5亿美元。

2.3融资限制

美国联邦政府在新建内河航运基础设施上的投资不能满足其日益增长的运营和维护费用，而资本存量价值是衡量投资这些设施的指标。如图4所示，资本存量价值在1984年达到峰值(2 650亿美元)，由于投资不足，到2011年，该价值减少至1 920亿美元。若据此推算，到2044年，资本存量价值将仅有1 300亿美元，不足峰值的一半。

图4 美国航运基础设施运行维护、建设成本及投资(百万美元,2012年价格水平)

未来10 a内，若保持当前资本存量价值不变，每年需要投资约69亿美元。

3影响

在水电和航运领域，基础设施正逐渐老化，业主为此要耗费资金和时间，生产率明显降低。

水电设施修复工程中的最大单项投资不是资金投入，而是停机时间。当老电站进入被迫停机状态时，业主可利用这段时间来分析设备的整体状态。从长远来看，这可为业主节省大量的时间和资金。

对于航运而言，主要影响是延长了船舶的通航时间。尽管维修计划有所改进，但在过去4 a中，其实际通行时间仍延迟了1倍(见图5)。通行时间延长，导致整个供应链产生负面效应，如燃油成本增加、上市速度减缓等。2013年，系统总延迟时间为77万h(约88 a)。

图5 USACE:船舶在船闸的延迟时间

4结语

内河航运是解决货运量日益增长的有效途径之一。就水电站而言，可通过升级改造提高其生产效率，创造更多的清洁能源，实现水电资源利用的最大化。

麦肯锡(McKinsey)全球研究所的一项研究表明，扩大对基础设施领域的投资，能为美国提供约180万个就业岗位，且2020年GDP将达到3 200亿美元。

曹艳辉孙言译

(编辑：唐湘茜)

收稿日期：2016-01-08

文章编号：1006-0081(2016)04-0039-03

中图法分类号：TV：U417.9

文献标志码：A