文/ MATT WEISER

多亏了水力发电，人类第一次获得了大规模的电力。1895年8月26日，流经尼亚加拉大瀑布的水被分流到两台发电机上，发电来生产铝和碳化硅。从那时起，世界各地修建了数百万座大坝，将流动的水的能量转化为流动的电子的能量。当我们需要水的时候，水会让磁铁旋转经过一圈铜线，为我们提供热、光和娱乐。

水力发电的基本原理120年来没有太大变化。但现在科学家和工程师们正在重新审视水力发电，试图使其更加环保。

这是因为，虽然水力发电提供了全球85%的可再生电力，但它是有成本的。最近的研究表明，除了栖息地破坏等更广为人知的问题外，水电大坝建造的水库是温室气体排放的一个重要来源。

美国能源部是致力于使水力发电更有利于环境的机构之一。

能源部风能和水力发电技术办公室负责市场加速和部署的经理霍伊特·巴蒂说:“不仅能源部，整个水电行业都认为需要做更多的工作。”“Hydro将继续增长，未来有很多机会，只是大多数人都没有意识到。”

目前全球水电产量估计为1700吉瓦，约占总发电量的2%。

在美国，根据能源部的数据，2014年水力发电占总发电量的6%多一点，占可再生能源发电量的48%左右。根据能源信息管理局的数据，在2015年之前的十年里，水力发电容量增长了1.5吉瓦，达到了1吉瓦。(风能、太阳能和天然气产能增长较快，而煤炭和石油产能下降，核能产能基本持平。)

在一个水电的愿景能源部在2016年7月发布的一份报告中估计，到2050年，美国的水力发电可能会惊人地增长50%。

数以千计的新项目正在计划中

与此同时,一个2015年的研究在杂志中水产科学据估计，全球至少有3700座新的大型水电大坝被提议或正在建设中，大多数在发展中国家。

由于水电开发的激增，一个由各国政府、公用事业公司和非政府组织组成的国际联盟发起了水电可持续性评估方案在2011年。这些自愿性标准是作为路线图制定的，目的是使新的水电对环境更友好，对当地社区的危害更小，因为大型项目经常使当地社区流离失所或受到损害。

这种努力的效果如何还有待观察。其他60多个非政府组织批评了该议定书，称其不够严格，无法确保可持续发展目标的实现，并忽视了一些担忧，包括与人权有关的问题，以及大坝可能引发地震的风险。

事实上，许多环保组织更希望看到不再修建新的大坝。他们认为，其他可持续能源已经发展成为更好的替代品。

“风能和太阳能在许多国家已经变得更便宜，它们在气候方面的风险更小，它们可以更快地部署，而且它们的环境和社会足迹更小，”总部位于加利福尼亚州伯克利的环保组织国际河流(International Rivers)的执行董事凯特·霍纳(Kate Horner)说。

然而，其他人却看到了水电的一席之地，尽管它有一定的影响。“我只是不认为，当你把一大块混凝土放在河中央时，有任何方法可以使其对环境无害，”西部各州水电改革联盟(Hydropower Reform Coalition)主任凯利·卡特莱特(Kelly Catlett)说。“我确实认为，在一定程度上，大坝提供了如此多的社会效益，这确实超过了它造成的环境影响。”

由于更多的水力发电似乎不可避免，许多人正在寻找减少其不利影响的方法。

美国能源部正致力于开发模块化的“即插即用”水力发电装置，可以安装在许多不同的环境中。维持健康的自然河流功能是这项工作的主要目标，以确保水电的扩张不会扩大其有害影响。

与此同时，该署正制订新的环保指标，以评估新水电站的环保表现。同行评审过程首先定义水电的可持续性意味着什么，然后为不同的环境影响设定绩效指标，如鱼类洄游、能源效率和温室气体排放。

Battey说，增长的主要部分将来自于增加现有的无动力大坝和其他结构的发电，如灌溉渠，航闸，甚至管道。美国约有2200座水电站，约8.5万座没有水电站。能源部估计，其中约有1800个可以改造成发电装置。

修复现有问题

许多环保组织和当地社区关注现有大坝的问题。

恢复鱼类通道是一个主要的关注点。许多大型水坝在建造时没有鱼梯，这对鱼类迁徙来说仍然是一个绝对的障碍。气候变化使这一问题变得更加令人担忧，因为随着气温变暖，鲑鱼和钢头鱼等洄游物种需要进入大坝上方的冷水产卵栖息地。

但增加鱼梯的成本往往超过了一些大型大坝的原始建设成本。因此，折衷方案包括诱捕和打捞计划，即用油罐车在大坝周围收集和运输鱼类，以及各种配置的电动升降机。最不寻常的形式是实验性的“大马哈鱼炮”-在能源部的支持下开发的-可以通过管子将成年鲑鱼射过水坝。

改革放水的时间和强度是另一个重点。自然系统是由风暴引起的高度变化的河流流量演变而来的，而不是水力发电所具有的一致的低强度放水特征。例如，在科罗拉多河上的格伦峡谷大坝进行了短时间的高速放水，以调动河道中积累的沉积物，帮助恢复河岸栖息地。这种变化的流量也让喜欢河流娱乐的人，如漂流者和皮划艇手感到满意。

减少水库温室气体排放的研究也在进行中。当植被和藻类随着水位的变化而腐烂时，水库可能会释放出大量的甲烷，这是一种强大的温室气体。解决方案可能包括控制上游流域的侵蚀和更仔细地管理水位，特别是在温暖的季节。

去除滞留污染物

水库还截留了过去工业活动留下的污染物，这些污染物流向下游，集中在大坝后面。这些化学物质会在鱼类体内积聚，对人类和野生动物构成危险，并在饮用水中对健康构成危害。

清除滞留在水库中的污染物是一个巨大的后勤挑战。

特拉华州多佛市的镜湖出现了一种解决方案。这个湖原本是一个天然水体，多年前通过建造一个小堰来控制水位。它的沉积物被遗留的工业废物污染，包括多氯联苯、二恶英、杀虫剂和汞。一份长期存在的建议警告人们不要食用湖中的鱼，这是全球数千个水库的普遍情况。

马里兰大学巴尔的摩分校的化学工程教授乌帕尔·高希开发了一种利用沉淀物处理这些废物的方法，这种产品将活性炭与粘土或沙子混合成颗粒状。这些颗粒分散在水面上，然后下沉在湖床上形成一层，吸收并覆盖污染物。

特拉华州自然资源和环境控制部门于2013年在镜像湖尝试了这种处理方法。这项耗资100万美元的项目将79吨(72公吨)活性炭材料分散在湖面上，这是该方法的首次实际应用。

该州环境工程师里克·格林(Rick Greene)说，一年后的测试显示，水中的PCB水平降低了70%。他们还显示，鱼类组织中的多氯联苯含量下降了60%，如果任由湖水自行排出，此前预计这一变化需要25年时间。

研究人员最近采集了样本，对三年后的湖泊进行评估。格林希望这一结果能让州政府解除对鱼类消费的建议，让人们再次获得当地的食物供应——此前预计这需要50年以上的时间。

格林说:“这是一段很长的时间，当你想到这一点时，你会感到非常沮丧。”“我们认为这不仅能改善水质，还能改善鱼类健康。”

下面是回顾

改变水库功能是很困难的，因为许多大坝都被锁定在非常长的监管许可条款中——在美国长达50年。许多城市还以防洪为主要功能，因此储水量和放水都受到严格的安全规则的约束。

直到现在，许多美国最大的水力发电水库才到期申请新许可证，这一过程由联邦能源管理委员会监督。在许多情况下，这代表着许多大型水坝第一次在当代环境法的背景下被彻底重新审查，比如《濒危物种法》和《清洁水法》。

在其他要求中，FERC可以命令大坝所有者为栖息地和娱乐释放更多的水，并要求在从未有过鱼类通道的大坝上设置设施。它甚至可以下令拆除大坝。然而，在任何重新发放许可证的努力中，它还没有解决温室气体排放问题。

缅因州的佩诺布斯考特河说明了这种潜力。在20世纪90年代末和21世纪初，河流上的许多水电站在不同的所有者名下，都将重新获得许可。在这个过程的中间，1999年，他们被整合到一个所有者PPL Maine之下。

大西洋鲑鱼联合会(Atlantic Salmon Federation)负责美国项目的副总裁安迪·古德(Andy Goode)说，这是美国政府放松对能源行业监管的便利结果，这让一些公司在买卖水电资产方面更具吸引力。

古德帮助领导了一些组织与PPL Maine合作，改革其所有Penobscot大坝的运营。他们谈判的条件成为FERC颁发的新的50年经营许可证的一部分。

该项目被称为佩诺布斯考特河恢复信托基金。经过十多年的工作，该项目于2016年结束，改善了渔业流量，拆除了两座正常运行的水电站，并关闭了第三座水电站。这些水坝是由一个环保组织联盟购买并拆除的，该联盟为此筹集了2500万美元。

古德说:“我们几乎研究了河上的每一座大坝，并找出了如何将这些大坝纳入整体解决方案的方法。”

该项目已经看到了成效:包括河鲱鱼、美洲鲥鱼和大西洋鲑鱼在内的三种鱼类的数量已经恢复到几十年未见的水平，其他几种鱼类的数量也有望改善。这一目标在没有减少水力发电总量的情况下实现，因为剩下的两座大坝获得了额外的发电能力，一座封存的发电厂重新投入运行。

看整体

Penobscot是将“流域规划”概念应用于水电改革的罕见案例。流域规划不是专注于改善单个大坝，而是检查流域或流域内的所有大坝，以在生态系统规模上找到解决方案。目标是减少项目的环境足迹，同时最大限度地利用能源和水资源。

虽然流域规划已经成功地应用于新的水电开发——特别是在20世纪30年代由田纳西流域管理局(Tennessee Valley Authority)实施——但它在当代生物多样性和可持续性挑战方面的应用仍然很少。坦桑尼亚的另一个例子涉及到从潘加尼河重新分配水资源的全流域方法，由于气候变化，这条河的流量已经下降。

这样的努力是具有挑战性的，因为同一流域的多个大坝通常有不同的所有者，甚至有不同的功能，它们的许可和监管发生在不同的时间表上。

加州的一项提案以不同的方式应对整个流域的水资源挑战。耗资44亿美元的Sites水库是一个“下游”项目，这意味着它不会在河流上筑坝，而是将从萨克拉门托河泵入干旱山谷的水储存起来，然后在水被释放时发电。

但发电并不是重点。Sites Joint Powers Authority的总经理吉姆·沃森(Jim Watson)表示，当萨克拉门托河有多余的水时，水库将在洪水发生时被填满。然后，当萨克拉门托盆地现有的水库没有足够的水时，这些水将被释放以满足水质规定或提供渔业流量，然后这些水将流向下游的买家。这些由州政府和联邦政府拥有的现有水库在满足日益增长的用水需求和气候变化的影响方面面临越来越大的挑战。

沃森说:“我们真的在研究如何创建这种灵活的操作，随着时间的推移，它可以适应不同的优先级。”“因此，当我们看到气候变化的影响时，我们可以重新安排用水的优先次序，并调整用水的时间。”

总之，Sites是一个以环境效益为主要目标的新型油藏。这种关注点的转移在水力发电领域可能会变得更加普遍。

马特·威瑟(Matt Weiser)是华盛顿特区的记者。本文最初发表于该网站Ensia．