由马特·维瑟

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，流经尼亚加拉瀑布的水被用来转动两台发电机，用来发电，生产铝和碳化硅。从那时起，世界各地修建了数百万座水坝，将水的移动能量转化为电子的移动能量。当我们需要它的时候，水旋转磁铁通过一卷铜线给我们提供热量、光和娱乐。

水电的基础知识在120年内没有变化。但是现在科学家和工程师正在努力焕然一新水电试图使其更加环保。

这是因为，尽管水电提供了世界上85%的可再生电力，但它是有成本的。除了栖息地破坏等更常见的问题外，最近的研究表明，水力发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好地保护环境的机构之一。

“不仅是DOE，而且整个水利行业都同意需要做更多的工作，”机构风电和水电技术办公室的市场加速和部署经理Hoyt Battey说。“水电将继续成长，并且有很多未来的机会，大多数人都不知道。”

目前全球水电产量估计为1700亿瓦，约占总发电能力的2%。

在美国——2014年水电提供多一点总发电量的6%,由大约48%的可再生能源发电,根据美国能源部,水力发电能力增长了1.5吉瓦在2015年之前的十年里,总共达到100千瓦,根据美国能源信息管理局。(风能、太阳能和天然气产能增长更快，而煤炭和石油产能下降，核电产能基本持平。)

在一个水电愿景美国能源部在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%。

成千上万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，全世界至少有3700座新的大型水电站大坝被提议或正在建设中，其中大多数在发展中国家。

由于水电开发的激增，一个由政府、公用事业和非政府组织组成的国际联盟发起了水电可持续发展评估议定书在2011年。这些自愿标准的制定，是为了让新的水电项目对环境更有利，对当地社区的危害更小。当地社区经常被大型项目取代或损害。

这一努力的效果如何还有待观察。另外60多个非政府组织批评该议定书，称其不够严格，无法确保实现可持续发展目标，并忽视了一些关切，包括与人权有关的问题和大坝可能引发地震的风险。

事实上，许多环保组织不希望看到新建大坝。他们认为，其他可持续能源已经发展成为更好的替代能源。

“风和太阳能在许多国家变得更便宜，他们的气候术语风险较小，它们可以更快地部署，他们具有较小的环境和社会足迹，”国际河流执行董事凯特霍纳表示，这是一个环保集团的环境集团在伯克利，加利福尼亚州。

但也有人认为，尽管水力发电带来了影响，它还是有发展前景的。“我只是不认为，当你把一大块混凝土放在河中央时，有任何方法可以使它对环境无害，”水电改革联盟西部州主任凯利·卡特利特(Kelly Catlett)说。“我确实认为，在一定程度上，大坝提供的社会效益超过了它造成的环境影响。”

由于更多的水电似乎是不可避免的，许多人正在寻找减少其不利影响的方法。

DOE正在努力开发模块化的“即插即用”水电单元，可以安装在许多不同的设置中。保持健康的自然流职能是这一努力的主要目标，以确保水电的扩张也不会扩大其有害影响。

与此同时，该部门正在制定新的环境指标，以评估新水电的环境绩效。同行评议的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制定绩效衡量标准，如鱼类迁徙、能源效率和温室气体排放。

Battey说，增长的主要部分将通过增加现有的无动力大坝和其他结构，如灌溉运河、船闸甚至管道发电来实现。美国约有2,200座水电站，约有85,000座不发电。据美国能源部估计，其中大约1800个可以改造成发电。

解决现有问题

许多环境团体和当地社区都集中在现有的水坝问题上。

恢复鱼类通道是一个主要的焦点。许多大型水坝建造时没有鱼梯，至今仍是鱼类迁徙的绝对障碍。气候变化使这一问题更加令人担忧，因为随着温度的升高，像鲑鱼和虹鳟这样的迁移物种需要进入大坝上方的冷水产卵栖息地。

但添加鱼梯通常超过一些大型水坝的原始施工成本。因此，妥协包括陷阱和运输程序，其中鱼被挡路机周围的油轮卡车运输，以及各种配置的机动升降机。最不寻常的形式是一个实验“三文鱼大炮”这是在美国能源部的支持下研发的，可以通过一根管子把成年鲑鱼射过大坝。

改革放水的时间和强度是另一个重点。自然系统演化为由风暴引起的高度可变的河流流量，而不是水力发电一贯的、低强度的水释放特性。例如，在科罗拉多河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，帮助恢复河岸生境。这样的变化也让那些喜欢河流娱乐的人，如椽木和皮划艇。

还在进行研究，以尽量减少水库的温室气体排放。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。解决办法可能包括控制上游流域的侵蚀和更仔细地管理水位，特别是在温暖季节。

污染物去除困

水库还通过过去的工业实践留下的污染物，流动下游并集中在水坝后面。这些化学品可以积聚在鱼中，使它们对人和野生动物造成危险，并在饮用水中提出健康危害。

清除蓄水池中的污染物是一个巨大的物流挑战。

一个解决方案出现在特拉华州多佛的镜湖。这个湖原本是一个天然水体，几年前通过建造一个小堰来控制水位。它的沉积物受到遗留工业废物的污染，包括多氯联苯、二恶英、杀虫剂和汞。一份长期以来的建议警告人们不要食用湖中的鱼——这是全球数千个水库普遍存在的状况。

位于巴尔的摩县的马里兰大学的化学工程教授Upal Ghosh开发了一种使用沉淀物处理这种废物的方法，沉淀物是一种将活性炭与粘土或沙子混合成颗粒状的产品。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年在明镜湖尝试了这种处理方法。这个耗资100万美元的项目将79吨(72吨)活性炭材料分散在湖面上，这是该方法在现实世界中的首次应用。

一年后的测试显示水中的PCB含量减少了70%，该州的环境工程师里克·格林(Rick Greene)说。他们还显示，鱼类组织中的多氯联苯减少了60%，此前预计，如果任由湖泊自行冲洗，这一变化需要25年时间。

研究人员最近采取了三年后评估湖泊的样品。Greene希望结果将使国家能够提升其鱼类消费咨询，让人们再次进入这一当地粮食供应 - 以前预期的东西需要花费50年。

Greene说道:“这是很长的一段时间，当你想到这一点时，你会感到非常沮丧。“我们认为这不仅是改善水质，而且是改善鱼类健康的主要改变因素。”

来审查

改变水库功能很困难，因为许多水坝被锁定为非常长的监管许可条款 - 只要美国50年。许多人也具有洪水保护作为主要功能，因此储存水平和释放实践受刚性安全规则的管辖。

才唯一现在是美国最大的水水库，由于新的许可证，由联邦能源监管委员会监督的过程。在许多情况下，这代表了许多大型大坝在当代环境法的背景下完全重新检查，就像濒危物种法和清洁水法一样。

在其他要求中，FERC可以命令水坝所有者释放更多的水用于栖息地和娱乐，并要求在从未有过鱼类通道的水坝上设置鱼类通道。它甚至可以下令拆除大坝。然而，它还没有在任何重新许可的努力中解决温室气体排放的问题。

缅因州的佩诺布斯科特河说明了这种潜力。在20世纪90年代末和21世纪初，河上的许多水电站大坝，在不同的所有者手中，都应该重新获得许可证。在这一过程的中间阶段，1999年，它们被合并到一个所有者PPL Maine名下。

大西洋鲑鱼联盟(Atlantic Salmon Federation)负责美国项目的副总裁安迪·古德(Andy Goode)说，这是美国政府放松能源行业管制的一个有利结果，这使得一些公司购买和出售水电资产更具吸引力。

Goode帮助努力通过许多组织与PPL缅因州合作，改革所有Penobscot大坝的运作。他们谈判的条件成为FERC发布的新50年运营许可证的一部分。

该项目后来被称为佩诺布斯科特河恢复信托基金。经过十多年的努力，该项目于2016年结束，结果改善了渔业流量，拆除了两座正常运行的水电站大坝，并使第三座水电站退役。这些大坝是由一个环保组织联盟购买并退役的，该联盟为此筹集了2500万美元。

“我们几乎看了一下河上的每个大坝，并弄清楚我们如何能够将那个大坝纳入整体解决方案，”Goode说。

该项目已经看到了成果:有三种鱼类以几十年来前所未见的数量回归，包括鲱鱼、美国鲥鱼和大西洋鲑鱼，而且预计其他几种鱼类的数量也将得到改善。这是在没有减少水电总产量的情况下实现的，因为剩下的两座大坝获得了额外的发电能力，一个被封存的电站重新投入运行。

看整体

Penobscot是将“流域规划”的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，而是研究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。其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。

尽管流域规划已成功地应用于新的水电开发——尤其是20世纪30年代田纳西流域管理局(Tennessee Valley Authority)——但其应用于当代生物多样性和可持续性挑战的情况仍然很少。坦桑尼亚的另一个例子涉及一种从潘加尼河重新分配水的全流域方法，潘加尼河的流量由于气候变化而减少。

这样的努力是有挑战性的，因为同一流域的多个水坝往往有不同的所有者，甚至有不同的功能，它们的许可和监管是在不同的时间表上进行的。

加州的一项提案正以不同的方式应对全流域的水挑战。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建坝，而是将从萨克拉门托河抽水到干旱的山谷里的水储存起来，然后在水释放时发电。

但发电并不是主要的关注点。吉姆·沃森，场地联合权力机构的总经理，说水库将在萨克拉门托河有多余的水时，发生洪水时填满。然后，当萨克拉门托盆地现有水库没有足够的水时，这些水将被释放以满足水质规则或提供渔业流量，然后这些水将流向下游的买家。那些现有的由州政府和联邦政府所有的水库，在不断增长的用水需求和气候变化的影响下，面临着满足环境要求的日益挑战。

沃森说:“我们正在研究如何创建这种灵活的操作，可以随着时间的推移根据不同的优先级进行调整。”“因此，当我们看到气候变化的影响时，我们可以重新安排水的使用顺序，并调整水的使用时间。”

简而言之，地点是一个新的水库，具有环境效益作为主要目标。这是一个焦点的转变，可能在水电世界中可能变得更加常见。

马特·威瑟(Matt Weiser)是华盛顿特区的一名记者Ensia。