水能

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在古代，流水或落水的机械（动）能由各种水车转化成旋转运动。从19世纪80年代起，人们开始利用水轮机来发电。不同于化石能源，这种发电不会直接造成空气污染，但它在其他方面的环境影响却争议颇大。

最早提到水车存在的是塞萨洛尼卡的安提帕特，他于公元前1世纪提及用它们来碾磨谷物，尽管不知道它们是在之前几代还是几百年前发明的。1000年后，这种简单的机械在欧洲部分地区就随处可见了：1086年的《末日审判书》中列及了英格兰南部和东部的5624架水车，每350人就有一架。通常的设计是以倾斜木槽将水引到木桨上，桨装在结实的转杆上，而转杆则直接与上面的磨盘相连。立式水车，公元前27年维特鲁威最早提到，效率则高得多。它们都是以直角齿轮带动磨盘，而齿轮推动则有三种不同方式。

水车与水轮机

下射式水车由流水的机械能驱动，随着流速加倍，会产生8倍的动能，人们喜欢将其安装在水流快速的河流中。最好的水车可以将流水35%~45%的动能转化成有用转动。中射式水车由流水和落水联合驱动，在水头2~5米高的情形下运转。上射式水车主要由下落水的重量驱动，因此可以安装在水流平缓的河流上。水头超过3米高，其转化效率一般超过60%，最高达85%。水车，还有转杆及齿轮，在18世纪前几乎全是木头的。轮轴和转杆是最早用铁的部件，第一架全铁水车在19世纪初建成。

除了建在河上的水车外，还有驳船上的流动水车及利用潮汐的水车磨坊。除碾磨谷物外，水车后来还用于推动机器锯木、榨油、为熔炉鼓风、锻造铁锤及将（拉伸金属线和瓷砖上釉等）制造过程机械化。尽管用途扩大，但水车的性能仍然有限，在18世纪早期的欧洲，其平均功率不到4千瓦。1750年之后发明的水车性能迅速提升，由其组成的联排水车的功率甚至超过1兆瓦（1兆瓦等于1000千瓦），从而成为欧洲和北美大规模生产扩张的首要原动力。在1832年，伯努瓦·富尔内隆（Benoit Fourneyron）发明了反力式水轮机，开启了动力更强的水力机械时代。詹姆斯·B.弗朗西斯（James B. Francis）于1847年设计出了向心式水轮机，莱斯特·A.佩尔顿（Lester A. Pelton）在1889年造出了喷流驱动的水轮机，卡普兰于1920年带来了转桨式水轮机。

水电站可生产能源。图中的输电线路负责输送沙流生产的电力。

水电

起初，水轮机只是替代水车充当众多行业的原动力，但到了19世纪80年代，这种机械开始跟发电机组合起来用于发电。1882年，美国第一家水电厂于威斯康星建立。100多年后，水轮机提供了世界电力的近20%。在很多热带国家，水电是最主要的发电方式。

世界上的多数水能仍有待开发。全世界可以进行经济开发的水电总量为8拍瓦时（即1015或1000万亿瓦时），大约是现在已开发总量的3倍。在已开发的产能中，欧洲所占份额最大（超过45%），非洲最小（低于4%）。广建大坝的高潮发生于20世纪60年代和70年代，当时全世界每10年新建约5000座大坝。

利与弊

就空气污染来说，水电的好处显而易见。如果现在全世界的水电皆由燃煤电厂来发，全球二氧化碳和二氧化硫的排放量将分别升高15%和35%。水电的运营费用也很低，其旋转备用（零负荷下机组同步产生的效能）尤其能满足需求突然增加所产生的最大负荷。此外，主要为水力发电所建的众多水库还有多种用途，比如成为灌溉和饮水的水源、防洪、休闲及水产养殖。但在20世纪的最后几年，人们广泛认为大坝在经济效益上值得怀疑，在社会效益上是负面的，而在环境上则是有害的。

对大量（往往是）穷苦民众的迁移成为最有争议的事件。在20世纪，大坝的修建迁移了至少4000万民众（有的估计超过8000万），而在20世纪90年代初，每年开工的新建大坝有300余座，年迁移民众总数达400万人。中国和印度这两国所建的大坝约占世界的60%，众多民众需要重新安置：中国超过1000万人，印度至少1600万人。大型水电设施还有很多不良的环境影响，而最近对这些（之前被忽视的）环境变化的研究，让水电作为清洁可再生能源和受欢迎的化石能源替代品的说法不那么有力了。

最令人吃惊的发现，大概是温暖气候下的大型水库是温室气体的重要来源——由腐烂的植被所释放。大坝中蓄积的水，既增加了每年的河川径流时间，也降低了下游水流的温度。世界几大河流都有水库造成的径流期延长现象，有的超过6个月，有的甚至超过1年（科罗拉多河、北布拉沃河、尼罗河、沃尔特河）。很多热带水库为疟疾蚊和携带血吸虫的钉螺创造了良好的繁殖地，而且多数水坝成为洄游鱼类难以逾越的障碍。众多水坝造成了河道的支离破碎，其影响波及世界上3/4的大河。

大坝造成的其他环境影响还包括：大量减少水生生物的多样性，增加干旱气候下大型水库的水分蒸发，减少溶解氧并释放出硫化氢使水库毒性增加，热带水库中的水草入侵，淤泥过多，等等。最后一个问题在热带和季风气候下尤为明显。流经世界上最易侵蚀地区的中国黄河，跟印度的几条发源于喜马拉雅山脉的河流，都携带着大量泥沙。泥沙沉积于水库，会对遥远的下游产生影响，因为它截断了全球河流输沙量的25%，并且减少了下游冲积平原与海岸湿地所获沙土、有机质及营养的数量。

透过奔腾水流生起的雾气，看新罕布什尔州与佛蒙特州之间的康涅狄格河上的一座水电站。

大坝的最终生命长度尚不可知。虽然淤塞和结构性毁伤会令众多大坝的寿命缩短，但很多大坝在经过了最初设计的50年经济寿命后，依然运转良好。随着西方公众在情感上极力抗拒新的水电设施，一些政府采取了措施。瑞典已经禁止在其多数河流上修建新水电站，挪威则搁置了所有的修建计划。在21世纪，只有亚洲、拉丁美洲和非洲将继续修建大型水电工程。

瓦茨拉夫·斯米尔

加拿大曼尼托巴大学

另见《水》《水资源管理》。