中國水利水電科學(xué)研究院 中國大壩協(xié)會 賈金生

一、主要國家水電開發(fā)歷程與發(fā)展趨勢

1.美國

(1）水資源概況及電力結(jié)構(gòu)

美國國土面積937萬km2，2006年人口為2.991億。其水能資源主要分布于中西部地區(qū)。美國的水能資源開發(fā)利用主體為隸屬于國防部的陸軍工程師兵團(tuán)（USACE）、隸屬于內(nèi)務(wù)部的墾務(wù)局（USBR）和田納西流域管理局（TVA）。

美國沒有官方的水能理論開發(fā)量的數(shù)據(jù)。1979年美國陸軍工程師兵團(tuán)曾經(jīng)做過研究，認(rèn)為如果將美國的全部水能資源利用，可裝機(jī)512000MW，發(fā)電量為4485000GWh/年，技術(shù)可開發(fā)量為146700MW，相當(dāng)于528500GWh/年，經(jīng)濟(jì)可開發(fā)電量約376000GWh/年（編者注：中國理論可開發(fā)量為608300MW，技術(shù)可開發(fā)量為541000MW，發(fā)電量為2474000GWh/年，大約為美國的4倍）。

美國2005年水電裝機(jī)78200MW，年發(fā)電量為300000GWh/年（裝機(jī)容量和年發(fā)電量分別占技術(shù)可開發(fā)量53.3%和56.8%，發(fā)電量占經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量79.8%），占全國發(fā)電量約7%。美國是世界上最大的水電生產(chǎn)國之一，年發(fā)電量排在中國、加拿大（355000GWh）和巴西（351300GWh）之后。

美國共有各類壩82000多座，15米以上的大壩有6191座（按ICOLD統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)），按主要功能分，1685座壩以防洪為主，1022座壩以供水為主，1033座壩以娛樂為主，886座壩以灌溉為主，543座壩以發(fā)電為主，105座壩以航運(yùn)為主，其功能統(tǒng)計，如圖1。

陸軍工程師兵團(tuán)負(fù)責(zé)開發(fā)建設(shè)的水利水電工程有609座壩、257座船閘、75座水電站（占全美水電量的24%，占全國發(fā)電量3%）。

墾務(wù)局共建設(shè)5 8座水電站，裝機(jī)容量14808MW，年發(fā)電量38.1GWh，是僅次于陸軍工程師兵團(tuán)的美國第二大水電開發(fā)者及供電者。上世紀(jì)30～60年代為墾務(wù)局水電建設(shè)高峰，期間共建設(shè)43座電站；這段期間裝機(jī)容量14034MW，占其總裝機(jī)容量的94.8%。

(2）電力結(jié)構(gòu)

美國2006年電力裝機(jī)總?cè)萘繛?87000MW，其中煤電40%，天然氣發(fā)電21%，核電13%，水電13%，燃油9.3%，除水電以外的可再生能源占2.8%。發(fā)電量的比例為：煤電50%、核電19.9%、燃?xì)獍l(fā)電18.1%，水電只占7%，如圖2。

圖1 美國大壩功能統(tǒng)計（按ICOLD統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)）

盡管美國水電總裝機(jī)容量和發(fā)電量在國家電力總量中所占的比例不高，但水電的“黑色啟動”能力在電力系統(tǒng)中的作用不容忽視。2003年8月，美國的東北部地區(qū)發(fā)生了大面積的電網(wǎng)斷電事故，嚴(yán)重影響了從紐約市到密執(zhí)根州范圍內(nèi)的5000萬人口的工作和正常生活?？傃b機(jī)容量為4316MW的水電機(jī)組直接由聯(lián)邦能源委員會調(diào)度，迅速投入到電力恢復(fù)工作中，包括有著名的尼亞加拉水電站和圣勞倫斯水電站。

美國的水電發(fā)電量占到全國可再生能源發(fā)電量的96%，即相當(dāng)于每年節(jié)省5.3億桶石油。

(3）上世紀(jì)美國水電的發(fā)展建設(shè)

美國第一座水電站建于1892年，位于威斯康星州的Appleton，為當(dāng)?shù)毓I(yè)提供直流電。19世紀(jì)末，美國和加拿大共建起了40～50座水電站。

墾務(wù)局于1902年開始介入水電的開發(fā)，但當(dāng)時主要是解決西部干旱地區(qū)用水的水資源問題，剩余的電力向電網(wǎng)出售，用以支付建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用，以促進(jìn)農(nóng)業(yè)灌溉的發(fā)展。陸軍工程師兵團(tuán)早在18世紀(jì)就開始介入水利工程，那時主要是負(fù)責(zé)國內(nèi)重要河流的河道整治和航運(yùn)管理，在19世紀(jì)末和上世紀(jì)初開始大規(guī)模地介入水電的開發(fā)利用。

在上世紀(jì)30年代的美國經(jīng)濟(jì)大蕭條時期，西部還同時發(fā)生了洪水和干旱等自然災(zāi)害，這也促使美國政府通過建設(shè)具有綜合服務(wù)功能的水利水電工程，開發(fā)西部，拉動國內(nèi)經(jīng)濟(jì)，在這個時期，又稱為美國的大壩時代，廉價的水電拉動了西部城市建設(shè)和工業(yè)的發(fā)展。這個時期，墾務(wù)局建設(shè)了位于哥倫比亞河中游的大古里壩（Grand Coulee Dam），裝機(jī)容量為6809MW，為全美最大的水電站，1936年建成；加利福尼亞州的中央河谷工程（the Central Valley Project），科羅拉多河的胡佛壩（Hoover Dam），裝機(jī)容量為2078.8MW，為全美第二大水電站，1941年建成。陸軍工程師兵團(tuán)于上世紀(jì)30年代開始在西部哥倫比亞下游河段進(jìn)行水資源綜合開發(fā)建設(shè)，包括建設(shè)了大量的水電站。

1933年，羅斯福總統(tǒng)簽署了田納西河谷開發(fā)法案（the Tennessee Valley Authority Act(TVA)），隨后建設(shè)了一系列的大壩。TVA開發(fā)法案的目的在于改善田納西河的航運(yùn)、提供防洪、恢復(fù)植被、改善耕種的土地，建設(shè)化工廠，出售剩余能源，促進(jìn)該流域內(nèi)的工業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展，以及加強(qiáng)國防安全。在建設(shè)的46座水庫大壩中有29座大壩安裝了水輪發(fā)電機(jī)組（常規(guī)機(jī)組裝機(jī)容量3360MW，抽水蓄能機(jī)組1532MW，大多數(shù)為上世紀(jì)30～40年代建設(shè)），提供了全流域10%的電力；16座火電站總裝機(jī)為15075MW，其中11座為骨干電站，為該流域提供了60%的電力；3座核電站裝機(jī)6900MW，提供了該流域30%的電力）。TVA的成功實(shí)施為在全世界范圍內(nèi)開展流域水資源綜合開發(fā)管理提供了示范作用，并冠以TVA模式的稱號，在以后的數(shù)十年里，世界上許多流域的開發(fā)管理都采用了這種模式。

圖2 2006年美國電力結(jié)構(gòu)

表1 上世紀(jì)美國水電發(fā)展的里程碑

第二次世界大戰(zhàn)期間，國家對能源的需求增長了3倍，主要是造船工業(yè)、鋼鐵企業(yè)、飛機(jī)和汽車業(yè)、以及化工廠的快速發(fā)展。1942年內(nèi)務(wù)部對電力需求預(yù)測結(jié)果表明，每年需要有154000GWh的電力用于飛機(jī)、坦克、武器、戰(zhàn)爭物資設(shè)備的生產(chǎn)。這個需求超過了當(dāng)時美國電廠的發(fā)電能力。西部水電站的建設(shè)為國防建設(shè)提供了大量的電力，1941年僅墾務(wù)局擁有的水電站年發(fā)電量就達(dá)5000GWh，這些電量使鋁業(yè)產(chǎn)量增加了25%。到了1944年，墾務(wù)局的水電量增加了4倍，其水電站共發(fā)電47000GWh，足以生產(chǎn)69000架飛機(jī)、79000架機(jī)關(guān)槍、5000艘艦艇、5000輛坦克、7000000顆飛機(jī)炸彈和3100萬顆炮彈的戰(zhàn)略物資。

戰(zhàn)爭結(jié)束后，美國進(jìn)入了一個和平的快速工業(yè)發(fā)展時期，這些水電站又迅速地轉(zhuǎn)向?yàn)楹推綍r期的工業(yè)發(fā)展提供豐富的電力，用于西部地區(qū)的開礦或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，這期間水庫大壩的功能更多是為灌溉和城市用水服務(wù)。

美國能源部提供了該國上世紀(jì)水電發(fā)展的重要里程碑，見表1，由此表可以看出，水電在美國上世紀(jì)前半葉的國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。

(4）水電發(fā)展趨勢

美國聯(lián)邦能源調(diào)節(jié)委員會（FERC）的研究認(rèn)為，目前全美國還可以在5677座水庫大壩上安裝水輪發(fā)電機(jī)組，其總?cè)萘靠蛇_(dá)30000MW，其中57%容量的機(jī)組（17052MW）可安裝在已建水庫大壩上，14%容量的機(jī)組（4326MW）為擴(kuò)機(jī)，只有8000MW的機(jī)組容量需要通過新建工程安裝水輪機(jī)組來實(shí)現(xiàn)。

水電協(xié)會預(yù)測，在未來的20年里，如果美國的工業(yè)以每年8%的速度增長，全國的水電裝機(jī)將增加27%，只需要在少部分壩中進(jìn)行機(jī)組增容改造，就可增加20195MW的裝機(jī)容量。

美國水電的發(fā)展面臨著生態(tài)環(huán)境的挑戰(zhàn)，水電站的運(yùn)行必須服從嚴(yán)格的環(huán)境調(diào)度規(guī)定，如《清潔河流法》、《瀕危物種保護(hù)法》等。該國的水電站運(yùn)營實(shí)行許可證制度，上一次頒發(fā)的運(yùn)行許可證有效期為50年，近年來大部分已建工程需要通過重新評估換發(fā)許可證。在新一輪的許可證換發(fā)評估工作中，將工程的環(huán)境影響評價與大壩安全評估列為同等重要的位置，只有兩者都通過評估，才能獲得新的運(yùn)營許可證。已建電站面臨的主要問題是對洄游性魚類的保護(hù)和河道生態(tài)調(diào)度與修復(fù)。為此，電站業(yè)主需要投入數(shù)十億美元的巨資進(jìn)行技術(shù)改造，以減免對生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響。

經(jīng)正常離心后得到的微粒體有部分為微粒體小囊泡，UGT酶的活性位點(diǎn)被封閉在其中，因此需要將其與適量的丙甲菌素混合，并通過在冰浴中孵育（15 min）來為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜“打孔”，以釋放肝微粒體中的UGT酶[14]。

(5）小結(jié)

①水電是美國上世紀(jì)前半葉的主要電能，早期的國家工業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展為水電發(fā)展提供了契機(jī)。水電在西部經(jīng)濟(jì)大開發(fā)、在國家出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)大蕭條時期拉動國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、在二戰(zhàn)期間為戰(zhàn)略物資生產(chǎn)提供動力等方面起到了重要和不可替代的作用。

②美國的水能開發(fā)建設(shè)的高峰期在上世紀(jì)20～70年代，曾是世界水電開發(fā)利用第一強(qiáng)國，也是該時期的水電開發(fā)技術(shù)第一強(qiáng)國。

③上世紀(jì)后半葉，國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展需要有更多的電力提供支持和保障，一大批燃煤發(fā)電、核電、燃?xì)獍l(fā)電站隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步得到了快速開發(fā)，其裝機(jī)容量均超過了水電裝機(jī)，成為當(dāng)今美國電力的主體。但水電在調(diào)峰、黑色啟動等方面發(fā)揮了其他能源形式所不具有的功能。

④美國的水電開發(fā)是該國水資源綜合開發(fā)利用的形式之一，工程多具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)、供水、灌溉、生態(tài)環(huán)境保護(hù)等多種功能，水電只是工程開發(fā)效益的一種，其他的工程效益，包括社會效益是核電、燃煤發(fā)電和燃?xì)獍l(fā)電所不具有的。

⑤在水電開發(fā)的同時就考慮到對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，如哥倫比亞河下游河段上的水利水電工程都建有過魚設(shè)施，但是真正對環(huán)境生態(tài)保護(hù)的重視是在上世紀(jì)70年代以后。對過魚效果的提高、結(jié)合生態(tài)調(diào)度的水電站運(yùn)行方式的調(diào)整、與生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)有關(guān)的工作成為近30年來美國后水電時期的一項(xiàng)重要工作。

⑥美國水電今后的發(fā)展主要是建設(shè)一些具有調(diào)峰功能的抽水蓄能電站、在已建工程上擴(kuò)機(jī)以增加裝機(jī)容量和發(fā)電量，包括建設(shè)一些新工程。這些新裝機(jī)容量雖然不能從整體上改變美國的電力結(jié)構(gòu)，但在可再生能源的開發(fā)利用方面占有重要的地位。

2.挪威

(1）挪威水資源及開發(fā)利用概況

挪威王國位于斯堪的納維亞半島的西部，國土面積32.4萬km2，人口470萬。挪威水資源豐富，年平均降雨量1380mm，約4470億m3，其中3710億m3形成徑流，主要分布于西部和中北部地區(qū)。2005年該國對水電資源進(jìn)行了重新評估，總的理論蘊(yùn)藏量為600000GWh/年，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量為205100GWh/年，目前的開發(fā)度已經(jīng)達(dá)到了60%。

挪威電力99.1%來自于水電，常規(guī)火電占0.5%，其他可再生能源占0.4%，是世界上以水電為主要能源的少數(shù)國家之一。到2007年底，全國水電裝機(jī)容量29040MW，年發(fā)電量122000GWh，主要由336座水電站提供。挪威是世界上人均擁有電量最多的國家，上世紀(jì)80年代就達(dá)到了20000kWh/人年，此后雖有增加，但幅度不大，2005年人均擁有電量為25600kWh/人年，如圖3。

北歐四國電網(wǎng)相連，根據(jù)年徑流變化和季節(jié)變化進(jìn)行電力互補(bǔ)，挪威年度平均進(jìn)出口電量在10%左右，2006年向瑞典、芬蘭和丹麥三國出口電量達(dá)9787GWh，從電網(wǎng)進(jìn)口電量達(dá)8946GWh。

挪威的電量有1/3用于耗電工業(yè)，如煉鋁業(yè)耗費(fèi)13%的電力，居民及農(nóng)業(yè)用電占1/3，其余的1/3用于服務(wù)和制造業(yè)。除了向其他斯堪的納維亞國家出口電力外，通過煉鋁也是能源出口的一種方式。

圖3 挪威水電裝機(jī)、年發(fā)電量及人均擁有量統(tǒng)計

(2）水電發(fā)展歷程及未來趨勢

挪威的水電發(fā)展始于19世紀(jì)末，規(guī)模開發(fā)是在第二次世界大戰(zhàn)以后直至上世紀(jì)90年代中期，該國家的水電發(fā)展持一個比較穩(wěn)定的增長趨勢，50年里水電總裝機(jī)容量由1946年的2200MW增加到1995年的27797MW，年平均增長6%。上世紀(jì)60年代為挪威水電開發(fā)高峰期，年增裝機(jī)容量年平均增長超過10%，進(jìn)入80年代增長速度逐漸減慢（3%～4%），90年代后期新增裝機(jī)容量很少，趨于穩(wěn)定。

在已有水電站裝機(jī)容量中，1336MW為抽水蓄能機(jī)組的容量，2006年吸收電網(wǎng)電量為463GWh，未來還將計劃開發(fā)1000MW的抽水蓄能裝機(jī)容量。

挪威水電開發(fā)在上世紀(jì)末已進(jìn)入飽和階段，2007年在建工程只有2座，總裝機(jī)容量為401MW，年發(fā)電量755GWh。另有總裝機(jī)容量達(dá)859MW的水電站已獲批準(zhǔn)，以小水電為主。該國的小水電總的規(guī)模為22400GWh/年，目前已建成的701座小水電站總裝機(jī)容量為1366MW，年發(fā)電量達(dá)6200GWh（占年度發(fā)電量的4.7%）。

近期水電的工作重點(diǎn)：一是，進(jìn)一步開發(fā)抽水蓄能電站，改善電網(wǎng)的調(diào)節(jié)性能；二是，對已建工程進(jìn)行更新改造，增加發(fā)電出力；三是，開發(fā)小水電。

未來的水電發(fā)展工作。2008年1月起，制訂了一個新的支持可再生能源發(fā)展的計劃，即從2001-2016年增加30000GWh的電能，用于提高能源效率和地區(qū)供熱。

(3）小結(jié)

①水電為挪威經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要的電力。在北海油田發(fā)現(xiàn)之前，挪威除了水能資源豐富外，其他能源相對缺少，因此第二次世界大戰(zhàn)以后，挪威的電力發(fā)展以水電為主，經(jīng)過了近半個世紀(jì)的發(fā)展，為該國的工業(yè)發(fā)展提供了充足的電力，使其經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人均擁有電量達(dá)到了世界第一，該國也成為歐洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)國。

②水電是挪威經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可替代的能源之一。上世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)了北海油田，挪威成為主要的開發(fā)者之一，擁有深海平臺技術(shù)和海底輸油及陸地儲油（氣）技術(shù)，為此也帶動了石油化工業(yè)的發(fā)展，但仍然改變不了挪威電力結(jié)構(gòu)至今保持99%的水電比例，其最主要原因是該國有著豐富的水能資源，其次，水電是清潔可再生能源。

③挪威的水庫大壩在提供電力外，還兼有防洪、供水等功能，后者是其他能源開發(fā)所不具有的功能和屬性。

④進(jìn)入后水電時代，挪威的水電工作向著開發(fā)抽水蓄能和小水電、對已建工程更新改造和加強(qiáng)大壩安全管理等方面發(fā)展，積極開發(fā)風(fēng)能等其他可再生能源。盡管挪威目前的可再生能源比例還相對比較?。?.5%），但是在進(jìn)入本世紀(jì)后得到了高度重視，發(fā)展的速度比較快。

⑤水電發(fā)展中對環(huán)境生態(tài)的保護(hù)越來越得到高度重視，國家頒布了水資源法，以法律的形式確保水資源開發(fā)中對環(huán)境生態(tài)的保護(hù)，這是國際趨勢。

（未完待續(xù)）