吳 世 勇， 姚 雷

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

1 美國(guó)水電開發(fā)與大壩現(xiàn)狀

1.1 美國(guó)水電開發(fā)

美國(guó)是世界上最早進(jìn)行水電開發(fā)的國(guó)家之一，從1882年美國(guó)第一座水電站發(fā)電以來，美國(guó)的水電史已有130多年。美國(guó)的水能資源主要集中在田納西河流域、哥倫比亞河流域、科羅拉多河流域、密蘇里河流域等，其水電開發(fā)也集中在上述流域。美國(guó)20世紀(jì)30年代建設(shè)的科羅拉多河上胡佛電站、哥倫比亞河上大古力電站等，在二戰(zhàn)期間發(fā)揮了重要作用，至今仍然正常發(fā)電。美國(guó)水電主要由美國(guó)工程師兵團(tuán)(U.S. Army Corps of Engineers，簡(jiǎn)稱USACE)、美國(guó)墾務(wù)局(U.S. Bureau of Reclamation，簡(jiǎn)稱USBR)、公用事業(yè)公司(Public Utility District，簡(jiǎn)稱PUD)和私人能源公司(private power companies)開發(fā)。

根據(jù)美國(guó)能源部電力年報(bào)，2011年美國(guó)總裝機(jī)10.51252億kW，總發(fā)電量41 006.56億kW·h，其中常規(guī)水電裝機(jī)7 865.2萬kW，抽水蓄能電站裝機(jī)2 229.3萬kW，水電年發(fā)電量為3 193.55億kW·h，水電占總發(fā)電量的7.8%，占可再生能源發(fā)電量的62%。在2001～2011年11年間，美國(guó)水電及抽水蓄能水電站裝機(jī)統(tǒng)計(jì)情況分別見表1，由表可見，美國(guó)常規(guī)水電裝機(jī)維持在7 800萬kW左右，抽水蓄能裝機(jī)略有增長(zhǎng)。

1998年美國(guó)的傳統(tǒng)水電裝機(jī)7 920萬kW。

表1 美國(guó)2001～2011年常規(guī)水電及抽水蓄能水電站裝機(jī)容量表/萬kW

根據(jù)美國(guó)能源機(jī)構(gòu)1998年所做的評(píng)估，當(dāng)時(shí)未開發(fā)的水電裝機(jī)為2 978萬kW。以美國(guó)可開發(fā)水電裝機(jī)10 898萬kW為基數(shù)，美國(guó)已開發(fā)水電占可開發(fā)水電總量的72%。

為了進(jìn)一步開發(fā)利用水能資源，美國(guó)能源機(jī)構(gòu)2012年完成了對(duì)所有已建但無發(fā)電功能的水利設(shè)施的評(píng)估，提出通過少量的改造可增加水電裝機(jī)1 200萬kW，增加年發(fā)電量450億kW·h。美國(guó)可裝機(jī)0.1萬kW以上的大壩(目前無發(fā)電功能)分布圖見圖1。

1.2 大壩建設(shè)現(xiàn)狀

大壩是美國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要的組成部分，為社會(huì)提供水電、水供應(yīng)和娛樂，同時(shí)降低對(duì)人們、其它重要基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)大壩超過87 000座，分布情況見圖2。按照美國(guó)大壩數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)在過去25年里建設(shè)了超過8 900座大壩。2012年在建有7座壩高超過30 m、16座壩高在15到30 m間、33座壩高低于15 m。

圖1 美國(guó)可裝機(jī)0.1萬kW以上的大壩(目前無發(fā)電功能)分布圖

圖2 根據(jù)對(duì)下游潛在危害程度進(jìn)行分類的美國(guó)大壩分布圖

美國(guó)大壩數(shù)據(jù)庫中的大壩平均年齡是55年。過去的25年里開工建設(shè)了8 900多座大壩，超過1 500座大壩完成了修繕或改造。2012年在建的大壩有56座。

2 哥倫比亞河水電開發(fā)

2.1 開發(fā)概況

哥倫比亞河是一條國(guó)際河流，發(fā)源于加拿大不列顛哥倫比亞省落基山脈，流經(jīng)美國(guó)華盛頓州、俄勒岡州，注入太平洋。河流全長(zhǎng)長(zhǎng)2 000 km，落差820 m，流域面積66.9萬km2。河流中下游在美國(guó)，長(zhǎng)1 200 km，落差393 m，流域面積56.7萬km2。河口平均流量7 419 m3/s，是美國(guó)徑流量排名第四的河流。

哥倫比亞河的水能資源極為豐富，美國(guó)在哥倫比亞河流域(含干支流)上已裝機(jī)3 067萬kW，哥倫比亞河干流電站情況見表2。

表2 哥倫比亞河干流電站情況表

美國(guó)西北主要大壩分布圖(見圖3)反映了美國(guó)哥倫比亞河流域主要大壩分布情況。由圖可見，哥倫比亞河干支流上布置了54座主要大壩。

圖3 美國(guó)西北主要大壩分布圖

2.2 考察電站情況

此次考察主要集中在哥倫比亞河上游電站，包括瓦納普姆水電站、石河段水電站、韋爾斯水電站、大古力水電站。

2.2.1 瓦納普姆水電站(Wanapum Hydropower Station)

瓦納普姆水電站壩址多年平均流量3 400 m3/s。工程具有發(fā)電、防洪、航運(yùn)、灌溉和旅游等綜合效益。大壩由土壩與混凝土重力壩組成，壩軸線呈變形“Z”字型，壩頂全長(zhǎng)2 602 m，最大壩高59 m。工程于1959年開工，1963年6臺(tái)機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行，1964年全部機(jī)組發(fā)電。電站總裝機(jī)103.8萬kW。

電站樞紐建筑物有左右岸土壩、混凝土重力壩、左右岸魚道、發(fā)電廠房和溢洪道。魚梯有2條，分別位于溢洪道的右側(cè)和電站廠房的左側(cè)。每條魚梯由前池供水。右岸魚梯通過自流供水系統(tǒng)從前池將誘魚水流。左岸魚梯的集魚系統(tǒng)建在廠房尾水管上，該系統(tǒng)的誘魚水流是電站發(fā)電后的尾水。

圖4 瓦納普姆水電站

2.2.2 石河段水電站(Rocky Reach Hydropower Station)

石河段水電站壩址處多年平均流量3 270 m3/s。工程以發(fā)電為主，兼有防洪、過魚等綜合效益。1956年開工，1961年首期投運(yùn)7臺(tái)機(jī)組。1969年開始擴(kuò)建，1971年竣工，新增4臺(tái)機(jī)組。1995年電站對(duì)11臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了升級(jí)，提高運(yùn)行效率并使水輪機(jī)更加“魚類友好化”。目前電站總裝機(jī)134.7萬kW。

電站樞紐建筑物有大壩、溢洪道、廠房及魚梯等?；炷林亓巫畲髩胃?7 m，壩頂長(zhǎng)1 458 m。溢洪道布置在大壩左段，共有12個(gè)泄水孔，其中第8、9號(hào)溢洪道之間設(shè)有一個(gè)魚梯入口。

發(fā)電廠房左、右(兩側(cè))壩段均設(shè)有魚道入口，右岸還設(shè)有魚梯。左岸與岸邊相接的是左壩肩截水墻，截水墻與溢洪壩段之間為左壩肩重力壩段，電站與右岸相接的一段為前池墻。

圖5 石河段壩為幼魚向下游的表層收集設(shè)施

2.2.3 韋爾斯水電站(Wells Hydropower Station)

韋爾斯水電站壩址處多年平均流量3 190 m3/s。工程以發(fā)電為主。1963年開工，1967年第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，1969年1月全部竣工。電站總裝機(jī)84萬kW。

韋爾斯水電站主要建筑物有復(fù)式大壩、東西土壩、魚道與魚類增殖站等。復(fù)式大壩為混凝土重力壩，最大壩高49 m，溢洪、發(fā)電、過魚及開關(guān)站全部都集中在此壩上。

溯河性魚類的過魚設(shè)施建在主壩的東西邊墻中。過魚設(shè)施由魚梯及其相應(yīng)的入口、集水池、出口、抽水泵和誘魚噴管組成。電站還建設(shè)了鮭魚產(chǎn)卵河道、鮭魚育苗池和硬頭鱒育苗池等魚類保護(hù)設(shè)施。

圖6 韋爾斯鮭魚育苗池、硬頭鱒育苗池

2.2.4 大古力水電站(Grand Coulee Hydropower Station)

大古力水電站是80年代中期以前世界上最大的水電站，是哥倫比亞河在美國(guó)境內(nèi)最上游的一座梯級(jí)水電站。壩址多年平均流量3 051 m3/s。有發(fā)電、灌溉、防洪等效益。其有效庫容64.5億m3。

大古力水電站主要建筑物有混凝土重力壩、壩后式發(fā)電廠房、抽水蓄能廠房及泄洪設(shè)施等。大壩最高168 m，壩頂長(zhǎng)1 272 m，為哥倫比亞河上最大的水壩。

大古力水電站建于1933～1942年間。最初建造了兩座發(fā)電廠房，首臺(tái)機(jī)組1941年投產(chǎn)發(fā)電，1950年首期18臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)。由于加拿大境內(nèi)在哥倫比亞河上游建設(shè)三座水庫，為了充分利用水能、提高發(fā)電能力，1967～1974年間建設(shè)了第三座發(fā)電廠房，廠房機(jī)組于1975～1980年間先后投運(yùn)。為了應(yīng)對(duì)類似20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的電力短缺問題，電站結(jié)合灌溉用水建設(shè)了抽水蓄能廠房，1984年抽水蓄能機(jī)組全部投運(yùn)。經(jīng)過發(fā)電機(jī)線圈重繞、新建廠房機(jī)組、機(jī)組更新等，電站總裝機(jī)由最初的18臺(tái)機(jī)組總裝機(jī)197.4萬kW增加為目前的33臺(tái)機(jī)組總裝機(jī)680.9萬kW。

大古力水電站對(duì)洄游魚類的保護(hù)措施為設(shè)置魚類增殖站，在萊溫芙絲、恩蒂亞特、溫斯洛普建設(shè)了魚類增殖站。相對(duì)于哥倫比亞河上其它電站洄游魚類保護(hù)措施采用設(shè)置魚梯的方式，大古力水電站顯得較為突出。美國(guó)人認(rèn)為對(duì)106.68 m的上下游高差過大，不適宜設(shè)置魚梯。

圖7 大古力水電站大壩

3 Snoqualmie瀑布電站

會(huì)議期間，除對(duì)哥倫比亞流域水電考察外，還對(duì)100多年前建設(shè)的Snoqualmie瀑布電站進(jìn)行了考察。斯諾夸爾米河(Snoqualmie River)是美國(guó)華盛頓州中西部的河流，源出西雅圖東部的喀斯開山脈(Cascade Range)，向西流72 km后轉(zhuǎn)西北，在門羅(Monroe)附近與斯凱科米什(Skykomish)河會(huì)合，形成斯諾荷米什(Snohomish)河。斯諾夸爾米瀑布落差82 m。

斯諾夸爾米瀑布位置建設(shè)了水電工程，由Puget Sound Energy運(yùn)營(yíng)。斯諾夸爾米瀑布電站有兩座電廠。第一廠房建于1898～1899年，廠房位于距地面82 m的地下巖石中，是世界上第一座完全在地下的電廠，5臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)1.19萬kW。第二廠房位于瀑布下游400 m，建于1910年，1957年進(jìn)行了擴(kuò)建，安裝2臺(tái)機(jī)組，裝機(jī)3.25萬kW。兩座廠房共裝機(jī)4.44萬kW。

斯諾夸爾米瀑布電站2009年開始再次更新改造，主要是更新發(fā)電機(jī)、改善進(jìn)水口、壓力管道、水流控制系統(tǒng)等。目前改造已經(jīng)完成，總裝機(jī)提升為5.44萬kW。

4 啟 示

經(jīng)過對(duì)美國(guó)水電、大壩及哥倫比亞河流域水電和部分小電站的考察，得到以下幾點(diǎn)啟示：

(1)美國(guó)上世紀(jì)已基本完成水電開發(fā)，水電開發(fā)程度高(達(dá)70%以上)，中國(guó)目前水電開發(fā)程度不足30%，需加快水電開發(fā)。

(2)美國(guó)大壩運(yùn)行產(chǎn)生了巨大的效益，對(duì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活改善發(fā)揮了積極作用。美國(guó)的大壩平均年齡55年，在發(fā)電、灌溉、防洪、娛樂等方面發(fā)揮了且仍發(fā)揮著巨大效益。

(3)美國(guó)水電對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)十分重視，魚類保護(hù)要求明確，魚類保護(hù)的方式靈活。根據(jù)哥倫比亞河電站的考察，各電站均明確其魚類保護(hù)措施是針對(duì)洄游性的鮭魚和硬頭鱒，但各電站魚類保護(hù)的方式并不完全相同。大古力水電站的壩高較高，不適宜設(shè)置魚梯，美國(guó)政府同意電站不設(shè)置魚梯，而設(shè)置了魚類增殖站。

(4)從美國(guó)水電的大中小型電站(包括100年以上的電站)及無發(fā)電任務(wù)的大壩改造研究可以看出，美國(guó)正盡可能地升級(jí)改造，挖掘水電潛力。

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