李 銳，杜治洲，楊佳剛，何思源，張 凌

（1.湖北水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，武漢 430064；2.中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院，武漢 430074；3.巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心，武漢 430074）

經(jīng)濟全球化的加速發(fā)展使得人類對能源的需求量逐漸增大，同時，傳統(tǒng)的化石燃料引發(fā)的如酸雨、溫室效應(yīng)和臭氧耗竭等環(huán)境問題也得到廣泛重視，建立一個清潔和可再生的新型能源結(jié)構(gòu)逐步取代當前能源結(jié)構(gòu)尤為重要。

煤炭作為我國能源結(jié)構(gòu)的主要來源，其每年的供應(yīng)量均呈下降趨勢［1］，目前達到了史上最低的64%。 而非化石燃料和可再生能源的使用迅速增加，可再生能源在全球總量中所占的比例在10年內(nèi)從2%上升到7%。

表1顯示了2000～2015年我國主要能源消費結(jié)構(gòu)，可知水電、核能等新能源在我國電力工業(yè)的發(fā)展中扮演者越來越重要的作用［2］。 目前國內(nèi)外有大量的水電研究，Sharma等［3］闡述了尼泊爾水電開發(fā)的重要性及尼泊爾水電開發(fā)中必須考慮的問題；Beatrie Wangner等［4］結(jié)合奧地利的能源結(jié)構(gòu)和使用情況，總結(jié)了奧地利水電開發(fā)的歷程，強調(diào)了水和電對于國家的重要性，并進一步探討了水電在未來政治、經(jīng)濟和環(huán)境中面臨的機遇和挑戰(zhàn)。 我國的水電開發(fā)也受到了許多學者的關(guān)注［5，6］，與其他可再生能源如風能、太陽能、生物質(zhì)能相比，水電開發(fā)技術(shù)相對更為成熟，能進行更高效率、高質(zhì)量的發(fā)電［7］。 我國以煤炭為主導的碳排放能源結(jié)構(gòu)繼續(xù)增長，形勢嚴峻，因此大力發(fā)展低碳能源，包括水電，以滿足世界減排要求［8］。 Kong等［9］介紹了我國水電開發(fā)40年來的發(fā)展情況，包括著名的三峽工程和抽水蓄能電站，并對目前我國水電開發(fā)的限制性因素進行了分析。 Cheng和Huang等［10，11］重點關(guān)注我國小水電的發(fā)展，闡述了我國小水電工程的發(fā)展歷程、挑戰(zhàn)和發(fā)展前景。

表1 中國主要能源消費結(jié)構(gòu)

本文對我國水電發(fā)展現(xiàn)狀進行了詳細闡述，包括水電資源、小水電、大型水電基地等，并評估了我國水電開發(fā)項目在我國水電開發(fā)的百年歷史和 “十三五”期間的“中國電力發(fā)展規(guī)劃”形勢下將面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展的主要方向。

1 中國水電發(fā)展史

1.1 起步階段

我國的水電開發(fā)起步晚于其他國家。世界上第1座水電站于1878年在法國建成，隨后美國威斯康辛州的福克斯河水電站（1882年）、意大利特沃利水電站（歐洲第1個商業(yè)水電站，于1885年建立）相繼建成。 19世紀90年代早期，水電工程在北美、歐洲許多國家都受到了關(guān)注。

我國第1座水電站——云南省昆明石龍壩水電站成立于1910年，在1958年相繼進行了7次擴建后，該水電站的裝機容量為6000kW［12］，該水電站引進了先進的國外技術(shù)、設(shè)備和管理模式，同時誕生了我國第1個水電團隊。 直至目前，石龍壩水電站仍在運行中。

1.2 發(fā)展階段

新中國成立后，我國水電行業(yè)開始了摸索和發(fā)展征程。位于錢塘江上游的新安江水電站是一個特殊的歷史標志，新安江水電站是我國第1個以當?shù)卦O(shè)計、設(shè)備和施工工藝為特色的大型電站，被視為當時我國水電工業(yè)的地標。與此同時，廣東新豐河大型水電項目、湖南柘溪水電站（壩高超過100m）也相繼建成，福建河、云南、四川伊利河、貴州龍溪河、北京貓?zhí)印⒂蓝ê拥鹊氐闹行⌒吞菁壦畮扉_發(fā)工程也已開始。

福建古田溪站是我國第1座梯級水電站，也是第1個地下發(fā)電站［13］。 該站配有2套6000kW的渦輪機和4臺產(chǎn)自臺灣的12000W和500 W的渦輪發(fā)電機機組，其中第1套6000kW的發(fā)電機組于1956年3月運行［8］。同時，位于黃河流域的三門峽水電站與新安江水電站同時啟動，三門峽水電站的建立給我國水電技術(shù)人員提供了良好的平臺并積累了豐富經(jīng)驗，我國開始了一個逐步科學的水電發(fā)展道路。 隨著經(jīng)濟社會的進一步發(fā)展，水電技術(shù)發(fā)展成為了政策關(guān)注的焦點之一，在我國第1個五年計劃期間，被稱為“黃河明珠”的柳家峽水電站（我國第1個百萬千瓦級設(shè)施）已開工建設(shè)。 第2個五年計劃期間提到，未來我國電力行業(yè)的發(fā)展應(yīng)緊緊圍繞黨中央于1958年國民經(jīng)濟計劃中相關(guān)重要部署和政策來實施［14］。

1971年5月，長江流域第1個大型水電項目——葛洲壩水電站建設(shè)工程開工。隨后，擁有世界上最大5個船閘、最高的混凝土拱壩和最高的混凝土面板堆石壩的三峽工程也于1994年開始動工。 在本發(fā)展階段，通過“技術(shù)轉(zhuǎn)讓、消化吸收、自主創(chuàng)新”的發(fā)展理念，我國水電行業(yè)在大型水電設(shè)備裝機容量方面取得了顯著進步，在此階段自主研發(fā)的大量新型材料也成功運用于水電站的建設(shè)中。

21世紀是我國水電開發(fā)加速發(fā)展的時期如圖1，我國在原有基礎(chǔ)上繼續(xù)推進電力系統(tǒng)改革，充分調(diào)動了各級地方政府和各種類型水電開發(fā)的積極性。2004年，我國水電裝機容量超過100GW，成為世界上最大的水力發(fā)電基地。隨后，大量的大型水電站開始建設(shè)，三峽水電站也將建成。 到2010年，我國的水電裝機容量已經(jīng)超過了200GW。2015年，我國水電裝機容量超過300GW。 除了擁有世界上最大的水電裝機容量外，我國還是世界上最大、發(fā)展最快的發(fā)展中國家，已逐漸成為世界水電創(chuàng)新的中心。

圖1 2000～2015年中國水電裝機容量

2 中國水電開發(fā)現(xiàn)狀

2.1 水電資源分配

水電資源不同于如煤、石油和天然氣這些不可再生能源，其主要依賴于河流和湖泊所提供的潛力和動能，而水電資源的儲量與河流、蒸發(fā)、降水等因素有很大關(guān)系。 我國大多數(shù)河流年內(nèi)、 年際徑流分布不均，豐、枯季節(jié)流量相差懸殊，穩(wěn)定性較差，且調(diào)節(jié)能力差，不同地區(qū)的水電資源差異很大［15］。 我國的水電資源十分豐富，潛力巨大，但各地區(qū)分布不均如表2［16，17］。

表2 中國水資源分布情況

合理治理、 優(yōu)化水資源配置是改善水資源開發(fā)和利用的關(guān)鍵。 西南地區(qū)是我國水電資源較為充裕的區(qū)域，理論儲備可發(fā)電量排名第一；華中和華南地區(qū)的水力資源理論儲備低于西北地區(qū)和西南地區(qū)，但技術(shù)發(fā)展水平更高。從地區(qū)分布上看，水能資源分布與地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平不匹配［15］。因此，水電資源的空間分布不均衡導致西電東輸成為我國水電資源開發(fā)的主要方式。

2.2 水電開發(fā)狀況

目前在全球范圍內(nèi)，大多將每年開發(fā)量和技術(shù)可開發(fā)量的比例作為衡量水電資源開發(fā)利用程度的指標，表3顯示了我國水電的建設(shè)和開發(fā)利用情況［16］。

表3 我國水電的建設(shè)和開發(fā)利用情況［16］

由表3可知，長江流域水電的裝機容量最大，占全國總裝機容量的53.2%，其主要包括位于長江下游、我國最大的水電站——三峽水電站、位于漢江上著名的丹江口和安康水電站及位于烏江的一些大型水電站，如構(gòu)皮灘、思林和沙陀等。在十大流域中，西南流域、雅魯藏布江、內(nèi)陸及新疆流域目前開發(fā)程度較低，將是我國未來水電開發(fā)的重要區(qū)域，中南地區(qū)、華東地區(qū)的水電開發(fā)潛力不大，未來發(fā)展的主要方向以增容擴機為主［1］。

2.3 大型水電基地

我國的水電資源主要集中在四川、重慶、云南及西藏地區(qū)，這些地區(qū)水電資源量占我國水電總資源的三分之二。 此外，長江、黃河、金沙、亞龍河、大渡河、瀾滄江、烏江、紅河、怒江等幾條大河都有豐富的水電資源，這些河流可被開發(fā)的水電資源總量占國民經(jīng)濟的60%［15］。 即將在雅魯藏布江開發(fā)的水電項目將成為我國最大的水電基地，在未來的長期規(guī)劃中，該水電項目預(yù)計可開發(fā)的水電資源容量為63194 MW，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?同時，將在新疆流域開發(fā)的大型水電站的水電資源容量也達4270 MW［2］。

2.4 中國小型水電站

21世紀初，可持續(xù)發(fā)展已成為促進和協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展快速發(fā)展的一個重要導向。 小水電是一種清潔的可再生資源，已引起了國際社會的廣泛關(guān)注。對于我國而言，小水電項目建設(shè)和投資的持續(xù)時間相對更小，是解決偏遠、少數(shù)民族和貧困地區(qū)貧困問題的有效及重要途徑［10，18］，圖2為我國小型水電站的主要分布情況［19，20］。

圖2 中國小型水電站的分布

到目前為止，我國在農(nóng)村地區(qū)共建設(shè)了4.7萬個小水電站，總裝機容量超過7.5萬kW，相當于3個三峽水電站的裝機容量［14］。其中長江流域的裝機總量排名第一，占全國總裝機容量的45%。 我國西部地區(qū)擁有最豐富的小型水電資源，目前還有多個小型水電站正在建設(shè)過程中，如四川省阿壩州金川縣境內(nèi)俄日河干流水電規(guī)劃“一庫四級”中的俄日河水電站和紅衛(wèi)橋水電站，建成后在滿足當?shù)赜秒娀A(chǔ)上供電四川電網(wǎng)，對于推動地方經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。我國“十三五”時期大力支持貧困地區(qū)小水電建設(shè)，加快綠色水電建設(shè)，完成全球環(huán)境基金和擴建項目，嚴格執(zhí)行生態(tài)環(huán)境保護要求，促進科學發(fā)展和可持續(xù)利用民生、和平、綠色、和諧。 因此，小水電具有無限的生命力。

3 水電發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

目前，我國已經(jīng)成功建成了各種各樣的技術(shù)復雜的大型水電站，在主要的技術(shù)裝備、建設(shè)、施工技術(shù)、水電站的運行和管理等方面也取得了重大突破，我國的水電開發(fā)進入了一個嶄新的發(fā)展階段。然而，我國水電的正常開發(fā)利用依然面臨諸多問題［15］。

3.1 水電消納

隨著主要水力發(fā)電基地的規(guī)劃和建立，我國水電的輸電規(guī)模迅速擴大，而我國電力資源的分配受水力輸送能力的影響。 Cheng等［21］人提到，根據(jù)跨流域梯級水電站互補補償發(fā)送和接收端電網(wǎng)負荷特性的差異，最大程度發(fā)揮水電消費核峰的作用，是大型水電電力運輸面臨的核心問題。例如，四川電網(wǎng)水電系統(tǒng)的開發(fā)速度雖大幅提高，而被遺棄的問題能源仍然很嚴重。 根據(jù)該省的電力系統(tǒng)水平/廢棄的能源電力與水電站閑置產(chǎn)能的平衡情況，四川省廢棄的能源問題將在2016～2020年繼續(xù)增加。如果不采取相應(yīng)措施，廢棄的能源最高將達到350億kW·h時，這將占2020年發(fā)電量的8.64%［22，23］。

水電消納的原因很多，主要原因是供需不平衡和水電消費形勢嚴峻。 西南地區(qū)水電資源豐富，發(fā)展條件良好。但這些地區(qū)的經(jīng)濟處于較低水平，基礎(chǔ)設(shè)施不健全，缺乏結(jié)構(gòu)多樣性，從而導致西南地區(qū)巨大的發(fā)電能力無法得到有效利用，造成大量廢棄能源。此外，“西向東”輸送技術(shù)水平發(fā)展太慢也是造成大量廢棄能源的主要原因之一［24］。 電網(wǎng)項目建設(shè)期與電力不匹配，大電網(wǎng)審批周期過長，征地拆遷問題影響建設(shè)項目進展等。同時，我國的燃煤電力嚴重過剩也是影響水電開發(fā)的重要原因。 人們普遍認為水電受自然氣候的影響很大，為了確保供電必須有可靠的火電機組。因此大力建設(shè)火電站，導致火電產(chǎn)能過剩，擠壓清潔能源和可再生能源市場空間［25］。

3.2 抽水蓄能電站的效率很低

國家電網(wǎng)公司已累計建成并投運抽水蓄能電站21座、裝機1916萬kW，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和新能源消納提供了堅強保障。 然而抽水蓄能電站的建設(shè)依然沒有達到預(yù)期目標，總體運行效率不高［26］。 抽水蓄能電站是一個靈活而經(jīng)濟的大型儲能裝置，然而，工廠運營受到產(chǎn)能過剩，火力發(fā)電及其他原因造成的電力峰值影響，導致存儲量減少和工廠抽水的利用率降低。 面對抽水電站無法有效利用，“十三五”電力發(fā)展（2016～2020）中提到，我國將提升建設(shè)調(diào)峰能力，抽水電站將啟動約60GW，在 2016～2020年期間新增產(chǎn)量約17GW，到2020年，裝機容量將達40GW［2］。

3.3 對環(huán)境的負面影響

從宏觀的角度看，水電資源的開發(fā)對替代化石能源、減少環(huán)境污染、改善能源結(jié)構(gòu)、緩解交通壓力、保障我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等具有重要意義，但水電工程規(guī)模大、范圍廣，將不可避免地破壞區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)。由于水電站建設(shè)必然占用廣闊的土地面積，破壞植被，從而導致耕地流失，造成水土流失。 大壩改變了河流和水庫的部分野生動物棲息地，摧毀了這個地區(qū)動植物的生命。在水電站建設(shè)過程中，噪聲和粉塵對環(huán)境造成影響，土方活動影響地質(zhì)環(huán)境。水庫周圍地下水水位的升高會導致土地被淹沒，從而改變區(qū)域生態(tài)環(huán)境。 因此，原有的生態(tài)結(jié)構(gòu)被破壞，同時水庫蓄水可能誘發(fā)地震或其他地質(zhì)災(zāi)害等［27］。

針對上述問題，我國一直致力于通過制定和完善相關(guān)法律法規(guī)，以及規(guī)范水利水電工程建設(shè)來進行解決，如通過了《中華人民共和國環(huán)境保護法》［28］，同時對各種在建的水利水電項目進行定期評估，對其潛在的環(huán)境效應(yīng)進行分析和采取針對性措施。

3.4 較低的發(fā)展水平

我國的水電資源主要集中在經(jīng)濟和社會發(fā)展相對落后的西南地區(qū)，人口密度相對較低。雖然在該地區(qū)修建水庫的遷移和洪水損失較小，具有理想的開發(fā)條件和豐富的水資源，然而，這一地區(qū)山多地少，造成施工困難及昂貴的開發(fā)成本［15，26］。 此外，西南地區(qū)的河流一般是國際性河流，在水電開發(fā)過程中存在許多不合理的國際糾紛，導致了水電站的開發(fā)利用和利用效率低下。另一方面，我國大型水庫的建設(shè)總體滯后，下游梯級水電站在潮濕期及旱季的調(diào)節(jié)能力不足，導致大量的廢棄能源，而旱季由于水資源相對缺乏從而會影響發(fā)電能力和效率［29，30］。

3.5 安置困難

水電移民是水利水電工程建設(shè)的重要組成部分，也是涉及到經(jīng)濟補償和社會發(fā)展的一個很復雜的環(huán)節(jié)。水利水電工程通常規(guī)模較大，涉及的移民量遠遠高于道路工程，工作量更大，且執(zhí)行時難度更高［31，32］。 水利水電工程施工，往往會將一個區(qū)域全部破壞，居民被安置在一個全新的社會環(huán)境當中，對新環(huán)境的適應(yīng)是移民中比較突出的問題，另外，一些移民由于對家鄉(xiāng)的不舍，加之補償矛盾，如問題無法得到及時有效處理，不但會影響水利水電工程的順利施工，也會引發(fā)社會矛盾，甚至群體沖突。 因此，為了有效緩和甚至化解社會矛盾，保護投資者的權(quán)益，確保工程的順利開展，提供一個改進的移民補償標準和健全的調(diào)節(jié)機制就顯得尤為重要。

4 結(jié)語

（1）我國的水電資源豐富，但空間分布不均勻，空間集聚明顯，且區(qū)域間開發(fā)差異較大。我國水資源儲備雖主要分布在西南地區(qū)，在西藏、四川、云南等地分布最為豐富，但技術(shù)發(fā)展水平較低，開發(fā)程度不如水電資源相對缺乏的東部地區(qū)。

（2）從水電開發(fā)的角度來看，長江流域水電站的容量最大，且分布最為廣泛，其次是珠江流域和黃河流域。 目前我國水電開發(fā)利用率僅21.3%，遠遠低于工業(yè)發(fā)達國家的開發(fā)水平（50%～100%）。未來西南流域、雅魯藏布江、內(nèi)陸及新疆流域?qū)⑹俏覈磥硭婇_發(fā)的重要流域，中南地區(qū)、華東地區(qū)的水電開發(fā)潛力不大，未來水電的發(fā)展方向主要以增容擴機為主。

（3）水電開發(fā)模式的創(chuàng)新需要協(xié)調(diào)生態(tài)環(huán)境保護和移民安置，促進經(jīng)濟社會發(fā)展。 堅持“河、級聯(lián)、綜合協(xié)調(diào)發(fā)展，加大流域開發(fā)，逐步建立和完善15個水電基地，推進西部水電基地建設(shè)。