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(cè)設(shè)計(jì)院，武漢 430064；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074；3.巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心，武漢 430074）

經(jīng)濟(jì)全球化的加速發(fā)展使得人類對(duì)能源的需求量逐漸增大，同時(shí)，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(wèn)題也得到廣泛重視，建立一個(gè)清潔和可再生的新型能源結(jié)構(gòu)逐步取代當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)尤為重要。

煤炭作為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的主要來(lái)源，其每年的供應(yīng)量均呈下降趨勢(shì)［1］，目前達(dá)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(guó)主要能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，可知水電、核能等新能源在我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展中扮演者越來(lái)越重要的作用［2］。 目前國(guó)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(wèn)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(qiáng)調(diào)了水和電對(duì)于國(guó)家的重要性，并進(jìn)一步探討了水電在未來(lái)政治、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境中面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。 我國(guó)的水電開發(fā)也受到了許多學(xué)者的關(guān)注［5，6］，與其他可再生能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能相比，水電開發(fā)技術(shù)相對(duì)更為成熟，能進(jìn)行更高效率、高質(zhì)量的發(fā)電［7］。 我國(guó)以煤炭為主導(dǎo)的碳排放能源結(jié)構(gòu)繼續(xù)增長(zhǎng)，形勢(shì)嚴(yán)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(guó)水電開發(fā)40年來(lái)的發(fā)展情況，包括著名的三峽工程和抽水蓄能電站，并對(duì)目前我國(guó)水電開發(fā)的限制性因素進(jìn)行了分析。 Cheng和Huang等［10，11］重點(diǎn)關(guān)注我國(guó)小水電的發(fā)展，闡述了我國(guó)小水電工程的發(fā)展歷程、挑戰(zhàn)和發(fā)展前景。

表1 中國(guó)主要能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)

本文對(duì)我國(guó)水電發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)闡述，包括水電資源、小水電、大型水電基地等，并評(píng)估了我國(guó)水電開發(fā)項(xiàng)目在我國(guó)水電開發(fā)的百年歷史和 “十三五”期間的“中國(guó)電力發(fā)展規(guī)劃”形勢(shì)下將面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展的主要方向。

1 中國(guó)水電發(fā)展史

1.1 起步階段

我國(guó)的水電開發(fā)起步晚于其他國(guó)家。世界上第1座水電站于1878年在法國(guó)建成，隨后美國(guó)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(gè)商業(yè)水電站，于1885年建立）相繼建成。 19世紀(jì)90年代早期，水電工程在北美、歐洲許多國(guó)家都受到了關(guān)注。

我國(guó)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(jìn)行了7次擴(kuò)建后，該水電站的裝機(jī)容量為6000kW［12］，該水電站引進(jìn)了先進(jìn)的國(guó)外技術(shù)、設(shè)備和管理模式，同時(shí)誕生了我國(guó)第1個(gè)水電團(tuán)隊(duì)。 直至目前，石龍壩水電站仍在運(yùn)行中。

1.2 發(fā)展階段

新中國(guó)成立后，我國(guó)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(gè)特殊的歷史標(biāo)志，新安江水電站是我國(guó)第1個(gè)以當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)、設(shè)備和施工工藝為特色的大型電站，被視為當(dāng)時(shí)我國(guó)水電工業(yè)的地標(biāo)。與此同時(shí)，廣東新豐河大型水電項(xiàng)目、湖南柘溪水電站（壩高超過(guò)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?jí)水庫(kù)開發(fā)工程也已開始。

福建古田溪站是我國(guó)第1座梯級(jí)水電站，也是第1個(gè)地下發(fā)電站［13］。 該站配有2套6000kW的渦輪機(jī)和4臺(tái)產(chǎn)自臺(tái)灣的12000W和500 W的渦輪發(fā)電機(jī)機(jī)組，其中第1套6000kW的發(fā)電機(jī)組于1956年3月運(yùn)行［8］。同時(shí)，位于黃河流域的三門峽水電站與新安江水電站同時(shí)啟動(dòng)，三門峽水電站的建立給我國(guó)水電技術(shù)人員提供了良好的平臺(tái)并積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)開始了一個(gè)逐步科學(xué)的水電發(fā)展道路。 隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展，水電技術(shù)發(fā)展成為了政策關(guān)注的焦點(diǎn)之一，在我國(guó)第1個(gè)五年計(jì)劃期間，被稱為“黃河明珠”的柳家峽水電站（我國(guó)第1個(gè)百萬(wàn)千瓦級(jí)設(shè)施）已開工建設(shè)。 第2個(gè)五年計(jì)劃期間提到，未來(lái)我國(guó)電力行業(yè)的發(fā)展應(yīng)緊緊圍繞黨中央于1958年國(guó)民經(jīng)濟(jì)計(jì)劃中相關(guān)重要部署和政策來(lái)實(shí)施［14］。

1971年5月，長(zhǎng)江流域第1個(gè)大型水電項(xiàng)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(gè)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(dòng)工。 在本發(fā)展階段，通過(guò)“技術(shù)轉(zhuǎn)讓、消化吸收、自主創(chuàng)新”的發(fā)展理念，我國(guó)水電行業(yè)在大型水電設(shè)備裝機(jī)容量方面取得了顯著進(jìn)步，在此階段自主研發(fā)的大量新型材料也成功運(yùn)用于水電站的建設(shè)中。

21世紀(jì)是我國(guó)水電開發(fā)加速發(fā)展的時(shí)期如圖1，我國(guó)在原有基礎(chǔ)上繼續(xù)推進(jìn)電力系統(tǒng)改革，充分調(diào)動(dòng)了各級(jí)地方政府和各種類型水電開發(fā)的積極性。2004年，我國(guó)水電裝機(jī)容量超過(guò)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(guó)的水電裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)了200GW。2015年，我國(guó)水電裝機(jī)容量超過(guò)300GW。 除了擁有世界上最大的水電裝機(jī)容量外，我國(guó)還是世界上最大、發(fā)展最快的發(fā)展中國(guó)家，已逐漸成為世界水電創(chuàng)新的中心。

圖1 2000～2015年中國(guó)水電裝機(jī)容量

2 中國(guó)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(dòng)能，而水電資源的儲(chǔ)量與河流、蒸發(fā)、降水等因素有很大關(guān)系。 我國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)水電資源較為充裕的區(qū)域，理論儲(chǔ)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(chǔ)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(jì)發(fā)展水平不匹配［15］。因此，水電資源的空間分布不均衡導(dǎo)致西電東輸成為我國(guó)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(biāo)，表3顯示了我國(guó)水電的建設(shè)和開發(fā)利用情況［16］。

表3 我國(guó)水電的建設(shè)和開發(fā)利用情況［16］

由表3可知，長(zhǎng)江流域水電的裝機(jī)容量最大，占全國(guó)總裝機(jī)容量的53.2%，其主要包括位于長(zhǎng)江下游、我國(guó)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(guó)未來(lái)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(lái)發(fā)展的主要方向以增容擴(kuò)機(jī)為主［1］。

2.3 大型水電基地

我國(guó)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(guó)水電總資源的三分之二。 此外，長(zhǎng)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的60%［15］。 即將在雅魯藏布江開發(fā)的水電項(xiàng)目將成為我國(guó)最大的水電基地，在未來(lái)的長(zhǎng)期規(guī)劃中，該水電項(xiàng)目預(yù)計(jì)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(shí)，將在新疆流域開發(fā)的大型水電站的水電資源容量也達(dá)4270 MW［2］。

2.4 中國(guó)小型水電站

21世紀(jì)初，可持續(xù)發(fā)展已成為促進(jìn)和協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展快速發(fā)展的一個(gè)重要導(dǎo)向。 小水電是一種清潔的可再生資源，已引起了國(guó)際社會(huì)的廣泛關(guān)注。對(duì)于我國(guó)而言，小水電項(xiàng)目建設(shè)和投資的持續(xù)時(shí)間相對(duì)更小，是解決偏遠(yuǎn)、少數(shù)民族和貧困地區(qū)貧困問(wèn)題的有效及重要途徑［10，18］，圖2為我國(guó)小型水電站的主要分布情況［19，20］。

圖2 中國(guó)小型水電站的分布

到目前為止，我國(guó)在農(nóng)村地區(qū)共建設(shè)了4.7萬(wàn)個(gè)小水電站，總裝機(jī)容量超過(guò)7.5萬(wàn)kW，相當(dāng)于3個(gè)三峽水電站的裝機(jī)容量［14］。其中長(zhǎng)江流域的裝機(jī)總量排名第一，占全國(guó)總裝機(jī)容量的45%。 我國(guó)西部地區(qū)擁有最豐富的小型水電資源，目前還有多個(gè)小型水電站正在建設(shè)過(guò)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(kù)四級(jí)”中的俄日河水電站和紅衛(wèi)橋水電站，建成后在滿足當(dāng)?shù)赜秒娀A(chǔ)上供電四川電網(wǎng)，對(duì)于推動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。我國(guó)“十三五”時(shí)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(kuò)建項(xiàng)目，嚴(yán)格執(zhí)行生態(tài)環(huán)境保護(hù)要求，促進(jìn)科學(xué)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(wú)限的生命力。

3 水電發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

目前，我國(guó)已經(jīng)成功建成了各種各樣的技術(shù)復(fù)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(yùn)行和管理等方面也取得了重大突破，我國(guó)的水電開發(fā)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段。然而，我國(guó)水電的正常開發(fā)利用依然面臨諸多問(wèn)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(guó)水電的輸電規(guī)模迅速擴(kuò)大，而我國(guó)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(jí)水電站互補(bǔ)補(bǔ)償發(fā)送和接收端電網(wǎng)負(fù)荷特性的差異，最大程度發(fā)揮水電消費(fèi)核峰的作用，是大型水電電力運(yùn)輸面臨的核心問(wèn)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(wèn)題能源仍然很嚴(yán)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(wèn)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(dá)到350億kW·h時(shí)，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(fèi)形勢(shì)嚴(yán)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(jì)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(dǎo)致西南地區(qū)巨大的發(fā)電能力無(wú)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(xiàng)目建設(shè)期與電力不匹配，大電網(wǎng)審批周期過(guò)長(zhǎng)，征地拆遷問(wèn)題影響建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)展等。同時(shí)，我國(guó)的燃煤電力嚴(yán)重過(guò)剩也是影響水電開發(fā)的重要原因。 人們普遍認(rèn)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(jī)組。因此大力建設(shè)火電站，導(dǎo)致火電產(chǎn)能過(guò)剩，擠壓清潔能源和可再生能源市場(chǎng)空間［25］。

3.2 抽水蓄能電站的效率很低

國(guó)家電網(wǎng)公司已累計(jì)建成并投運(yùn)抽水蓄能電站21座、裝機(jī)1916萬(wàn)kW，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和新能源消納提供了堅(jiān)強(qiáng)保障。 然而抽水蓄能電站的建設(shè)依然沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，總體運(yùn)行效率不高［26］。 抽水蓄能電站是一個(gè)靈活而經(jīng)濟(jì)的大型儲(chǔ)能裝置，然而，工廠運(yùn)營(yíng)受到產(chǎn)能過(guò)剩，火力發(fā)電及其他原因造成的電力峰值影響，導(dǎo)致存儲(chǔ)量減少和工廠抽水的利用率降低。 面對(duì)抽水電站無(wú)法有效利用，“十三五”電力發(fā)展（2016～2020）中提到，我國(guó)將提升建設(shè)調(diào)峰能力，抽水電站將啟動(dòng)約60GW，在 2016～2020年期間新增產(chǎn)量約17GW，到2020年，裝機(jī)容量將達(dá)40GW［2］。

3.3 對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響

從宏觀的角度看，水電資源的開發(fā)對(duì)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(guó)經(jīng)濟(jì)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(dǎo)致耕地流失，造成水土流失。 大壩改變了河流和水庫(kù)的部分野生動(dòng)物棲息地，摧毀了這個(gè)地區(qū)動(dòng)植物的生命。在水電站建設(shè)過(guò)程中，噪聲和粉塵對(duì)環(huán)境造成影響，土方活動(dòng)影響地質(zhì)環(huán)境。水庫(kù)周圍地下水水位的升高會(huì)導(dǎo)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(shí)水庫(kù)蓄水可能誘發(fā)地震或其他地質(zhì)災(zāi)害等［27］。

針對(duì)上述問(wèn)題，我國(guó)一直致力于通過(guò)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(lái)進(jìn)行解決，如通過(guò)了《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》［28］，同時(shí)對(duì)各種在建的水利水電項(xiàng)目進(jìn)行定期評(píng)估，對(duì)其潛在的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行分析和采取針對(duì)性措施。

3.4 較低的發(fā)展水平

我國(guó)的水電資源主要集中在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展相對(duì)落后的西南地區(qū)，人口密度相對(duì)較低。雖然在該地區(qū)修建水庫(kù)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(guó)際性河流，在水電開發(fā)過(guò)程中存在許多不合理的國(guó)際糾紛，導(dǎo)致了水電站的開發(fā)利用和利用效率低下。另一方面，我國(guó)大型水庫(kù)的建設(shè)總體滯后，下游梯級(jí)水電站在潮濕期及旱季的調(diào)節(jié)能力不足，導(dǎo)致大量的廢棄能源，而旱季由于水資源相對(duì)缺乏從而會(huì)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(jì)補(bǔ)償和社會(huì)發(fā)展的一個(gè)很復(fù)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于道路工程，工作量更大，且執(zhí)行時(shí)難度更高［31，32］。 水利水電工程施工，往往會(huì)將一個(gè)區(qū)域全部破壞，居民被安置在一個(gè)全新的社會(huì)環(huán)境當(dāng)中，對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)是移民中比較突出的問(wèn)題，另外，一些移民由于對(duì)家鄉(xiāng)的不舍，加之補(bǔ)償矛盾，如問(wèn)題無(wú)法得到及時(shí)有效處理，不但會(huì)影響水利水電工程的順利施工，也會(huì)引發(fā)社會(huì)矛盾，甚至群體沖突。 因此，為了有效緩和甚至化解社會(huì)矛盾，保護(hù)投資者的權(quán)益，確保工程的順利開展，提供一個(gè)改進(jìn)的移民補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)和健全的調(diào)節(jié)機(jī)制就顯得尤為重要。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）我國(guó)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(guó)水資源儲(chǔ)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(duì)缺乏的東部地區(qū)。

（2）從水電開發(fā)的角度來(lái)看，長(zhǎng)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(guó)水電開發(fā)利用率僅21.3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的開發(fā)水平（50%～100%）。未來(lái)西南流域、雅魯藏布江、內(nèi)陸及新疆流域?qū)⑹俏覈?guó)未來(lái)水電開發(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(lái)水電的發(fā)展方向主要以增容擴(kuò)機(jī)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(hù)和移民安置，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。 堅(jiān)持“河、級(jí)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(gè)水電基地，推進(jìn)西部水電基地建設(shè)。