挪威水電開發與大壩建設現狀

[挪威]　L.莉婭 等

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挪威水電開發與大壩建設現狀

[挪威]L.莉婭 等

摘要：通過回顧挪威水電開發的歷史及現狀，闡述了地形、氣候、政治、政策、市場等因素對該國水電開發及電價的影響。數據統計和案例分析表明，該國目前的水電開發活動以新建小型水電站、升級擴建現有水電站和大壩為主。就大型水電項目而言，由于受環境保護政策的限制，在已開發河流上新建大型工程較為普遍。水電開發活動帶動了機電設備制造、工程建設、水電學科教育等相關產業的發展。最后，預測2016~2020年將是該國水電建設的繁榮時期。

關鍵詞：水電發電工程；大小型水電站；建設現狀；環境影響；發展趨勢；挪威

1概述

挪威的地形以高原、山地為主，天然湖泊眾多，峪谷陡峭，瀕臨大海，因而具有得天獨厚的水電開發優勢。和許多其他工業化國家一樣，第二次世界大戰結束后到20世紀80年代初期，是挪威水電開發的高峰期。近年來，為了限制CO2的排放量，政府出臺了可再生能源扶持政策，而由于同其他國家進行電力交易、變化的市場形勢以及老電站升級改造的需要，挪威正在開啟水電開發的新時代。水電開發仍然是以大壩建設為主。

挪威自1990年起引進了自由電力市場。在此之前的10 a，開展了大量相關工作，包括勘察水電資源，對所有水電項目進行可行性研究，以建立能源、電力潛能、經濟、環境影響的檔案。在此期間，挪威議會頒布了2項河流保護方案。20世紀80年末期，水電許可申請非常少。由北歐電力交易所經營的北歐電力市場使水電部門發生了翻天履地的變化：針對特定行業或特定地區的專門開發結束了，在1991年《能源法》頒布期間，啟動了一些大型水電項目。隨后的多年里雨量豐沛，發電量居高不下，大量電力被投入了市場。由于電價滑落至遠低于開發新水電的成本水平，挪威開始支持老水電站升級改造。2000年代中期，油價上漲和未來能源價值預期導致能源價格上漲。

全球金融危機的影響、電力消費需求的穩定、其他可再生能源的電力產能的增加，使挪威電價自2001年起再次下降。

21世紀初期，挪威出于政治原因提出開發小水電，而該類項目也得到了國家的政策傾斜和研究支持。2002~2004年間的研究表明，其年發電量可達25 TW·h。“因小而美”的導向刺激了小水電的開發，電價大幅提高，從而開創了挪威水電開發的新時代。自2005年起，每年新建水電站25座。挪威在2005年實施了歐盟關于可再生能源發電方針，開始了更多的水電開發活動，以完成在2020年之前將可再生能源發電量提高到13.2 TW·h/a的任務，這一目標任務與同處北歐電力市場的瑞典的目標相同。為確保目標的實現，引入了可再生能源電力證書制度(Renewable Electricty Certificate)。證書的價值由股票市場確定，該制度與電力市場共同影響電力價格。可再生能源電力證書市場保持技術中立，推動了各類水電開發活動。

挪威的大型水電站和大壩的平均使用年限目前已延長到46 a，因而掀起了全國的電站工程升級改造熱潮，許多工程在升級改造期間進行了擴建。最近15 a，由于升級改造而使潛在發電量增長了10%~60%。從環境角度來看，升級改造是最有利的工程形式，因為其對環境的影響較小。目前涉及大壩升級改造的工程數量居多，這刺激了水電產業的活動。

由于看好水電的持久性和可再生能源未來的發展趨勢，目前外國投資者定向投資水電。新投資者的加入將會帶動水電的增值。盡管挪威對外資所有的水電有嚴格的法律限制，但新工程仍可能獲批，而且容量小于10 MW的工程也幾乎不受該限制的影響。

目前挪威在建水電站預計年發電1.4 TW·h。小水電的數量居多，但現有電站升級改造項目在裝機容量上占主導地位。裝機大于10 MW的工程中，僅有30%為新項目。

2小水電

挪威將小水電界定為裝機容量小于10 MW的工程，而本文不包含小于1 MW的小工程。如上所述，自2004年挪威水資源和能源局(NVE)啟動全國小水電站站址規劃后，能源價格上漲和政策扶持促進了水電開發。2020年，電力證書將到期，在此之前，水電開發活動預計將大幅度增長。根據NVE的相關資料，2001~2010年間，挪威有234個新的小型水電工程啟動。2011年實際新增工程34個，2012年41個，2013年25個，2014年27個。在此期間，有397個裝機容量大于1 MW的新工程啟動。

通常小水電(設置有淺孔式進水口、壓力鋼管和室外廠房)的設計，是基于已經論證的技術進行的。新建小水電工程中，獲得蓄水許可的不到5%，因此其中將會有一些徑流式電站。大部分小水電為高水頭設計，配置1臺沖擊式水輪機組或2臺高水頭的混流式水輪機組。大壩建設要因地制宜、減小環境污染、降低成本，以及設置進水池以解決冰塊、空氣回流、攔污柵、渦輪調速器穩定性等問題。多數大壩為混凝土重力壩、平板壩，或者為滿足溢洪道泄洪能力要求，在壩址狹窄地區選擇拱壩結構。到目前為止，2010~2014年間新建的小型水電工程中沒有高15 m以上的大型壩。

若在水電站進水口設置前池，則需要高深的水文知識，還會對建造和運行造成限制，但通過研究可以克服這些限制。自2000年起，NVE一直支持研制新水文模式和各種地圖，以提升未開發水電的規劃水平。新的施工技術也不斷問世，如使用鉆孔技術替代壓力鋼管明管。此外，還開展了環境影響方面的研究，如魚類洄游等問題。

最近的一個創新實例是分段管道的豎向錨定，該技術可降低壓力鋼管的建設成本。2013年，烏斯瑪(Usma)電廠的壓力鋼管安裝完成，鋼管長5 400 m,是目前最長的無調壓室壓力鋼管。

為提高新建小型水電工程的可靠性，正在采用一些創新的進水口設計，如康達(Coanda)攔污柵進水口，以及一些基于反沖攔污柵的新設計。創新的重點是加強進水口的可靠性，因為預計在2016~2020年間，將新建400~600座小水電工程。

（3）惡意滋事處置預案。遇到搗亂滋事事件時，經勸阻不離開現場的，志愿者應立即通報給景點、景區安保人員，由保衛人員進行現場處理，必要時可采取報警。

今年的狀況和以往略有不同。2012年1月，瑞典電力證書市場啟動，導致電力市場每千瓦時上漲了約0.15~0.25挪威克朗。兩國市場都將波動，但目前都處于低位，其結果是導致很多獲得許可的項目到目前為止仍不能投入建設。有406個已獲批和488個正在等待NVE審批的項目因此受到影響。

“因小而美”的理念同樣導致了一些負面影響。2004~2012年期間，很多電站采用低廉的技術設計和施工工藝建設而成。其后果正逐步顯現出來，運行限制比預期的多，該類問題在進水口及電站廠房機電設施上顯得尤為突出。很多項目(盡管不是大多數)技術年限低于設計年限，這將給保險公司帶來困擾。很多獲批項目不能開發，其中有多重原因：獲批條件的限制、辦理保險困難、電力證書和能源市場的價格偏低等。

由于挪威政府承諾在2020年之前每年向歐洲市場輸入13.2 TW·h可再生能源，挪威國內的水電開發仍將繼續推進。

3現有水電站的升級改造和擴建

挪威水電系統經歷了100多年的發展，但大部分裝機容量建于20世紀50年代至20世紀80年代末。因此，很多電站已經達到了需要升級改造和擴建的年限。機電設備的現狀是電站升級擴建的原因之一。新的市場需求和設計理念同樣刺激了以升級改造和擴建方式實現電力增容的活動。電力公司一直在捕捉利用可再生能源發電的新機遇，現有電站的升級改造對增加發電量將起到很大的推動作用。與在未開發的河道上新建電站相比，升級改造和擴建現有電站的工程對環境的影響較小，政府相關管理機構也出臺了此類工程的扶持政策。由于升級改造和擴建，預計潛在的經濟效益約為6 TW·h/a。

所謂升級改造就是采取措施以提高機電設備的效率。其他類型的工程升級改造涉及隧道，如通過擴大橫斷面積來減小水頭損失、修建1條新的平行隧道或壓力鋼管等方法。工程擴建涉及的范圍更廣，包括建新的集水區、增加水庫庫容、擴大裝機容量。

很多情況下，不僅升級改造是有益的，而且綜合運用升級改造和擴建措施同樣效果不錯。現行的各種經濟和設計標準，與10 a前流行的方式不同。這些都是刺激電站擴建、通過安裝現代化設備或改進工程布置來升級改造電站的動機。下面給出了挪威的一些工程升級改造和擴建的實例。

3.1霍爾1水電站

挪威南部地區侯林達(Hollingdal)的霍爾1(Hol I)電站進行了機械升級改造。該電站于1949~1956年間開始分階段投產運行，配有4臺混流式水輪機，當時的總裝機為190 MW。由于設備老化、磨損，業主決定對發電設備進行綜合升級改造。升級改造后，水輪機轉輪的效率和設計流量均增大，總容量提高了34 MW，年發電量增加了20 GW·h。增加發電量的單位生產成本雖高，但該投入仍被認為是有益的，因為若不進行升級改造，在未來的幾年內，維護和檢修成本會大幅增加。這說明選擇恰當的時機進行升級改造是非常重要的。升級改造不需要辦理新的或更新許可證，因而挪威許多工程都采取了升級改造措施。

3.2康思維恩格電站

康思維恩格(Kongsvinger)電站地處挪威東南部，位于該國最大的河流——格羅馬(Glomma)河上，在該電站上新建了1項平行工程。原電站于1975年開始運行，配有一臺21 MW的燈泡式機組，設計流量為250 m3/s。該電站為徑流式電站，運行水頭10 m。就平均進水量來說，裝機規模十分小，這是當時經濟原因和電力需求造成的。業主幾年前對增加發電量的可能性進行了評估，于2011年新裝1臺機組，設計流量增加了1倍，裝機增加至43 MW(是原來的2倍)。該措施減小了水量損失，新增發電70 GW·h/a。土建工程施工和裝配過程中，舊機組仍然保持運行。換句話說，沒有損失任何產能。由于環境影響非常小，因此也不再需要辦理新的許可證。

3.3伊韋蘭電站

伊韋蘭(Iveland)電站位于挪威南部，1949~1955年間投產運行，地面廠房配有3臺混流式水輪機，總裝機45 MW，針對該電站也實施了平行工程。與康思維恩格電站一樣，伊韋蘭電站設計流量非常小，但裝機容量和發電量能夠滿足當時的需要。50 a后，電站業主決定增加發電量，并評估了2個方案。方案1是升級改造，即安裝新的水輪機轉輪，升級后新增發電量預計可達20 GW·h/a，且單位成本低。方案2是增容，即新建1條引水隧洞和1座地下電站，新建建筑物與原有的平行，原電站仍照常運行。采用方案2，發電量可增加150 GW·h/a，單位發電成本雖高于方案1，但凈現值也較高。目前，方案2正在施工階段。

該工程實例說明，綜合采取擴建和升級改造措施是一個好辦法。平行隧洞和廠房可以降低風險，而且施工期間原設備仍可正常發電。

4新建大型水電工程

由于政策和環境原因，極少在未開發的河道上新建大型水電工程。挪威政府重視并承諾要保護河流。政府已5次修訂承諾書，表明了其保護河流的決心。但仍有一些大型水電工程可以在河道上開發。過去幾年間，新的水電工程已經展開，如歐瑞烏塔(Ovre Otta)(680 GW·h/a)和舍斯內(Kjosnesfjorden)(250 GW·h/a)。最近新建的工程是斯卡格(Skarg)，年發電量70 GW·h，該工程包括在薩弗斯佛森(Sarvsfossen)建造50 m高的雙曲拱壩、11 km長的隧道和6個輔助進水口。工程已于2014年竣工。

格羅馬河上游的羅斯滕(Rosten)項目是在未開發河段上新建大型工程的案例之一，該項目正在進行中，年發電量190 GW·h，具有典型的挪威設計風格，設計有1條長引水隧洞和1座地下廠房。

然而，在已開發河流上新建大型水電工程才是普遍的做法。目前，在已開發河流上新建的水電項目有：靠近斯塔萬格(Stavanger)的呂瑟博滕(Lysebotn)項目，裝機370 MW, 年發電量1 500 GW·h，需新建發電廠和隧道；挪威北部的諾薩(Rossaga)項目，裝機300 MW，年發電量2 150 GW·h，需使用全斷面隧道掘進機開挖直徑7.2 m的隧道，并新建1座電站廠房；目前的第三大水電站——馬特(Matre)水電站，裝機1 180 MW, 年發電量610 GW·h，位于挪威西海岸的卑爾根(Bergen)市附近。這些工程可被劃分為升級改造項目，因為它們涉及更換現有的發電機組。

未來將要新建的大型工程包括：位于挪威北部的斯邁貝爾格(Smibelg)和斯通瓦滕(Storavatn)項目，年發電量超過200 GW·h；雷德瑞奧塔(Nedre Otta)項目，年發電量325 GW·h, 該項目目前尚未獲得許可；伯拉法利芙杰華根(Blafalli Fjellhaugen)項目，年發電量325 GW·h,該項目目前也未獲得許可。

更新改造現有大壩的做法也越來越普遍，如高23 m、長800 m的斯通斯瓦滕特(Stolsvatnet)堆石壩(建于2009年)和高28 m、長260 m的莫斯瓦滕特(Mosvatnet)堆石壩 (建于2006年)。這兩座大壩體現了大壩升級改造的新方法，即在原壩下游建造新壩和溢洪道。采用這種方法，施工期間可以繼續發電，同時也降低了由于施工而導致的事故風險。

目前還有一些工程涉及新壩的建設，如斯科杰科文尼特(Skjerkevatnet)大壩工程，該工程包括2座大型瀝青心墻堆石壩：高50 m、長450 m的斯科杰科文尼特壩和高30 m、長590 m的海德斯維卡(Heddersvika)壩。通過提高下游水庫的水位，使新壩形成一個大的水庫。新壩替換了水庫區原有的1座拱壩、2座連拱壩和2座平板壩。該工程正在建設中。同類工程有高25 m、長330 m的拉慕斯瓦滕德(Namsvatnet)堆石壩，目前正在建設中。

另一個逐漸被認識到的問題是，相對大型電站而言，庫容小或無庫容的小型水電站單位發電所產生的環境影響更大。許多利用高原山地河流所開發的高水頭小水電站可以有其他的開發方案，如將部分河水引入現有電站的水庫中，從而增加庫容。與在任何時間都必須依賴充足的水流來發電的方式相比，大型電站具有更高的社會效益。

5現有大壩的升級改造

挪威現有大型壩(高于15 m)345座，其中最老的可追溯到1890年，而大多數是1950~1990年間建造的堆石壩，當時也是挪威水電開發的高峰期。目前很少建造新的大壩，但由于老化和更嚴格的大壩安全法律制度，對很多老壩進行了升級改造。大多數大壩建于1981年頒布大壩安全條例之前，施工方法的革新和數據的完善引起理論負荷的改變，如設計洪水。

1995年，挪威實行了定期重新評估大壩安全的強制規定。此后，對59%的大壩都重新進行了安全評估，26%的大壩進行了修繕或升級改造。雖然沒有潰壩事故發生，但升級改造工程量很大，因為很多大壩是在引入現代安全分析和要求前建造的。盡管目前在計算洪水時也適當考慮了氣候因素，但還未將設計洪水以外的預計增量納入安全規定中。但是，大壩業主接受監管當局的建議，如果大壩因其他原因需要升級改造，則應考慮預期增加的工程量。以下為3個大壩升級改造的工程實例。

(1) 建于1964年的威利摩(Venemo)堆石壩，高64 m，上游為瀝青混凝土護面。1998年對該壩進行了重新評估，結果顯示，壩頂寬度、超高、下游排水能力不滿足現行的大壩安全要求。因此，下游面采用亂石護坡，2005~2006年夏季在下游設置了壩趾排水，上游瀝青蓋面被加高，并對所有監測儀器進行了升級。

(2) 建于1976年的斯瓦特瓦滕壩為冰磧土斜心墻堆石壩，高129 m，背水面坡度為1.0∶1.35。1999年在大壩安全重新評估中，發現以下問題：壩頂寬度和最大調節水位之上的超高過小；大壩變形比設計預期大，影響了薄冰磧土斜墻和背水面。針對以上問題，采取了大壩升級改造措施，包括修整背水面，使坡度降低到1.0∶1.5；壩趾下移20 m；斜墻升高至最大洪水位。大壩升級改造期間材料運輸道路的坡度為1∶3，盡管道路陡峭，但實踐證明可滿足運輸要求。

(3) 建于1960年的沃特勒(Votna)壩,高55 m，為復合拱壩，部分壩段采用支墩(平板)結構，右壩肩采用重力壩結構。自1987年起，發現壩體存在堿硅反應，而2003年起，該反應加劇，可能產生嚴重后果。針對該問題，更換了支墩壩段混凝土面板，以減小面板和支墩/扶壁的接觸。堿硅反應引起拱壩段

6水電產業現狀

過去的5 a，未經治理的河流上發生的洪災對房屋和財產造成了損失。這或許將促成集中過剩流量(即超出自然平均水平的流量)并將洪水引入現有電站水庫的決定。在少數情況下，也可修建新水庫和水電廠，為新項目中的防洪工程提供部分資金。氣候變化雖然會影響總的能源消耗，但不一定會影響電力消耗，因此也是促進水電開發的一個新動機。

挪威有200多家電力公司，水電資源分布均勻，因此大多數地區都在進行水電開發。有幾家工程公司正與開發商密切聯系，這些工程吸引了大批的工程師。挪威的機電設備供應商數量不多，幾家小型水輪機制造廠和挪威睿博(Rainpower)有限公司在水電產業中占據著主導地位。

挪威大部分工程項目由國家建筑公司承建，但目前是建造的高峰期，其他歐洲公司也有機會承接大型工程項目。研究、教育往往與工程建設同步發展。在挪威科技大學(NTNU)設立的挪威水電中心(NVKS)，將提升水電教育，增加水電學科的碩士和博士研究生數量。該大學還推出了各類水電教育國際項目。

通過電力市場和可再生能源電力證書市場，人們更加認識到可再生電力能源的價值和開發潛在水電資源(包括新建項目和工程升級改造)的重要性。挪威和瑞典都加入了這2個市場。挪威很多電站為公共所有(市、郡和市政所有)，與私人所有的項目一樣，公共事業單位也要從發電中獲取經濟利益。

2016~2020年，挪威有望迎來自20世紀80年代后的又一個水電建設繁榮時期。2020年后，將會是水電升級改造和重新設計活動的高峰期。

(杜曉宜陳紫薇編譯)

中圖法分類號：TV63.711

文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081(2016)02-0004-04

收稿日期：2015-11-15