新階段中國水電開發新形勢、新任務

周建平，杜效鵠，周興波

（1.中國電力建設股份有限公司，北京市 100048；2.水電水利規劃設計總院，北京市 100120）

0 引言

全球氣候變化日漸成為人類無法回避的最為突出的非傳統安全威脅。中國作為世界人口最多和能源消費大國，二氧化碳減排成效對實現《巴黎協定》目標——“將全球平均氣溫升幅控制在工業化前水平以上低于2℃之內，并努力將氣溫升幅限制在工業化前水平以上1.5℃之內”有著重要的影響。應對氣候變化不僅是中國實現社會主義現代化面臨的挑戰，也為中國能源轉型、綠色發展提供了機遇。為此，習近平總書記明確向世界承諾，中國將采取更加有力的政策和措施，力爭于2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現“碳中和”[1]。

2019年中國報告的二氧化碳排放總量為102.75億t，其中，能源利用碳排放量為89.25億t。目前，中國電力生產仍然是以煤電為主，電力行業碳排放占全國碳排放總量的40%，煤電的壓減和減排成效事關中國“碳中和”目標的實現。未來要構建清潔、低碳、安全、高效的能源體系，控制化石能源消費總量，著力提高利用效能，實施可再生能源替代行動，深化電力體制改革，構建以新能源為主體的新型電力系統。水電（包括常規水電和抽水蓄能，下同）具有啟停速度快、工況轉換靈活、調節范圍大、高效儲能、近零排放等特點，能夠發揮削峰填谷、調頻調相、事故備用和水、風、光互補等方面不可替代的作用，必將成為新型電力系統不可或缺的基礎支柱。

習近平總書記多次強調三峽、烏東德、白鶴灘等大型水電站是國家重大工程、國之重器。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》明確提出[2]：“……加快西南水電基地建設，建設一批多能互補的清潔能源基地，非化石能源占能源消費總量比重提高到20%左右。面向服務國家重大戰略，實施川藏鐵路、國家水網、雅魯藏布江下游水電開發等重大工程”。站在新的歷史起點，開啟新的偉大征程，推進現代化強國建設的關鍵時期，必須統籌好發展與安全的關系，為國家防洪安全、供水安全、糧食安全、能源安全和生態安全提供更加有力的保障。水電工程作為防災保安最重要的基礎設施，水電開發也要適應新時期國家經濟社會的新要求：在保障國家能源供給安全的基礎上，不僅要牢固樹立和貫徹落實“綠水青山就是金山銀山”和“創新、協調、綠色、開放、共享”理念，而且更需要堅持質量安全第一，綜合利用，實現優質、安全、高效發展。

為實現“雙碳”目標和服務能源安全新戰略，客觀上要求加快流域梯級開發和常規水電站的建設，深層次挖掘在運水庫水電站的潛力，大力發展抽水蓄能；立足新發展階段，水電開發又面臨新的形勢，提出的新要求其實質是要求水電在滿足各類約束條件的基礎上走高質量發展之路。因此，新時期水電開發必須貫徹新發展理念，擔負新的使命任務，構建新的發展格局。

1 新形勢水電開發新理念

中國特色社會主義進入新時代，社會主要矛盾已經轉化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分發展之間的矛盾。對于水電開發，已經不能僅滿足發電、防洪、灌溉的基本需求，而是要求大壩更加安全，水庫更好地服務于經濟社會發展和人民美好生活需要，河流更加美麗而富有生機。因此，水電開發要在安全第一的前提下，完整、準確和全面貫徹落實“五大”發展理念，將水電開發作為國家骨干水網建設，保障水資源安全；推動能源清潔低碳發展，保障電力供應；促進鄉鎮基礎設施建設，提升民生福祉的重要戰略舉措。

1.1 堅持生態優先綠色發展

生態優先，綠色發展，是新時期水電開發建設的基本條件。新時期水電生態友好實踐取得長足發展。針對高壩大庫水庫水溫分層現象，錦屏一級、灘坑、光照、糯扎渡、溪洛渡、白鶴灘等大型水電工程在可行性研究階段就考慮了分層取水設計[3-6]，目前已投入運行。通過多年的運行監測，分層取水設施有效改善了春、夏季的下泄水溫狀況。魚道、升魚機、集運魚系統、魚類增殖站等魚類友好型設施在新建水電工程中廣泛采用。雅礱江公司建成投運了亞洲最大的“錦官”魚類增殖放流站。

2020年6月29日，習近平總書記對烏東德水電站首批機組投產發電做出重要指示，他強調：“要堅持生態優先、綠色發展，科學有序推進金沙江水能資源開發，推動金沙江流域在保護中發展、在發展中保護，更好造福人民”。近年來，水電開發理念已經由“生態讓位開發”徹底轉變為“生態優化開發”，堅持“在保護中開發，在開發中保護”，管理上做到規劃環評先行，建設上做到生態措施優先，運營上做到生態調度。實踐表明，雅礱江、瀾滄江、金沙江和大渡河等流域生態環境保護效果明顯[7-9]。

1.2 堅持系統觀念協調發展

堅持系統觀念是新時期水電開發建設必須掌握的基本思維方法。2020年，中央關于國家“十四五”規劃綱要建議中，首次把“堅持系統觀念”作為必須遵循的原則提出來，強調國家“十四五”規劃要前瞻性思考、全局性謀劃、戰略性布局、整體性推進。

水電開發建設涉及江河水系、水文氣象、地質條件、生態環境、國土空間規劃、經濟社會發展等方方面面，需要深刻認識江河水資源和水能資源、水庫大壩建設、生態環境保護、經濟社會發展等要素之間的關系，盡量了解所有要素之間的相互作用，看清楚系統的邊界，兼顧平衡工程、生態、社會、經濟等各類要素，遵循自然規律，服務經濟社會發展，系統而全面地做好水電開發建設規劃，從全局性、協同性、長遠性的角度找出維系河流開發利用和綜合防災減災的合理路徑。

1.3 堅持科技引領創新發展

科技創新是推動我國水電工程建設運營技術引領世界的重要支撐。我國西部河流地勢陡峭險峻，地質條件復雜，水電工程開發建設中壩基、高邊坡及地下洞室群巖體變形穩定，工程抗震設防，極端天氣應對等問題非常突出，尤其金沙江上游、瀾滄江上游、雅魯藏布江等高地溫、高地應力、高海波、寒冷區水電建設條件極為艱苦，筑壩材料抗凍要求高，施工條件差、效率低，質量控制難度大。因此，堅持科技創新驅動引領發展，加強新材料、新技術、新工藝、新裝備的研發應用，確保水電創新發展勇闖“無人區”。如已部分投產運行的白鶴灘水電站，通過技術創新，攻克世界最大規模地下洞室群開挖支護與圍巖穩定控制難題，研發制造百萬機組并精準安裝投運，助力白鶴灘水電站成為引領世界水電技術創新的典范。

1.4 堅持人民至上共享發展

人民至上，生命至上，建設美麗中國是新時期水電開發建設的最高目標。正是因為新中國成立后大力發展水電，在大江大河上修建了一大批調控能力強的高壩大庫，黃河實現了歷史從未有過的歲歲安瀾，“黃河寧，天下平”已經從夢想變成了現實；長江發生數次歷史性大洪水，都未造成全局災難性損失。2020年7月，我國“自己設計、自制設備、自行施工”的新安江水電站建成運營61年以來，首次開啟9孔泄洪，容錯削峰，極大程度緩解了浙江、安徽等地的防洪壓力，將災害損失降至最低。

2018年金沙江上游白格堰塞湖潰決洪水演進至下游在運梨園電站水庫的入庫洪峰流量為7190m3/s，通過梨園水庫調蓄削峰，出庫洪峰流量為4500m3/s，成功攔截并錯峰削減白格堰塞湖潰決洪水，體現了高壩大庫防災減災作用，實現了下游沿岸群眾“零傷亡”的目標[10-12]。水電開發，筑壩建庫，通過科學調度運行，容錯削峰，提升流域防洪體系和防洪能力，確保江河安瀾，保證人民群眾生命財產安全，實現經濟社會共享發展。

新時期，要以人民為中心，從保障經濟社會可持續發展和公共安全角度看待水電工程安全。我國經濟社會越發展，綜合國力越強大，科技創新、建設管理越是要重視安全問題，使我國高壩大庫成為國家放心的工程，真正造福于人民的工程。

1.5 堅持對外合作開放發展

對外開放，互鑒共贏，以國際水電開發建設，推動構建人類命運共同體。在復雜多變的國際形勢下，以雅魯藏布江、國家水網等國家重大戰略為依托，以非洲、東南亞等區域為重點，加快形成國內大循環為主體，國內國際雙循環相互促進的水電國際合作新格局。中國水電企業、金融機構、科研機構，要共同打造“走出去”航母，形成規劃設計、科學研究、建設施工、裝備制造、運營管理等水電工程全產業鏈服務能力，以開放包容、互利合作、共同發展的理念打造“中國水電”國際品牌[13]。

2 新時期水電開發新任務

立足新發展階段，在“碳達峰”“碳中和”背景下，水電開發建設擔負建設生態文明和美麗中國、增強國家防災減災能力、保障能源安全和供水安全的新的使命任務，必須構建新的水電發展格局，統籌水、風、光一體化多能互補清潔能源基地、流域梯級常規水電重點工程、抽水蓄能電站與“儲能工廠”的協同建設，推動新時期清潔電力高質量發展，更好地服務于經濟社會發展，滿足人民群眾對美好生活的追求。

2.1 “雙碳”目標下水電開發新格局

在“碳達峰” “碳中和”目標下，考慮我國水電、風電、光伏資源稟賦、電力特性和技術特點，加快流域梯級水電開發，帶動水、風、光清潔能源基地建設，促進新能源的高比例消納，在電力行業加快實現化石能源替代，完成國家新型能源戰略轉型。

根據水能、風能和太陽能資源調查及評估成果，全國水電技術可開發裝機容量6.87億kW，多年平均年發電量3萬億kW·h，其分布如圖1所示[14]。全國80m高度風能資源技術可開發量超100億kW。全國各地太陽年輻射總量為3340～8400MJ/m2，年平均1486.5kW·h/m2。新疆、青海、內蒙古三地的技術可開發量超過150億kW。由此可見，我國水能資源有限，而風、光資源無限。

圖1 中國水電技術可開發量及分布[14]Figure 1 The technology developable capacity and distribution of hydropower resource in China

截至2021年3月底，全國水電裝機容量3.71億kW，風電裝機容量2.87億kW，光伏發電裝機容量2.59億kW。歷經70多年建設，我國水能資源開發利用程度仍然不足50%，相對發達國家還是偏低。根據水電發展遠景規劃，到2030年水電裝機容量約5.2億kW，水電開發程度約60%；到2050年，水電裝機容量約6.3億kW，水電開發程度超過70%，基本達到西方發達國家的開發利用水平[14-15]。

由于規劃建設的時代局限性，我國部分已建水電站在建設之初是單純追求發電利用小時數確定裝機規模。新時期水電開發的功能發生了變化，需要從電量到容量的轉變，可以更好地促進新能源的高比例消納。因此，需要啟動已建電站的擴機資源普查，必要時增加壩高加大庫容；同時，也要盡快出臺容量電價的政策，鼓勵流域公司開展擴機建設。初步估算，全國已建電站經擴機改造后，至少可增加容量1億kW以上。

我國水能資源主要分布于四川、云南、貴州、廣西、重慶、西藏等西南地區省份，約占全國技術可開發總量的70%，與我國用電負荷集中的珠三角、長三角、京津冀等中東部沿海地區呈逆向空間分布，因此，與西南水電開發配套的遠距離西電東送線路，現已基本完成西南、華中、華東、華北、華南等跨區域輸配電通道建設。而我國風能資源利用很少，光伏資源利用程度更低，為此，為實現“雙碳”目標，應構建以中西部大中型水電作為骨干電源點，配套大規模的風電、光伏一體化多能互補清潔能源基地新格局，成為實現“雙碳”目標的現實可行的路徑。

2.2 水、風、光多能互補清潔能源基地

我國水能、風能、太陽能資源豐富，從氣候類型上看，東部屬季風氣候，西北部屬溫帶大陸性氣候，青藏高原屬高寒氣候，水能資源豐富的西南地區屬亞熱帶季風氣候、高原山地氣候。顯著的季風氣候導致夏季雨水多、風小光差，冬季雨水少、風大光好，因而水能資源與風光資源可實現日、季、年間互補。同時，水電具備啟停快、運行靈活、出力穩定等特點，風、光電具有間歇性、波動性、隨機性等特點，故而水電與風、光電可實現電力供給上的互補。圖2顯示了雅礱江流域典型年各月水、風、光電力保證出力特征曲線，從中可以看出水電與風、光電保證出力具有顯著的互補性。

圖2（a）中單位保證出力表示典型年各月水、風、光的保證出力能力，如裝機容量各1萬kW的水電、風電和光伏發電，在8月的保證出力分別為6800kW、900kW、1000kW；圖2（b）表示風光裝機與水電裝機的配比分別為0.2、1.0、1.8、3.0時的各月保證出力過程，如風光裝機與水電裝機配比為3.0，即水電裝機容量1470萬kW，則風光裝機容量為4410萬kW，其中，風電1470萬kW，光伏發電2940萬kW，合計6664萬kW。

圖2 雅礱江清潔能源基地典型年水風光出力曲線Figure 2 Hydro-Wind-Photovoltaic output curve of Yalong river basin

以雅礱江、瀾滄江、金沙江、大渡河、黃河等流域水電基地為支撐，建設水、風、光一體化多能互補清潔能源基地，可為我國能源清潔轉型按下“快進鍵”。雅礱江流域作為我國第三大水電基地，干流共規劃22級水電站，總裝機容量約3000萬kW，流域內規劃風、光新能源約4000萬kW，抽水蓄能約1000萬kW，雅礱江水風光多能互補基地總裝機規模將超過8000萬kW。全流域水、風、光一體化多能互補廠址分布示意圖見圖3。

圖3 雅礱江流域水、風、光一體化多能互補廠址分布示意圖Figure 3 Diagram of the distribution of multi-energy complementary plant sites in the Yalong River Basin

若雅礱江水、風、光清潔能源基地建成，水電裝機容量約4500萬kW（含擴機改造），利用小時數以3300h計，年發電量約1500億kW·h；插接風電裝機容量3000萬kW，按年利用小時數2300h計，則年發電量700億kW·h；再插接光伏發電裝機容量6000萬kW，按年利用小時1700h計，則年發電量1000億kW·h。雅礱江清潔能源基地裝機容量相當于3個雅礱江水電基地，年發電量相當于再造1條雅礱江流域。以上分析可見，雅礱江風、光、水多能互補開發潛力大。利用雅礱江水電基地的調節水庫、外送通道、兩岸坡地資源等，根據電力市場需要，短平快建設風電和光電，接插到水電基地，打捆外送，完全能夠降低建設成本、提高外送電力質量，實現集約化、規模化和市場化的可持續發展。

同樣，金沙江、瀾滄江、大渡河、黃河、烏江、雅魯藏布江等國家水電基地，均配套風光儲一體化建設多能互補基地。

2.3 流域梯級常規水電重點工程

未來中國水電開發的重點地區在四川、云南和西藏，要大力推進金沙江上游、雅礱江上游、大渡河干流、雅魯藏布江下游等基地的常規水電工程建設，規劃開發的龍頭水庫或控制梯級工程如表1所示。“十四五”期間，擬開工建設的常規水電工程包括金沙江流域的巴塘、崗托、波羅、昌波、旭龍、奔子欄、龍盤、兩家人，雅礱江流域的卡拉、孟底溝、牙根二級、楞古，大渡河流域的丹巴、安寧、巴底、枕頭壩二級、沙坪一級、老鷹巖一級、老鷹巖二級，黃河流域的茨哈峽、寧木特，瀾滄江流域的如美、邦多、古水、古學，以及雅魯藏布江下游的重點工程；擬投產發電的常規水電工程包括金沙江流域的烏東德、白鶴灘、蘇洼龍、葉巴灘、巴塘，雅礱江流域的楊房溝、兩河口，大渡河流域的金川、雙江口、硬梁包，黃河流域的瑪爾擋、羊曲，以及瀾滄江流域的托巴。

表1 規劃開發的龍頭水庫或控制梯級工程Table 1 Leading reservoirs or controlling reservoirs project plan

隨著常規水電工程向各流域上游開發，各工程廠址海拔高、難度大、問題多，未來水電開發建設需要攻克的技術難度任務主要包括深厚覆蓋層高壩地基處理關鍵技術、高海拔高水頭泄洪消能關鍵技術、大型地下洞室群圍巖穩定關鍵技術、高參數水能發電機組關鍵技術、復雜條件高陡邊坡穩定關鍵技術、強震區高壩工程防震抗震關鍵技術、高原環境高效智能建造關鍵技術、高原環境地質災害防治關鍵技術、河流生態環境保護修復關鍵技術、空天地一體化安全監測預警關鍵技術等。

2.4 抽水蓄能電站與儲能工廠

為解決電力系統削峰填谷、調頻調相、事故備用和黑啟動問題，保障其安全、穩定、經濟運行，新型電力系統中抽水蓄能電站將發揮舉足輕重的作用。根據《中國可再生能源發展報告2020》[14]，中國已批復的抽水蓄能規劃裝機容量1.3億kW，其中，已建裝機容量3149萬kW，在建裝機容量5363萬kW，具體規模區域分布如圖4所示。中國抽水蓄能的資源量超過5億kW，未來需要加大抽水蓄能的規劃選點工作，大力推進抽水蓄能電站的建設。

圖4 中國抽水蓄能電站已批復站點規模及分布[14]Figure 4 The distribution map of approved pumped storage power station capacity in China

此外，針對流域梯級水電站群，利用新能源剩余電能，采用大型儲能泵站從下一梯級水庫抽水至上一梯級水庫，將剩余電能以水的勢能儲存，在其他需要的時段通過水電站原有機組發電，以儲能水量梯級循環利用的模式，實現剩余電能的時移，同時實現進一步充分重復利用水資源及其水庫有效庫容，形成梯級大型儲能泵站，即儲能工廠。一般而言，儲能工廠為了滿足電力系統的需要，需要常規水電站承擔抽水水量的下泄發電任務，故其由梯級儲能抽水泵站和梯級常規水電站組成。目前，黃河上游河段根據各泵站地形地質、水工樞紐布置條件、庫容條件、揚程段，結合大泵制造技術，初步規劃了儲能工廠裝機容量約3288MW，涵蓋羊曲—龍羊峽、龍羊峽—拉西瓦、拉西瓦—尼那等9個梯級泵站，這些泵站工程可根據風、光資源開發形勢和清潔能源基地發展需要，適時開工建設。

3 結論

為了實現“雙碳”目標和服務能源安全新戰略，新時期應加快流域梯級常規水電，尤其是龍頭水庫的開發，深層次挖掘在運水電的潛力，大力發展抽水蓄能；新時期水電開發又面臨新形勢、新要求和新的挑戰，要在保護生態的前提和滿足各類約束條件的情況下實現水電快速高質量發展。因此，立足新階段，水電開發必須全面準確貫徹新發展理念，在擔負新的使命，構建新的發展格局中發揮積極作用。

在發展理念上，新時期水電開發更需要貫徹落實安全為剛性約束的五大發展理念：堅決貫徹生態優先綠色發展、系統觀念協調發展、科技引領創新發展、人民至上共享發展、對外合作開放發展的新理念。

在發展任務上，新時期水電開發要擔負起保障新型電力系統安全的使命。構建以新能源為主體的新型電力系統，必須開創以水電為重要支撐的新發展格局：加快西南水電基地和重點水電工程建設，全力推進雅魯藏布江下游水電建設進程，加快已建電站的擴機改造，統籌水、風、光一體化多能互補清潔能源基地、流域梯級常規水電重點工程、抽水蓄能電站與“儲能工廠”的協同建設，推動清潔電力高質量發展，更好地服務于美麗中國建設。