水力发电是将水流的动能和势能转变成旋转机械能,再将旋转机械能转变为电能的技术。中国最迟在西汉已发明将水能转变为旋转机械能的技术。西汉末年的《桓谭新论》中就有关于水碓的记载。由于水能是廉价能源,又容易获得,所以水力机械一经出现,便展示出广阔的发展前景。东汉时期,杜诗(?~公元38)发明水排。南北朝时期,水磨、水碾已普遍使用。唐代,仅陕西关中地区的郑白渠上就有私人水碾百余所。这一技术当时还推广到西藏。宋元时期,水转大纺车问世。明清时期,以水能为动力的机具几乎遍及中国各江河水系上中游的农村山庄和各个水利灌区。
中国虽然利用水能的技术历史悠久,但利用水能发电的技术则是在20世纪初才从西方传入。
一般认为,世界上第一座水电站于1882年9月30日在美国威斯康星州阿普尔顿的福克斯河上建成发电,装机只有25千瓦。紧接着,欧洲于1885年建成第一座水电站,装机也只有65千瓦。此后,水力发电技术开始在世界各地迅速传播。
1904年,中国台湾地区修建龟山水电站,装机500千瓦,这是中国第一座水电站。1912年,云南省昆明市石龙坝水电站建成发电,装机480千瓦,这是中国大陆第一座水电站,比世界第一座水电站晚30年。1994年,世界最大的水电站中国三峡水电站开工建设。2004年,三峡水电站第一台70万千瓦机组开始发电,这是当时世界最大的水轮发电机组。中国的水力发电从零起步到建成世界最大的水电站和最大的水轮发电机组,走过了整整一百年。其间,中国水力发电经历了技术传入、初步发展、加快发展、走向世界前列四个发展阶段;经历了与美国和苏联的两次水力发电技术大交流;建立起人才培养、科学研究、勘测设计、工程建设、设备制造、运行管理等六大技术支持体系;发展成熟了具有国际先进水平的大江大河流域综合开发、大型特大型水利水电工程开发建设、高坝拱坝等各种类型坝工设计建造、重大水力发电设备设计制造等四大水力发电核心技术能力,以成功开发建设三峡水力发电枢纽工程、溪洛渡水电站、二滩水电站等一系列大型特大型水利水电工程为标志,把中国水力发电技术推向世界前列,使中国成为世界水电大国,并正在成为世界水电强国(表1)。
表1 中国水力发电各发展阶段水电装机统计表发展阶段 | 水电装机 (万千瓦) | 各阶段增加装机 | 各阶段年平均增加装机 |
数量 (万千瓦) | 阶段增长率(%) | 数量 (万千瓦) | 各阶段年平均增长率 |
技术传入阶段 | 1912年 | 0.048 | 36 | — | 0.97 | — |
1949年 | 36 |
初步发展阶段 | 1950年 | 36 | 1429 | 39.69 | 52.93 | 54.57倍 |
1976年 | 1465 |
加快发展阶段 | 1977年 | 1465 | 3385 | 2.37 | 199.12 | 3.76倍 |
1993年 | 4850 |
走向世界前列阶段 | 1994年 | 4850 | 29250 | 8.64 | 1218.8 | 6.12倍 |
2017年 | 34100 |
水力发电技术传入中国,紧随云南石龙坝水电站之后,一批水电站相继在部分省区建成发电。1921年,福建第一座水电站九龙江支流东溪上的金鸡坑水电站建成发电,装机2台(18.4千瓦+22.1千瓦)。同年,福建永泰县嵩口水电站建成发电,装机25千瓦。1925年,福建永安县在船上安装了一台25千瓦水轮发电机,利用溪水成功发电,这是中国第一座安装在船上的水电站。随后,福建古田、南平、顺昌等地也相继建成水电站。到1936年,福建水力发电技术已扩展到20个县市,装机总量达1.18万千瓦。
1923年,四川第一座水电站泸州洞窝电站开工建设,1925年建成发电,装机1台320马力(235.2千瓦)冲击式水轮机和1台140千瓦发电机。随后,四川又相继在成都、金堂、康定等地建成几座水电站供电照明,个别用来提水灌溉。
1928年,西藏第一座水电站拉萨夺底沟水电站建成发电,装机125马力(92千瓦),为藏式木结构四柱发电厂房。
1932年,广东第一座水电站兴宁县响水电站开工建设,装机115千瓦。同年,鹤山县(今鹤山市)开工建造一座15千瓦小水电站,供城镇用电。此后,博罗县、从化县(今从化区)、乳源县(今乳源瑶族自治县)、揭西县等地相继开始建设水电站。
1934年,河南第一座水电站内乡县西峡口镇莲岗水电站开工建设,装机12.5千瓦。
水力发电技术就这样在中国大地传播开来。第一批引进水力发电技术的地方,主要是沿海(海岛)、沿边境和内地少数水力资源丰富的省份,规模都很小,设备均为西方国家制造,都是尝试性工程。当时中国正处于大变革时期,国家贫穷,民不聊生,社会动荡,战乱频繁,很难对水力发电技术发展有大的投入,但水力发电技术仍在艰苦环境中挣扎成长。无论是在抗日战争时期,还是人民解放战争时期;无论是在国民党统治区,还是抗日根据地和解放区,仍然星星点点建设了若干小水电站。日本侵略占领中国东北地区时,为掠夺中国资源,在松花江、鸭绿江上建设了丰满、水丰水电站。20世纪上半叶,由于历史的原因,水力发电技术在中国仅处于最初的传入阶段。起步虽不太晚,发展却十分缓慢。到1949年底,全国水电装机总量只有36万千瓦。
孙中山先生在1894年曾向清政府建议引进西方技术,开发水电资源,但未被采纳。清政府被推翻后,孙中山又在《建国方略》中明确提出要开发三峡水电资源,以此作为振兴中国、富民兴邦的举措,但在当时的中国只能是梦想。20世纪40年代,国民政府曾与美国政府签订过三峡工程勘测设计合作协议,并邀请美国垦务局设计总工程师、世界著名坝工专家J.L.萨凡奇(John Lucian Savage,1879~1967)、柯登(John S.Cotton)等参与三峡工程的前期考察研究。还派出49位中国工程师前往美国丹佛参加三峡工程的合作设计,后因中国内战爆发而中止。不过,围绕三峡工程开发的前期工作,中美水电工程专家进行了较为全面深入的水力发电科技交流,对于促进水电技术在中国的传入消化和开拓中国技术人员视野十分有益。
1949年10月1日中华人民共和国成立,中国水力发电事业翻开新的一页,水力发电技术取得长足进步。
1950年8月,第一次全国水力发电工程会议在北京召开,时任国家副主席朱德(1886~1976)出席会议并讲话,指出开发水电资源要大、中、小结合。会议决定成立发展水电事业的领导机构,中华人民共和国水电事业由此起步。接着,迅速展开水力发电技术人才培养,组建勘测设计、科学研究、工程建设和组建管理机构,开展勘测设计研究部署,启动首批水电工程项目开工建设等一系列工作。水力发电相关技术在这一时期得以快速普及传播,为开发中国丰富的水电资源、发展水电事业奠定了初步基础。
1951年9月,在全国调集相关工程技术人员,进行集体培训,组建了中华人民共和国第一支勘测队伍,并立即开展对黄河的水利水电勘测。此后,从1953年到1956年,又先后组建了武汉、北京、上海、成都、长春、广州、昆明、兰州等8个勘测设计院,为在全国逐步开展水电工程建设,做好河流规划。同时,又先后组建古田溪、黄坛口、官厅、东北、狮子滩、云南、上犹江、三门峡、流溪河、新安江等10个水电工程局、工程处以及水力发电工程施工队伍,不仅为迅速开展上述水电工程建设提供了专业施工队伍,也为全国水利水电建设的大发展准备了专业化建设大军的骨干力量。这8个设计院和12支施工队伍就是后来8大水电勘测设计研究院和15个水电工程局的前身,是中国水力发电事业的基本建设队伍。
1953年开始筹建,1956年正式成立国家水利水电专门研究机构,包括水利水电科学研究院和一批骨干水电科研机构。不仅大量吸收中华人民共和国成立前后在西方学成归国的水利水电科技人员,而且选拔优秀科技骨干赴苏联留学。同时,在全国展开的院系调整中相继组建了培养水利水电专门人才的华东水利学院(今河海大学)、武汉水利电力学院,在清华大学、天津大学、大连工学院(今大连理工大学)、成都工学院(今四川大学)等许多工科院校中设立水利水电系科和专业,并在一些省市组建一批大中专水电学校,逐步形成水利水电专业技术人才的培养教育体系。还在各个省市逐步建立了地方水利水电科研机构,为中华人民共和国水利水电科学研究和人才培养奠定了基础,并培养出一批批水电专门人才,完成一项项科研成果,有力地支持了正在蓬勃展开的水利水电工程建设。
1954年,中国决定邀请苏联专家参与并指导黄河和长江流域规划,后来又邀请参与协助黄河三门峡和长江三峡工程勘测设计的前期工作。这是中外水利水电科学技术继20世纪40年代与美国科技人员交流后的又一次大交流,而且是一次更为深入广泛的交流。从50年代初到60年代苏联专家撤走,来华工作的水电专家达250人之多,还不包括短期来华指导的专家。他们参与到中国水利水电各个层面和相关学科专业,还派出航测队参与勘测规划,就流域规划和重大项目技术问题发表意见,介绍经验,指导工作。美国和苏联当时已具有开发水利水电资源的丰富实践,成功建设了一些重要水利水电工程。在这两次交流过程中,他们的专家发表了许多好的意见,对中国水利水电科学技术的加快成熟和水平提高起到了积极的促进作用。当然,他们也提供过一些不成熟、不恰当的意见,如关于黄河三门峡工程建设等。毕竟国情不同,具体工程条件也有差异,不能生搬硬套他人的经验。
这一时期,中国水力发电设备制造能力开始起步,并逐渐打下坚实基础。20世纪五六十年代,相继组建了第一、第二重型机械厂、哈尔滨和东方电机厂,逐步具备大中型水能发电机组的设计制造能力。在天津、杭州、昆明、重庆、韶关等地组建了一批中小型水轮发电机组制造厂,以满足全国各地大力发展中小水电站的迫切需要。到70年代末,中国水力发电中小水电站设备开始实现以自己生产制造为主。大型设备在引进先进技术的基础上大力自主创新,逐步赶上世界先进水平,掌握核心技术、关键技术,自主制造能力不断提升。
这一时期,中国的发展虽遭遇一些困难挫折,经济发展一度起伏跌宕,水力发电事业也有起落,但水力发电技术不断成熟,基础不断完善巩固,水电开发能力不断增强,水电事业仍然获得初步发展,且成效显著。到1976年末,中国水电装机总量达到1465万千瓦,是1950年前全国水电装机的40倍。不仅第一次完全依靠自己力量建成装机66.25万千瓦的新安江水电站,而且建成中国第一座百万千瓦级的刘家峡水电站。同时,对12条中小河流水电开发建设进行统筹规划,对黄河和长江进行了初步的开发规划,为即将到来的大规模水利水电开发建设做好了前期准备。这一时期,中国水力发电教育、科研、勘测设计、工程建设、设备制造初步形成体系,水力发电技术全面普及,稳步提升,形成较强的开发建设能力。水力发电开发建设目标,从中小电站、中小河流为主,开始向大中型电站、大中型河流迈进。
从20世纪70年代末开始,中国的国家工作重心转向以经济建设为中心,改革开放使中国水力发电事业充满前所未有的活力,水力发电技术获得全面发展和提升。水力发电开发体系更加完善合理,并不断用现代科学技术武装科研、规划、勘察设计、工程施工、设备制造、运行管理等水力发电的技术环节的全过程,从而促进和保证了这一时期水力发电建设的快速发展。
从1977年开始,中国用了3年多时间开展全国水力资源普查,认真总结研究过去近30年的各种勘察设计研究成果和开发建设经验,进一步摸清了全国水力发电资源家底:水力资源蕴藏量为6.76亿千瓦,年发电量为5.92亿千瓦时;可开发装机容量为3.79亿千瓦,年发电量为1.92亿千瓦时,居世界首位。以此为基础,1979年提出《十大水电基地开发设想》。这十大水电基地包括黄河上中游水电基地、大渡河水电基地、雅砻江水电基地、澜沧江上中游水电基地、乌江水电基地、红水河水电基地、长江上游水电基地、闽浙赣水电基地、湘西水电基地、金沙江水电基地。规划总装机容量18752万~19532万千瓦,年发电量9733亿~9988亿千瓦时。并初步计划到20世纪末中国水电装机争取达到1亿千瓦。1989年,规划增加黄河中游北干流水电基地和东北水电基地,最终形成著名的中国十二大水电基地规划,规划总装机1.74亿千瓦。为做好这次规划,1977~1983年,中国共完成河流河段的综合利用规划、梯级开发规划、规划修订、规划选点等各类报告44项(表2)。
表2 1977~1983年完成主要河流或河段规划项目表年份 | 水系 | 河流 | 规划报告名称 |
1977年 | 长江流域 黄河流域 西南国际诸河 | 嘉陵江 黄河 澜沧江 | 嘉陵江干流广元至合川段规划选点报告 兰州至靖远河段选点报告 澜沧江中游河段开发报告 |
1978年 | 长江流域 长江流域 长江流域 长江流域 长江流域 黄河流域 珠江流域 海滦河流域 东北诸河 东北诸河 | 沱江 涪江 渠江 洣水 资水 黄河(中游) 北江 滦河 二道江 浑江 | 沱江干流梯级电站选点规划报告 涪江干流梯级水电规划报告 渠江干流梯级水电规划报告 涞水规划复核报告 资水河流规划复核报告 托克托至龙门段梯级开发规划报告 北江干流韶关至英德段梯级开发选点规划报告 涞河流域补充规划要点 二道江干流梯级开发研究报告 浑江规划 |
1979年 | 长江流域 长江流域 黄河流域 黄河流域 珠江流域 珠江流域 东南沿海诸河 东南沿海诸河 | 白龙江 赣江 黄河 黄河(中游) 南盘江 北江 瓯江 尤溪 | 白龙江中下游水电开发规划补充修订 赣江干流梯级开发方案及近期工程选择 黄河干流综合利用规划修订报告 浦江流域规划 南盘江干流河段规划选点报告 北江昌乐峡河段梯级开发方案 瓯江流域规划综合说明 尤溪开发规划报告 |
1980年 | 长江流域 长江流域 东南沿海诸河 东南沿海诸河 西南国际诸河 | 耒水 红水河 金溪 昌化河 澜沧江 | 耒水规划复核报告 红水河综合利用规划报告 金溪开发方案复查 昌化河流域规划复查 澜沧江中游河段规划阶段报告 |
1981年 | 长江流域 长江流域 长江流域 黄河流域 海滦河流域 东南沿海诸河 | 金沙江 青弋江 水阳江 黄河 潮白河 汀江 | 金沙江渡口至宜宾段规划 青弋江规划 水阳江规划 黑山峡河段开发方式比较 潮白河补充规划 汀江上杭以下规划 |
1982年 | 长江流域 长江流域 长江流域 珠江流域 东南沿海诸河 东南沿海诸河 | 乌江 耒水 溇水 红水河 穆阳溪 汀江 | 乌江渡以上规划 耒水梯级开发论证报告 溇水流域规划意见 红水河开发程序论证 穆阳溪开发规划 汀江上杭以上规划 |
1983年 | 长江流域 黄河流域 黄河流域 珠江流域 东南沿海诸河 东南沿海诸河 | 堵河 黄河 黄河 北江 安仁溪 霍童溪 | 堵河流域规划 黄河上游规划 黑山峡河段开发方式比较重编报告 北江流域规划报告 安仁溪开发规划 霍童溪开发规划 |
20世纪80年代中后期,以此规划为基础,中国水力发电学会联合中国国土经济学会、中国能源研究会、中国水利经济研究会各方面专家以及有关省、自治区共同组成考察团,开展了黄河上游、乌江流域、澜沧江流域、四川“三江”流域、黄河北干流秦晋和金沙流域等多次综合考察,对各流域、河段水力资源、水土保持、生态环境等进行实地调查,加强对所规划的河流、河段的具体、深入、全面认识,开展各种形式的交流讨论,充分听取各方面意见。在此基础上,中国水利水电规划设计总院编印了《十二大水电基地》规划性文件。按此文件,规划总装机调整为21047.25万千瓦,年发电量为9945.06千瓦时。为实现这一宏伟目标,中国水电建设者加快了水电开发建设的步伐(表3)。
表3 十二大水电基地装机、发电量汇总表序号 | 水电基地 | 装机容量 (万千瓦) | 年发电量 (亿千瓦时) |
1 | 金沙江(石鼓-宜宾) | 4789 | 2610.8 |
2 | 雅砻江(两河口-河口) | 1940 | 1181.4 |
3 | 大渡河 | 1805.5 | 1009.6 |
4 | 乌江(干流) | 867.5 | 418.38 |
5 | 长江上游(宜宾-宜昌,清江) | 2831.6 | 1359.9 |
6 | 南盘江、红水河 | 1301 | 532.9 |
7 | 澜沧江干流 | 2137 | 1093.96 |
8 | 黄河上游(龙羊峡-青铜峡) | 1415.48 | 507.93 |
9 | 黄河中游北干流(河口镇-禹门口) | 609.2 | 192.9 |
10 | 湘西(资、沅、沣水,清水江) | 791.60 | 316.90 |
11 | 闽、浙、赣 | 1416.82 | 411.71 |
12 | 东北 | 1142.55 | 308.68 |
| 合计 | 21047.25 | 9945.06 |
1984年,广西天生桥水电站(二级)开工,装机132万千瓦;1985年,广西岩滩水电站开工,装机121万千瓦;1986年,湖南五强溪、云南漫湾水电站开工,分别装机120万千瓦和150万千瓦;1987年,福建水口水电站开工,装机140万千瓦,广州抽水蓄能电站和青海黄河干流李家峡水电站开工,分别装机120万、160万千瓦/200万千瓦,而且这一年长江干流第一座水电站葛洲坝水电站竣工,装机271.5万千瓦;1989年,装机128万千瓦的黄河上游干流龙羊峡水电站投产;1990年,装机330万千瓦的二滩水电站开工;1992年,装机150万千瓦的白山水电站竣工。这一时期,100万千瓦级的大型水电站连年开工、竣工,令人目不暇接。水力发电科学技术的繁荣进步和体制机制改革的不断深化推动了中国水电建设高潮的形成。
这一时期,以布鲁格水电站启动的水电建设管理体制改革,引进国外先进技术和管理方法,确立了以业主负责制为核心的招标承包制、工程监理制等三项管理制度,促进了水电工程的技术进步、质量提升、工期缩短和建设成本的有效控制。20世纪80年代中期以后,一大批优质、高效、经费节省的水电工程涌现出来。100万千瓦以上的大型水电站与改革开放前自营体制相比,用工减少1/2至1/3,工期缩短1~2年,合格率达到100%,优良率达到85%。比较具有代表性的就是被业内誉为水电开发“五朵金花”的广州抽水蓄能电站、湖北清江隔河岩水电站、云南漫湾水电站、福建水口水电站和广西岩滩水电站。
这一时期,16年中全国新增水电站装机3385万千瓦,是前一时期27年增加装机的2.37倍。平均每年增加装机200万千瓦,是前一时期平均每年增加装机的3.76倍。中国水电发展步伐大大加快。
这一时期,中国抽水蓄能水电站也快速发展。抽水蓄能电站是利用电网低谷负荷时的多余电能,从下水库抽水至上水库,在电网高峰时再发电放水至下水库,从而达到电网调峰、调相调频、事故备用、提高电网质量和把多余电能转换为高价值电能的多重目的。随着电网的扩大,抽水蓄能电站益发显出其对电网安全和经济发展的重要性。在以火电、核电为主的大电站、大电网尤其如此。
中国抽水蓄能水电站起步较晚,但后发优势强。20世纪60年代末期才开始研究,1968年和1973年先后建成河北岗南和北京密云两座混合式抽水蓄能电站,装机分别为1.1万千瓦和2.2万千瓦。1991年,装机27万千瓦的河北潘家口混合式抽水蓄能电站投产,开始进入快速发展期。1994年,装机180万千瓦的广州抽水蓄能电站一期工程开工,首台机组1998年发电,2000年全部建成投产,是当时最大的抽水蓄能电站。它的成功建设,为加快中国抽水蓄能电站的发展积累了丰富经验,起到示范作用。紧接着,北京十三陵(装机80万千瓦)、浙江天荒坪(装机120万千瓦)、河北张河湾(装机100万千瓦)、山西西龙池(装机120万千瓦)等一批大型抽水蓄能电站相继投产发电。截至2017年底,中国抽水蓄能电站在运规模2849万千瓦,在建规模达3871万千瓦,在建和在运规模都居世界第一。大规模的建设、运行,使中国掌握了许多关键技术,达到世界前列水平。
这一时期,中国农村小水电发展步伐也很快。小水电设计、建造、设备安装、运行管理技术在水力资源丰富的山乡农村全面普及。为支持小水电的普及发展,20世纪80年代初,中国在杭州建立小水电站研究培训中心,并得到联合国有关机构的支持,不仅为中国,而且为第三世界许多国家培养小水电技术人才。同时,在全国分三批重点建成300个农村电气化试点县,作为在全国农村发展小水电的示范。到1991年底,全国小水电装机容量达到1385万千瓦。
在不断加快水力发电技术现代化、大型水电项目开发建设的同时,坚持大中小并举的方针,积极推动“集资办电”,发挥中央和地方、企业、集体的办电积极性,大力推进以小水电为抓手的农村电气化进程,是这一时期水电装机规模迅速增加的又一原因和重要特点。
十二大水电基地规划的制定,明确了中国水力发电开发的重点目标,也引导围绕重点项目面临的重大课题开展科学研究攻关和改革创新。中国关于水力发电人才培养、科学研究、规划设计、设备制造、工程建设、电站调度、运行管理的整个体系,在过去的几十年大规模水利水电建设实践推动下,不断完善,综合开发能力、核心技术能力不断增强。进入20世纪90年代,水力发电开发建设实践中提出的各类关键技术问题、管理问题、经济社会问题、生态环境问题都在逐一攻克解决。特别是改革开放以来,通过对外交流、引进创新和深化改革,为进一步加快水力资源开发步伐,提升行业技术、质量和效益水平,为中国的水力发电事业迈上新台阶,创造了基本的科技条件、体制机制条件和市场条件。其重要标志就是,进入90年代,世界最大的水电站、最大的水利水电枢纽工程长江三峡工程以及一批大型、特大型水电工程相继开工建设和竣工投产。
1991年9月14日,四川雅砻江干流装机330万千瓦的二滩水电站正式开工建设。这项工程须在地质构造复杂的地段建设一座高240米的双曲拱坝。这是当时中国的第一高坝,坝身单宽泄洪流量则是世界第一。这项工程不仅规模大,而且技术复杂,面临诸多挑战。1992年6月24日,总装机150万千瓦的东北最大水电站——吉林白山水电站竣工投产。1993年,湖北清江隔河岸水电站(装机120万千瓦)、广州抽水蓄能电站(装机120万千瓦)、云南澜沧江漫湾水电站(装机125万千瓦)、福建闽江水口水电站(装机140万千瓦)等4座百万千瓦以上的水电站几乎在一个月内相继并网发电。1992年4月3日,中国第七届全国人民代表大会第五次全体会议,以1767票赞成、177票反对、66票弃权,通过关于兴建长江三峡工程的决议,并授权国务院相关组织实施。
1993年1月3日,国务院以当年1号文件发布《关于成立国务院三峡工程建设委员会的通知》。委员会由国家相关部委负责人和三峡工程库区相关地方省市负责人组成,国务院总理任主任委员。决定成立中国长江三峡工程开发总公司,作为三峡工程业主单位。当年9月27日,中国长江三峡工程开发总公司在湖北宜昌宣布成立,时任国务院副总理邹家华(1926~ )为其挂牌。次年12月14日,时任总理李鹏(1928~2019)在宜昌宣布,长江三峡工程正式开工。
1994年9月12日,装机156万千瓦的黄河干流小浪底枢纽工程开工。这是一座集减淤、防洪、发电、防凌、供水、灌溉为一体的大型综合性水利水电枢纽工程,是治理黄河的关键性工程。工程规模复杂、水沙条件特殊,运用要求严格,被中外水利专家视为世界上最复杂、最具挑战性的水利水电工程之一。同年12月25日,沅水干流上的装机120万千瓦的湖南五强溪水电站开工建设。
2001年8月8日,装机150万千瓦的青海黄河干流公伯峡水电站正式开工,2004年9月23日首台机组投产发电,2006年7月5台机组全部投产。以2004年公伯峡水电站投产发电为标志,中国水电装机总量突破1亿千瓦大关,超过美国(7896万千瓦),成为世界第一水电大国。
2001年1月20日,装机420万千瓦的澜沧江小湾水电站开工。电站双曲拱坝高294.5米,超过二滩水电站拱坝,是当时世界第二高拱坝。工程所在区域地质构造复杂,工程施工面临技术挑战。2010年,小湾水电站投产发电,中国水电装机突破2亿千瓦大关,继续保持世界第一水电大国地位。
中国的目标,不仅要成为世界水电大国,而且要努力建成世界水电强国。三峡工程、二滩工程、小浪底工程等具有世界挑战水平工程的建设,进一步推动中国水利水电科学技术水平的提升和加快水电产业建立现代企业制度的步伐,以更加科学、高效地实现流域综合开发、梯级开发、滚动开发及保护水资源、生态环境的战略目标。
经过几十年的建设,中国的水利水电工程建设已经在勘测、设计、科研、施工和安全监测等各方面建立起完整的技术体系,形成具有中国特色的筑坝技术,建成一大批包括多种坝型的百米以上的高坝,其中不少工程建在峡谷这种地震烈度高、地质条件复杂、泄洪流量大、开发建设技术难度高的地区。20世纪初,以碾压混凝土坝和面板堆石坝为代表的新坝型在中国发展迅速,技术水平不断提高,不断创新,多项工程已经位居世界同类坝型前列(表4)。
表4 世界坝高前20名大坝序号 | 坝名 | 国家 | 最大坝高(米) | 坝型 | 水库总库容(亿立方米) | 装机容量 (兆瓦) | 建成年份 |
1 | 锦屏一级 | 中国 | 305 | VA | 79.88 | 3600 | 2014 |
2 | 努列克(Nurek) | 塔吉克斯坦 | 300 | TE | 105 | 2700 | 1980 |
3 | 小湾 | 中国 | 294.5 | VA | 150 | 4200 | 2012 |
4 | 溪洛渡 | 中国 | 285.5 | VA | 126.7 | 13860 | 2015 |
5 | 大狄克桑斯(Grande Dixence) | 瑞士 | 285 | PG | 4 | 2069 | 1962 |
6 | 卡姆巴拉金1号(Kambarazin-Ⅰ) | 吉尔吉斯斯坦 | 275 | TE | 36 | 1900 | 1996 |
7 | 英古里(Enguri) | 格鲁吉亚 | 271.5 | VA | 11 | 1320 | 1980 |
8 | 博鲁卡坝(Boruca Dam) | 哥斯达黎加 | 267 | TE | 149.6 | 1400 | 1990 |
9 | 瓦依昂(Vajont) | 意大利 | 262 | VA | 1.69 |
| 1961 |
10 | 糯扎渡 | 中国 | 261.5 | ER | 237.03 | 5850 | 2015 |
11 | 奇科阿森坝(Chicoasen) | 墨西哥 | 261 | TE | 16.8 | 2430 | 1981 |
12 | 特里(Tehri) | 印度 | 261 | TE | 35.4 | 1000 | 1990 |
13 | 阿尔瓦罗·欧博雷冈(Alvaro Obregon) | 墨西哥 | 260 | PG | 4 | 86.4 | 1952 |
14 | 莫瓦桑(Mauvoisin) | 瑞士 | 250.5 | VA | 2.12 | 114 | 1991加高 |
15 | 拉西瓦 | 中国 | 247 | VA | 10.79 | 4200 | 2010 |
16 | 瓜维奥(Guario) | 哥伦比亚 | 247 | TE | 9 | 1600 | 1992 |
17 | 德里内尔(Deriner) | 土耳其 | 243 | VA | 19.7 | 670 | 2004 |
18 | 阿尔伯托·里拉斯(Alberto Lleras C.) | 哥伦比亚 | 243 | ER | 9.7 | 1150 | 1989 |
19 | 麦卡(Mica) | 加拿大 | 243 | TE | 250 | 2104 | 1972 |
20 | 奇比(Gibe Ⅲ) | 埃塞俄比亚 | 243 | RCC | 140 | 1870 | 2013 |
首先,在筑坝技术方面取得长足进步。在高土石坝筑坝技术方面,应力应变技术分析、深厚覆盖层基础上建坝技术、筑坝材料特性、坝身及坝基的防渗措施、大坝变形原型监测、离心实验技术等都取得重大成果。在混凝土高坝筑坝技术方面,复杂大坝结构应力分析、裂缝的控制与防治、混凝土温度应力控制、拱坝体型优化、大坝动力特性分析与抗震、混凝土坝的快速施工、筑坝材料与混凝土外加剂等方面都取得突破性进展。在岩土工程方面,大型地下洞室的围岩稳定分析和支护技术、水下岩塞爆破、岩石高边坡稳定分析和加固、复杂工程地质的勘探技术等,都达到世界先进技术水平。在水工水力学方面,高坝大流量泄洪建筑物的消能与泄洪安全等方面的研究都从理论上有新的发展,在工程实践中都取得成功。在大坝安全监测方面,形成了数据自动采集、传输、分析的适时监测系统技术。在大坝结构及岩土工程分析方面,已经普遍采用计算机技术。有限单元法的应用,已从二维发展到三维,从静力分析发展到动力分析,从具体工况分析发展到全过程仿真分析。
其次,水力机械模型试验及测试技术得到很大发展。建设了高精度水力机械通用模型试验台。开发研制的水轮机模型最高水力效率已突破94%,离心式水泵最高效率达到91.5%。这些指标已经进入世界先进水平行列。空蚀与磨损研究取得重大成果,耐磨材料及防护工艺研究取得突破性进展。
再次,开展系统的专项科研攻关。20世纪70年代,针对长江葛洲坝枢纽工程关键技术问题,如坝基软弱夹层处理、航道水流和泥沙设计施工、进水闸高速水流消能防冲、大型船闸设计施工、低水头水轮发电机组研制、深水围堰和导截流等重大课题,通过中国国内几十家单位协作研究,都提出了先进技术方案,保证了工程顺利建成投产。八九十年代,围绕黄河小浪底工程,对高土石坝施工、泥沙问题、高速水流消能、大直径洞群施工、山体抗滑稳定等方面的关键技术开展专题科学研究,取得了重大成果。同一时期,长江三峡枢纽工程可行性论证工作全面展开。三峡工程是治理和开发长江的关键性骨干枢纽工程,是世界上最大的水利枢纽工程,面临着前所未有的世界级难题,中国高度重视工程的科技攻关、科学论证和科学决策。在过去几十年中外专家长期研究论证和各项重大课题攻关研究基础上,聘请400余名专家,组成枢纽建筑、地质地震、水文泥沙等14个专家组,对工程的技术、经济可行性进行深入、全面论证。工程开工后,又组织一批专家进行8个重大专项技术审查。在审查和论证过程中,开展了一系列科学研究,重大课题列入国家科技攻关项目及国家自然科学基金重大项目,完成各类成果报告上千项,在坝工、泥沙、航运、岩土、材料、安全监测、施工技术等方面取得了重大成果。自1994年工程开工至2010年底,形成的科技成果获得中国国家科技进步奖20多项、专利成果几百项,编制工程技术标准100多项。这些科技成果不仅保证了三峡工程的成功建设,而且有力地促进了中国重大水利水电工程建设、水利水电机电设备制造、生态环境保护和信息技术等领域的科学发展。
高坝、大库、大电站的建设也促进了大电网和高电压的蓬勃发展。葛洲坝水电站500千伏,公伯峡水电站750千伏以及向家坝水电站800千伏等大电网相继建成投产,推动中国电网建设技术进入世界领先水平。为了满足西部大开发和西电东送需要,中国已经启动1000千伏交流和800千伏直流输电示范工程,作为国家骨干网架,跨接各大区域电网。这就为水电大开发创造了基础性条件。
为了推动大江大河流域综合开发、梯级开发、滚动开发,相继组建了一系列流域或河段水电开发公司,作为业主单位和投资主体,负责从投资开发、经营管理到流域和梯级滚动开发管理的全过程。
1992年10月,首先成立乌江渡水电开发公司;1993年9月27日,成立中国长江三峡工程开发总公司,负责三峡工程开发建设、经营管理和滚动开发长江上游水力资源;1995年3月9日,成立二滩水电开发公司,负责二滩工程的开发建设、经营管理和滚动开发雅砻江水电资源;1995年6月5日,成立湖南武陵水电开发公司,负责滚动开发沅水流域水力资源;1999年10月19日,黄河上游水电开发公司成立,负责梯级滚动开发黄河上游水电资源和经营管理;2000年12月30日,大渡河水电开发公司成立,负责梯级滚动开发大渡河水电资源;2001年2月8日,澜沧江水电开发公司成立,负责梯级滚动开发澜沧江水电资源。还有其他流域开发公司、河段开发公司相继成立。一些中小河流的开发公司则是不计其数。由于这些流域开发公司或河段公司的相继成立,中国的河流综合利用、梯级开发、滚动开发的方针主体责任得到具体的落实。特别是十二大水电基地的建设,进度明显加快。虽然每个流域或每条河流或河段是一个大业主,但都是有限责任公司或股份公司,具体到每个电站项目,可能也是多家合资。这样一种机制,极大地推动了各个方面开发水电的积极性。责任主体的落实、开发机制的落实,加上水电科技攻关解决了一系列关键技术问题,中国的水力发电开始迈上高速度、高效率、高质量发展的新阶段(表5)。
表5 世界拱坝坝高前10名序号 | 坝名 | 国家 | 最大坝高(米) | 水库总库容(亿立方米) | 装机容量 (兆瓦) |
1 | 锦屏一级 | 中国 | 305 | 79.88 | 3600 |
2 | 小湾 | 中国 | 294.5 | 150 | 4200 |
3 | 溪洛渡 | 中国 | 285.5 | 126.7 | 138600 |
4 | 英古里(Enguri) | 格鲁吉亚 | 271.5 | 11 | 1320 |
5 | 瓦依昂(Vajont) | 意大利 | 262 | 1.69 |
|
6 | 莫瓦桑(Mauvoisin) | 瑞士 | 250 | 2.12 | 114 |
7 | 拉西瓦 | 中国 | 250 | 10.79 | 4200 |
8 | 得里内尔(Deriner) | 土耳其 | 247 | 19.7 | 670 |
9 | 萨扬舒申斯克(Sayano-Shushenskaya) | 俄罗斯 | 242 | 313 | 6800 |
10 | 二滩 | 中国 | 240 | 61 | 3300 |
2004年,三峡工程首批4台70万千瓦机组并网发电,2009年三峡工程如期竣工,开始全面发挥防洪、发电、通航、供水、旅游、环境等综合效益。32台70万千瓦机组每年发出1000亿度清洁电能送到中国四面八方,有力地支持了中国国家的建设和繁荣。中国人民的百年梦想变成了现实。
2005年,长江上游金沙江干流溪洛渡水电站开工建设。溪洛渡水电站装机1386万千瓦,是当时仅次于中国三峡、巴西伊泰普的世界第三大电站。其混凝土双曲拱坝高285.5米,是世界和中国第三高拱坝,其左右岸地下厂房是世界最大的地下厂房。高拱坝、高地震烈度区、高速水流和大泄洪量、大地下厂房、大机组,是典型的“三高三大”水电工程,地质条件复杂,施工难度大。2013年7月,首台77万千瓦机组并网发电,当年共投产12台77万千瓦机组,这是世界罕有的水电机组安装速度。2014年6月,18台机组全面投产发电。因其技术过硬,质量可靠,以及认真贯彻可持续性发展方针,获得世界工程界的诺贝尔奖“菲迪克工程项目奖”。当年的工程奖中唯一的水电工程获奖,就是溪洛渡水电站。
2005年11月12日,雅砻江干流锦屏一级水电站开工建设,装机360万千瓦。电站混凝土薄壁双曲拱坝高305米,是世界第一高拱坝。2013年8月首批机组发电,2014年6月全部机组投产发电。锦屏二级水电站2007年1月30日开工建设,2012年12月首台机组投产发电。锦屏一、二两级电站14台60万千瓦机组全部完工,840万千瓦机组均投产发电。锦屏一、二级机组成为锦屏“双子星座”电站,被认为是中国乃至世界上施工环境最危险、建设管理难度最大的巨型水电站之一,面临最高混凝土双曲拱坝、高边坡、深峡谷、高埋深、高地应力等世界级难题。
2006年11月26日,长江上游金沙江干流最末端梯级向家坝水电站开工建设。水电站装机775万千瓦,混凝土重力坝高162米。2012年11月5日开始发电。2014年7月,全面竣工投产。这是又一座世界级巨型水电站。
2015年12月,长江上游金沙江干流一座千万千瓦级装机的巨型水电站——乌东德水电站开工建设,其混凝土双曲拱坝高270米,设计安装单机容量打破世界纪录85万千瓦水轮发电机组。这座在建中的巨型水电站已于2021年投产发电。
早在2013年8月,金沙江干流一座千万千瓦级别装机的巨型电站——白鹤滩水电站主体工程已开始全面施工。它将装机1600万千瓦,全部安装中国设计制造的单机容量100万千瓦的水轮发电机组16台。这将是世界上最大的水轮发电机组,已经在中国的工厂生产制造。100年前,中国第一座水电站第一台水轮发电机只有240千瓦,还是德国制造,德国人主持安装,这真是一个翻天覆地的变化,一个跨世纪的进步。白鹤滩水电站正在建设一座289米的混凝土双曲高拱坝。工程预计在2021年投产发电。
中国水电建设者和中国人民100年来的探索实践,70年来的坚苦奋斗,如成功开发建设三峡工程、二滩工程、小浪底工程、锦屏工程、溪洛渡工程、向家坝工程、葛洲坝工程以及乌东德工程,特别是16台单机容量100万千瓦的白鹤滩工程,这一批大型、特大型水电工程,把中国水利水电事业推向世界水平的前列。
中国正在走向世界水电强国,但未来仍充满挑战。水力资源开发的自然环境、生态环境、社会环境日趋艰巨,保护水资源的责任更加重大。中国水电建设者正在进一步牢固树立开发与保护并重的科学发展理念。在加快水电清洁能源开发建设、努力提高发展质量和综合效益的同时,认真完善和强化水电开发中的生态环境保护措施和水库移民利益共享机制,把开发清洁能源与保护生态环境这篇文章做得更好。