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第 1 讲. 完善创新体系 安全高效开发利用水电资源. （一）世界水电资源开发利用现状. 水电是目前技术上最成熟、可经济和稳定开发的可再生清洁能源，它提供了全球约 20% 的电力供应。是世界能源供给体系的重要组成部分，对促进世界经济社会发展发挥了重要作用。 加拿大、瑞士、瑞典等国家在内的全球近三分之一的国家，水电占电力装机容量的比例超过 50 % ，其中有 24 个国家超过了 90% ，包括巴西、巴拉圭、挪威等国。 作为一种可再生和持续利用的清洁能源水电在世界能源供给体系中占有独特而重要的战略地位。. （一）世界水电资源开发利用现状.
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第1讲 完善创新体系安全高效开发利用水电资源
（一）世界水电资源开发利用现状 • 水电是目前技术上最成熟、可经济和稳定开发的可再生清洁能源，它提供了全球约20%的电力供应。是世界能源供给体系的重要组成部分，对促进世界经济社会发展发挥了重要作用。 • 加拿大、瑞士、瑞典等国家在内的全球近三分之一的国家，水电占电力装机容量的比例超过50 %，其中有24个国家超过了90%，包括巴西、巴拉圭、挪威等国。 • 作为一种可再生和持续利用的清洁能源水电在世界能源供给体系中占有独特而重要的战略地位。
（一）世界水电资源开发利用现状 • 西方发达国家十分重视水电资源的开发与利用，常规水电平均开发利用程度超过60%，其中美国、日本、法国、挪威、瑞士等国家已超过80%，德国和加拿大约为70 %。 • 发达国家由于剩余可开发的水电资源不多，目前常规水电开发速度放缓，但依然有33个欧美国家仍在开发兴建水电工程，包括美国、加拿大、意大利等。 • 由于在电力系统中承担调峰、调频、调相、紧急事故备用等重要作用，抽水蓄能电站建设在发达国家发展较快，部分国家抽水蓄能机组占电力装机容量的比重已超过10%。
（一）世界水电资源开发利用现状 • 世界水电开发建设主要集中在亚洲、非洲、拉丁美洲等发展中国家。 • 在亚洲，除中国外，印度、土耳其、尼泊尔、老挝、越南、巴基斯坦、马来西亚、缅甸、哈萨克斯坦等国都有大型水电工程正在建设； • 日本常规水电开发程度较高，目前重点建设抽水蓄能电站。 • 在非洲有20多个国家正在开发建设水电工程，受经济发展状况限制，非洲的水电开发程度较低，平均开发程度为8%左右。 • 巴西委内瑞拉、阿根廷等国家的水电开发建设发展速度较快，许多高坝工程正在建设之中。
（一）世界水电资源开发利用现状 • 面对日益严峻的气候变化、节能减排压力、石油价格高企及欠发达地区的贫困化现象等形势，世界银行以及联合国经济事务署等国际组织重新审视水电开发的利弊，倡导以可持续利用的方式大力发展水电。 • 在水电开发中，更加注重工程安全，更加注重工程防洪、供水、灌溉及航运等综合效益，更加注重河流的生态环境保护以获得满足各方利益的优化开发方案。
（二）加快我国水电资源开发的重要意义 • 我国水电资源丰富，理论蕴藏量年电量60829亿kWh，平均功率为694400MW，技术可开发装机容量541640MW，年发电量24740亿kWh,均居世界第一位。 • 在我国常规能源资源剩余可采总储量中，水电资源所占比重达44.6%(按使用100年计算，折合标准煤507亿t)，是仅次于煤炭的第二大常规能源资源，在我国能源结构中占有十分重要的战略地位。
（二）加快我国水电资源开发的重要意义 • 发展水电对我国从化石能源向清洁的可再生能源方向发展，特别是实现2020年非化石能源消耗达到15%的战略目标，具有不可替代的重要作用。 • 《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》明确提出:“在做好生态保护和移民安置的前提下积极发展水电，重点推进西南地区大型水电站建设，因地制宜开发中小河流水电资源，科学规划建设抽水蓄能电站。” • 大力发展水电，不仅是确保我国能源安全、实现节能减排目标的重要战略举措，也是促进西部经济可持续发展的重要任务，对转变经济发展方式，建设资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。
（二）加快我国水电资源开发的重要意义 • 到2010年底，我国水电装机容量2.16亿kW，年发电量6867亿kWh，仅占水电资源技术可开发量的27.8%，不到欧美发达国家平均开发程度的一半。 • 根据我国《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，我国水电装机容量将达到3.8亿kW，其中常规水电3.3亿kW，抽水蓄能5000万kW。未来十年，我国水电开发利用前景十分广阔。
（三）世界水电科技现状 • 西方主要发达国家在20世纪50年代至70年代完成了主要水电资源的开发，水力发电在勘察设计、施工组织、运行管理等方面积累了较为丰富的实践经验。 • 国外已建的最大规模水电工程有巴西的伊泰普水电站( 14000MW )； • 最高的土石坝工程塔吉克斯坦的努列克坝高300m； • 最高的混凝土坝瑞士的大狄克森重力坝-坝高285m； • 常规水电机组最大单机容量为700MW，抽水蓄能电站最大单机容量为450MW。
（三）世界水电科技现状 • 我国自1910年云南石龙水电站开工兴建以来，水电发展经历了艰难而辉煌的百年征程。 • 已建在建30m以上的大坝近520座，其中坝高100m以上的大坝140多座，水电装机容量突破2亿kW,水电装机容量和年发电量稳居世界第一。 • 我国先后建成了世界最大规模的三峡水电站(22500MW)、世界最高的龙滩碾压混凝土重力坝(196m)、世界最高的水布埂面板堆石坝(233m)， • 正在建设世界最高的锦屏一级混凝土拱坝(305m)和双江口心墙堆石坝(312m)
（三）世界水电科技现状 • 我国在水电规划设计、施工、运行管理、主要机电设备制造等方面已形成较为完备的产业技术体系，形成了具有中国特色的水力发电成套技术，创造了世界水电工程史上的多项第一，包括超高坝筑坝、高水头大流量泄洪消能、超大型地下洞室群开挖与支护、高边坡综合治理以及大容量机组制造安装、大型抽水蓄能电站建设等水力发电成套技术。 • 目前，我国不仅是世界上水电装机规模最大的国家，也是在建规模最大、发展速度最快的国家，水电科技水平已跻身国际先进行列，并且在高坝工程技术领域处于国际领先地位，引领着国际坝工技术的发展方向。
(一)我国水电资源分布特点 我国水电资源时空分布严重不均衡，主要集中于汛期、集中于西南地区和大型水电基地，主要分布特点如下。 • 在时间分布上，我国水电资源主要集中在汛期。与海洋性气候的欧美国家不同，受季风影响，我国大多数河流年内径流分布不均，每年汛期((5一10月)河川径流量占全年70%-80%； • 年际间的丰、枯水年径流量之比相差3倍以上。 • 需要修建高坝大库工程，对洪水进行拦蓄、对径流实施有效调控，以满足国民经济和社会发展对水资源的综合、高效利用要求，部分流域修建龙头水库可提高水资源利用率20%以上。
(一)我国水电资源分布特点 • 在地域分布上，我国水电资源主要集中在西南地区。云南、贵州、四川、重庆、西藏等西南5省(区、市)的水电资源占全国水电资源的67%。为解决水资源地域分布的不均衡，需要实施西电东送或南水北调工程，以满足东部或北部对能源和水资源的需求。 • 在富集程度上，我国水电资源主要集中在13个大型水电能源基地和100多座大型水电工程。
(一)我国水电资源分布特点 • 在金沙江、雅碧江等十三大水电能源基地，装机容量占全国技术可开发量的51%。同时，116座1000MW以上大型水电工程的装机容量及年发电量占全国的比重超过了50%。 • 水电资源富集程度高有利于集中建设大型水电能源基地和开发大型水电站，充分发挥水电开发和电力传输的规模效益。 • 正在规划中的雅鲁藏布江下游大拐弯河段，在200多千米的河段上水头落差高达2200 m，水电资源富甲全球，总容量约6000万kW，超过全国技术开发量的10%。
(二)我国水电开发面临的主要问题 • 我国水电资源时空分布特点决定了水电开发面临问题的独特性和面临的挑战。 • 为了满足水资源高效利用和流域防洪安全的目标，需要修建高坝大库对汛期洪水进行调蓄，以满足枯水期供水、航运及发电等综合需求。 • 但修建高坝大库会造成较大面积的土地淹没损失、较多的移民，也会对生态环境造成影响。 • 在区域地质构造复杂、地震烈度高、地质灾害频发的西南地区修建高坝工程会带来一系列具有世界级难度的工程技术问题。因此，我国水电开发主要面临如下四类问题。
(二)我国水电开发面临的主要问题 1.复杂区域地质条件的工程防展与抗震安全问题 • 我国西南地区地处青藏高原及其向第二级台阶过渡边缘地带，受印度板块与欧亚板块碰撞的影响，该区域地壳运动和地质构造作用强烈、地壳抬升幅度大。 • 西南地区地震烈度高且地震频繁，崩塌、滑坡、泥石流等物理地质作用强烈，地质灾害活动频繁，工程的防震抗震安全已成为影响西南地区水电工程建设的主要工程技术问题。
(二)我国水电开发面临的主要问题 2.一系列具有世界级难度的工程技术问题 • 我国正在规划设计或建设一批300m级超高坝、超大型地下发电厂，国内外可供借鉴的工程经验很少、技术难度高，许多技术问题都有待进一步研究和突破； • 如峡谷地区的高水头大单宽泄洪消能、复杂地质条件下高坝基础处理、大型地下洞室群的围岩稳定、高陡工程边坡、高效大容量水电机组设计与制造等，这些成为制约工程建设的关键技术问题。
(二)我国水电开发面临的主要问题 2.一系列具有世界级难度的工程技术问题 • 特别是位于印度板块与欧亚板块缝合带上的雅鲁藏布江下游，在强烈的挤压、抬升、变质变形作用下，地质构造与地质地形条件异常复杂，地震频繁、地震烈度高达IX度，河床覆盖层深度近5OOm，这些使得深厚覆盖层钻探与取芯技术、高坝建造技术、复杂地质条件下深埋长隧洞与地下厂房建造技术、高水头大容量机组设计与制造技术以及送出工程的技术难度均已超越现有世界水平，需要进一步提高科技创新能力和技术水平加以解决。
(二)我国水电开发面临的主要问题 3.水电开发与生态环境保护之间的协调 • 如何协调水电开发与自然保护区、风景名胜区、饮水水源保护区的关系，如何处理水电开发对河流生态系统的影响，以及水电开发与鱼类生存环境的影响等问题成为制约水电工程建设的主要问题之一。
(二)我国水电开发面临的主要问题 4.水电开发与水库移民安置之间的协调 • 水电开发过程中不可避免地存在着水库淹没和移民安置问题，西南地区少数民族人口分布众多，经济发展水平欠发达、生产力水平不高、耕地资源缺乏、移民安置容量有限，当地群众对土地资源、林地资源等自然资源的依赖很强。 • 受宗教信仰等影响，各少数民族有不同的生产和生活方式，部分少数民族信仰神山、圣水。 • 随着水电开发向河流上游延伸，适宜安置的土地越来越少、移民安置工作难度越来越大，并成为影响到水电开发整体进程的主要问题。
(二)我国水电开发面临的主要问题 • 在当前和未来我国的水电开发中，要科学合理解决上述四类挑战，促进水电可持续发展，最重要、最根本的途径就是毫不动摇地坚持科技进步和技术创新。 • 要根据能源规划，结合水电工程具体开发条件，积极开展科技攻关，建立与国民经济和社会发展相适应的工程安全体系，切实保障工程安全; • 要以工程建设带动装备制造自主创新，促进水电产业整体、有序、可持续发展; • 要加强生态环境保护、生态修复技术研究，在保护生态环境的基础上有序开发水电，要通过水电开发促进移民群众脱贫致富，促进地方经济社会的发展，实现人与自然、工程与自然的和谐共补。
(一) “十二五”水电科技发展思路 • 深人贯彻落实科学发展观，适应未来能源发展形势，以水电科学发展为主题，以转变水电发展方式为主线，围绕“安全、高效、环境友好”的要求，以增强自主创新能力为着力点，通过重大技术研究、重大技术装备、重大示范工程及技术创新平台建设的“四位一体”能源科技创新体系，进一步完善水电科技创新体系，开展水电战略性科技攻关与推广应用，为开发建设和谐水电，为保障我国能源安全、实现节能减排发展目标提供技术支撑和保障。
(二)水电科技发展目标 • 一是建立与国民经济和社会发展水平相适应的水电工程防洪安全、抗震安全及结构安全标准体系，特别是结合四川汶川特大地震震害分析，解决我国水电工程抗震安全的成套技术，切实保障我国大型水电工程的安全。 • 二是针对西南地区大型水电工程的共性关键技术，开展新材料、新结构、新工艺和新方法的系统性研究，获得具有普适意义的科研成果，指导我国西南水电的有序、科学开发。
(二)水电科技发展目标 • 三是针对水电开发对生态环境的影响，研究提出减缓负面影响的技术方案和工程措施以及针对性的生态修复技术;提出节能环保的水电施工技术并形成技术标准。 • 四是以工程建设带动装备制造业发展，实现400MW及以上抽水蓄能机组的关键技术国产化，研制出具有国际先进水平的大型贯流机组，开展1000MW混流水电机组设计制造关键技术研发。 • 五是提出流域梯级水电站多目标的运行调度理论、方法，研究科学合理的调度模型，开发具有普适意义的信息系统管理平台和梯级电站群优化调度系统。
四、“十二五”水电科技重点任务 • 我国水电开发所面临的主要问题是缺乏可借鉴经验，迫切需要以重大技术研究、重大装备研发、重大工程示范，以及技术创新平台建设为重点，完善水电科技创新体系，开展战略性科技攻关与推广应用，突破制约我国水电资源安全、高效开发与利用的技术瓶颈，抢占水电科技制高点，引领世界水电科技发展，实现我国由水电建设大国向水电科技强国转变。
（一）完善水电科技创新体系，提升自主创新能力（一）完善水电科技创新体系，提升自主创新能力 • 以水电资源与先进水电技术研发平台、水力发电设备研发平台等国家能源重点研发平台建设为基础，完善国家水电科技创新体系，进一步提升我国水电科技自主创新能力与水平。 • 以水电资源与先进水电技术研发平台为依托，重点开展水电资源及其优化开发利用、河流水沙运动与调控、水电开发移民安置方式、水电开发环境保护与生态修复、高坝工程安全与水电建设共性关键技术、流域梯级水电站多目标优化调度与安全运行技术等关键技术研究，提升水电资源安全与高效开发利用水平。
（一）完善水电科技创新体系，提升自主创新能力（一）完善水电科技创新体系，提升自主创新能力 • 以水力发电设备研发平台为依托，重点开展水力发电设备共性技术和实验测试技术、水力发电设备关键技术(包括推力轴承关键技术、水轮机模型转轮的开发、超高压等级主绝缘技术的研究及应用、水轮发电机冷却技术、结构刚强度分析及优化、机组轴系稳定性、水轮机转轮防裂纹的措施)、百万千瓦级大型水电机组关键技术、抽水蓄能机组关键技术、高水头大容量冲击式水轮发电机组关键技术、大型灯泡式水轮发电机组关键技术研究，提升我国水电装备设计与制造水平。
（一）完善水电科技创新体系，提升自主创新能力（一）完善水电科技创新体系，提升自主创新能力 • 通过国家能源研发中心等科技创新平台建设，凝聚国内外知名专家、学者，培养和造就水电工程技术领域“高、精、尖”创新人才，通过持续研究和技术攻关，占领水电科技的技术制高点，打造行业重大科技成果转化和产业化的基地。 • 以此为契机，创建行业对外技术交流与合作的平台，推动产学研结合，打造具有国际影响力的水电工程技术对外窗口，建设我国水电基础研究和前沿技术研究的核心基地。 • 优化全国水电科研机构和科技资源配置，鼓励并支持企业建立技术研发中心，使科技创新与工程应用有效结合，加快科技成果转换与推广应用，全面推进科技创新体系的建设，逐步形成符合我国水电科技发展规律、适应水电发展需要的技术开发、技术推广与知识产权保护体系。
（二）立足自主创新，提升行业整体竞争力 以增强自主创新能力为着力点，围绕“安全、高效”的发展要求，加大重点领域的研发投人，重点实施重大技术研究、重大装备研发，解决水电资源“安全、高效” 开发利用的技术瓶颈，带动我国水电开发，支撑我国水电开发的可持续发展。 1、水电资源安全、高效开发重大工程技术研究 (1) 复杂地质条件下的高坝工程技术研究。 针对西南地区地质构造复杂、地震烈度高、地质灾害频发等特点，依托西南地区在建和拟建水电工程，重点研究影响高坝工程安全的关键技术，包括水电工程区域构造稳定、高坝结构安全与防震抗震技术、高坝泄洪消能技术、深厚覆盖层利用技术、高坝快速施工与质量控制技术等，提出适合西南地区修建300级高坝工程的系统设计方法、施工技术与技术标准，占领世界高坝设计与建设的技术制高点。
（二）立足自主创新，提升行业整体竞争力 1、水电资源安全、高效开发重大工程技术研究 (2)超大型地下洞室群设计与施工关键技术研究。 针对西南地区地质复杂、地应力高、地下工程规模大等特点，重点研究大跨度高边墙地下洞室群围岩变形稳定分析技术，开挖与支护技术，深埋、高地应力、高外水压力长大隧洞围岩稳定技术，施工期地质超前预测预报技术以及大型地下洞室群快速施工技术与信息化设计和施工技术等，进一步提升我国地下工程设计与施工建设管理水平，达到国际领先水平。
（二）立足自主创新，提升行业整体竞争力 1、水电资源安全、高效开发重大工程技术研究 (3)以流域数字化平台为基础，开展流域梯级水库群防洪安全与水电站群优化调度技术研究。随着我国水电开发的深入，金沙江、雅碧江、澜沧江、大渡河等流域梯级坝群逐步形成，将对调节径流和流域防洪安全能够发挥重要的作用，需要重点研究流域梯级水库群防洪安全与水电站运行安全技术，统筹考虑发电、防洪、供水、航运、生态环境保护等多目标优化调度关键技术以及抽水蓄能电站与风电、太阳能联合运行技术等，提升流域水资源高效利用与安全管控水平。
（二）立足自主创新，提升行业整体竞争力 2.高效大容量水电机组设计与制造 • 在已有引进、消化吸收的基础上，重点开展1000MW级混流式水电机组及其配套设备、400MW级高水头抽水蓄能机组及其配套设备、70MW级灯泡贯流式水电机组、大型冲击式水轮发电机组、大型潮汐电站双向灯泡式贯流机组等水电机组设计与制造技术研究;研制出具有国际先进水平的高效大容量水电机组及其配套设备，提高我国水电机组设计制造水平。 • 特别要针对雅鲁藏布江下游水电开发的特点，在地形狭窄、数十公里长、水头落差达2200Km的河段上布置约6000万kW水电机组，迫切需要针对高水头大容量的水电机组开展科技攻关。
(三)以人为本、统筹协调，建设生态友好的水电工程(三)以人为本、统筹协调，建设生态友好的水电工程 • 牢固树立以人为本、统筹协调的观念，协调处理好水电开发与环境保护，水电开发与维护移民利益、促进地方经济发展之间的关系，使水电开发实现经济效益、生态效益与社会效益的有效统一，建设具有中国特色的和谐水电。 • 重点组织开展生态修复技术研究与示范，展示水电工程生态修复措施与修复效果，带动生态修复技术在水电工程中的推广应用。
(三)以人为本、统筹协调，建设生态友好的水电工程(三)以人为本、统筹协调，建设生态友好的水电工程 • 水电开发与建设过程中会对生态环境造成一定的负面影响。应重点研究水电开发中的生态环境保护与恢复治理技术，包括生态系统功能保护技术与措施，生物多样性保护和珍稀濒危野生动植物及特有鱼类资源保护技术与措施，水电工程生态环境治理、恢复及补偿技术，梯级水电站生态调度技术，节能环保的施工技术等。 • 提出流域的河道景观评价指标体系及标准、生态流量的计算方法与标准、主要生态修复措施等。 • 通过在水电开发典型河段实施景观整治工程措施、水生生物多样性保护措施、生态流量下泄洪措施、绿化修复等生态修复措施，检验生态修复和景观恢复效果，在此基础上总结成功经验，并示范推广。
五、水电科技发展展望 • 我国常规水电装机容量已跃居世界第一位，达到了2.16亿kW，但我国水电的开发利用程度还不高，与发达国家60%-70%的水平相比，存在较大差距，仍有巨大的发展潜力。 • 根据最新规划，为实现2020年节能减排目标，水电装机容量届时将达到3.8亿kW，其中常规水电3.3亿kW，抽水蓄能5000万kW。要实现2020年水电装机目标，未来10年平均每年投产发电的装机容量必须达到1800万kW，水电开发前景任重道远。
五、水电科技发展展望 • 我国待开发的水电资源主要集中在西南地区，区域地质构造背景复杂、地震频发烈度高、环境敏感因素多、生态环境脆弱、耕地资源缺乏、移民安置容量有限、交通运输条件差、工程技术难度大，使得水电开发的规划选点、勘察设计、环境保护、移民安置、建设管理、施工技术、机电和金属结构设备制造与安装等都面临巨大的挑战，需要进一步加强工程技术的科学研究，依靠科技创新与技术进步，实现水电开发建设方式的转变，支撑水电事业“又好又快”发展。
五、水电科技发展展望 • 随着“十二五”水电科技发展目标与重点任务的落实，我国水电科技创新体系将更趋完善，创新人才结构将更趋合理，自主创新能力和综合科技实力将进一步增强，制约水电工程建设的重大关键技术间题将逐步解决，一大批先进适用的科技成果将在水电工程中得到推广应用，行业技术标准体系将更加健全。 • 科技进步作为支撑水电可持续发展的强大推动力，必将推动我国水电资源安全、高效、友好开发，促进中国水电技术走向世界。
