基于发达国家新兴水电技术论农村水电转型升级

周丽娜，赵建达，刘东东，孙见波

(1. 水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012；2. 杭州亚太水电设备成套技术有限公司，浙江 杭州 310012；3. 水利部农村水电工程技术研究中心，浙江 杭州 310012)



基于发达国家新兴水电技术论农村水电转型升级

周丽娜1,3，赵建达1,3，刘东东2,3，孙见波2,3

(1. 水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012；2. 杭州亚太水电设备成套技术有限公司，浙江 杭州 310012；3. 水利部农村水电工程技术研究中心，浙江 杭州 310012)

分析了我国发展小水电对局部生态环境造成的影响，介绍了欧盟、美国、加拿大等发达国家在超低水头、微小水电和仿生态鱼道方面的新兴水电技术。借鉴发达国家的新兴水电技术和发展环境友好小水电的经验，结合我国小水电的特点，从中小河流水能规划、小水电技术革新、生态水电示范区建设、生态环境监测系统建立、水电站标准化管理及生态修复和转型升级的法制保障等6个方面提出农村水电生态修复和转型升级的建议。图2幅，表1个。

发达国家；超低水头；微小水电；生态修复；转型升级

0 引 言

小水电是绿色、低碳、可再生能源，全球小水电潜力巨大，可在促进经济效益和保护环境的基础上进行开发。近年来，随着全球对可再生能源需求的日益增长、全球气候变化加剧和人们对生态环境重视程度的提高，保障生态环境安全、支撑社会经济可持续发展，已成为发达国家关注的重点。而目前水力发电行业仍有大量极具发展潜力的新兴水电技术可以提高小水电发展的生态环境效益，如小水电、微小水电、低水头水电、超低水头水电、鱼类友好型水轮机技术和水流技术等[1]；国际能源署将这些研发主题已列为小水电领域需要高度优先发展的技术内容。

本文从我国小水电对生态环境的影响进行分析，对发达国家发展小水电与环境生态保护协调的新兴技术进行了介绍，旨在为我国借鉴，着力从中小河流水能规划、技术创新、生态修复、监测系统、标准化管理、法制保障等方面探讨加快小水电生态修复和转型升级的有效措施。

1 小水电发展存在的生态环境问题

近年来，社会公众十分关注小水电对生态环境的影响，主要涉及开发程度、河段减脱水、鱼类保护、水土保持、地质灾害防治等。值得注意的是，我国早期开发建设的一些小水电站由于受到当时资金、技术水平的制约，水资源利用和电站运行效率不高，甚至有的引水式电站开发时还没有所在河流的水电开发规划，设计也不科学。小水电对生态环境的主要影响(见表1)。

表1 小水电对生态环境影响分析[3_8]

续表1 小水电对生态环境影响分析[3_8]

2 发达国家新兴小水电技术的研究应用

欧盟、美国、加拿大是世界上经济、科技发达国家，其水力发电领域的专业能力和技术研发水平均处于国际领先地位，享有很高的声誉。特别在低水头、超低水头、微小水电技术等方面，包括德国、奥地利、瑞士和挪威等国都取得了很大的进步，出现了形式丰富的各种设计和产品，并逐渐拓展应用到一些现有的水利设施中。例如，农业灌溉系统(灌溉水库和灌溉水渠)、航运系统(运河、航道、水堰、废弃的船闸、导航坝)、城市供排水系统(自来水厂的水源进水塔和引水流道、城市供排水管网和污水处理厂的排水系统)，等等。虽说小水电发电效益不大，但却是节能减排和挖潜增效的有效方式之一，发达国家在超低水头水电技术、保护鱼类水轮机研发、微小水电及低水头水工建筑物仿自然鱼道等新兴水电技术方面的研究，对我国小水电发展面临的生态问题、可持续发展均有积极的启示意义[9]。

2.1 现有水工建筑物的超低水头水轮机应用

对于低水头的开发，尽管有多种技术，但由于土木结构成本高、对环境影响大以及效率低，大部分是不经济的。超低水头(Very Low Head，简称“VLH”)水轮机于2004年诞生在法国，是一种转轮直径为3.5～5.6 m、发电机输出功率范围为100～500 kW的新型水轮机技术，适用于1.4～4.2 m的水头、10～30 m3/s的流量范围。在该范围内，VLH水轮机的开发能够集成到或毗邻到现有的、上下游水位差(即超低水头)的分水堰、船闸、落差建筑物、小型水坝和溢洪道等水工建筑物[10]。这些水工建筑物通常分布在河流、湖泊和运河中，用于水位控制、防洪或导流，但通常没有水电设施或水电安装规定。在加拿大有大量这种水工建筑物，仅北美地区估计现有80 000座水工建筑物均可用于低水头水电开发。相较于传统的应用方法，直接将水轮机集成到现有的水工结构可以大大减少土建成本，显著降低环境影响，还可以减少水工建筑物的审批、设计和建造工作[11]。

VLH水轮机设计和实施过程中，减少对环境影响成为主要驱动因素之一，VLH水轮机尤其适合鱼类繁多的低水头电站河流。与传统的水轮机相比，VLH水轮机有其特殊的水力设计特点以保证鱼类安全(见图1)，大直径转子可以降低水轮机入口速度，以及缓慢的转轮转速(约35 r/min)，非常有利于下游的鱼类通过[11]。早期的过鱼试验结果表明，平均存活率超过94%，远高于常规低水头水轮机结果，这证实了VLH水轮机对鱼的影响较小。在大量测试结果基础上，有些地区的VLH改进设计得到验证，最终目标是将鱼类存活率提高到97%以上。基于水轮机水力性能以及卓有成效的鱼类生存研究结果，VLH现已被法国环保机构确定为鱼类友好型水轮机。

图1 超低水头水轮机(VLH)示意(MJ2 2011，CPL 2013)

图2 管道式水轮发电机组构造示意

2.2 微小水电技术

随着欧美，特别是北美对清洁能源的重视，微小水电技术得到不断创新，出现了不少新型的水力发电技术。LucidPipe 是 Lucid Energy公司研发的一种新型管道式水轮机发电机系统(见图2)，是水到电缆终端的一体化解决方案，水轮机的创新设计减少了对流水造成的扰动和对鱼类的伤害。2010—2011年，加利福尼亚河滨郡西部城市水源区供水管道串联式安装了3台该机组，河滨公共事业公司为此获得杰出能源管理奖。2012年该技术得到商业化应用推广。

该水轮发电机组安装于压力管道，回收大型水管内未利用的压力水头能量，不影响原有系统的正常运行。LucidPipe水轮机设计采用基于升力的独特流体动力学原理，水流驱动转轮转动产生电力。水轮机可根据设计和现场调试在最大程度保证发电的同时不对水流造成扰乱。随着水流速度增加，机组产生的电力也相应增加。LucidPipe基于升力的动力学设计，还使得系统能够在较宽的流速范围内发电。Lucid Energy对水轮机进行了优化设计和实验室测试，以最大限度地提高效率和发电的同时限制气蚀的发生，延长机组的使用寿命，降低维护成本。

2.3 低水头堰坝仿生态鱼道

鱼道是人工修建的供鱼类等生物通过水闸、大坝等障碍物的人工水槽或水道，一般适应于低水头水利枢纽。原始的鱼道是开凿河道中的礁石、急滩等天然障碍以沟通鱼类的洄游路线，直到100年前才有了近代鱼道的设计[12]。其类型包括丹尼尔式、溢流堰式、淹没孔口式、竖缝式、组合式、特殊结构式、仿自然式。近年来，在低水头水利工程的过鱼设施建设中，仿自然鱼道由于与天然河道较为相似和有较广的过鱼对象等优点，越来越被重视，成为低水头水利工程过鱼设施的发展方向之一。芬兰修建的150余座过鱼设施中就有83%是采用仿生态鱼道形式，相当一部分收到了良好的过鱼效果。而韩国也计划在4条主要河流上建设33条仿生态鱼道，著名的巴西Itaipu鱼道及德国Harkortsee水电站鱼道，均为仿生态鱼道典型案例[13]。

3 农村水电生态修复和转型升级

3.1 完善中小河流水能规划

20世纪末到本世纪初是我国小水电快速发展阶段，“圈河运动”和部分中小河流无序开发对小水电开发造成的误解，特别是对小水电截断河流的生态偏见，至今还无法消除影响。当前中小河流水能资源开发规划应更加重视对已建电站的优化调整，以服务于农村水能资源管理为着力点，为农村水电生态修复和转型升级提供科学依据和法律保障。中小水能资源开发规划应贯彻合理开发水能资源的理念，坚持和谐相处、保护生态，根据流域特点，科学论证、合理确定开发方式，保障下游河道生态用水，维护河流健康生命[14]。

3.2 促进小水电技术革新

我国是“小水电大国”，但远不是“小水电强国”，特别在小水电新兴技术研究方面。而发达国家在小水电新技术、新材料、新设备的研究与应用上已经远远走在我们的前面。例如，加拿大低水头、超低水头、微小水电等方面的研发应用，挪威已经拥有比较成熟的气垫式调压室技术以保护电站周围植被；日本使用胶凝砾石技术筑坝以追求施工零弃料；GE水电公司“无油润滑的转桨式转轮”以减少小水电机组油污染等。比较而言，如何促进我国小水电技术革新已刻不容缓[15]。

3.3 扩大开展生态示范区建设

开展生态水电示范区建设是解决农村水电在发展过程中积累和遗留下来的生态环境问题、实现生态修复的对策之一。生态水电示范区建设根据农村水电发展实际，围绕农村水电生态修复和转型升级的战略目标进行开展，即以维护和改善河流生态环境、优化水能资源配置和科学利用水能资源为目标，开展以流域、区域为对象的水电生态修复综合治理[16]。通过技术改造包括新建或改建生态流量泄放闸孔、新建生态堰坝、增设生态机组等工程措施和非工程措施，解决或缓解因水电站造成河道脱水、减水等流域性环境问题。2015年以来，浙江省分别在临安、安吉、开化等县市建设了生态水电示范区试点，总结了一定经验，取得了良好效果。

3.4 加强生态环境监测系统的建立

小水电生态环境监测系统的建立是小水电生态修复和转型升级的前提，也是保障生态流量下泄有效措施之一。根据小水电对生态与环境影响特点，对新建电站兴建前后库区坝体下游相关地区的生态与环境实行全过程系统地跟踪监测，及时发现问题并提出减免不利影响的措施、保护库区和下游相关地区的环境质量、保障生态流量、保证水资源的持续利用；对已建电站增设小水电生态环境监测系统，对有可能影响生态环境的重要因素进行定期与不定期的监测，并对检测结果进行系统分析，提出相应的生态环境问题的对策与措施，使水电工程有利于地方经济与社会发展[15]。

3.5 全面推进水电站标准化管理

水电站安全管理标准化是农村水电生态修复和转型升级的基本保障，是落实运行管理单位安全责任、强化安全生产基础、防范事故发生的重要手段。通过实施电站标准化管理，进一步明确业主责任，时刻紧绷安全生产这根弦，严格执行水电站管理标准和制度；进一步明确行业主管部门责任，加强对水电站标准化管理的检查和指导，及时纠正不严格按标准管理的行为，并依据相关法律法规，严肃处理相关责任人员。

3.6 农村水电生态修复和转型升级的法制保障

1)积极推进绿色小水电的评价

借鉴瑞士的绿色水电认证[17]、美国的低影响水电认证制度[18]及国际水电协会的水电可持续性评估)[19]，我国已开始编制适合我国国情的《绿色小水电评价标准》，综合考虑了环境、社会、管理和经济4个方面的评价内容。目前生态绿色小水电的工作刚刚起步，下一步还需国家在政策激励、监管、基础信息和能力建设等方面给予支持和配合，方可推动该项标准的实施。

2)探索生态修复和老旧水电站退出机制

按照流域规划要求，对环境影响明显、安全隐患突出、无法通过改造等手段解决的水电站，可采取逐步淘汰拆除报废的方式，使水电站有序退出。有条件的地方，可建立政府回购制度，对关停水电站给予合理补偿[20]。用生态电价机制推动河流生态修复、落实生态流量，是创造性落实农村水电转型升级的新机制。

3)严格落实水电站生态流量制度

落实生态流量，调节河道径流，是维护河流健康生命的有效措施。对一些引水式、特别是跨流域引水的水电站，原来未明确生态流量的，要重新进行水资源论证，通过技术改造，增设生态流量下泄设施，满足下游河道生态流量的需求，保持一定的下泄流量。按照不同流域、河流的特征，确定水电站的最小下泄流量及调控原则，并安装生态流量监控设施进行动态管理[20]。

4)推出明确有效的激励措施

小水电的生态修复和转型升级能否顺利实施，相关激励措施是关键。无论是生态水电示范区的建立，绿色小水电认证制度的推行，还是农村水电安全标准化的创建，均需要提供有效的激励措施来支持和实现小水电与生态环境协调发展的这一终极目标。现阶段各项工作刚起步，建议采取中央、地方补贴等激励措施，加大舆论宣传。下一阶段可争取税收优惠和电价补偿来推进农村水电的转型升级。

5)生态电价实践案例

福建省在永春和长汀县探索建立农村水电生态修复和老旧水电站退出机制。永春县卿园、五一水库一级、二级及长汀溪源水库电站等4座水电站上网电价每千瓦时提高5分作为生态电价，这4座电站为河流生态，由发电运行转为生态运行，减少了发电量，通过提高其上网电价，补偿电站因运行方式调整而减少的发电量损失。长汀县以汀江河上游以及涂坊河流域13座电站为试点对象，按照“限制运行、技术改造、转变运行方式、退出运行”等4种方式进行试点工作并成功通过验收。

4 结 论

一些发达国家发展小水电的经验告诉我们，发展小型和微型水电与环境保护和生态建设并不矛盾，应科学全面地认识小水电的经济、社会、生态效益。我们发展小水电出现的一些生态环境与小水电发展不和谐的现象，足以令我们思考。需要借鉴先进发达国家的成功经验，更科学和合理开发规划小水电资源，积极发展低水头和超低水头水力发电的产品技术。同时，应坚持生态至上的发展理念，适应广大群众对良好水环境、水景观的合理需求和殷切期盼，按照不同区域、流域特征和水电站特点，围绕改善水电站与生态环境协调发展，加快农村水电转型升级，持续提升农村水电生态效益，促进河流水生态文明建设[20]。

[1]Natural Resources Canada. Emerging hydropower technologies R&D in Canada:a strategy for 2007:2011[R]. 2007:32_34.

[2]潘家铮. 中国水利建设的成就、问题和展望[J].中国工程学，2002, 4(2):42_51.

[3]Natural Resources Canada. Low head hydro market assessment[R].2006.

[4]王东伟，刘晓莉. 浅谈小水电开发建设的环境保护[J].环境科学与管理，2009,34(10)：14_17.

[5]李靖毅.浅议小水电开发的生态环保问题[J].中国农村水利水电，2006(5):111_112.

[6]鲁仕宝，黄 强，高 凡. 我国小水电发展制约问题研究[J].生态经济，2009(2):139_143.

[7]黄 茁，李青云. 小水电环境影响关键问题及保护对策探讨[J].小水电，2011(6):47_49.

[8]魏国良，崔保山，董世魁，等. 水电开发对河流生态系统服务功能的影响[J].环境科学学报，2008, 28(2):235_242.

[9]方玉建，张金凤，袁寿其. 欧盟27国小水电的发展对我国的战略思考[J].排灌机械工程学报，2014,32(7):588_605.

[10]Marcel K. Wright, David E. Rival, An experimental investigation of the approach flow conditions for non_rotating, very low head water_turbine model[J]，Experimental Thermal and Fluid Science，49(2013):105_113.

[11]P Kemp(加拿大)，胡金明，等. 加拿大超低水头水轮机的应用[J].国外大电机，2016(1):43_49.

[12]王 猛，岳汉生，史德亮，等. 仿自然型鱼道进出口布置试验研究[J].长江科学院院报，2014，31(1)：42_46．

[13]于广年，王义安. 低水头枢纽仿生态鱼道水流条件研究[J].水道港口，2013(2):61_64.

[14]饶大义. 小型水电站生态流量确定方法的探讨[J].小水电，2014(4):4_5.

[15]金连根，方 兵，宋 毅. 生态绿色小水电发展现状及建议[J].浙江水利科技，2014(2):73_76.

[16]葛捍东. 浙江省生态水电示范区建设的思考与探索[J].中国水能及电气化，2015(11)：1_3.

[17]Bratrich C, Truffer B, Jorde K, et al. Green hydropower: a new assessment procedure for river management[J]. River Research and Applications, 2004(20): 865_882.

[18]Low Impact Hydropower Institution. Low impact hydropower certification program: certification package[R]. 2004.

[19]国际水电协会. 水电可持续发展指南[M].北京: 中国水利水电出版社，2007.

[20]陈 龙. 以生态理念指导农村水电加快转型[J].决策参考，2015(20)：36_37.

[21]赵建达，康 鹏，吴 昊. 加拿大新兴水电技术的研究发展策略(之四)[J].小水电，2012(6)：4_9．

责任编辑 吴 昊

2016-10-21

水利部公益性行业科研专项资助项目(Y915012)，南京水利科学研究院青年基金资助项目。

周丽娜(1984-)，女，工程师，主要从事农村水电可持续发展研究工作。E_mail：lnzhou@hrcshp.org