新阶段中国水电开发新形势、新任务

周建平，杜效鹄，周兴波

（1.中国电力建设股份有限公司，北京市 100048；2.水电水利规划设计总院，北京市 100120）

0 引言

全球气候变化日渐成为人类无法回避的最为突出的非传统安全威胁。中国作为世界人口最多和能源消费大国，二氧化碳减排成效对实现《巴黎协定》目标——“将全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上低于2℃之内，并努力将气温升幅限制在工业化前水平以上1.5℃之内”有着重要的影响。应对气候变化不仅是中国实现社会主义现代化面临的挑战，也为中国能源转型、绿色发展提供了机遇。为此，习近平总书记明确向世界承诺，中国将采取更加有力的政策和措施，力争于2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现“碳中和”[1]。

2019年中国报告的二氧化碳排放总量为102.75亿t，其中，能源利用碳排放量为89.25亿t。目前，中国电力生产仍然是以煤电为主，电力行业碳排放占全国碳排放总量的40%，煤电的压减和减排成效事关中国“碳中和”目标的实现。未来要构建清洁、低碳、安全、高效的能源体系，控制化石能源消费总量，着力提高利用效能，实施可再生能源替代行动，深化电力体制改革，构建以新能源为主体的新型电力系统。水电（包括常规水电和抽水蓄能，下同）具有启停速度快、工况转换灵活、调节范围大、高效储能、近零排放等特点，能够发挥削峰填谷、调频调相、事故备用和水、风、光互补等方面不可替代的作用，必将成为新型电力系统不可或缺的基础支柱。

习近平总书记多次强调三峡、乌东德、白鹤滩等大型水电站是国家重大工程、国之重器。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确提出[2]：“……加快西南水电基地建设，建设一批多能互补的清洁能源基地，非化石能源占能源消费总量比重提高到20%左右。面向服务国家重大战略，实施川藏铁路、国家水网、雅鲁藏布江下游水电开发等重大工程”。站在新的历史起点，开启新的伟大征程，推进现代化强国建设的关键时期，必须统筹好发展与安全的关系，为国家防洪安全、供水安全、粮食安全、能源安全和生态安全提供更加有力的保障。水电工程作为防灾保安最重要的基础设施，水电开发也要适应新时期国家经济社会的新要求：在保障国家能源供给安全的基础上，不仅要牢固树立和贯彻落实“绿水青山就是金山银山”和“创新、协调、绿色、开放、共享”理念，而且更需要坚持质量安全第一，综合利用，实现优质、安全、高效发展。

为实现“双碳”目标和服务能源安全新战略，客观上要求加快流域梯级开发和常规水电站的建设，深层次挖掘在运水库水电站的潜力，大力发展抽水蓄能；立足新发展阶段，水电开发又面临新的形势，提出的新要求其实质是要求水电在满足各类约束条件的基础上走高质量发展之路。因此，新时期水电开发必须贯彻新发展理念，担负新的使命任务，构建新的发展格局。

1 新形势水电开发新理念

中国特色社会主义进入新时代，社会主要矛盾已经转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分发展之间的矛盾。对于水电开发，已经不能仅满足发电、防洪、灌溉的基本需求，而是要求大坝更加安全，水库更好地服务于经济社会发展和人民美好生活需要，河流更加美丽而富有生机。因此，水电开发要在安全第一的前提下，完整、准确和全面贯彻落实“五大”发展理念，将水电开发作为国家骨干水网建设，保障水资源安全；推动能源清洁低碳发展，保障电力供应；促进乡镇基础设施建设，提升民生福祉的重要战略举措。

1.1 坚持生态优先绿色发展

生态优先，绿色发展，是新时期水电开发建设的基本条件。新时期水电生态友好实践取得长足发展。针对高坝大库水库水温分层现象，锦屏一级、滩坑、光照、糯扎渡、溪洛渡、白鹤滩等大型水电工程在可行性研究阶段就考虑了分层取水设计[3-6]，目前已投入运行。通过多年的运行监测，分层取水设施有效改善了春、夏季的下泄水温状况。鱼道、升鱼机、集运鱼系统、鱼类增殖站等鱼类友好型设施在新建水电工程中广泛采用。雅砻江公司建成投运了亚洲最大的“锦官”鱼类增殖放流站。

2020年6月29日，习近平总书记对乌东德水电站首批机组投产发电做出重要指示，他强调：“要坚持生态优先、绿色发展，科学有序推进金沙江水能资源开发，推动金沙江流域在保护中发展、在发展中保护，更好造福人民”。近年来，水电开发理念已经由“生态让位开发”彻底转变为“生态优化开发”，坚持“在保护中开发，在开发中保护”，管理上做到规划环评先行，建设上做到生态措施优先，运营上做到生态调度。实践表明，雅砻江、澜沧江、金沙江和大渡河等流域生态环境保护效果明显[7-9]。

1.2 坚持系统观念协调发展

坚持系统观念是新时期水电开发建设必须掌握的基本思维方法。2020年，中央关于国家“十四五”规划纲要建议中，首次把“坚持系统观念”作为必须遵循的原则提出来，强调国家“十四五”规划要前瞻性思考、全局性谋划、战略性布局、整体性推进。

水电开发建设涉及江河水系、水文气象、地质条件、生态环境、国土空间规划、经济社会发展等方方面面，需要深刻认识江河水资源和水能资源、水库大坝建设、生态环境保护、经济社会发展等要素之间的关系，尽量了解所有要素之间的相互作用，看清楚系统的边界，兼顾平衡工程、生态、社会、经济等各类要素，遵循自然规律，服务经济社会发展，系统而全面地做好水电开发建设规划，从全局性、协同性、长远性的角度找出维系河流开发利用和综合防灾减灾的合理路径。

1.3 坚持科技引领创新发展

科技创新是推动我国水电工程建设运营技术引领世界的重要支撑。我国西部河流地势陡峭险峻，地质条件复杂，水电工程开发建设中坝基、高边坡及地下洞室群岩体变形稳定，工程抗震设防，极端天气应对等问题非常突出，尤其金沙江上游、澜沧江上游、雅鲁藏布江等高地温、高地应力、高海波、寒冷区水电建设条件极为艰苦，筑坝材料抗冻要求高，施工条件差、效率低，质量控制难度大。因此，坚持科技创新驱动引领发展，加强新材料、新技术、新工艺、新装备的研发应用，确保水电创新发展勇闯“无人区”。如已部分投产运行的白鹤滩水电站，通过技术创新，攻克世界最大规模地下洞室群开挖支护与围岩稳定控制难题，研发制造百万机组并精准安装投运，助力白鹤滩水电站成为引领世界水电技术创新的典范。

1.4 坚持人民至上共享发展

人民至上，生命至上，建设美丽中国是新时期水电开发建设的最高目标。正是因为新中国成立后大力发展水电，在大江大河上修建了一大批调控能力强的高坝大库，黄河实现了历史从未有过的岁岁安澜，“黄河宁，天下平”已经从梦想变成了现实；长江发生数次历史性大洪水，都未造成全局灾难性损失。2020年7月，我国“自己设计、自制设备、自行施工”的新安江水电站建成运营61年以来，首次开启9孔泄洪，容错削峰，极大程度缓解了浙江、安徽等地的防洪压力，将灾害损失降至最低。

2018年金沙江上游白格堰塞湖溃决洪水演进至下游在运梨园电站水库的入库洪峰流量为7190m3/s，通过梨园水库调蓄削峰，出库洪峰流量为4500m3/s，成功拦截并错峰削减白格堰塞湖溃决洪水，体现了高坝大库防灾减灾作用，实现了下游沿岸群众“零伤亡”的目标[10-12]。水电开发，筑坝建库，通过科学调度运行，容错削峰，提升流域防洪体系和防洪能力，确保江河安澜，保证人民群众生命财产安全，实现经济社会共享发展。

新时期，要以人民为中心，从保障经济社会可持续发展和公共安全角度看待水电工程安全。我国经济社会越发展，综合国力越强大，科技创新、建设管理越是要重视安全问题，使我国高坝大库成为国家放心的工程，真正造福于人民的工程。

1.5 坚持对外合作开放发展

对外开放，互鉴共赢，以国际水电开发建设，推动构建人类命运共同体。在复杂多变的国际形势下，以雅鲁藏布江、国家水网等国家重大战略为依托，以非洲、东南亚等区域为重点，加快形成国内大循环为主体，国内国际双循环相互促进的水电国际合作新格局。中国水电企业、金融机构、科研机构，要共同打造“走出去”航母，形成规划设计、科学研究、建设施工、装备制造、运营管理等水电工程全产业链服务能力，以开放包容、互利合作、共同发展的理念打造“中国水电”国际品牌[13]。

2 新时期水电开发新任务

立足新发展阶段，在“碳达峰”“碳中和”背景下，水电开发建设担负建设生态文明和美丽中国、增强国家防灾减灾能力、保障能源安全和供水安全的新的使命任务，必须构建新的水电发展格局，统筹水、风、光一体化多能互补清洁能源基地、流域梯级常规水电重点工程、抽水蓄能电站与“储能工厂”的协同建设，推动新时期清洁电力高质量发展，更好地服务于经济社会发展，满足人民群众对美好生活的追求。

2.1 “双碳”目标下水电开发新格局

在“碳达峰” “碳中和”目标下，考虑我国水电、风电、光伏资源禀赋、电力特性和技术特点，加快流域梯级水电开发，带动水、风、光清洁能源基地建设，促进新能源的高比例消纳，在电力行业加快实现化石能源替代，完成国家新型能源战略转型。

根据水能、风能和太阳能资源调查及评估成果，全国水电技术可开发装机容量6.87亿kW，多年平均年发电量3万亿kW·h，其分布如图1所示[14]。全国80m高度风能资源技术可开发量超100亿kW。全国各地太阳年辐射总量为3340～8400MJ/m2，年平均1486.5kW·h/m2。新疆、青海、内蒙古三地的技术可开发量超过150亿kW。由此可见，我国水能资源有限，而风、光资源无限。

图1 中国水电技术可开发量及分布[14]Figure 1 The technology developable capacity and distribution of hydropower resource in China

截至2021年3月底，全国水电装机容量3.71亿kW，风电装机容量2.87亿kW，光伏发电装机容量2.59亿kW。历经70多年建设，我国水能资源开发利用程度仍然不足50%，相对发达国家还是偏低。根据水电发展远景规划，到2030年水电装机容量约5.2亿kW，水电开发程度约60%；到2050年，水电装机容量约6.3亿kW，水电开发程度超过70%，基本达到西方发达国家的开发利用水平[14-15]。

由于规划建设的时代局限性，我国部分已建水电站在建设之初是单纯追求发电利用小时数确定装机规模。新时期水电开发的功能发生了变化，需要从电量到容量的转变，可以更好地促进新能源的高比例消纳。因此，需要启动已建电站的扩机资源普查，必要时增加坝高加大库容；同时，也要尽快出台容量电价的政策，鼓励流域公司开展扩机建设。初步估算，全国已建电站经扩机改造后，至少可增加容量1亿kW以上。

我国水能资源主要分布于四川、云南、贵州、广西、重庆、西藏等西南地区省份，约占全国技术可开发总量的70%，与我国用电负荷集中的珠三角、长三角、京津冀等中东部沿海地区呈逆向空间分布，因此，与西南水电开发配套的远距离西电东送线路，现已基本完成西南、华中、华东、华北、华南等跨区域输配电通道建设。而我国风能资源利用很少，光伏资源利用程度更低，为此，为实现“双碳”目标，应构建以中西部大中型水电作为骨干电源点，配套大规模的风电、光伏一体化多能互补清洁能源基地新格局，成为实现“双碳”目标的现实可行的路径。

2.2 水、风、光多能互补清洁能源基地

我国水能、风能、太阳能资源丰富，从气候类型上看，东部属季风气候，西北部属温带大陆性气候，青藏高原属高寒气候，水能资源丰富的西南地区属亚热带季风气候、高原山地气候。显著的季风气候导致夏季雨水多、风小光差，冬季雨水少、风大光好，因而水能资源与风光资源可实现日、季、年间互补。同时，水电具备启停快、运行灵活、出力稳定等特点，风、光电具有间歇性、波动性、随机性等特点，故而水电与风、光电可实现电力供给上的互补。图2显示了雅砻江流域典型年各月水、风、光电力保证出力特征曲线，从中可以看出水电与风、光电保证出力具有显著的互补性。

图2（a）中单位保证出力表示典型年各月水、风、光的保证出力能力，如装机容量各1万kW的水电、风电和光伏发电，在8月的保证出力分别为6800kW、900kW、1000kW；图2（b）表示风光装机与水电装机的配比分别为0.2、1.0、1.8、3.0时的各月保证出力过程，如风光装机与水电装机配比为3.0，即水电装机容量1470万kW，则风光装机容量为4410万kW，其中，风电1470万kW，光伏发电2940万kW，合计6664万kW。

图2 雅砻江清洁能源基地典型年水风光出力曲线Figure 2 Hydro-Wind-Photovoltaic output curve of Yalong river basin

以雅砻江、澜沧江、金沙江、大渡河、黄河等流域水电基地为支撑，建设水、风、光一体化多能互补清洁能源基地，可为我国能源清洁转型按下“快进键”。雅砻江流域作为我国第三大水电基地，干流共规划22级水电站，总装机容量约3000万kW，流域内规划风、光新能源约4000万kW，抽水蓄能约1000万kW，雅砻江水风光多能互补基地总装机规模将超过8000万kW。全流域水、风、光一体化多能互补厂址分布示意图见图3。

图3 雅砻江流域水、风、光一体化多能互补厂址分布示意图Figure 3 Diagram of the distribution of multi-energy complementary plant sites in the Yalong River Basin

若雅砻江水、风、光清洁能源基地建成，水电装机容量约4500万kW（含扩机改造），利用小时数以3300h计，年发电量约1500亿kW·h；插接风电装机容量3000万kW，按年利用小时数2300h计，则年发电量700亿kW·h；再插接光伏发电装机容量6000万kW，按年利用小时1700h计，则年发电量1000亿kW·h。雅砻江清洁能源基地装机容量相当于3个雅砻江水电基地，年发电量相当于再造1条雅砻江流域。以上分析可见，雅砻江风、光、水多能互补开发潜力大。利用雅砻江水电基地的调节水库、外送通道、两岸坡地资源等，根据电力市场需要，短平快建设风电和光电，接插到水电基地，打捆外送，完全能够降低建设成本、提高外送电力质量，实现集约化、规模化和市场化的可持续发展。

同样，金沙江、澜沧江、大渡河、黄河、乌江、雅鲁藏布江等国家水电基地，均配套风光储一体化建设多能互补基地。

2.3 流域梯级常规水电重点工程

未来中国水电开发的重点地区在四川、云南和西藏，要大力推进金沙江上游、雅砻江上游、大渡河干流、雅鲁藏布江下游等基地的常规水电工程建设，规划开发的龙头水库或控制梯级工程如表1所示。“十四五”期间，拟开工建设的常规水电工程包括金沙江流域的巴塘、岗托、波罗、昌波、旭龙、奔子栏、龙盘、两家人，雅砻江流域的卡拉、孟底沟、牙根二级、楞古，大渡河流域的丹巴、安宁、巴底、枕头坝二级、沙坪一级、老鹰岩一级、老鹰岩二级，黄河流域的茨哈峡、宁木特，澜沧江流域的如美、邦多、古水、古学，以及雅鲁藏布江下游的重点工程；拟投产发电的常规水电工程包括金沙江流域的乌东德、白鹤滩、苏洼龙、叶巴滩、巴塘，雅砻江流域的杨房沟、两河口，大渡河流域的金川、双江口、硬梁包，黄河流域的玛尔挡、羊曲，以及澜沧江流域的托巴。

表1 规划开发的龙头水库或控制梯级工程Table 1 Leading reservoirs or controlling reservoirs project plan

随着常规水电工程向各流域上游开发，各工程厂址海拔高、难度大、问题多，未来水电开发建设需要攻克的技术难度任务主要包括深厚覆盖层高坝地基处理关键技术、高海拔高水头泄洪消能关键技术、大型地下洞室群围岩稳定关键技术、高参数水能发电机组关键技术、复杂条件高陡边坡稳定关键技术、强震区高坝工程防震抗震关键技术、高原环境高效智能建造关键技术、高原环境地质灾害防治关键技术、河流生态环境保护修复关键技术、空天地一体化安全监测预警关键技术等。

2.4 抽水蓄能电站与储能工厂

为解决电力系统削峰填谷、调频调相、事故备用和黑启动问题，保障其安全、稳定、经济运行，新型电力系统中抽水蓄能电站将发挥举足轻重的作用。根据《中国可再生能源发展报告2020》[14]，中国已批复的抽水蓄能规划装机容量1.3亿kW，其中，已建装机容量3149万kW，在建装机容量5363万kW，具体规模区域分布如图4所示。中国抽水蓄能的资源量超过5亿kW，未来需要加大抽水蓄能的规划选点工作，大力推进抽水蓄能电站的建设。

图4 中国抽水蓄能电站已批复站点规模及分布[14]Figure 4 The distribution map of approved pumped storage power station capacity in China

此外，针对流域梯级水电站群，利用新能源剩余电能，采用大型储能泵站从下一梯级水库抽水至上一梯级水库，将剩余电能以水的势能储存，在其他需要的时段通过水电站原有机组发电，以储能水量梯级循环利用的模式，实现剩余电能的时移，同时实现进一步充分重复利用水资源及其水库有效库容，形成梯级大型储能泵站，即储能工厂。一般而言，储能工厂为了满足电力系统的需要，需要常规水电站承担抽水水量的下泄发电任务，故其由梯级储能抽水泵站和梯级常规水电站组成。目前，黄河上游河段根据各泵站地形地质、水工枢纽布置条件、库容条件、扬程段，结合大泵制造技术，初步规划了储能工厂装机容量约3288MW，涵盖羊曲—龙羊峡、龙羊峡—拉西瓦、拉西瓦—尼那等9个梯级泵站，这些泵站工程可根据风、光资源开发形势和清洁能源基地发展需要，适时开工建设。

3 结论

为了实现“双碳”目标和服务能源安全新战略，新时期应加快流域梯级常规水电，尤其是龙头水库的开发，深层次挖掘在运水电的潜力，大力发展抽水蓄能；新时期水电开发又面临新形势、新要求和新的挑战，要在保护生态的前提和满足各类约束条件的情况下实现水电快速高质量发展。因此，立足新阶段，水电开发必须全面准确贯彻新发展理念，在担负新的使命，构建新的发展格局中发挥积极作用。

在发展理念上，新时期水电开发更需要贯彻落实安全为刚性约束的五大发展理念：坚决贯彻生态优先绿色发展、系统观念协调发展、科技引领创新发展、人民至上共享发展、对外合作开放发展的新理念。

在发展任务上，新时期水电开发要担负起保障新型电力系统安全的使命。构建以新能源为主体的新型电力系统，必须开创以水电为重要支撑的新发展格局：加快西南水电基地和重点水电工程建设，全力推进雅鲁藏布江下游水电建设进程，加快已建电站的扩机改造，统筹水、风、光一体化多能互补清洁能源基地、流域梯级常规水电重点工程、抽水蓄能电站与“储能工厂”的协同建设，推动清洁电力高质量发展，更好地服务于美丽中国建设。