美國水電開發(fā)考察啟示

吳 世 勇， 姚 雷

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

1 美國水電開發(fā)與大壩現(xiàn)狀

1.1 美國水電開發(fā)

美國是世界上最早進行水電開發(fā)的國家之一，從1882年美國第一座水電站發(fā)電以來，美國的水電史已有130多年。美國的水能資源主要集中在田納西河流域、哥倫比亞河流域、科羅拉多河流域、密蘇里河流域等，其水電開發(fā)也集中在上述流域。美國20世紀30年代建設的科羅拉多河上胡佛電站、哥倫比亞河上大古力電站等，在二戰(zhàn)期間發(fā)揮了重要作用，至今仍然正常發(fā)電。美國水電主要由美國工程師兵團(U.S. Army Corps of Engineers，簡稱USACE)、美國墾務局(U.S. Bureau of Reclamation，簡稱USBR)、公用事業(yè)公司(Public Utility District，簡稱PUD)和私人能源公司(private power companies)開發(fā)。

根據(jù)美國能源部電力年報，2011年美國總裝機10.51252億kW，總發(fā)電量41 006.56億kW·h，其中常規(guī)水電裝機7 865.2萬kW，抽水蓄能電站裝機2 229.3萬kW，水電年發(fā)電量為3 193.55億kW·h，水電占總發(fā)電量的7.8%，占可再生能源發(fā)電量的62%。在2001～2011年11年間，美國水電及抽水蓄能水電站裝機統(tǒng)計情況分別見表1，由表可見，美國常規(guī)水電裝機維持在7 800萬kW左右，抽水蓄能裝機略有增長。

1998年美國的傳統(tǒng)水電裝機7 920萬kW。

表1 美國2001～2011年常規(guī)水電及抽水蓄能水電站裝機容量表/萬kW

根據(jù)美國能源機構(gòu)1998年所做的評估，當時未開發(fā)的水電裝機為2 978萬kW。以美國可開發(fā)水電裝機10 898萬kW為基數(shù)，美國已開發(fā)水電占可開發(fā)水電總量的72%。

為了進一步開發(fā)利用水能資源，美國能源機構(gòu)2012年完成了對所有已建但無發(fā)電功能的水利設施的評估，提出通過少量的改造可增加水電裝機1 200萬kW，增加年發(fā)電量450億kW·h。美國可裝機0.1萬kW以上的大壩(目前無發(fā)電功能)分布圖見圖1。

1.2 大壩建設現(xiàn)狀

大壩是美國基礎設施至關重要的組成部分，為社會提供水電、水供應和娛樂，同時降低對人們、其它重要基礎設施和環(huán)境的風險。據(jù)統(tǒng)計，美國大壩超過87 000座，分布情況見圖2。按照美國大壩數(shù)據(jù)庫的標準統(tǒng)計，美國在過去25年里建設了超過8 900座大壩。2012年在建有7座壩高超過30 m、16座壩高在15到30 m間、33座壩高低于15 m。

圖1 美國可裝機0.1萬kW以上的大壩(目前無發(fā)電功能)分布圖

圖2 根據(jù)對下游潛在危害程度進行分類的美國大壩分布圖

美國大壩數(shù)據(jù)庫中的大壩平均年齡是55年。過去的25年里開工建設了8 900多座大壩，超過1 500座大壩完成了修繕或改造。2012年在建的大壩有56座。

2 哥倫比亞河水電開發(fā)

2.1 開發(fā)概況

哥倫比亞河是一條國際河流，發(fā)源于加拿大不列顛哥倫比亞省落基山脈，流經(jīng)美國華盛頓州、俄勒岡州，注入太平洋。河流全長長2 000 km，落差820 m，流域面積66.9萬km2。河流中下游在美國，長1 200 km，落差393 m，流域面積56.7萬km2。河口平均流量7 419 m3/s，是美國徑流量排名第四的河流。

哥倫比亞河的水能資源極為豐富，美國在哥倫比亞河流域(含干支流)上已裝機3 067萬kW，哥倫比亞河干流電站情況見表2。

表2 哥倫比亞河干流電站情況表

美國西北主要大壩分布圖(見圖3)反映了美國哥倫比亞河流域主要大壩分布情況。由圖可見，哥倫比亞河干支流上布置了54座主要大壩。

圖3 美國西北主要大壩分布圖

2.2 考察電站情況

此次考察主要集中在哥倫比亞河上游電站，包括瓦納普姆水電站、石河段水電站、韋爾斯水電站、大古力水電站。

2.2.1 瓦納普姆水電站(Wanapum Hydropower Station)

瓦納普姆水電站壩址多年平均流量3 400 m3/s。工程具有發(fā)電、防洪、航運、灌溉和旅游等綜合效益。大壩由土壩與混凝土重力壩組成，壩軸線呈變形“Z”字型，壩頂全長2 602 m，最大壩高59 m。工程于1959年開工，1963年6臺機組投入商業(yè)運行，1964年全部機組發(fā)電。電站總裝機103.8萬kW。

電站樞紐建筑物有左右岸土壩、混凝土重力壩、左右岸魚道、發(fā)電廠房和溢洪道。魚梯有2條，分別位于溢洪道的右側(cè)和電站廠房的左側(cè)。每條魚梯由前池供水。右岸魚梯通過自流供水系統(tǒng)從前池將誘魚水流。左岸魚梯的集魚系統(tǒng)建在廠房尾水管上，該系統(tǒng)的誘魚水流是電站發(fā)電后的尾水。

圖4 瓦納普姆水電站

2.2.2 石河段水電站(Rocky Reach Hydropower Station)

石河段水電站壩址處多年平均流量3 270 m3/s。工程以發(fā)電為主，兼有防洪、過魚等綜合效益。1956年開工，1961年首期投運7臺機組。1969年開始擴建，1971年竣工，新增4臺機組。1995年電站對11臺機組進行了升級，提高運行效率并使水輪機更加“魚類友好化”。目前電站總裝機134.7萬kW。

電站樞紐建筑物有大壩、溢洪道、廠房及魚梯等?；炷林亓巫畲髩胃?7 m，壩頂長1 458 m。溢洪道布置在大壩左段，共有12個泄水孔，其中第8、9號溢洪道之間設有一個魚梯入口。

發(fā)電廠房左、右(兩側(cè))壩段均設有魚道入口，右岸還設有魚梯。左岸與岸邊相接的是左壩肩截水墻，截水墻與溢洪壩段之間為左壩肩重力壩段，電站與右岸相接的一段為前池墻。

圖5 石河段壩為幼魚向下游的表層收集設施

2.2.3 韋爾斯水電站(Wells Hydropower Station)

韋爾斯水電站壩址處多年平均流量3 190 m3/s。工程以發(fā)電為主。1963年開工，1967年第一臺機組發(fā)電，1969年1月全部竣工。電站總裝機84萬kW。

韋爾斯水電站主要建筑物有復式大壩、東西土壩、魚道與魚類增殖站等。復式大壩為混凝土重力壩，最大壩高49 m，溢洪、發(fā)電、過魚及開關站全部都集中在此壩上。

溯河性魚類的過魚設施建在主壩的東西邊墻中。過魚設施由魚梯及其相應的入口、集水池、出口、抽水泵和誘魚噴管組成。電站還建設了鮭魚產(chǎn)卵河道、鮭魚育苗池和硬頭鱒育苗池等魚類保護設施。

圖6 韋爾斯鮭魚育苗池、硬頭鱒育苗池

2.2.4 大古力水電站(Grand Coulee Hydropower Station)

大古力水電站是80年代中期以前世界上最大的水電站，是哥倫比亞河在美國境內(nèi)最上游的一座梯級水電站。壩址多年平均流量3 051 m3/s。有發(fā)電、灌溉、防洪等效益。其有效庫容64.5億m3。

大古力水電站主要建筑物有混凝土重力壩、壩后式發(fā)電廠房、抽水蓄能廠房及泄洪設施等。大壩最高168 m，壩頂長1 272 m，為哥倫比亞河上最大的水壩。

大古力水電站建于1933～1942年間。最初建造了兩座發(fā)電廠房，首臺機組1941年投產(chǎn)發(fā)電，1950年首期18臺機組全部投產(chǎn)。由于加拿大境內(nèi)在哥倫比亞河上游建設三座水庫，為了充分利用水能、提高發(fā)電能力，1967～1974年間建設了第三座發(fā)電廠房，廠房機組于1975～1980年間先后投運。為了應對類似20世紀60年代出現(xiàn)的電力短缺問題，電站結(jié)合灌溉用水建設了抽水蓄能廠房，1984年抽水蓄能機組全部投運。經(jīng)過發(fā)電機線圈重繞、新建廠房機組、機組更新等，電站總裝機由最初的18臺機組總裝機197.4萬kW增加為目前的33臺機組總裝機680.9萬kW。

大古力水電站對洄游魚類的保護措施為設置魚類增殖站，在萊溫芙絲、恩蒂亞特、溫斯洛普建設了魚類增殖站。相對于哥倫比亞河上其它電站洄游魚類保護措施采用設置魚梯的方式，大古力水電站顯得較為突出。美國人認為對106.68 m的上下游高差過大，不適宜設置魚梯。

圖7 大古力水電站大壩

3 Snoqualmie瀑布電站

會議期間，除對哥倫比亞流域水電考察外，還對100多年前建設的Snoqualmie瀑布電站進行了考察。斯諾夸爾米河(Snoqualmie River)是美國華盛頓州中西部的河流，源出西雅圖東部的喀斯開山脈(Cascade Range)，向西流72 km后轉(zhuǎn)西北，在門羅(Monroe)附近與斯凱科米什(Skykomish)河會合，形成斯諾荷米什(Snohomish)河。斯諾夸爾米瀑布落差82 m。

斯諾夸爾米瀑布位置建設了水電工程，由Puget Sound Energy運營。斯諾夸爾米瀑布電站有兩座電廠。第一廠房建于1898～1899年，廠房位于距地面82 m的地下巖石中，是世界上第一座完全在地下的電廠，5臺機組，總裝機1.19萬kW。第二廠房位于瀑布下游400 m，建于1910年，1957年進行了擴建，安裝2臺機組，裝機3.25萬kW。兩座廠房共裝機4.44萬kW。

斯諾夸爾米瀑布電站2009年開始再次更新改造，主要是更新發(fā)電機、改善進水口、壓力管道、水流控制系統(tǒng)等。目前改造已經(jīng)完成，總裝機提升為5.44萬kW。

4 啟 示

經(jīng)過對美國水電、大壩及哥倫比亞河流域水電和部分小電站的考察，得到以下幾點啟示：

(1)美國上世紀已基本完成水電開發(fā)，水電開發(fā)程度高(達70%以上)，中國目前水電開發(fā)程度不足30%，需加快水電開發(fā)。

(2)美國大壩運行產(chǎn)生了巨大的效益，對美國經(jīng)濟發(fā)展和人民生活改善發(fā)揮了積極作用。美國的大壩平均年齡55年，在發(fā)電、灌溉、防洪、娛樂等方面發(fā)揮了且仍發(fā)揮著巨大效益。

(3)美國水電對生態(tài)環(huán)境保護十分重視，魚類保護要求明確，魚類保護的方式靈活。根據(jù)哥倫比亞河電站的考察，各電站均明確其魚類保護措施是針對洄游性的鮭魚和硬頭鱒，但各電站魚類保護的方式并不完全相同。大古力水電站的壩高較高，不適宜設置魚梯，美國政府同意電站不設置魚梯，而設置了魚類增殖站。

(4)從美國水電的大中小型電站(包括100年以上的電站)及無發(fā)電任務的大壩改造研究可以看出，美國正盡可能地升級改造，挖掘水電潛力。

參考文獻：

[1] U.S. Energy Information Administration. Electric Power Annual 2011[R]. 2013.1.

[2] Douglas D. Boyer, Richard L. Wiltshire, Glenn S. Tarbox. Achievements and Advancements in U.S. Dam Engineering[R]. 2013.

[3] U.S. Energy Information Administration. Annual Energy Review 2011[R]. 2012.12

[4] Alison M. Conner, James E. Francfort, Ben N. Rinehart. U.S. Hydropower Resource Assessment Final Report[M]. 1998.12.

[5] Boualem Hadjerioua, Yaxing Wei and Shih-Chieh Kao. An Assessment of Energy Potential at Non-Powered Dams in the United States[R]. 2012.4