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根據(jù)瑞士2050年能源戰(zhàn)略計劃，在目前的框架條件下，不考慮現(xiàn)有核電站發(fā)電量，年均水力發(fā)電量必須增加1.5 TW·h；如果條件優(yōu)化，最終要達到每年增加發(fā)電3.2 TW·h的目標。受環(huán)境和社會經(jīng)濟條件限制，完成這一預計增長量將極其困難。只有持續(xù)開發(fā)新建水電站，以及擴建或優(yōu)化現(xiàn)有水庫，才有可能實現(xiàn)水力發(fā)電量增加的目標。此外，要想通過小水電實現(xiàn)發(fā)電量的預期增長，不僅需制定嚴格的選址標準和優(yōu)化河網(wǎng)內發(fā)電的策略，還要將河流生態(tài)系統(tǒng)的負面影響降到最低。

鑒于此，自2013年以來，瑞士政府對瑞士能源研究技術中心(SCCER-SoE)電力供應項目進行了資助，旨在對地球能源和水力發(fā)電領域開展基礎研究并擬定創(chuàng)新解決方案。各方現(xiàn)已逐漸達成一致意見：與在為數(shù)不多的自然河流上大規(guī)模開發(fā)小水電的方案相比，大家更傾向于擴建現(xiàn)有大型水電工程及水庫的方案。另外，氣候變化的影響在改變水資源可利用量的同時，還加劇了水庫泥沙淤積，帶來更頻繁的自然災害，而且將會嚴重危及水力發(fā)電。事實上，瑞士的電力供應關鍵時期在冬季(10月至次年3月)。在過去12 a，瑞士每年冬季平均進口電量3.7 TW·h，約占冬季所需電量的11%。為確保冬季安全供電，在可能的情況下，瑞士不僅需新建水庫，更需通過對現(xiàn)有水庫擴容的方式來增加其總體庫容。

1 現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

目前，瑞士的蓄能電站已經(jīng)在歐洲電網(wǎng)供應峰值電能方面發(fā)揮了重要作用，也在調頻方面貢獻顯著。瑞士未來目標是成為歐洲主要蓄能發(fā)電國，能隨時供應峰值電能。在歐洲，光伏發(fā)電和風力發(fā)電是強制推行的項目且有政府補貼，這進一步加大了調節(jié)能源和峰值電能的需求。而隨著歐洲政府補貼的減少和實際市場價格的降低，歐洲經(jīng)濟復蘇后，新建抽水蓄能電站，加高大壩增加庫容，以及通過增設平行的水道廠房系統(tǒng)以擴充現(xiàn)有電站裝機容量，這些方式都再次受到重視。要確保瑞士在歐洲高度競爭的電力市場中處于領先地位，未來其水力發(fā)電應更加靈活，以集中滿足高峰時段需求。不過，這種用于調峰的水力發(fā)電，將給河流流態(tài)造成更加嚴重的影響，產(chǎn)生所謂的水文峰，必須通過創(chuàng)新措施評估和減輕這一影響。

1.1 水庫擴容

在瑞士，適合新建大型水壩和水庫的壩址已很少。盡管如此，通過適當加高已建大壩，即在原壩高基礎上增加不到10%的高度，即可擴容7億m3，相當于約20個新實施工程的庫容，瑞士由此每年冬季發(fā)電量可增加2 TW·h，占實際冬季發(fā)電量的10%。部分大壩具備進一步加高的條件，因此冬季發(fā)電量能增加約15%。這不僅對創(chuàng)建瑞士安全獨立的電力供應系統(tǒng)十分重要，還對穩(wěn)定中歐電網(wǎng)意義非凡。

在加高和改造國內外已建大壩方面，瑞士工程師已具備先進的技術水平。一些大型水壩已經(jīng)完成了加高，如1989～1991年間莫瓦桑(Mauvoisin)拱壩加高13.5 m，壩高達到250 m；1995～1999年間盧佐內(Luzzone)拱壩加高17 m，壩高達到225 m。最近，穆特(Muttsee)水庫進行了擴建，新建了一座高35 m、長1.2 km的重力壩。2014年，成功將老埃莫松(Vieux Emosson)重力拱壩加高21.5 m。更多擴建工程已列入相關計劃。

在高山地區(qū)，為應對因全球變暖而引起的冰川后退現(xiàn)象，將會調整現(xiàn)有水電項目和未來水電工程計劃。在阿爾卑斯山脈，根據(jù)冰川和流域的特點，冰川融化將會首先引起年均徑流量的增加，尤其在夏季。盡管如此，在一段時間后，夏季冰川融化帶來的徑流會顯著減少，而另一方面春季融雪徑流會明顯增加，這些都必須在水庫運行時加以充分考慮。另外，阿爾卑斯地帶冰川融化后將形成新的峽谷地區(qū)，為新建大壩和水庫提供潛在條件。比如，位于瑞士阿爾卑斯山脈中部的特里弗特(Trift)冰川出現(xiàn)后退現(xiàn)象，已經(jīng)形成了一片新湖。一座高180 m的拱壩工程目前正處于許可審批階段。

1.2 抽水蓄能擴容

現(xiàn)已啟動的工程部分是擴大已建抽水蓄能電站的裝機容量，如洪格林-萊蒙(Hongrin-Léman)和林特-利默恩(KW Linth-Limmern)抽水蓄能電站，部分是在已建常規(guī)電站中新增抽水蓄能設備，如在新老埃莫松水庫上新建的N.D.德朗斯(Nant de Drance)抽水蓄能電站。這些方案為電站業(yè)主和電網(wǎng)運營部門在電站運行方面提供了更多的靈活性。在未來幾年，一旦相關不確定因素恢復至可接受的水平，相關工程將陸續(xù)啟動實施。

2 水電研究進展

2.1 2013～2016年重點研究方向

為應對水電項目開發(fā)和水庫建設未來可能面臨的挑戰(zhàn)，以及為瑞士供電能源戰(zhàn)略奠定基礎，在SCCER-SoE的電力供應框架內確定了以下重點研究領域。

(1)未來氣候變化導致發(fā)電潛力的改變。氣候變化有可能影響水資源可利用量(造成冰川后退、積雪和融雪、溪流形態(tài)改變，以及泥沙產(chǎn)生和輸移)，另外，因氣候變化產(chǎn)生新的自然災害(洪水、邊坡失穩(wěn)等)可能會影響水電工程運行的穩(wěn)定性。

(2)提高已建水電站和水庫的運行效率。通過擴建的方式增加其運行的靈活性，以適應新的更大波動的需求。

(3)應用新技術方案改造已建基礎設施。目的在于能夠在季節(jié)性需求和日用電高峰期間提高設施發(fā)電效率和更加靈活地運行。同時，能夠保持設施(基礎設施)安全和供電安全處于同一水平。

(4)評估更嚴格的新運行制度對水電站的影響，評估增加小水電對水生態(tài)系統(tǒng)的影響，并制定相應措施減輕這些不利影響(如制定環(huán)境流量排放的創(chuàng)新措施)。

(5)在不確定的社會、經(jīng)濟和政治推動力下，根據(jù)電力需求和市場動態(tài)的發(fā)展，定義水電站和水庫運行的未來邊界條件。

(6)水電系統(tǒng)多目標運行策略評價。根據(jù)可再生能源的占比提高和市場的不確定性情況，在更為波動的需求約束下，對最大限度提高發(fā)電量、供電可靠性和靈活性、經(jīng)營效益與生態(tài)系統(tǒng)保護等多目標運行策略進行評價。

10 a的研究路線圖明確了以下幾項挑戰(zhàn)：

(1)氣候變化和自然災害的影響，水庫泥沙淤積問題。

(2)掌握電力需求和電力市場動態(tài)，許可文件更新。

(3)冬季和峰值發(fā)電，把握新建水庫的機會。

(4)環(huán)境流量、流態(tài)的改變。

(5)嚴峻的運行環(huán)境和水電基礎設施的安全問題。

2.2 2013～2016年重點研究成果

總體而言，10 a工作計劃中約30%的目標已于2016年底實現(xiàn)。具體如下。

(1)任務1(氣候形態(tài)控制)。新泥沙輸移測量法、新型機載冰川測圖雷達系統(tǒng)、新型氣候情景降尺度隨機天氣發(fā)生器的開發(fā)；水庫泥沙淤積和沉沙池的實地測量；根據(jù)氣候變化進行大壩防洪安全(洪水風險)的初步評估。

(2)任務2 (社會經(jīng)濟驅動)。優(yōu)化不同市場細分的水電運營，在當前和未來的市場環(huán)境下，以及在使用實物期權法計算不確定性的投資模型中，評估水電靈活性價值。

(3)任務3 (基礎設施改造)。水力發(fā)電地理信息系統(tǒng)交互式數(shù)據(jù)庫；在廢水處理系統(tǒng)、水系水力發(fā)電和節(jié)能等方面的水電潛力；在條件不確定情況下的水電設計方法；大型水壩遭遇極端洪水的預測方法；調壓井孔口水力性能特性說明；調壓井和壓力隧道的非入侵式實時監(jiān)測及其新的設計導則；懸浮沉淀物的實時監(jiān)測技術；水壩下游泥沙補給，人工淤填的侵蝕和運輸過程；冰凌環(huán)境下水電潛力的評估，泥沙增長量的核算；新的復雜調度模型，對流域調度運行效果的校驗。

(4)任務4 (環(huán)境影響)。針對目前環(huán)境流量調節(jié)的分析；優(yōu)化環(huán)境流量排放的新項目；小水電(SHP)環(huán)境影響的實地研究；評估受水電運行影響的洪泛區(qū)現(xiàn)狀的新項目，并制定適宜的管理措施和修復措施；瑞士大型河流熱峰的量化研究。

(5)任務5 (水電系統(tǒng)的一體化仿真)。在常規(guī)發(fā)電目標下，評估氣候變化對水文和水電運行的影響；在變化的水資源可利用量和電力市場情況(電價和需求量)下，辨識當前水電系統(tǒng)運行情況，設計未來最優(yōu)運行策略；一體化模型樣機的開發(fā)，以及在研究試點的初步試驗。

3 瑞士SCCER-SoE研究計劃

3.1 概 述

從技術角度看，為實現(xiàn)在變化的市場和環(huán)境情況下的靈活運行，需要升級改造基礎設施以及已建和新建水電項目的水電和機電設備，這將是2020年之后的重點任務，屆時大量許可將會得到更新。需改造的基礎設施一半以上為發(fā)電設施，而且主要用于調峰?？紤]到不確定因素，除了技術，針對水電站的設計和運行還需研究新的方式、方法、途徑和工具。

該計劃2017～2020年的研究目標是提供氣候變化對水力發(fā)電影響的最新量化評估結果，以及強化應對極端事件、自然災害所要求的適應性策略。無論是從短期的事件管理，還是從長期避免基礎設施問題導致重大損失甚至最終停止發(fā)電來看，研究還將識別未來水電運行風險，以及防止犧牲安全或損失發(fā)電潛力的風險管理策略。

另一項挑戰(zhàn)是新建工程的設計和在不確定性因素下已建工程的升級改造。鑒于即將到來的許可更新事宜，投資回收期將超過50 a。第1階段開發(fā)的一體化模型會在第2階段進行升級改造，模擬出的大型水電模擬系統(tǒng)將作為研究上述情況的基礎，包括對不確定性驅動因素共變關系的研究。

水庫泥沙淤積問題無論對瑞士水電，還是對全球水電來說，都是一項重大挑戰(zhàn)。由于蓄能水電站的可持續(xù)使用，泥沙淤積構成了唯一但卻嚴重的威脅。需研究探索技術解決方法，包括建立試點示范工程。由于全球變暖，尤其是凍土和冰川后退，泥沙淤積預計會加重。在限制泥沙進入水庫的情況下，將研究提高電站運行效率的技術途徑。

只有創(chuàng)新才能滿足結構和運行方面的要求。以上創(chuàng)新方法將提高瑞士水電的靈活性，從而幫助瑞士成功立足于高度競爭和變化的市場。

3.2 重點研究方向

五大重點研究方向如下。

(1)增加水電運行的靈活性。在結構和運行方面通過探索徑流預報操作性價值以及創(chuàng)新解決方案的技術可行性和盈利能力，恢復原有河道的發(fā)電能力；考慮提供輔助服務(電網(wǎng)管理)，研發(fā)創(chuàng)新型工具，實現(xiàn)水電站擴建和升級改造項目的早期可行性評估；開發(fā)適應復雜調壓井的系列解決方案；水電運行靈活性的提高會對水體造成影響，需研究這類水體的水質、溫度和泥沙淤積動態(tài)情況；在變化的氣候和市場條件下，調查水電運行政策對下游水體的多維度影響。

(2)改進針對氣候變化對水力發(fā)電影響的適應性策略。該研究方向重點是冬季的水力發(fā)電(冬季是一年中最關鍵的季節(jié))，致力于解決如2015年和2016年的干旱問題(干旱的前期狀況、低蓄水位、淺雪覆蓋)。繪制一張標有瑞士冰川地區(qū)冰雪厚度的綜合地圖將會幫助識別和評估未來水庫的選址。另外，在氣候變化效應、價格市場和下游水體受影響的限制下，著眼于保持并進一步提高實際發(fā)電水平，將第一階段研發(fā)的一體化模型升級到區(qū)域層面，研究水電站網(wǎng)絡系統(tǒng)升級，尋找系統(tǒng)升級和互聯(lián)的技術方案。

(3)極端自然事件、災害和水電站運行的風險。該研究方向包括：對隨機天氣發(fā)生器的進一步開發(fā)。該儀器用來評估和預測極端事件和自然災害，用于解釋因固有氣候變化導致的不確定性。另外，該研究方向還包括因冰川湖潰決產(chǎn)生的洪水風險的量化，以及新建高海拔蓄水大壩對提高安全性的潛在貢獻。其他相關主題有：山體滑坡引起的水沖擊波計算；極端洪水事件的不確定性評估；通過一體化模型模擬替代方案后，水力發(fā)電公司的稅收替代方案和相關財務風險的評估。

(4)不確定因素下的新建工程設計。水電工程、大壩和水庫加高工程的穩(wěn)健性設計采用了新型措施，包括大壩安全穩(wěn)定性問題，整合鋼襯砌隧洞和豎井概率設計上的不確定因素，并開發(fā)針對新建水電工程(或擴建工程)的合理規(guī)劃和管理方式。

(5)水庫泥沙淤積和蓄能電站的可持續(xù)使用。該研究方向將包括：調查研究泥沙梯級沖排、底孔排沙、冰川流域未來泥沙產(chǎn)量、水庫泥沙淤積建模、泥沙沖排和水輪機磨損的電站運行情況、旁通排沙隧洞(SBT)的設計與運行，以及針對排沙隧洞和水工結構的磨損緩解措施等。

上述大部分創(chuàng)新性研究結果在下一節(jié)闡述的3類“水電示范工程”中得到了驗證。

4 水電示范工程

4.1 提高小水電靈活性

該類工程的設計理念就是展示小水電在維持生態(tài)平衡的同時，提供冬季峰值電能和輔助服務。瑞士SCCER-SoE的合作伙伴最近將一項研究成果應用到一個試點設備上，目的在于為小水電業(yè)主在電站運行方面提供更多靈活性，并獲得額外盈利。小水電靈活性是否得到提高將通過測試基礎設施、設備或運行適應性措施以及評估它們對于溢流、發(fā)電量和效益方面的影響來得到驗證。從該示范工程中獲得的經(jīng)驗將作為小水電行業(yè)的標準進行推廣。

示范工程為一個新建的小水電工程，已在2017年投入試運行。該項目為徑流式水電站，上游無露天蓄水庫。圍繞該電站具體情況展開了以下研究。

(1)問題1。在既定方案中，如何使日調節(jié)庫容、周調節(jié)庫容或月調節(jié)庫容收益最大化，這取決于進水渠側、尾水渠側還是兩端渠側還有待研究。

(2)問題2。在大幅度降低低水頭臨界值的情況下，擴大機組運行范圍會造成的后果有待研究。

(3)問題3。如何讓氣象預報(短期/即時預報)能夠最好地服務于電力生產(chǎn)，比如來沙預測和沉沙池清理優(yōu)化(以及減少水資源流失)，這一問題有待研究。

(4)問題4。提高小水電運行靈活性會給下游河段的水能峰值和河流形態(tài)方面帶來的后果以及下游河道空間能有效適應和(或)減弱水位浮動和熱峰效應的情形均有待研究。

將對該示范工程的成果進行總結并形成一套商業(yè)模式，對靈活性附加值進行詳細評估。

4.2 控制水庫細顆粒泥沙排放

該類工程的設計理念是人工攪動水庫中的水體，防止泥沙淤積，并考慮通過水輪機或底孔在可接受的速度下將泥沙輸運至下游。泥沙攪動器采用圓形管道，安裝在進水口附近的水庫底部、壩前位置。該設備配有4個噴嘴，排放壓力水柱，產(chǎn)生充足的逆風湍流以保持細沙懸浮，阻止細沙在壩前淤積。之后，細沙以低濃度形式持續(xù)排放到電站水道的下游(水和電能無損耗)。泥沙攪動器可在洪水濁流來臨后啟動運行，或定期運行以排放泥沙。該示范工程的攪動器依靠水泵操作，需要電力驅動(部分地區(qū)可采用自流水力驅動替代)。移動攪動裝置(示范裝置)功效在若干座大壩(1～3座)中得到檢測。

在鋼結構方面，示范工程主要由兩部分組成：一條供水管線和一套多噴嘴集成框架。最大可承受200 m水頭和 2.5 MPa內外水壓差。供水管線大部分固定在岸上，其余安放在水庫底部。圓形集成框架在岸上建好后利用水-空氣浮筒-壓載系統(tǒng)，采用摩托艇或拖船拖放安設。該設施可安裝在指定的大壩水庫，并且還可以拆除移裝到另一個工程點?？紤]來水量和電量，以及通過水道的水沙輸出量，將在選定的河道下游控制斷面對示范工程進行監(jiān)測。工程實踐中將取得如下預期成果。

(1)與實驗室研究條件進行對比，驗證沖砂效率(每立方放水量與每千瓦電量)；

(2)掌握當?shù)貙嶋H條件對示范工程的影響程度(水庫形態(tài)、水庫進水口和出水口的布置)；

(3)掌握現(xiàn)場實施和調配過程中的實際困難與不足；

(4)明確未來研究和發(fā)展的瓶頸與需求，比如模塊化、結點部位、監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)采集(SCADA)。

該設施的運行對廠房下游河道所造成的影響將會得到評估，預期細沙濃度將遠低于可接受的濁度。

4.3 “靈活蓄能”的多學科試點項目

“靈活蓄能”將成為蓄能電站在變化的環(huán)境和市場情況下靈活運行的一套創(chuàng)新型工具。它將在復雜的水電項目中得以開發(fā)和測試，有助于尚未具備風險控制能力的瑞士水電行業(yè)應對面臨的市場機遇或威脅?！办`活蓄能”受瑞士水電行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)的推動，即目標為電價優(yōu)惠時段的靈活運行需求，而實現(xiàn)該需求的水電升級改造工程的綜合方法仍然缺失。瑞士水電行業(yè)曾經(jīng)對該國經(jīng)濟貢獻巨大，現(xiàn)在卻呈負面發(fā)展趨勢。冬季發(fā)電量出現(xiàn)嚴重赤字，因此瑞士已連續(xù)十多年在冬季進口電力。盡管如此，該國蓄能電站仍在平衡歐盟電網(wǎng)，以及在促進光伏和風電的大比重整合等方面發(fā)揮著日益重要的作用。

“靈活蓄能”的具體目標是論證如何集中在更短時間內增大發(fā)電量，并同時緩解負面影響(如水位驟升和驟降)，以及如何可持續(xù)地管理水庫泥沙淤積，從而保證興利庫容并遵守《瑞士水域保護法案》。另外，邊緣地帶的山坡失穩(wěn)風險將會得以解決，避免采取非最佳的“預防性水庫水位降低”措施。此外，還將會明確變化的電力需求結構以及所需的蓄能適應性管理。還需論證的是，過快或過頻繁的運行，在保證穩(wěn)定的前提下，是否意味著要擴大水力機械的運行范圍。最后，將提出流域補償?shù)淖顑?yōu)管理方案，從而將下游河段水力峰值的生態(tài)影響降至最低。所有研究項目都將在KWO公司復雜的系統(tǒng)內獲得概念驗證，以期為其他工程提供借鑒及經(jīng)驗。

工程實踐中將取得的預期成果如下。

(1)蓄能電站聯(lián)動靈活運行的工具。考慮到調節(jié)設備的作用，以及相關流域和下游河段內的3D流態(tài)，確定現(xiàn)場校準環(huán)境可接受的峰值電力。

(2)預測水沖擊波產(chǎn)生的可接受災害風險臨界點的工具。根據(jù)每座水庫的運行情況量身定做，并根據(jù)現(xiàn)場具體形態(tài)特征的確認進行校準。

(3)預測蓄能電站靈活運行策略的影響工具。提供有價值的需求滿意度，突出每座水庫在更大水電樞紐中的作用。

(4)預測梯級水庫泥沙聯(lián)合管理成效的工具。目的在于減少經(jīng)濟損失，現(xiàn)場校準水庫形態(tài)。

(5)水輪機磨損量化的工具?；诂F(xiàn)場相關聯(lián)的泥沙濃度和鋼磨損測量結果，量化確定水輪機磨損可接受臨界值(與細沙流速相關的函數(shù))，用以分析對設備使用壽命和水庫泥沙淤積的影響。

(6)水泵水輪機啟停過程中避免失穩(wěn)的新方法。該方法源于瑞士首例原型尺寸機械設備監(jiān)測和測試的驗證實施。

5 結 語

瑞士水電行業(yè)的發(fā)展形勢在未來幾年不容樂觀。目前，正面臨著重大技術、專業(yè)人員和科學技能缺失的挑戰(zhàn)，而這些對于瑞士在2020年后的水電站擴建、修復和升級改造項目來說是必不可少的。這些項目不僅有助于2050年能源戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)，而且可確保瑞士水電在競爭激烈的歐洲市場上具備可持續(xù)競爭力。

在未來，瑞士仍將在水電站和水壩項目上加大投資，以應對在高度變化和競爭的市場中安全和可再生的電力供應需求帶來的挑戰(zhàn)。一部分投資會用于已建基礎設施的升級和延長項目使用壽命，也將用于針對其靈活運行進行升級改造和擴建，這意味著能增加每日高峰發(fā)電時間和冬季電能。為應對氣候變化，瑞士對諸如蓄水、防洪及其他自然災害等問題重新進行了思考，而修建適應力強且用途合適的水工建筑物則顯得尤為重要。另外，從國會和議會層面得到證實的最新情況來看，由于水電與更易調度的非可再生能源相比優(yōu)勢不足，所以瑞士現(xiàn)已著手準備評估新的可再生能源項目。

劉卉潘偉譯