瑞士电力供应与水电开发进展

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根据瑞士2050年能源战略计划，在目前的框架条件下，不考虑现有核电站发电量，年均水力发电量必须增加1.5 TW·h；如果条件优化，最终要达到每年增加发电3.2 TW·h的目标。受环境和社会经济条件限制，完成这一预计增长量将极其困难。只有持续开发新建水电站，以及扩建或优化现有水库，才有可能实现水力发电量增加的目标。此外，要想通过小水电实现发电量的预期增长，不仅需制定严格的选址标准和优化河网内发电的策略，还要将河流生态系统的负面影响降到最低。

鉴于此，自2013年以来，瑞士政府对瑞士能源研究技术中心(SCCER-SoE)电力供应项目进行了资助，旨在对地球能源和水力发电领域开展基础研究并拟定创新解决方案。各方现已逐渐达成一致意见：与在为数不多的自然河流上大规模开发小水电的方案相比，大家更倾向于扩建现有大型水电工程及水库的方案。另外，气候变化的影响在改变水资源可利用量的同时，还加剧了水库泥沙淤积，带来更频繁的自然灾害，而且将会严重危及水力发电。事实上，瑞士的电力供应关键时期在冬季(10月至次年3月)。在过去12 a，瑞士每年冬季平均进口电量3.7 TW·h，约占冬季所需电量的11%。为确保冬季安全供电，在可能的情况下，瑞士不仅需新建水库，更需通过对现有水库扩容的方式来增加其总体库容。

1 现状与挑战

目前，瑞士的蓄能电站已经在欧洲电网供应峰值电能方面发挥了重要作用，也在调频方面贡献显著。瑞士未来目标是成为欧洲主要蓄能发电国，能随时供应峰值电能。在欧洲，光伏发电和风力发电是强制推行的项目且有政府补贴，这进一步加大了调节能源和峰值电能的需求。而随着欧洲政府补贴的减少和实际市场价格的降低，欧洲经济复苏后，新建抽水蓄能电站，加高大坝增加库容，以及通过增设平行的水道厂房系统以扩充现有电站装机容量，这些方式都再次受到重视。要确保瑞士在欧洲高度竞争的电力市场中处于领先地位，未来其水力发电应更加灵活，以集中满足高峰时段需求。不过，这种用于调峰的水力发电，将给河流流态造成更加严重的影响，产生所谓的水文峰，必须通过创新措施评估和减轻这一影响。

1.1 水库扩容

在瑞士，适合新建大型水坝和水库的坝址已很少。尽管如此，通过适当加高已建大坝，即在原坝高基础上增加不到10%的高度，即可扩容7亿m3，相当于约20个新实施工程的库容，瑞士由此每年冬季发电量可增加2 TW·h，占实际冬季发电量的10%。部分大坝具备进一步加高的条件，因此冬季发电量能增加约15%。这不仅对创建瑞士安全独立的电力供应系统十分重要，还对稳定中欧电网意义非凡。

在加高和改造国内外已建大坝方面，瑞士工程师已具备先进的技术水平。一些大型水坝已经完成了加高，如1989～1991年间莫瓦桑(Mauvoisin)拱坝加高13.5 m，坝高达到250 m；1995～1999年间卢佐内(Luzzone)拱坝加高17 m，坝高达到225 m。最近，穆特(Muttsee)水库进行了扩建，新建了一座高35 m、长1.2 km的重力坝。2014年，成功将老埃莫松(Vieux Emosson)重力拱坝加高21.5 m。更多扩建工程已列入相关计划。

在高山地区，为应对因全球变暖而引起的冰川后退现象，将会调整现有水电项目和未来水电工程计划。在阿尔卑斯山脉，根据冰川和流域的特点，冰川融化将会首先引起年均径流量的增加，尤其在夏季。尽管如此，在一段时间后，夏季冰川融化带来的径流会显著减少，而另一方面春季融雪径流会明显增加，这些都必须在水库运行时加以充分考虑。另外，阿尔卑斯地带冰川融化后将形成新的峡谷地区，为新建大坝和水库提供潜在条件。比如，位于瑞士阿尔卑斯山脉中部的特里弗特(Trift)冰川出现后退现象，已经形成了一片新湖。一座高180 m的拱坝工程目前正处于许可审批阶段。

1.2 抽水蓄能扩容

现已启动的工程部分是扩大已建抽水蓄能电站的装机容量，如洪格林-莱蒙(Hongrin-Léman)和林特-利默恩(KW Linth-Limmern)抽水蓄能电站，部分是在已建常规电站中新增抽水蓄能设备，如在新老埃莫松水库上新建的N.D.德朗斯(Nant de Drance)抽水蓄能电站。这些方案为电站业主和电网运营部门在电站运行方面提供了更多的灵活性。在未来几年，一旦相关不确定因素恢复至可接受的水平，相关工程将陆续启动实施。

2 水电研究进展

2.1 2013～2016年重点研究方向

为应对水电项目开发和水库建设未来可能面临的挑战，以及为瑞士供电能源战略奠定基础，在SCCER-SoE的电力供应框架内确定了以下重点研究领域。

(1)未来气候变化导致发电潜力的改变。气候变化有可能影响水资源可利用量(造成冰川后退、积雪和融雪、溪流形态改变，以及泥沙产生和输移)，另外，因气候变化产生新的自然灾害(洪水、边坡失稳等)可能会影响水电工程运行的稳定性。

(2)提高已建水电站和水库的运行效率。通过扩建的方式增加其运行的灵活性，以适应新的更大波动的需求。

(3)应用新技术方案改造已建基础设施。目的在于能够在季节性需求和日用电高峰期间提高设施发电效率和更加灵活地运行。同时，能够保持设施(基础设施)安全和供电安全处于同一水平。

(4)评估更严格的新运行制度对水电站的影响，评估增加小水电对水生态系统的影响，并制定相应措施减轻这些不利影响(如制定环境流量排放的创新措施)。

(5)在不确定的社会、经济和政治推动力下，根据电力需求和市场动态的发展，定义水电站和水库运行的未来边界条件。

(6)水电系统多目标运行策略评价。根据可再生能源的占比提高和市场的不确定性情况，在更为波动的需求约束下，对最大限度提高发电量、供电可靠性和灵活性、经营效益与生态系统保护等多目标运行策略进行评价。

10 a的研究路线图明确了以下几项挑战：

(1)气候变化和自然灾害的影响，水库泥沙淤积问题。

(2)掌握电力需求和电力市场动态，许可文件更新。

(3)冬季和峰值发电，把握新建水库的机会。

(4)环境流量、流态的改变。

(5)严峻的运行环境和水电基础设施的安全问题。

2.2 2013～2016年重点研究成果

总体而言，10 a工作计划中约30%的目标已于2016年底实现。具体如下。

(1)任务1(气候形态控制)。新泥沙输移测量法、新型机载冰川测图雷达系统、新型气候情景降尺度随机天气发生器的开发；水库泥沙淤积和沉沙池的实地测量；根据气候变化进行大坝防洪安全(洪水风险)的初步评估。

(2)任务2 (社会经济驱动)。优化不同市场细分的水电运营，在当前和未来的市场环境下，以及在使用实物期权法计算不确定性的投资模型中，评估水电灵活性价值。

(3)任务3 (基础设施改造)。水力发电地理信息系统交互式数据库；在废水处理系统、水系水力发电和节能等方面的水电潜力；在条件不确定情况下的水电设计方法；大型水坝遭遇极端洪水的预测方法；调压井孔口水力性能特性说明；调压井和压力隧道的非入侵式实时监测及其新的设计导则；悬浮沉淀物的实时监测技术；水坝下游泥沙补给，人工淤填的侵蚀和运输过程；冰凌环境下水电潜力的评估，泥沙增长量的核算；新的复杂调度模型，对流域调度运行效果的校验。

(4)任务4 (环境影响)。针对目前环境流量调节的分析；优化环境流量排放的新项目；小水电(SHP)环境影响的实地研究；评估受水电运行影响的洪泛区现状的新项目，并制定适宜的管理措施和修复措施；瑞士大型河流热峰的量化研究。

(5)任务5 (水电系统的一体化仿真)。在常规发电目标下，评估气候变化对水文和水电运行的影响；在变化的水资源可利用量和电力市场情况(电价和需求量)下，辨识当前水电系统运行情况，设计未来最优运行策略；一体化模型样机的开发，以及在研究试点的初步试验。

3 瑞士SCCER-SoE研究计划

3.1 概 述

从技术角度看，为实现在变化的市场和环境情况下的灵活运行，需要升级改造基础设施以及已建和新建水电项目的水电和机电设备，这将是2020年之后的重点任务，届时大量许可将会得到更新。需改造的基础设施一半以上为发电设施，而且主要用于调峰。考虑到不确定因素，除了技术，针对水电站的设计和运行还需研究新的方式、方法、途径和工具。

该计划2017～2020年的研究目标是提供气候变化对水力发电影响的最新量化评估结果，以及强化应对极端事件、自然灾害所要求的适应性策略。无论是从短期的事件管理，还是从长期避免基础设施问题导致重大损失甚至最终停止发电来看，研究还将识别未来水电运行风险，以及防止牺牲安全或损失发电潜力的风险管理策略。

另一项挑战是新建工程的设计和在不确定性因素下已建工程的升级改造。鉴于即将到来的许可更新事宜，投资回收期将超过50 a。第1阶段开发的一体化模型会在第2阶段进行升级改造，模拟出的大型水电模拟系统将作为研究上述情况的基础，包括对不确定性驱动因素共变关系的研究。

水库泥沙淤积问题无论对瑞士水电，还是对全球水电来说，都是一项重大挑战。由于蓄能水电站的可持续使用，泥沙淤积构成了唯一但却严重的威胁。需研究探索技术解决方法，包括建立试点示范工程。由于全球变暖，尤其是冻土和冰川后退，泥沙淤积预计会加重。在限制泥沙进入水库的情况下，将研究提高电站运行效率的技术途径。

只有创新才能满足结构和运行方面的要求。以上创新方法将提高瑞士水电的灵活性，从而帮助瑞士成功立足于高度竞争和变化的市场。

3.2 重点研究方向

五大重点研究方向如下。

(1)增加水电运行的灵活性。在结构和运行方面通过探索径流预报操作性价值以及创新解决方案的技术可行性和盈利能力，恢复原有河道的发电能力；考虑提供辅助服务(电网管理)，研发创新型工具，实现水电站扩建和升级改造项目的早期可行性评估；开发适应复杂调压井的系列解决方案；水电运行灵活性的提高会对水体造成影响，需研究这类水体的水质、温度和泥沙淤积动态情况；在变化的气候和市场条件下，调查水电运行政策对下游水体的多维度影响。

(2)改进针对气候变化对水力发电影响的适应性策略。该研究方向重点是冬季的水力发电(冬季是一年中最关键的季节)，致力于解决如2015年和2016年的干旱问题(干旱的前期状况、低蓄水位、浅雪覆盖)。绘制一张标有瑞士冰川地区冰雪厚度的综合地图将会帮助识别和评估未来水库的选址。另外，在气候变化效应、价格市场和下游水体受影响的限制下，着眼于保持并进一步提高实际发电水平，将第一阶段研发的一体化模型升级到区域层面，研究水电站网络系统升级，寻找系统升级和互联的技术方案。

(3)极端自然事件、灾害和水电站运行的风险。该研究方向包括：对随机天气发生器的进一步开发。该仪器用来评估和预测极端事件和自然灾害，用于解释因固有气候变化导致的不确定性。另外，该研究方向还包括因冰川湖溃决产生的洪水风险的量化，以及新建高海拔蓄水大坝对提高安全性的潜在贡献。其他相关主题有：山体滑坡引起的水冲击波计算；极端洪水事件的不确定性评估；通过一体化模型模拟替代方案后，水力发电公司的税收替代方案和相关财务风险的评估。

(4)不确定因素下的新建工程设计。水电工程、大坝和水库加高工程的稳健性设计采用了新型措施，包括大坝安全稳定性问题，整合钢衬砌隧洞和竖井概率设计上的不确定因素，并开发针对新建水电工程(或扩建工程)的合理规划和管理方式。

(5)水库泥沙淤积和蓄能电站的可持续使用。该研究方向将包括：调查研究泥沙梯级冲排、底孔排沙、冰川流域未来泥沙产量、水库泥沙淤积建模、泥沙冲排和水轮机磨损的电站运行情况、旁通排沙隧洞(SBT)的设计与运行，以及针对排沙隧洞和水工结构的磨损缓解措施等。

上述大部分创新性研究结果在下一节阐述的3类“水电示范工程”中得到了验证。

4 水电示范工程

4.1 提高小水电灵活性

该类工程的设计理念就是展示小水电在维持生态平衡的同时，提供冬季峰值电能和辅助服务。瑞士SCCER-SoE的合作伙伴最近将一项研究成果应用到一个试点设备上，目的在于为小水电业主在电站运行方面提供更多灵活性，并获得额外盈利。小水电灵活性是否得到提高将通过测试基础设施、设备或运行适应性措施以及评估它们对于溢流、发电量和效益方面的影响来得到验证。从该示范工程中获得的经验将作为小水电行业的标准进行推广。

示范工程为一个新建的小水电工程，已在2017年投入试运行。该项目为径流式水电站，上游无露天蓄水库。围绕该电站具体情况展开了以下研究。

(1)问题1。在既定方案中，如何使日调节库容、周调节库容或月调节库容收益最大化，这取决于进水渠侧、尾水渠侧还是两端渠侧还有待研究。

(2)问题2。在大幅度降低低水头临界值的情况下，扩大机组运行范围会造成的后果有待研究。

(3)问题3。如何让气象预报(短期/即时预报)能够最好地服务于电力生产，比如来沙预测和沉沙池清理优化(以及减少水资源流失)，这一问题有待研究。

(4)问题4。提高小水电运行灵活性会给下游河段的水能峰值和河流形态方面带来的后果以及下游河道空间能有效适应和(或)减弱水位浮动和热峰效应的情形均有待研究。

将对该示范工程的成果进行总结并形成一套商业模式，对灵活性附加值进行详细评估。

4.2 控制水库细颗粒泥沙排放

该类工程的设计理念是人工搅动水库中的水体，防止泥沙淤积，并考虑通过水轮机或底孔在可接受的速度下将泥沙输运至下游。泥沙搅动器采用圆形管道，安装在进水口附近的水库底部、坝前位置。该设备配有4个喷嘴，排放压力水柱，产生充足的逆风湍流以保持细沙悬浮，阻止细沙在坝前淤积。之后，细沙以低浓度形式持续排放到电站水道的下游(水和电能无损耗)。泥沙搅动器可在洪水浊流来临后启动运行，或定期运行以排放泥沙。该示范工程的搅动器依靠水泵操作，需要电力驱动(部分地区可采用自流水力驱动替代)。移动搅动装置(示范装置)功效在若干座大坝(1～3座)中得到检测。

在钢结构方面，示范工程主要由两部分组成：一条供水管线和一套多喷嘴集成框架。最大可承受200 m水头和 2.5 MPa内外水压差。供水管线大部分固定在岸上，其余安放在水库底部。圆形集成框架在岸上建好后利用水-空气浮筒-压载系统，采用摩托艇或拖船拖放安设。该设施可安装在指定的大坝水库，并且还可以拆除移装到另一个工程点。考虑来水量和电量，以及通过水道的水沙输出量，将在选定的河道下游控制断面对示范工程进行监测。工程实践中将取得如下预期成果。

(1)与实验室研究条件进行对比，验证冲砂效率(每立方放水量与每千瓦电量)；

(2)掌握当地实际条件对示范工程的影响程度(水库形态、水库进水口和出水口的布置)；

(3)掌握现场实施和调配过程中的实际困难与不足；

(4)明确未来研究和发展的瓶颈与需求，比如模块化、结点部位、监测控制和数据采集(SCADA)。

该设施的运行对厂房下游河道所造成的影响将会得到评估，预期细沙浓度将远低于可接受的浊度。

4.3 “灵活蓄能”的多学科试点项目

“灵活蓄能”将成为蓄能电站在变化的环境和市场情况下灵活运行的一套创新型工具。它将在复杂的水电项目中得以开发和测试，有助于尚未具备风险控制能力的瑞士水电行业应对面临的市场机遇或威胁。“灵活蓄能”受瑞士水电行业面临的挑战的推动，即目标为电价优惠时段的灵活运行需求，而实现该需求的水电升级改造工程的综合方法仍然缺失。瑞士水电行业曾经对该国经济贡献巨大，现在却呈负面发展趋势。冬季发电量出现严重赤字，因此瑞士已连续十多年在冬季进口电力。尽管如此，该国蓄能电站仍在平衡欧盟电网，以及在促进光伏和风电的大比重整合等方面发挥着日益重要的作用。

“灵活蓄能”的具体目标是论证如何集中在更短时间内增大发电量，并同时缓解负面影响(如水位骤升和骤降)，以及如何可持续地管理水库泥沙淤积，从而保证兴利库容并遵守《瑞士水域保护法案》。另外，边缘地带的山坡失稳风险将会得以解决，避免采取非最佳的“预防性水库水位降低”措施。此外，还将会明确变化的电力需求结构以及所需的蓄能适应性管理。还需论证的是，过快或过频繁的运行，在保证稳定的前提下，是否意味着要扩大水力机械的运行范围。最后，将提出流域补偿的最优管理方案，从而将下游河段水力峰值的生态影响降至最低。所有研究项目都将在KWO公司复杂的系统内获得概念验证，以期为其他工程提供借鉴及经验。

工程实践中将取得的预期成果如下。

(1)蓄能电站联动灵活运行的工具。考虑到调节设备的作用，以及相关流域和下游河段内的3D流态，确定现场校准环境可接受的峰值电力。

(2)预测水冲击波产生的可接受灾害风险临界点的工具。根据每座水库的运行情况量身定做，并根据现场具体形态特征的确认进行校准。

(3)预测蓄能电站灵活运行策略的影响工具。提供有价值的需求满意度，突出每座水库在更大水电枢纽中的作用。

(4)预测梯级水库泥沙联合管理成效的工具。目的在于减少经济损失，现场校准水库形态。

(5)水轮机磨损量化的工具。基于现场相关联的泥沙浓度和钢磨损测量结果，量化确定水轮机磨损可接受临界值(与细沙流速相关的函数)，用以分析对设备使用寿命和水库泥沙淤积的影响。

(6)水泵水轮机启停过程中避免失稳的新方法。该方法源于瑞士首例原型尺寸机械设备监测和测试的验证实施。

5 结 语

瑞士水电行业的发展形势在未来几年不容乐观。目前，正面临着重大技术、专业人员和科学技能缺失的挑战，而这些对于瑞士在2020年后的水电站扩建、修复和升级改造项目来说是必不可少的。这些项目不仅有助于2050年能源战略目标的实现，而且可确保瑞士水电在竞争激烈的欧洲市场上具备可持续竞争力。

在未来，瑞士仍将在水电站和水坝项目上加大投资，以应对在高度变化和竞争的市场中安全和可再生的电力供应需求带来的挑战。一部分投资会用于已建基础设施的升级和延长项目使用寿命，也将用于针对其灵活运行进行升级改造和扩建，这意味着能增加每日高峰发电时间和冬季电能。为应对气候变化，瑞士对诸如蓄水、防洪及其他自然灾害等问题重新进行了思考，而修建适应力强且用途合适的水工建筑物则显得尤为重要。另外，从国会和议会层面得到证实的最新情况来看，由于水电与更易调度的非可再生能源相比优势不足，所以瑞士现已着手准备评估新的可再生能源项目。

刘卉潘伟译