筆者作為一個水電業(yè)從業(yè)人員,為大家做一些水電站建設(shè)的解讀,或許有利于對各種疑問加深理解。
水電站的首要功能是發(fā)電
我們經(jīng)常說的水電站有很多種,三峽只是其中之一,在業(yè)內(nèi),它叫做常規(guī)水電站。除此之外,還有抽水蓄能電站、潮汐電站等,這里略過,只談常規(guī)水電站。
常規(guī)水電站是建立在河道上的一種綜合工程設(shè)施,目前多數(shù)常規(guī)水電站的首要功能,是發(fā)電,而非防洪。 水電站的建設(shè)漫長而復(fù)雜,其中第一步是規(guī)劃。
首先要做的是流域規(guī)劃。流域規(guī)劃基本確定河流治理開發(fā)的方針和任務(wù),基本選定梯級開發(fā)方案和近期工程。 流域規(guī)劃之后,專業(yè)的勘察設(shè)計單位就可以有針對性地進行預(yù)可行性研究(簡稱“預(yù)可研”),預(yù)可研階段包括環(huán)保、水保、征地移民、水文,地質(zhì)、工程布置、機電、金結(jié)、消防、施工、安全、節(jié)能降耗、社會穩(wěn)定分析、概預(yù)算、經(jīng)評等專業(yè)工作,最終的成果匯總成預(yù)可研報告,報告將會提交到專業(yè)審查機構(gòu)進行審查,審查通過,才可以進行下一個環(huán)節(jié),即可行性研究工作(簡稱“可研”)。
可研工作會繼續(xù)對上述環(huán)保、水保、征地移民……社會穩(wěn)定分析、概預(yù)算、經(jīng)評等諸專業(yè)進行深度研究,各專業(yè)也會提出自己的專業(yè)分析報告。 分析報告提交到專門審查機構(gòu)再度進行審查。審查機構(gòu)出具審查意見,勘察設(shè)計單位針對審查意見進行修改,直到合格。 合格的可研報告將提交給發(fā)改委能源局進行核準(zhǔn)。核準(zhǔn)通過,才有可能開展電站建設(shè)的建設(shè)招標(biāo)環(huán)節(jié),一個水電站才能正式開工建設(shè)。
三峽工程情況非常特殊,則提交到全國人大進行表決通過。 從流域規(guī)劃到核準(zhǔn),是個漫長的過程,很多規(guī)劃中的電站因各種問題沒辦法開工,大家普遍關(guān)注的環(huán)保問題,只是這諸多問題中的一個。 三峽工程立項之初,有個講法說要“點亮半個中國”。這其中是不是存在夸大其詞,我不做評論。不過如果做個計算,可能更說明問題。
三峽的流域規(guī)劃是1955年開始,一直到1994年正式開工,第一步走了39年。2009年三峽正式建成,裝機2250萬千瓦時,即一小時發(fā)電2250萬度(此時考慮極端情況32臺機組全部滿額發(fā)電)。現(xiàn)在說說燈泡的事兒,現(xiàn)在大多數(shù)家庭用的都是led燈,每家發(fā)5個10w的燈泡,2250萬度電,可以照亮900萬個家庭一小時。大家如果感興趣,可以自己算一下其它的瓦數(shù)配比和年份。這其中,1955年、1970年、1994年和2009年這幾個年份對三峽工程更重要,不同年份,結(jié)論和重要性都不一樣,也會影響到工程決策。
水電站怎么防洪
很多人都會問,如果沒有三峽工程,中下游會怎樣?仔細看看下邊的內(nèi)容,或許能找到你要的答案。 大壩是擋水的建筑物,擋住的水就會在壩前方形成自己的特征水位,它們從大壩的底端向上依次為:死水位,防洪限制水位,正常蓄水位,防洪高水位,設(shè)計洪水位,校核洪水位。
水庫庫容有很多種,其中有兩個是和防洪有直接關(guān)系的,一是防洪庫容,它是防洪限制水位和防洪高水位之間的庫容。二是調(diào)洪庫容,它是防洪限制水位和校核洪水位之間的庫容。這兩個庫容最能直觀說明一個水庫和水電站的防洪和調(diào)洪的能力,而非什么千年一遇或者萬年一遇。
大家平常所見到設(shè)計洪水位百年一遇,千年一遇,并不是說一百年、一千年出現(xiàn)一次。它對應(yīng)著一個概念,叫重現(xiàn)期。重現(xiàn)期是指某隨機變量的取值在長時期內(nèi)平均多少年出現(xiàn)一次,又稱多少年一遇。 根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》gb50201-94的規(guī)定,我國采用洪水的重現(xiàn)期表示防護對象的防洪標(biāo)準(zhǔn)。
三峽的防洪標(biāo)準(zhǔn)是千年一遇,它針對的是防洪標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇是指,當(dāng)發(fā)生小于或等于千年一遇洪水時,保證防護對象(大壩)的安全或防洪設(shè)施的正常運行。 但真正的運行和防洪過程要復(fù)雜得多,限于篇幅,不能完全展開講解。
非汛期時,水庫水位通常會控制在正常蓄水位。當(dāng)汛期來臨之前,水庫會預(yù)泄,將壩前最高水位控制在防洪限制水位,以便蓄洪。現(xiàn)在暴雨來臨,大壩水位飛漲,很快到達正常蓄水位,又很快到達防洪高水位,這個過程,叫做蓄洪。 此時暴雨并沒有停歇的跡象,預(yù)計壩前水位很快要達到設(shè)計洪水位,設(shè)計洪水位是大壩計算穩(wěn)定的主要依據(jù),是水庫遇到大壩的設(shè)計洪水時,水庫經(jīng)調(diào)洪后在壩前達到的最高水位。
但是暴雨還在持續(xù),已經(jīng)達到設(shè)計洪水位,很快就會到達校核洪水位,校核洪水位是水庫在正常運作下,短期允許達到的最高水位,一旦到達并長期保持在這個水位,大壩的穩(wěn)定性將會受到極大威脅。 在這個水位被抬高的過程中,遇到暴雨減小,洪峰消退的時候,就要在不對下游造成更大影響的情況下泄流一部分洪水,以待下次洪峰的來臨。而這個削減洪峰,待洪峰過后,所攔蓄的洪水,再逐漸泄入河道的過程叫滯洪。
簡單地講,就是當(dāng)入庫洪水為中小洪水時,一一般以蓄洪為主,完全避免了上游洪水對下游造成的影響;而在大洪水年份,則兼有蓄洪滯洪的作用,減弱上游洪水對下游的影響。 洪峰消退,汛期已過,水電站又進入正常的運行狀態(tài),引水管道的閘門打開,河水注入蝸殼,水流帶動水輪機轉(zhuǎn)動,發(fā)電機開始發(fā)電。
達到使用年限是拆壩主因
水電是清潔的可再生能源,所以我們一般不會統(tǒng)計發(fā)一度電用了多少水。而火電用的是不可再生的能源:煤。根據(jù)2011年的數(shù)據(jù),目前平均發(fā)電能耗為每千瓦時約300克標(biāo)準(zhǔn)煤。2014年三峽電站總發(fā)電量988億千瓦時。而一個火電廠如果一年發(fā)電988億千瓦時,消耗掉的煤大約2964萬噸?;鹆Πl(fā)電也需要大量的水資源,一部分水可以冷卻循環(huán)利用,一部分水就在這個過程中消耗了。另外,火電的碳排放或者造成的污染,也是眾所周知的。
有人肯定要問,既然水電站這么好,為什么美國人要拆掉他們的大壩啊? 美國河流協(xié)會河流保護分會的副主席john seebach指出:“目前正在拆除的大部分水壩都是小型的,無法進行水力發(fā)電??偟膩碚f,經(jīng)濟原因是當(dāng)前拆除大壩的背后推力,如果可以這么說的話,畢竟相比耗費的成本,有些大壩是物不所值的?!?br>
大家在看到美國拆壩的同時也應(yīng)看到,全球發(fā)電前十的電站里,同樣有美國的電站:grand coulee (大古力電站),2014年全球發(fā)電量排名第七。拆掉大壩固然有保護河流維護生態(tài)的因素,但是,我們不能否認拆掉的大壩是到達使用年限,不符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和棄用很多年的。(關(guān)于這個部分,如果大家感興趣,可點擊左下方“閱讀原文”,參看“美國開啟史上最大規(guī)模大壩拆除項目”一文,該文將美國為什么要拆除大壩和拆除的都是怎樣的大壩講得很清楚。)
所謂設(shè)計使用年限,是指設(shè)計規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進行大修即可按其預(yù)定目的使用的時期。大壩的設(shè)計使用年限是一個大壩的生命周期。每個事物都有它的生命周期,水電站大壩也一樣。當(dāng)大壩老化年久失修而不能工作,重建修葺的維護費用超過它能創(chuàng)造的經(jīng)濟效益的時候,拆除大壩恢復(fù)生態(tài)是自然而然的事。