全面推進水電工程智能化

——“十四五”能源領域科技創新規劃解讀之七

馬洪琪

　　一、《規劃》編制的背景、意義及重點任務

　　21世紀以來，以三峽、南水北調工程為標志，中國水電開發進入了自主創新、引領發展的新階段，先后建成了龍灘、水布埡、溪洛渡等工程，這一階段我國更加關注巨型工程和超高壩的安全，注重環境保護，建設技術不斷刷新世界紀錄。

　　《“十四五”能源領域科技創新規劃》（以下簡稱《規劃》），分析了世界和我國能源科技發展形勢，提出了發展目標和重點任務，建議了相關保障措施和支持政策等，抓住了能源領域的技術關鍵和行業痛點?！兑巹潯穼ΡＵ衔覈茉窗踩?、應對氣候變化和節能減排等具有重要作用，相關內容可為我國全面構建綠色低碳、安全高效的現代能源體系提供技術支撐，對推動能源革命，掌握核心關鍵技術話語權具有深遠意義。

　　在水能發電技術方面，《規劃》列出了3項重點任務。藏東南水電開發關鍵技術；水電基地可再生能源多能互補協同開發運行關鍵技術；水電工程健康診斷、升級改造和災害防控技術。

　　二、水能科技發展的重大研究方向和技術挑戰

　　我國水電工程建設能力和百萬千瓦級水電機組成套設計制造能力領跑全球，水電工程建設技術已達到世界領先水平。然而，與引領能源革命的要求相比，水能科技創新仍存在一定差距。我國剩余水電資源主要集中在西部地區，尤其是青藏高原及其周邊，水電開發面臨著諸多挑戰，同時，我國水電國際化發展也對水電行業高質量發展和技術創新提出了新的更高要求。

　　重點開展藏東南水電開發重大技術問題研究

　　高壩壩基深厚覆蓋層。藏東南水電開發位于高山峽谷高地震烈度區，存在超深厚覆蓋層問題，壩基抗滑穩定、抗震安全、變形穩定和滲透穩定給我們提出了巨大挑戰，采用振沖碎石樁對深厚覆蓋層進行處理，試驗已取得成功，但是造價非常高昂。

　　“十四五”期間，需要重點對深厚覆蓋層的物理力學特性進行深入研究。傳統的鉆孔取樣存在擾動，不能真實反映覆蓋層物理力學特性。除鉆孔外，應打一個沉井，開展現場原位試驗，搞清楚壩基持力層的物理力學性能，這樣可以準確分析評估抗滑穩定和地震液化。

　　高壩壩型選擇。超深厚覆蓋層上最適宜的壩型是礫石土心墻堆石壩，但是藏東南工程壩址區土料性狀復雜，處理難度大、運距遠，因此可與瀝青心墻堆石壩方案進行技術經濟比較，瀝青心墻堆石壩方案存在的主要問題是對壩基變形適應能力較差，需要進行專題研究，另外需要研究瀝青心墻壩對藏東南地區氣候的適應性。

　　復雜地質條件下深埋大直徑引水隧洞和超大型地下洞室群。深埋大直徑引水隧洞宜采用TBM施工，但深埋隧洞地應力高，面臨巖爆和大變形問題，同時超大型地下廠房需要布置數十臺大型水輪發電機組，這樣的工程規模前所未有，大型地下洞室群的穩定和廠房安全問題需要特別關注，應重點開展巖爆的預報和防治措施研究，還要預防復雜地質條件下涌水突泥等地質災害。

　　超高水頭大容量水輪發電機組。超高水頭大容量水輪發電機組設計制造是引水發電系統最難的問題。分兩條線路研究兩種機組，分別是1000米級水頭大容量沖擊式和600米級水頭大容量混流式。1000米級水頭的沖擊式水輪機，目前世界上最大42萬千瓦，現在要做到70萬千瓦，設計制造難度很大，而且每個廠房裝幾十臺，布置難度也很大?；炝魇綑C組，我們現在能做到100萬千瓦，但水頭只有300米級，國外600米級混流式機組的最大單機容量35萬千瓦，要做到70萬千瓦難度也很大?；炝魇綑C組可借鑒抽水蓄能機組，抽水蓄能600米水頭做70萬千瓦單機是可行的。該領域研究要堅持自主創新與國際合作相結合。

　　環境影響。藏東南水電開發位于高山峽谷區，山坡陡峻，施工布置難度大，土石方開挖量巨大，如何選擇合適堆渣點、保障堆渣穩定安全、實現堆渣綠化，避免造成次生災害及對環境造成有害影響，也給我們提出了很大挑戰，需要開展綠色施工新技術新工藝的研究。

　　加強流域地質災害監測預警和應急管理

　　我國已建成以瀾滄江、金沙江、雅礱江、大渡河等為代表的流域梯級水庫群，庫岸穩定及流域地質災害問題日益突出，亟須加強監測分析和應急管理，研究庫岸空天地一體化的非接觸式變形監測技術，逐步建立完善流域地質監測預警體系。

　　庫岸變形監測對滑坡早期識別、分析評價、災害防治及應急管理具有重要意義，但是傳統監測方法難以適應大范圍、連續、快速監測的要求。為此，我們提出了空天地多層次非接觸式變形監測的總體思路：采用星載InSAR進行大范圍普查，獲取變形異常部位的大致范圍；采用車/船/無人機載InSAR對庫岸邊坡進行區域巡查，確定重點部位；采用固定式InSAR進行重點核查和持續觀測，獲取重點部位重點時段的變形時序數據；特別重要部位進一步采用接觸式安全監測方式進行長期觀測。

　　后續應結合地質勘察成果、巡查成果、影像及各監測手段的數據等資料，研究提出滑坡預警指標；建立完善梯級庫群岸坡安全監測手段與設施，采用5G、物聯網、智慧計算等先進技術，集成監測數據收集處理、穩定性分析、預警預報、緊急應對預案為一體的梯級庫群運行安全管理快速預警體系。

　　全面推進水電工程智能化

　　西部高海拔地區水電工程普遍面臨“地質條件復雜、施工條件惡劣、生態環境脆弱”等制約性問題，常規開發難度巨大。應充分應用“智能建造”新技術、新理念，研發應用先進的信息化、數字化、智能化技術，實現工程安全、高效建設和運行。

　　糯扎渡、溪洛渡、黃登、白鶴灘、烏東德等電站已在智能建設方面進行了有益嘗試，但基本著重于“數字大壩”和“智能建造管控”，在工程智慧感知、無線傳輸、動態監控、各階段數據融合、大數據分析、評價預警、決策支持等方面還存在很多不足。

　　當前國內水電工程建設正處于全面數字化、部分智能化的階段?！笆奈濉逼陂g工程建設和管理要向全面智能化發展。建議從智能規劃設計、智能建設、智慧運行管控等全方位、全過程開展水電工程智能建設技術研究，并研究建立行業統一的信息化體系及標準。

　　著力開展可再生能源多能互補技術研究

　　西南尤其是西藏地區后續水電開發成本高，單一開發水電經濟性較差；通過水風光協同開發、多能互補，可打破各自為政的局面，并利用大型水電外送通道及水庫調節性能，將風能、光伏發電等不穩定電能調節為穩定可靠電力，從而大幅提高電能質量和電力系統安全，同時可利用風電、光伏低成本優勢，平抑水電上網電價，實現綜合效益最大化。

　　建議以瀾滄江上游、雅礱江等大型清潔能源基地為依托，攻克大型清潔能源基地水風光多能互補關鍵技術難題，提出多能互補成套技術體系，構建多能互補聯合發電的協同優化調控系統，實現清潔能源高效消納，保障電力系統安全，建成國家多能互補清潔能源示范基地。

　　加強大型流域梯級水庫環境監測及聯合調度技術研究

　　根據“水環境安全保障，水生態持續改善，水資源綜合利用”等生態文明發展需求，大型流域水電滾動開發形成巨型梯級電站水庫群后，應從監測站網智能布控、深水分層高精度采樣、原位實時監控分析、湖庫健康評價指標、多庫聯動生態調度等方面著手，研究建立梯級深大水庫水環境在線感知、數據挖掘、動態分析、智能評估、實時預警、聯動調控等方法體系，形成引領國內流域梯級水庫水環境實時動態監控、潛在風險事件提前預判預警和水資源綜合利用高效調度成套技術，實現流域梯級水庫水環境和水生態安全的“數字化、信息化、智能化”管理。

　　三、《規劃》保障措施

　　根據《規劃》提出的保障措施，我認為應重點做好以下幾點工作：

　　一是進一步強化以企業為主體，以市場為導向，產學研相結合的技術創新體系。企業要主動發揮創新主體作用，構建產學研協同創新治理機制，培養產學研一體化的復合型創新人才，集中優勢資源突破制約發展的關鍵核心技術。

　　二是積極將規劃任務納入中央預算內投資項目、科技創新2030重大項目、水能相關重點研發計劃專項項目以及其他各類國家科技計劃項目和地方科技計劃項目，加強財政資金支持力度。

　　三是充分發揮國家能源水電工程技術研發中心、國家能源水能高效利用與大壩安全技術研發中心、國家水能風能研究中心等水電技術創新平臺的技術引領和示范作用，進一步優化和規范上述平臺的管理和考核評價，加大支持力度。    （作者系中國工程院院士）