全面推進水電工程智能化

——“十四五”能源領域科技創(chuàng)新規(guī)劃解讀之七

馬洪琪

一、《規(guī)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(diào)工程為標志，中國水電開發(fā)進入了自主創(chuàng)新、引領發(fā)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(huán)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(chuàng)新規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》），分析了世界和我國能源科技發(fā)展形勢，提出了發(fā)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(yè)痛點。《規(guī)劃》對保障我國能源安全、應對氣候變化和節(jié)能減排等具有重要作用，相關內(nèi)容可為我國全面構建綠色低碳、安全高效的現(xiàn)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(fā)電技術方面，《規(guī)劃》列出了3項重點任務。藏東南水電開發(fā)關鍵技術；水電基地可再生能源多能互補協(xié)同開發(fā)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(fā)展的重大研究方向和技術挑戰(zhàn)

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(chuàng)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(qū)，尤其是青藏高原及其周邊，水電開發(fā)面臨著諸多挑戰(zhàn)，同時，我國水電國際化發(fā)展也對水電行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和技術創(chuàng)新提出了新的更高要求。

重點開展藏東南水電開發(fā)重大技術問題研究

高壩壩基深厚覆蓋層。藏東南水電開發(fā)位于高山峽谷高地震烈度區(qū)，存在超深厚覆蓋層問題，壩基抗滑穩(wěn)定、抗震安全、變形穩(wěn)定和滲透穩(wěn)定給我們提出了巨大挑戰(zhàn)，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(tǒng)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(xiàn)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(wěn)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(qū)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(jīng)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(qū)氣候的適應性。

復雜地質(zhì)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(shù)十臺大型水輪發(fā)電機組，這樣的工程規(guī)模前所未有，大型地下洞室群的穩(wěn)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(zhì)條件下涌水突泥等地質(zhì)災害。

超高水頭大容量水輪發(fā)電機組。超高水頭大容量水輪發(fā)電機組設計制造是引水發(fā)電系統(tǒng)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(xiàn)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。混流式機組，我們現(xiàn)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。混流式機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(chuàng)新與國際合作相結合。

環(huán)境影響。藏東南水電開發(fā)位于高山峽谷區(qū)，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(wěn)定安全、實現(xiàn)堆渣綠化，避免造成次生災害及對環(huán)境造成有害影響，也給我們提出了很大挑戰(zhàn)，需要開展綠色施工新技術新工藝的研究。

加強流域地質(zhì)災害監(jiān)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(wěn)定及流域地質(zhì)災害問題日益突出，亟須加強監(jiān)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(jiān)測技術，逐步建立完善流域地質(zhì)監(jiān)測預警體系。

庫岸變形監(jiān)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(tǒng)監(jiān)測方法難以適應大范圍、連續(xù)、快速監(jiān)測的要求。為此，我們提出了空天地多層次非接觸式變形監(jiān)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(qū)域巡查，確定重點部位；采用固定式InSAR進行重點核查和持續(xù)觀測，獲取重點部位重點時段的變形時序數(shù)據(jù)；特別重要部位進一步采用接觸式安全監(jiān)測方式進行長期觀測。

后續(xù)應結合地質(zhì)勘察成果、巡查成果、影像及各監(jiān)測手段的數(shù)據(jù)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(jiān)測手段與設施，采用5G、物聯(lián)網(wǎng)、智慧計算等先進技術，集成監(jiān)測數(shù)據(jù)收集處理、穩(wěn)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(qū)水電工程普遍面臨“地質(zhì)條件復雜、施工條件惡劣、生態(tài)環(huán)境脆弱”等制約性問題，常規(guī)開發(fā)難度巨大。應充分應用“智能建造”新技術、新理念，研發(fā)應用先進的信息化、數(shù)字化、智能化技術，實現(xiàn)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(shù)字大壩”和“智能建造管控”，在工程智慧感知、無線傳輸、動態(tài)監(jiān)控、各階段數(shù)據(jù)融合、大數(shù)據(jù)分析、評價預警、決策支持等方面還存在很多不足。

當前國內(nèi)水電工程建設正處于全面數(shù)字化、部分智能化的階段。“十四五”期間工程建設和管理要向全面智能化發(fā)展。建議從智能規(guī)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(yè)統(tǒng)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(qū)后續(xù)水電開發(fā)成本高，單一開發(fā)水電經(jīng)濟性較差；通過水風光協(xié)同開發(fā)、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(diào)節(jié)性能，將風能、光伏發(fā)電等不穩(wěn)定電能調(diào)節(jié)為穩(wěn)定可靠電力，從而大幅提高電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)安全，同時可利用風電、光伏低成本優(yōu)勢，平抑水電上網(wǎng)電價，實現(xiàn)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(lián)合發(fā)電的協(xié)同優(yōu)化調(diào)控系統(tǒng)，實現(xiàn)清潔能源高效消納，保障電力系統(tǒng)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(huán)境監(jiān)測及聯(lián)合調(diào)度技術研究

根據(jù)“水環(huán)境安全保障，水生態(tài)持續(xù)改善，水資源綜合利用”等生態(tài)文明發(fā)展需求，大型流域水電滾動開發(fā)形成巨型梯級電站水庫群后，應從監(jiān)測站網(wǎng)智能布控、深水分層高精度采樣、原位實時監(jiān)控分析、湖庫健康評價指標、多庫聯(lián)動生態(tài)調(diào)度等方面著手，研究建立梯級深大水庫水環(huán)境在線感知、數(shù)據(jù)挖掘、動態(tài)分析、智能評估、實時預警、聯(lián)動調(diào)控等方法體系，形成引領國內(nèi)流域梯級水庫水環(huán)境實時動態(tài)監(jiān)控、潛在風險事件提前預判預警和水資源綜合利用高效調(diào)度成套技術，實現(xiàn)流域梯級水庫水環(huán)境和水生態(tài)安全的“數(shù)字化、信息化、智能化”管理。

三、《規(guī)劃》保障措施

根據(jù)《規(guī)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(yè)為主體，以市場為導向，產(chǎn)學研相結合的技術創(chuàng)新體系。企業(yè)要主動發(fā)揮創(chuàng)新主體作用，構建產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新治理機制，培養(yǎng)產(chǎn)學研一體化的復合型創(chuàng)新人才，集中優(yōu)勢資源突破制約發(fā)展的關鍵核心技術。

二是積極將規(guī)劃任務納入中央預算內(nèi)投資項目、科技創(chuàng)新2030重大項目、水能相關重點研發(fā)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(fā)揮國家能源水電工程技術研發(fā)中心、國家能源水能高效利用與大壩安全技術研發(fā)中心、國家水能風能研究中心等水電技術創(chuàng)新平臺的技術引領和示范作用，進一步優(yōu)化和規(guī)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）

責任編輯：蘇偉

關鍵詞： 科技創(chuàng)新 全面推進