一、背景和意義
能源安全是關(guān)系國家經(jīng)濟社會發(fā)展的全局性、戰(zhàn)略性問題，對國家繁榮發(fā)展、人民生活改善、社會長治久安至關(guān)重要。我國能源稟賦的特點是富煤、少油、缺氣，能源消費結(jié)構(gòu)中，化石能源超過80%，石油對外依存度達70%，能源產(chǎn)業(yè)面臨保安全、轉(zhuǎn)方式、調(diào)結(jié)構(gòu)、補短板等嚴峻挑戰(zhàn)。此外，我國發(fā)展起步晚，累計二氧化碳排放量是美國的二分之一，但碳排放增長迅速，2020年全國碳排放超過100億噸，占世界的28%，為世界上最大的碳排放國。面對氣候變化、環(huán)境風(fēng)險挑戰(zhàn)、能源資源約束等日益嚴峻的全球問題，世界主要國家紛紛加快了低碳化甚至“去碳化”能源體系發(fā)展步伐。黨的十八大以來，我國積極踐行“四個革命、一個合作”能源安全新戰(zhàn)略，2020年9月22日，習(xí)近平主席在第75屆聯(lián)合國大會代表中國政府鄭重承諾，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，力爭于2030年前實現(xiàn)二氧化碳排放達峰，并努力爭取于2060年前實現(xiàn)碳中和。
當(dāng)今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，我國能源發(fā)展不確定性因素增加，約束條件增多，新一代信息技術(shù)快速發(fā)展和變革，在“碳達峰、碳中和”、生態(tài)文明建設(shè)和“六穩(wěn)六保”等總體要求下，我們應(yīng)牢牢把握能源科技創(chuàng)新在能源革命中的決定性作用，積極推進云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、金融科技等技術(shù)與能源產(chǎn)業(yè)深度融合，助力能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和低碳化轉(zhuǎn)型。
實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵是能源系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型，其中關(guān)鍵的著力點是提高水、風(fēng)、光等可再生能源在一次能源消費中的占比。風(fēng)電、光伏具有隨機性和間歇性，大規(guī)模上馬對電網(wǎng)安全穩(wěn)定和電能質(zhì)量提出巨大挑戰(zhàn)，而水電具有良好的調(diào)節(jié)性能，以水電為基礎(chǔ)，統(tǒng)籌匯集風(fēng)光新能源電力，實現(xiàn)源-網(wǎng)-荷-儲一體化開發(fā)，可避免新能源單兵突進帶來的系統(tǒng)風(fēng)險。
我國的水能資源極為豐富，技術(shù)可開發(fā)容量達6.87億KW，年發(fā)電量約3萬億KW·h。2020年水電裝機3.7億千瓦（含抽水蓄能3149萬千瓦），發(fā)電量1.36萬億KW·h，相當(dāng)于替代4.1億噸標煤，減排10.5億噸二氧化碳。目前，我國水電開發(fā)率為49.3%，剩余水電開發(fā)潛力仍然巨大，僅藏東南部分河段，裝機約6000萬KW，年電量3000億KW·h，相當(dāng)于3個三峽工程，每年可提供近3000億度清潔、可再生、零碳的電力。水電作為綠色清潔能源，在我國實現(xiàn)雙碳目標中扮演著獨特作用，2013年我國曾因為水電的大發(fā)展，而一度實現(xiàn)了碳達峰。
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(lǐng)發(fā)展的新階段，先后建成了龍灘、水布埡、小灣、溪洛渡、錦屏一級等工程，這一階段我國更加關(guān)注巨型工程和超高壩的安全，注重環(huán)境保護，建設(shè)技術(shù)不斷刷新世界紀錄。新階段水電開發(fā)必須貫徹新發(fā)展理念，開創(chuàng)新發(fā)展格局；必須創(chuàng)新設(shè)計思維，統(tǒng)籌水電開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護、移民致富和新能源建設(shè)的關(guān)系；必須增強科技創(chuàng)新引領(lǐng)和信息化支撐作用才能更好面對后續(xù)一系列世界級電站的挑戰(zhàn)。
“十四五”是“兩個一百年”奮斗目標的歷史交匯期，是加快推進能源技術(shù)革命的關(guān)鍵時期。“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃，分析了世界和我國能源科技發(fā)展形勢，提出了擬列入規(guī)劃的發(fā)展目標和重點任務(wù)，建議了相關(guān)保障措施和政策支持等，抓住了能源領(lǐng)域的技術(shù)關(guān)鍵和行業(yè)痛點，規(guī)劃編制對保障我國能源安全、應(yīng)對氣候變化和節(jié)能減排等方面具有重要作用，相關(guān)內(nèi)容可為我國全面構(gòu)建綠色低碳、安全高效的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系提供技術(shù)支撐，對推動能源革命，掌握核心關(guān)鍵技術(shù)話語權(quán)具有深遠意義。
二、規(guī)劃編制的思想和重點任務(wù)
規(guī)劃編制的指導(dǎo)思想是：以習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想為指導(dǎo)，深入貫徹黨的十九大和十九屆二中、三中、四中、五中全會精神，全面落實“四個革命、一個合作”能源安全戰(zhàn)略和創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，聚焦保障能源安全、促進能源轉(zhuǎn)型、引領(lǐng)能源革命和支撐“碳達峰、碳中和”目標等重大需求，堅持創(chuàng)新在能源發(fā)展全局中的核心地位，統(tǒng)籌發(fā)展與安全，以實現(xiàn)能源科技自立自強為重點，以完善能源科技創(chuàng)新體系為依托，著力補強能源技術(shù)裝備“短板”和鍛造能源技術(shù)裝備“長板”，支撐增強能源持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)和風(fēng)險管控能力，引領(lǐng)清潔低碳、安全高效的能源體系建設(shè)。
在水能發(fā)電技術(shù)方面，規(guī)劃列出了三項重點任務(wù)，第一是藏東南水電開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，主要開展Ⅷ度地震烈度區(qū)超深厚覆蓋層上筑壩技術(shù)攻關(guān)；開展復(fù)雜條件下超大型地下洞室群建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究；研發(fā)750～1000米水頭水斗式和600米級水頭混流式大容量水輪發(fā)電機組關(guān)鍵裝備；研發(fā)高寒高海拔地區(qū)生態(tài)保護技術(shù)，做好藏東南地區(qū)水電綠色開發(fā)技術(shù)儲備。第二是水電基地可再生能源多能互補協(xié)同開發(fā)運行關(guān)鍵技術(shù)，主要開展基于氣象水文預(yù)報和流域綜合監(jiān)測技術(shù)，考慮綜合利用多目標協(xié)調(diào)，關(guān)注重點區(qū)域生態(tài)保護，面向電力市場需求的流域梯級水電站聯(lián)合調(diào)度研究；構(gòu)建基于水電和新能源發(fā)電預(yù)報預(yù)測技術(shù)的多能互補調(diào)度模型，支撐梯級水電、抽水蓄能電站與間歇性可再生能源互補協(xié)同開發(fā)運行，研究基于梯級水電站的大型儲能項目技術(shù)可行性及工程經(jīng)濟性，適時開展工程示范。第三是水電工程健康診斷、升級改造和災(zāi)害防控技術(shù)，主要開展大壩性態(tài)及庫區(qū)智能監(jiān)測與巡查、大壩健康診斷技術(shù)研究；突破結(jié)構(gòu)增強、滲漏檢測與治理、增容改造、水下修復(fù)、金屬結(jié)構(gòu)維護、大壩拆除和重建等升級改造技術(shù)。開展流域大型滑坡穩(wěn)定性、致災(zāi)機制與預(yù)警指標、滑坡災(zāi)害監(jiān)測體系、堰塞湖形成與潰決、災(zāi)害風(fēng)險防控等研究。研究和示范滿足防災(zāi)應(yīng)急和維護檢修的高壩大庫放空關(guān)鍵技術(shù)。
三、水能科技發(fā)展的重大研究方向和技術(shù)挑戰(zhàn)
我國水能資源總量、水電裝機容量和年發(fā)電量均居于世界首位，水電工程建設(shè)能力和百萬千瓦級水電機組成套設(shè)計制造能力領(lǐng)跑全球，水電工程建設(shè)技術(shù)已達到世界領(lǐng)先水平。然而，與引領(lǐng)能源革命的要求相比，水能科技創(chuàng)新仍存在一定差距，原創(chuàng)性和引領(lǐng)性顛覆技術(shù)偏少，技術(shù)創(chuàng)新體系建立仍不完善，“卡脖子”問題依然存在。我國剩余水電資源主要集中在我國西部地區(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)，包括更為復(fù)雜的建設(shè)條件、更高的生態(tài)環(huán)境保護和社會公共要求、更嚴峻的經(jīng)濟性挑戰(zhàn)以及大規(guī)模新能源建設(shè)和上網(wǎng)對水電的調(diào)峰運行需求等，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(shù)創(chuàng)新提出了新的更高要求。
（一）重點開展藏東南水電開發(fā)重大技術(shù)問題研究
“十三五”期間及后續(xù)水電開發(fā)主要集中在青藏高原及其邊緣地帶，特別是藏東南水電基地，基地采用“截彎取直+小沿江”的開發(fā)方案，包括一個多年調(diào)節(jié)水庫，一個調(diào)節(jié)池，三個大型地下廠房發(fā)電系統(tǒng)和一個反調(diào)節(jié)水庫，總裝機約6000萬千瓦，年發(fā)電量約3000億度，這個規(guī)劃方案是一個比較好的方案，可以避開沿江大型滑坡地質(zhì)災(zāi)害等很多問題。下面集中談?wù)剮讉€重大難題。
1．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，能夠處理，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(xué)特性進行深入研究，這是安全評估和處理方案研究的基礎(chǔ)。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(xué)特性，除鉆孔外，應(yīng)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(xué)性狀，這樣可以準確分析評估抗滑穩(wěn)定和地震液化。
2．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(fù)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(shù)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(yīng)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(yīng)性。
3．復(fù)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(yīng)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(guān)注，應(yīng)重點開展巖爆的預(yù)報和防治措施研究，還要預(yù)防復(fù)雜地質(zhì)條件下涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害。
強烈?guī)r爆的預(yù)報及治理可借鑒錦屏二級工程經(jīng)驗，涌水突泥的治理可借助我國有關(guān)調(diào)水工程的治理經(jīng)驗，白鶴灘水電站左右岸大型地下廠房各布置了8臺百萬千瓦機組，也可為我們提供相關(guān)工程經(jīng)驗。
4．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(shè)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1000m級水頭大容量沖擊式和600m級水頭大容量混流式。1000m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(shè)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(xiàn)在能做到100萬千瓦，但水頭只有300m級，國外600m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600m水頭做70萬千瓦單機是可以的。該領(lǐng)域研究要堅持自主創(chuàng)新與國際合作相結(jié)合。
5．環(huán)境影響
藏東南水電開發(fā)位于生態(tài)脆弱地區(qū)，涉及國家級自然保護區(qū)及國家珍惜保護植物，需對相關(guān)問題進行專題研究，開展環(huán)境影響評估。
藏東南水電開發(fā)位于高山峽谷區(qū)，山坡陡峻，施工總布置難度大，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(zāi)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(shù)新工藝的研究。
（二）加強流域地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和應(yīng)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(zāi)害問題日益突出，亟需加強監(jiān)測分析和應(yīng)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(shù)，逐步建立完善流域地質(zhì)監(jiān)測預(yù)警體系。
庫岸變形監(jiān)測對滑坡早期識別、分析評價、災(zāi)害防治及應(yīng)急管理具有重要意義，但是傳統(tǒng)監(jiān)測方法難以適應(yīng)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(yīng)結(jié)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(yù)警指標；建立完善梯級庫群岸坡安全監(jiān)測手段與設(shè)施，采用5G、物聯(lián)網(wǎng)、智慧計算等先進技術(shù)，集成監(jiān)測數(shù)據(jù)收集處理、穩(wěn)定性分析、預(yù)警預(yù)報、緊急應(yīng)對預(yù)案為一體的梯級庫群運行安全管理快速預(yù)警體系。
（三）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(fù)雜，施工條件惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱”等制約性問題，給工程建設(shè)和運行管理帶來了很大困難，常規(guī)開發(fā)方式難度巨大。因此，應(yīng)充分應(yīng)用“智能建造”新技術(shù)、新理念，研發(fā)應(yīng)用最先進信息化、數(shù)字化、智能化技術(shù)，實現(xiàn)工程安全、高效建設(shè)和運行。風(fēng)電、光伏等新能源的集群化管控同樣離不開信息化和智能化手段。
糯扎渡、溪洛渡、黃登、白鶴灘、烏東德等電站已進行了智能建設(shè)方面的有益嘗試，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、BIM深化應(yīng)用、各階段數(shù)據(jù)融合、大數(shù)據(jù)分析、評價預(yù)警、決策支持等方面還存在很多不足。
當(dāng)前國內(nèi)水電工程建設(shè)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(shè)和管理要向全面智能化發(fā)展。建議從智能規(guī)劃設(shè)計、智能建設(shè)、智慧運行管控等全方位、全過程開展水電工程智能建設(shè)技術(shù)研究，并研究建立行業(yè)統(tǒng)一的信息化體系及標準。
（四）著力開展可再生能源多能互補技術(shù)研究
風(fēng)能和光伏發(fā)電具有隨機性、間歇性和波動性的特點，造成電能質(zhì)量不穩(wěn)定，大規(guī)模并網(wǎng)對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提出巨大挑戰(zhàn)，同時單獨遠距離輸電的經(jīng)濟性較差。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(fēng)光協(xié)同開發(fā)、多能互補，可打破各自為陣的劣勢局面，并利用大型水電外送通道及水庫調(diào)節(jié)性能，將風(fēng)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，增加輸電通道利用率，同時可利用風(fēng)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(fēng)光多能互補關(guān)鍵技術(shù)難題，提出多能互補成套技術(shù)體系，構(gòu)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。
（五）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(shù)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(yīng)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(yù)警、聯(lián)動調(diào)控等方法體系，形成引領(lǐng)國內(nèi)流域梯級水庫水環(huán)境實時動態(tài)監(jiān)控、潛在風(fēng)險事件提前預(yù)判預(yù)警和水資源綜合利用高效調(diào)度成套技術(shù)，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。
為延長大型流域水文預(yù)報有效預(yù)見期、降低預(yù)報誤差，應(yīng)利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演技術(shù)、中尺度數(shù)值天氣預(yù)報模型、分布式水文模型、實用水文預(yù)報模型、融雪徑流模型等技術(shù)和方法，研發(fā)流域氣象水文一體化預(yù)報系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，提出大型流域中長期徑流預(yù)報優(yōu)選方案和梯級電站群多目標聯(lián)合調(diào)度模型。
四、規(guī)劃保障措施
規(guī)劃提出了健全能源科技創(chuàng)新協(xié)同機制、完善能源科技創(chuàng)新平臺體系、推動能源科技成果是否應(yīng)用、突出企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新主體地位、優(yōu)化能源行業(yè)技術(shù)標準體系、加大規(guī)劃任務(wù)資金支持力度、加強能源科技創(chuàng)新國際合作、加速能源科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)等方面保障措施，保障措施很健全，落實好可有效保障規(guī)劃的實施。我認為應(yīng)重點做好以下幾點：
第一是進一步強化以企業(yè)為主體，以市場為導(dǎo)向，產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系。企業(yè)直接面對水電市場，是市場的主體、創(chuàng)新的主體，也是科技和經(jīng)濟緊密結(jié)合的重要力量，激發(fā)企業(yè)創(chuàng)新主體作用，可以在很大程度上克服科技與產(chǎn)業(yè)“兩張皮”現(xiàn)象。企業(yè)要主動發(fā)揮創(chuàng)新主體作用，構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新治理機制，培養(yǎng)產(chǎn)學(xué)研一體化的復(fù)合型創(chuàng)新人才，集中優(yōu)勢資源突破制約發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)。
第二是積極將規(guī)劃任務(wù)納入中央預(yù)算內(nèi)投資項目、科技創(chuàng)新2030—重大項目、水能相關(guān)重點研發(fā)計劃重點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。
第三是充分發(fā)揮國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心、國家能源水能高效利用與大壩安全技術(shù)研發(fā)中心、國家水能風(fēng)能研究中心等水電技術(shù)創(chuàng)新平臺的技術(shù)引領(lǐng)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。
五、結(jié)語
應(yīng)對氣候變化、控制碳排放是人類在21世紀面臨的重大挑戰(zhàn)之一，水能是可再生的清潔能源，能夠更好地完善我們的能源結(jié)構(gòu)，幫助我們更好地應(yīng)對氣候變化的挑戰(zhàn)，在我國實現(xiàn)雙碳目標中扮演著獨特作用。“十四五”是加快推進能源技術(shù)革命的關(guān)鍵時期，《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》是“十四五”我國推進能源技術(shù)革命的綱領(lǐng)性文件，緊密圍繞國家能源發(fā)展重大需求和能源技術(shù)革命重大趨勢。規(guī)劃部署了重大科技創(chuàng)新任務(wù)，提出了水能發(fā)電技術(shù)需重點研發(fā)的技術(shù)和示范試驗，我們水電人員應(yīng)根據(jù)規(guī)劃，匯聚行業(yè)優(yōu)勢資源，加強科技創(chuàng)新，深度融合信息化手段，突破制約發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)，實現(xiàn)我國水電技術(shù)全面領(lǐng)跑全球。
來源：中國電力報，作者：中國工程院院士馬洪琪
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