全面推進(jìn)水電工程智能化

——“十四五”能源領(lǐng)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(diǎn)任務(wù)

21世紀(jì)以來(lái)，以三峽、南水北調(diào)工程為標(biāo)志，中國(guó)水電開(kāi)發(fā)進(jìn)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、溪洛渡等工程，這一階段我國(guó)更加關(guān)注巨型工程和超高壩的安全，注重環(huán)境保護(hù)，建設(shè)技術(shù)不斷刷新世界紀(jì)錄。

《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》），分析了世界和我國(guó)能源科技發(fā)展形勢(shì)，提出了發(fā)展目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)，建議了相關(guān)保障措施和支持政策等，抓住了能源領(lǐng)域的技術(shù)關(guān)鍵和行業(yè)痛點(diǎn)?！兑?guī)劃》對(duì)保障我國(guó)能源安全、應(yīng)對(duì)氣候變化和節(jié)能減排等具有重要作用，相關(guān)內(nèi)容可為我國(guó)全面構(gòu)建綠色低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系提供技術(shù)支撐，對(duì)推動(dòng)能源革命，掌握核心關(guān)鍵技術(shù)話語(yǔ)權(quán)具有深遠(yuǎn)意義。

在水能發(fā)電技術(shù)方面，《規(guī)劃》列出了3項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)。藏東南水電開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)；水電基地可再生能源多能互補(bǔ)協(xié)同開(kāi)發(fā)運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)；水電工程健康診斷、升級(jí)改造和災(zāi)害防控技術(shù)。

二、水能科技發(fā)展的重大研究方向和技術(shù)挑戰(zhàn)

我國(guó)水電工程建設(shè)能力和百萬(wàn)千瓦級(jí)水電機(jī)組成套設(shè)計(jì)制造能力領(lǐng)跑全球，水電工程建設(shè)技術(shù)已達(dá)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。我國(guó)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(kāi)發(fā)面臨著諸多挑戰(zhàn)，同時(shí)，我國(guó)水電國(guó)際化發(fā)展也對(duì)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。

重點(diǎn)開(kāi)展藏東南水電開(kāi)發(fā)重大技術(shù)問(wèn)題研究

高壩壩基深厚覆蓋層。藏東南水電開(kāi)發(fā)位于高山峽谷高地震烈度區(qū)，存在超深厚覆蓋層問(wèn)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(duì)深厚覆蓋層進(jìn)行處理，試驗(yàn)已取得成功，但是造價(jià)非常高昂。

“十四五”期間，需要重點(diǎn)對(duì)深厚覆蓋層的物理力學(xué)特性進(jìn)行深入研究。傳統(tǒng)的鉆孔取樣存在擾動(dòng)，不能真實(shí)反映覆蓋層物理力學(xué)特性。除鉆孔外，應(yīng)打一個(gè)沉井，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，搞清楚壩基持力層的物理力學(xué)性能，這樣可以準(zhǔn)確分析評(píng)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(fù)雜，處理難度大、運(yùn)距遠(yuǎn)，因此可與瀝青心墻堆石壩方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，瀝青心墻堆石壩方案存在的主要問(wèn)題是對(duì)壩基變形適應(yīng)能力較差，需要進(jìn)行專題研究，另外需要研究瀝青心墻壩對(duì)藏東南地區(qū)氣候的適應(yīng)性。

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(wèn)題，同時(shí)超大型地下廠房需要布置數(shù)十臺(tái)大型水輪發(fā)電機(jī)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(wèn)題需要特別關(guān)注，應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)展巖爆的預(yù)報(bào)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。

超高水頭大容量水輪發(fā)電機(jī)組。超高水頭大容量水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)制造是引水發(fā)電系統(tǒng)最難的問(wèn)題。分兩條線路研究?jī)煞N機(jī)組，分別是1000米級(jí)水頭大容量沖擊式和600米級(jí)水頭大容量混流式。1000米級(jí)水頭的沖擊式水輪機(jī)，目前世界上最大42萬(wàn)千瓦，現(xiàn)在要做到70萬(wàn)千瓦，設(shè)計(jì)制造難度很大，而且每個(gè)廠房裝幾十臺(tái)，布置難度也很大。混流式機(jī)組，我們現(xiàn)在能做到100萬(wàn)千瓦，但水頭只有300米級(jí)，國(guó)外600米級(jí)混流式機(jī)組的最大單機(jī)容量35萬(wàn)千瓦，要做到70萬(wàn)千瓦難度也很大?；炝魇綑C(jī)組可借鑒抽水蓄能機(jī)組，抽水蓄能600米水頭做70萬(wàn)千瓦單機(jī)是可行的。該領(lǐng)域研究要堅(jiān)持自主創(chuàng)新與國(guó)際合作相結(jié)合。

環(huán)境影響。藏東南水電開(kāi)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(kāi)挖量巨大，如何選擇合適堆渣點(diǎn)、保障堆渣穩(wěn)定安全、實(shí)現(xiàn)堆渣綠化，避免造成次生災(zāi)害及對(duì)環(huán)境造成有害影響，也給我們提出了很大挑戰(zhàn)，需要開(kāi)展綠色施工新技術(shù)新工藝的研究。

加強(qiáng)流域地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警和應(yīng)急管理

我國(guó)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(jí)水庫(kù)群，庫(kù)岸穩(wěn)定及流域地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題日益突出，亟須加強(qiáng)監(jiān)測(cè)分析和應(yīng)急管理，研究庫(kù)岸空天地一體化的非接觸式變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，逐步建立完善流域地質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系。

庫(kù)岸變形監(jiān)測(cè)對(duì)滑坡早期識(shí)別、分析評(píng)價(jià)、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(cè)方法難以適應(yīng)大范圍、連續(xù)、快速監(jiān)測(cè)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(cè)的總體思路：采用星載InSAR進(jìn)行大范圍普查，獲取變形異常部位的大致范圍；采用車/船/無(wú)人機(jī)載InSAR對(duì)庫(kù)岸邊坡進(jìn)行區(qū)域巡查，確定重點(diǎn)部位；采用固定式InSAR進(jìn)行重點(diǎn)核查和持續(xù)觀測(cè)，獲取重點(diǎn)部位重點(diǎn)時(shí)段的變形時(shí)序數(shù)據(jù)；特別重要部位進(jìn)一步采用接觸式安全監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。

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(cè)手段的數(shù)據(jù)等資料，研究提出滑坡預(yù)警指標(biāo)；建立完善梯級(jí)庫(kù)群岸坡安全監(jiān)測(cè)手段與設(shè)施，采用5G、物聯(lián)網(wǎng)、智慧計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，集成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集處理、穩(wěn)定性分析、預(yù)警預(yù)報(bào)、緊急應(yīng)對(duì)預(yù)案為一體的梯級(jí)庫(kù)群運(yùn)行安全管理快速預(yù)警體系。

全面推進(jìn)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(wèn)題，常規(guī)開(kāi)發(fā)難度巨大。應(yīng)充分應(yīng)用“智能建造”新技術(shù)、新理念，研發(fā)應(yīng)用先進(jìn)的信息化、數(shù)字化、智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工程安全、高效建設(shè)和運(yùn)行。

糯扎渡、溪洛渡、黃登、白鶴灘、烏東德等電站已在智能建設(shè)方面進(jìn)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(wú)線傳輸、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、各階段數(shù)據(jù)融合、大數(shù)據(jù)分析、評(píng)價(jià)預(yù)警、決策支持等方面還存在很多不足。

當(dāng)前國(guó)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(jì)、智能建設(shè)、智慧運(yùn)行管控等全方位、全過(guò)程開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)。

著力開(kāi)展可再生能源多能互補(bǔ)技術(shù)研究

西南尤其是西藏地區(qū)后續(xù)水電開(kāi)發(fā)成本高，單一開(kāi)發(fā)水電經(jīng)濟(jì)性較差；通過(guò)水風(fēng)光協(xié)同開(kāi)發(fā)、多能互補(bǔ)，可打破各自為政的局面，并利用大型水電外送通道及水庫(kù)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，同時(shí)可利用風(fēng)電、光伏低成本優(yōu)勢(shì)，平抑水電上網(wǎng)電價(jià)，實(shí)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(bǔ)關(guān)鍵技術(shù)難題，提出多能互補(bǔ)成套技術(shù)體系，構(gòu)建多能互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電的協(xié)同優(yōu)化調(diào)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)清潔能源高效消納，保障電力系統(tǒng)安全，建成國(guó)家多能互補(bǔ)清潔能源示范基地。

加強(qiáng)大型流域梯級(jí)水庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(dòng)開(kāi)發(fā)形成巨型梯級(jí)電站水庫(kù)群后，應(yīng)從監(jiān)測(cè)站網(wǎng)智能布控、深水分層高精度采樣、原位實(shí)時(shí)監(jiān)控分析、湖庫(kù)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)、多庫(kù)聯(lián)動(dòng)生態(tài)調(diào)度等方面著手，研究建立梯級(jí)深大水庫(kù)水環(huán)境在線感知、數(shù)據(jù)挖掘、動(dòng)態(tài)分析、智能評(píng)估、實(shí)時(shí)預(yù)警、聯(lián)動(dòng)調(diào)控等方法體系，形成引領(lǐng)國(guó)內(nèi)流域梯級(jí)水庫(kù)水環(huán)境實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控、潛在風(fēng)險(xiǎn)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(shí)現(xiàn)流域梯級(jí)水庫(kù)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(rèn)為應(yīng)重點(diǎn)做好以下幾點(diǎn)工作：

一是進(jìn)一步強(qiáng)化以企業(yè)為主體，以市場(chǎng)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)要主動(dòng)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(jī)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(shì)資源突破制約發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)。

二是積極將規(guī)劃任務(wù)納入中央預(yù)算內(nèi)投資項(xiàng)目、科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、水能相關(guān)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)項(xiàng)目以及其他各類國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目和地方科技計(jì)劃項(xiàng)目，加強(qiáng)財(cái)政資金支持力度。

三是充分發(fā)揮國(guó)家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心、國(guó)家能源水能高效利用與大壩安全技術(shù)研發(fā)中心、國(guó)家水能風(fēng)能研究中心等水電技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)的技術(shù)引領(lǐng)和示范作用，進(jìn)一步優(yōu)化和規(guī)范上述平臺(tái)的管理和考核評(píng)價(jià)，加大支持力度。 （作者系中國(guó)工程院院士）

責(zé)任編輯：蘇偉

關(guān)鍵詞： 科技創(chuàng)新 全面推進(jìn)