全面推进水电工程智能化
“十四五”能源领域科技创新规划解读之七
马洪琪
一、《规划》编制的背景、意义及重点任务
21世纪以来，以三峡、南水北调工程为标志，中国水电开发进入了自主创新、引领发展的新阶段，先后建成了龙滩、水布垭、溪洛渡等工程，这一阶段我国更加关注巨型工程和超高坝的安全，注重环境保护，建设技术不断刷新世界纪录。
《“十四五”能源领域科技创新规划》（以下简称《规划》），分析了世界和我国能源科技发展形势，提出了发展目标和重点任务，建议了相关保障措施和支持政策等，抓住了能源领域的技术关键和行业痛点。《规划》对保障我国能源安全、应对气候变化和节能减排等具有重要作用，相关内容可为我国全面构建绿色低碳、安全高效的现代能源体系提供技术支撑，对推动能源革命，掌握核心关键技术话语权具有深远意义。
在水能发电技术方面，《规划》列出了3项重点任务。藏东南水电开发关键技术；水电基地可再生能源多能互补协同开发运行关键技术；水电工程健康诊断、升级改造和灾害防控技术。
二、水能科技发展的重大研究方向和技术挑战
我国水电工程建设能力和百万千瓦级水电机组成套设计制造能力领跑全球，水电工程建设技术已达到世界领先水平。然而，与引领能源革命的要求相比，水能科技创新仍存在一定差距。我国剩余水电资源主要集中在西部地区，尤其是青藏高原及其周边，水电开发面临着诸多挑战，同时，我国水电国际化发展也对水电行业高质量发展和技术创新提出了新的更高要求。
重点开展藏东南水电开发重大技术问题研究
高坝坝基深厚覆盖层。藏东南水电开发位于高山峡谷高地震烈度区，存在超深厚覆盖层问题，坝基抗滑稳定、抗震安全、变形稳定和渗透稳定给我们提出了巨大挑战，采用振冲碎石桩对深厚覆盖层进行处理，试验已取得成功，但是造价非常高昂。
“十四五”期间，需要重点对深厚覆盖层的物理力学特性进行深入研究。传统的钻孔取样存在扰动，不能真实反映覆盖层物理力学特性。除钻孔外，应打一个沉井，开展现场原位试验，搞清楚坝基持力层的物理力学性能，这样可以准确分析评估抗滑稳定和地震液化。
高坝坝型选择。超深厚覆盖层上最适宜的坝型是砾石土心墙堆石坝，但是藏东南工程坝址区土料性状复杂，处理难度大、运距远，因此可与沥青心墙堆石坝方案进行技术经济比较，沥青心墙堆石坝方案存在的主要问题是对坝基变形适应能力较差，需要进行专题研究，另外需要研究沥青心墙坝对藏东南地区气候的适应性。
复杂地质条件下深埋大直径引水隧洞和超大型地下洞室群。深埋大直径引水隧洞宜采用TBM施工，但深埋隧洞地应力高，面临岩爆和大变形问题，同时超大型地下厂房需要布置数十台大型水轮发电机组，这样的工程规模前所未有，大型地下洞室群的稳定和厂房安全问题需要特别关注，应重点开展岩爆的预报和防治措施研究，还要预防复杂地质条件下涌水突泥等地质灾害。
超高水头大容量水轮发电机组。超高水头大容量水轮发电机组设计制造是引水发电系统最难的问题。分两条线路研究两种机组，分别是1000米级水头大容量冲击式和600米级水头大容量混流式。1000米级水头的冲击式水轮机，目前世界上最大42万千瓦，现在要做到70万千瓦，设计制造难度很大，而且每个厂房装几十台，布置难度也很大。混流式机组，我们现在能做到100万千瓦，但水头只有300米级，国外600米级混流式机组的最大单机容量35万千瓦，要做到70万千瓦难度也很大。混流式机组可借鉴抽水蓄能机组，抽水蓄能600米水头做70万千瓦单机是可行的。该领域研究要坚持自主创新与国际合作相结合。
环境影响。藏东南水电开发位于高山峡谷区，山坡陡峻，施工布置难度大，土石方开挖量巨大，如何选择合适堆渣点、保障堆渣稳定安全、实现堆渣绿化，避免造成次生灾害及对环境造成有害影响，也给我们提出了很大挑战，需要开展绿色施工新技术新工艺的研究。
加强流域地质灾害监测预警和应急管理
我国已建成以澜沧江、金沙江、雅砻江、大渡河等为代表的流域梯级水库群，库岸稳定及流域地质灾害问题日益突出，亟须加强监测分析和应急管理，研究库岸空天地一体化的非接触式变形监测技术，逐步建立完善流域地质监测预警体系。
库岸变形监测对滑坡早期识别、分析评价、灾害防治及应急管理具有重要意义，但是传统监测方法难以适应大范围、连续、快速监测的要求。为此，我们提出了空天地多层次非接触式变形监测的总体思路：采用星载InSAR进行大范围普查，获取变形异常部位的大致范围；采用车/船/无人机载InSAR对库岸边坡进行区域巡查，确定重点部位；采用固定式InSAR进行重点核查和持续观测，获取重点部位重点时段的变形时序数据；特别重要部位进一步采用接触式安全监测方式进行长期观测。
后续应结合地质勘察成果、巡查成果、影像及各监测手段的数据等资料，研究提出滑坡预警指标；建立完善梯级库群岸坡安全监测手段与设施，采用5G、物联网、智慧计算等先进技术，集成监测数据收集处理、稳定性分析、预警预报、紧急应对预案为一体的梯级库群运行安全管理快速预警体系。
全面推进水电工程智能化
西部高海拔地区水电工程普遍面临“地质条件复杂、施工条件恶劣、生态环境脆弱”等制约性问题，常规开发难度巨大。应充分应用“智能建造”新技术、新理念，研发应用先进的信息化、数字化、智能化技术，实现工程安全、高效建设和运行。
糯扎渡、溪洛渡、黄登、白鹤滩、乌东德等电站已在智能建设方面进行了有益尝试，但基本着重于“数字大坝”和“智能建造管控”，在工程智慧感知、无线传输、动态监控、各阶段数据融合、大数据分析、评价预警、决策支持等方面还存在很多不足。
当前国内水电工程建设正处于全面数字化、部分智能化的阶段。“十四五”期间工程建设和管理要向全面智能化发展。建议从智能规划设计、智能建设、智慧运行管控等全方位、全过程开展水电工程智能建设技术研究，并研究建立行业统一的信息化体系及标准。
着力开展可再生能源多能互补技术研究
西南尤其是西藏地区后续水电开发成本高，单一开发水电经济性较差；通过水风光协同开发、多能互补，可打破各自为政的局面，并利用大型水电外送通道及水库调节性能，将风能、光伏发电等不稳定电能调节为稳定可靠电力，从而大幅提高电能质量和电力系统安全，同时可利用风电、光伏低成本优势，平抑水电上网电价，实现综合效益最大化。
建议以澜沧江上游、雅砻江等大型清洁能源基地为依托，攻克大型清洁能源基地水风光多能互补关键技术难题，提出多能互补成套技术体系，构建多能互补联合发电的协同优化调控系统，实现清洁能源高效消纳，保障电力系统安全，建成国家多能互补清洁能源示范基地。
加强大型流域梯级水库环境监测及联合调度技术研究
根据“水环境安全保障，水生态持续改善，水资源综合利用”等生态文明发展需求，大型流域水电滚动开发形成巨型梯级电站水库群后，应从监测站网智能布控、深水分层高精度采样、原位实时监控分析、湖库健康评价指标、多库联动生态调度等方面着手，研究建立梯级深大水库水环境在线感知、数据挖掘、动态分析、智能评估、实时预警、联动调控等方法体系，形成引领国内流域梯级水库水环境实时动态监控、潜在风险事件提前预判预警和水资源综合利用高效调度成套技术，实现流域梯级水库水环境和水生态安全的“数字化、信息化、智能化”管理。
三、《规划》保障措施
根据《规划》提出的保障措施，我认为应重点做好以下几点工作：
一是进一步强化以企业为主体，以市场为导向，产学研相结合的技术创新体系。企业要主动发挥创新主体作用，构建产学研协同创新治理机制，培养产学研一体化的复合型创新人才，集中优势资源突破制约发展的关键核心技术。
二是积极将规划任务纳入中央预算内投资项目、科技创新2030重大项目、水能相关重点研发计划专项项目以及其他各类国家科技计划项目和地方科技计划项目，加强财政资金支持力度。
三是充分发挥国家能源水电工程技术研发中心、国家能源水能高效利用与大坝安全技术研发中心、国家水能风能研究中心等水电技术创新平台的技术引领和示范作用，进一步优化和规范上述平台的管理和考核评价，加大支持力度。 （作者系中国工程院院士）
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