何学民对美国哥伦比亚河龙头电站大古力及中外水电的对比研究

何学民对美国哥伦比亚河龙头电站大古力及中外水电的对比研究摘要：本文介绍了美国西北地区哥伦比亚河流域的龙头电站——大古力水电站，介绍了欧美国家在水电开发中的“确定电量”概念，并对中外水电开发进行了对比，提出我国的水电站可能存在装机容量偏大的问题。

“一些国家的水电工程师总是以自己认为正确的方式开发水电，而不是以世界公认的正确方式开发水电。

”“虽然不是只有世界公认的水电开发方式才是最好的方式，但是‘世界公认的水电开发方式’，之所以能够被‘世界公认’，其中总是有其可取之处，值得水电工程师借鉴思考。

”“水电开发中，国与国之间不缺少交流，只是缺乏深度的了解，仔细的思考和适度的借鉴。

意识形态不同，社会制度各异，经济参差不齐，这些的确都是一种客观存在，但是不能成为不互相吸取教训和借鉴经验的借口。

”“水电资源丰富，绝对不是可以随便浪费和滥开滥采的理由。

”麻省理工学院博士的话语一直在我耳边回荡。

为此，让我们走进哥伦比亚流域的龙头水电站——大古力水电站，对美国水电进行更深刻的探寻。

一、大古力水电站概况大古力水电站位于美国西北地区华盛顿州的中部。

它是美国最伟大的工程之一，除了648万千瓦的装机容量，还灌溉了哥伦比亚流域一半以上的土地，为人类提供了巨大的野生动物保护区和人类娱乐活动区；同时也在洪水管理中发挥着重要作用。

大古力水电站由美国垦务局修建，据美国人讲，它是“美国第一、世界第三”大水电站。

1917年春天，美国的一个名叫克里普（William M. Clapp）的律师首次提出建设大古力水电站，得到了周边的居民的大力支持，从而引起政府的关注。

最初的可行性研究于上世纪20年代进行，工程目的是提供灌溉用水。

尽管提议受到广泛支持，但也有人提出其它的灌溉方案，如从Pend Oreille river中引水浇灌土地。

最后倾向于修建大古力水坝的方案由美国工程师兵团于1931年提出，并提交给美国国会。

1932年，美国恳务局则提交了水坝设计的详细方案，有力地支持了大古力水坝的上马。

1933年，美国华盛顿州拨款37.7万美元，美国国会拨款6300万美元，作为工程的起始资金。

由于蓄水时不能将水回到加拿大境内，所以国会决定美国和加拿大之间的边境线就是水库回水的终点，并以此来决定大古力水坝的修建高度。

但是此时美国西北地区的电力已经出现富余，而且以后几年用电需求也被预测是增长缓慢，因此，最初人们提出的是低坝方案。

这将使大古力水坝比以加拿大边境线为约束定出的坝高低200英尺。

按照这一方案，大古力水坝将只能提供灌溉、防洪和有限的电能。

罗斯福总统提议出建坝，并请高等法院作出裁决，最后美国国会开会进行表决同意建设该坝，并授权该坝具有控制洪水、改建航运、调节水位、为公有土地和印地安保护区提供灌溉以及其他效益的功能。

在水坝建设高度上，也非常有远见地提出要把该坝建为“将来可以加高也可以扩大装机容量”的电站。

工程开挖于1933年12月开始，同时也开始了三通一平工作。

1935年8月，水坝的主体工程已经建成，而发电厂房和抽水泵站还在建设之中。

由于二次世界大战爆发，美国西北地区对铝的需求飞速增加，发电成为水坝的优先任务，灌溉的功能被推迟。

在战争期间，6台机组并网发电，还有两台机组等待安装。

二次世界大战结束后，水坝的功能重新被定义为灌溉，1946年泵站恢复建设，1951年发电站和6.5万匹马力的泵站已经做好运行准备。

最早的库水是被引到BANK 湖，第一年，只有6.6万ACRE的土地得到灌溉。

从此以后，这一数字快速增加，同时也修建了虹吸、引水上山渠道和泵站等附属建筑。

1973年，安装了两台67500马力的抽水机组，在用电高峰期，发电机可以发电。

在他们的发电模式里，每台机组可以发出50000千瓦的电力。

其余的4台可逆式机组于1983年安装完毕。

二、大古力的远见作为美国最大的水电站，大古力的规划、设计和宏观决策有着很多的精妙之处：一是水电站的建设和规划十分考虑市场的需求，在建设之初就提出要“建设成一个以后可以加高，也可以扩大装机容量”的电站，为大古力后来的扩容埋下了伏笔。

最早提出建设方案的美国工程师兵团分析认为，在大古力建成投产以后，由于电力需求不足，将造成该电站经济效益不佳，因此，反对修建该工程；而美国垦务局则对联邦修建该坝的计划给予大力支持，垦务局认为，工程建设本身就是一种最好的广告宣传，将吸引高载能工业“聚集”，促进地区经济繁荣并刺激用电需求，从而实现水电的本地消化。

最后国会决定由垦务局负责修建大古力水电站，实践证明了垦务局的判断。

二是发电与抽水耦合在一起，一部分水用来灌溉，一部分水用来发电，在需要提水灌溉时，使用水坝发出的水电来驱动水泵，有效地降低了提水的成本。

恳务局和美国工程师兵团的建设计划都提出，从大古力水坝形成的水库（罗斯福湖）中抽水到EQUALISING水库，然后再从EQUALISING水库为一系列灌溉渠道供水，从而灌溉哥伦比亚高原。

两个计划都提出，可以通过水电所产生的收入来补贴灌溉，从而使农民可以通过在半干旱的土地上种植农业作物来获得可靠的生活，并提升生活品质。

与大古力水坝配套使用的灌溉工程为哥伦比亚河谷工程（CBP），1945年开工，1955年主体工程完工。

三是发电与蓄电耦合在一起，在用电高峰发电，在用电低谷则抽水蓄能，充分发挥电站的效益，“使水电在用电低谷不多，在用电高峰不少”。

大古力水电站在哥伦比亚电力系统中起到了枢纽作用，从1950到1993年，大古力发电产生的收入占到哥伦比亚电力系统的四分之三，随着更多的电站并入电网，大古力所占比例开始下降，但是在水电中所占比例一直维持在20%到33%之间。

大古力还提供了很多网络服务功能，如电压控制、旋转备用、电量平衡等，随着电力市场竞争的开展，大古力还将发挥更大的作用。

特别是随着风力发电等绿色电力的发展，人们对发展风电和太阳能发电更加积极，而水电由于具有蓄水功能，因而成为发展风电的坚强后盾。

在美国，很多电力专家已经提出要努力实现风电和水电的偶合。

四是提高了水电的可利用率，由于龙头水库的存在，使得下游一系列径流式电站都可以在冬季发电，所以美国在西北三州，水电发电量可以占得很高——在爱达荷州，水电发电量可以占到90%，在俄勒冈，水电发电量占80%，在华盛顿，水电发电量占85.3%；五是美国并非没有能力修建世界第一坝，事实上，在上世纪40年代，大古力就是世界上最大的水坝，但为了发挥水资源的综合效益，特别是为了航运和保护渔业，为了设计科学，与自然和谐相处，他们从此以后再也没有修建超过大古力的水坝。

实践证明，美国的水电科学家的观点是经得起时间的检验的。

六是美国比较重视水电的产业链的建立。

大古力水坝发出的电能，在战争期间被用来融化铝，在曼哈顿计划中被用来提炼铀，将水电优势转化为经济优势和军事优势。

上世纪40年代，美国西北地区已经成为兴办军工企业的最佳地点，铝厂、重机械厂、船厂、飞机厂、核武器生产企业都汇聚在这里，同时也创造了对廉价电力的进一步需求。

这些军工企业都是民营企业，只有民营企业互相竞争，才能提高国防科技实力和国防工业实力。

而廉价和充沛的电力供应，则为民营国防企业之间进行竞争创造了必要的条件。

七是促进了美国农业的发展。

美国农业长期以来处于实力雄厚的霸主地位，基础坚实，特别是美国西北地区能成为美国著名的粮仓，靠得不仅仅是法律和政策，更多的是靠美国花费巨大的精力和财力修建起来的一系列水坝和灌溉设施网络。

从1962年到1992年，哥伦比亚流域农作物产量翻了一番，这主要得益于水利灌溉为农业的进一步发展创造了条件，使美国农民能够从种植传统的作物转换到种植高附加值的水果和蔬菜，与此同时，农场规模不断扩大也使得现代技术的应用更加方便。

美国农业不再是传统意义上的农业，不再是“深耕细作”，为了保护土壤养分，提高产量，他们采取了“浅耕粗作”、准确灌溉等科学播种方式，使得在不过分依赖化肥的情况下，保持了农业的高产量。

水利、水电、水运工程是一个国家的基础工程，就像交通、电信一样，成为一个国家强大国力的重要组成部分。

正是西北地区的水电开发，促进了美国国力的显著提高。

三、美国的“确定电量”及中外水电对比在美国水电开发中，有一个非常重要的概念，那就是“确定电量”。

同时美国通过兴建龙头水库，进行梯级开发的方式，实现了“水电染色”。

（1）关于“确定电量”。

所谓“确定电量”，是欧美国家描述水电在最枯年份的年发电量的一个名词。

英文原文为“FIRM ENERGY”，意思不难理解。

由于美国对所开发的水电站的“确定电量”有一个比较清晰的指标和描述，并在水电站开发中时时得到考虑，从而使得美国水电特性表达比较清楚，避免了很多没有必要的和无休止的争论。

在我国采用的是“保证出力”和“利用小时”两个指标来进行衡量水电的丰枯特性。

但是利用保证出力的概念是比较模糊的，首先：在冬季水库中没有水的情况下，你还怎么实现所说的保证出力？而“确定电量”则是表达得非常清楚的，那就是在最枯的年份，河流中有多少径流，这些径流在某座水电站中能发多少电量，这些电量就叫作这座水电站的“确定电量”。

也就是说，不论河流中的来说如何波动或变化，水电站都能保证的发电量就叫作“确定电量”。

由于美国电力工业对电力供应的可靠性非常关注，所以水电的“确定电量”，就成为水电站发电性能的一个非常重要的指标。

而我国由于缺乏“确定电量”和“不确定电量”的概念，所以，很容易使人们对水电的认识出现混淆和含糊，包括水电从业人员在内，经常会把水电在丰水期所有的发电量都看作是可以利用的正常电量。

比如说，2000年四川因为二滩问题，众多媒体热炒“四川电力局不要二滩水电，让自己的火电大发特发”，一些水电业主对让自己的水电站在丰水期“弃水”感到不满。

而在几年后，当四川要将“二滩水电”在丰水期外送华中的时候，华中又有很多人提出，四川送给华中的电量是“弃水电量”，应该很便宜。

如果引入美国的“确定电量”和“非确定电量”概念，对这些争议的理解和化解就会比较清楚：二滩水电站在丰水期的电量，一部分为“确定电量”，一部分为“不确定电量”，四川之所以在建设二滩的同时也建设了一部分火电，那是努力增加四川在枯水期的“确定电量”。

“不确定电量”其实是不可靠的，是在丰水期“出现”、在枯水期就“消失”的电量——类似于“无雨的时候出现，下雨的时候取消”的伞。

要保证满足用户的用电需求，必须有充足的“确定电量”。

而“不确定电量”是指电站能发，但用户不需要的电量，如果水库没有能力容纳，那么这部分“不确定电量”就只好化为弃水。

美国人对“确定电量”的研究是很细的。

在他们对水电的规划报告里面，常常要对“确定电量”逐月进行计算，因为只有“确定电量”才是电网所需要的，才是有市场的，只有这种电量才能够签订期货合同或双边多边贸易合同进行交易——如果签订了交易合同而到时候却没有这些电量，那么是要作出巨额赔偿的。