美国哥伦比亚河流域的水电开发及其特点

美国哥伦比亚河流域的水电开发及其特点本文介绍了美国西北地区哥伦比亚河流域水电开发的状况，提出在水电流域开发中需要重视龙头水库与下游径流式电站的“一拖多”模式问题。在简要介绍了美国的水电评估和水资源立法管理之后，接着介绍美国各大流域水电开发状况。首先介绍美国的哥伦比亚河流域的水电开发。该河流位于在美国西北三州--华盛顿、俄勒冈、爱达荷州，其流域面积虽仅占美国幅员面积的7%，但水能资源却占据美国全国水能资源的35%。通过对西北地区水电资源进行开发，美国联邦机构修建的水坝供应了浇灌，使得西北地区成为美国的粮仓，成为美国名副其实的“面包篮子”和“菜篮子”。同时，廉价的水电也有力地促进了本地区经济的发展，以美国铝业公司、美国波音公司为代表的高载能企业也在这里蓬勃发展，从而增进了经济富强。12 西北地区是美国电力供应最充足的地区。以华盛顿州为例，全州水电装机容量早在1997年就达到了2183万千瓦，占总发电装机容量2625.3万千瓦的83.2%;水电发电量则达到78162132MWH，占总发电量102765048MWH的85.3%。这些数字是特别具有说服力的。我国的电力专家长期以来认为，一个地区的水电装机不宜超过总装机容量的三分之一，径流式水电不能超过水电总容量的三分之一，否则丰枯矛盾就会比较突出。但是美国华盛顿州的水电装机却占到了83.2%，而且水电装机容量的65%都是径流式水电，丰枯矛盾并没有我们想象的那样严重，特别值得我们进行深入的思索。一.哥伦比亚河流域概况哥伦比亚河(COLUMBIA)是北美西部大河之一，以1792年来此探险的波士顿商人罗伯特•葛瑞所乘的船名命名。哥伦比亚河源于加拿大洛矶X省坡的哥伦比亚湖，海拔820米。全长1953公里，流域面积67.1万平方公里，其中在加拿大境内分别为748公里和10.4平方公里。主要支流包括库特内河、庞多瑞河、阿卡诺根河、斯瑞克河、亚克莫河、考利斯河及威拉米河。干流多，瀑布多，总落差达820米，大部分河段河流经深谷，其水流量在北美洲仅次于密西西比、马更歇和圣劳伦斯三大河流。从源头起，先向西北流，后南下经不列颠哥伦比亚高原南部，再经美国境内的哥伦比亚高原北缘和西缘，接纳其最大支流斯内克河(长1609公里)后，向西穿过喀斯喀特山脉峡谷区，在俄勒冈的阿斯托里亚要塞注入太平洋。哥伦比亚河流量大，河口年平均流量达7860立方米/秒。水位季节变化小，春季有冰雪融水补给时较高，冬季则较低。河流含沙量小，河谷比降大，基岩抗蚀性强，相宜兴建水利工程。在河口处，海潮可上溯220公里，远洋海轮可直达河口以上179公里处的波特兰港。二.美国哥伦比亚河流水电开发布局12 美国联邦机构从上世纪三十年月开头，在哥伦比亚河流上修建了29座主要的水坝。联邦修建的这些水坝，不但供应了洪水掌握、浇灌、鱼类洄游、鱼类和野生物种的栖息，而且具有发电、航运和消遣等综合效益。由于这些大型水电站的修建，客观上促进了纵横交叉的超高压和特高压输电线路的建设，推动了美国西部电网的发展和与其它电网的联网。同时也促进了非联邦机构修建其余的中下型水坝。美国西北地区的水电系统是世界上最大的水电系统之一，其水电开发、水电布局和水电调度都极为引人瞩目。在联邦修建的29座水坝中，有14座水电站最为关键，详见下表：表1美国联邦机构在哥伦比亚河流上修建的14座水电站1汉格瑞豪斯水电站(HungryHorse)，位于蒙大拿州福里瑞FLATHEAD河流的SouthFork，由美国垦务局1952年10月29日建成投产。总装机容量28.5万千瓦。主要功能为：发电，消遣，洪水掌握，浇灌和渔业。蓄水型水库。平均泄流量3517CFS，库容为316万ACRE-FOOT。2力比水电站(Libby)，位于蒙大拿州福里瑞FLATHEAD河流KOOTENAL河流上。由工程师兵团修建，1975年8月13日投产.总装机容量52.5万千瓦。主要功能为发电，消遣，洪水掌握，渔业和野生动物栖息。蓄水型水坝。平均年泄流量11350CFS，库容198万ACRE-FOOT。12 3奥贝尼水电站(Albeni)，位于爱达荷州庞多瑞河(PendOrEille)河流上，由工程师兵团修建，1955年4月1日建成投产。装机容量2000千瓦。主要功能为：发电，消遣，航行洪水掌握，渔业及野生动物栖息。蓄水型水坝。平均年泄流量25340CFS，库容116万ACRE-FOOT。4大古力水电站(Grandcoulee)，位于华盛顿州哥伦比亚河流。垦务局修建，1941年9月28日投产，装机容量649.4万千瓦。主要功能为：发电，消遣，航运，洪水掌握，浇灌，渔业及野生动物栖息。蓄水型水坝。平均年泄流量107700CFS。库容519万ACRE-FOOT。5赤约斯水电站(ChiefJoseph)，位于华盛顿州哥伦比亚河流。工程师兵团修建，1955年8月20日投产，装机容量206.9万千瓦。主要功能为：发电，消遣，航运，浇灌，渔业及野生动物栖息。径流式水电站。平均年泄流量108000CFS。6德挝莎水电站(Dworshak)，位于爱达荷CLEARWATER河流上，工程师兵团修建，1973年3月1日投产，装机容量40万千瓦。主要功能为：发电，消遣，航运，渔业及野生动物栖息。蓄水型水坝。平均年泄流量5820CFS，库容202万ACRE-FOOT。7罗哥瑞乃水电站(LowerGranite)，位于华盛顿蛇河上，工程师兵团修建，1975年4月3日投产，装机容量81万千瓦。主要功能为：发电，消遣，航运，浇灌，渔业及野生动物栖息。径流式水电站。平均年泄流量49680CFS。8力特古斯水电站(LittleGoose)，位于华盛顿蛇河上，工程师兵团修建，1970年5月26日投产，装机容量81万千瓦。主要功能为：发电，消遣，航运，渔业及野生动物栖息，径流式水电站。平均年泄流量47230CFS。12 9罗玛门特水电站(LowerMonumental)，位于华盛顿州境内哥伦比亚河的支流蛇河上，工程师兵团修建，1969年5月28日投产，装机容量81万千瓦。主要功能为发电，消遣，航运，浇灌渔业及野生动物栖息。径流式水电站，平均年泄流量47670CFS。10爱斯哈宝水电站(IceHarbor)，位于华盛顿州境内哥伦比亚河的支流蛇河上。工程师兵团修建，1961年12月28日投产，装机容量60.3万千瓦。主要功能为：发电，消遣，航运，渔业及野生动物栖息。径流式水电站。平均年泄流量47680CFS。11麦克乃瑞水电站(McNary)，位于华盛顿和俄勒冈交界的哥伦比亚河上。工程师兵团修建，1953年11月6日投产，装机容量98万千瓦。主要功能为：发电，消遣，航运，渔业及野生动物栖息。径流式水电站。平均年泄流量169800CFS。12约翰戴水电站(JohnDay)，位于华盛顿和俄勒冈交界的哥伦比亚河上。工程师兵团修建，1968年7月16日投产，装机容量21.6万千瓦。主要功能为：发电，消遣，航运，渔业及野生动物栖息。径流式水电站。平均年泄流量172400CFS。13达拉斯水电站(TheDalles)，位于华盛顿和俄勒冈交界的哥伦比亚河上。工程师兵团修建，1957年5月13日投产，装机容量178万千瓦。主要功能为：发电，消遣，航运，渔业及野生动物栖息。径流式水电站。平均年泄流量177900CFS。12 14邦德威尔水电站(Bonneville)，位于华盛顿和俄勒冈交界的哥伦比亚河上。工程师兵团修建，1938年6月6日投产，装机容量105万千瓦。主要功能为：发电，消遣，航运，渔业及野生动物栖息。径流式水电站。平均年泄流量183300CFS。通过科学家多年的研究，美国建立了精确的预报模型，能够精确预报将来一段时间内的降雨量，同时也能精确地预报这些降雨量将在哥伦比亚河流中形成多少流量，同时也由于美国对西北地区的水资源循环建立了精确的天气预报系统，所以可以使该地区的河流调度达到最优化的程度，从而使哥伦比亚水电开发产生最佳的综合效益。美国的若干机构都需要并参与哥伦比亚地区的降雨量和河流流量的预报。这些机构是：美国工程师兵团、美国垦务局、加拿大不列颠哥伦比亚水电局、哥伦比亚河流预报中心、美国天气预报河流预报中心、美国地质测量组织、美国自然资源保护中心、哥伦比亚河流管理公司、西北电力库。美国工程师兵团管理着联邦14座水坝中的12座，同时也担当着与加拿大大不列颠哥伦比亚水电局合作调度哥伦比亚河流的责任。此外，美国工程师兵团也总揽着哥伦比亚河流的洪水掌握(既包括哥伦比亚河流上美国的水坝也包括加拿大的水坝)，同时，还对哥伦比亚河流上全部的航道的航行安全、消遣旅游和浇灌等负责。美国垦务局则负责运行大古力和汉格瑞豪斯水坝，这是美国境内哥伦比亚河上最关键的两座水库。三.美国哥伦比亚河流域梯级水电开发特点12 水电开发究竟应当怎么开发，许多人都知道是“梯级开发”，然而光用四个大字来指导我们的水电开发，虽说完全正确，但总是让人感到太概念化，太笼统。我们需要更为细化的水电开发战略。作为美国水电开发的经典，哥伦比亚流域的水电开发有许多的特点，由于笔者学识有限，现简洁总结如下，不当之处还请有关专家多多指正。(1)美国水电站在开发过程中特殊重视调整性水库与径流式水库的协调问题，实践证明，这是特别有远见的。哥伦比亚河流及其支流所修建的水坝被美国人分为两种类型，一种是蓄水型(STORAGE)，也称具有调整能力的，另一种叫作径流式(RUN-OF-RIVER)。蓄水型的水坝，目的是对水流进行调整，使其下泄水流贴近用电、用水需求，同时供应洪水掌握。其详细原理就是雨水和雪水溶化以后被蓄积在水库里，在需要的时候再放流下泄。通常的状况下，蓄水型水坝是将夏季的水蓄积起来到冬季使用，并在来年的汛期到来前，将水库腾空。但蓄水型水库最大的问题是会影响鱼类的生存，因此，往往就需要通过泄水建筑物(如溢流坝、泄水洞，但不包括引水发电建筑物)放一些水，帮助鱼类“通过水坝”游向大海。值得一提的是，在欧洲，根据水库的蓄水特性，可以分为径流式、塘坝式和蓄水型三种模式。所谓塘坝式是指具有一定蓄水能力但比蓄水型水库蓄水量小的水库。12 修建蓄水型水坝的优越点是可以供应防洪和枯水期发电功能。在汛期将水蓄满，然后在平水和枯水期，将水渐渐下泄，这样一来下游的一系列水电站都可以发电。因此，蓄水型水坝的调度一天之内，甚至一月之内变化都比较大。美国人认为，一座蓄满水的水库和一座接近死水位的水库，二者的特性变化很大，调度方式也完全不同，因此，蓄水是河流系统综合利用的关键。在哥伦比亚河流蓄积的水量中，总蓄水量是5500万ACRE-FOOT。其中4200万ACRE-FOOT的水量是通过协调调度获得，这仅代表了达拉斯水坝30%的年径流量。与之相比，密苏里河的蓄水量是全年径流量的2到3倍。因此，哥伦比亚河流的特点特别鲜亮：年降雨量远远超过蓄水量，哥伦比亚河流水电开发对洪水的掌握能力远远不及科罗拉多河和密苏里河。正是因为这样，所以哥伦比亚河的流淌更加接近河流的自然形态。径流式水坝蓄水能力有限，主要是用来航运和发电，一方面是为发电供应一定的水头，另一方面是为航运供应一定的水深。流进多少水量，几乎就立刻下放多少水量，特别贴近河流的实际状况。在正常运行中，径流式水电站的水位变化往往只有3--5英尺。从以上的分析可以看出，美国哥伦比亚河流水电开发并非是座座水电站都是高坝大库，相反是特别重视整个流域的规划和布局，通过科学合理的配置，实现整个流域水电发电量的最佳。此外值得一提的是，美国流域水电规划是相当细致的，即便是支流的支流，只要平均流量大于每秒两立方米的溪流，都要进行考虑。而在我国，能够在水电规划中作到这么细致是特别少的。12 (2)美国哥伦比亚河流域梯级水电开发，特别重视科学合理及前瞻性，在电站规模、水坝高度等方面都经过细心设计，特殊是他们在哥伦比亚的每条主要支流上都修建了库容较大的龙头水库，而在龙头水库下游则修建的是径流式水电站，这种“一拖多”和“树枝树叶”法有效地避免了枯水期水电出力不足的问题。同时也正是下游都修建径流式水电站，才使得哥伦比亚河流域的水电站能够在美国环保呼声日益高涨的今日连续运行。我们可以看出，在美国境内的哥伦比亚的河流上，首先修建的就是具有较大蓄水能力的大古力水电站，在大古力以下的干流上，赤约斯水电站、麦克乃瑞水电站、约翰戴水电站、达拉斯水电站、邦德威尔水电站都是径流式水电站。而在哥伦比亚河的主要支流--庞多瑞河上，美国修建了蓄水型的奥贝尼水电站;在FLEATHED河上，修建了蓄水型的汉格瑞豪斯水电站;在库特内河流上，修建了蓄水型的力比水电站;在蛇河上游，修建了龙头电站--蓄水型的德挝莎水电站，德挝莎下游则全是径流式水电站，如罗哥瑞乃水电站、力特古斯水电站、罗玛门特水电站、爱斯哈宝水电站。正是由于把兴建龙头水库作为哥伦比亚流域水电梯级开发的战略，所以才实现了西北水电资源的科学优化配置，在同样的径流量的河流上，美国同样的水电装机，其发电量是我们国家的水电年发电量的1.2到1.8倍，美国水电在枯水期的发电量也比中国多发110%以上。由于我们国家的水电规划太粗，随便性太大，而且不科学，所以尽管X省建设了许多径流式电站，但这些径流式电站缺少配套的龙头水库，所以在冬天因为无水可发都成了“冬眠电站”12 坦率地说，中美在许多问题处理上基本理念都不一样。比如说，美国水电专家认为，同样是蓄水，把水蓄在河流的上游比蓄在下游更有价值。而我们是认为把水蓄在中下游比较安全(如三峡、三门峡)。此外，梯级开发也并非是修建龙头水库那么简洁，在美国，我还看到垦务局《工程师设计手册》上面对于水电规划布局的基本招式--如何部署蓄水型水坝和径流式水坝都有特别超群的见解，如平行河流水电怎么布局;一条河流流量大，一条河流流量小怎么布局;一条河流坡度小，一条河流坡度大，又怎么布局，许多见解都特别精辟。目前，在我国，只有X省南桠河梯级水电开发，是X省电力工业局及成勘院在借鉴国外经验的基础上，严格根据龙头水库“一拖六”梯级模式进行开发的。龙头水库冶勒水电站位于最上游，库容为2.98亿立方米，装机容量24万千瓦，下游分别为栗子坪(12万千瓦)，姚河坝(13.2万千瓦)，南瓜桥(12万千瓦)，洗马姑(2万千瓦)，大渡河边(6万千瓦)。由于采取“一拖六”模式，可以使下游5座电站在原有装机的基础上，增加保证出力15.2万千瓦，增发电量6.66亿千瓦时。所谓“树枝树叶”法，是指在每条支流上游也修建龙头水库，从而实现全流域“分而治之”的战略。(3)哥伦比亚河流的水电开发是罕见的数家单位共同开发，但是在建设过程中却能彼此之间团结协作，投产运行以后也能够相互协作，为数家单位联合进行水电流域梯级开发供应了典范。12 美国哥伦比亚河流的水电资源极为丰富，在开发过程中需要雄厚的实力，因此，实行了联合开发的模式。大型水电站由两家联邦机构(国有企业)开发，在具有战略地位的14座水电站中，12座为美国工程师兵团建设，2座由美国垦务局开发。其余的一些中小型水坝则由一些公用事业公司或民营公司开发。这给我们一个启示，国家应当负责开发大江大河上的大型水坝和骨干电站，地方企业或民营企业则负责建设“中下型电站”--即把一些战略地位不是那么重要的电站交给地方企业或民营企业进行开发。国家负责开发骨干电站，可以为地方企业或民营企业建设径流式电站创造条件;地方企业和民营企业建设径流式电站又可以进一步发挥骨干电站的作用，成为骨干电站和水库的有效补充。(4)哥伦比亚河流的水电开发取得了显著的综合效益。尽管水电开发对河流的生态带来了一定的影响(将在以后的章节进行介绍)，但是，美国西北地区设计科学、规划合理的梯级水电工程所发挥的综合效益，却为推动美国西北地区的区域经济发展发挥了重要作用。哥伦比亚河流的水电梯级开发，除了巨大的发电效益以外，还产生了非常明显的综合效益。由于篇幅所限，这里只进行简洁介绍如下：航运效益。哥伦比亚河和蛇河可以航运到华盛顿的瑞齐兰(RICHLAND)，甚至爱达荷州的鲁威斯顿(LEWISTON)，从太平洋到这里距离达748公里。四座联邦大坝--邦德威尔、达拉斯、约翰戴、麦克乃瑞都建有船闸供船只过坝。蛇河上的爱斯哈宝、罗玛门特、力特古斯、罗哥瑞乃水坝也建有船闸，可以使船只通行。12 浇灌效益。哥伦比亚流域6%的水量被用来进行农业浇灌。华盛顿东部的干旱地区，俄勒冈州东北部的干旱地区，爱达荷的南部地区，依靠着这些浇灌来生产小麦、玉米、土豆、豌豆、苜蓿、苹果、葡萄。正是因为有了浇灌，所以西北地区才成了美国富裕的粮仓。消遣效益。哥伦比亚地区吸引着游客四周八方来旅游度假休闲，他们垂钓、游泳、划船、野餐、宿营，每年都有成千上万游客参观河流及水电工程。游客的到来为本地经济增加了活力。文化资源效益。哥伦比亚河流的文化已经存在了上千年。印第安文化已经存在了上万年，欧洲和美洲文化在这里产生影响也早在1600年就已开头。由于水库蓄水会对这些文化产生了一些负面影响，所以也唤醒了大家保护这里的文化的意识，使这里的文化具有了参观和保存价值，但与此同时也对这些需要保护的文化产生了积极的影响。12