一、背景和意義

能源安全是關系國家經濟社會發展的全局性、戰略性問題，對國家繁榮發展、人民生活改善、社會長治久安至關重要。我國能源稟賦的特點是富煤、少油、缺氣，能源消費結構中，化石能源超過80%，石油對外依存度達70%，能源產業面臨保安全、轉方式、調結構、補短板等嚴峻挑戰。此外，我國發展起步晚，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、環境風險挑戰、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”能源安全新戰略，2020年9月22日，習近平主席在第75屆聯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年前實現二氧化碳排放達峰，并努力爭取于2060年前實現碳中和。

當今世界正經歷百年未有之大變局，我國能源發展不確定性因素增加，約束條件增多，新一代信息技術快速發展和變革，在“碳達峰、碳中和”、生態文明建設和“六穩六保”等總體要求下，我們應牢牢把握能源科技創新在能源革命中的決定性作用，積極推進云計算、物聯網、大數據、區塊鏈、人工智能、金融科技等技術與能源產業深度融合，助力能源產業高質量發展和低碳化轉型。

實現碳中和的關鍵是能源系統的低碳轉型，其中關鍵的著力點是提高水、風、光等可再生能源在一次能源消費中的占比。風電、光伏具有隨機性和間歇性，大規模上馬對電網安全穩定和電能質量提出巨大挑戰，而水電具有良好的調節性能，以水電為基礎，統籌匯集風光新能源電力，實現源-網-荷-儲一體化開發，可避免新能源單兵突進帶來的系統風險。

我國的水能資源極為豐富，技術可開發容量達6.87億KW，年發電量約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），發電量1.36萬億KW·h，相當于替代4.1億噸標煤，減排10.5億噸二氧化碳。目前，我國水電開發率為49.3%，剩余水電開發潛力仍然巨大，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，在我國實現雙碳目標中扮演著獨特作用，2013年我國曾因為水電的大發展，而一度實現了碳達峰。

21世紀以來，以三峽、南水北調工程為標志，中國水電開發進入了自主創新、引領發展的新階段，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注巨型工程和超高壩的安全，注重環境保護，建設技術不斷刷新世界紀錄。新階段水電開發必須貫徹新發展理念，開創新發展格局；必須創新設計思維，統籌水電開發與生態環境保護、移民致富和新能源建設的關系；必須增強科技創新引領和信息化支撐作用才能更好面對后續一系列世界級電站的挑戰。

“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革命的關鍵時期。“十四五”能源領域科技創新規劃，分析了世界和我國能源科技發展形勢，提出了擬列入規劃的發展目標和重點任務，建議了相關保障措施和政策支持等，抓住了能源領域的技術關鍵和行業痛點，規劃編制對保障我國能源安全、應對氣候變化和節能減排等方面具有重要作用，相關內容可為我國全面構建綠色低碳、安全高效的現代能源產業體系提供技術支撐，對推動能源革命，掌握核心關鍵技術話語權具有深遠意義。

二、規劃編制的思想和重點任務

規劃編制的指導思想是：以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，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”能源安全戰略和創新驅動發展戰略，聚焦保障能源安全、促進能源轉型、引領能源革命和支撐“碳達峰、碳中和”目標等重大需求，堅持創新在能源發展全局中的核心地位，統籌發展與安全，以實現能源科技自立自強為重點，以完善能源科技創新體系為依托，著力補強能源技術裝備“短板”和鍛造能源技術裝備“長板”，支撐增強能源持續穩定供應和風險管控能力，引領清潔低碳、安全高效的能源體系建設。

在水能發電技術方面，規劃列出了三項重點任務，第一是藏東南水電開發關鍵技術，主要開展Ⅷ度地震烈度區超深厚覆蓋層上筑壩技術攻關；開展復雜條件下超大型地下洞室群建設關鍵技術研究；研發750～1000米水頭水斗式和600米級水頭混流式大容量水輪發電機組關鍵裝備；研發高寒高海拔地區生態保護技術，做好藏東南地區水電綠色開發技術儲備。第二是水電基地可再生能源多能互補協同開發運行關鍵技術，主要開展基于氣象水文預報和流域綜合監測技術，考慮綜合利用多目標協調，關注重點區域生態保護，面向電力市場需求的流域梯級水電站聯合調度研究；構建基于水電和新能源發電預報預測技術的多能互補調度模型，支撐梯級水電、抽水蓄能電站與間歇性可再生能源互補協同開發運行，研究基于梯級水電站的大型儲能項目技術可行性及工程經濟性，適時開展工程示范。第三是水電工程健康診斷、升級改造和災害防控技術，主要開展大壩性態及庫區智能監測與巡查、大壩健康診斷技術研究；突破結構增強、滲漏檢測與治理、增容改造、水下修復、金屬結構維護、大壩拆除和重建等升級改造技術。開展流域大型滑坡穩定性、致災機制與預警指標、滑坡災害監測體系、堰塞湖形成與潰決、災害風險防控等研究。研究和示范滿足防災應急和維護檢修的高壩大庫放空關鍵技術。

三、水能科技發展的重大研究方向和技術挑戰

我國水能資源總量、水電裝機容量和年發電量均居于世界首位，水電工程建設能力和百萬千瓦級水電機組成套設計制造能力領跑全球，水電工程建設技術已達到世界領先水平。然而，與引領能源革命的要求相比，水能科技創新仍存在一定差距，原創性和引領性顛覆技術偏少，技術創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，尤其是青藏高原及其周邊，水電開發面臨著諸多挑戰，包括更為復雜的建設條件、更高的生態環境保護和社會公共要求、更嚴峻的經濟性挑戰以及大規模新能源建設和上網對水電的調峰運行需求等，同時，我國水電國際化發展也對水電行業高質量發展和技術創新提出了新的更高要求。

（一）重點開展藏東南水電開發重大技術問題研究

“十三五”期間及后續水電開發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”的開發方案，包括一個多年調節水庫，一個調節池，三個大型地下廠房發電系統和一個反調節水庫，總裝機約6000萬千瓦，年發電量約3000億度，這個規劃方案是一個比較好的方案，可以避開沿江大型滑坡地質災害等很多問題。下面集中談談幾個重大難題。

1．高壩壩基深厚覆蓋層

藏東南水電開發位于高山峽谷高地震烈度區，存在超深厚覆蓋層問題，壩基抗滑穩定、抗震安全、變形穩定和滲透穩定給我們提出了巨大挑戰，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特性進行深入研究，這是安全評估和處理方案研究的基礎。傳統的鉆孔取樣存在擾動，不能真實反映覆蓋層物理力學特性，除鉆孔外，應打一個沉井，開展現場原位試驗，搞清楚壩基持力層的物理力學性狀，這樣可以準確分析評估抗滑穩定和地震液化。

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土料性狀復雜，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經濟比較，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氣候的適應性。

3．復雜地質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十臺大型水輪發電機組，這樣的工程規模前所未有，大型地下洞室群的穩定和廠房安全問題需要特別關注，應重點開展巖爆的預報和防治措施研究，還要預防復雜地質條件下涌水突泥等地質災害。

強烈巖爆的預報及治理可借鑒錦屏二級工程經驗，涌水突泥的治理可借助我國有關調水工程的治理經驗，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工程經驗。

4．超高水頭大容量水輪發電機組

超高水頭大容量水輪發電機組設計制造是引水發電系統最難的問題。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，現在要做到70萬千瓦，設計制造難度很大，而且每個廠房裝幾十臺，布置難度也很大。混流式機組，我們現在能做到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。混流式機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。該領域研究要堅持自主創新與國際合作相結合。

5．環境影響

藏東南水電開發位于生態脆弱地區，涉及國家級自然保護區及國家珍惜保護植物，需對相關問題進行專題研究，開展環境影響評估。

藏東南水電開發位于高山峽谷區，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、保障堆渣穩定安全、實現堆渣綠化，避免造成次生災害及對環境造成有害影響，也給我們提出了很大挑戰，需要開展綠色施工新技術新工藝的研究。

（二）加強流域地質災害監測預警和應急管理

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，庫岸穩定及流域地質災害問題日益突出，亟需加強監測分析和應急管理，研究庫岸空天地一體化的非接觸式變形監測技術，逐步建立完善流域地質監測預警體系。

庫岸變形監測對滑坡早期識別、分析評價、災害防治及應急管理具有重要意義，但是傳統監測方法難以適應大范圍、連續、快速監測的要求。為此，我們提出了空天地多層次非接觸式變形監測的總體思路：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對庫岸邊坡進行區域巡查，確定重點部位；采用固定式InSAR進行重點核查和持續觀測，獲取重點部位重點時段的變形時序數據；特別重要部位進一步采用接觸式安全監測方式進行長期觀測。

后續應結合地質勘察成果、巡查成果、影像及各監測手段的數據等資料，研究提出滑坡預警指標；建立完善梯級庫群岸坡安全監測手段與設施，采用5G、物聯網、智慧計算等先進技術，集成監測數據收集處理、穩定性分析、預警預報、緊急應對預案為一體的梯級庫群運行安全管理快速預警體系。

（三）全面推進水電工程智能化

西部高海拔地區水電工程普遍面臨“地質條件復雜，施工條件惡劣，生態環境脆弱”等制約性問題，給工程建設和運行管理帶來了很大困難，常規開發方式難度巨大。因此，應充分應用“智能建造”新技術、新理念，研發應用最先進信息化、數字化、智能化技術，實現工程安全、高效建設和運行。風電、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方面的有益嘗試，但基本著重于“數字大壩”和“智能建造管控”，在工程智慧感知、無線傳輸、動態監控、BIM深化應用、各階段數據融合、大數據分析、評價預警、決策支持等方面還存在很多不足。

當前國內水電工程建設正處于全面數字化、部分智能化的階段。“十四五”期間工程建設和管理要向全面智能化發展。建議從智能規劃設計、智能建設、智慧運行管控等全方位、全過程開展水電工程智能建設技術研究，并研究建立行業統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研究

風能和光伏發電具有隨機性、間歇性和波動性的特點，造成電能質量不穩定，大規模并網對電網的安全穩定運行提出巨大挑戰，同時單獨遠距離輸電的經濟性較差。西南尤其是西藏地區后續水電開發成本高，單一開發水電經濟性較差；通過水風光協同開發、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節性能，將風能、光伏發電等不穩定電能調節為穩定可靠電力，從而大幅提高電能質量和電力系統安全，增加輸電通道利用率，同時可利用風電、光伏低成本優勢，平抑水電上網電價，實現綜合效益最大化。

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光多能互補關鍵技術難題，提出多能互補成套技術體系，構建多能互補聯合發電的協同優化調控系統，實現清潔能源高效消納，保障電力系統安全，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境監測及聯合調度技術研究

根據“水環境安全保障，水生態持續改善，水資源綜合利用”等生態文明發展需求，大型流域水電滾動開發形成巨型梯級電站水庫群后，應從監測站網智能布控、深水分層高精度采樣、原位實時監控分析、湖庫健康評價指標、多庫聯動生態調度等方面著手，研究建立梯級深大水庫水環境在線感知、數據挖掘、動態分析、智能評估、實時預警、聯動調控等方法體系，形成引領國內流域梯級水庫水環境實時動態監控、潛在風險事件提前預判預警和水資源綜合利用高效調度成套技術，實現流域梯級水庫水環境和水生態安全的“數字化、信息化、智能化”管理。

為延長大型流域水文預報有效預見期、降低預報誤差，應利用衛星數據反演技術、中尺度數值天氣預報模型、分布式水文模型、實用水文預報模型、融雪徑流模型等技術和方法，研發流域氣象水文一體化預報系統，在此基礎上，提出大型流域中長期徑流預報優選方案和梯級電站群多目標聯合調度模型。

四、規劃保障措施

規劃提出了健全能源科技創新協同機制、完善能源科技創新平臺體系、推動能源科技成果是否應用、突出企業技術創新主體地位、優化能源行業技術標準體系、加大規劃任務資金支持力度、加強能源科技創新國際合作、加速能源科技創新人才培養等方面保障措施，保障措施很健全，落實好可有效保障規劃的實施。我認為應重點做好以下幾點：

第一是進一步強化以企業為主體，以市場為導向，產學研相結合的技術創新體系。企業直接面對水電市場，是市場的主體、創新的主體，也是科技和經濟緊密結合的重要力量，激發企業創新主體作用，可以在很大程度上克服科技與產業“兩張皮”現象。企業要主動發揮創新主體作用，構建產學研協同創新治理機制，培養產學研一體化的復合型創新人才，集中優勢資源突破制約發展的關鍵核心技術。

第二是積極將規劃任務納入中央預算內投資項目、科技創新2030—重大項目、水能相關重點研發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。

第三是充分發揮國家能源水電工程技術研發中心、國家能源水能高效利用與大壩安全技術研發中心、國家水能風能研究中心等水電技術創新平臺的技術引領和示范作用，進一步優化和規范上述平臺的管理和考核評價，加大支持力度。

五、結語

應對氣候變化、控制碳排放是人類在21世紀面臨的重大挑戰之一，水能是可再生的清潔能源，能夠更好地完善我們的能源結構，幫助我們更好地應對氣候變化的挑戰，在我國實現雙碳目標中扮演著獨特作用。“十四五”是加快推進能源技術革命的關鍵時期，《“十四五”能源領域科技創新規劃》是“十四五”我國推進能源技術革命的綱領性文件，緊密圍繞國家能源發展重大需求和能源技術革命重大趨勢。規劃部署了重大科技創新任務，提出了水能發電技術需重點研發的技術和示范試驗，我們水電人員應根據規劃，匯聚行業優勢資源，加強科技創新，深度融合信息化手段，突破制約發展的關鍵核心技術，實現我國水電技術全面領跑全球。

來源：中國電力報，作者：中國工程院院士馬洪琪