有些名詞加上小就變得很可愛，那水電站呢？

出品：科普中國

作者：城明辰（科普創(chuàng)作者）

監(jiān)制：中國科普博覽

無論是四大文明古國的誕生，還是現(xiàn)代各大超級城市的建立，無一不在大河兩岸，原因很簡單：大河流域肥沃的土壤和充沛的水源，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了絕佳的條件。大規(guī)模的農(nóng)業(yè)活動養(yǎng)育了更多的人口，自然也就能支撐文明的發(fā)展與城市的擴(kuò)張，從這種意義上說，河流養(yǎng)育了我們的人類文明。

四大古代文明古國的位置

（圖片來源：自制）

時至今日，除了傳統(tǒng)的灌溉與生活用水之外，河流還為我們提供了支撐現(xiàn)代文明最重要的東西——能源。依靠建立在河流上的一系列水電站，我們可以獲取廉價而清潔的能源。

近些年來，風(fēng)電和光伏等新能源的發(fā)展步伐突飛猛進(jìn)，但根據(jù)國際能源署發(fā)布的分析預(yù)測報告，水力發(fā)電目前約占世界總發(fā)電量的16%，是容量最大的可再生能源，在2025年仍會保持16%的比重。

水電站誕生記

水電站的誕生與水輪密不可分。很早以前，人們就已經(jīng)會制造水輪來利用水力了。在這其中，中國對水輪的利用歷史極為悠久。

漢武帝末年，即公元前100年前后，我國出現(xiàn)了現(xiàn)代水輪機(jī)的雛形——水輪，用于提灌和驅(qū)動糧食加工器械。隨后，水能利用在宋元時期進(jìn)入全盛階段，領(lǐng)先世界的水運(yùn)儀象臺、水轉(zhuǎn)大紡車等水力機(jī)械應(yīng)運(yùn)而生。但遺憾的是，這些科技很快就被淹沒在了歷史中，進(jìn)入明清時期后，我國水能利用技術(shù)徹底陷入停滯。

水轉(zhuǎn)大紡車的復(fù)原圖

（圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)館）

18世紀(jì)初，法國人發(fā)明了反擊式水輪機(jī)，但效率低下。1849年，美國人詹姆斯·弗朗西斯對其進(jìn)行改進(jìn)，研制出了第一臺現(xiàn)代水輪機(jī)，由此水能利用邁入了實(shí)用階段。

1880年一種現(xiàn)代水輪機(jī)的專利圖

（圖片來源：wikipedia）

隨著發(fā)電機(jī)的發(fā)明與成熟，“水輪機(jī)+發(fā)電機(jī)”的組合閃亮登場。1882年，美國威斯康星州的?？怂购樱‵ox River）沿岸建成了世界上第一座水電站，從此拉開了水力發(fā)電的帷幕，此后，世界各地涌現(xiàn)出了一股水電開發(fā)熱潮。

1910年，即清光緒三十六年，我國也終于建成了第一座水電站——石龍壩水電站，它位于云南省昆明市螳螂川的上游，由商人王筱齋為首集資籌建，落差15米。通過引進(jìn)當(dāng)時國外的先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，包括福伊特公司的水輪機(jī)和德國西門子的發(fā)電機(jī)，向距電站32公里的昆明市進(jìn)行供電。

石龍壩水電站第一車間，這就是中國的第一座水電站。大門門口楹聯(lián)寫有“機(jī)本天然生運(yùn)動，器憑水以見精奇”，楣聯(lián)為“皓月之光”，反映出當(dāng)時人們對水電的認(rèn)識

（圖片來源：wikipedia）

水壩開閘放水就是在發(fā)電？不

發(fā)電的方式雖然多種多樣，但存在很多相似之處，比如絕大多數(shù)的發(fā)電方式都離不開一臺發(fā)電機(jī)（光伏發(fā)電除外），例如火電、水電、風(fēng)電等。

為了驅(qū)動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，前端的動力源（水蒸氣、水流、空氣等）需要通過葉輪機(jī)械（汽輪機(jī)、水輪機(jī)、風(fēng)力機(jī)）將它本身的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。也就是說，運(yùn)動的水流才能發(fā)電，而大壩水庫中囤積的水并不能直接發(fā)電，它需要將其自身的能量先轉(zhuǎn)化為動能。

有了上面的知識，我們自然就會明白，水力發(fā)電其實(shí)就是利用水輪機(jī)將水的重力勢能轉(zhuǎn)換成了電能。很多人可能見過水壩開閘放水時，水流奔騰而下的壯觀景象，也可能會想當(dāng)然地以為這就是水電站正在發(fā)電，但其實(shí)不然。

正在開閘放水的三峽大壩

（圖片來源：wikipedia）

雖然水力發(fā)電確實(shí)依賴的是重力勢能，但指代的并不是大壩向外涌出的水，而是大壩內(nèi)部的水。大壩中的水越深，具體來說，就是水壩水平面至水輪機(jī)入口的垂直高度（專業(yè)上稱之為水頭）越大，重力勢能越大。當(dāng)水閘打開時，水從閘門流出并帶動水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，將重力勢能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能通過與水輪機(jī)相連的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。

水電站工作原理

（圖片來源：wikipedia）

水電站：我也想和魚做朋友

水電是一種重要的清潔能源，但如果建設(shè)不當(dāng)，也會帶來一些生態(tài)問題。其一是，水壩的建設(shè)可能會破壞水生動物的洄游路徑以及棲息地；其二是，水輪機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中也可能會對水生動物，尤其是魚類造成傷害。

魚類通過水輪機(jī)時受傷的原因可分為4大類：碰撞、水壓、漩渦和空蝕。在水輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)過程中，魚類穿過水輪機(jī)時很容易被葉片撞擊；水輪機(jī)會使水壓發(fā)生劇烈改變，使魚體的魚鰾受到損傷；產(chǎn)生的急速旋轉(zhuǎn)的漩渦也會將魚類卷入其中，使其承受較大的剪切力；水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)還會產(chǎn)生空化氣泡，這種氣泡在魚類表面破裂也會產(chǎn)生高壓沖擊波。

魚在軸流式葉輪進(jìn)口的運(yùn)動

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[6]）

提升魚類友好性是當(dāng)前水電站的發(fā)展趨勢之一，國際上對這個課題非常重視，魚類存活率是評價水電項目生態(tài)友好性的重要指標(biāo)。

雖然對現(xiàn)有的水輪機(jī)進(jìn)行改進(jìn)可以降低對魚類的傷害，但研發(fā)新型的水輪機(jī)才能從根本上解決問題。

對此，1993年，美國奧爾登（Alden）公司推出了一種造型奇特的奧爾登水輪機(jī)，這種水輪機(jī)僅采用三只螺旋狀葉片，輔助安裝旋轉(zhuǎn)罩來消除漩渦，使魚類可以恰好從葉片與座環(huán)的間隙通過。但模型實(shí)驗結(jié)果表明，水流在尾水管處仍存在小漩渦，這可能會將魚類繞暈，但它相對于傳統(tǒng)水輪機(jī)，安全性已大幅提升。

奧爾登水輪機(jī)

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]）

經(jīng)過多年不斷的積極探索，我國魚類友好型水輪機(jī)的設(shè)計水平穩(wěn)步提升，同時取得了不錯的效果，在多個水電站中已經(jīng)得到了應(yīng)用推廣。

**除了水輪機(jī)，水壩對于魚類也是一個不小的挑戰(zhàn)，為魚類修建一座魚梯（fish ladder），可以幫助魚類穿過水壩進(jìn)入上游。**魚梯其實(shí)就是魚類的梯子，通過在水壩下游設(shè)置坡度較緩的水道、隔板等減緩水流的障礙物和水池等供魚類休息的場所，為魚類開辟一條上行通道。魚類可以逆流而上，達(dá)到上方的水池后進(jìn)行休息，然后重復(fù)這個過程，直到它們離開梯子，最終躍過“龍門”。

美國約翰戴大壩上的魚梯

（圖片來源：Wikipedia）

從本世紀(jì)初開始，我國就十分重視水電站的魚梯修建工作，還專門出臺了《水利水電工程魚道設(shè)計導(dǎo)則-SL609-2013》的標(biāo)準(zhǔn)。

在烏東德水電站修建的過程中，為了最大程度保護(hù)河中的魚類，工程師為魚類專門定做了一種“直行電梯”，它是一種尾水集魚設(shè)備，在發(fā)電機(jī)組的尾水排放口設(shè)置集魚站和集魚箱，利用魚類逆流而上的天性誘導(dǎo)它們進(jìn)入“電梯”，之后“電梯”快速提升到大壩上游。統(tǒng)計結(jié)果顯示，自烏東德水電站2020年運(yùn)行以來，這個“電梯系統(tǒng)”每天幫助的魚類可達(dá)1000多條。

小水電站：大家伙，你無法和我搶朋友

除了大型水電站外，很多人不知道還有小水電站，小水電站通過引水形成支流進(jìn)行發(fā)電的方式，可以最大程度上保護(hù)魚類的健康安全。

伴隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，水輪機(jī)的效率越來越高，水電站也越修越大，雖然大型水電站可以帶來巨大的防洪、發(fā)電、航運(yùn)、養(yǎng)殖、旅游、灌溉等效益，但大型水電站的開發(fā)余量已所剩不多，下一步只能在小水電站上進(jìn)行滲透。

小水電站一直以來往往會被人們忽視，實(shí)際上，每建設(shè)一座大型水電站，就會對應(yīng)建成11座小水電站，雖然大和小根據(jù)不同國家的標(biāo)準(zhǔn)有所不同，但不可否認(rèn)的是，小水電站對能源電力的貢獻(xiàn)并不遜色于大型水電站。但這些小水電站往往與周圍環(huán)境的關(guān)系更為和諧，體現(xiàn)了人與自然和諧發(fā)展的理念，小水電站根據(jù)是否有支流和是否有水庫可大致分為四類。

四種小型水電站

圖片來源：The Ecological Society of America

雖然可以從大壩高度、蓄水容量、額定發(fā)電功率或投資成本等不同角度將水電站分為大小兩類，但二者并沒有嚴(yán)格統(tǒng)一的定義。相對而言，小水電站對周圍的生態(tài)環(huán)境更為友好。但是，想要找到完全科學(xué)的證據(jù)卻并不容易，因為“魚兒不能兩次踏入同一條河流”，幾乎找不到完全相似的兩條河流來做一組對照實(shí)驗。

然而，與大型水電站相比，小水電站一般并不會完全堵塞河流，因此，魚類會更加自由地通過大壩。此外，大水電站的大壩水壓更大，水輪機(jī)葉片尺寸更大，殺傷力更強(qiáng)，產(chǎn)生的噪聲也會影響魚類之間的交流，而小水電站的情形則截然不同。

小水電站實(shí)際上對周圍的生態(tài)環(huán)境還有一定的積極作用，比如大壩前方安裝的濾網(wǎng)可以過濾掉水中的廢棄物，保持河水的潔凈，同時還可以減緩水流，改善河堤的污染狀況。這樣一來，就更有利于魚兒們“安居樂業(yè)”啦！

結(jié)語

任何一座水電站的建設(shè)都值得慎重地反復(fù)論證，我們相信，科研人員的不斷探索與技術(shù)的不斷進(jìn)步，會促進(jìn)人與自然的和諧發(fā)展。

各種清潔可再生能源

（圖片來源：alamy，作者翻譯）

參考文獻(xiàn)

[1] Thiago BA Couto* and Julian D Olden. Global proliferation of small hydropower. plants – science and policy. 2018; 16(2): 91–100, doi: 10.1002/fee.1746.

[2] Final Report – Pilot Scale Tests Alden/Concepts NREC Turbine. U.S. Department Of Energy, Advanced Hydropower Turbine Systems Program, 2003.

[3] Twaróg B., The Development of Small Hydropower-Plants in the Low Mountain Range, Final Report, Cracow University of Technology, February 2014.

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[5]Fish Friendly Hydropower Turbine Development and Deployment: Alden Turbine Preliminary Engineering and Model Testing. Final Report, October 2011. Electric Power Research Institute, October 2011.

[6]楊丹丹. 軸流泵內(nèi)魚體運(yùn)動行為及損傷分析[D]. 北京: 清華大學(xué). 2021.