水电创新发展的分析探讨
作者：王树然
现在的水力发电普遍采用的是拦河筑坝方式，利用下泄的水流带动水轮机旋转发电。这样的水电模式工程量巨大、投资额奇高、建筑周期太长，对河流的生态环境影响非常严重。
难道水力发电只能采用拦河筑坝这一种方式吗？其实，单纯从发电的角度考虑，筑坝形成的巨大库容没有太大意义，因为即使大部分库容被泥沙淤积，只要能够保持原有的水位和落差，发电仍能照常进行。可能有人会说，巨大的库容有利于防洪抗旱；这话听起来似乎很有道理，其实用于发电的水库，防洪抗旱的作用并不大。为了保证发电的正常和稳定，水位必须维持在一定的幅度范围，洪水来临前，库容不能大幅腾空；下游干旱时，也不宜大量放水。可见，用于发电的水库，其巨大的库容对旱涝的调节作用并不大。比如，2011年长江中下游干旱，三峡水库为了保发电，不敢大幅降低库容水位，对下游的抗旱帮不上什么忙。撇开建设过程中的移民拆迁、农田淹没和库区文物保护等不谈，三峡建成后的泥沙淤积、库坡塌方、下泄清水对下游堤岸的冲刷等等众多生态环境保护难题，仍在等待人们去解决。
看来，人们花费了那么大的人力、物力建成的巨大库容，对防洪抗旱起不了多大作用；截断河流后，也不能将河水全部用来发电，仅仅利用了部分水流发电。这样的水电模式，难道不值得我们反思吗？可是，这是世界各国普遍采用的方式，也是人类应用百年的成熟模式，还有什么值得怀疑？是的，现有的水电为人类提供了巨大的电能，促进了社会的发展和进步；我们对现有水力发电模式的反思，并不是否定现有水电对人类做出的贡献；而是为了在现有的基础上，探寻更科学、更实用的水力发电模式。
既然人们只是利用河流的部分流量来发电，真的有必要筑高坝来截断整个河流吗？我们能否不截断河流，只利用河流中上层较清的水来发电？这样，可以避开库容淹没、移民拆迁、水运阻缓、上游泥沙淤积和下游清水冲刷等等难题。这样美好的愿望能实现吗？能！只要我们中国人敢于创新、科学创新，一旦想得到，应该能做到。
大家知道，现有水电建设拦河筑坝的目的，就是为了抬高水位来增加水的势能，让坝区的水位与河流上游数公里、数十公里、甚至上百公里的水位持平。假如我们从河流上游凌空高架水平引水渡槽到达坝区，也可以获得同样的水力势能。但这样的做法不可取，因为这样巨大又高耸的长距离引水渡槽，其工程量将远远超过拦河筑坝。
那么可否采用其它的方法将上游水流，保持原有的势能引入坝区？答案是：可以的。我们可以采用密封管道，将上游的水引入坝区。根据液体连通器原理，不论管道输送路途中如何高低起伏，管道未端的水位，都可以自动上升到与上游水面同样的高度，达到与高架引水渡槽同样的效果。这样的引水管道可以沿地面浅埋铺设，不仅工程量小、造价低、施工也比较容易；况且引来的是河流上层水，泥沙含量相对较少，对主河道生态环境的影响也不大。
但是，这样的管道引水发电方式，可行性如何？密封管道能否承受水的压力？我们知道，密封容器承受外压的能力较差，但承受内压的能力很强，所以管道承压能力不用过多担心。比如：葛洲坝的水位高24米，折算下来仅有2.32个大气压（注：1个大气压等于10.33米水柱）；三峡大坝的水位高175米，折算下来是16.94个大气压。其实，在实际运用中，只要能形成几十米的水压差就能满足正常发电需要了，追求过高的水压差，反而使引水距离大大增加，综合经济效益并不划算。
现实情况下，我们还可以充分利用自然落差大或拐弯形的河道，来缩短引水距离。另外，部分管道还可以用密封隧道（这样的引水隧道，不像公路和铁路隧道有平直要求，完全可以顺山势地形走向蜿蜒曲折，甚至直上直下；同时洞壁也无须修整，只要不会塌陷漏水即可。）来替代，也能缩短引水管道距离。根据我国的地形特点，西部的大江大河不仅水流落差大，而且还有“S”形弯道特别多的天然有利条件，更具备管道引水发电的优势，正好可以加以合理利用。这样的引水发电，工程量小、投入少、周期短、见效快；每铺通一根管道，就能发出一份电，有利于后续建设资金的迅速筹集；可以达到以电养电，逐步开发的目的，有利于水电建设步入良性循环。该发电模式最大的优点是：不破坏土地资源，不影响生态环境，更无很多后续烦恼。而常规水力发电不仅要筑坝，还有大量的拆迁安置和后续长年累月的清淤维护等。比如：1959年为了建设新安江水电站，就拆迁了淳安和遂安两个古老县城，以及威坪、茶园、港口三个城镇和49个乡、1377个自然村、淹没38000亩良田，移民人数达29万。而三峡水库的拆迁移民人数更是高达百万，其水电建设和移民安置的总体工程量创世界之最。这项动用了举国之力的宏大工程，其装机容量（2250万千瓦）仅占2011年底全国电力装机总量（10.5亿千瓦）的2.143%。即使不考虑今后的生态环境维护费用，这种水电模式的投入产出，怎能不让人深思？看来，即使管道引水的工程量与筑坝相同，综合比较还是具有很大的环保优势。
也许，专业人士会指出，管道引水的水量有限，难以满足现代大型发电设备的需求，再加上水在管道内流动过程中的能量耗损，可能发不出多少电，其费效比不合算。当然，管道引水发电的费效比，既与引水管道长度和引水量大小相关，也与发电设备的效能相关。如果我们仍然采用现有的水轮机驱动模式发电，确实存在费效比不高的可能。因为现有的水力发电采用的是：“势能”—“动能”—“机械能”—“电能”的转换方式，造成了大部分水力势能难以有效地转换成电能。尽管人们通常将水力发电，说成是利用水的势能发电，其实并不准确；因为水轮机的叶片在转动的过程中并没有改变高低位置，它和风力发电一样都是利用流体的动能，区别是：风力发电是利用流体水平方向的动能，而水力发电是利用流体垂直方向的动能。
现实情况是：冲击水轮机叶片的水并非来自势能最大的表层水，而是中低层水。高坝蓄水的势能只是为了产生更大的水压，以增加水流冲击叶片时的流速和压力。退一步分析，即使让最高处的表层水冲下来发电，当水流与水轮机叶片接触的瞬间，水的重力势能已经转换成了流体动能。根据流体力学的伯努利方程理论，在密闭管道内的流体，流经某一界面两边的总能量保持平衡。如将水轮机叶片旋转平面看作是流体流速变化的界面，由于流经水轮机叶片旋转平面后的水流速度发生了变化（减速变慢），故有部分动能转化为叶片旋转的机械能。由于流过叶片旋转界面的水流仍然具有相当的速度，所以水轮机不可能将流体动能大部分转化为机械能。另外，由于水轮机叶片旋转方向与水流方向垂直，流体动能仅仅只有少部分被转化为机械能用于发电，而大部分沿叶片轴向的动能，被白白浪费掉。
假设水流从水坝高处以自由落体形式下降，其重力势能先转换成下降的动能，对水轮机叶片做功后，部分动能转换成机械能，相应水流的动能减少流速降低。水流经过叶片前后的流速差，代表了动能向机械能转换的大小。从理论上分析，似乎流经叶片后，水的流速差越大，流速越低越好；但在现实中，叶片前后的水流实际都是在管道内流动（与风车不同），叶片后水的流速越低，对叶片前水流的阻力也越大，正是处于一个互相矛盾的状态。所以叶片前后的流速差只能保持动态平衡，不可能相差太大，故能量转换效率必然受到制约。上述分析表明：现有水力发电模式，能量转换效率并不高，并且也很难再有较大幅度的提高。
其实，我们完全可以采取将势能直接转换成机械能的方式，来提高能量转换的效率。具体做法是：将密封管道引来的上游河水，通过垂直管道提升到适当高度（考虑到水在管道中能耗损失，将水提升到比上游水面略低高度，让其流速和流量不至于太小），再利用流入容器中的水，在重力作用下缓慢下降过程，直接带动机械装置旋转发电。就像中国古老的轮式水车利用重力转动很类似，但不是用巨大的轮盘旋转，而是采用类似垂直放置的坦克履带样式，悬挂盛水的水箱。也许有人会嘲笑这样的发电方式，认为没有现代水轮机叶片的流体动力学结构设计更科学。是的，这样的方式虽然看上去很原始和笨拙，但它确确实实省去了能量转换过程的中间环节，可以直接将水的势能转换成机械能，是对水的势能更直接、更充分的利用。因为水箱中的水在从高处缓慢下降到低处做功的过程中，在高处和低处时的下降速度没有改变，表明水的势能没有转换成动能，则水的势能必然是绝大部分直接转换成机械能。这样的能量转换效率非常高，是现有水电模式无法比拟的！
所以，我们不必迷信西方人创造的现有水电模式，只要我们将古老的东方水车模式与管道引水工程相结合，就可以克服现有水力发电的种种弊端和不足，何乐而不为？尽管经典的现代水电模式是成熟的，但其产生的众多负面效应，已经到了不容忽视的程度。我们中国人对古老的东方水车模式进行继承和创新，又有什么不好？
当然，本人不是水电专家，对水电发展的思考也具有一定局限性，以上只是抛砖引玉地提出了一些个人设想，仅供政府相关部门和有识之士参考。
2012.5.3.
写于南京
2016.6.11.
修改
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只看楼主 我来说两句-
再深思
沙发
长老 发表于 2016-10-20 16:43 关于效率问题，您不相信算了，说再多也无用。水力发电，经过这么多130多年的发展，学科已经很成熟完善 …尊敬的“长老”先生： 谢谢您陪同我讨论了这么久！ 其实您不用向我道歉，反而是我应该向您致谢！因为我很高兴遇到您这么一位愿意陪我讨论的专业人员，如果我的文章没有人参与跟贴讨论，反而会感觉很失落，表明自己的文章没能引起人们的关注。我坚信：真理越辩越明，只有通过讨论或辩论，向所有人学习，不管别人说的对或错，我都会进行理性地分析判断，取他人之长、补自己之短，才能不断提高自身理性认知水平。在讨论中：我首先做到尊重对方，感觉别人说的对，就及时认可；发现自己错了，就立即认错；如果自己是对的，就始终坚持，并以理服人。偶尔遇到傲慢无礼的人，尽管心中很窝火，也会心平气和地说道理。比如：在2014年3月到7月，我曾在牧夫天文论坛，单枪匹马地与全国天文专家和专业人士连续辩论了整整4个月，创下该论坛跟贴讨论人气之最。（讨论网址：ww空w.astronomy.co空m.c空n/bbs/thread-289355-1-9.ht空ml 因不能发网址连接，请将“空”字取消。注：该专业论坛必须先注册才能打开）。虽然最终不分胜负，但没想到自己这个外行文章，会在最权威的天文论坛引起如此关注，不仅个人受益匪浅，还最终促成了自己的另一篇论文“剖析行星形成之谜”网上发表。另外，我还在风电论坛的讨论过程中产生了灵感，撰写成质疑经典科学理论的论文“风能来源的探究”，该文不仅在中央气象台网站首次发表，还被国家海洋局极地考察办公室网站引用。总之，我是一位既喜爱深沉思考，又喜爱讨论交流的老人。 所以，我要再一次地向您表示衷心地感谢！今后我在水利专业方面遇到不懂之处，有可能继续向你咨询，盼望不吝赐教。再见！
2016-10-20 22:33:20
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长老
板凳
再深思 发表于 2016-10-20 16:07 尊敬的“长老”先生： 关于效率问题，您不相信算了，说再多也无用。水力发电，经过这么多130多年的发展，学科已经很成熟完善了，效率高那是必然的。 之前不知道您是一个普通的退休老人，说话有些不客气，在此向您赔个不是。虽然我不同意你的想法和观念，但是您这种退休后还继续思考学习的人，值得我们尊敬。
2016-10-20 16:43:20
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