［日本］ 吉津洋一

日本群島中部高山綿延眾多，年降雨量約為1700 mm，為日本開發(fā)水力資源創(chuàng)造了有利條件。2011年總裝機容量與總發(fā)電量分別為48 GW與74 TW·h，分別約占整個電力系統(tǒng)總量的17%與8%。

日本的早期電站通常為小型徑流式電站，由于發(fā)電機組出力不足及輸電電壓偏低，電站通常建在離用戶非常近的地方。隨著遠距離高壓輸電系統(tǒng)的發(fā)展，日本開始在山區(qū)開發(fā)更大容量的水電站。

1911年，日本電力生產結構發(fā)生了變化。隨著設計水平與施工方法的不斷改進，日本開始有能力開發(fā)大庫容水電站，因此該時期水電比火電更具價值。

1951年，國家電力公司被分解為9個地方電力公司，各個電力公司在同一(不同)流域的各個管轄區(qū)域內負責水電項目的開發(fā)。20世紀60年代，抽水蓄能電站的出現(xiàn)縮小了晝夜用電需求的差異。

近來，日本為給國內提供清潔的可再生能源，除了繼續(xù)開發(fā)經濟可行的大型水電站外，也逐漸開始開發(fā)小型水電站。同時，對現(xiàn)有水電設施進行了重建與升級改造，以達到修復、改善功能、保護環(huán)境及提高安全性的目的。

下一階段的發(fā)展目標是利用間歇性的風能和太陽能等輔助發(fā)電設施，繼續(xù)發(fā)展可調速抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)。

一些運行多年的大壩和水庫，雖然引進安裝了沖沙設施及旁路隧洞，但清淤問題仍面臨著挑戰(zhàn)。

1888年，日本仙臺市首次進行水電開發(fā)并將其用于室內紡織業(yè)。1891年京都修建了第1座商業(yè)電站。蹴上(Keage)水電站通過琵琶湖運河將湖水引入電站發(fā)電，運河同時兼有灌溉及消防功能。自從1869年首都火車站從京都遷往東京后，京都經濟開始萎靡不振。琵琶湖運河方案刺激了京都的工業(yè)活動，有助于其經濟的恢復。

1 大壩及水電站建設歷程

日俄戰(zhàn)爭(1904～1905年)后，日本經濟出現(xiàn)快速增長。隨著居民照明用電及工廠電氣化生產用電需求的不斷增加，電力行業(yè)的地位顯得越來越重要。

大正時期(1912～1926年)，二戰(zhàn)開始前的日本經濟保持令人矚目的5%的年增長率。電化工業(yè)、機械業(yè)及鋼鐵業(yè)在一戰(zhàn)后獲得了極大的發(fā)展。這些工業(yè)廠家為保持產能，需要大量低價電力作保障。1918年大旱期間雖然出現(xiàn)過電力供應不足的狀況，但此后電力供應以每年超過20%的速度增長。

遠距離輸電系統(tǒng)的推廣應用及大容量電站的發(fā)展極大地促進了山區(qū)水電開發(fā)，由此帶來的低價電力也刺激了工業(yè)的快速發(fā)展。同時，火電彌補了旱季水電的不足并使電力行業(yè)形成了多樣性發(fā)展。大型水電公司紛紛成立，日本中部山區(qū)水電資源得到極大開發(fā)，同時刺激了城市高壓輸電線路的開發(fā)建設。如1923年從中部地區(qū)的須原電站(1922年)到大阪變電站(現(xiàn)古川橋變電站)長達238 km的154 kV輸電線路就是個成功的例子。

位于中部地區(qū)木曾川的大井水電站于1924年完工，最大壩高為53.4 m。原計劃設計成引水式電站，后為滿足高峰用電需求改成壩式水電站，成為日本第一座大型混凝土重力壩，也是當時日本最高的大壩。電站最大出力達到了愛知縣總電力需求的一半。

昭和年代早期(1926～1945年)，結合經濟評估結果，依據(jù)平均水流量，在最大限度地增加取水量的基礎上進一步開發(fā)大容量水電站，同時旱季利用火電補充電力不足。在政府加強行業(yè)控制的同時，礦業(yè)及制造業(yè)產量急劇增加，金屬、化工及機械行業(yè)也得到了迅速發(fā)展。為滿足制造業(yè)發(fā)展需要，一些電力公司設計出一種逐級開發(fā)水電站的概念，主要集中在大型河流的下游地段。

1927年柳川(Yanagawara)發(fā)電廠的完工拉開了北陸地方黑部川流域逐級水電開發(fā)序幕。隨后開發(fā)的有1936年黑部川上游2號發(fā)電廠及1940年包含高43.5 m仙人谷壩在內的3號發(fā)電廠。同時還有柳川下游的藍本發(fā)電廠(富山縣)。黑部川3號發(fā)電廠的施工克服了雪崩及高溫條件下隧道施工困難，成為一經典項目。

20世紀20年代修建的田代壩位于中部地區(qū)大井川最上游，距離河口160 km。該電站建有兩座發(fā)電廠(田代1號與2號)，電力輸往東京，其發(fā)電尾水排入富士水系的早川。

大井川中游與天龍川水電站的順利建成為各水系的水力資源開發(fā)起到了關鍵作用。大井川發(fā)電廠最大出力幾乎相當于靜岡縣購電總量的一半。

建于同一時期的泰阜壩最大壩高為50 m，是天龍川上修建的第1座大壩。

2 水電逐級開發(fā)

從1945年年底開始，煤炭、石油與燃氣出現(xiàn)短缺及價格上漲，而用電方式卻不斷更新。電力需求從1945年的19.5 TW·h急劇增長到1947年的29.4 TW·h。頻繁的停電使蠟燭成為人們當時生活的必需品。電力發(fā)展停滯不前，對于恢復戰(zhàn)爭中毀壞的電力設施以及繼續(xù)完成戰(zhàn)前水電項目來說，尚有大量的工作要做。1949年年底，日本政府決定利用美國經濟復蘇基金來開發(fā)1180 MW的水電(33個壩址)。

這一時期電力需求大幅增長。與此同時，秋季大旱使電力供應出現(xiàn)嚴重不足。20世紀50年代末，在已建的1460座水電站中僅有40座能正常發(fā)電。

戰(zhàn)后火電主要依靠煤炭，但由于供應不及時、質量不達標以及價格上漲等因素造成火電生產效率與盈利能力均大幅下滑。因此，將戰(zhàn)略重心轉移到壩式水電站上時，必須提高水資源使用效率并克服其季節(jié)性不平衡。

為滿足戰(zhàn)后工業(yè)復蘇的需求，正在大量修建火電站。這些火電站用于滿足常規(guī)負荷，而大型水力發(fā)電站用于調峰填谷。

直到20世紀40年代，才利用柳川老發(fā)電廠與黑部3號發(fā)電廠之間的河水落差在黑部川上分期修建水電站。

二戰(zhàn)后，電力供應轉為以火電為主、水電負責調峰填谷。此時，關西電力公司(KEPCO)準備在黑部川最上游修建一座大型水壩。這一計劃在促進水電穩(wěn)步發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。

1963年完工的黑部川4號發(fā)電站成為全日本廣泛關注的、最巨大的工程之一，展示了當時日本最先進的土木工程技術。

黑部川大壩總庫容約為2億m3，極大地改善了下游河水流態(tài)。為了發(fā)揮水庫使用效率，陸續(xù)在其下游修建了黑部川新3號電站(1963年)及新2號電站(1966年)。隨后完工的音沢電站(1985年)完成了黑部川水電站的梯級分布。黑部川建有一系列水力發(fā)電站，充分利用了黑部大壩(高程1448 m)水庫水位與音沢電站(131.1 m)尾水水位之間的落差，因此被稱為是“能源之河”。

3 抽水蓄能電站的發(fā)展

20世紀50年代末，常規(guī)用電主要由大容量火電站承擔，大型壩式水電站負責調峰填谷。

20世紀60年代期間，隨著經濟快速增長，城市化及生活水平的提高使辦公及家庭用電需求出現(xiàn)明顯增加，尤其是空調用電。1968年后，這一趨勢加劇，每年夏季白天形成用電高峰期，而這一現(xiàn)象以前只有在冬季夜晚才會出現(xiàn)。這種新的電力需求模式，即白天峰谷模式，超出了水庫電站的調峰能力。因此抽水蓄能電站應運而生。

1960年，日本首相府科技署資源委員會發(fā)表了一項旨在提倡能源資源多樣化的政策聲明。針對蓄能電站規(guī)劃，呼吁要求對蓄能電站選址進行調查，以確定一種能源開發(fā)方法，同時要求火電、核電及抽水蓄能電站能協(xié)調發(fā)展。

針對這種情況，電力公司經政策研究后，決定采用一種新理念來促進水電開發(fā)，對抽水蓄能電站實施大規(guī)模重建計劃，使它們既各自獨立，又能成為綜合開發(fā)項目的一部分。如中國電力株式會社開發(fā)的高103 m的新成羽川壩，東京電力公司開發(fā)的綜合水電項目奈川渡壩、水土野壩、稻核壩及高瀨壩，電力發(fā)展有限公司(EPDC)開發(fā)的九頭龍壩、新豐根壩及手取川壩(壩高153 m)。

直到1970年才出現(xiàn)大量混合式抽水蓄能電站，其特點為當上庫來水流量充沛時可作傳統(tǒng)水電站發(fā)電。然而，隨著經濟效益好的建站地址減少，在上庫無天然來水或來水極少的地方，純抽水蓄能電站的建設開始出現(xiàn)繁榮景象，20世紀70年代初在那須鹽原建成了第1座純抽水蓄能電站。該電站采用壓力鋼管隧洞與500 m單級大容量水輪機的新技術。1973年與1979年的兩次石油危機后，日本作了大量努力以減少對石油能源的依賴，1980年，《可替代能源開發(fā)及推廣法案》宣布生效，決定優(yōu)先建設核電。

由于電力總需求及年度最大需求不再增加，從20世紀90年代開始，幾乎所有抽水蓄能新項目均被推遲或取消。

到20世紀80年代，由于適合大型電站的水力資源開發(fā)殆盡，同時為適應清潔再生能源的需要，日本開始發(fā)展小規(guī)模水電站。

水電站承擔著調頻調壓的輔助功能。為強化這些功能，KEPCO在奧多多良木抽水蓄能電站引進了可調速抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)。

4 水電站運行與維護

在日本1600多座水電站中，約有一半已運行了60 a或更長時間。定期對設施進行巡查與監(jiān)測以評估它們的運行情況。為保持設施良好的運行狀態(tài)并延長其使用壽命，需定期對設備進行維修。對水輪機及發(fā)電機進行及時更新并做好防震安全工作以提高水電設施使用性能。

在日本，人們經常利用河流開展釣魚、水上運動及其他休閑活動，另外河流兩岸建有許多房屋、公路及其他公用設施。因此電站營運商必須保證河流下游河水不出現(xiàn)大波動以免發(fā)生險情。

泥沙是另一個需要持續(xù)監(jiān)測與管理的問題。黑部川比日本任何河流的輸沙率都要高得多。出平(Dashidaira)壩與宇奈月壩已安裝大型排沙管道與閘門，通過對水庫沖淤，使水庫水位得以降低，水流更加順暢。該設施在出平壩完工6 a后，于1991年首次開始使用。

出平壩下游7 km的宇奈月壩建成后，2001年成立了一個委員會以協(xié)調兩座大壩的排沙沖淤問題。

朝日壩為KEPCO所有，受臺風影響，形成渾水水庫，壩前泥沙堆積量較大，排沙面臨較大困難。KEPCO決定采用旁路排沙法來解決問題，該方法通過設計一條旁路隧洞，利用自然水流將泥沙沖向下游。