陳陽(yáng)宇 ，鞠茂森，程 敏 ，劉德峰

（1.南京河?？萍颊{(diào)水儲(chǔ)能研究所，210036，南京；2.水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心，210098，南京；3.安徽省黃山市水利局，245200，黃山；4.北京水沃新華科技有限公司，100086，北京）

一、調(diào)水儲(chǔ)能提出的背景

調(diào)水儲(chǔ)能，這個(gè)概念即涉及調(diào)水，又涉及儲(chǔ)能，在實(shí)現(xiàn)調(diào)水的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。調(diào)水主要是水利部門(mén)的職能，儲(chǔ)能是電力系統(tǒng)的工作，因此，調(diào)水儲(chǔ)能是跨行業(yè)的一個(gè)組合概念。為什么要提出這個(gè)新概念呢？

背景一：2017年10月，黨的十九大會(huì)議上提出“建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)”，2018年3月國(guó)務(wù)院機(jī)構(gòu)改革組建生態(tài)環(huán)境部，生態(tài)文明建設(shè)被擺在非常突出的重要位置。一個(gè)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，水是最為重要的因素，可以說(shuō)水的多少是決定這個(gè)區(qū)域生態(tài)環(huán)境是否良好的首要因子。生態(tài)文明建設(shè)要求我們必須調(diào)整治水思路，注重人與自然的和諧，在防洪和供水安全得到保障的情況下，更加注重生態(tài)用水的需求。調(diào)水工程的建設(shè)目標(biāo)在常規(guī)滿(mǎn)足生產(chǎn)和生活用水基礎(chǔ)上加入了滿(mǎn)足生態(tài)用水這個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)生態(tài)文明的重視甚至使得完全以滿(mǎn)足生態(tài)用水為建設(shè)目標(biāo)的調(diào)水工程成為可能。

背景二：我國(guó)水資源分布不均，南多北少。西北和華北由于降雨較少，大量的沙漠、沙地均分布在這一廣袤區(qū)域，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，如何引水改善這里的生態(tài)環(huán)境成為眾多專(zhuān)家學(xué)者研究探討的問(wèn)題，這個(gè)重大問(wèn)題的解決在當(dāng)今的技術(shù)條件下是否還有更好的方案？

背景三：電像水一樣，與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)?；痣姟⑺?、風(fēng)電、光電、核電等共同形成一個(gè)巨大的能源電網(wǎng)以保障社會(huì)的需求。但由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度放慢和產(chǎn)能過(guò)剩，近幾年，發(fā)電設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)逐年下降，同時(shí)存在大量的棄水棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，可再生能源發(fā)電面臨的限電問(wèn)題日趨嚴(yán)重。發(fā)電設(shè)備利用小時(shí)數(shù)過(guò)低和清潔能源消納已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。有沒(méi)有一種發(fā)展思路既能大量消納棄掉的可再生能源還能吸收較大的電力產(chǎn)能？

當(dāng)大量的信息匯聚，創(chuàng)新總是不期而至。生態(tài)文明建設(shè)已成國(guó)策，要建設(shè)生態(tài)文明國(guó)家，西北華北的生態(tài)環(huán)境需要改善，生態(tài)環(huán)境的改善需要生態(tài)水源，生態(tài)水源需要調(diào)水工程，調(diào)水工程需要能量驅(qū)動(dòng)，恰恰現(xiàn)在有大量的棄能和產(chǎn)能需要消納，這些棄能和產(chǎn)能能否轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)調(diào)水工程的能量呢？將抽水蓄能這種主要的儲(chǔ)能方式與調(diào)水工程的能量驅(qū)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，一個(gè)創(chuàng)新的概念誕生了：調(diào)水儲(chǔ)能。

二、調(diào)水儲(chǔ)能與抽水蓄能的異同

調(diào)水儲(chǔ)能與抽水蓄能兩者有什么異同？

第一，兩者應(yīng)用的目標(biāo)不同。抽水儲(chǔ)能主要是作為一種儲(chǔ)能方式，服務(wù)于電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻和事故備用等；調(diào)水儲(chǔ)能著眼于生態(tài)文明國(guó)策，解決調(diào)水工程的能量來(lái)源和綠色可再生能源的消納問(wèn)題。

第二，兩者蘊(yùn)含的工程內(nèi)容不同。抽水儲(chǔ)能對(duì)應(yīng)著抽水儲(chǔ)能電站。調(diào)水儲(chǔ)能首先要實(shí)現(xiàn)跨流域調(diào)水，在調(diào)水區(qū)和受水區(qū)之間恰當(dāng)選擇分水凹地形修建水庫(kù)，對(duì)應(yīng)的調(diào)水儲(chǔ)能電站一般至少有下庫(kù)（調(diào)水區(qū)）、上庫(kù)（分水凹）、下庫(kù)（受水區(qū)）3個(gè)水庫(kù)及相應(yīng)的泵站、水輪發(fā)電機(jī)組及其他配套設(shè)施。一般而言，調(diào)水儲(chǔ)能電站的工程規(guī)模比抽水儲(chǔ)能電站規(guī)模大得多，為了實(shí)現(xiàn)一些大的流域之間的調(diào)水，可能要修建一系列的水庫(kù)、引水隧洞、明渠等工程設(shè)施以建成調(diào)水儲(chǔ)能電站群組聯(lián)合運(yùn)行。

第三，儲(chǔ)能電站的運(yùn)行方式不同。抽水儲(chǔ)能電站采用可逆式水輪機(jī)組，抽水時(shí)以泵站方式運(yùn)行，發(fā)電時(shí)以水輪機(jī)方式運(yùn)行，抽取的水流一般原路返回，不涉及水流在不同流域之間輸送。調(diào)水儲(chǔ)能電站要實(shí)現(xiàn)水流在不同流域之間的輸送，因此，在調(diào)水區(qū)是以泵站抽水方式運(yùn)行，在受水區(qū)以水輪機(jī)發(fā)電方式運(yùn)行，水流一般沿調(diào)水路線單向流動(dòng)，不一定要原路返回。

兩者一個(gè)共同點(diǎn)就是抽水時(shí)都實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，儲(chǔ)能的物理原理完全相同（電能轉(zhuǎn)化為水的勢(shì)能）。圖1和圖2分別為抽水蓄能與調(diào)水儲(chǔ)能的基本技術(shù)原理圖。

圖1 抽水蓄能基本技術(shù)原理圖

圖2 調(diào)水儲(chǔ)能基本技術(shù)原理圖

三、調(diào)水儲(chǔ)能的概念和內(nèi)涵

調(diào)水儲(chǔ)能的概念描述為：著眼于大范圍區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改良，充分利用天然河道和湖泊的連通和輸送能力，以實(shí)現(xiàn)水流在不同尺度流域之間輸送為目標(biāo)，綜合考慮地形、移民、征地等因素合理選擇工程地點(diǎn)修建儲(chǔ)能電站，消納電力能源網(wǎng)絡(luò)的棄能或閑置產(chǎn)能，各種工程設(shè)施與天然河道或湖泊組合形成的水流鏈路和電力網(wǎng)絡(luò)之間不斷進(jìn)行能量交換和互補(bǔ)，在為電網(wǎng)提供可靠的儲(chǔ)能調(diào)節(jié)穩(wěn)定能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)水資源的跨流域/地域的空間調(diào)配。

調(diào)水儲(chǔ)能這個(gè)新概念立足于我國(guó)水資源空間分布不均及電網(wǎng)儲(chǔ)能需求的客觀事實(shí)，具有豐富的內(nèi)涵。

第一，調(diào)水儲(chǔ)能著眼于生態(tài)，立意高遠(yuǎn)。傳統(tǒng)的調(diào)水工程主要是滿(mǎn)足生產(chǎn)和生活用水，調(diào)水儲(chǔ)能將生態(tài)用水?dāng)[在突出優(yōu)先的位置，著眼于國(guó)家整個(gè)西北和華北的生態(tài)環(huán)境改善，調(diào)水目標(biāo)優(yōu)先順序?yàn)橄壬鷳B(tài)再生活再生產(chǎn)，為國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)提供水資源戰(zhàn)略支撐。

第二，調(diào)水儲(chǔ)能增進(jìn)國(guó)家整體福利。調(diào)水儲(chǔ)能跨越水利和電力兩大行業(yè)，從國(guó)家整體利益高度，將兩大行業(yè)的問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)求得最優(yōu)解，在為電網(wǎng)建立分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)水資源跨流域空間配置（即跨流域調(diào)水）。調(diào)水可以消納電網(wǎng)大量棄能和閑置產(chǎn)能，電網(wǎng)可以為調(diào)水提供能量驅(qū)動(dòng)。

第三，調(diào)水儲(chǔ)能可以具體表現(xiàn)為一種工程設(shè)施——調(diào)水儲(chǔ)能電站。有別于傳統(tǒng)的抽水蓄能電站，調(diào)水儲(chǔ)能電站以實(shí)現(xiàn)水流在不同尺度流域之間輸送為目標(biāo)，不同尺度的流域?qū)?yīng)著規(guī)模大小不同的調(diào)水儲(chǔ)能電站，大的流域之間的水流輸送可能需要大小不一的調(diào)水儲(chǔ)能電站群組聯(lián)合運(yùn)行才能完成。

第四，調(diào)水儲(chǔ)能意味著可以組成調(diào)水儲(chǔ)能系統(tǒng)。調(diào)水儲(chǔ)能電站群組聯(lián)合運(yùn)行就是一個(gè)調(diào)水儲(chǔ)能系統(tǒng)。調(diào)水儲(chǔ)能系統(tǒng)由天然河道、湖泊、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的調(diào)水儲(chǔ)能電站、輸水設(shè)施（隧洞或明渠）形成水流鏈路，水流鏈路可能是開(kāi)放的，也有可能形成閉環(huán)，水流鏈路與電力網(wǎng)絡(luò)之間不斷進(jìn)行能量交換。調(diào)水工程跨越的區(qū)域或流域范圍決定著調(diào)水儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)模大小。

第五，調(diào)水儲(chǔ)能可以成為一門(mén)新的專(zhuān)業(yè)學(xué)科。它涉及水文水資源、水利工程、地質(zhì)力學(xué)、水力動(dòng)力設(shè)備、發(fā)電工程、環(huán)境生態(tài)、氣象氣候、工程管理、經(jīng)濟(jì)規(guī)劃、公共政策管理等多學(xué)科專(zhuān)業(yè)的知識(shí)和技能。調(diào)水儲(chǔ)能線路與電站的規(guī)劃、選址、建設(shè)和管理為廣大研究工作者開(kāi)辟了一個(gè)全新的綜合性研究領(lǐng)域，可以帶動(dòng)水利、電力、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、管理等多學(xué)科的交叉、集成和創(chuàng)新。

第六，調(diào)水儲(chǔ)能可以成為發(fā)展戰(zhàn)略。調(diào)水儲(chǔ)能著眼大生態(tài)格局，統(tǒng)籌考慮將南方多余水資源調(diào)往西北華北干旱地區(qū)，其間要修建大量的調(diào)水儲(chǔ)能電站和其他配套輸水設(shè)施，投資巨大，不僅為水利行業(yè)發(fā)展提供新思路，而且為電力行業(yè)的儲(chǔ)能建設(shè)和新能源開(kāi)發(fā)指引新方向。調(diào)水儲(chǔ)能事業(yè)的推進(jìn)對(duì)國(guó)家整個(gè)發(fā)展影響深遠(yuǎn)，完全可以上升為國(guó)家層面的發(fā)展戰(zhàn)略。

四、調(diào)水儲(chǔ)能的發(fā)展前景

調(diào)水儲(chǔ)能在相鄰流域分水嶺處巧妙選址修建儲(chǔ)能電站，在流域的一邊水流逆向躍升儲(chǔ)能再沿流域的另一邊下泄發(fā)電，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)抽水蓄能電站儲(chǔ)能功能的同時(shí)完成相鄰流域的河湖連通和水資源配置。這一創(chuàng)新的技術(shù)思路跳出了就水治水的思維局限，將水資源配置與電力能源開(kāi)發(fā)有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，不僅可以形成全國(guó)主要江河湖庫(kù)縱橫貫通的水資源配置格局，而且可以建立覆蓋全國(guó)的分布式電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)于我國(guó)宏觀水資源配置、電網(wǎng)儲(chǔ)能調(diào)節(jié)運(yùn)行、可再生能源消納開(kāi)發(fā)及基礎(chǔ)設(shè)施有效投資等均具有重大戰(zhàn)略?xún)r(jià)值，具有廣闊的發(fā)展前景。

1.為我國(guó)水資源配置提供新的解決方案

南多北少是我國(guó)水資源國(guó)土分布的基本國(guó)情，已經(jīng)修建的南水北調(diào)中線和東線及規(guī)劃的西線工程是我國(guó)水資源宏觀配置的主要工程措施。南水北調(diào)中線和東線發(fā)揮了重要作用，但設(shè)計(jì)的總體思路沒(méi)有考慮調(diào)水工程與周?chē)h(huán)境的水系連通及電力能源的開(kāi)發(fā)利用。調(diào)水儲(chǔ)能充分利用天然江河的水流輸送能力，在流域分水嶺修建調(diào)水儲(chǔ)能電站可將全國(guó)各大流域和主要江河湖庫(kù)有效地連通起來(lái)，形成橫貫?zāi)媳薄|西互濟(jì)的大型水資源配置網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為我國(guó)各種尺度的水資源配置提供切實(shí)可行的解決方案。

2.為電網(wǎng)儲(chǔ)能建設(shè)提供新的規(guī)劃

調(diào)水儲(chǔ)能是基于抽水蓄能的技術(shù)創(chuàng)新，為電網(wǎng)儲(chǔ)能建設(shè)提供新的規(guī)劃，也為電網(wǎng)儲(chǔ)能建設(shè)提供新的指導(dǎo)原則，即全國(guó)儲(chǔ)能電站的建設(shè)規(guī)劃必須兼顧我國(guó)宏觀的水資源整體配置。如果不對(duì)現(xiàn)有抽水蓄能電站建設(shè)規(guī)劃的指導(dǎo)思想進(jìn)行大的調(diào)整，僅為電網(wǎng)運(yùn)行而儲(chǔ)能，電力行業(yè)的大量棄能和龐大的產(chǎn)能就無(wú)法找到大的消納方式和出口，國(guó)家的整體經(jīng)濟(jì)福利將受到較大的抑制和傷害。調(diào)水儲(chǔ)能可以將水調(diào)和電調(diào)完美結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)水資源的空間配置調(diào)度的同時(shí)也為電網(wǎng)建立了大規(guī)模的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，還可為風(fēng)電、光電、核電及其他綠色能源的開(kāi)發(fā)創(chuàng)造十分有利的條件，極大地提高能源電網(wǎng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力、可靠性和穩(wěn)定性。我國(guó)西北和華北對(duì)水資源的龐大需求為大規(guī)模消納電網(wǎng)棄能和閑置產(chǎn)能提供了現(xiàn)實(shí)的可能，也為儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的空間。

3.為國(guó)家經(jīng)濟(jì)大發(fā)展提供新的引擎

調(diào)水儲(chǔ)能服務(wù)于生態(tài)文明建設(shè)，為我國(guó)西北和華北生態(tài)環(huán)境的改善提供水資源保障，可以成為基礎(chǔ)設(shè)施投資補(bǔ)短板的一個(gè)熱點(diǎn)。調(diào)水儲(chǔ)能要修建大量的調(diào)水儲(chǔ)能電站和大量配套的工程引水設(shè)施，需要很大的投資。短期而言，龐大的工程投資將直接拉動(dòng)鋼材、水泥、建筑材料、機(jī)械、電力設(shè)備等各行業(yè)的有效需求，工程建設(shè)的繁重任務(wù)將吸收上千萬(wàn)的勞動(dòng)就業(yè)大軍；長(zhǎng)期來(lái)看，據(jù)初步測(cè)算，覆蓋全國(guó)的水資源配置網(wǎng)絡(luò)工程實(shí)施后每年可以從南方向北方調(diào)送1 000億~1 500億m3水資源量，整體可增加儲(chǔ)能發(fā)電裝機(jī)4.5億kW左右，每年可消納清潔能源超過(guò)1.5萬(wàn)億kWh，對(duì)農(nóng)業(yè)與生態(tài)的價(jià)值無(wú)可估量。

4.為全球能源互聯(lián)網(wǎng)與全球水問(wèn)題解決提供中國(guó)方案

調(diào)水儲(chǔ)能涉及的一系列技術(shù)都是通用的，不僅可用于解決我國(guó)的水問(wèn)題和電網(wǎng)運(yùn)行的儲(chǔ)能調(diào)節(jié)問(wèn)題，而且可為全球能源互聯(lián)網(wǎng)和全球水問(wèn)題的解決提供中國(guó)方案。能源互聯(lián)網(wǎng)是一種基于可再生能源、分布式、開(kāi)放共享的網(wǎng)絡(luò)，其本質(zhì)特征還是要基于可再生的綠色能源。但風(fēng)能和光能這些綠色能源天然具有間歇性、波動(dòng)性特點(diǎn)，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)這些波動(dòng)能源進(jìn)行吸收調(diào)節(jié)，而在儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)中還是以水流勢(shì)能儲(chǔ)能作為首選方案。世界各國(guó)也基本面臨與我國(guó)類(lèi)似的水問(wèn)題：洪澇災(zāi)害、干旱缺水和水體污染。調(diào)水儲(chǔ)能可為世界各國(guó)（特別是地勢(shì)起伏不平的國(guó)家）提供將水問(wèn)題與電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)統(tǒng)籌解決的可行方案，修建的調(diào)水工程可為各國(guó)解決水資源的短缺和配置問(wèn)題，工程中修建的調(diào)水儲(chǔ)能電站還可增強(qiáng)各國(guó)電網(wǎng)儲(chǔ)能調(diào)節(jié)和新能源開(kāi)發(fā)潛力。