出品：科普中国

作者：城明辰（科普创作者）

监制：中国科普博览

无论是四大文明古国的诞生，还是现代各大超级城市的建立，无一不在大河两岸，原因很简单：大河流域肥沃的土壤和充沛的水源，为农业发展提供了绝佳的条件。大规模的农业活动养育了更多的人口，自然也就能支撑文明的发展与城市的扩张，从这种意义上说，河流养育了我们的人类文明。

四大古代文明古国的位置

（图片来源：自制）

时至今日，除了传统的灌溉与生活用水之外，河流还为我们提供了支撑现代文明最重要的东西——能源。依靠建立在河流上的一系列水电站，我们可以获取廉价而清洁的能源。

近些年来，风电和光伏等新能源的发展步伐突飞猛进，但根据国际能源署发布的分析预测报告，水力发电目前约占世界总发电量的16%，是容量最大的可再生能源，在2025年仍会保持16%的比重。

水电站诞生记

水电站的诞生与水轮密不可分。很早以前，人们就已经会制造水轮来利用水力了。在这其中，中国对水轮的利用历史极为悠久。

汉武帝末年，即公元前100年前后，我国出现了现代水轮机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。随后，水能利用在宋元时期进入全盛阶段，领先世界的水运仪象台、水转大纺车等水力机械应运而生。但遗憾的是，这些科技很快就被淹没在了历史中，进入明清时期后，我国水能利用技术彻底陷入停滞。

水转大纺车的复原图

（图片来源：中国科学技术馆）

18世纪初，法国人发明了反击式水轮机，但效率低下。1849年，美国人詹姆斯·弗朗西斯对其进行改进，研制出了第一台现代水轮机，由此水能利用迈入了实用阶段。

1880年一种现代水轮机的专利图

（图片来源：wikipedia）

随着发电机的发明与成熟，“水轮机+发电机”的组合闪亮登场。1882年，美国威斯康星州的福克斯河（Fox River）沿岸建成了世界上第一座水电站，从此拉开了水力发电的帷幕，此后，世界各地涌现出了一股水电开发热潮。

1910年，即清光绪三十六年，我国也终于建成了第一座水电站——石龙坝水电站，它位于云南省昆明市螳螂川的上游，由商人王筱斋为首集资筹建，落差15米。通过引进当时国外的先进技术设备，包括福伊特公司的水轮机和德国西门子的发电机，向距电站32公里的昆明市进行供电。

石龙坝水电站第一车间，这就是中国的第一座水电站。大门门口楹联写有“机本天然生运动，器凭水以见精奇”，楣联为“皓月之光”，反映出当时人们对水电的认识

（图片来源：wikipedia）

水坝开闸放水就是在发电？不

发电的方式虽然多种多样，但存在很多相似之处，比如绝大多数的发电方式都离不开一台发电机（光伏发电除外），例如火电、水电、风电等。

为了驱动发电机旋转运行，前端的动力源（水蒸气、水流、空气等）需要通过叶轮机械（汽轮机、水轮机、风力机）将它本身的直线运动转化为旋转运动。也就是说，运动的水流才能发电，而大坝水库中囤积的水并不能直接发电，它需要将其自身的能量先转化为动能。

有了上面的知识，我们自然就会明白，水力发电其实就是利用水轮机将水的重力势能转换成了电能。很多人可能见过水坝开闸放水时，水流奔腾而下的壮观景象，也可能会想当然地以为这就是水电站正在发电，但其实不然。

正在开闸放水的三峡大坝

（图片来源：wikipedia）

虽然水力发电确实依赖的是重力势能，但指代的并不是大坝向外涌出的水，而是大坝内部的水。大坝中的水越深，具体来说，就是水坝水平面至水轮机入口的垂直高度（专业上称之为水头）越大，重力势能越大。当水闸打开时，水从闸门流出并带动水轮机旋转，将重力势能转化为机械能，机械能通过与水轮机相连的发电机转化为电能。

水电站工作原理

（图片来源：wikipedia）

水电站：我也想和鱼做朋友

水电是一种重要的清洁能源，但如果建设不当，也会带来一些生态问题。其一是，水坝的建设可能会破坏水生动物的洄游路径以及栖息地；其二是，水轮机在旋转过程中也可能会对水生动物，尤其是鱼类造成伤害。

鱼类通过水轮机时受伤的原因可分为4大类：碰撞、水压、漩涡和空蚀。在水轮机高速旋转过程中，鱼类穿过水轮机时很容易被叶片撞击；水轮机会使水压发生剧烈改变，使鱼体的鱼鳔受到损伤；产生的急速旋转的漩涡也会将鱼类卷入其中，使其承受较大的剪切力；水轮机旋转还会产生空化气泡，这种气泡在鱼类表面破裂也会产生高压冲击波。

鱼在轴流式叶轮进口的运动

（图片来源：参考文献[6]）

提升鱼类友好性是当前水电站的发展趋势之一，国际上对这个课题非常重视，鱼类存活率是评价水电项目生态友好性的重要指标。

虽然对现有的水轮机进行改进可以降低对鱼类的伤害，但研发新型的水轮机才能从根本上解决问题。

对此，1993年，美国奥尔登（Alden）公司推出了一种造型奇特的奥尔登水轮机，这种水轮机仅采用三只螺旋状叶片，辅助安装旋转罩来消除漩涡，使鱼类可以恰好从叶片与座环的间隙通过。但模型实验结果表明，水流在尾水管处仍存在小漩涡，这可能会将鱼类绕晕，但它相对于传统水轮机，安全性已大幅提升。

奥尔登水轮机

（图片来源：参考文献[5]）

经过多年不断的积极探索，我国鱼类友好型水轮机的设计水平稳步提升，同时取得了不错的效果，在多个水电站中已经得到了应用推广。

**除了水轮机，水坝对于鱼类也是一个不小的挑战，为鱼类修建一座鱼梯（fish ladder），可以帮助鱼类穿过水坝进入上游。**鱼梯其实就是鱼类的梯子，通过在水坝下游设置坡度较缓的水道、隔板等减缓水流的障碍物和水池等供鱼类休息的场所，为鱼类开辟一条上行通道。鱼类可以逆流而上，达到上方的水池后进行休息，然后重复这个过程，直到它们离开梯子，最终跃过“龙门”。

美国约翰戴大坝上的鱼梯

（图片来源：Wikipedia）

从本世纪初开始，我国就十分重视水电站的鱼梯修建工作，还专门出台了《水利水电工程鱼道设计导则-SL609-2013》的标准。

在乌东德水电站修建的过程中，为了最大程度保护河中的鱼类，工程师为鱼类专门定做了一种“直行电梯”，它是一种尾水集鱼设备，在发电机组的尾水排放口设置集鱼站和集鱼箱，利用鱼类逆流而上的天性诱导它们进入“电梯”，之后“电梯”快速提升到大坝上游。统计结果显示，自乌东德水电站2020年运行以来，这个“电梯系统”每天帮助的鱼类可达1000多条。

小水电站：大家伙，你无法和我抢朋友

除了大型水电站外，很多人不知道还有小水电站，小水电站通过引水形成支流进行发电的方式，可以最大程度上保护鱼类的健康安全。

伴随着技术的不断发展和成熟，水轮机的效率越来越高，水电站也越修越大，虽然大型水电站可以带来巨大的防洪、发电、航运、养殖、旅游、灌溉等效益，但大型水电站的开发余量已所剩不多，下一步只能在小水电站上进行渗透。

小水电站一直以来往往会被人们忽视，实际上，每建设一座大型水电站，就会对应建成11座小水电站，虽然大和小根据不同国家的标准有所不同，但不可否认的是，小水电站对能源电力的贡献并不逊色于大型水电站。但这些小水电站往往与周围环境的关系更为和谐，体现了人与自然和谐发展的理念，小水电站根据是否有支流和是否有水库可大致分为四类。

四种小型水电站

图片来源：The Ecological Society of America

虽然可以从大坝高度、蓄水容量、额定发电功率或投资成本等不同角度将水电站分为大小两类，但二者并没有严格统一的定义。相对而言，小水电站对周围的生态环境更为友好。但是，想要找到完全科学的证据却并不容易，因为“鱼儿不能两次踏入同一条河流”，几乎找不到完全相似的两条河流来做一组对照实验。

然而，与大型水电站相比，小水电站一般并不会完全堵塞河流，因此，鱼类会更加自由地通过大坝。此外，大水电站的大坝水压更大，水轮机叶片尺寸更大，杀伤力更强，产生的噪声也会影响鱼类之间的交流，而小水电站的情形则截然不同。

小水电站实际上对周围的生态环境还有一定的积极作用，比如大坝前方安装的滤网可以过滤掉水中的废弃物，保持河水的洁净，同时还可以减缓水流，改善河堤的污染状况。这样一来，就更有利于鱼儿们“安居乐业”啦！

结语

任何一座水电站的建设都值得慎重地反复论证，我们相信，科研人员的不断探索与技术的不断进步，会促进人与自然的和谐发展。

各种清洁可再生能源

（图片来源：alamy，作者翻译）

参考文献

[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.

[4] Final Turbine and Test Facility Design Report Alden/NREC Fish Friendly Turbine, Prepared by Alden Research Laboratory, Inc. Northern Research and Engineering Corporation for the U.S. Department of Energy Idaho Operations Office, September 2000.

[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]杨丹丹. 轴流泵内鱼体运动行为及损伤分析[D]. 北京: 清华大学. 2021.

来源: 中国科普博览

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