水能利用學是研究以經濟的方式和工程技術措施利用水能的學科，又稱水能學。水能利用學是建築在一系列專門學科基礎上的一門綜合性學科。其專門學科有水力學、工程水文學、動能經濟學、水力機械、水工結構、計算機技術以及其他有關學科。
| 中文名稱 | 水能利用學 |
| 英文名稱 | hydropower engineering |
| 定 義 | 研究以一定的工程技術措施，經濟合理地利用水能的學科。 |
| 套用學科 | 水利科技（一級學科），水利學總類（二級學科） |
基本介紹
- 中文名：水能利用學
- 外文名：hydropower engineering
發展概況,研究內容,基本原則,研究方法,
發展概況
世界上水力利用已有二三千年歷史，如利用水能轉變為機械能作動力鼓風的水排，利用水能舂米磨麵的水碓、水磨和潮汐磨，利用水能推動的筒車、水車灌溉和排水等。19世紀20年代前後，隨著電工學、電機學的發展，世界上出現了水電站。由於水電建設經驗的積累，1924年蘇聯Б.E.韋傑涅耶夫編撰了水能利用的教科書。1926年美國H.K.巴爾柔斯總結了美國及歐洲水力發電經驗，編寫了水力發電專著，推動了水力發電的進程。20世紀30年代大規模的水電建設開始興起。30〜50年代，美國在田納西河幹流上修建了9個梯級電站，成為世界上進行全河流開發最早的例子。同時，美國陸軍工程兵團研究和開發了哥倫比亞河。這些河流開發的實踐使水能利用學飛速發展，並被其他國家在河流開發中套用。爾後，蘇聯C.H.克里茨基、M. Φ.明凱里合著的《水利計算》和C.H.倪克勤著的《水能學》對水能利用的理論、方法及實踐套用也曾做過極大貢獻。
20世紀中葉，由於受其他學科發展的影響，水能利用學有了進一步發展，從初步的水文、水能計算到水、火、核電配合運行的水能計算和多目標水利計算；從單一工程的規劃研究到全河流以至整個地區的跨流域補償調節規劃研究；從簡單的投資效益計算到複雜的經濟、財務計算；從簡單的、方案數量有限的手工計算到利用電子計算機進行複雜的多方案比較和最佳化計算。1962年美國哈佛大學馬斯等編著了《水資源系統設計》，首先把系統分析的理論套用於流域水資源利用規劃。1975年聯邦德國拉瑪雅國際諮詢公司羅德等發表了用混合整數規劃模型，解決電力系統水、火電源選擇及水電站裝機容量的最佳化問題。美國麻省理工學院套用“篩選”、“模擬”和“排序”3個模型，完成了科羅拉多河多目標開發的流域規劃。1986年蘇聯 A.E.阿薩林、K. H.別斯圖熱娃撰寫了《水能計算》，總結了蘇聯30年來在水電站、抽水蓄能電站設計中的水能計算經驗，以及利用電子計算機進行水利、水能計算的電算程式。
中國在1923年成立了水力組，開始對浙江省甌江支流大溪、小溪和四川省龍溪河水能利用進行研究；1932年成立龍溪河水力發電工程處；1932年中國水力發電專家惲震組織了第一次長江三峽考察和規劃；1939年成立全國水力發電勘測總隊；1944年美國J.L.薩凡奇來華考察三峽，同時研究了四川省一 些河流的水能利用問題；繼而美國工程師 J.S.卡登把美國20世紀40年代水能利用經驗比較完整地介紹給中國。1953年一批蘇聯專家來華，1954年編寫《技術經濟調查報告規程》和《初步設計規程》，C.H.倪克勤的《水能學》系統地介紹了蘇聯的水能利用經驗。1978年以後引進了美國、加拿大等國的理論和方法，逐步建立起適合中國國情的水能利用學，在系統工程、經濟評價方法和計算機套用等方面都取得了顯著的成績。20世紀80年代以來，在長江三峽工程論證、長江流域規劃等項工作中，對基礎資料研究、水能利用方式研究、動能經濟研究、水電站機組機型研究、綜合利用措施研究，特別是綜合經濟評價、財務評價和環境影響評價等有了很大的創新，把中國的水能利用學推向了新的高峰。在建設大型抽水蓄能電站的實踐中，豐富和發展了抽水蓄能電站的水能利用學。水能利用學科的建立和發展為中國大規模開發常規水電站、抽水蓄能電站和潮汐電站奠定了的基礎。
研究內容
②水能利用方式的研究。包括河流梯級開發和綜合利用，海岸潮汐能以及波能的開發利用等。
③動能經濟研究。根據地區工農業用電需要，綜合利用要求和電站建設條件，並考慮電力系統中已建和計畫興建的水、火電站組成和電力系統發展情況，合理確定所設計水電站在電力系統中的任務，論證供電範圍，擬定設計水平年，選擇設計保證率，確定水電站規模及特徵值，包括正常蓄水位、死水位、設計洪水位、校核洪水位、防洪限制水位和裝機容量的選擇，擬定水電站運行方式。
④水電站機組機型研究。根據電站的出力及水頭變化特性、樞紐布置、設備製造、供應和運輸條件以及電力系統的運行要求，通過技術經濟比較，選擇水輪機的設計水頭、安裝高程和機組機型。
⑤綜合利用措施研究。根據綜合利用經濟合理的原則，妥善解決防洪、灌溉、通航、過木、漁業、供水、衛生及水源保護等問越。
⑥泥沙淤積和回水等研究。為正確處理泥沙問題，計算分析工程建成後，上、下遊河道沖淤變化規律及其對工程安全、綜合利用效益及各有關國民經濟部門的影響，為合理確定工程特徵值和運用方式提供必要的依據；根據不同情況，進行水沙調節、回水、水庫放空和降低水位、潰壩洪水、不穩定流、初期充蓄和防凌防冰等計算。
⑦綜合經濟評價。包括經濟評價、財務評價和環境影響評價。經濟評價要根據電力系統發展規劃擬定比較方案，計算費用和效益，進行方案比選，並對選定的方案研究各項經濟指標，還要對選定方案進行財務評價、敏感或風險分析和經濟效果與社會效果的綜合評價。
基本原則
研究水能利用學要遵循下述基本原則。
(1)以系統工程的原則研究問題。以全系統(含電力系統的一次、二次能源系統和水資源系統)整體最優為出發點研究問題和選擇方案。
(2)運行決策(含水庫運行決策和電站運行決策)。在不增加水電站資金投入的條件下，將系統中的水庫群或水、火電站群作為一個整體，研究水庫群或水、火電站群總體和各自的最佳化運行方式，使系統發電經濟效益達到最大。
(3)在進行投資決策時，投資效益除本電站的效益外，還要計及由於該資金投入帶來的系統附加效益，如增加水電站群的保證出力和年發電量等“群”的增益。應考慮水電站在整個服務期中效益和費用隨時間推移而引起的變化。
(4)在進行綜合利用項目的投資決策時，必須計入綜合利用的效益，或進行綜合利用工程費用分攤。
研究方法
可分常規法和最佳化法兩類。
(1)常規法。方案選擇一般用對比法，即根據工程經驗列舉若干個可相互替代的方案，並對每一個方案進行運行決策，相應核定水電站(群)的發電效益，以各方案滿足相同數量、質量的電力、電量需求為前提，確定逐年系統內其他電站的規模及相應燃料消耗量，據以計算全系統逐年費用，並折算成總費用現值。根據費用現值最小的原則並結合其他社會及技術因素以選定方案。
這種方法套用廣泛，但研究的方案有限，存在可能漏掉最優方案的問題。
(2)最佳化法。根據工程問題，建立最佳化模型，將與水能利用有關的各種因素作為一個系統進行最佳化。從所有可能的方案中進行篩選，能夠達到整個系統最佳化的目的。因水能利用的最佳化是涉及面很廣的、非線性的時空最佳化問題，模型是很複雜的。需根據不同的問題和情況建立合適的模型。
