水电是历史最悠久的可再生电力，至今仍是规模最大的一种。太阳让水蒸发，水汽再以雨雪的形式落到地势高的地方；水电站把这些水的势能变成电，效率超过 90%，比任何其他发电方式都高。它还能做到光伏和风电单靠自己做不到的事：把能量储存起来，需要的时候再调度出来。账本的另一面是：大坝会彻底改变河流、迫使沿岸社区搬迁，而且越来越容易受到干旱的影响。这篇指南会讲清楚物理原理、主要技术和成本，并如实交代水电对环境的影响。
水电在全球电力结构中的地位
2025 年水电发电量约为 4,435 TWh，约占全球电力的 14%（Ember / Our World in Data）。在 2000 年代，它的占比还有 16–17%，此后其他电源增长得比它更快。全球水电装机容量约 1,400 GW（国际水电协会 IHA 数据），另有约 190 GW 抽水蓄能。
| 国家 | 水电占发电量比例（2025 年） | 说明 |
|---|---|---|
| 巴拉圭 | 约 99% | 伊泰普电站（14 GW，与巴西共有） |
| 挪威 | 约 90% | 山区水库；向外输出灵活性 |
| 冰岛 | 约 71%（2024 年） | 其余为地热 |
| 加拿大 | 约 53% | 魁北克、不列颠哥伦比亚、马尼托巴 |
| 巴西 | 约 52% | 随着风电和光伏增长，已从约 80% 降下来 |
| 瑞典 | 约 40% | 另有核电和风电 |
| 罗马尼亚 | 约 24% | 多瑙河上的铁门水电站 |
| 中国 | 约 13% | 全球最大水电生产国；三峡 22.5 GW |
| 美国 | 约 5% | 太平洋西北地区 |
数据：Ember / Our World in Data，最新年份。仅中国一国就生产了全球约 30% 的水电。可以在国家页面浏览各国情况，在发电厂地图上查看电站位置。
物理原理：水头、流量和效率
落下的水能发多少电，取决于两件事：水落下多高（水头，head，单位 m），以及每秒落下多少水（流量，flow，单位 m³/s）。
ρ = 1,000 kg/m³（水的密度）， g = 9.81 m/s² Q = 流量 (m³/s)， H = 净水头 (m)， η = 总效率 (0.7–0.92)
经验公式： P (kW) ≈ 9.81 × Q × H × η 年发电量 (kWh) = P × 8,760 × 容量系数
净水头（net head）等于毛落差减去压力管道（penstock，即引水钢管）中的摩擦损失，后者一般占毛水头的 5–15%。总效率由水轮机（大型机组为 85–95%）、发电机（95–98%）和变压器三者共同决定。
计算示例：一座小型径流式电站
一条山区河流提供 4 m³/s 的设计流量。进水口把这些水引入一条 1.8 km 长的压力管道，送到下方落差 85 m 处的发电厂房。摩擦损失 8%，净水头剩 78 m。总效率 0.86。
- P = 9.81 × 4 × 78 × 0.86 ≈ 2,630 kW（2.6 MW）
- 按容量系数 45% 计算（流量随季节变化）：2,630 × 8,760 × 0.45 ≈ 每年 10.4 GWh，大约够 3,000–4,000 户欧洲家庭使用。
- 与欧盟平均电网相比，每年减少的 CO₂ 大约在 2,500–3,000 t 量级。
用微型水电计算器算算你自己的场址。
水轮机类型
选用哪种水轮机，主要由水头和流量决定：
| 水轮机 | 水头范围 | 流量 | 典型用途 | 峰值效率 |
|---|---|---|---|---|
| 冲击式（Pelton） | 50–1,800 m | 小 | 阿尔卑斯和山区电站、微型水电 | 90–93% |
| 斜击式（Turgo） | 30–300 m | 小到中 | 小水电 | 85–90% |
| 混流式（Francis，反击式） | 10–700 m | 中到大 | 大多数大型水坝（三峡、伊泰普） | 93–95% |
| 轴流转桨 / 定桨式（Kaplan，反击式） | 2–40 m | 大 | 低水头河流、径流式电站 | 90–94% |
| 贯流式（横流式，Banki） | 2–100 m | 小到中 | 微型水电，结构简单 | 75–85% |
| 阿基米德螺旋 | 1–10 m | 中 | 堰坝、对鱼类友好的场址 | 75–85% |
水电站类型
- **水库式（蓄水式）水电。**大坝能把水蓄存几周到几年，所以出力可以按用电需求来安排。这让它成为最有价值的灵活性可再生电源。例子：胡佛水坝、伊泰普、挪威高原水库。
- **径流式（run-of-river）。**几乎没有调蓄能力，出力跟着河流的天然流量走。环境影响较小，但没有灵活性。
- **抽水蓄能（pumped storage）。**电价低时把水抽到上游水库，电价高时放水发电，往返效率（round-trip efficiency）为 70–85%。按能量计算，它占全球电力储能容量的 90% 以上。可以用抽水蓄能计算器估算项目规模。
- **河道内水电和小型 / 微型水电。**小水电低于 10 MW，微型水电低于 100 kW，常常离网运行。
成本
水电前期投资大，受场址条件限制，寿命也很长。水轮机能运行 30–50 年再大修；大坝和隧洞能用一百年甚至更久。
| 指标 | 典型范围 |
|---|---|
| 大型水电单位造价 | $1,500–3,500/kW（IRENA 全球加权平均近年约 $2,800/kW） |
| 小水电单位造价 | $1,500–6,000/kW |
| 容量系数 | 30–60%（全球平均约 40–45%） |
| 新建大型水电 LCOE | 约 $0.04–0.10/kWh（IRENA 全球加权平均近年约 $0.06–0.07） |
| 已折旧完的现役电站 LCOE | $0.01–0.03/kWh |
| 运行寿命 | 50–100 年以上 |
早已建成的老水坝，往往是电网里最便宜的电源。新建的超大型项目就是另一回事了：牛津大学对 245 座大型水坝的研究（Ansar et al., 2014）发现，平均成本超支约 96%，工期延误 44%。用 LCOE 计算器检验一下经济性。
水电为电网提供灵活性
风电和光伏越来越多，水电的灵活性已经比它发出的电量本身更值钱。水库式电站几分钟内就能从零出力升到满发，能为电网提供转动惯量（inertia）和调频，还能把能量在几天甚至几个季节之间转移。挪威的水电机组通过通往德国、英国、丹麦和荷兰的跨国联络线，充当北欧的“电池”。给现有水库加装水泵或增加机组（即“增容改造”，repowering），往往比新建大坝便宜。见储能技术对比。
环境和社会账本
**排放。**大多数水电的全生命周期排放为 4–30 g CO₂e/kWh。在气候温暖地区淹没了植被的水库是另一回事：淹在水下的有机物腐烂时，会释放大量甲烷。IPCC 给出的范围从约 1 到超过 2,000 g CO₂e/kWh。Deemer et al.（2016）的综合研究估计，全球水库水面每年排放约 1 Gt CO₂e，主要是甲烷。功率密度低（每 MW 占地面积大）的浅水热带水库最糟糕。
**河流和生态系统。**大坝把一条河流切成互不相连的几段，阻断鱼类洄游，拦截泥沙（让尼罗河、湄公河等下游三角洲得不到泥沙补给），还会改变水温和水流规律。全球长河中只有约三分之一仍在自由流淌（Grill et al., Nature, 2019）。鱼道（fish ladder）、最小生态流量和排沙措施能减轻这些损害，但不能消除损害。
**人。**据估计，大型水坝已让全球 4,000 万到 8,000 万人搬离家园（世界水坝委员会，2000 年），其中三峡一项就超过 130 万人。利益共享，以及自由、事先、知情同意（FPIC）原则，如今在纸面上已是标准做法，但实际执行得参差不齐。
**安全。**溃坝事故很少见，但一旦发生就是一场灾难。1975 年中国板桥水库溃坝造成数万人死亡。2023 年利比亚德尔纳灾难中，两座并非为水电而建的水坝溃决，造成数千人死亡。
气候风险：干旱
水电靠雨水和降雪运转，而气候变暖让两者都变得更难预测：
- **2021–2022 年：**巴西遭遇 90 年来最严重的干旱，不得不启用昂贵的火电。
- **2022 年：**中国四川约 80% 的电力来自水电，在创纪录的热浪中实行限电。意大利、西班牙、葡萄牙和法国的水电发电量大幅下降。
- **2023–2024 年：**受中国、墨西哥等地干旱影响，2023 年全球水电发电量下滑。2024 年卡里巴湖水位过低，导致赞比亚和津巴布韦严重停电。
风电和光伏的出力高峰季节常常和水电错开，所以多建风电和光伏能降低这种风险。
现代化改造：常遭忽略的机会
据 IEA 统计，北美和欧洲的水电站平均已运行 40–50 年以上，很多在未来十年内需要大修。改造现有场址，能在几乎不增加环境影响的情况下，大幅提高发电量：
- **更换转轮（runner）和发电机。**把 1950–70 年代设计的水轮机换成经过计算机优化的现代机组，效率一般能提高 2–5 个百分点，容量提高 5–30%。
- **加装抽水功能。**把常规水库式电站改成抽水蓄能，或在两座现有水库之间安装水泵水轮机，不建新坝就能获得储能。阿尔卑斯和伊比利亚的几个项目就是这么做的。
- **变速机组。**双馈或全功率变流机组让抽水蓄能电站可以连续调节抽水功率，所以即使在抽水用电的时候，也能为电网提供调频。
- **给无电水坝装机。**成千上万座当初为灌溉、航运或防洪而建的水坝，至今并不发电。美国能源部估计，给美国现有无电水坝装上水轮机，可增加约 12 GW 装机容量。
- **数字化运行。**更准确的来水预测，加上按市场信号安排的调度，能让同样多的水创造更多价值。
IEA 警告说，如果不做现代化改造，老化电站的可用率会不断下降，而这恰恰发生在电网最需要它们提供灵活性的时候。用 LCOE 计算器比较一下经济性。
增长将来自哪里
IEA 预计，今后新增的水电大多会出现在亚洲、非洲和拉丁美洲，这些地区还有大量尚未开发的技术潜力。非洲只利用了其经济潜力的约 10%。在欧洲和北美，增长则主要来自现代化改造、抽水蓄能，以及在现有水坝上的小规模扩建。中国 2025 年开工的 60 GW 雅鲁藏布江下游（墨脱）水电工程，将成为全球最大的水电站。
微型水电：从溪流里取电
对附近有流水的住宅、农场和村庄来说，微型水电每花一欧元能换来的电量，比任何其他可再生能源都多，因为它白天黑夜都在发电。一个水头 20 m、流量 20 l/s（0.02 m³/s）的场址，大约能发 9.81 × 0.02 × 20 × 0.6 ≈ 2.4 kW，每年约 15,000–20,000 kWh，是普通家庭用电量的好几倍。动手之前要核实几件事：全年的最小流量、取水和鱼类保护方面的许可、进水口的拦污栅，以及你打算怎样清理杂物。用微型水电计算器估算你自己的场址。
结论
全球许多最清洁的电网都以水电为基础：电站寿命很长，运行成本低，灵活性无可替代。它的缺点也很明显：合适的场址有限、前期投资高、会造成生态和社会损害，并且越来越容易受干旱影响。在以风电和光伏为主的电网里，现有水电和抽水蓄能作为灵活调节的搭档，价值只会越来越高。可以在世界能源地图上比较挪威和巴西等水电丰富的电网。
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常见问题
全球有多少电来自水力发电？
水电功率怎么计算？
水电是零碳的吗？
径流式水电和水库式水电有什么区别？
家里能装微型水电吗？
气候变化对水电有什么影响？
资料来源与参考
- IEA (2021). Hydropower Special Market Report
- IRENA：Renewable Power Generation Costs in 2024
- 国际水电协会（International Hydropower Association）：World Hydropower Outlook 2025
- IPCC AR5 第三工作组附件 III：各类发电技术的全生命周期排放
- Deemer, B. R. et al. (2016). Greenhouse gas emissions from reservoir water surfaces: a new global synthesis. BioScience 66(11)
本指南中的数据是根据上述来源整理的典型范围，你的实际数字取决于所在地、价格和设备。需要针对具体场地的估算，请使用文中链接的计算器。