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大坝之问(上)
发布日期:2015-9-15 11:51:17

编者按:因地震、火山、泥石流等作用形成的各种堰塞体和湖泊是地球上最早出现的“大坝和水库”,比如九寨沟的五花海。动物们出于本能也会建“坝”,比如海狸会像蜜蜂喜欢建造完美的蜂巢一样,在河流上筑起漂亮的大坝。人类筑坝,一方面是为了抵御洪水的侵袭,另一方面主要是为了灌溉取水之用。后来,水库和大坝还产生了改善航运、养鱼、发电等多种效益。

  在我国,建造大坝历史悠久,见诸于文字的最早的大坝是建于公元前598~前591年间的安徽省寿县的安丰塘坝,坝高6.5米,库容约9070万立方米,经多次修复和更新改建,至今已运行了2600多年。

对世界大坝的功能统计表明,最常见的功能是灌溉,其次是发电、供水和防洪。在长江防汛抗洪时,一提到三峡大坝的防洪功能,人们常把工程本身的防洪标准与下游堤防的防洪标准混淆。“抵御十年一遇、百年一遇、千年一遇、万年一遇洪水”到底是什么概念?大坝与环境的关系究竟是怎样的?面对地震这种破坏性较强的自然灾害,大坝是如何保证安全的?

对此,中国大坝协会、中国水利水电科学研究院、中国长江三峡集团公司、中国水利水电建设集团联合策划了《大坝之问》科普专题,使读者更好了解大坝的功能、安全保证等问题,原文刊载在《科学世界》201012月刊。

“大坝之问”专题共分为四部分。卷首语:关于大坝应有一些共识;第1部分:为什么要建大坝;第2部分:水能的开发;第3部分:人水和谐;第4部分:大坝是安全的吗;第5部分:水库的运行是个系统工程;案例:水库大坝在区域发展中的作用。我们将分上、中、下三篇发送。本期发送上篇,包括卷首语、第1部分。如果喜欢,请您转发和收藏。

卷首语:

关于大坝应有一些共识

陈祖煜/撰文

我们这个古老民族文明的历史记载是从“大禹治水”这个传奇故事开始的。无独有偶,许多西方民族的传说也相信世界是从漂浮于大洪水的诺亚方舟上诞生的(《圣经·旧约》创世纪)。这些传说告诉我们,人类与洪水抗争的历史与其自身的发展历程一样漫长。

为了减轻洪水灾害,先民在河道上修建工程,最为常见的是河道两岸的堤防。公元前251年,李冰父子率众修建的都江堰是人工修建的平行河流方向的建筑物,它将岷江河道按“46分水”把河水通过宝瓶口引入成都平原。这个服役了两千多年的水利工程造就了一个天府之国,并至今还在造福人民。这一世界文化遗产闪烁着民族的智慧,更是体现了人类治理水害、兴修水利的长期诉求和做出的不屈不挠的努力。

大坝古已有之,但直到20世纪初期,随着科学技术的发展,才有了现代大坝。显然,在垂直于河道的方向将水拦腰截住形成水库是高效率的除害兴利的手段。我国水库大坝建设历史悠久,但前期发展较慢,根据1950年国际大坝委员会统计资料,全球5268座水库大坝中(坝高高于15米),中国仅有22座,数量极其有限,以水库总的库容和水电总的发电量与国际比较,都处于非常落后的阶段。1950年之后,特别是改革开放30年来,中国的水库大坝建设和坝工技术有了突飞猛进的发展,这些水库大坝在防洪、灌溉、供水、发电、通航等方面发挥了巨大的作用。

长江是一条洪水灾害十分严重的河流。1931年和1954年,洪水冲溃大堤,江汉平原成为一片泽国。死亡人数分别达14.5万和3.3万。三峡大坝建成后,已多次发挥拦洪效益。2010年第一次洪峰为71000立方米每秒,其单次峰值超过了1998年和1954年,而当时江西九江、鄱阳湖等处的洪水已超过警戒线水位。三峡大坝成功拦截洪水,为减轻下游洪水灾害起了关键性作用。这次与洪水的较量,对三峡大坝来说只是小试牛刀。因为大坝要拦截百年一遇的洪水,远超过本次洪水的规模,也超过了1931年和1954年的规模。

我国现有的农田灌溉面积8.77亿亩,水是这些农田稳产高产的基本保证,而大坝则是提供农业灌溉用水的基础设施。2009年春天,华中地区出现了特大旱情,从小浪底水库紧急调度2亿立方米的水,使河南、山东的春粮都获得了创纪录的高产。

目前世界上有11亿人口缺乏安全饮水。水库在城市供水中起了重要作用。居住在北京的市民是否知道,我们每喝2杯水,其中1杯是密云水库提供的。没有这座水库,就没有现在这个高度现代化的首都。随着国民经济的发展,北京市的缺水问题日趋严重,南水北调工程正是在这一情况下开工的。而引水渠的水又是由一座水库—丹江口提供的。

利用水能资源是大坝的另一重要功能。假如我要告诉你,三峡工程每年的发电量是800亿千瓦时,也许你并没有太多的感性认识。假如我进一步说明,这个数字相当于一个北京市全年的用电量,同时强调这是可再生的能量,它会年复一年向我们提供,相信你一定会为之振奋。我还要继续补充:建设三峡工程的水电队伍已经挥师金沙江,在靠近宜宾的河段修建溪洛渡、向家坝两座水电站,它们的装机容量加起来,又是一座三峡。

根据200-2003年国家发改委组织的普查结果:我国大陆水资源理论蕴藏量为6.944亿千瓦,年发电量60829亿千瓦时;技术可开发量为5.416亿千瓦,年发电量24740亿千瓦时。2010年,我国水电总装机容量已达2亿千瓦,开发程度达37%2004年和2005年我国水电装机容量和年发电量分别超过美国和加拿大,位居世界第一。世界前十大水电站中,我国占4座。我国还建成世界上最高的面板堆石坝、拱坝、碾压混凝土坝,我国已成为筑坝大国和强国。

为了减少二氧化碳排放量,防止全球气候进一步变暖,我国政府做出到2020年非化石能源占一次性能源比重达到15%的承诺。加快水电建设是实现这一承诺的重要措施。到2020年,中国的水电装机容量将发展到3亿千瓦,相当于每年减少3.26亿吨标准煤,可减少二氧化碳排放8.2亿吨。

大坝,作为修建于河道上的战略性控制工程,不可能有百利而无一弊。总结建国60年来的水利水电建设经验教训,水库诱发地震和地质灾害、泥沙淤积、水库对河道,特别是支流水质的影响、对水生生物种群和数量的影响、大坝安全、工程移民等因素使得水库大坝建设饱受争议。本期特别策划以“为什么要建大坝”开篇,对水库大坝防洪、灌溉、供水、发电等效益,以及我国水电开发度与国际的比较进行了概述,并对水库大坝与生态环境、大坝安全等问题进行深入浅出的剖析。总体来讲,我们需认识到,水库大坝建设对于国家发展有着非常重要的意义,然而,我们必须重视水库大坝建设带来的环境和社会问题,采取相应措施,使这些问题都能得到妥善解决,使其对修建大坝不构成决定性的负面影响。

我国的水利工作者期待着与社会各方人士共同努力,将除水害、兴水利的事业办好。无论是“反坝主义者”,还是“建坝主义者”,只要遵循科学的发展观,实事求是地开展调查和研究,是可以找到共同语言的。但是那种罗织,放大,编造大坝的缺点,再予以夸大的作法是不可取的。例如,硬要将水库湖面释放的二氧化碳说成和规模相同的燃煤火电站相当,那就使人想到了那个著名的小品“卖拐”。剧中人用一些似是而非的测试题,使一个健康人相信自己是一个腿脚有毛病的残疾人。不要以为这仅仅是一个夸大的搞笑喜剧,现实社会中,这类事情很多。

我们还清醒地看到,国内外有一些人士和舆论工具不愿意看到中国人民利用这些得天独厚的水能资源,使用种种不实之词反对修坝,甚至鼓吹拆坝。2007年,国务院三建委办公室在武汉召开了一次三峡工程生态环境建设和保护工作研讨会。没有想到,这一次会议成了西方记者恶意炒作的机会。英国《泰晤士报》927日以一种不失嘲讽的语气说,“三峡大坝曾被誉为20世纪的建坝壮举”,但现在“这个横跨长江的大坝可能变成一场环境灾难”。德国《法兰克福邮报》称,当年有关三峡工程会污染的预言今年“不幸言中”。《新苏黎世报》称“三峡使长江成为世界上最受威胁的河流”。在西方社会对迅速发展的中国经济众多的非难和批评中,三峡工程也成了一个替罪羊,蒙受不白之冤。

主张环境保护,总是拥有天然的道德优势,有关大坝的种种议论又涉及许多专门的技术问题。因此,公众对其中的是非曲直感到困惑是不奇怪的。希望本期《科学世界》介绍的内容能使读者增进一些有关大坝的科学知识,对相关的争论问题做出自己的判断和评价。

1部分:为什么要建大坝

1.1 建坝拦水是人类生存的需要

人类的生活和生产活动离不开淡水,早期的人们都是依河流、湖泊而居。陆地上的淡水主要是降雨带来的,在地域和时间上分布是不均匀的。堆土成坝、拦蓄雨水是人类生存的自然选择。

实际上,在自然界中,天然的“拦水坝体”比较常见,尤其是在峰峦叠嶂的山区。地质变动(比如地震、火山、泥石流等)作用会形成各种堰塞体,挡住河流,形成一座座天然的“水库”。这些堰塞湖星罗棋布,截流雨水,滋养着生命,装扮着大地,形成一道道风景。比如右图所示的著名的九寨沟五花海,就是由于滑波和泥石流作用形成的,其海拔2472米,平均深度接近5米,水面面积约8万平方米,“库容”约60万立方米。

除了这些天然存在的坝,动物们出于本能也会建“坝”。海狸是一种有趣的动物,像蜜蜂喜欢建造蜂巢一样,海狸在河流上筑起了漂亮的大坝。下图,海狸用石块、树枝和淤泥在河流中筑成了大坝。它们跑到岸边去啃树木,被咬断的树干横阻于溪流之上,使得海狸窝周边的水位抬升,仿佛是新居前的护城河一样,保卫这个家族的安全。这种“大坝”,最长可达300米左右,为捕鱼提供了方便。

海狸筑坝,是利用自然、享受自然的一种本能。人类在发展的进程中,一面和自然做斗争,一面在自然的提示下,开始懂得修筑人工防洪堤埂,以保护自己的农田和居所。随着对堤埂的逐渐认识,大坝的功能也随之增多。

天然形成的坝是“死坝”,只能拦河蓄水,形成湖泊,而人工建造的大坝是可调控的,可控制水流和水量,因而可兼顾水利的各种功能。在古代,人类筑坝,一方面是为了抵御洪水的侵袭,另一方面主要是为了灌溉取水之用。后来,筑坝蓄水还产生了改善航运、养鱼、发电等多种效益。所谓“兴利避害”,大坝是一个绝佳的体现。大坝是真正的“水利”工程,是人类和自然和谐相处的一个重要部分

我国水库大坝建设的历史源远流长。见诸于文字记载的最早的蓄水坝,是相传建于公元前598-591年间的安徽省寿县的“芍陂”—安丰塘坝,坝高6.5米,库容约9070万立方米,是中国古代四大水利工程之一。芍陂的建成,使得安丰地区年年粮食丰收,一跃成为春秋时期楚国的经济要地。到了北魏时期,郦道元所著的《水经注》对安丰塘坝有比较详尽的描述,“北有淮水,南有比淠水,西有如溪水,东有淝水。”安丰塘犹如一个大湖,四周设5门,只有淠水流入,其余4门为放水或调节水量之用。北魏之后,历朝历代都曾多次修复和更新改建,仅明清两朝的修治就有20余次。时至今日,安丰塘水库已运行了2600多年,且仍在农业生产方面发挥着巨大作用。

在中国,江河治理,代代相传,历史悠久。但大坝建设一直以来发展较慢。根据1950年国际大坝委员会(International Commission on Large Dams)统计资料,全球5268座水库大坝(坝高高于15米)中,中国仅有22座,数量极其有限,与国际上比较,无论水库总的库容还是水电总的发电量都处于非常落后的阶段。1950年之后,特别是改革开放近30年来,中国的水库大坝建设和坝工技术有了突飞猛进的发展,到2008年底,中国已建和在建的30米以上大坝5443座,对我国的防洪、灌溉、供水和能源产生了巨大效益

1.2大坝的分类


筑坝拦水首先考虑的是大坝的坚固性。因为大坝修筑好之后,其上下游间会形成很大的水位差,有水的一侧会对大坝产生水压力,因此大坝的稳定最为重要。

工业革命之后,世界各国兴建了许多大坝,有用土石料堆砌的,有用混凝土浇筑的;有的横截面看上去像个三角形,有的横截面看上去是个梯形。那么如何对这些大坝进行归类呢?按不同的标准,大坝的分类也有所不同。比如,根据抵抗水头压力的机制不同,可分为重力坝和拱坝。重力坝,顾名思义就是利用坝体自身重量来抵抗上游水压力并保持自身稳定,比如著名的三峡大坝就是混凝土重力坝;而拱坝则是像拱桥一样,是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物,借助拱的作用将水压力的全部或部分传到河谷两岸的基岩上,比如美国著名的胡佛拱坝。按筑坝材料的不同,可分为土石坝、混凝土坝、橡胶坝、钢闸门坝等。土石坝的断面一般为梯形,由土料、石料等,经过抛填、碾压等方法筑成,是历史最悠久的一种坝型,比如小浪底大坝;橡胶坝是将充满气体或者水的橡胶固定于河床上,用来挡水,主要用于城市景观、河流生态修复等。另外,按施工方式的不同,大坝还可以分为冲填坝、抛石坝、常规浇注的混凝土坝、碾压混凝土坝等。

修建水库大坝,是人类认识自然、了解自然规律并利用自然资源的选择,只要在大坝设计时遵循自然法则,修建之后科学合理地管理和调度,便能实现设计时的防洪、供水等功能。实际上,一座水库大坝的运行管理除了开发利用能源,还要处理好蓄水泄洪、减轻泥沙淤积、保持与自然环境和谐相处等许多问题。 

世界上库容最大的水库

卡里巴水库位于赞比亚首都东南约300公里处,横跨赞比亚和津巴布韦两国边境。在卡里巴水坝竣工后,它在19581963年期间完成蓄水。现为赞比亚的著名的旅游景点之一。

该水库长约220公里,宽约40公里,面积约5580平方公里,平均水深29米,最深处为97米,库容为1850亿立方米,为世界上库容最大的水库。我国三峡大坝库容为393亿立方米,居世界第22位。

世界最高的混凝土重力坝

大狄克逊(GrandeDixence)坝建在瑞士罗讷(Rhone)河左岸支流狄克逊河上,最大坝高285米,坝顶长695 米。控制流域面积357平方千米,水库总库容4亿立方米。工程主要用于发电,1962年竣工,年发电约20亿千瓦时,至今仍运行良好。大狄克逊坝坝基为良好的花岗片麻岩。该水库还为下游4座总装机约200万千瓦的水电站提供水源。

1.4三峡工程的防洪

我国古代,云梦泽一直是滞蓄长江洪水的天然场所。云梦泽是湖北古湖泊群的总称,南以长江为界,面朝北则是连绵不断的湖泊与湿地。早在先秦时期,云梦泽的面积约26000平方公里,每年汛期,江水携带着大量泥沙“侵入”,泥沙随着流速的减慢淤积了下来,云梦泽的面积逐年缩减。春秋战国以后,农耕文明发展起来。人们为了保护已开垦出的土地,开始修筑堤防。逼使荆江河段水位抬升,江水自城陵矶开始倒灌入洞庭湖,云梦泽消亡了,洞庭湖替代云梦泽成为又一个滞蓄长江洪水的天然场所。随着泥沙的不断淤积,洞庭湖的水面面积和容积日渐萎缩,现在只有3000多平方公里了,其滞蓄长江洪水的能力大为削弱。这就逼使大量洪水直接从荆江河槽下泄。然而,时至今日,荆江河段的安全下泄流量只有6万立方米每秒左右。因此,每到汛期,荆江河段的洪水水位高出两岸地面610米,时时威胁着洞庭湖区和江汉平原1500万人民生命财产的安全。

兴建一个能够调蓄长江洪水的水库,使其能像曾经的云梦泽和洞庭湖一样来滞蓄和调蓄长江洪水,使长江中下游免遭洪水灾害,就成为了人们的梦想。在荆江河段上游,科学家们通过大量的勘探、测量与科研,寻找了几十年,论证了几十年,终于找到了理想的坝址,并决兴建三峡水利枢纽工程。因此防洪是兴建三峡工程的首要出发点。

三峡工程正常蓄水位175米时,防洪效益十分显著。如遇“千年一遇”或类似1870年特大洪水,枝城洪峰流量可以从原来的11万立方米每秒,经三峡水库调蓄后,下降到71700-77000立方米每秒,配合运用荆江分洪工程和其它分蓄洪区,控制沙市水位不超过45米,使荆江南北两岸、洞庭湖区和江汉平原避免发生毁灭性灾害。使荆江河段防洪标准从“十年一遇”提高到“百年一遇”,即遇到不大于“百年一遇”洪水时,经三峡水库调蓄后,可控制枝城流量不超过56700立方米每秒,沙市水位不超过445米,可不启用荆江分洪区和其分蓄洪区。

提高了对城陵矶以上洪水的控制能力,配合丹江口水库和武汉附近分蓄洪区的运用,可避免武汉市遭受洪水侵袭。三峡工程的建设就能有效控制上游来水,减少汛期分流入洞庭湖的洪水和泥沙,不但可有效减轻洪水对洞庭湖区的威胁,还可延缓洞庭湖泥沙淤积速度,延长洞庭湖寿命,并为洞庭湖的治理创造了条件。若遇特大洪水需要运用分蓄洪区时,因有三峡水库拦蓄洪水,还可为分蓄洪区人员转移、避免人员伤亡赢得时间

2010年的洪水看三峡工程

20107月份,长江上游干流发生了1987年以来的最大洪峰流量,高达7万立方米每秒,比199863300立方米每秒的流量还要大,同时由于今年长江汛期的提前,6月份的降雨使得长江下游水位甚至比1998年同期的水位还高。

1998年,曾经有350公里长的干堤用临时加子堤进行防洪,大堤曾出现了70000多处险情,其中干堤上有9000多处,危及到2300万人的生命安全;有1075个圩垸堤防垮塌,动用了670多万人,包括民兵预备役、武警、解放军战士等进行大堤的抢险和抢护。而今年干堤只是出现了一些散浸等小险情。

除了1998年以后荆江大堤加固以外,三峡大坝的防洪调蓄能力发挥了巨大作用。高达7万立方米每秒的洪峰在进入三峡库区以后,以4万立方米每秒的流量下泄,削减洪峰下泄流量3万立方米每秒,使得上游来水没有和下游洪水交汇在一起,有效地减轻了长江中下游的防洪压力。三峡大坝拦蓄洪水达到了70亿立方米左右。面对这么大的洪水,三峡工程自身是否危险呢?正如陆佑楣院士在接受采访时所说,“没危险,真的没危险,最好来一场特大洪水来考验一下。三峡工程本身设计标准非常高。今年这场7万立方米每秒流量的洪水,还不到二十年一遇。为了保证大坝安全、可靠,它的设计标准是千年一遇的,也就是9.88万立方米每秒的流量。”

由于长江流域面积很大,全长6397公里,有180万平方公里,几乎占全国国土面积的1/5。这么大的面积内,自西向东,其降雨的时空分布是不均匀的,这就导致了长江洪水的形成是一个复杂的过程。

从图中可以看到三峡大坝位于长江干流上,其巨大的防洪库容可以有效拦蓄上游洪水,使上游来水不与下游洪水交汇,减轻下游防洪压力。但当下游或者支流洪水迅猛,在不与干流来水交汇的情况下就能形成洪涝灾害时,三峡大坝有再大的防洪库容也无能为力。

长江流域内现有水库的蓄水能力,还不到长江年径流量的20%,而美国胡佛水库本身的库容量已经超过了科罗拉多河的年径流量,加上科罗拉多河上其它水库的库容,人工水库的蓄水能力已经超过了科罗拉多河年径流量的4倍。所以这些水库不需要考虑防洪调度,汛期就直接蓄水。相比于国际上其他河流的防洪体系,要建设完备的长江流域的防洪体系,还有很长的路要走。

可以说,长江全流域的防洪是一个系统工程,这个系统中包括水库、大堤、分洪区等工程。干支流上都要有相应的防洪工程予以配套。当然,防洪体系中的非工程措施,比如气象预报、水情预报、科学调度等也是重要的组成部分,只有各个环节完备,且都被充分调动起来,才能形成一个总体上有效的防洪体系。

何谓百年一遇的洪水?

天有不测风云,人们无法准确预知雨量,更无法控制降雨,但我们可以根据以往的记录总结规律,以便采取相应的应对措施。在一年当中,总有一些时段降雨较多,成为汛期;不同年份降雨又有很大差别,有些年份会形成特大洪水。大江大河到了汛期的时候,媒体报道中常常出现类似“十年一遇、百年一遇、千年一遇洪水”的术语,也有“二十年一遇、五十年一遇、万年一遇洪水”等等,这些并不是简单的时间概念,而是历史上曾经发生过的洪水概率值的另一种习惯性叫法。科学家们根据历史上记录每年洪水流量,计算出当年洪水流量在历史上出现的概率。当上游来的洪水流量与往年相比出现的概率为10%的时候,人们习惯地称其为十年一遇洪水;当概率为1%的时,称其为百年一遇洪水;当概率为0.1%的时,称其为千年一遇洪水;其他以此类推。

每一个概率值都有一个相对应的洪水流量。这是采用概率论和数理统计学的原理和方法,根据实测和调查的历史洪水系列,选用皮尔逊III型理论概率曲线来计算确定洪水统计参数,从而推求出相应于各种概率的洪水流量。实测或调查到的洪水系列的年限越长,推求出的概率及其相对应的洪水流量愈准确。百年一遇洪水是不是一百年才遇到一次呢?应当说不是的。如果百年一遇洪水恰好一百年遇到 一次,那才真正是巧合呢。因为百年一遇是一个理论概率,它与多少年出现一次是既有关联又有区别的两回事。举一个简单的例子大致能够说明这一问题。一枚硬币分为正面和背面,我们手持这枚硬币将其竖立起来,并使其在光滑的平面上转动,当它停止转动平落下来时,可能正面朝上,也可能背面朝上;从理论概率来分析,正、背面朝上的概率均为50%,用洪水概率的说法是二次一遇。而实际出现的次数绝对不会总是一次正面、下一次背面地交替出现。总体说来,防洪标准越高,大坝越趋于安全。比如三峡大坝防洪设计标准为千年一遇设计,万年一遇校核,但并不是说遇到千年一遇洪水、万年一遇洪水都不会发生洪涝灾害,因为这里说的标准是对坝体本身的安全而言,即使遭遇千年一遇洪水、万年一遇洪水,三峡大坝也本身不会漫坝、垮坝,而三峡工程的防洪功能是把荆江河段的防洪能力从十年一遇提高到百年一遇,如果配合分洪措施,可以抵御千年一遇的洪水。

1.5粮食生产和生活用水需要大坝

大坝与粮食安全

“水流到哪,哪里就有粮食。”在世界各干旱地区,均流行着类似的说法。虽然地球上并不缺水,但在地域上和时间上水量分布极不均匀。在天然的条件下,很多地区土壤水分状况往往难以满足作物的需要,在干旱地区和干旱季节尤其如此。我国是一个农业大国,人口多,耕地少,水资源总体上短缺,且季节性、区域性分配不均衡,这就决定了中国的农业生产必须走灌溉之路。

所谓灌溉是指用人工设施将水输送到农业土地上,补充土壤水分,改善作物生长发育条件。公元前3400年左右,美尼斯王朝就曾在埃及孟菲斯城附近截引尼罗河洪水修建淤灌工程。19世纪,灌溉事业开始在世界范围内大发展,英国工程师们在尼罗河修建了一批拦河坝和渠系工程,将洪水漫灌改为常年灌溉。至1985年,全世界灌溉面积已占耕地的16%,与此同时,灌溉系统也随之渐渐完备。从水源取水,通过渠道、管道及附属建筑物输水、配水至农田进行灌溉,环环相扣。在水资源短缺或者分配不均的国家和地区,用水库蓄水,被广泛采用。

我国的河套灌区,沃野千里,所谓“大河三面环之,谓之河套也”。这里光照充足,作物种类很多。全年日照31003200小时,无霜期120150天。早在秦汉时期,汉武帝就曾对此地进行过开发。清代,随着农垦事业的发展,河套灌区有了比较大的发展。成就了“黄河百害,惟富一套”的美誉。

然而,由于河套灌区“深居内陆”,年降水量仅130250毫米,而年蒸发量达20002400毫米。降雨量少,蒸发量大,属于典型的没有引水灌溉便没有农业的地区。早年间更以“旱年水不进渠,汛期泛滥成灾”闻名。20世纪50年代以来,为解决农业引水灌溉问题,这里兴建了三盛公水利枢纽工程,开挖了输水总干渠,才使得河套灌区引水有了保障。

三盛公黄河水利枢纽工程,座落于巴彦淖尔市磴口县境内的总干渠的入口处。黄河流经巴彦淖尔市345公里,灌溉丰饶的河套平原,主要靠东西长180多公里的总干渠。三盛公水利枢纽工程恰似总干渠的心脏,是一座以灌溉为主,兼有航远、公路运输、发电及工业供水,渔业养殖综合利用的闸坝工程。三盛公水利枢纽修建以后,河套灌区引黄有效灌溉面积5740平方公里,成为全国3个特大型灌区之一。

在我国,粮食安全基本依靠灌溉农业,以2000年为例,全国灌溉农田的水稻平均亩产约为460千克,其他灌溉粮食作物平均亩产约为350千克,而雨养粮食作物平均亩产仅为140千克,一般灌溉农田的粮食产量要比非灌溉农田的产量高13倍。目前,中国的地表水灌溉面积占70.4%;地下水灌溉面积占29.6%。地表水灌溉面积分为从水库取水灌溉和从河道及湖泊取水灌溉两部分。其中,由水库提供灌溉水源的耕地约占1/3。水库成为了确保粮食安全的重要保障。

大坝与供水安全

农作物生长需要充足的水分保障,人类生活和工业生产同样离不开水,一个城市断水几天是不可想象的。城市供水系统包括取水、输水、水处理、配水4个部分。取水包括地下水和地表水。随着城市的建设、发展和人口的增长,城市用水量逐年增长,城市用水的供需矛盾也日趋尖锐,许多城市地下水位逐年下降或者几近枯竭。特别是我国北方城市,由于河流、湖泊的等地表水年内分配不均、年际变化很大,供需矛盾更加突出。相比其他供水方式,大坝蓄水的供水方式具有可调控、稳定、保证率高的特点。

据统计,包括我国北京、天津、深圳和香港特别行政区在内的近百座大中城市的居民生活和工业用水的全部或部分依靠水库供水。例如,密云水库是北京市民用工业用水的主要来源,至2010年已运行了50年,累计向北京供水248亿立方米,向天津供水92.5亿立方米,向河北供水21.5亿立方米。1982年以后,密云水库主要功能从防洪、灌溉逐渐转变成为供水。为缓解北京用水紧缺局面,密云水库停止向河北、天津供水,只担负北京农业、城市生活和工业用水,成为北京最重要的饮用水源。从1999年起,由于连年干旱,水库水位持续下降。自2002年起,水库停止向农业供水并削减工业供水,主要承担城市生活用水。现在,密云水库供水量占居民生活用水的60%

当前,我国水资源短缺的矛盾十分尖锐。全国正常年份缺水总量约为400亿立方米。全国660个城市中,有400多个城市不同程度缺水,其中100多个城市严重缺水。据估算,2005年我国因旱灾造成的直接经济损失达1986亿元,超过当年因洪涝灾害造成的经济损失。近几年全国每年工业缺水40亿~60亿立方米,因工业缺水造成的经济损失达2000亿~3000亿元。此外,缺水还影响到城乡人民的饮水安全,并导致一系列生态环境问题。

缺乏必要的工程调蓄手段是导致缺水的主要原因之一,这严重威胁供水安全。目前我国已形成近6000亿立方米的供水能力,其中通过大坝水库拦蓄调节的蓄水供水仅占1/3,供水保障程度低。从已有数据分析,我国蓄水工程对地表水的调蓄控制能力明显不足,远低于美国、加拿大、俄罗斯、墨西哥等国家。保障供水安全是关系国计民生的大事,直接关系到社会稳定和粮食安全,因此修建大坝水库来增加调蓄能力是保障国家供水安全的战略选择。

1.6水能是回报率最高的能源

筑坝用于防洪和灌溉是保护家园和农业生产的需要,在工业革命以后,人们发现天然水流和大坝蓄水中蕴藏着巨大的能量,而这种能量可以转化为电能得以更广泛的应用。从此以后,大坝不仅仅用来防洪和灌溉,对于条件许可的地方还可以利用大坝蓄水发电,后来许多大坝都兼有三者的功能。由于水力发电的巨大吸引力,甚至在一些地方专门建造大坝来发电。

位于英国诺森伯兰的克拉格赛德是世界上第一座被水电照亮的建筑。1882930日,世界上第一座商用水电站在美国威斯康辛州的Appleton成功开始运行,装机约12.5千瓦。1910年,中国近代实业家王鸿图等在云南昆明市郊螳螂川上建成了我国第一座水电站——石龙坝水电站,最初装机容量仅为480千瓦

人们所以青睐水电,不仅由于它是用之不尽的能源,而且是经济上最划算的能源,其能源回报率也最高。能源回报率是指一个发电站在运行期内发出的电力与它在建设期、运行期为维持其建设、运行所消耗的所有电力的比值。如以一个火力发电厂为例,建设期和运行期所消耗的所有电力既包括直接能源消耗,如机械设备运行、照明耗能等,也包括建筑材料、煤炭消耗、制造、运输等过程的耗能。按照这一定义可估算出各种能源开发方式的能源回报率:水电在170以上,远高于风电的1834,生物能的35,太阳能的36,核电的1416和传统火力发电的2.5~5.1。发达国家凭借资金、技术和市场机制等多方面的优势,比发展中国家早30多年优先完成了本国水电的开发任务

在过去的100多年时间里,水电发展十分迅猛,截至2008年,全世界水电装机容量8.87亿千瓦,年发电量3.35万亿千瓦时,占全部电力供给的20%。在有些国家,主要靠水电提供动力,有55个国家一半以上的电力由水电提供,其中24个国家这一比重超过90%。到2009年底,我国全国水电装机容量达到了1.96亿千瓦,年发电量5717亿千瓦时。

水力发电的基本原理

当水由高处流向低处时,利用水流带动水轮机,继而带动发电机进行发电,将势能转换为电能。这就是水力发电的基本原理。除了利用天然水流的水能进行发电外,我们还可以在用电低谷时将水抽到高处,将电能转换为水的势能,在用电高峰时再用这些水来发电,这就是抽水蓄能电站。

一个水电站的装机容量和发电量是怎么算出来的?在开发河川的水电时,一般都必须首先修建拦河坝。如图所示,河面上AB两点的水位差H称为水电站的“水头”。水流集中之后,通过压力水管向水轮机供水,水压力推动水轮机在电磁线圈中转动,产生交流电。从而完成了势能——动能——电能的转换。当流量为Q,则单位时间内水头总势能E=QpgH。式中p为水的密度,每立方米1000千克,g为重力加速度,每千克9.8牛顿。因此,水轮发电机组的输入功率为W=9.8QH。因为在整个能量转换过程中不可避免地存在着各种能量损失,所以实际水电站的输出功率需要乘一个水力发电效率系数。大型水电站高达90%以上。

一般水电站都安装有一台或者多台发电机组。每台发电机组,都有自己的设计最大功率,称之为单机容量。随着机械制造业和技术的发展,20世纪80年代最大的水轮发电机的单机容量已超过了70万千瓦。三峡电站采用的就是这种大型水轮发电机,该水轮机直径超过10米。一个水电站的装机容量就是该电站所有水轮发电机的单机容量之和。例如三峡电站的总装机容量为2250万千瓦,包括3270万千瓦机组,和供机组自用电的25万千瓦机组。而这里讲的装机容量就是一个电站单位时间内最大的发电能力。

实际电站的发电量受到河流流量的限制。中国河流水量季节性强。在枯水期,由于水量不够,通常只有少量机组在工作。另外在洪水期,水库为了防洪,也不可能把所有来水储备起来,以备枯水期使用。这样算下来,中国水电站水轮机组年平均发电一般只有40005000小时。例如,三峡电站的年均设计发电量为847亿千瓦时,不到三峡年最大发电能力1971亿千瓦时的一半。

三峡电站累计发电量突破4000亿千瓦时 

截至201079日,三峡电站累计发电量突破4000亿千瓦时。

三峡电站共设计安装3270万千瓦的水轮发电机组,其中左岸电站14台,右岸电站12台,地下电站6台。20037月,三峡电站首台机组投产。2008年,三峡左右岸电站26台机组全部投产发电。

(第1部分完)

策划:陈祖煜贾金生

撰文:郭军、郑璀莹、杨会臣、李旭、王秋生、徐耀、冯炜

(文章很长,相信您的收获也不少。剩余部分将在中篇、下篇呈现,敬请继续关注!)


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