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大坝之问(中)
发布日期:2015-9-15 11:53:18

编者按:

《大坝之问》上推出之后,小编收到了很多微友的电话和消息,谢谢微友们的支持和鼓励,大坝新闻将继续为您创造有价值的阅读。

本期,大坝新闻将继续推出中国大坝协会、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的科普专题《大坝之问》中篇,中篇将为您呈现第部分:水能的开发;第3部分:人水和谐;第4部分:大坝是安全的吗。如果喜欢,请您继续转发和收藏,帮助我们一起将知识传播开来。

第2部分:水能的开发

2.1 水电开发的现状和潜力

应对气候变化必须加快水电发展

哥本哈根联合国气候变化大会,成为了全球关注的焦点。尽管会议仅达成了不具法律约束力的《哥本哈根协议》,但正如联合国秘书长潘基文所说的“本次会议是朝着正确的方向迈出了一步”。中国为应对气候变化已制定了明确的减排目标,即到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%,并决定通过大力发展可再生能源,到2020年实现我国非化石能源占一次能源消费的比重达到15%左右。为兑现这一承诺,我国需要采取的关键措施之一就是大力发展可再生能源和核能。目前,中国核电在中国整个电力装机中的比重不到2%,水电装机容量的比重约为22%。

水电是可再生能源已经无可争辩。那么,水电与化石能源相比,减排作用到底有多大?水电专家潘家铮院士曾算了一笔账“1度电≈0.5千克煤”。一度电相当于355克标准煤释放的热量。但是我国原煤质量不一,平均热量为每公斤20920千焦,低于标准煤释放每公斤29288千焦。因此一度水电可以替代497克原煤。即一度水电约可节约0.5千克原煤。以三峡开发工程为例,如果将三峡水电站替代燃煤电厂,相当于7座260万千瓦的火电站,每年可减少燃煤5000万吨,少排放二氧化碳约1亿吨,二氧化硫200万吨,一氧化碳约1万吨,氮氧化合物约37万吨以及大量的工业废物,这对减轻我国和周边国家及地区的环境污染和酸雨等危害有巨大的作用。所以,就目前的现状来看,水电开发是实现节能减排的首选。

水电优势和国际水电开发现状

水电是可再生能源,相比其他能源拥有许多优势。因此,国际上一直高度重视发展水电。最早大量开发水电的是西方发达国家,例如:美国早在20世纪初就兴建了一批大坝,当时,水电占全美电力供应量的40%,水电装机容量为9万千瓦。华盛顿州全州水电装机容量到1997年已达到了2183万千瓦,占总发电装机容量2625.3万千瓦的83.2%。现在,美国的所有河流中只有一条黄石河尚未开发。

目前世界上有165个国家已明确将继续发展水电,其中110个国家规划建设规模达3.38亿千瓦。发达国家因已基本完成水电开发任务,重点投入到对已建水电站的更新改造、增加水库的泄洪设施提高防洪能力、调整电站运行调度、实施生态保护和修复等,如北美、欧洲等不少国家;发展中国家多数制定了规划,约在2025年左右基本完成水电开发任务,如亚洲、南美地区的发展中国家等;欠发达国家和地区,虽然多数有丰富的水电资源,也一直致力于发展水电,但限于资金、技术等条件,大力开发水电仍然有很多困难,如非洲的不少国家;还有一些政局不稳的国家,虽然急需发展水电,但限于国力等条件,推进非常缓慢。2008年世界上在建大坝有1200多座,其中60米以上大坝有370余座,主要分布在亚洲、南美等55个国家。据国际大坝委员会统计数据显示,目前世界平均已开发水电占其经济可开发量的比例为40%,欧美等发达国家平均为71%,发展中国家和欠发达国家开发水平则相对较低。

我国的水能资源和水电开发

中国的河流众多,径流丰沛、落差巨大,其中水能蕴藏量1万千瓦以上的河流有3800多条。

水能资源蕴藏量十分丰富,约占全世界水能资源总量的1/6,居世界第一位。根据径流量和落差估算,中国河流水能资源蕴藏量6.944亿千瓦,全部开发后预计年发电量60829亿千瓦时。全部开发是有很大难度的,但经济可开发水能资源的装机容量预计为5.416亿千瓦,可年发电量24740亿千瓦时。

从第一座水电站建设至今,我国水电发展已历百年。新中国成立前,虽有发展水电的需求,但由于国力衰微,只能艰难创业,在建设的量和质方面都只是起步。1949年以前,我国高于15米以上的水库大坝只有22座,且洪灾、旱灾是当时我国面临的心腹大患,虽然有大力发展水电的需要,但无力顾及。第二阶段是从新中国成立算至改革开放开始。我国在这一阶段修建了大量的水库大坝,是国际上修建水库大坝最活跃的国家,但是修建水库大坝的主要目的是防洪、灌溉等。相比之下,由于水电与火电相比,建设周期长、投资大、技术难、见效慢等原因,总体上发展缓慢、技术落后。第三阶段是从改革开放至三峡、小浪底、二滩等特大型水库大坝建成。我国水电发展在这一阶段实现了质的突破,由追赶世界水平到很多方面居于国际先进和领先,不少水库大坝经过了1998年大洪水、汶川大地震等的严峻考验。而小湾等300米级高坝为代表的水电站建设标志着我国进入了新的发展阶段。这一阶段水电站设计质量高、建设速度快、施工质量好。同时,成熟的开发技术和管理模式,突出了综合效益。

2.2气候变化条件下更需开发水电

为了有效利用水能资源,在高落差的流域往往发展起接力式的梯级电站。水力发电利用的是水流的重力势能,梯级开发就如同一队站在不同台阶上的人,站在最高处的人把一桶水倒至比自己低一阶的桶里,第二个人继续往低一阶传递。只要存在水头差,上一级电站使用过的水流就仍可为下一级电站利用。这样根据河流各段不同落差,逐级修建水坝,以集中落差,调节流量,可以达到河流水力资源的合理开发和综合利用。例如,1933年,美国政府组建田纳西流域管理局,对田纳西流域进行综合开发和管理。十几年的时间,在田纳西干支流上建起54座水库、30座水电站、9个梯级13座船闸,使其成为一个具有防洪、航运、发电等综合效益的水利网,把水患连年、贫穷落后的田纳西河流域变成了一个经济较发达地区。

河流(特别是大江大河)开发是一项复杂的系统工程。要求全面规划,协调好干支流、上中下游、库容和装机容量与淹没损失,以及发电与防洪、灌溉、航运、供水、生态环境多方面的关系,综合利用资源。所以,有效的梯级开发会对整个流域产生持久的正面影响。以乌江为例,全长1037公里,流域面积87920平方公里,集中落差2124米,水量与黄河相当,是名副其实的水电“富矿”。根据国家批准的《乌江干流规划报告》,乌江干流拟建11座梯级水电站,总装机容量879.5万千瓦。依次为北源六冲河上的洪家渡水电站,南源三岔河上的普定、引子渡水电站,干流上的东风、索风营、乌江渡、构皮滩、思林、沙沱、彭水、大溪口水电站。预计到2011年,乌江水电梯级开发的目标即可全部完成。乌江流域的整体开发,将更有利于统筹规划,有利于实现水电开发经济、环保、社会效益的最优化。

积极开发水电,加快储水设施建设

发展水电离不开修建水库大坝。联合国定义了一个人类发展指数以综合反映各国人均的GDP、寿命和教育水平。把各国人类发展指数与人均水库库容进行比较可以发现,对绝大多数国家而言,一个国家或地区水库大坝发展水平与国家人类发展水平呈较强的正相关。人类发展指数大于0.9的国家,人均库容拥有量平均为3184立方米,人类发展指数介于0.7~0.8的国家,人均库容拥有量平均为541立方米,如中国2007年人类发展指数为0.772,在182个国家中列第92位,人均库容528立方米,人类发展指数介于0.5~0.6的国家,人均库容拥有量仅为125立方米。这与联合国人类发展报告中所指出的“全球水基础设施的分布与全球水风险的分布呈反比关系”是一致的。因此储水设施建设通常既是推动发展的关键因素,同时也是经济社会发展的自然结果。随着人口的增加和城市化的进一步发展,全球每年预计需要增加640亿立方米的供水量。不少人把河道变干归因于水库,这其实是一种误解,河道干涸的主要原因是人口不断增加引起的总用水量持续上升,是区域发展超越水资源承载力的表现。要实现供水安全和生态良好的目标,必须提高用水效率和增加雨洪利用,必须进一步修建足够的储水设施。因此,加快水电资源的开发利用既是发展清洁能源的需要,也是解决日益严峻的水安全问题的途径之一,必会被更多的国家所重视。

第3部分:人水和谐

3.1水库大坝的生态问题

水库大坝以蓄水灌溉、防洪、发电等综合效益普施恩泽,给人类带来诸多实际利益,但水库大坝也会对移民、河道、水质、水生生物、河岸等产生根本性的影响,大坝溃决甚至会发生严重的次生灾害。水库大坝的生态问题在不少情况下是挑战性问题,时时考验“在开发中保护,在保护中开发”的实践成果。

研究大坝与生态的关系问题,认识人与自然的关系是前提”,水利部原部长汪恕诚曾把人与自然关系的发展概述为依存、开发、掠夺、和谐四个阶段,从“天人合一”依存于自然的原始社会,到掠夺阶段的“人定胜天”,再到我们目前追求的“人天和谐”、“人水和谐”的可持续发展时期。

兴利避害,开发水资源和水电资源,世界各国政府都明确支持,但由于各国所处发展阶段不同,支持的程度和工作重点各不相同。如大多数西方发达国家依靠资金、技术等优势,已完成了水资源和水电的开发,目前的重点是对已建工程进行更新改造,强化生态保护和修复,提高标准和质量,而大多数发展中国家仍有繁重的开发任务,在未来的10年和20年内,还需开发与保护并重。20世纪末出现的围绕大坝的争论和质疑,有复杂的背景,既有基于原有实践的科学反思,也有各种利益诉求。面对气候变化等严峻挑战,世界上165个国家已明确将继续推进大坝建设并发展水电,生态问题有无良方可用将是共同面对的重大问题,同时也是对发展中国家能否利用后发优势、走出一条比发达国家更好的发展之路的考验。

水库大坝对生态环境的调节

筑造水库大坝来自于保护家园的愿望,从中国的都江堰引水灌溉到古罗马的城市供水系统,控制洪水和利用水资源已经成为了人类文明的一部分。随着人口的增加,城市的扩大和工业的快速发展,人类的生产生活已经离不开水库大坝。毋庸置疑,任何一座水坝都会对自然环境产生一定的影响,如何兴利避害,如何将不利因素降至最低、最小,既是水利人的任务,同时也是全社会的目标。

在我国,二滩水电站的建设施工就是这样做的。科学家们对当地的环境做了详细的环境影响评估,先后出了《雅砻江二滩水电站环境保护先期实施计划报告》和《四川省雅砻江二滩水电站环境保护设计报告》等,国家环保总局、世界银行等各有关部门组织评估,业主单位吸纳各方建议,积极实践,取得了良好的成效。根据攀枝花市气象局2004年对二滩水电站蓄水前后气象要素变化的观测分析,二滩水电站蓄水后,无论是旱季(11~4月)还是雨季(5~10月),降雨量均呈增加趋势;相对湿度与降雨量的变化趋势基本一致;蓄水后,风日数略有减少,雾日数、露日数均有所增加。

2006年,二滩水电站荣获“国家环境友好工程”称号。实践证明,只要工作到位,水电工程对环境是可以做到友好的。在中国如此,在其他国家也不例外。

3.2利用大坝调水调沙

河流生态问题复杂而良好的解决方案又各不相同,远非一文所能全面阐述,只以泥沙淤积为例,简要介绍一下,以便了当前探索的进展。在中国,水库大坝与泥沙淤积方面的反面典型工程之一是三门峡水利枢纽。该工程位于河南省,工程由前苏联专家设计,于1957年开工建设,是黄河上新中国修建的第一座大型水利工程。由于前苏联专家对黄河泥沙问题缺乏科学认识,致使工程建成后水库发生严重淤积并由此引起了不少生态问题。经过数十年的研究和实践,水库目前采取“蓄清排浑”运行,即在汛期流量和沙量较大时,利用排沙泄洪孔尽量泄洪排沙,到枯水期再把清水蓄起来,既可发挥效益又可大大减少水库淤积量。基于三门峡工程的教训,众多水库大坝在规划、设计、建设、运行等,都对生态保护有了新的认识和新的实践总结,不少工作采用更为科学的运行方式以减少水库淤积量,维持较高的有效库容。在这方面,中国已走在世界的前列,很多成就居于国际领先水平。

天然流动的河流携带有泥沙,水流进入水库后,流速降低,泥沙沉积,如果不做任何处理,随着时间的推移泥沙占据越来越多的库容,最终会使水库失去蓄水能力。既然泥沙淤积对于河势、河床、河口和整个河道都有巨大影响,有无办法能够解决这种顽疾呢?

在中国,黄河是泥沙问题最严峻的河流。黄河水少沙多,水沙不平衡,导致河床不断淤高,不少河段的河床高于两岸保护的城镇,被称为地上悬河,防洪安全问题非常突出。另外,自20世纪90年代以来,随着流域内社会经济的快速发展,上中游引水量的持续增加,黄河下游又几乎年年断流,1997年黄河下游干流断流达226天,河流的生态功能退化严重,引起了全世界的关注。

为此,2000年水利部提出了黄河治理的“四不”要求,即“堤防不决口,河道不断流,污染不超标,河床不抬高”,标志着黄河治理走向了多目标的综合治理。

黄河的综合治理,对黄河下游干流上规模最大的小浪底控制性水库大坝提出了更高的要求,不仅要防洪、防凌、供水灌溉、发电,同时需要在减淤、恢复河道生态功能等方面进行新的探索。

黄河“调水调沙”的理论来自于科学工作者对黄河历年洪水观测分析的基础上。研究表明,黄河下游洪水在大于2500立方米每秒时,加上其他相关因素,能够对下游河床起到冲刷作用。于是,治黄科学工作者提出了“调水调沙”的理论构想,并且在小浪底水利枢纽规划设计时期,就提出了防洪减淤的水库主要应用目标。1999年,黄河开始实施水量统一管理,万家寨、三门峡、小浪底3座水库联合调度,大规模调水调沙的试验开始进行。

调水调沙,就是利用工程设施和一些调度手段,通过水流的冲击,将水库的泥沙和河床的淤沙适时的送入大海,从而减少库区和河床的淤积。具体操作就是利用异重流,形成连续的泄流动力,冲刷小浪底水库淤沙。首先,上游的万家寨大坝开闸放水,水流奔涌而下,扰动三门峡库区淤积的泥沙;三门峡库区淤积泥沙被扰动后,便可以开闸排沙;紧接着小浪底库区淤积的泥沙也被汹涌的来水扰动了起来,此时,利用冲沙船高速射流,同步扰动加沙;最后,小浪底水库开闸放水调沙,清水和泥沙从上下两层闸门同时下泄。

由于从小浪底下泄的洪水还能携带更多的泥沙,黄河水利委员会还在下游部分严重淤积河段上,进行人工泥沙扰动,加大泄流洪水挟沙含量,冲刷河床。在减轻水库淤积的同时,增大了下游河道行洪能力。

延长大坝寿命,恢复河道生态

黄河中游的众多水库泥沙长期排不出或排出量很少,水库的使用寿命将缩短。建成近10年的小浪底、万家寨水库,建成近30年的陆浑、故县水库,都面临减少淤积的问题。调水调沙,水库单库调度或几个水库联合调度,通过水流的冲击调沙出库以减少水库淤积,为这些水库延长了使用寿命。

黄河9次调水调沙的最大收获,就是使下游的主河槽得到了全线冲刷。调出库区的总沙量为2.19亿吨,输送入海的总沙量为5.75亿吨,其中冲刷掉下游主河槽的总沙量达3.56亿吨。

20世纪黄河的多次断流,造成了黄河入海口湿地萎缩。现在,不仅保障了黄河不断流,还将大量的泥沙送入了大海,改善了黄河入海口的生态系统。2009年湿地核心区水面面积增加3480万平方米,入海口水面面积增加2913万平方米,地下水水位抬高0.15米。植被繁茂,众多两栖动物和鸟类回归。现在,黄河下游主河槽的行洪能力已由原来的800立方米每秒提高到3000立方米每秒,大大提高了黄河下游安全行洪的可靠度。小浪底水库多次加大下泄流量,保障黄河下游已连续8年未断流。

黄河治理和管理的成绩获得世界的认可,新加坡国际水周主办方将“2010年李光耀水源荣誉大奖”授予中国黄河水利委员会,以奖励其“在复兴黄河生命和洪水管理方面,取得的广泛而可持续的经济、社会和生态效益。”

李光耀水源荣誉大奖

李光耀水源荣誉大奖”是国际水利行业最有影响力的奖项之一,用于奖励国际是为解决全球性水问题而做出卓越贡献的个人和机构,这些贡献因采用突破性技术或实施创新性政策和项目而使人类受益。

第4部分:大坝是安全的吗

如何保证大坝的安全

一直以来,水库大坝的安全是公众关注的问题之一。如果一座蓄满水的大水库发生溃坝,其后果不亚于一次大洪水,甚至比一般洪水更猛烈。历史上,国内外都曾发生过溃坝事故,造成了重大的生命财产损失。回顾世界大坝建设的历史,早期修建的大坝以较低的土坝为主,很多大坝依据经验修建,大坝本身的质量和抵御洪水、地震等灾害的设防标准都很低,同时又缺乏必要的维护和加固,因此常常在遭遇较大洪水,或其他自然灾害时发生溃决。通过长期实践和经验总结积累,人们对水库大坝的认识逐渐提高。20世纪初,材料力学、结构力学、水力学、土力学等开始应用于水库大坝建设,现代坝工理论逐渐发展、成熟。大坝的设计、施工和运行维护更加科学,大坝的安全得到了保障。有人或许会问,在日常运行情况下,大坝是安全的;但是当面临特大洪水、地震等自然灾害时,大坝是否还能保证安全?要回答这个问题,不可避免地要提到大坝抵御洪水、地震的设防标准。下面,本文将以大坝的抗震安全为例,予以说明。

大坝的抗震安全

我国大陆处在印度板块、太平洋板块和菲律宾板块的联合挤压下,世界上最活跃的3个地震带中有2个(环太平洋地震带、欧亚地震带)都延伸到我国境内。因此,我国是一个多地震的国家。另一方面,我国也是一个水资源十分有限的国家,要优化配置水资源、防洪减灾,就要在地震区、甚至在高地震烈度区修建水库大坝,抗震安全问题不可避免。

我国大坝当前的抗震设防标准与瑞士、英国等国家相同,按照最大设计地震(MDE)进行抗震设防。根据抗震设防标准要求,当大坝遭遇最大设计地震(MDE)时,允许结构发生损坏,但是不能发生灾难性的失效;相应的性能目标是,如遇局部损坏,经一般处理仍可正常运行。

截止到2008年,我国已建成库容超过1亿立方米的大中型水库400多座。事实上,在近几十年中,我国地震频繁,仅在20世纪内,震级大于等于7级的强震已发生9次之多。数千座水库大坝、水闸、泵站,数千公里的堤防,数万口机井等水工建筑物遭到了不同程度的损坏,但是均未发生大中型水库因地震垮坝引起的次生灾害。许多遭受地震灾害的水库大坝、河堤、水闸等工程,通过及时修复处理仍能保持正常运行,继续发挥效益。

经验表明,对于水库大坝工程,只要在充分地进行地震风险分析的基础上,精心设计、精心施工、严格管理,同时在地震发生后迅速地进行坝体结构安全评估,并及时采取除险加固措施,就可以有效地减轻地震灾害的损失,防止溃坝引起的次生灾害。

大坝具有较强的抗震能力

从历史上看,每次强烈地震之后,都有大量房屋、桥梁等建筑物倒塌,但很少有大坝因地震而发生垮坝。一般情况下,地震区的大坝会发生不同程度的震损破坏,但结构整体上处于安全状态。可见,在各种土木建筑物中,大坝的抗震能力是比较强的。

朱伯芳院士认为,与房屋、桥梁等建筑物相比,大坝平时以承受水推力等水平荷载为主,并且设计采用的安全系数大,大坝安全余度高,这是大坝具有较强抗震能力的根本原因。

从汶川地震看大坝安全

每次大地震发生,水利专家们都非常关注震区的水库。汶川地震发生之后,联合国开发计划署(UNDP)、国际大坝委员会(ICOLD)等国际组织对震区的大坝安全状况表示了极大的关注,通过现场考察,这些国际组织对中国大坝的抗震安全给予了很高的评价:

汶川地震之后的紫坪铺大坝虽然遭受了一定程度的损坏,但还是经受住了此次强烈地震的考验。紫坪铺混凝土面板堆石坝良好的抗震性能归功于大坝及其附属建筑物的合理设计、高质量的施工以及高效的运行管理和对紧急情况的及时处理。作为一个遭受如此强烈地震的混凝土面板堆石坝,紫坪铺大坝对混凝土面板堆石坝建设的发展具有里程碑的意义。该工程的经验和教训将会为全世界地震区的大坝工程师提供很好的参考。

(第4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。剩余部分将在下篇呈现,敬请继续关注!)


 


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