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美国不断拆除水坝,中国的水坝数量世界第一,继续建还是该拆?

原创 空间美刻度 2020-05-02 16:38:04

中国是资源丰富的国家,根据2011年第一次全国水利普查显示,全国共有流域面积50平方公里及以上河流45203条,总长度为150.85万公里。奔腾不息的大江大河为华夏文明的发展输送了取之不尽的饮水和灌溉资源。

另一方面,中国也是世界上水情最为复杂、水灾最为严重的国家之一,每年全国范围内洪涝灾害造成的直接经济损失占全国各类自然灾害总损失的60%以上。

如何治理江河水灾,又能提高水能的利用率,水坝是其中的一种有效手段。

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水坝是为阻挡河流中的水,储存水并提高水位而建造的结构,国际大坝委员会(ICOLD) 将大型水坝定义为坝高15 m 以上,或者高度介于15m~5 m之间,但是蓄水能力大于300 万立方米的水坝。

全国水利普查显示,目前全国共有水库98002座,总库容9323.12亿立方米,共有水电站46758座。国际水电协会(IHA)发布《2019全球水电发展现状报告》指出,2018年全球水电新增装机容量中,中国以8.5 GW新增装机容量位居首位。

一座大型水坝可以实现防洪、供水、灌溉和发电等功能,推动水资源的高效利用,但是凡事都有利弊,水坝也不例外,其中最大的一点就是修建水坝对自然环境的影响。

从水坝诞生之日起,国际社会对水坝的争议一直陪伴着它们的发展过程。近些年来,随着水坝数量的增多,我国国内也出现不少对水坝的争议讨论,呼吸学习美国拆除水坝的人越来越多。

水坝是天使还是恶魔,没人能说得清楚,但是它们自从诞生以来,一直伴随着争议推动历史的发展。

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 水坝并非近代的产物,它们诞生于四大文明的发源地

水坝最早诞生于四大文明的发源地,在这些古代的文明强国中,为了保证粮食的生产和抵御洪水灾害,掌权者调集大规模的劳动力修筑这些水利设施。

公元前19世纪的古埃及,法老Senosert III,Amenemhat III和Amenemhat IV开凿了一条长达16公里的运河,将法尤姆绿洲与埃及中部的尼罗河相连,运河上建造了两个东西向运行的水坝,以在每年的洪水期间保留水源,在旱季时降水释放到周围田地。

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埃及法尤姆市的西端,八个渠道的运河从Bahr Yussuf取水后分配到整个法尤姆地区,整个地区实现常年灌溉

公元前三千年中后期,古印度在朵拉维拉建立了一个复杂的水管理系统,这个水系统包括16个水库、水坝和各种收集水和储存水的渠道。

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古印度朵拉维拉城寨附近的储水槽

这样的灌溉系统也出现在古代中国,完成于公元前251年的都江堰是中国现存最古老的水利工程,它由分水鱼嘴、飞沙堰、宝瓶口等部分组成,两千多年来一直发挥着防洪灌溉的作用,现在这套系统仍然在使用中。

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古罗马拥有许多伟大的工程师,罗马人不但具有大规模规划和组织大型水库水坝的能力,以确保为城市居民永久供水,他们还创造性的发明了罗马混凝土,一种由土、沙和粗石制成,接缝处用砂浆和灰泥硬化的材料,这使得水坝结构比以前建造的要高大得多。罗马最高的水坝是罗马附近的Subiaco水坝,它的记录高度50 m直到1305年被意外破坏之前一直没有被超越。

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由罗马混凝土修建的叙利亚混凝土芯重力坝Harbaqa(长245米,高20米)

公元前193年,罗马人征服了西班牙后建造了不少高大的水库,其中堤岸高28 m的Cornalvo大坝至今仍在使用。

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仍在使用的西班牙Cornalvo水坝

现代水坝的飞速发展从工业革命开始

十九世纪初,英国发明了波特兰水泥(也就是现在的硅酸盐水泥),这种水泥被运用于水坝的建造,这使得修建大型重力型混凝土水坝和拱坝成为可能,从而促进了这一时期英法水坝技术的重大变革,这时候水坝设计从基于经验方法转变为基于严谨的科学理论框架专业。。

在19世纪下半叶,英国的城市化进程不断发展,在各个地方建造水坝以满足用水的需求。

1804年,英国皇家工程师Henry Russel监督、建造了印度Mir Alam大坝,以向海得拉巴市供水,它的高度为12 m,由21个跨度可变的拱门组成,至今这个水库仍在印度使用。

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印度 Miralum Tank, 1902-03.

1931年至1936年的大萧条时期,美国制定了一系列经济刺激政策,其中就包括在全国各地建造水坝。

这个时期大量建设的水坝发挥了发电、灌溉、防洪等作用,在促进地方经济发展中取得了显著的成效。1936年,科罗拉多河的大型混凝土拱形重力坝胡佛水坝交付使用,它作为水坝技术的高峰之作,在世界范围内有很大的影响力。

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胡佛水坝作为当时最先进的水坝

随后,一直到二十世纪80年代,美国技术经济性较好的理想水坝选址大多开发完毕,之后水坝的建设才放缓。

到1997年,全世界估计有80万个水坝,其中约4万个水坝高度高于15 m。

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2003年水坝数量最多的前20个国家,数据来自国际大坝委员会(ICOLD)

 中国水坝在进入近代社会后发展迅速,数量一跃成为世界第一

虽然中国是最早建设水库的国家之一,但是真正意义的现代水坝是1912年建于云南昆明的石龙坝水电站。1950年以前,中国的水坝只有不到30座。

新中国成立以后,水电事业开始启航,水电的开发进入快速发展阶段,水坝的建设也成为国家的一项重要国策。

而中国水坝实现质的飞跃是在改革开发后,2017年,国家大坝委员登记在册的大型水坝约有58500 座,中国以23842 座大坝位居世界第一。

2012年建成的三峡大坝成为世界上规模最大的水电站,也是中国有史以来建设最大型的工程项目。集防洪、发电、水资源调配和航运等多种功能于一身,2018年三峡大坝电厂发电量已超过1亿千瓦时,稳居世界第一。

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世界上规模最大的水电站-三峡水坝

水坝为什么能推动历史进步,这些作用的功不可没

水坝作为水利工程历史重要组成部分,其既有防洪、灌溉、发电、航运、娱乐等积极作用,也有对生态环境造成影响等负面作用。从影响社会进步和经济发展的角度来说,水坝的积极推动作用更明显些。

  • 防洪和蓄水是大部分水坝最初的建造目的

从水坝诞生之日起,防洪和蓄水就是其最初建造的目的。秦时建造的三大水利工程的都江堰和郑国渠都是为了防洪和蓄水,以促进河流下游民众的居住安全和农田灌溉。

2012年完工的三峡工程主要的目的是防洪、发电、水资源调度和航运,其中防洪是其最核心的功能。

历史上,长江上游河段和多个支流经常发生洪水,建国以来,长江更是在1954年、1998年发生了全流域型的特大洪水,给长江中下游人民带来了巨大的经济损失和人员伤亡。

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1998年长江特大洪水

三峡大坝建成后,长江上肆意冲击的洪水得到了控制,通过在汛期的防洪调控,三峡大坝经受住多次洪峰的冲击,大坝下游主要站点水位的涨幅都在可控范围内。

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2012年形成于长江上游的 “1号洪峰”抵达三峡水域,流量高达每秒5.6万立方米,创下当年汛期来水新高

  • 航运也是堤坝建设的一大目的

从古至今,水利工程的另外一大作用就是航运水路的开通。

秦时建造的三大水利工程之一的灵渠是典型的航运为目的水利工程,它沟通了长江和珠江两大水系,是秦朝统一长江以南尤其是两广地区割据势力的重要航运水路。今天,灵渠仍然是广西到广东的重要水上航线。

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今天灵渠仍在运作

同样功能的还有三峡大坝。在大坝建成前,三峡水路航道的水势湍急,满载的货船往往难于上行,严重限制航运的发展。大坝建成后,库区水流速度变得缓慢,货船上行下行不再受水流的影响,现在,三峡航道的年运货量已经达到1.4亿吨。

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三峡游船

  • 进入现代,水力发电使水坝的经济性和环保效益大幅提升

水电是由水坝通过水力发电产生的电力,存储在大坝中的水通过专用管道从进水口流到水轮。水轮机利用水的落差力旋转发电机,产生的电力再通过水电厂的变压器升压成高压,通过高压电送至用电地点。

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水力发电断面图

1878年,威廉·阿姆斯特朗在英格兰诺森伯兰郡的克拉格赛德开发了世界上第一个水力发电计划,用于为他的美术馆中的单个弧光灯供电。1881年,位于尼亚加拉大瀑布附近的美国第一号舍霍夫科夫电站开始发电。由此揭开了水力发电的历史序幕。

水电作为一种清洁能源,具有环保和稳定输出的双重特性。来自(国际能源署)IEA的数据,2015年,水力发电量占世界总电力的16.6%和所有可再生能源的70%。

截至2018年,中国水电累计装机达到352.3 GW,是全球最大的水电生产国。

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1971年至2015年按燃料分列的世界一次能源总供应量(TPES)(图表来自IEA)

  • 娱乐休闲是现代水坝的一大经济目的

现代社会中,水坝壮阔的风景还形成了一种新型的经济效益,那就是娱乐、休闲。

根据美国陆军工程师兵团统计,2013年,美国的8.7万座水库中,以防洪为目的的大坝占比17%,仅排在第二,而排名第一的是以娱乐休闲为目的建造的水坝,超过2.7万座,占水坝数量的32%之多。

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美国新伦敦小型水坝

水坝的这些问题成为许多人反对它们的原因

2000年11月16 日, 国际水坝委员会(ICOLD)出版了《水坝与发展:新的决策框架》报告, 这份报告指出水坝建设对环境和移民的负面影响,倡议水坝的建设者能在修建水坝前要开展多阶段的磋商,并寻求水资源和能源开发的替代方案。

而水坝的负面影响从其诞生以来就一直围绕在其身边,水坝反对者们的反对依据也基本上围绕这些问题。

  • 水坝建设往往带来原有生态环境的破坏,有些破坏是不可逆的

水坝发电产生的电能虽然属于清洁能源,但是水坝建设前后,其所在的河流流域的生态环境是截然不同的,水坝对环境的破坏在于泥砂积淤、蓄水后淹没陆生珍稀植物、阻隔河流洄游鱼类的繁殖等。

①泥沙淤积缩短水坝的寿命,使得建设周期长、投入成本高的水坝经济性变差。

水库中的淤泥通常来自汛期的积累,根据世界水坝委员会的报告,世界范围内大部分水库的泥沙淤积都十分严重,每年有1%的水库因为淤满而报废。

水坝的寿命通常是在50年以上,但是过多的淤泥会加速水坝的寿命衰减,使水坝过早进入报废期或者需要大量的清淤工作以延长使用寿命,而这些清淤和寿命成本在水坝的建设之初很多并没有被考虑到。

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水坝淤泥积累示意图

②水坝建成之后,通常会淹没很大一部分的沿岸植物。

三峡完全蓄水后淹没了约560多种陆生珍稀植物,虽然这些植物在淹没线以上也有分布,不过三峡库区森林覆盖率已相比50年代的20%降到了10%。

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三峡库区

③水坝截流蓄水对江河水域洄游繁殖的鱼类的影响是致命的。

每年的夏秋两季,生活在长江口外浅海域的中华鲟回游到长江,历经3000多公里的溯流博击,回到金沙江一带产卵繁殖。葛洲坝截流后,中华鲟洄游的途径被阻断,幼鱼数量急剧减少。

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中华鲟洄游产卵的途径被阻断,图片来自网络

2014年9月2日,葛洲坝截流32年来首次未监测到中华鲟自然产卵。

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  • 许多水坝的实际发电效益远低于预期,而修筑和移民的成本被低估

大型水电站的建设周期通常在6年左右,随着合适的选址越来越少,水坝建设的成本也在逐年上升,另一方面,很多水电站的发电效益也往往不如规划预期的那么高,巴西与巴拉圭共建的世界第二大水电站伊泰普水电站在建设计划中发电效率要达到72%,但是实际只达到了58%。

根据世界水坝委员会的报告,水坝建设造成全球4000万~ 8000万人移民搬迁,显然,搬迁的成本很高。

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伊泰普水电站

  • 早期粗放的水坝建设带来环境的严重后遗症

2010 年第一次全国水利普查统计中得知,中国大部分的水坝是上世纪80年代以前修建的土石坝。早期国家经济建设处于快速发展时期,电力供应紧张,与火力发电相比,水电是清洁可再生能源,符合国家可持续性发展的能源政策。很多地方政府出台了相应的鼓励政策,各地匆忙上马山区水电站的建设力度,许多地方政府放宽了水电建设的管理,很多水电站的建设并没有进行环评,甚至出现大量无立项、无批文、无验收、无建设期管理的“四无”水电站。

粗放建设的结果就是,建设过程中环境破坏严重,建筑废弃物垃圾未经处理而直接丢弃。很多水电站竣工多年后周边山林地貌仍无法恢复。

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美国已经在拆水坝了,中国大量的老水坝该如何处理?

美国国家水坝注册数据库(NID) 2013年登记的水坝总数为8.7万座,其中高度60m以上的水坝有478座。

美国曾经是水坝建设最多的国家,同时也是水坝拆除最多的国家。水坝拆除技术和建设技术一样领先,近100 多年来美国拆坝总数约为1 150 座。自20 世纪80 年代以来,美国拆坝数量明显增加,水坝拆除的原因也由安全和经济因素为主逐渐变为以环境因素为主。

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从上世纪60年代起,美国颁布了一系列与水坝有关的环保法规,包括1968 年颁布的《自然与风景河流法》 、1969 年颁布的《国家环境政策法》、1972 年修订的《清洁水法》以及1973 年颁布的《濒危物种法》等。

随着民众环保意识的增强,水坝对环境的影响越来越受关注。

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借鉴美国对水坝退役的管理经验,我国水利部于2013年10 月发布了SL 605—2013《水库降等与报废标准》,用于指导和规范水库的管理。

中国有大量的老水坝,如何对老、旧、病、险的水坝进行除险加固,降级或者报废拆除处理和水坝的合理建设一样重要。

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写在最后,持续改进是水坝建设的重点,拆和建都是水坝发展的一部分

水坝作为人类智慧的一部分,驯服了许多桀骜不驯、给人类带来无尽灾害的河流,还带来了清洁的电力资源,但是水坝也会带来土地淹没、移民搬迁、生态受损的问题,水坝利与弊共生,导致水坝的建设一直伴随着争议,而这种争议并非今天才有。

美国拆除的水坝中,绝不大部分是落后、安全性缺失的小型水坝,超过15m的大坝甚少,另一方面,美国经历了水坝建设和拆除共存的历史,环境保护和经济效益之间的争论并没有影响水坝建设和发展的进程,今天水力发电依然为美国全国提供了大约7%的电力,水电仍然是美国最大的可再生电力来源。

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我国虽然水资源丰富,但是水资源总的调控能力仍然偏低,特别是水资源开发不均衡、大部分老旧水坝属于粗放建设产物等问题;另一方面,我们的环境问题越来越严峻,生态保护势在必行。

因此,在接下来的水坝建设中,只有严格做好环评和效益分析,充分考虑生态鱼类的栖息地并为溯河性鱼类洄游提供专用水道引导,使用先进技术开发建设,做好水坝的科学管理,对于功能丧失、维护费用高或者对周边生态影响过大的中小型水库依据法规进行拆除、退役管理,这样才能最大限度地发挥水坝的防灾和清洁效益,让水坝成为可持续发展战略的一个重要组成部分。

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