淺析美國建壩與拆壩

(1.長江科學院 水利部江湖治理與防洪重點實驗室，湖北 武漢 430010；2.武漢大學 圖書館，湖北 武漢 430072)

1 概 述

國際大壩委員會(ICOLD)對大壩進行了專門定義：高度(從地基處算起)大于或等于15 m，或者高度5～15 m，且總儲水量超過300萬m3的水壩[1]。根據(jù)世界水壩委員會(WCD)的報告：20世紀50年代至2000年，全世界至少已建成45 000座大壩，一半河流上至少建有一座大壩；大壩發(fā)電量占全世界總供電量的近1/5，1/3國家一半以上供電依靠水電；50%大壩專門為灌溉而建，2.71億hm2水澆地中30%～40%的面積依靠水壩灌溉[2]。

本文對美國101座建壩特征與248座拆壩特征進行了初步分析，希望能為我國水壩的開發(fā)利用、選址論證、設(shè)計建設(shè)與運行管理等提供一定的借鑒與啟示作用。

2 美國建壩特征分析

美國水壩建設(shè)有100多年歷史，科羅拉多河上的胡佛大壩開創(chuàng)了世界大壩建設(shè)的先河。第2次世界大戰(zhàn)前是美國建壩第1個高潮，建成的多功能巨型大壩包括胡佛壩、大古力壩、邦尼維爾壩、沙斯塔壩等，建壩目的是落實美國西部水資源計劃，即“科羅拉多河計劃”、“哥倫比亞流域項目”和“西部電氣化”等。二戰(zhàn)后出現(xiàn)了美國建壩第2個高潮，建成的水壩數(shù)量最多，包括格倫壩、奧羅威爾壩、大古力電站擴建等。

本文收集了美國101座已建大壩或水電站(壩高100 m或庫容30億m3以上)的工程名稱、所在河流、所在州，以及大壩壩型、最大壩高、水庫總庫容、開發(fā)目標、建成年份等基本信息，統(tǒng)計分析了美國建壩的時空分布與特征。

2.1 建壩時空分布

圖1 美國101座建壩的時間分布分析

按建壩的時間分布統(tǒng)計分析(圖1)，101座建壩中最早的大壩是1910年建在懷俄明州肖肖尼河上的布法羅比爾壩，最晚的是1993年建在猶他州普羅沃河上的喬丹內(nèi)萊壩和亞利桑那州阿瓜費里亞河上的尼沃德爾壩。建壩時間過程呈非對稱單峰分布，20世紀60年代為建壩高峰期，之前加速增長，之后陡然下降。高峰期建壩的服役年限已達到50 a，而美國水壩許可證的有效期一般為30～50 a，因此這期間建成的大壩或水電站目前正進入“老化”期。

按建壩的空間分布統(tǒng)計分析，101座建壩分布于全美28個聯(lián)邦州，其中建壩數(shù)量較多(大于或等于4座)的有加利福尼亞州、華盛頓州、俄勒岡州、亞利桑那州、阿肯色州、愛達荷州、德克薩斯州、蒙大拿州等。大江大河上的建壩數(shù)量十分有限，科羅拉多河、密蘇里河(密西西比河最大支流)和哥倫比亞河等較大河流上僅建有8座大壩，建壩主要集中于美國中西部地區(qū)的小河與大河支流上，而東部黃石河與中部密西西比河干流至今尚未修建攔河大壩。

2.2 建壩特征分析

101座建壩中只有79座大壩收集到了“開發(fā)目標”資料(標注為“目標已知”)，其中“多目標”大壩占大多數(shù)(占83.5%)。按開發(fā)目標統(tǒng)計依次為防洪(占78.5%)、供水灌溉(占64.6%)、旅游生態(tài)(占45.6%)、發(fā)電(占35.4%)、航運(占21.5%)，按第1目標統(tǒng)計依次為防洪(占41.8%)、供水灌溉(占36.7%)、發(fā)電(占11.4%)、旅游生態(tài)(占6.3%)、航運(占3.8%)。綜合表明：美國建壩的主要開發(fā)目標為防洪與供水灌溉。

按建壩的壩型統(tǒng)計分析，各類壩型比例依次為土石壩占37.6%，重力壩(含碾壓混凝土壩)占19.8%，堆石壩(含混凝土面板堆石壩)占16.8%，拱壩占12.9%，混合壩(組合壩型)及其他(如水力沖填壩)占12.9%。其中，基礎(chǔ)相對薄弱、防滲效果較差的土石壩和堆石壩的比例超過50%，這表明已建大壩的整體安全存在“先天隱患”。

按建壩的壩高統(tǒng)計分析(圖2)，最高的是1967年建在加利福尼亞州費瑟河上的奧羅維爾壩(壩高234 m)。主流大壩壩高為100～150 m(占55.4%)。

圖2 美國101座建壩的壩高分析

圖3 美國101座建壩的水庫總庫容分析

按建壩的水庫總庫容統(tǒng)計分析(圖3)，最大的是1936年建在科羅拉多上內(nèi)華達與亞利桑那交界的胡佛壩水庫(庫容348.5億m3、壩高221.4 m)，主流水庫總庫容為1～50億m3(占72.2%)。

主流壩高與主流水庫總庫容的合理選擇體現(xiàn)了美國大壩建設(shè)或水電站開發(fā)中的實用主義理念。

3 美國拆壩特征分析

美國最早拆除的水壩是1912年拆除的密執(zhí)根州馬克特壩，拆壩的重要里程碑是2001年拆除的威斯康星州巴拉博河系列水壩，拆壩后115 km長河流得以恢復原狀。美國拆除一座水壩必須獲取聯(lián)邦、州或地方政府的拆壩許可證，需要依據(jù)美國《水壩及水電設(shè)施退役導則》，進行拆壩的工程評價、環(huán)境影響評價、泥沙處置和方案評價等論證，以確保拆壩的安全、減少拆壩對河流及洪泛區(qū)的短期或長期影響。

本文收集了美國248座拆壩(1999～2005年)的名稱、所屬河流、所在州、壩高、建壩年份、開發(fā)目標、拆壩原因等基本信息，統(tǒng)計分析了近年來美國拆壩的特征與原因。

3.1 拆壩特征分析

248座拆壩中僅有55座(占22.2%)收集到了“建壩時間”資料，為1708～1970年。建壩最早的是1708年建在賓西法尼亞州伯克曼河上科利爾維爾米爾壩(病險庫且已廢棄)，最晚的是1970年建在阿拉斯加州阿利森河上無名壩(恢復生態(tài)、恢復魚和水生生物的通道)。

按拆壩的空間分布統(tǒng)計分析，248座拆壩分布于全美24個聯(lián)邦州，其中拆壩數(shù)量10座及以上的7個州分別是賓夕法尼亞州(73座)、威斯康星州(45座)、加利福尼亞州(16座)、密執(zhí)安州(15座)、緬因州(13座)、伊利諾州(11座)、俄勒岡州(10座)，大多數(shù)位于美國東部，與上文101座建壩的空間分布不一致，拆壩的決策與實施主要取決于聯(lián)邦州的政策導向與意愿。

按拆壩的壩高統(tǒng)計分析(圖4)，248座拆壩中僅有163座(占65.7%)收集到了“壩高”資料，大多數(shù)拆壩的壩高小于5 m(占84.5%)，最大壩高為18 m(建在賓西法尼亞州克多羅斯河東支上的羅根蓄水壩和白樺河上的白樺水壩)。

圖4 美國163座“壩高已知”拆壩的壩高分析

綜合分析表明：248座拆壩中拆除的主要是建在小支流或溪溝上壽命長、超長服役的老、棄、廢和“無名壩”，沒有拆除一座大江大河上的大壩。

3.2 拆壩原因分析

按拆壩的原因統(tǒng)計分析(圖5)，248座拆壩中有235座收集到了“拆壩原因”資料，其中“單一”原因拆壩174座(占74.0%)，“多重”原因拆壩61座(占26.0%)。按拆壩原因分類統(tǒng)計，除去“原因不明”拆壩13座(占5.2%)之外，依次為“生態(tài)環(huán)境”原因拆壩167座(占67.3%)、“水壩安全”原因拆壩83座(占33.5%)、“經(jīng)濟效益”原因拆壩45座(占18.1%)、“泥沙淤積”原因拆壩10座(占4.0%)。

圖5 美國248座拆壩的原因分析

4 結(jié) 語

美國101座已建大壩或水電站(壩高100 m或庫容30億m3以上)統(tǒng)計分析表明：

(1) 20世紀60年代為美國建壩高峰期，90年代初基本停止建壩，高峰期建壩目前正進入“老化”期。

(2) 建壩分布于28個聯(lián)邦州，主要集中于加利福尼亞州、華盛頓州、俄勒岡州、亞利桑那州等中西部偏遠地區(qū)的小河或大河支流上，東部黃石河和中部密西西比河干流至今尚未修建攔河大壩。

(3) 大多數(shù)大壩為“多目標”開發(fā)(占83.5%)，開發(fā)目標依次為防洪、供水灌溉、發(fā)電、旅游生態(tài)、航運等，其中防洪、供水灌溉占優(yōu)；大壩的壩型依次為土石壩、重力壩、堆石壩、拱壩、混合壩及其他，基礎(chǔ)相對薄弱、防滲作用較差的土石壩和堆石壩總量超過50%。

(4) 建壩的最大壩高234 m，主流壩高100～150 m；最大水庫總庫容348.5億m3，主流庫容1～50億m3。主流壩高與主流庫容的合理選擇體現(xiàn)了美國大壩建設(shè)或水電站開發(fā)中的實用主義理念。

美國248座拆壩(1999～2005年)統(tǒng)計分析表明：

(1) 拆壩的建壩時間為1708～1970年，分布于24個聯(lián)邦州，拆壩數(shù)量10座及以上的7個州是賓夕法尼亞州、威斯康星州、加利福尼亞州、密執(zhí)安州、緬因州、伊利諾州、俄勒岡州，大多數(shù)位于美國東部，拆壩的決策與實施主要取決于聯(lián)邦州的政策導向與意愿。

(2) 大多數(shù)拆壩的壩高小于5 m(占84.5%)，最大壩高為18 m；拆除的主要是建在小支流或溪溝上壽命長、超長服役的老、棄、廢和“無名壩”，沒有拆除一座大江大河上的大壩。

(3) 拆壩的原因依次為“生態(tài)環(huán)境”、“水壩安全”、“經(jīng)濟效益”和“泥沙淤積”。

綜合分析表明：美國建壩與拆壩具有“中西部河流建大壩、東部小河拆小壩”的總體特征。

參考文獻：

[1] T.斯卡德. 大壩的未來[M]. 北京：科學出版社，2008.

[2] 世界水壩委員會. 水壩與發(fā)展：決策的新框架[M]. 北京：中國環(huán)境科學出版社，2005.