龐 瓊，王士軍，倪小榮，張大偉

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098;2.南京水利科學(xué)研究院大壩安全與管理研究所，江蘇 南京 210029;3.水利部大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029;4.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210005)

攔河大壩是人類開發(fā)河水資源、征服大自然的杰作，從公元前3000年人類開始筑壩至今，世界主要河流已建設(shè)10萬(wàn)多座大壩，它們?cè)谛钏?、灌溉、發(fā)電、供水、防洪和航運(yùn)等方面對(duì)人類社會(huì)發(fā)展起到了重要保障作用。隨著水資源需求的增大、筑壩技術(shù)的進(jìn)步和大壩安全重要性的提高，高壩大庫(kù)成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。為了解和掌握世界范圍內(nèi)的高壩大庫(kù)情況，將全球已建成的高壩大庫(kù)工程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(截至2010年12月31日)，分別按照壩高、庫(kù)容確定世界高壩大庫(kù)前100名，其中有21個(gè)工程同時(shí)排入庫(kù)容前100名和壩高前100名。本文以這179個(gè)工程資料為基礎(chǔ)，對(duì)高壩大庫(kù)的有關(guān)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1 世界大壩概況

根據(jù)世界大壩委員會(huì)ICOLD(International Commission on Large Dams)2011年數(shù)據(jù)庫(kù)顯示，世界范圍內(nèi)已有37 626座大壩。這些大壩形成的水庫(kù)總庫(kù)容大約為149 130億m3，對(duì)水資源高效利用和管理以及克服水資源時(shí)空分布不均作出了重要貢獻(xiàn)。

世界注冊(cè)大壩中有26 996座大壩為單一功能的水利工程，其中，具有灌溉、發(fā)電、防洪、供水、娛樂、養(yǎng)殖、航運(yùn)及其他功能的大壩分別有 13 510座、4915座、2 571 座、3 214 座、1 341 座、38 座、112座、1295座;有9300座大壩為多功能綜合性水利工程，具有以灌溉、發(fā)電、防洪、供水、娛樂、養(yǎng)殖、航運(yùn)及其他功能為主的多功能大壩分別有5 567座、3 775座、4574座、3928座、2798座、1342座、541座、942座(其中部分大壩主要功能重疊)［1］。

大壩主要類型為土壩、堆石壩、重力壩、支墩壩、閘壩、拱壩、連拱壩，分別有23640座、2883座、6378座、418座、251座、1 828座、158座，其他壩型有 2070 座［1］。

2 世界大壩特征分析

依據(jù)世界大壩委員發(fā)布的最新數(shù)據(jù)，參考中國(guó)水利水電出版社出版的《世界江河與大壩》［2］、水利部大壩安全管理中心建立的全國(guó)水庫(kù)大壩基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、國(guó)際大壩會(huì)議發(fā)布的資料以及全球最大網(wǎng)絡(luò)百科全書維基百科等相關(guān)資料，分別按照壩高、庫(kù)容確定了世界高壩大庫(kù)前100名。截至2010年12月31日，全球已建成的特大型水庫(kù)大壩中，壩高前100名的大壩壩高范圍為166～300 m，庫(kù)容前100名的大壩庫(kù)容范圍為115.2億～2048億m3。

2.1 庫(kù)容最大和壩高最高的大壩

世界已建大壩形成的庫(kù)容最大的水庫(kù)是烏干達(dá)歐文瀑布水庫(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容為2048億m3，若包括維多利亞湖在內(nèi)則為27000億m3，該工程大壩為納魯貝爾壩，是一座高31 m、長(zhǎng)831 m的混凝土重力壩。

世界已建最高壩為塔吉克斯坦的努列克水泥心墻堆石壩，壩高300 m。不同壩型已建最高壩工程概況見表1。

表1 不同壩型已建最高壩工程概況

2.2 地區(qū)和國(guó)家分布

世界高壩大庫(kù)前100名的地區(qū)分布見表2。壩高前100名和庫(kù)容前100名的世界大壩國(guó)家分布分別見表3和表4。由表2和表3可知，高壩工程分布在36個(gè)國(guó)家，主要分布在亞洲(36%)、歐洲(27%)和北美洲(20%)，其中中國(guó)14座，美國(guó)12座，土耳其9座，伊朗7座，加拿大6座，瑞士5座。由表2和表4可知，大庫(kù)容的工程分布在29個(gè)國(guó)家，主要分布在北美洲(24%)、歐洲(24%)和亞洲(23%)，其中俄羅斯 20座，加拿大 17座，巴西 14座，中國(guó)10座，美國(guó)6座，阿根廷4座。由此可知，不論在高壩分布還是大庫(kù)分布方面，亞洲、歐洲和北美洲都在世界范圍內(nèi)占主導(dǎo)地位。相對(duì)而言，非洲高壩大庫(kù)工程建設(shè)較少，表明其水電開發(fā)程度、水資源調(diào)控能力都較低，而大洋洲雖然目前有不少灌溉建壩、小水電開發(fā)及電站更新改造項(xiàng)目，但規(guī)模都不大［3］，所以無(wú)論是高壩還是大庫(kù)都僅有1座進(jìn)入世界前100名。

表2 世界高壩大庫(kù)前100名地區(qū)分布比例 %

表3 壩高前100名的世界大壩國(guó)家分布

表4 庫(kù)容前100名的世界大壩

此外，結(jié)合聯(lián)合國(guó)糧食和農(nóng)業(yè)組織(FAO)發(fā)布的世界水資源分布概況和國(guó)際貨幣基金組織(IMF)2010年公布的世界各國(guó)人口數(shù)據(jù)及人均GDP數(shù)據(jù)［4］，以FAO發(fā)布的各國(guó)內(nèi)部可再生水資源世界地圖［5］為背景，繪制了圖1。圖中標(biāo)出了2010年人口超過(guò)1億的國(guó)家及世界排名，2010年人均GDP超過(guò)1萬(wàn)美元的國(guó)家及世界排名，以及各國(guó)高壩大庫(kù)數(shù)目。

高壩工程中國(guó)最多(14座)，其原因如下:首先，與水資源時(shí)空分布和需求密切相關(guān)，中國(guó)國(guó)土面積世界第三，人口總數(shù)世界第一，水資源總量豐富但人均占有量低，年內(nèi)年際分配不均，旱澇災(zāi)害頻繁，水資源供需矛盾突出;地區(qū)分布不均，水土資源不相匹配［6］。為滿足生活用水、農(nóng)業(yè)用水、防洪、發(fā)電和清潔能源的需要，修建大型水電工程顯得尤為重要。其次，與地理特征有關(guān)，中國(guó)西南地區(qū)多為高山峽谷地貌，兩岸岸坡陡峻但巖體的變形穩(wěn)定性及強(qiáng)度穩(wěn)定性較高，地區(qū)地殼穩(wěn)定，無(wú)傾角斷層或僅有小的斷層和破碎帶，而基巖也多為堅(jiān)硬類巖，巖石完整，強(qiáng)度高，地形地質(zhì)條件適宜建設(shè)高壩工程。再次，與高壩建設(shè)技術(shù)有關(guān)，中國(guó)高壩筑壩工藝近幾十年來(lái)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，總體上處于世界先進(jìn)水平［7-9］。

大庫(kù)工程俄羅斯最多(20座)，原因如下:首先，與水資源時(shí)空分布有關(guān)，俄羅斯國(guó)土面積世界第一，河流縱橫，湖泊眾多，水資源總量?jī)H次于巴西，居世界第二，但分布卻極不平衡，面臨洪水威脅的土地面積超過(guò)40萬(wàn)km2，而大型水庫(kù)在減少洪澇災(zāi)害損失方面發(fā)揮著極其重要的作用，因此俄羅斯修建大型水庫(kù)進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)。其次，與需求有關(guān)，俄羅斯人口總數(shù)世界排名第九，在灌溉、供水、發(fā)電、養(yǎng)殖等方面需求量大，為了保證生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)和居民用水需要，俄羅斯修建了一批大型水庫(kù)［10］。再次，與地理特征有關(guān)，20座大型水庫(kù)中有7座位于伏爾加河流域，6座位于葉尼塞河流域，2座位于黑龍江流域，其余5座分別分布于斯維里河流域、圖洛馬河流域、勒拿河流域、頓河流域和漢泰河流域，這些河流大多水面開闊，再加之有像貝加爾湖、奧涅加湖和拉多加湖等天然湖泊的存在，攔河壩興建形成特大型水庫(kù)。

結(jié)合表2～4和圖1，高壩大庫(kù)工程分布在以下地區(qū):

a.水資源豐富地區(qū)及有調(diào)水需求的地區(qū)。全球淡水資源不僅短缺，而且地區(qū)分布極不平衡，巴西、俄羅斯、加拿大、中國(guó)、美國(guó)、印度尼西亞、印度、哥倫比亞和秘魯9個(gè)國(guó)家的淡水資源占世界淡水資源的60%，而阿根廷、阿塞拜疆、孟加拉、玻利維亞、柬埔寨、埃及等33個(gè)國(guó)家的50%的可再生水資源依賴于其他國(guó)家［11］。這些國(guó)家通過(guò)修建大型水電工程合理調(diào)配水資源，滿足自身灌溉、發(fā)電、供水要求。

b.國(guó)土面積廣闊地區(qū)。這些國(guó)家經(jīng)緯跨度大，具有適合建造高壩大庫(kù)工程的地形地貌及水文氣候條件:高山峽谷地區(qū)河谷深切，呈“V”形或“U”形，地形地質(zhì)條件適宜建設(shè)高壩工程;降水充沛地區(qū)河谷深，流量大，一旦建壩蓄水就容易形成大型水庫(kù)。國(guó)土面積大也容易導(dǎo)致水資源分布不均衡，洪澇災(zāi)害嚴(yán)重，需修建高壩大庫(kù)進(jìn)行水資源調(diào)配和防洪。

c.人口眾多地區(qū)。中國(guó)、印度、美國(guó)水資源需求量大，為滿足生活用水、農(nóng)業(yè)用水、防洪、發(fā)電和清潔能源的需要，修建大型水電工程勢(shì)在必行。

圖1 各國(guó)水資源、人口、人均GDP及高壩大庫(kù)分布示意圖

d.經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。一方面，高壩大庫(kù)工程耗資巨大，只有經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚的國(guó)家和地區(qū)才有能力修建;另一方面，大壩基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)推動(dòng)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有積極作用?；A(chǔ)設(shè)施的總量越大，尤其是水庫(kù)庫(kù)容越大，對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和發(fā)展的貢獻(xiàn)就越大。以美國(guó)密西西比河水系為例，經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的開發(fā)和治理，這一北美洲最大水系已經(jīng)發(fā)展成為集航運(yùn)、防洪、發(fā)電、供水、灌溉、娛樂、環(huán)保于一體的綜合利用水系，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益［12］。發(fā)達(dá)國(guó)家已擁有大量的基礎(chǔ)設(shè)施(大壩)，而在發(fā)展中國(guó)家，建設(shè)新壩仍非常重要。

e.大型水電工程建設(shè)技術(shù)尤其是高壩筑壩技術(shù)領(lǐng)先地區(qū)。大型工程的建設(shè)條件復(fù)雜，大壩失事的危害難以承受，在壩型和樞紐布置選擇、建筑物邊坡和基礎(chǔ)處理等筑壩技術(shù)方面仍然面臨著許多困難和挑戰(zhàn)［8］，技術(shù)先進(jìn)才能建設(shè)出更高更安全的大壩。

2.3 壩型分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，世界壩高、庫(kù)容前100名大壩的壩型分布分別見表5、表6。由表5可知，高壩的壩型通常是混凝土拱壩、堆石壩和混凝土重力壩。統(tǒng)計(jì)表明:全世界2010年已建成的壩高大于166 m的100座大壩中，有46%為混凝土拱壩，31%為堆石壩，14%為混凝土重力壩，這與不同壩型的自身特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)密切相關(guān)［8］。庫(kù)容前100名的大型水庫(kù)中有52座是由100 m級(jí)以上的高壩興建而成，這類壩多為混凝土重力壩、堆石壩和混凝土拱壩，高壩攔蓄的水庫(kù)平均水深大，加之河流面積廣就會(huì)產(chǎn)生特大型水庫(kù);其余48座工程主要由土壩及主壩為混凝土重力壩的混合壩興建形成，這類壩壩高較小，尤其是土壩經(jīng)常出現(xiàn)低水頭大庫(kù)容的現(xiàn)象，這是由于水庫(kù)并不是由一座壩而是由一系列的壩圍成，有的水庫(kù)還包含天然湖泊，從而產(chǎn)生特大型水庫(kù)。例如，庫(kù)容排名第33名的加拿大丘吉爾瀑布水電站共建主副土壩88座，總長(zhǎng)64 km，主壩最大壩高32 m，形成斯莫爾伍德水庫(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容為323.2億m3。

表5 世界壩高前100名的大壩壩型分布

表6 世界庫(kù)容前100名的大壩壩型分布

2.4 建成年代分析

高壩大庫(kù)不同時(shí)期的建設(shè)情況見表7。第二次世界大戰(zhàn)(1945年)以前，高壩建設(shè)主要位于美國(guó)，大庫(kù)容工程主要位于美國(guó)、加拿大、中國(guó)、朝鮮、俄羅斯，表明這些國(guó)家尤其是美國(guó)開展大規(guī)模水資源開發(fā)利用較早，以20世紀(jì)30年代在科羅拉多河上修建壩高221.4 m的胡佛大壩為標(biāo)志，世界高壩建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期［8］。

表7 高壩大庫(kù)不同時(shí)期的建設(shè)數(shù)量

高壩大庫(kù)工程基本上建成于1945年之后。那時(shí)，世界格局趨于穩(wěn)定，第三次工業(yè)革命剛剛開始，各國(guó)都將精力重點(diǎn)投入到發(fā)展自身經(jīng)濟(jì)與推動(dòng)科技進(jìn)步上來(lái)，為大力發(fā)展大型水電事業(yè)提供了保障。20世紀(jì)60年代至今，幾乎每10年內(nèi)都有約20～45座高壩大庫(kù)工程建成，使水資源得到有效利用，對(duì)這些國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的全面提升作出了貢獻(xiàn)。

高壩建設(shè)的鼎盛時(shí)期是21世紀(jì)，建設(shè)中心主要位于亞洲，尤其是中國(guó)在總結(jié)國(guó)外筑壩技術(shù)的基礎(chǔ)上大力開展自主創(chuàng)新研究，短短10年內(nèi)建成11座壩高150 m以上的大壩，高壩筑壩工藝已達(dá)世界領(lǐng)先水平。

大庫(kù)工程于20世紀(jì)50年代發(fā)展迅速，20世紀(jì)70年代進(jìn)入鼎盛時(shí)期，當(dāng)時(shí)的建設(shè)中心位于歐洲和亞洲，以俄羅斯為主要建設(shè)國(guó)家，此后以每 10年10多座的速度增加。21世紀(jì)以后，中國(guó)成為大庫(kù)工程的主要建設(shè)國(guó)家。

3 結(jié)論

a.截至2010年12月31日，在全球已建成的特大型高壩大庫(kù)中，前100名高壩的壩高范圍為166～300 m，前100名大庫(kù)的庫(kù)容范圍為115.2億～2048億 m3。

b.高壩工程分布在36個(gè)國(guó)家，中國(guó)最多(14座)，大庫(kù)工程分布在9個(gè)國(guó)家，俄羅斯最多(20座)。世界高壩大庫(kù)工程主要位于亞洲、歐洲、北美洲國(guó)家，而非洲、大洋洲國(guó)家高壩大庫(kù)工程建設(shè)較少。高壩大庫(kù)工程主要分布在水資源豐富、國(guó)土面積廣、人口眾多、經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)達(dá)的地區(qū)。

c.高壩的壩型通常是混凝土拱壩、堆石壩和混凝土重力壩。有52座大庫(kù)工程是由100 m級(jí)以上高壩興建而成，這些高壩多為混凝土重力壩、堆石壩和混凝土拱壩;其余48座則是由一系列的土壩圍成，或是主壩為混凝土重力壩的混合壩興建形成。

d.高壩大庫(kù)工程基本上建成于1945年之后。美國(guó)最早建設(shè)高壩大庫(kù)工程，目前世界高壩大庫(kù)的建設(shè)中心已轉(zhuǎn)移至中國(guó)，已建最高的混凝土拱壩、最高的混凝土面板堆石壩、最高的碾壓混凝土重力壩都位于中國(guó)。

:

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