浅析美国建坝与拆坝

2014-09-10

水利水电快报 2014年5期

(1.长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室，湖北武汉 430010；2.武汉大学图书馆，湖北武汉 430072)

1 概述

国际大坝委员会(ICOLD)对大坝进行了专门定义：高度(从地基处算起)大于或等于15 m，或者高度5～15 m，且总储水量超过300万m3的水坝[1]。根据世界水坝委员会(WCD)的报告：20世纪50年代至2000年，全世界至少已建成45 000座大坝，一半河流上至少建有一座大坝；大坝发电量占全世界总供电量的近1/5，1/3国家一半以上供电依靠水电；50%大坝专门为灌溉而建，2.71亿hm2水浇地中30%～40%的面积依靠水坝灌溉[2]。

本文对美国101座建坝特征与248座拆坝特征进行了初步分析，希望能为我国水坝的开发利用、选址论证、设计建设与运行管理等提供一定的借鉴与启示作用。

2 美国建坝特征分析

美国水坝建设有100多年历史，科罗拉多河上的胡佛大坝开创了世界大坝建设的先河。第2次世界大战前是美国建坝第1个高潮，建成的多功能巨型大坝包括胡佛坝、大古力坝、邦尼维尔坝、沙斯塔坝等，建坝目的是落实美国西部水资源计划，即“科罗拉多河计划”、“哥伦比亚流域项目”和“西部电气化”等。二战后出现了美国建坝第2个高潮，建成的水坝数量最多，包括格伦坝、奥罗威尔坝、大古力电站扩建等。

本文收集了美国101座已建大坝或水电站(坝高100 m或库容30亿m3以上)的工程名称、所在河流、所在州，以及大坝坝型、最大坝高、水库总库容、开发目标、建成年份等基本信息，统计分析了美国建坝的时空分布与特征。

2.1 建坝时空分布

图1 美国101座建坝的时间分布分析

按建坝的时间分布统计分析(图1)，101座建坝中最早的大坝是1910年建在怀俄明州肖肖尼河上的布法罗比尔坝，最晚的是1993年建在犹他州普罗沃河上的乔丹内莱坝和亚利桑那州阿瓜费里亚河上的尼沃德尔坝。建坝时间过程呈非对称单峰分布，20世纪60年代为建坝高峰期，之前加速增长，之后陡然下降。高峰期建坝的服役年限已达到50 a，而美国水坝许可证的有效期一般为30～50 a，因此这期间建成的大坝或水电站目前正进入“老化”期。

按建坝的空间分布统计分析，101座建坝分布于全美28个联邦州，其中建坝数量较多(大于或等于4座)的有加利福尼亚州、华盛顿州、俄勒冈州、亚利桑那州、阿肯色州、爱达荷州、德克萨斯州、蒙大拿州等。大江大河上的建坝数量十分有限，科罗拉多河、密苏里河(密西西比河最大支流)和哥伦比亚河等较大河流上仅建有8座大坝，建坝主要集中于美国中西部地区的小河与大河支流上，而东部黄石河与中部密西西比河干流至今尚未修建拦河大坝。

2.2 建坝特征分析

101座建坝中只有79座大坝收集到了“开发目标”资料(标注为“目标已知”)，其中“多目标”大坝占大多数(占83.5%)。按开发目标统计依次为防洪(占78.5%)、供水灌溉(占64.6%)、旅游生态(占45.6%)、发电(占35.4%)、航运(占21.5%)，按第1目标统计依次为防洪(占41.8%)、供水灌溉(占36.7%)、发电(占11.4%)、旅游生态(占6.3%)、航运(占3.8%)。综合表明：美国建坝的主要开发目标为防洪与供水灌溉。

按建坝的坝型统计分析，各类坝型比例依次为土石坝占37.6%，重力坝(含碾压混凝土坝)占19.8%，堆石坝(含混凝土面板堆石坝)占16.8%，拱坝占12.9%，混合坝(组合坝型)及其他(如水力冲填坝)占12.9%。其中，基础相对薄弱、防渗效果较差的土石坝和堆石坝的比例超过50%，这表明已建大坝的整体安全存在“先天隐患”。

按建坝的坝高统计分析(图2)，最高的是1967年建在加利福尼亚州费瑟河上的奥罗维尔坝(坝高234 m)。主流大坝坝高为100～150 m(占55.4%)。

图2 美国101座建坝的坝高分析

图3 美国101座建坝的水库总库容分析

按建坝的水库总库容统计分析(图3)，最大的是1936年建在科罗拉多上内华达与亚利桑那交界的胡佛坝水库(库容348.5亿m3、坝高221.4 m)，主流水库总库容为1～50亿m3(占72.2%)。

主流坝高与主流水库总库容的合理选择体现了美国大坝建设或水电站开发中的实用主义理念。

3 美国拆坝特征分析

美国最早拆除的水坝是1912年拆除的密执根州马克特坝，拆坝的重要里程碑是2001年拆除的威斯康星州巴拉博河系列水坝，拆坝后115 km长河流得以恢复原状。美国拆除一座水坝必须获取联邦、州或地方政府的拆坝许可证，需要依据美国《水坝及水电设施退役导则》，进行拆坝的工程评价、环境影响评价、泥沙处置和方案评价等论证，以确保拆坝的安全、减少拆坝对河流及洪泛区的短期或长期影响。

本文收集了美国248座拆坝(1999～2005年)的名称、所属河流、所在州、坝高、建坝年份、开发目标、拆坝原因等基本信息，统计分析了近年来美国拆坝的特征与原因。

3.1 拆坝特征分析

248座拆坝中仅有55座(占22.2%)收集到了“建坝时间”资料，为1708～1970年。建坝最早的是1708年建在宾西法尼亚州伯克曼河上科利尔维尔米尔坝(病险库且已废弃)，最晚的是1970年建在阿拉斯加州阿利森河上无名坝(恢复生态、恢复鱼和水生生物的通道)。

按拆坝的空间分布统计分析，248座拆坝分布于全美24个联邦州，其中拆坝数量10座及以上的7个州分别是宾夕法尼亚州(73座)、威斯康星州(45座)、加利福尼亚州(16座)、密执安州(15座)、缅因州(13座)、伊利诺州(11座)、俄勒冈州(10座)，大多数位于美国东部，与上文101座建坝的空间分布不一致，拆坝的决策与实施主要取决于联邦州的政策导向与意愿。

按拆坝的坝高统计分析(图4)，248座拆坝中仅有163座(占65.7%)收集到了“坝高”资料，大多数拆坝的坝高小于5 m(占84.5%)，最大坝高为18 m(建在宾西法尼亚州克多罗斯河东支上的罗根蓄水坝和白桦河上的白桦水坝)。

图4 美国163座“坝高已知”拆坝的坝高分析

综合分析表明：248座拆坝中拆除的主要是建在小支流或溪沟上寿命长、超长服役的老、弃、废和“无名坝”，没有拆除一座大江大河上的大坝。

3.2 拆坝原因分析

按拆坝的原因统计分析(图5)，248座拆坝中有235座收集到了“拆坝原因”资料，其中“单一”原因拆坝174座(占74.0%)，“多重”原因拆坝61座(占26.0%)。按拆坝原因分类统计，除去“原因不明”拆坝13座(占5.2%)之外，依次为“生态环境”原因拆坝167座(占67.3%)、“水坝安全”原因拆坝83座(占33.5%)、“经济效益”原因拆坝45座(占18.1%)、“泥沙淤积”原因拆坝10座(占4.0%)。