南非大坝建设回顾

2017-02-14南非范维伦

水利水电快报 2017年1期

[南非] L.V. 范维伦

南非大坝建设回顾

[南非] L.V. 范维伦

生命和水一直密不可分。在半干旱的南非，水是一种稀缺资源，管控水资源的能力，不但是国家发展和进步的关键，也是其社区生存的关键。简要介绍了各个时期，即殖民时期、经济萧条期、二战结束后近20 a黄金时期南非大坝建设情况，以及一跨境合作项目—莱索托高地引水项目，并对南非大坝未来的发展进行了展望。

水利建设；水资源管理；南非

南非拥有丰富的自然和矿产资源，但是水资源却很贫乏。由于其位于非洲大陆的最南端，处于冷、热两股海洋气流影响范围内，加上其特有的地形地貌，整个国家的气候在时空分布上差异极大，经常发生旱涝灾害。

全球年均降雨量为860 mm，而南非的年降雨量远低于这一数字，仅为450 mm。此外，全国范围内的降雨分布差别很大，通常是由东至西递减，全国约有 65%的区域年降雨量不到500 mm。整个南非河流的径流量(约4 900万m3)与该国以北的赞比西河的径流量大致相当。

南非的气候多变，再加上降雨通常都是在夏季以极端雷雨形式出现在全国大部分地区，导致国内少有水源恒定的河流，而事实是，全国范围内仅有1/4的河流终年有水。

极端天气使得南非的大坝建设者们掌握了控制水流的科学和艺术，国家经济潜能得到释放。这使得南非成为非洲第二大经济体(仅次于尼日利亚)。国内的大部分供水基础设施发达，整合了大量的大坝、输水管线、泵站以及输水工程。正是由于这些大型坝的建设，才使得诸如德班、豪登和开普敦等重要城市得以生存和繁荣发展。

南非国内大型坝所拦蓄的径流量占全国年均径流量的70%，确保了全年供水总量的98%。

在南非，大坝建设是一项费用昂贵的商业活动。这是因为对南非河流有大库容的要求以实现所需的收益。例如，对于为南非经济核心区域供水的法尔(Vaal)河，要求其蓄水容量达到年均径流量的200%，以确保在50 a一遇的旱情中，75%的年均径流量可满足可靠总收益。

1 水资源的早期开发

与埃及等国家相比，南非的大坝建设史并不悠久。非洲的最南端是世界上少有的几个人类活动长达近两百万年之久的地方之一，但是，其大坝建设则是一种历史相对较短的人类活动。

古文化时期的科伊族人(Khoi)和桑人(San)适应自然而非改造自然，然而到了后铁器时代，农耕人群选择在雨水充沛的地区耕种而非拦河筑坝。直到16世纪出现了永久居住的欧洲殖民者，才开始了第一座现代水利基础设施的建设。荷兰殖民者将源自开普敦桌山的河水引至运河以便于船只能航行至东部富饶地区。与此同时，英格兰和苏格兰的殖民者在山顶上建造了圬工坝以为开普敦提供水源。

当开普敦地区的殖民者规模日渐增大，欧洲殖民者开始从海岸角(Cape Coast)向干旱的内陆转移之时，他们便在自己的牧场进行牲畜及枪支贸易，殖民者的活动范围甚至扩大到了北方和东方。当地游牧农民的生活环境大多干旱，而殖民地则主要集中在潜水泉及终年有水的河岸。后来当地人将泉水拦蓄以为牲畜提供水源，同时，也修筑了雏形的垄沟以引入清泉浇灌家庭园圃和小片土地。

1806年，南非正式成为大英皇家帝国的永久的一部分，英国的殖民者则将其最新的工程经验引入了南非。但是，在开普敦的英国政府最初并不情愿投资于南非殖民地，最初的投资人反而是欧洲传教士及农民个人。在这一期间，由伦敦传道会( the Londun Missionary Society)的W.菲利浦主持建造的汉基(Hankey )渠是最宏伟的灌溉基础设施之一。这条1845年完工的灌渠全长228 m，开创了南非国内此类工程的先河，加姆图斯(Gamtoos)河河水穿过文斯特霍克(Vensterhoek)山用于对岸的农田灌溉。尽管汉基渠已不再使用，但其仍然具有里程碑意义。

自19世纪60年代起，钻石和黄金的发现极大推动了南非水基础设施的发展。金伯利和约翰内斯堡等城市如雨后春笋般发展起来，这些城市，无一例外地都分布在矿产资源集中的地区而非在水资源丰富的地区；一时期为满足来自全球各地淘金者们的用水需求，水需求量突然大增，同时，由于对食物的需求量增加，农民必须寻找新的水源以增加作物产量。

2 第一座大型坝

自从1912年南非组成联邦后，国家才在大量的水资源开发中扮演了更加积极的角色。政府鼓励农民创建灌溉委员会，然后可以申请国家贷款并获得专业技术去建设灌溉项目或者是钻井。第一次世界大战(1914～1919年)后的一段时间，南非建设了许多大坝，包括41 m高的卡玛纳瑟(Kamanassie)坝、34 m高的主日河(Sundays River)坝、38 m高的阿瑟湖(Lake Arthur)坝、24 m高的格拉斯里奇(Grassridge)坝以及20 m高的迪哥博特(Tygerpoort)坝。截止1925年，南非一共建成了27座大坝，这些坝几乎全部都与灌溉项目有关。

这一阶段建造的鳄鱼 (Crocodile)河上的哈特比斯普特(Hartbeespoort)坝是当时最大的大坝。大坝的可变半径拱结构高达 59 m。1923年完工的哈特比斯普特坝最显著的特征是在其左翼有一条侧槽式溢洪道。大坝左右两侧各有渠道系统与库水相通，两条渠道在鳄鱼河峡谷两侧分别延伸了64 km。作为一个创造就业的项目，大坝施工高峰期曾经雇佣了将近3 300名工人。其不同寻常之处在于，大坝外墙西段有一扇拱门，为法国凯旋门的复制品。该复制品不但展示了景观价值，同时具有结构功能。1964年，通过在溢洪道顶增设10扇 2.74 m高的弧形闸门，使坝顶抬高，从而其总库容达到了19 660万m3。

3 经济萧条期的大坝发展

20世纪30～40年代的经济大萧条以及南非国内同时期遭遇的干旱反而促进了几座大型劳动密集型灌溉项目及与其配套的大坝的建设。水利灌溉局(即现今的水资源及公共卫生部)则负责这些项目的设计和施工。

在此期间，南非国内建造的最大的大坝之一是象( Olifants)河上的洛斯科普(Loskop)坝。该坝是当时南非最大的混凝土坝，按国际标准它也属于大型坝。如同当时其他的国有项目，洛斯科普灌溉工程也是劳动密集型项目。据报道，大坝建设期间惊险不断，因为工人们不得不时刻躲避好奇的鳄鱼。施工场地因其酷暑而著名，因此施工过程中最珍贵的装备就是制冰机。

洛斯科普坝由大体积混凝土重力墙与反弧形溢洪道组成。大坝初始高45 m，1979年加高至54 m。值得一提的是大坝的驻地工程师D.F.罗伯特的骨灰就埋葬在坝体内。大坝也采用了一项新技术，即在坝体溢流段较低部位设置了分水墩，这些平扁的混凝土墩比坝顶低了8 m，将过坝水流分散，减小了流水对底部混凝土的冲刷。

洛斯科普灌溉工程有总长近495 km的混凝土渠道，主要由左岸长 96 km及右岸长60 km的两条主要渠道及其支渠构成。洛斯科普灌溉工程也是南非第二长的灌溉工程，该项目由私营机构洛斯科普灌溉董事会管理。

法尔坝是同期建造的另一座大坝，如同其他同类型的大坝，该坝的建设也并非以灌溉为目的，而是为约翰内斯堡提供水源。法尔坝坝址位于沃尔赫(Wilge)河与法尔河交汇处，于1905年初次被确认，然而直到1934年才开始投入建设。法尔坝是南非当时最大的坝，至今也是南非最大的大坝之一。

约有800名工人参与了大坝建设。同当时其他的施工小组一样，工人们吃住在工地，住在锌板搭建的工棚里。工人居住的营地甚至配有网球场、足球场和拳击台等娱乐设施。

法尔坝初期坝高54.2 m，库容达到了9.94亿m3。大坝为大体积重力混凝土结构。大坝泄洪部分有一个显著特征，即通过冲击大坝下游面的台阶，使流水消能。台阶低于坝顶6 m，台阶顶部是一个岩石状的肘板，也就是分流设施。通过此分流设施，使得水流以喷流的形式落至河床。

1951年，该坝在原有高度基础上加高了6 m，其中，混凝土溢流部分加高了3 m，并在溢流段安装了一扇3 m高的堰顶闸门。大坝东侧建于1938年的一座混凝土副坝也同时进行了加高，并与主坝相连形成了一堵长达2 570 m的连续墙。在大坝加高施工期间，修建了一条土堤穿过副坝并延伸至主坝的东北区。

1985年再次对大坝进行了加高，从最低的建基面加高了3.05～ 63.4 m。在加高部分采用锚索锚固，并在混凝土下部建排水渠。

水库库容达到了25.36亿m3，并能临时增加26%的库容进行调蓄。至今，法尔坝不但为约翰内斯堡提供水源，也为整个豪登地区，即南非的经济中心提供水源。

4 大坝建设的黄金时期

二战结束后，南非进入发展的新时期。欧洲战后重建刺激了经济强劲发展，持续近20 a。南非也从中获益，在20世纪60年代，是世界上经济增长率最高的国家之一。由于南非的矿产和工厂并非都位于水源充沛的地区，因此，南非开始了大规模的调水工程以满足大量用水的需要。

到20世纪70年代，南非国内的总库容将近200亿m3(存储了全国40%的年均径流量)。在这一期间，南非国内有104座水库的库容超过了50亿m3。1960年，南非成为国际大坝委员会(ICOLD)的成员，使得南非的工程师们可以分享全球的建坝经验，获取最新的设计知识及建材信息。

南非国内最大的调水项目，即奥兰治河开发项目，就是在这一时期完成的。奥兰治河开发项目将奥兰治河水调往菲斯河和主日河，包括三大基础设施，分别是嘎瑞普(Gariep dam)坝、范德克卢夫(Vanderkloof)坝以及奥兰治-菲斯河道(the Orange-Fish tunnel)。嘎瑞普坝为双曲拱坝，于1970年完工。其库容为全南非最大，坝高 90.5 m，坝顶长909.5 m。嘎瑞普坝总库容达到了59.5亿m3。

与嘎瑞普坝类似，范德克卢夫坝是复合重力拱坝，中间为一个拱构造，该构造逐渐渐变为大坝左岸的重力侧翼。大坝最大高度107 m。

奥兰治-菲斯河道是连接奥兰治河与菲斯-主日河的主要连接通道。这条 82.45 km长的河道也是当时世界上同类建筑中最长的河道，穿过叙尔贝赫(Suurberg)高原，将水输送至靠近东开普敦斯坦斯堡(Steynsburg)的嘎瑞普水库和蒂伯斯(Teebus)河。

另一个重要的调水工程，图克拉-瓦尔(Thukela-Vaal)河调水工程，于20世纪70年代建造，该工程将水从夸祖鲁-纳塔尔省(Kwazulu-Natal)调至豪登的干旱内陆。工程的主要设施为斯泰克方丹(Sterkfontein dam)坝。在大坝建造的1971年前后，斯泰克坝是南非国内最大的土石坝。长2 290 m的土石坝采用典型的斜心墙防渗结构。大坝原始坝高68 m，总库容为12亿m3。

斯泰克方丹坝集水面积小，且几乎为天然径流，因此无需溢洪道。当于1977年完工时，该坝是南非国内唯一的一座有资格列入ICOLD世界上最大的大坝名录中的大坝。1980年，斯泰克方丹坝加高至93 m，使其总库容达到了26.56亿m3。水库库容最大可达19 m长×6 m宽，平均水深58 m。加高工程于1986年完工。

5 跨境合作

1986年，南非和莱索托签署了一份协议。根据该协议，南非可从莱索托的国王(Kingdom)山调水以满足国内日益增长的用水需求。莱索托高地引水水库项目(the Lesotho Highlands Water Project)第一阶段的建造包括卡奇 (Katse)坝和莫哈菜(Mohale)坝，当这一阶段的施工完成后，水成为了莱索托出口量最大的商品。

建造于马力巴马托斯(Malibamatos)河上的卡奇坝是混凝土双曲拱坝，坝高185 m，坝顶长710 m。卡奇坝当时是南非最高的大坝，也是世界上同类大坝中最高的大坝之一。卡奇坝显著特征是溢洪道由10个16 m宽的泄洪孔构成，这些泄洪孔能够下泄最大流量250 m3/s的洪水。

建造于森军延(Senqunyane)河上的莫哈莱坝是南非第二大的混凝土面板堆石坝，坝高145 m，总方量750万m3，大坝坝顶长700 m、坝宽12 m。其高度为非洲同类大坝之最。作为面板堆石坝，莫哈莱坝抗震性良好。面板的施工充分利用了莱索托山区中的玄武岩。上述两座大坝及其配套的基础设施共为南非提供了流量为27 m3/s的水源。

莱索托高地引水项目(the Lesotho Highlands Water Project)二期建设始于2011年。在此阶段，在森库(Senqu) 河和库贝拉(Khubela)河汇合处的下游建造了波利哈利(Polihali)坝。该坝坝型为混凝土面板堆石坝，与莫哈莱坝坝型相似，坝高、坝顶宽及坝顶长分别为163.5，10 m和 915 m，正常蓄水位高程为2 075 m。同时还建造了一座副坝以及侧槽式溢洪道。水库最大库容有望达到 18.92亿m3。

6 展望

近些年，南非大坝建设节奏明显放缓，更多的是强调对现有水利基础设施的精细化管理和优化运用。政府的重点工作也从新建大坝转移至维护和改善现有的水利基础设施。

研究表明，南非国内目前适合建造大坝的坝址很少，而且建造成本极其昂贵，除非节水和用水管理等其他方案不起作用的情况下才会考虑修建大坝。

南非国内仍有为数不多的几个大型水资源开发项目正在谋划之中，如东开普省的姆西姆夫布水利项目(Mzimvubu water project)，该项目将包括在伊特斯特沙 (Itsitsa)河上建造塔贝兰加(Ntabelanga)坝。此外，处于设计阶段的拟在祖鲁那他省建造的姆科马济水利工程(the Mkomazi water project)中将会建造史密斯菲尔德( Simthfield )坝，该坝的修建将会增大对德班及其周边地区供水的能力。其他可行的项目还包括在北开普省的奥兰治河下游建维吾尔斯德芙特(Vioolsdrift)坝，以及在南非北部大莱塔巴 (Groot Letaba)河上建恩瓦米特(Nwamitwa)坝，以满足日益增长的用水需求。

尽管南非国内水资源有限，但是新一代的大坝建设者们坚信南非的大坝建设将会继续蓬勃发展。

谭峰屹邹瑜译

(编辑：朱晓红)