水电专家何学民谈密西西比河的防洪-系统综合治理

水电专家何学民谈密西西比河的防洪-系统综合治理
1879年，美国国会成立了密西西比河委员会，以"协调密西西比河治理工作的规划和工程建设"。在它的领导下，人们对整个密西西比河及其支流进行了详细的调查研究。人们发现，惟一的治理方法是把整个水系视为一体，全面考虑。因为任何一条主要支流的泛滥都会突然破坏整个水系的正常平衡。1927年发生的特大洪水，前后涉及7个州6万多平方公里的土地，财产损失达10亿美元(当时价值)，翌年国会通过了防洪法案，密西西比河委员会成了负责河道治理的陆军工程兵的咨询和顾问机构，1929年提出对密西西比河综合治理的规划方案。几十年来，美国一直是按照这一规划逐步进行建设的。

从1930年到1980年，美国政府先后投资85亿美元用于密西西比河的综合治理。在防洪方面采取了筑堤、护岸和河道整治，有选择地开辟分洪道和实施裁弯取直，适当利用支流水库拦洪等多种措施，特别是无工程防洪是密西西比河防洪方面的一个创新：对大、中、小城市及不同地区合理地确定不同的防洪标准，对低于标准的地区通过多级保险及国家救助来分散洪灾风险。这是一笔合算的经济账，同时又是保护和维持持续发展所必需的。现在密西西比河右岸干堤，上自密苏里州的孚腊多角，下至墨西哥湾；左岸干堤，上起伊利诺伊州的凯罗，哥湾，并与支流堤防连成一片。为了分泄超量洪水，减轻堤防负担，还修NT多处分洪工程，保护了凯罗、巴吞鲁日、新奥尔良等城市不受洪水威胁。如今密西西比河上游的设防洪水比历史上最大的1927年实测洪水约大25％，相当于100-500年一遇。密西西比河下游的航运始于1705年。这是一条美国中部内陆平原物资出海的骨干航道。通过100多年来的整治，现在，分布在干、支流的157个船闸、16处航道裁弯取直工程及数千里的防洪干堤、混凝土块沉排护岸，将这条"老人河"渠化成丁四通八达的航道网：南通墨西哥湾，北接五大湖，东连大西洋，西达墨西哥边境。加上水系内的航道、船闸以及船舶等均采用统一的标准，各航道彼此沟通，不受限制，使密西西比河干支流与江湖河海一统相连，成为世界上最大的内陆水道网。其中经济开发最早的俄亥俄河地区，从1911年到1940年，在俄亥俄河上建成了46级活动船闸。从1954年开始，又将原有的46级改为19级，每级有两座船闸，使全线航道达到2。74米的航深。到1981年，货运量已达到1．95亿吨，还计划到2020年，将航深提高到3．65米，并将开辟连接五大湖的新水道。继俄亥俄河之后，田纳西河、阿肯色河都相继渠化。密西西比河的第一大支流密苏里河开发较迟。1944年国会通过了密苏里河流域整治工程计划，对密苏里河上游进行系统治理。这一计划于同年开始实施。计划于1980年以前兴建103座水坝和水库，灌溉160万公顷的农田，并且每年发电130千瓦时和改善密苏里河下游的航运。到20世纪六十年代，美国陆军工程兵及垦拓局已陆续完成了35座水坝的建设。其中在密苏里河干流上建成佩克堡、加里森、奥阿希、大本德、兰多尔堡、加文斯波因特等6座水库。沿密苏里河及其支流建造的现代化船闸水坝，形成了密苏里河阶梯式的水利工程，"一步一步走下去"达3200公里，使密苏里河变成了优良的内河航道，分担着美国中西部地区繁忙的运输任务。如今的密苏里河流域集航运、防洪、灌溉、发电等多方位、多功能于一体，在美国经济生活中发挥着重要的作用。密西西比河千支流主要通航里程达19875公里，其中水深在2.7米以上，可通过千吨级船队的航道为9700公里，整个密西西比河已成为世界上内河航运最发达的水系了。
水电开发到底应该怎么开发，很多人都知道是“梯级开发”，然而光用四个大字来指导我们的水电开发，虽说完全正确，但总是让人感到太概念化，太笼统。我们需要更为细化的水电开发战略。作为美国水电开发的经典，哥伦比亚流域的水电开发有很多的特点，由于笔者学识有限，现简单总结如下，不当之处还请有关专家多多指正。

（1）美国水电站在开发过程中特别重视调节性水库与径流式水库的协调问题，实践证明，这是非常有远见的。

哥伦比亚河流及其支流所修建的水坝被美国人分为两种类型，一种是蓄水型（STORAGE），也称具有调节能力的，另一种叫作径流式（RUN—OF—RIVER）。蓄水型的水坝，目的是对水流进行调节，使其下泄水流贴近用电、用水需求，同时提供洪水控制。其具体原理就是雨水和雪水融化以后被蓄积在水库里，在需要的时候再放流下泄。通常的情况下，蓄水型水坝是将夏季的水蓄积起来到冬季使用，并在来年的汛期到来前，将水库腾空。但蓄水型水库最大的问题是会影响鱼类的生存，因此，往往就需要通过泄水建筑物（如溢流坝、泄水洞，但不包括引水发电建筑物）放一些水，帮助鱼类“通过水坝”游向大海。值得一提的是，在欧洲，按照水库的蓄水特性，可以分为径流式、塘坝式和蓄水型三种模式。所谓塘坝式是指具有一定蓄水能力但比蓄水型水库蓄水量小的水库。

修建蓄水型水坝的优越点是可以提供防洪和枯水期发电功能。在汛期将水蓄满，然后在平水和枯水期，将水慢慢下泄，这样一来下游的一系列水电站都可以发电。因此，蓄水型水坝的调度一天之内，甚至一月之内变化都比较大。美国人认为，一座蓄满水的水库和一座接近死水位的水库，二者的特性变化很大，调度方式也完全不同，因此，蓄水是河流系统综合利用的关键。在哥伦比亚河流蓄积的水量中，总蓄水量是5500万ACRE—FOOT。其中4200万ACRE—FOOT的水量是通过协调调度获得，这仅代表了达拉斯水坝30%的年径流量。与之相比，密苏里河的蓄水量是全年径流量的2到3倍。因此，哥伦比亚河流的特点非常鲜明：年降雨量远远超过蓄水量，哥伦比亚河流水电开发对洪水的控制能力远远不及科罗拉多河和密苏里河。正是因为这样，所以哥伦比亚河的流动更加接近河流的自然形态。

径流式水坝蓄水能力有限，主要是用来航运和发电，一方面是为发电提供一定的水头，另一方面是为航运提供一定的水深。流进多少水量，几乎就马上下放多少水量，非常贴近河流的实际情况。在正常运行中，径流式水电站的水位变化往往只有3——5英尺。

从以上的分析可以看出，美国哥伦比亚河流水电开发并非是座座水电站都是高坝大库，相反是非常重视整个流域的规划和布局，通过科学合理的配置，实现整个流域水电发电量的最佳。此外值得一提的是，美国流域水电规划是相当细致的，即便是支流的支流，只要平均流量大于每秒两立方米的溪流，都要进行考虑。而在我国，能够在水电规划中作到这么细致是非常少的。

（2）美国哥伦比亚河流域梯级水电开发，非常重视科学合理及前瞻性，在电站规模、水坝高度等方面都经过精心设计，特别是他们在哥伦比亚的每条主要支流上都修建了库容较大的龙头水库，而在龙头水库下游则修建的是径流式水电站，这种“一拖多”和“树枝树叶”法有效地避免了枯水期水电出力不足的问题。同时也正是下游都修建径流式水电站，才使得哥伦比亚河流域的水电站能够在美国环保呼声日益高涨的今天继续运行。

我们可以看出，在美国境内的哥伦比亚的河流上，首先修建的就是具有较大蓄水能力的大古力水电站，在大古力以下的干流上，赤约斯水电站、麦克乃瑞水电站、约翰戴水电站、达拉斯水电站、邦德威尔水电站都是径流式水电站。

而在哥伦比亚河的主要支流——庞多瑞河上，美国修建了蓄水型的奥贝尼水电站；在FLEATHED 河上，修建了蓄水型的汉格瑞豪斯水电站；在库特内河流上，修建了蓄水型的力比水电站；在蛇河上游，修建了龙头电站——蓄水型的德挝莎水电站，德挝莎下游则全是径流式水电站，如罗哥瑞乃水电站、力特古斯水电站、罗玛门特水电站、爱斯哈宝水电站。

正是由于把兴建龙头水库作为哥伦比亚流域水电梯级开发的战略，所以才实现了西北水电资源的科学优化配置，在同样的径流量的河流上，美国同样的水电装机，其发电量是我们国家的水电年发电量的1.2到1.8倍，美国水电在枯水期的发电量也比中国多发110%以上。由于我们国家的水电规划太粗，随意性太大，而且不科学，所以尽管四川建设了很多径流式电站，但这些径流式电站缺少配套的龙头水库，所以在冬天因为无水可发都成了“冬眠电站”

坦率地说，中美在很多问题处理上基本理念都不一样。比如说，美国水电专家认为，同样是蓄水，把水蓄在河流的上游比蓄在下游更有价值。而我们是认为把水蓄在中下游比较安全（如三峡、三门峡）。此外，梯级开发也并非是修建龙头水库那么简单，在美国，我还看到垦务局《工程师设计手册》上面对于水电规划布局的基本招式——如何部署蓄水型水坝和径流式水坝都有非常高超的见解，如平行河流水电怎么布局；一条河流流量大，一条河流流量小怎么布局；一条河流坡度小，一条河流坡度大，又怎么布局，很多见解都非常精辟。目前，在我国，只有四川南桠河梯级水电开发，是四川省电力工业局及成勘院在借鉴国外经验的基础上，严格按照龙头水库“一拖六”梯级模式进行开发的。龙头水库冶勒水电站位于最上游，库容为2.98亿立方米，装机容量24万千瓦，下游分别为栗子坪（12万千瓦），姚河坝（13.2万千瓦），南瓜桥（12万千瓦），洗马姑（2万千瓦），大渡河边（6万千瓦）。由于采取“一拖六”模式，可以使下游5座电站在原有装机的基础上，增加保证出力15.2万千瓦，增发电量6.66亿千瓦时。所谓“树枝树叶”法，是指在每条支流上游也修建龙头水库，从而实现全流域“分而治之”的战略。
“水电资源丰富，绝对不是可以随便浪费和滥开滥采的理由。”

麻省理工学院博士的话语一直在我耳边回荡。为此，让我们走进哥伦比亚流域的龙头水电站——大古力水电站，对美国水电进行更深刻的探寻。