賈金生 ， 馬 靜 ， 鄭璀瑩 ，2

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；

2.中國(guó)大壩協(xié)會(huì)，北京 100038；3.國(guó)際大壩委員會(huì)，巴黎 75008）

1 儲(chǔ)水設(shè)施建設(shè)與水電發(fā)展迎來(lái)了新的高潮

世界正處在不斷變化中，人口增加、經(jīng)濟(jì)發(fā)展成為刺激資源、能源需求不斷增長(zhǎng)的主要因素。水是基礎(chǔ)性自然資源、戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源和環(huán)境控制性要素。受人口增加、經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和城市化發(fā)展等影響，人類對(duì)水的需求正以每年640億m3的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2030年，全球?qū)⒂?7%的人口居住在用水高度緊張的地區(qū)[1]。與此同時(shí)，由氣候變化導(dǎo)致的包括洪澇、干旱等極端天氣事件的頻繁發(fā)生，加劇了缺水地區(qū)的水資源供需矛盾，加大了水資源開(kāi)發(fā)利用的難度，為減災(zāi)救災(zāi)帶來(lái)了更大的困難。

作為目前人類面臨的最大挑戰(zhàn)之一，全球氣候變化要求人類必須采取應(yīng)對(duì)措施。一方面需要積極推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性調(diào)整，改變化石能源在能源結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)地位，減少溫室氣體排放；另一方面要對(duì)全球氣候變化所帶來(lái)的后果采取防御性措施。加大水的存儲(chǔ)、加強(qiáng)水調(diào)控能力，被認(rèn)為是最核心、最有效的手段。國(guó)際社會(huì)對(duì)水庫(kù)大壩在應(yīng)對(duì)氣候變化方面的重要作用已達(dá)成廣泛共識(shí)。越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)到儲(chǔ)水設(shè)施對(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要作用，認(rèn)識(shí)到缺乏足夠的儲(chǔ)水設(shè)施將降低人類對(duì)各種變化的響應(yīng)能力，從而直接影響千年發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。大力發(fā)展儲(chǔ)水設(shè)施和開(kāi)發(fā)水電的國(guó)際共識(shí)，充分反映了發(fā)展需求是形成當(dāng)前主流共識(shí)的基礎(chǔ)，水庫(kù)大壩的支持者和反對(duì)者能平靜友好地在一起討論全球發(fā)展問(wèn)題，也從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明了這一點(diǎn)。

認(rèn)識(shí)的轉(zhuǎn)變促使水庫(kù)大壩建設(shè)和水電開(kāi)發(fā)迎來(lái)了新的高潮。為應(yīng)對(duì)氣候變化，刺激經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇，許多國(guó)家加大了對(duì)水利和能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入。目前世界上有165個(gè)國(guó)家已明確將繼續(xù)發(fā)展水電，其中110個(gè)國(guó)家的規(guī)劃建設(shè)規(guī)模達(dá)到3.38億kW。發(fā)達(dá)國(guó)家多因已基本完成水電開(kāi)發(fā)任務(wù)，因此將重點(diǎn)投入到對(duì)已建水電站的更新改造、增加水庫(kù)的泄洪設(shè)施提高防洪能力、調(diào)整電站運(yùn)行調(diào)度目標(biāo)實(shí)施生態(tài)保護(hù)和修復(fù)等方面，如北美、歐洲等不少國(guó)家；發(fā)展中國(guó)家多數(shù)制定了規(guī)劃，大約在2025年基本完成水電開(kāi)發(fā)任務(wù)，如亞洲、南美地區(qū)的發(fā)展中國(guó)家等；欠發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，雖然多數(shù)具有豐富的水能資源，也一直致力于發(fā)展水電，但限于資金、技術(shù)等條件，大力開(kāi)發(fā)水電仍然存在很多困難，如非洲的不少國(guó)家等；還有一些政局不穩(wěn)的國(guó)家，雖然急需發(fā)展水電，但限于國(guó)力等條件，推進(jìn)非常緩慢。2008年世界上在建大壩有1 200多座，其中壩高60 m以上的大壩有370余座，主要分布在亞洲、南美等55個(gè)國(guó)家[2]。

2 與其他能源相比水電具有最高的能源回報(bào)率

在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，水庫(kù)大壩充分發(fā)揮了防洪、抗旱、城鄉(xiāng)供水、航運(yùn)、休閑娛樂(lè)以及能源供應(yīng)等方面的功能，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展提供了有力支撐。同時(shí)，多功能的水庫(kù)大壩在水與水能資源利用方面的綜合優(yōu)勢(shì)，在接連發(fā)生的能源危機(jī)、水危機(jī)、食品危機(jī)和氣候變化中得到充分的顯現(xiàn)。

水的存儲(chǔ)就是能源的存儲(chǔ)。水電在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中扮演了重要角色。目前，水電發(fā)電量在全球電力供應(yīng)中占據(jù)20%的份額[3]，是僅次于化石燃料的第二大主導(dǎo)電源 （見(jiàn)圖 1）。

圖1 全球電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)

在各種能源開(kāi)發(fā)方式中，水電具有最高的能源回報(bào)率和最低的溫室氣體排放量。能源回報(bào)率這一概念源于20世紀(jì)70年代的能源危機(jī)。這次能源危機(jī)過(guò)后，各國(guó)都著力調(diào)整其能源結(jié)構(gòu)，對(duì)能源獨(dú)立、改善空氣質(zhì)量以至于后來(lái)的應(yīng)對(duì)氣候變化等問(wèn)題給予了前所未有的關(guān)注[4]。許多國(guó)家開(kāi)發(fā)化石能源的替代產(chǎn)品，但不同種類能源的選擇成為新的問(wèn)題。為鑒別各種能源的特性，引入了能源回報(bào)率這一概念。以一個(gè)火力發(fā)電廠為例，能源回報(bào)率的物理意義是指一個(gè)火力發(fā)電廠在運(yùn)行期內(nèi)發(fā)出的所有電量與它在建設(shè)期、運(yùn)行期為維持其建設(shè)、運(yùn)行所消耗的所有電量的比值，建設(shè)期、運(yùn)行期所消耗的所有電量既包括直接能源消耗，如機(jī)械設(shè)備運(yùn)行、照明耗能等，也包括建筑材料、煤炭等制造、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程的耗能。 懷特 （White） 和庫(kù)辛斯基 （Kulcinski）[5]推薦了一個(gè)簡(jiǎn)單公式用于計(jì)算各種能源的能源回報(bào)率（EPR）， 即

式中，EnL為在電站整個(gè)生命周期內(nèi)的電量總產(chǎn)出；EmatL為電站消耗材料 （如煤）的能源投入；EconL為電站修建的能源投入；EopL為電站運(yùn)行的能源投入；EdecL為運(yùn)行期滿后拆除電站的能源投入。數(shù)值越大代表能源回報(bào)率越高。

根據(jù)加尼翁 （Gagnon）[6]的計(jì)算結(jié)果，各種能源開(kāi)發(fā)方式的能源回報(bào)率見(jiàn)圖2，CO2排放強(qiáng)度見(jiàn)圖3。由圖2、圖3可知，水電的能源回報(bào)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他能源，而且是溫室氣體排放量極小的能源。

圖2 各種能源的能源回報(bào)率計(jì)算結(jié)果

3 水庫(kù)大壩、水電開(kāi)發(fā)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系密切

一個(gè)國(guó)家擁有的人均水庫(kù)庫(kù)容、人均水電發(fā)電量與國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著密切關(guān)系。研究人均庫(kù)容指標(biāo)、人均發(fā)電量指標(biāo)與人類發(fā)展指數(shù) （HDI，Human Development Index），可以比較清楚地說(shuō)明水庫(kù)大壩建設(shè)、水電發(fā)展與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的關(guān)系。人類發(fā)展指數(shù)由GDP人均指標(biāo)以及反映生活質(zhì)量的健康和教育三項(xiàng)要素加權(quán)平均計(jì)算，作為衡量聯(lián)合國(guó)各成員國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的綜合指標(biāo)。該指標(biāo)避免了以單一人均GDP作為衡量人類發(fā)展指標(biāo)的缺陷。人類發(fā)展指數(shù)為一個(gè)介于0和1之間的數(shù)，數(shù)值越接近于1表示人類發(fā)展水平越高。HDI大于0.9的國(guó)家多為發(fā)達(dá)國(guó)家，如澳大利亞 （0.970）、美國(guó) （0.956）、 英國(guó) （0.947）； HDI介于 0.8～0.9 的國(guó)家多為較發(fā)達(dá)國(guó)家，如阿根廷 （0.866）、俄羅斯（0.817）、 巴西 （0.813）； HDI介于 0.5～0.8 的國(guó)家多為亞洲、非洲、拉丁美洲的發(fā)展中國(guó)家，如中國(guó)（0.772）、 埃及 （0.703）、 印度 （0.612）； HDI小于0.5的國(guó)家多為亞洲、非洲的欠發(fā)達(dá)國(guó)家，如盧旺達(dá)（0.46）、 布基納法索 （0.389）、 阿富汗 （0.352） 等。

圖3 各種能源的溫室氣體排放強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

按照這一觀點(diǎn)分析全球100余個(gè)國(guó)家2007年的人類發(fā)展指數(shù)與水庫(kù)大壩、水電發(fā)展[2，7]的相關(guān)關(guān)系（見(jiàn)圖4、圖5），結(jié)果表明，在保障水安全和能源安全以及應(yīng)對(duì)各種變化的儲(chǔ)水設(shè)施建設(shè)方面，發(fā)達(dá)國(guó)家已有良好的基礎(chǔ)，而發(fā)展中國(guó)家依然任務(wù)艱巨。針對(duì)某個(gè)國(guó)家，盡管也有例外，如以色列HDI為0.935，人均庫(kù)容僅為27 m3，贊比亞HDI為0.481，人均庫(kù)容為1 072 m3，但總體來(lái)講，一個(gè)國(guó)家或地區(qū)水庫(kù)大壩發(fā)展水平與國(guó)家人類發(fā)展水平呈較強(qiáng)的正相關(guān)。聯(lián)合國(guó)人類發(fā)展報(bào)告[8]也指出， “全球水基礎(chǔ)設(shè)施的分布與全球水風(fēng)險(xiǎn)的分布呈反比關(guān)系”。

由于響應(yīng)程度不同，氣候變化對(duì)處于不同發(fā)展階段的國(guó)家產(chǎn)生的影響及后果也不同。布萊爾報(bào)告[9]指出， “那些在造成氣候變化上責(zé)任最小的群體，即貧困和脆弱人群，所遭受的負(fù)面影響卻是最大的?！蓖瑯?，那些過(guò)去沒(méi)有，現(xiàn)在和將來(lái)也不會(huì)顯著增加溫室氣體排放的貧困國(guó)家或最不發(fā)達(dá)國(guó)家卻要承擔(dān)氣候變化的成本，他們也最容易受到氣候變化的影響，他們的適應(yīng)能力也是最為脆弱的。因此，處于不同發(fā)展階段的國(guó)家，在儲(chǔ)水設(shè)施建設(shè)方面的目標(biāo)、重點(diǎn)以及所關(guān)注的問(wèn)題也不同。對(duì)于欠發(fā)達(dá)國(guó)家而言，全球氣候變化帶來(lái)的后果往往是災(zāi)難性的，由于缺乏足夠的調(diào)蓄能力，氣候變化導(dǎo)致的極端天氣事件使災(zāi)害頻繁發(fā)生，受災(zāi)程度加重。儲(chǔ)水設(shè)施建設(shè)對(duì)這些國(guó)家是一個(gè)事關(guān)生存、擺脫貧困的問(wèn)題，正如世界水電宣言（非洲）[10]所闡述的那樣，在欠發(fā)達(dá)的非洲國(guó)家，水與電力是救命的物品，這些國(guó)家對(duì)能源和水的需求非常急迫，在蓄水和發(fā)電的雙重效益下，多功能水庫(kù)大壩對(duì)促進(jìn)水安全供應(yīng)起著關(guān)鍵性作用，同時(shí)水庫(kù)大壩可以大大緩解極端天氣事件對(duì)非洲造成的影響。因此，水與水能資源開(kāi)發(fā)對(duì)發(fā)展中國(guó)家尤其是非洲國(guó)家有著特殊意義，是最急迫的改善民生的任務(wù)之一。

圖4 人均庫(kù)容與人類發(fā)展指數(shù)的關(guān)系

圖5 人均水電發(fā)電量與人類發(fā)展指數(shù)的關(guān)系

4 大壩的安全與長(zhǎng)效運(yùn)行是事關(guān)大壩建設(shè)和水電發(fā)展的核心問(wèn)題

對(duì)人口占世界大多數(shù)的發(fā)展中國(guó)家和不發(fā)達(dá)國(guó)家，推進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善貧困是主要任務(wù)。人類在可持續(xù)發(fā)展的許多領(lǐng)域仍受到供水、食品和能源供應(yīng)短缺的困擾和威脅，目前全世界有20億人口得不到現(xiàn)代能源供應(yīng)，有11億人口得不到安全的飲用水，有24億人口缺乏健康衛(wèi)生設(shè)施，每年受自然災(zāi)害影響的人口多達(dá)2.11億[11]。因此，一方面需要建設(shè)更多的水庫(kù)大壩，另一方面要保持已建、新建水庫(kù)大壩的安全和長(zhǎng)效運(yùn)行，對(duì)此，需要從戰(zhàn)略高度加以認(rèn)識(shí)和研究。

雖然隨著科技發(fā)展和認(rèn)識(shí)的提高，壩工技術(shù)不斷進(jìn)步，很多關(guān)于大壩建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)、修補(bǔ)加固的技術(shù)難題能夠得到很好的解決，但我們?nèi)匀幻媾R很多挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。2009年8月17日，俄羅斯薩揚(yáng)·舒申斯克水電站發(fā)生重大事故，造成76人死亡，引起了國(guó)際上的廣泛關(guān)注，根據(jù)俄羅斯方面的調(diào)查報(bào)告，事故是由于一個(gè)水輪機(jī)罩的螺栓發(fā)生疲勞破壞斷裂而引起的。事實(shí)上，很多大壩的安全事故都像薩楊·舒申斯克水電站事故一樣，是由于日常維護(hù)和監(jiān)控不當(dāng)引起的。這些大壩安全事故必將對(duì)水利水電行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)巨大的影響。公眾對(duì)大壩安全的重視程度越來(lái)越高，這也提醒水利水電工程師們，保障大壩的長(zhǎng)效安全性才能使得整個(gè)行業(yè)獲得可持續(xù)的發(fā)展。

要保障水庫(kù)大壩的長(zhǎng)效安全性，主要需考慮以下幾個(gè)方面：

（1）設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)人員都應(yīng)該提高安全意識(shí)，認(rèn)識(shí)到水庫(kù)大壩安全不僅僅是技術(shù)問(wèn)題，也是社會(huì)問(wèn)題；水利水電工程師不僅要承擔(dān)技術(shù)責(zé)任，還要承擔(dān)社會(huì)責(zé)任。

（2）在工程的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)的各個(gè)階段，都要認(rèn)識(shí)到水庫(kù)大壩的使用年限可能會(huì)達(dá)到50年或100年甚至更長(zhǎng)，應(yīng)該采用具有足夠耐久性或者老化破損后便于更換的材料或部件；同時(shí)，還要考慮長(zhǎng)期運(yùn)行后水庫(kù)大壩可能出現(xiàn)的病害和安全隱患，采取相應(yīng)的處理措施，以便制定合理的后期加固工程方案并順利實(shí)施，保障水庫(kù)大壩的安全。

（3）大壩壩體本身和其他部位、構(gòu)件的使用年限可能不一樣。對(duì)于一座精心設(shè)計(jì)、精心施工和精心維護(hù)管理的水庫(kù)大壩，其本身的使用年限一般超過(guò)100年；然而，閘門、啟閉設(shè)備等水力機(jī)械構(gòu)件每30～50年就需更換，壓力鋼管的使用年限一般為40～60年。對(duì)老化構(gòu)件的及時(shí)維護(hù)和更換是保障整個(gè)水庫(kù)大壩工程安全的重要措施。

（4）在大壩運(yùn)行階段，需結(jié)合大壩的實(shí)際觀測(cè)資料，考慮所有對(duì)大壩運(yùn)行性態(tài)有影響的因素，定期對(duì)大壩的長(zhǎng)效安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為制定大壩的加固方案提供參考。

（5）保障水庫(kù)大壩的長(zhǎng)效安全性是長(zhǎng)期、不間斷的任務(wù)，在這個(gè)過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生難以預(yù)料的事情，應(yīng)針對(duì)每座水庫(kù)大壩工程的特點(diǎn)制定應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)急預(yù)案需要把所有與大壩安全相關(guān)的因素考慮在內(nèi)。對(duì)政策改變、經(jīng)濟(jì)危機(jī)或者重大自然災(zāi)害等因素作用下，水庫(kù)大壩以及下游人們的安全如何保障，也是應(yīng)急預(yù)案制定過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水庫(kù)大壩建設(shè)已經(jīng)不僅僅是單純的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。為了消除誤解，確保水庫(kù)大壩建設(shè)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展，保證水庫(kù)大壩的長(zhǎng)效安全性是最基本也是最為關(guān)鍵的。

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［2］ Editorial Board.Word Atlas&Industry Guide 2008［M］.London:The International Journal on Hydropower and Dams,2008.

［3］ EIA.Energy Information Administration international statistics database［DB/OL］.EIA,2008.http://www.eia.doe.gov/.

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