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Issues Past Issues MCS 1998 Issue 2 三峡大坝工程的淤积问题
Issues Past Issues MCS 1998 Issue 2 三峡大坝工程的淤积问题
三峡大坝工程的淤积问题
1. 三峡水库选择的运行方式在世界上缺少可行性经验
2. 三峡工程设计中的排淤方法不可靠
3. 三峡工程设计中忽视了水库对下游河网系统的损害
【注释】
2. 三峡工程设计中的排淤方法不可靠
3. 三峡工程设计中忽视了水库对下游河网系统的损害
【注释】
1. 三峡水库选择的运行方式在世界上缺少可行性经验
根据三峡水库工程目前的设计，该水库的修建和运行将以尚未经过各国实践检验过的依据为基础，特别是设计该大坝的一些依据也从未在规模如此之大的大坝上得到过检验。三峡工程在水库内控制淤积的计划明显面临着许多不确定因素。中国兴建的各种水库大约有83,000座，其中大型水库有330座，在这些大型水库中，有230座现在就有严重的淤积问题，使这些水库的总库容减少了14％，其中有些水库的库容量甚至已经损失了一半以上。[1]
三峡水库的预定操作程序是，在洪水季节(5月至9月)，水库的水位将被控制在低水平，这个水位被称为“洪水控制水位(FCL)”，在此期间的入库水量将用于发电；洪水季节过后，入库水量减小，水流所带的沉积物也较少，这时入库水量将被蓄积起来，而水库的水位将上升到正常水位(NDL)。三峡水库的设计假定，水流中的沉积物将先在水库内积淀下来、并在库底形成一个均匀的坡度，这一坡度会恰好让以后每年的沉积物自然地运移出水库。据设计者的估计，依水库的洪水控制水位(FCL)的不同，这一坡度将在大坝建成之后的70至150年之间形成。现在全世界大约只有17座水库是采用此类方式运行的，其中7座在中国，1座在美国。[2] 这类水库绝大多数是小型水库，只有一座是大型水库，即中国的三门峡水库(编者注: 该水库早已因严重淤积而基本报废)，但它的库容量仅及三峡水库库容量的18％，规模远远小于三峡水库。因此可以说，世界各国很少有采用此类洪水调节方式来管理水库的经验。
基于这样的不确定性，可以得出以下结论，即支持三峡工程的人对三峡工程预期经济收益所作的至关重要的经济预测，可能是错误的，因而在这个项目上的投资也可能是不明智的。其错误有几个来源，如低估疏浚成本及迁置库区移民的成本，高估通过控制洪水而得到的效益等等。本文只讨论水库的淤积问题。
2. 三峡工程设计中的排淤方法不可靠
目前，支持三峡工程的人是通过数学模型和物理模拟来预测大坝建成后的100年内不同时段的沉积状况，而这些模型和模拟却建立在很多并不可靠的假设之上。由于预测和实际操作之间的任何偏差，都将带来巨大的经济、环境以及人文方面的严重后果，因此有必要指出工程当局的预测中可能的最重要的错误。
美国最大的水坝建设工程当中，如Hoover, Gen Canyon, Bonneville, Fort Peck, Tennessee Valley等，都未采用三峡工程所选择的沉积冲刷或冲洗方案，美国的经验可以直接为三峡工程将来的不确定性提供一些经验教训。或许可以说，从直接经验中得出的最重要的教训就是，预测的沉积情形和建库后五十年内的实际情形往往相差甚远，而建库一百年之后的沉积情况则是根本无法预测的。
这首先是因为设计者未必真能预测水库中泥沙的沉积速率，即使有可靠的沉积物流入水库的记录，这些沉积物在水库中的沉淀率也常常很难预测。Murty曾发现，印度的大部份多功能水库库容的“年淤积损失量是建设时期假设数字的145％至875％”[3]。而加拿大扬子联合企业对三峡大坝淤积过程的估算是，只有当流入水库的沉积物中有90％至95％被冲带出水库时，流入和冲出水库的沉积物才能达成平衡，而这大约需要100年的时间；至于想根据一百年以后大致情况的预测来确认大坝的经济收益，则基本上靠不住。[4]
在三峡大坝水库运行中最关键的问题是水库的实际管理。在每年5月1日至9月30日之间，大量富含沉淀物的水流将从水库中放出，以便避免在水库中的沉积，那么这大量的水力便不能储存于水库内以备冬季之需；更重要的是，携有沉积物的大量流水正是洪水的成因之一。大量沉积物的流入同时也意味着高水量的流入，所以三峡大坝水库设计中的洪水存贮和沉积物排放这两大功能是互相矛盾的。在三峡上游可能出现洪水的情况下，谨慎的措施应该是关闭大坝的全部或部份排水闸，这样，具有潜在威胁的洪水将可以被存在水库中，而得以遏止下游的洪水泛滥；但如果这样做，这些水流带入水库的大量沉积物就都留在库内，无法被冲刷出水库，这种在水库中沉积下来的沉淀物将淤积在河床上，以后单靠流向水闸的水力是不可能排除的。
这种年复一年的发电、控洪蓄水和放水清淤的双重要求，需要一个准确而复杂的逐日流入水量和沉积物含量的测度，以期利用这两者之间微小的时间差将沉积恰好在最大流水量之前或之后排除掉。美国的水坝运作经验表明，很难实现这样精密的管理。其棘手之处在于，沉积物的沉积速率曲线并不显示最大流水量和最大沉积量之间的时间差。在年水文分布上，最大沉积量一般出现于早期或上升期，但在三峡这一速率曲线并不成弧形[5]，因此，依赖于时间差而实现洪水控制和沉积冲刷的双重意图是难以实现的。
另一个麻烦是对于将来90至100年间水库里沉淀物的沉积坡度预测。如果坡度大于预测值，在水库前部河床上的沉积物坡度将远比预测坡度陡，这将导致不可预料的水灾。三峡大坝工程的设计者只是通过计算和模型分析了这一重要问题，并没有仔细分析世界上其他水库的经验。在加拿大扬子联合企业的报告中仅以一页篇幅提及了一个例子－－中国的三门峡水电站，但没有描述沉积坡度，这是很难令人信服的；因为三门峡水库建成两年之后，即1960－1962年，沉积量之大导致水库管理当局不得不完全改变原定的运行方式，“开了新的隧道……一些导水管被改装成了泄洪道。”[6] 由于建库时明显低估了泥沙沉积率，结果仅在建库两年后就不得不采取补救措施。
还有一个可能出现的问题是关于河床载荷的假设，即早晚会在水库前部淤积起来的粗砾和沙石的预计量。加拿大扬子联合企业的报告认为，沉积中的砾石含量非常小，以至于可以“不计入水库沉积量计算中”[7]。可是，这些砾石在水库前部淤积的后果事关重大。该报告提到，如果选择了目前三峡工程预定的洪水控制水位，“为了长江重庆段的通航，每年需要疏浚约200,000立方米在河床上沉淀下来的砾石”。沉积物中的泥沙部份是在水库中大量沉淀下来，而砾石和卵石之类的物体则将先脱离水流、在水库前部地带沉淀下来。砾石沉积可能延伸至上游多远，在多大程度上将令洪水侵犯上游一带的重庆市，并危害航道和航运设施，这将由砾石沉积的坡度决定。很明显，目前三峡工程的计划是，理想的河床条件要100年后才能形成，在此之前，必须通过疏浚把流入的砾石挖走，年复一年，直至长久的将来。如果低估了砾石流入量，那么巨大的疏浚成本就成为严重的经济负担，而原来的效益－成本份析就完全站不住脚了。
3. 三峡工程设计中忽视了水库对下游河网系统的损害
加拿大扬子联合企业的报告也未重视水库中积存的沉积物对下游河道的影响。报告以为，在经过100年时间、形成河流沉积物的动态均衡之前，可以把沉积物含量低的水流排放掉，那样“在葛洲坝之下和扬子江中下游的冲积河段水位将较低”[8]。但该报告又说，“水位降低一些或许是有益的”。美国有关大坝下游清水水位降低的经验教训很难支持这种乐观的看法。在Hoover大坝下游的科罗拉多河上，水位降低了大约35英尺。Fort Peck大坝之下的密苏里河段，就出现了严重的堤岸剥蚀。在一百年中持续地排放沉积物含量低的江水，对下游河道肯定有重大影响。如果水位下降很大，分流系统可能会被破坏；如果堤岸剥蚀严重，对控制下游河段洪水至关重要的长江两岸四处遍布的河堤将岌岌可危。
在三峡下游的冲积平原上，数百万人口都依赖于分流系统提供灌溉用水，也指望大规模修筑的河堤系统约束洪水。这个冲积平原上河道的形态和稳定，取决于千百年来河流中泥沙沉积量和流水量的组合。如果在连续的几十年里，从三峡注入这些河道的水流每年都有部份时间是清水，那么河道必定会有所反应。[9] 很多国家的经验表明，这样的反应就是河床和河道的剥蚀。三峡以下的长江水流量减少，还会使分流系统和引水渠高于长江河面，从而需要修建新的水利设施以解决灌溉问题。由于堤岸剥蚀将削弱防洪堤的功能，因此也需要加强河堤的修复工作。
加拿大扬子联合企业的报告还认为，沉积物对坝中排水管道的作用甚微，只提到沉积物会与导水管和涡轮发生摩擦。但美国的经验表明，大量的水流通过隧道、管道及导水渠排放出去，会导致严重的气穴现象，由于局部低气压，岩块和混凝土会从排水管道壁上脱落，这在排水管道的入口处尤为严重。这就造成了维修上的难题，同时还必须作出决策，减少长期的大量高速水流的排放。这一潜在问题应当引起三峡工程当局更多的注意。
【编者注】本文是作者1996年呈交给美国进出口银行的关于三峡工程报告的一部份，当时，美国进出口银行正考虑是否为那些竞价签约为三峡工程提供设备或参与援建的美国企业提供资助和贷款保证。该文的中文译校中如有不当之处，由本刊编辑部负责。
【注释】
[1] Hu Chunhong，"Controlling Reservoir Sedimentation in China，" Hudropower and Dams}，March (1995)，Pp.50-52.
[2] Morris，G.L. and Rao P.R.，1991，Workshop of Management of Reservoir Sedimentation.
[3] Murty，K.S.，1989，"Soil Erosion in India，" in River Sendimentation，Vol.1，International Research and Train Center on Erosion，Beijing.
[4] 加拿大扬子联合企业(CYJV)关于三峡大坝工程的可行性报告，是由加拿大国际发展署资助，由四家加拿大工程公司(Hydro Quebec, SNC-Lavalin, Actes Internation，BC Hydro)完成的，耗资一千四百万加元。这一报告得出了125米高的大坝是可行的结论，但目前受到广泛的怀疑。尽管中国正在修建185米高的大坝，但在中国方面却没有广泛展开有关淤积问题的详细研究。对加拿大扬子联合企业(CYJV)关于三峡大坝工程可行性报告的批评，可参见Margret Barber & Grainne Ryder所着的《三峡筑坝：大坝建设者们，不想让你们知道的》(第二版，多伦多，Earthcar Canada, 1993)。
[5] 见加拿大扬子联合企业(CYJV)关于三峡大坝工程的可行性报告，第5卷，第5-16、5-18、5-19节。
[6] 同上，第5卷，第7-20节。
[7] 同上，第5卷，第1-2节。
[8] 同上，第5卷，第1-10节。
[9] China Yangtze Three Gorges Development Corporation(中国三峡工程建设总公司)，Environmental Impact Statement for the Yangtze Three Gorges Project，A Brief Edition(《长江三峡工程对环境的影响评估(摘要)》)，北京:科学出版社。
根据三峡水库工程目前的设计，该水库的修建和运行将以尚未经过各国实践检验过的依据为基础，特别是设计该大坝的一些依据也从未在规模如此之大的大坝上得到过检验。三峡工程在水库内控制淤积的计划明显面临着许多不确定因素。中国兴建的各种水库大约有83,000座，其中大型水库有330座，在这些大型水库中，有230座现在就有严重的淤积问题，使这些水库的总库容减少了14％，其中有些水库的库容量甚至已经损失了一半以上。[1]
三峡水库的预定操作程序是，在洪水季节(5月至9月)，水库的水位将被控制在低水平，这个水位被称为“洪水控制水位(FCL)”，在此期间的入库水量将用于发电；洪水季节过后，入库水量减小，水流所带的沉积物也较少，这时入库水量将被蓄积起来，而水库的水位将上升到正常水位(NDL)。三峡水库的设计假定，水流中的沉积物将先在水库内积淀下来、并在库底形成一个均匀的坡度，这一坡度会恰好让以后每年的沉积物自然地运移出水库。据设计者的估计，依水库的洪水控制水位(FCL)的不同，这一坡度将在大坝建成之后的70至150年之间形成。现在全世界大约只有17座水库是采用此类方式运行的，其中7座在中国，1座在美国。[2] 这类水库绝大多数是小型水库，只有一座是大型水库，即中国的三门峡水库(编者注: 该水库早已因严重淤积而基本报废)，但它的库容量仅及三峡水库库容量的18％，规模远远小于三峡水库。因此可以说，世界各国很少有采用此类洪水调节方式来管理水库的经验。
基于这样的不确定性，可以得出以下结论，即支持三峡工程的人对三峡工程预期经济收益所作的至关重要的经济预测，可能是错误的，因而在这个项目上的投资也可能是不明智的。其错误有几个来源，如低估疏浚成本及迁置库区移民的成本，高估通过控制洪水而得到的效益等等。本文只讨论水库的淤积问题。
2. 三峡工程设计中的排淤方法不可靠
目前，支持三峡工程的人是通过数学模型和物理模拟来预测大坝建成后的100年内不同时段的沉积状况，而这些模型和模拟却建立在很多并不可靠的假设之上。由于预测和实际操作之间的任何偏差，都将带来巨大的经济、环境以及人文方面的严重后果，因此有必要指出工程当局的预测中可能的最重要的错误。
美国最大的水坝建设工程当中，如Hoover, Gen Canyon, Bonneville, Fort Peck, Tennessee Valley等，都未采用三峡工程所选择的沉积冲刷或冲洗方案，美国的经验可以直接为三峡工程将来的不确定性提供一些经验教训。或许可以说，从直接经验中得出的最重要的教训就是，预测的沉积情形和建库后五十年内的实际情形往往相差甚远，而建库一百年之后的沉积情况则是根本无法预测的。
这首先是因为设计者未必真能预测水库中泥沙的沉积速率，即使有可靠的沉积物流入水库的记录，这些沉积物在水库中的沉淀率也常常很难预测。Murty曾发现，印度的大部份多功能水库库容的“年淤积损失量是建设时期假设数字的145％至875％”[3]。而加拿大扬子联合企业对三峡大坝淤积过程的估算是，只有当流入水库的沉积物中有90％至95％被冲带出水库时，流入和冲出水库的沉积物才能达成平衡，而这大约需要100年的时间；至于想根据一百年以后大致情况的预测来确认大坝的经济收益，则基本上靠不住。[4]
在三峡大坝水库运行中最关键的问题是水库的实际管理。在每年5月1日至9月30日之间，大量富含沉淀物的水流将从水库中放出，以便避免在水库中的沉积，那么这大量的水力便不能储存于水库内以备冬季之需；更重要的是，携有沉积物的大量流水正是洪水的成因之一。大量沉积物的流入同时也意味着高水量的流入，所以三峡大坝水库设计中的洪水存贮和沉积物排放这两大功能是互相矛盾的。在三峡上游可能出现洪水的情况下，谨慎的措施应该是关闭大坝的全部或部份排水闸，这样，具有潜在威胁的洪水将可以被存在水库中，而得以遏止下游的洪水泛滥；但如果这样做，这些水流带入水库的大量沉积物就都留在库内，无法被冲刷出水库，这种在水库中沉积下来的沉淀物将淤积在河床上，以后单靠流向水闸的水力是不可能排除的。
这种年复一年的发电、控洪蓄水和放水清淤的双重要求，需要一个准确而复杂的逐日流入水量和沉积物含量的测度，以期利用这两者之间微小的时间差将沉积恰好在最大流水量之前或之后排除掉。美国的水坝运作经验表明，很难实现这样精密的管理。其棘手之处在于，沉积物的沉积速率曲线并不显示最大流水量和最大沉积量之间的时间差。在年水文分布上，最大沉积量一般出现于早期或上升期，但在三峡这一速率曲线并不成弧形[5]，因此，依赖于时间差而实现洪水控制和沉积冲刷的双重意图是难以实现的。
另一个麻烦是对于将来90至100年间水库里沉淀物的沉积坡度预测。如果坡度大于预测值，在水库前部河床上的沉积物坡度将远比预测坡度陡，这将导致不可预料的水灾。三峡大坝工程的设计者只是通过计算和模型分析了这一重要问题，并没有仔细分析世界上其他水库的经验。在加拿大扬子联合企业的报告中仅以一页篇幅提及了一个例子－－中国的三门峡水电站，但没有描述沉积坡度，这是很难令人信服的；因为三门峡水库建成两年之后，即1960－1962年，沉积量之大导致水库管理当局不得不完全改变原定的运行方式，“开了新的隧道……一些导水管被改装成了泄洪道。”[6] 由于建库时明显低估了泥沙沉积率，结果仅在建库两年后就不得不采取补救措施。
还有一个可能出现的问题是关于河床载荷的假设，即早晚会在水库前部淤积起来的粗砾和沙石的预计量。加拿大扬子联合企业的报告认为，沉积中的砾石含量非常小，以至于可以“不计入水库沉积量计算中”[7]。可是，这些砾石在水库前部淤积的后果事关重大。该报告提到，如果选择了目前三峡工程预定的洪水控制水位，“为了长江重庆段的通航，每年需要疏浚约200,000立方米在河床上沉淀下来的砾石”。沉积物中的泥沙部份是在水库中大量沉淀下来，而砾石和卵石之类的物体则将先脱离水流、在水库前部地带沉淀下来。砾石沉积可能延伸至上游多远，在多大程度上将令洪水侵犯上游一带的重庆市，并危害航道和航运设施，这将由砾石沉积的坡度决定。很明显，目前三峡工程的计划是，理想的河床条件要100年后才能形成，在此之前，必须通过疏浚把流入的砾石挖走，年复一年，直至长久的将来。如果低估了砾石流入量，那么巨大的疏浚成本就成为严重的经济负担，而原来的效益－成本份析就完全站不住脚了。
3. 三峡工程设计中忽视了水库对下游河网系统的损害
加拿大扬子联合企业的报告也未重视水库中积存的沉积物对下游河道的影响。报告以为，在经过100年时间、形成河流沉积物的动态均衡之前，可以把沉积物含量低的水流排放掉，那样“在葛洲坝之下和扬子江中下游的冲积河段水位将较低”[8]。但该报告又说，“水位降低一些或许是有益的”。美国有关大坝下游清水水位降低的经验教训很难支持这种乐观的看法。在Hoover大坝下游的科罗拉多河上，水位降低了大约35英尺。Fort Peck大坝之下的密苏里河段，就出现了严重的堤岸剥蚀。在一百年中持续地排放沉积物含量低的江水，对下游河道肯定有重大影响。如果水位下降很大，分流系统可能会被破坏；如果堤岸剥蚀严重，对控制下游河段洪水至关重要的长江两岸四处遍布的河堤将岌岌可危。
在三峡下游的冲积平原上，数百万人口都依赖于分流系统提供灌溉用水，也指望大规模修筑的河堤系统约束洪水。这个冲积平原上河道的形态和稳定，取决于千百年来河流中泥沙沉积量和流水量的组合。如果在连续的几十年里，从三峡注入这些河道的水流每年都有部份时间是清水，那么河道必定会有所反应。[9] 很多国家的经验表明，这样的反应就是河床和河道的剥蚀。三峡以下的长江水流量减少，还会使分流系统和引水渠高于长江河面，从而需要修建新的水利设施以解决灌溉问题。由于堤岸剥蚀将削弱防洪堤的功能，因此也需要加强河堤的修复工作。
加拿大扬子联合企业的报告还认为，沉积物对坝中排水管道的作用甚微，只提到沉积物会与导水管和涡轮发生摩擦。但美国的经验表明，大量的水流通过隧道、管道及导水渠排放出去，会导致严重的气穴现象，由于局部低气压，岩块和混凝土会从排水管道壁上脱落，这在排水管道的入口处尤为严重。这就造成了维修上的难题，同时还必须作出决策，减少长期的大量高速水流的排放。这一潜在问题应当引起三峡工程当局更多的注意。
【编者注】本文是作者1996年呈交给美国进出口银行的关于三峡工程报告的一部份，当时，美国进出口银行正考虑是否为那些竞价签约为三峡工程提供设备或参与援建的美国企业提供资助和贷款保证。该文的中文译校中如有不当之处，由本刊编辑部负责。
【注释】
[1] Hu Chunhong，"Controlling Reservoir Sedimentation in China，" Hudropower and Dams}，March (1995)，Pp.50-52.
[2] Morris，G.L. and Rao P.R.，1991，Workshop of Management of Reservoir Sedimentation.
[3] Murty，K.S.，1989，"Soil Erosion in India，" in River Sendimentation，Vol.1，International Research and Train Center on Erosion，Beijing.
[4] 加拿大扬子联合企业(CYJV)关于三峡大坝工程的可行性报告，是由加拿大国际发展署资助，由四家加拿大工程公司(Hydro Quebec, SNC-Lavalin, Actes Internation，BC Hydro)完成的，耗资一千四百万加元。这一报告得出了125米高的大坝是可行的结论，但目前受到广泛的怀疑。尽管中国正在修建185米高的大坝，但在中国方面却没有广泛展开有关淤积问题的详细研究。对加拿大扬子联合企业(CYJV)关于三峡大坝工程可行性报告的批评，可参见Margret Barber & Grainne Ryder所着的《三峡筑坝：大坝建设者们，不想让你们知道的》(第二版，多伦多，Earthcar Canada, 1993)。
[5] 见加拿大扬子联合企业(CYJV)关于三峡大坝工程的可行性报告，第5卷，第5-16、5-18、5-19节。
[6] 同上，第5卷，第7-20节。
[7] 同上，第5卷，第1-2节。
[8] 同上，第5卷，第1-10节。
[9] China Yangtze Three Gorges Development Corporation(中国三峡工程建设总公司)，Environmental Impact Statement for the Yangtze Three Gorges Project，A Brief Edition(《长江三峡工程对环境的影响评估(摘要)》)，北京:科学出版社。
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