共创世界水库大坝和水电发展的美好未来

贾金生

（中国水利水电科学研究院，中国大坝工程学会，国际大坝委员会 北京 100038）

关键词：回报率　水库　水电　胶结颗粒新坝型　水库群　安全

进入21世纪以来，在变化的世界中推动水库大坝的可持续发展已成为国际大坝委员会的核心任务。为了更好地开展水库大坝的规划、设计、施工、维护和运行，推动社会经济可持续发展，在过去的三年里，国际大坝委员会积极行动、采取了多种措施：对内主要包括修订国际大坝委员会章程和细则，解决国际大坝委员会技术公报免费下载这个长议而不决的问题，设立国际大坝委员会青年工作委员会，推动各成员国委员会之间的交流与合作尤其是针对发展中国家等；对外主要包括与世界水理事会、国际灌溉与排水委员会、国际水电协会、国际水资源协会等兄弟协会建立长期友好合作关系，积极参与涉水领域的各种水事活动，例如2010年上海世博会期间与国际水资源协会联合承办了世界水理事会为期一周的水展活动，2012年3月在法国马赛举行的第六届世界水论坛上联合其他国际组织举办“储水设施与可持续发展”特别分会等。

经过80多年的发展，目前国际大坝委员会已经拥有了95个会员国，变得更加有活力、更加有影响力，已成为国际涉水领域内享有世界声誉的国际组织之一。“尊重历史，正视现实，面向未来”一直是指引国际大坝委员会前进的原则。

展望未来，水库大坝建设和水电发展还面临着诸多挑战，为此阐述几点见解，以促进更多的讨论和思考，促进国际大坝委员会沿承其伟大使命继续推动水资源和水能资源的可持续开发与利用。

1 投资水库大坝就是投资绿色经济

世界人口的不断增长、社会经济的快速发展以及人们生活水平的不断提高，必然导致对水、粮食和能源需求的增加。据估计（Tilman et al.2011；WEC 2007），到2050年，全球粮食和能源需求将翻倍。同时，由于全球气候变化影响，水资源时空分布将变得越来越不均匀，洪涝和干旱等自然灾害将会加剧。面对这一严峻形势，国际社会已经重新审视并强调了水库大坝的重要性。在最近的国际权威性会议或论坛上，都不断强调水库大坝对保障水、粮食和能源安全的重要性同时提倡水库大坝需要考虑可持续发展要求。投资水库大坝就是投资绿色经济这一观点是世界新的主流共识，在2012年召开的第六届世界水论坛上不断得到强调。世界银行明确表示世界水坝委员会（WCD，World Commission on Dams）的时代已经成为过去，WCD报告的使命已结束，需要用可持续发展导则指导实践。世界银行等国际金融机构经过反思后积极支持水库大坝和水电开发，可从其近年来投资图中反映出来，如图1所示。

图1 世界银行有关水电开发的投资图（按批准年份划分）

水库大坝的建设已经进入了新时代，不少国家都把大坝建设和水电开发作为优先的发展目标，制定了宏伟的发展规划并加强了相关投资。世界上有165个国家已明确将继续发展水电，其中110个国家规划建设规模达3.38亿kW。发达国家已基本完成水电开发任务，目前重点是水电站的更新改造、增加水库泄洪设施、加强生态保护和修复等，如北美、欧洲等不少国家；发展中国家多数制定了2025年左右基本完成水电开发的规划，如亚洲、南美地区的发展中国家等；欠发达国家和地区，虽然多数有丰富的水电资源，限于资金、技术等制约因素，大力开发水电仍然有很多困难，如非洲的不少国家等；还有一些政局不稳的国家，虽然急需发展水电，但限于国力等条件，推进非常缓慢。但从总的形势来看，加快水与水能资源利用是新的大的发展趋势，在发展中国家尤其如此。

2 水电是回报率最高、碳排放量极低的能源

在各种类型的能源中，水电的能源回报率（Energy Payback Ratio，EPR）最高。能源回报率的概念出现在石油危机发生的20世纪70年代早期。石油危机之后，能源议题开始发生重大变化，导致出现了诸如能源独立、空气质量和后期的气候变化等议题（Gagnon，2008）。许多国家开始寻找石油的替代品。很显然，选择有效的替代能源满足不断增长的需求是关键问题之一。为选择适当的解决方案，能源回报率这一概念被用来评估全生命过程中的能源使用情况。以一个火力发电站为例，能源回报率是指在运行期内发出的电力与它在建设期、运行期为维持其建设和运行所消耗的所有电力的比值。

根据盖哥农（Gagnon，2005）的计算，各种能源开发方式的能源回报率如图2所示，水电的回报率在170以上，风能为14～34，核电为14～16，生物能为3～5，太阳能为3～6，传统火电为2.5～5.1，如果考虑碳回收技术火电则为1.6～3.3。水电除了具有最高的能源回报率，二氧化碳的排放量也极低。根据世界能源委员会计算（WEC，2004），各种类型的能源每生产百万度电排放的二氧化碳情况如下（图3）：传统火电排放941～1022t，碳回收技术火电排放220～300t，太阳能发电排放38～121t，生物能排放51～90t，水库式水电排放10～33t，风能排放9～20t，核电排放6～16t，径流式水电排放3～4t。

图2 各种能源开发方式的回报率

图3 各种能源的碳排放强度计算结果

总而言之，水电是回报率最高、碳排放量极低的能源。仅此而言，优先发展水电较之发展其他能源对积极应对气候变化、建设资源节约型、环境友好型社会具有无可比拟的优势。发达国家凭借资金、技术和市场机制等方面的优势，比发展中国家早30多年优先完成了水电的开发任务，也从侧面说明了发展水电的战略重要性。

3 大坝及水电发展与经济社会发展的协调性

大坝及水电发展与经济社会发展紧密相关。为了更好地说明大坝及水电发展与经济社会发展的协调性，这里提出了人均库容以及水电经济开发度与联合国人类发展指数相关性的概念，为此整理了全球约100个国家的人均库容、水电经济开发度与人类发展指数的数据。人类发展指数（HDI）是一个反映GDP、人均寿命、教育水平的介于0和1之间的数，数值越接近于1，表示人类发展水平越高。HDI大于0.8的国家多为发达国家，如挪威（0.943）、美国（0.910）；HDI介于0.7～0.8的国家多为较发达的发展中国家，如俄罗斯（0.755）、巴西（0.718）；HDI介于0.5～0.7的国家多为亚洲、非洲、拉丁美洲的发展中国家，如中国（0.687）、埃及（0.644）；HDI小于0.5的国家多为欠发达国家，如尼日利亚（0.459）等。

2008年，国际大坝委员会荣誉主席Luis BERGA教授提出了水库大坝的发展与经济社会发展紧密相关的概念。图4比较了不同类别国家的人均库容与人类发展指数的相关关系。结果表明，在保障水安全以及应对各种变化的储水设施建设方面，发达国家已有良好的基础；而发展中国家由于受到资金、技术和人才的限制发展任务依然艰巨。总体上来说，一个国家的水库大坝发展水平与人类发展水平是一致的。这与联合国2006年人类发展报告中所指出的“全球水基础设施的分布与全球水风险的分布呈反比关系”是一致的。需要指出的是，也存在不少例外情况，如莫桑比克人类发展指数很低（HDI=0.322）而人均库容达到了2727m³，以色列（HDI=0.888）和瑞士（HDI=0.903）的人类发展指数较高而人均库容分别为27m³和440m³。究其原因，莫桑比克人口稀少相对水资源开发量较大；以色列是一个干旱且降雨量少的国家其水资源非常有限；而瑞士则有大量的自然湖泊。

图4 不同类别国家的人均库容与人类发展指数的关系

除了水库大坝，水电的开发度与人类发展指数也紧密相关。图5比较了不同类别国家的平均水电经济开发度与人类发展指数的相关关系。结果表明，发达国家水电开发程度高，而发展中国家、欠发达国家依然任务艰巨。例如，美国人类发展指数为0.910，水电开发度大于70%，稍高于发达国家的平均指标；中国人类发展指数为0.687，水电经济开发度为41%，稍低于发展中国家的平均指标。换句话说，美国和中国的水电发展水平与国家经济社会发展的水平大体是协调的。但也存在不少例外情况，如布基纳法索（HDI=0.331）水电经济开发度达54%、澳大利亚（HDI=0.929）水电经济开发度仅38%、挪威（HDI=0.943）水电经济开发度为57%，究其原因布基纳法索总量较低易于开发，澳大利亚由于煤炭资源丰富开发迫切性不高，而挪威水电已占了全国电力供应的95%，已满足需求。

图5 不同类别国家的平均水电经济开发度与人类发展指数的关系

4 水库大坝未来发展的主要问题

历史资料表明，世界发展过程中失事的水库大坝是非常多的，尤其是公元1000年以前的水库（Jansen，1980），水库大坝的失事概率是很惊人的。早期各国虽然建设了不少水库大坝，但存续下来的大坝极其有限。据不完全统计，1900年以前，各国修建的水库达数万座，而由于技术的限制，坝高超过15m的大坝总数不到两百座，多数都因建设和管理缺陷而溃决，只有少数几座依靠不断维修加固而存在。进入20世纪后，随着科学技术的迅猛发展，大坝建设迎来了快速发展时期，首先是在欧洲和北美地区，然后逐步转移到南美和亚洲地区。到2010年，世界已建、在建大坝超过5万座，其中包括60多座200m以上高坝。由此可见，在过去的百年中，科学技术的发展不仅显著推动了世界范围内的大坝建设，而且极大提高了大坝的可靠性和安全性。

现代大坝建设虽然依靠科学技术的不断进步取得了前所未有的成就，但仍然面临很多挑战性的问题，不仅需要提高现有水库大坝的维护和运行，而且需要实现新建大坝的可持续发展。我们未来面临的挑战主要如下：

（1）300m级高坝建设。300m级高坝建设已经超出了现有的经验和工程实践，因此技术的不确定性可能导致无法容忍的工程安全隐患。这些高坝工程往往规模巨大，而且其中一些工程的地形和地质条件非常复杂。因此，这些高坝的建设和运行面临着以当前知识和经验难以解决的世界级技术难题与挑战，急需加大研究。例如，目前很难确定混凝土坝尤其是特高混凝土坝的坝踵是否会产生裂缝。裂缝在高压水的作用下有可能进一步扩展。300m级特高混凝土坝的建设应该考虑水力劈裂的影响。图6比较了三种不同重力坝设计准则设计的重力坝的抗水力劈裂能力。

图6 三种重力坝设计准则设计的重力坝的抗水力劈裂能力比较

（2）极端自然灾害下的大坝安全。在2008年中国汶川地震和2011年日本地震及海啸这样极端自然灾害中，大坝经受住了严峻的考验，表现出了良好的抗震安全性。但这并不意味着可以确保在极端地震和洪水等自然灾害下大坝是安全的。相反，这一问题需要在以下两方面作长期研究：首先，极端的自然灾害具有很大的不确定性；其次，超高坝在极端自然灾害下的性能要求非常严格。图7展示了台湾地区石岗坝在地震中的剪切破坏情况，地震断裂带横穿坝基。

图7 石岗坝剪切破坏

（3）梯级水库调度。气候变化导致河流水文情势发生改变从而可能加大水库调度的难度。梯级水库如果发生连续溃坝，将会导致无法容忍的巨大损失。此外，我们需要在兼顾上下游、干支流、左右岸地区对水资源的需求前提下，优化水库调度尽可能提高水库蓄水能力，从而充分利用雨洪资源。因此，有必要研究梯级水库的联合调度，以达到工程安全和水资源充分利用之间的平衡。

（4）胶结颗粒料坝。近年来，胶凝砂砾石坝（Cemented Sand and Gravel Dams，简称CSG坝）已在法国、土耳其、日本、希腊和中国等国家相继得到应用。堆石混凝土坝（Rockfilled Concrete Dams，简称RFC坝）已在中国应用于新坝建设和老坝修复等工程。堆石混凝土坝是在浆砌石坝基础上利用现代大坝建设技术形成的一种新筑坝技术。浆砌石坝、堆石混凝土坝、胶凝砂砾石坝是碾压混凝土坝和土石坝之间的过渡坝型，统称为胶结颗粒料坝（Cemented Material Dams，简称CMD）。胶结颗粒料坝利用胶结颗粒料建坝，是介于土石坝和碾压混凝土坝之间的一种新坝型。胶结颗粒坝在土耳其、日本和中国等国家都有成功的工程实例，具有安全、经济、环保的特性，代表了未来大坝技术的发展趋势。

5 水库大坝发展需要探索新的理念

近年来，特别是进入21世纪，水库大坝涉及到的社会、生态问题越来越受关注。大坝的建设和运行需要新的理念和解决方案来填补当前技术水平和社会严格要求之间的鸿沟。建设一座大坝和水电站已经不仅仅是一件单纯的技术和学术问题，其活动的全过程涉及面更宽、更受关注，需要更加公开和透明，需要更加安全和可靠，需要采用更加和谐、平衡和可持续的方式推进。已有的成功及成熟的经验表明，水与水能以其可靠、廉价、经济可行、社会和谐与环境友好的方式开发是可行的，为此必须以可持续方式加速储水设施建设，尽可能将各种因开发所造成的不利影响降到最低，理念的转变主要体现在以下四个方面：

（1）在认识上，需要从强调改造、利用自然转变到既强调改造、利用自然，又强调保护和适应自然。不仅需要对已有经验进行认真的反思和总结，更需要立足于创新，以适应当前及今后一个时期发展的要求。

（2）在决策上，需要从重视技术上可行、经济上合理转变到既重视技术上可行、经济上合理，又重视社会可接受、环境友好的发展要求。通过发展规划的制定和目标调整，真正谋求科学决策和科学发展。

（3）在运行管理上，需要从重视工程安全、实现传统功能转变到既重视工程安全、传统功能实现，又重视生态调度、生态安全和生态补偿。

（4）在效益共享上，需要从重视国家利益、集体利益转变到既重视国家利益、集体利益，又重视受影响人利益和生态补偿的发展要求，真正做到统筹兼顾，实现社会和谐和可持续发展。

6 水库大坝的生态功能

水库大坝运行时需要兼顾上下游、干支流、左右岸地区对水资源的不同需求，特别是发挥水库大坝的生态功能。水库大坝通过生态调度等环境措施来维持河流的健康生命。他们能在枯水季维持河流的最小流量，使许多动物和植物得以生存。而且，大坝和水库的建造有助于对临近地下水位的调节平衡。水库周围更容易形成新的生态栖息地，而且对湿地群落和湿地森林进行灌溉。

一个很好的例子是小浪底水利枢纽工程，坝高157m，于2001年建成。从20世纪80年代到90年代，由于过度开发和利用，黄河下游出现断流问题。1997年黄河出现了最枯水年份，断流河段长达600km，断流历时长达226d。由此而引发了一系列的生态环境灾难，如河床的淤积抬高、严重的河流萎缩等。黄河下游生态环境恢复是小浪底水库大坝建设与运行的一个重要目的。首先，通过与上游水库的联合调度，确保了河流的基本生态流量。自1999年以来，断流问题再没有发生。其次，解决了黄河下游严重的淤沙问题，重建河道的泄洪能力。自2002年以来，小浪底大坝运用调水调沙已达13次，有效减缓了下游河道侵蚀。如今黄河全年川流不息，河口生态系统得到了极大改善。

为减少大坝建设和水电开发对河流生态的影响，实现河流生态恢复，一些国家或国际组织已经建立了相关的技术标准和认证体系，其中具有代表性的有瑞士的绿色水电认证、美国的低影响水电认证以及国际水电协会的可持续性水电认证。这些对于实现生态保护和水资源利用之间的平衡都具有重要的借鉴价值。因此，在未来更应重点研究绿色大坝与水电的技术标准和认证系统。

7 齐心协力共创世界美好未来

全世界，尤其是大多数发展中国家，仍拥有巨大潜能可以进一步发展生态友好型的水库大坝以优化利用水资源，亟需加快水库大坝的可持续开发。为此，有以下五个方面值得关注：

（1）为满足水资源可持续开发的新需求，需要发布和推广更多的公报、导则、规程规范等技术资料。国际大坝委员会将继续联合其他国际组织积极准备更多的技术资料以及在世界范围内推广最好的实践经验。

（2）在水库大坝的建设和运行过程中，世界上许多国家都会遭遇类似的问题和困难。这就要求加强国际合作，共同研发和推广应用新技术。

（3）水库大坝工程通常资金需求量大，应鼓励政府，金融机构和私营部门加大投资力度，加快水利基础设施建设。

（4）加快国际河流的开发，使跨国界河流更好地服务于区域经济社会发展，促进合作共赢。例如，位于巴西和巴拉圭两国边界巴拉纳河上、由双方联合投资建设和运行的伊泰普水电站为两国国家和当地的社会经济发展做出了巨大贡献。

（5） 国际组织需要加强交流与合作，共同推进水资源的可持续发展，对发展中国家尤其如此。通过共同的努力，举办更多的圆桌会议、能力建设培训项目以及其他相关活动，促进各国尤其是发达国家和发展中国家之间的交流与合作，共创世界美好未来。

参考文献

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本文系国际大坝委员会主席总结，在2012年日本京都召开的国际大坝委员会第80届年会上发表。略有改动。