2010年7月19日，三峽入庫(kù)流量達(dá)6.9萬(wàn)立方米/秒，超過(guò)1998年最高峰值，三峽水庫(kù)的下泄流量控制在4萬(wàn)立方米/秒。攝影/李亞隆

建壩攔水是人類生存的需要

人類的生活和生產(chǎn)活動(dòng)離不開淡水，早期的人們都是依河流、湖泊而居。陸地上的淡水主要是降雨帶來(lái)的，在地域和時(shí)間上分布是不均勻的。堆土成壩、攔蓄雨水是人類生存的自然選擇。

實(shí)際上，在自然界中，天然的“攔水壩體”比較常見(jiàn)，尤其是在峰巒疊嶂的山區(qū)。地質(zhì)變動(dòng)（比如地震、火山、泥石流等）作用會(huì)形成各種堰塞體，擋住河流，形成一座座天然的“水庫(kù)”。這些堰塞湖星羅棋布，截流雨水，滋養(yǎng)著生命，裝扮著大地，形成一道道風(fēng)景，比如四川九寨溝五花海，就是由于滑波和泥石流作用形成的，其海拔2472米，平均深度接近5米，水面面積約8萬(wàn)平方米，“庫(kù)容”約60萬(wàn)立方米。

除了這些天然存在的壩，動(dòng)物們出于本能也會(huì)建“壩”。海貍是一種有趣的動(dòng)物，像蜜蜂喜歡建造蜂巢一樣，海貍在河流上用石塊、樹枝和淤泥在河流中筑起了漂亮的大壩。它們跑到岸邊去啃樹木，被咬斷的樹干橫阻于溪流之上，使得海貍窩周邊的水位抬升，仿佛是新居前的護(hù)城河一樣，保衛(wèi)這個(gè)家族的安全。這種“大壩”，最長(zhǎng)可達(dá)300米左右，為捕魚提供了方便。

海貍筑壩，是利用自然、享受自然的一種本能。人類在發(fā)展的進(jìn)程中，一面和自然做斗爭(zhēng)，一面在自然的提示下，開始懂得修筑人工防洪堤埂，以保護(hù)自己的農(nóng)田和居所。隨著對(duì)堤埂認(rèn)識(shí)的提高，大壩的功能也隨之增多。

天然形成的壩是“死壩”，只能攔河蓄水，形成湖泊，而人工建造的大壩是可調(diào)控的，可控制水流和水量，因而可兼顧水利的各種功能。在古代，人類筑壩，一方面是為了抵御洪水的侵襲，另一方面主要是為了灌溉取水之用。后來(lái)，筑壩蓄水還產(chǎn)生了改善航運(yùn)、養(yǎng)魚、發(fā)電等多種效益。所謂“興利避害”，大壩是一個(gè)絕佳的體現(xiàn)。大壩是真正的“水利”工程，是人類和自然和諧相處的一個(gè)重要部分。

我國(guó)水庫(kù)大壩建設(shè)的歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。見(jiàn)諸于文字記載的最早的蓄水壩，是相傳建于公元前598～前591年間的安徽省壽縣的“芍陂”——安豐塘壩，壩高6.5米，庫(kù)容約9070萬(wàn)立方米，是中國(guó)古代四大水利工程之一。芍陂的建成，使得安豐地區(qū)年年糧食豐收，一躍成為春秋時(shí)期楚國(guó)的經(jīng)濟(jì)要地。到了北魏時(shí)期，酈道元所著的《水經(jīng)注》對(duì)安豐塘壩有比較詳盡的描述：“北有淮水，南有比淠水，西有如溪水，東有淝水?！卑藏S塘猶如一個(gè)大湖，四周設(shè)5門，只有淠水流入，其余4門為放水或調(diào)節(jié)水量之用。北魏之后，歷朝歷代都曾多次修復(fù)和更新改建，僅明清兩朝的修治就有20余次。時(shí)至今日，安豐塘水庫(kù)已運(yùn)行了2600多年，且仍在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面發(fā)揮著巨大作用。

在中國(guó)，江河治理，代代相傳，歷史悠久。但大壩建設(shè)一直以來(lái)發(fā)展較慢。根據(jù)1950年國(guó)際大壩委員會(huì)（International Commission on Large Dams）統(tǒng)計(jì)資料，全球5268座水庫(kù)大壩（壩高高于15米）中，中國(guó)僅有22座，數(shù)量極其有限，與國(guó)際上比較，無(wú)論水庫(kù)總的庫(kù)容還是水電總的發(fā)電量都處于非常落后的階段。1950年之后，特別是改革開放30年多來(lái)，中國(guó)的水庫(kù)大壩建設(shè)和壩工技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。到2008年底，中國(guó)已建和在建的30米以上大壩5443座，對(duì)我國(guó)的防洪、灌溉、供水和能源產(chǎn)生了巨大效益。

2010年7月20日上午，湖北宜昌，三峽大壩泄洪。 攝影/鄭家裕/CFP

防洪是大壩的重要功能

人們需要水，有水才能生存。但人們又怕水，因?yàn)楹恿鱽?lái)水不均，往往導(dǎo)致水患不斷。在出現(xiàn)修建現(xiàn)代化水庫(kù)技術(shù)以前，利用堤防防御洪水是主要的工程措施，有文字記載便有了防洪，距今已有5000多年的歷史。但出現(xiàn)較大洪水時(shí)水會(huì)漫堤而出，沖毀家園，良田變?yōu)轸~澤。從古至今人們經(jīng)常采用的一種方法是，選擇低洼的、有一定容積的、經(jīng)濟(jì)相對(duì)不發(fā)達(dá)的地區(qū)容蓄洪水，這就是蓄滯洪區(qū)。為了減小洪水造成的損失，人們要準(zhǔn)備一個(gè)天然的“大盆”來(lái)削減洪水的威力。蓄滯洪區(qū)是以堤防防洪的重要輔助設(shè)施。一旦需要分洪時(shí)，蓄滯洪區(qū)的人們就要遭殃了。我們?yōu)槭裁床荒芙ㄒ粋€(gè)“大盆”，把洪水的勢(shì)頭留在盆中呢？人造水庫(kù)就是這樣的“大盆”，現(xiàn)代水庫(kù)大壩的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)洪水來(lái)量的調(diào)節(jié)，使得人類在與洪水的斗爭(zhēng)中又增添了一種有效的新手段。以三峽工程為例，水庫(kù)正常蓄水位高程為175米，防洪庫(kù)容為221.5億立方米，形成了一個(gè)巨大的“大盆”。

1917～1923年，美國(guó)密西西比河支流邁阿密河上建成5座典型的專用防洪水庫(kù)，總庫(kù)容10億立方米，防洪能力巨大。新中國(guó)成立初期，全國(guó)僅有大型水庫(kù)6座、中型水庫(kù)17座和一些小水庫(kù)。1949年以后，我國(guó)全面進(jìn)行江河治理，興建了許多水庫(kù)，完成了大量的防洪任務(wù)。

那么對(duì)于一座水庫(kù)大壩工程，調(diào)度的依據(jù)是什么？各種水位和各種庫(kù)容是依據(jù)什么確定的，這些又有什么意義呢？下面我們通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)圖來(lái)說(shuō)明。

為了保證汛期水庫(kù)能夠起到防洪作用，達(dá)到削減洪峰，降低下游的防洪壓力的目的，水庫(kù)都會(huì)在汛期洪水未到時(shí)，騰出庫(kù)容，以準(zhǔn)備迎接洪水的到來(lái)。圖中所示的防洪限制水位即為汛期洪水未到前允許蓄水的上限水位，即汛限水位。這個(gè)水位以上的庫(kù)容是作為滯蓄洪水的庫(kù)容，只有在發(fā)生洪水時(shí)，為了滯洪，水庫(kù)水位才允許超過(guò)防洪限制水位。當(dāng)洪水消退時(shí)，如汛期未過(guò)，水庫(kù)應(yīng)盡快地泄洪，使水庫(kù)水位迅速回降到防洪限制水位。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水即防洪規(guī)劃和防洪工程預(yù)計(jì)設(shè)防的最大洪水，當(dāng)發(fā)生大壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，從防洪限制水位經(jīng)水庫(kù)調(diào)節(jié)后所達(dá)到的壩前最高水位，稱為設(shè)計(jì)洪水位；水庫(kù)或大壩按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水進(jìn)行設(shè)計(jì)，但常用更高一級(jí)的洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。校核防洪標(biāo)準(zhǔn)就是水庫(kù)防御非常洪水的能力。當(dāng)發(fā)生大壩校核標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)洪水時(shí)，水庫(kù)壩前所達(dá)到的最高水位，稱為校核洪水位。校核洪水位與防洪限制水位之間的庫(kù)容稱為調(diào)洪庫(kù)容。校核洪水位以下的庫(kù)容為總庫(kù)容。

三峽工程的防洪作用

我國(guó)古代，云夢(mèng)澤一直是滯蓄長(zhǎng)江洪水的天然場(chǎng)所。云夢(mèng)澤是湖北古湖泊群的總稱，南以長(zhǎng)江為界，面朝北則是連綿不斷的湖泊與濕地。早在先秦時(shí)期，云夢(mèng)澤的面積約26000平方公里，每年汛期，江水?dāng)y帶著大量泥沙“侵入”，泥沙隨著流速的減慢淤積了下來(lái)，云夢(mèng)澤的面積逐年縮減。春秋戰(zhàn)國(guó)以后，農(nóng)耕文明發(fā)展起來(lái)。人們?yōu)榱吮Ｗo(hù)已開墾出的土地，開始修筑堤防。逼使荊江河段水位抬升，江水自城陵磯開始倒灌入洞庭湖，云夢(mèng)澤消亡了，洞庭湖替代云夢(mèng)澤成為又一個(gè)滯蓄長(zhǎng)江洪水的天然場(chǎng)所。隨著泥沙的不斷淤積，洞庭湖的水面面積和容積日漸萎縮，現(xiàn)在只有3000多平方公里了，其滯蓄長(zhǎng)江洪水的能力大為削弱。這就逼使大量洪水直接從荊江河槽下泄。然而，時(shí)至今日，荊江河段的安全下泄流量只有6萬(wàn)立方米/秒左右。因此，每到汛期，荊江河段的洪水水位高出兩岸地面6～10米，時(shí)時(shí)威脅著洞庭湖區(qū)和江漢平原1500萬(wàn)人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。

興建一個(gè)能夠調(diào)蓄長(zhǎng)江洪水的水庫(kù)，使其能像曾經(jīng)的云夢(mèng)澤和洞庭湖一樣來(lái)滯蓄和調(diào)蓄長(zhǎng)江洪水，使長(zhǎng)江中下游免遭洪水災(zāi)害，就成為了人們的夢(mèng)想。在荊江河段上游，科學(xué)家們通過(guò)大量的勘探、測(cè)量與科研，尋找了幾十年，論證了幾十年，終于找到了理想的壩址，并決定興建三峽水利樞紐工程。因此防洪是興建三峽工程的首要出發(fā)點(diǎn)。

三峽工程正常蓄水位175米時(shí)，防洪效益十分顯著。如遇“千年一遇”或類似1870年特大洪水，枝城洪峰流量可以從原來(lái)的11萬(wàn)立方米/秒，經(jīng)三峽水庫(kù)調(diào)蓄后，下降到71700～77000立方米/秒，配合運(yùn)用荊江分洪工程和其他分蓄洪區(qū)，控制沙市水位不超過(guò)45米，使荊江南北兩岸、洞庭湖區(qū)和江漢平原避免發(fā)生毀滅性災(zāi)害。使荊江河段防洪標(biāo)準(zhǔn)從“十年一遇”提高到“百年一遇”，即遇到不大于“百年一遇”洪水時(shí)，經(jīng)三峽水庫(kù)調(diào)蓄后，可控制枝城流量不超過(guò)56700立方米/秒，沙市水位不超過(guò)44.5米，可不啟用荊江分洪區(qū)和其他分蓄洪區(qū)。

提高了對(duì)城陵磯以上洪水的控制能力，配合丹江口水庫(kù)和武漢附近分蓄洪區(qū)的運(yùn)用，可避免武漢市遭受洪水侵襲。

三峽工程的建設(shè)就能有效控制上游來(lái)水，減少汛期分流入洞庭湖的洪水和泥沙，不但可有效減輕洪水對(duì)洞庭湖區(qū)的威脅，還可延緩洞庭湖泥沙淤積速度，延長(zhǎng)洞庭湖壽命，并為洞庭湖的治理創(chuàng)造了條件。若遇特大洪水需要運(yùn)用分蓄洪區(qū)時(shí)，因有三峽水庫(kù)攔蓄洪水，還可為分蓄洪區(qū)人員轉(zhuǎn)移、避免人員傷亡贏得時(shí)間。

三峽大壩泄洪，氣勢(shì)磅礴。 攝影/劉華

三峽大壩成為專業(yè)實(shí)習(xí)基地 攝影/劉華

從去年的洪水看三峽工程防洪

2010年7月，長(zhǎng)江上游干流發(fā)生了1987年以來(lái)的最大洪峰流量，高達(dá)7萬(wàn)立方米/秒，比1998年63300立方米每秒的流量還要大，同時(shí)由于長(zhǎng)江汛期的提前，6月份的降雨使得長(zhǎng)江下游水位甚至比1998年同期的水位還高。

1998年，曾經(jīng)有350公里長(zhǎng)的干堤用臨時(shí)加子堤進(jìn)行防洪，大堤曾出現(xiàn)了70000多處險(xiǎn)情，其中干堤上有9000多處，危及到2300萬(wàn)人的生命安全；有1075個(gè)圩垸堤防垮塌，動(dòng)用了670多萬(wàn)人，包括民兵預(yù)備役、武警、解放軍戰(zhàn)士等進(jìn)行大堤的搶險(xiǎn)和搶護(hù)。而2010年干堤只是出現(xiàn)了一些散浸等小險(xiǎn)情。

之所以能夠這樣，除了1998年以后荊江大堤加固以外，三峽大壩的防洪調(diào)蓄能力發(fā)揮了巨大作用。高達(dá)7萬(wàn)立方米/秒的洪峰在進(jìn)入三峽庫(kù)區(qū)以后，以4萬(wàn)立方米/秒的流量下泄，削減洪峰下泄流量3萬(wàn)立方米/秒，使得上游來(lái)水沒(méi)有和下游洪水交匯在一起，有效地減輕了長(zhǎng)江中下游的防洪壓力。三峽大壩攔蓄洪水達(dá)到了70億立方米左右。

面對(duì)這么大的洪水，三峽工程自身是否危險(xiǎn)呢？正如陸佑楣院士在接受采訪時(shí)所說(shuō)：“沒(méi)危險(xiǎn)，真的沒(méi)危險(xiǎn)，最好來(lái)一場(chǎng)特大洪水來(lái)考驗(yàn)一下。三峽工程本身設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)非常高。今年這場(chǎng)7萬(wàn)立方米/秒流量的洪水，還不到二十年一遇。為了保證大壩安全、可靠，它的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是千年一遇的，也就是9.88萬(wàn)立方米/秒的流量。”

由于長(zhǎng)江流域面積很大，全長(zhǎng)6397公里，有180萬(wàn)平方公里，幾乎占全國(guó)國(guó)土面積的1/5。這么大的面積內(nèi)，自西向東，其降雨的時(shí)空分布是不均勻的，這就導(dǎo)致了長(zhǎng)江洪水的形成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。

從長(zhǎng)江水系及干流主要城市圖中可以看到三峽大壩位于長(zhǎng)江干流上，其巨大的防洪庫(kù)容可以有效攔蓄上游洪水，使上游來(lái)水不與下游洪水交匯，減輕下游防洪壓力。但是，當(dāng)下游或者支流洪水迅猛，形成洪澇災(zāi)害時(shí)，即使不與長(zhǎng)江干流來(lái)水交匯，三峽大壩有再大的防洪庫(kù)容也無(wú)能為力。

長(zhǎng)江流域內(nèi)現(xiàn)有水庫(kù)的蓄水能力，還不到長(zhǎng)江年徑流量的20%，而美國(guó)胡佛水庫(kù)本身的庫(kù)容量已經(jīng)超過(guò)了科羅拉多河的年徑流量，加上科羅拉多河上其他水庫(kù)的庫(kù)容，人工水庫(kù)的蓄水能力已經(jīng)超過(guò)了科羅拉多河年徑流量的4倍。所以這些水庫(kù)不需要考慮防洪調(diào)度，汛期就直接蓄水。相比于國(guó)際上其他河流的防洪體系，要建設(shè)完備的長(zhǎng)江流域的防洪體系，還有很長(zhǎng)的路要走。

可以說(shuō)，長(zhǎng)江全流域的防洪是一個(gè)系統(tǒng)工程，這個(gè)系統(tǒng)中包括水庫(kù)、大堤、分洪區(qū)等工程。干支流上都要有相應(yīng)的防洪工程予以配套。當(dāng)然，防洪體系中的非工程措施，比如氣象預(yù)報(bào)、水情預(yù)報(bào)、科學(xué)調(diào)度等也是重要的組成部分，只有各個(gè)環(huán)節(jié)完備，且都被充分調(diào)動(dòng)起來(lái)，才能形成一個(gè)總體上有效的防洪體系。

長(zhǎng)江水系及干流主要城市

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何謂百年一遇的洪水？

天有不測(cè)風(fēng)云，人們無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)知雨量，更無(wú)法控制降雨，但我們可以根據(jù)以往的記錄總結(jié)規(guī)律，以便采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。在一年當(dāng)中，總有一些時(shí)段降雨較多，成為汛期；不同年份降雨又有很大差別，有些年份會(huì)形成特大洪水。大江大河到了汛期的時(shí)候，媒體報(bào)道中常常出現(xiàn)類似“十年一遇、百年一遇、千年一遇洪水”的術(shù)語(yǔ)，也有“二十年一遇、五十年一遇、萬(wàn)年一遇洪水”等等，這些并不是簡(jiǎn)單的時(shí)間概念，而是歷史上曾經(jīng)發(fā)生過(guò)的洪水概率值的另一種習(xí)慣性叫法?？茖W(xué)家們根據(jù)歷史上記錄每年洪水流量，計(jì)算出當(dāng)年洪水流量在歷史上出現(xiàn)的概率。當(dāng)上游來(lái)的洪水流量與往年相比出現(xiàn)的概率為10%的時(shí)候，人們習(xí)慣地稱其為十年一遇洪水；當(dāng)概率為1%的時(shí)，稱其為百年一遇洪水；當(dāng)概率為0.1%的時(shí)，稱其為千年一遇洪水；其他以此類推。

每一個(gè)概率值都有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的洪水流量。這是采用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理和方法，根據(jù)實(shí)測(cè)和調(diào)查的歷史洪水系列，選用皮爾遜III型理論概率曲線來(lái)計(jì)算確定洪水統(tǒng)計(jì)參數(shù)，從而推求出相應(yīng)于各種概率的洪水流量。實(shí)測(cè)或調(diào)查到的洪水系列的年限越長(zhǎng)，推求出的概率及其相對(duì)應(yīng)的洪水流量愈準(zhǔn)確。百年一遇洪水是不是一百年才遇到一次呢？應(yīng)當(dāng)說(shuō)不是的。如果百年一遇洪水恰好一百年遇到一次，那才真正是巧合呢。因?yàn)榘倌暌挥鍪且粋€(gè)理論概率，它與多少年出現(xiàn)一次是既有關(guān)聯(lián)又有區(qū)別的兩回事。

舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子大致能夠說(shuō)明這一問(wèn)題。一枚硬幣分為正面和背面，我們手持這枚硬幣將其豎立起來(lái)，并使其在光滑的平面上轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)它停止轉(zhuǎn)動(dòng)平落下來(lái)時(shí)，可能正面朝上，也可能背面朝上；從理論概率來(lái)分析，正、背面朝上的概率均為50%，用洪水概率的說(shuō)法是二次一遇。而實(shí)際出現(xiàn)的次數(shù)絕對(duì)不會(huì)總是一次正面、下一次背面地交替出現(xiàn)。總體說(shuō)來(lái)，防洪標(biāo)準(zhǔn)越高，大壩越趨于安全。比如三峽大壩防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為千年一遇設(shè)計(jì)，萬(wàn)年一遇校核，但并不是說(shuō)遇到千年一遇洪水、萬(wàn)年一遇洪水都不會(huì)發(fā)生洪澇災(zāi)害，因?yàn)檫@里說(shuō)的標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)壩體本身的安全而言，即使遭遇千年一遇洪水、萬(wàn)年一遇洪水，三峽大壩也本身不會(huì)漫壩、垮壩，而三峽工程的防洪功能是把荊江河段的防洪能力從十年一遇提高到百年一遇，如果配合分洪措施，可以抵御千年一遇的洪水。

溪洛渡二道壩澆筑到頂 攝影/王連生

糧食生產(chǎn)和生活用水需要大壩

大壩與糧食安全

“水流到哪，哪里就有糧食?！痹谑澜绺鞲珊档貐^(qū)，均流行著類似的說(shuō)法。雖然地球上并不缺水，但在地域上和時(shí)間上水量分布極不均勻。在天然的條件下，很多地區(qū)土壤水分狀況往往難以滿足作物的需要，在干旱地區(qū)和干旱季節(jié)尤其如此。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，人口多，耕地少，水資源總體上短缺，且季節(jié)性、區(qū)域性分配不均衡，這就決定了中國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必須走灌溉之路。

所謂灌溉是指用人工設(shè)施將水輸送到農(nóng)業(yè)土地上，補(bǔ)充土壤水分，改善作物生長(zhǎng)發(fā)育條件。公元前3400年左右，美尼斯王朝就曾在埃及孟菲斯城附近截引尼羅河洪水修建淤灌工程。19世紀(jì)，灌溉事業(yè)開始在世界范圍內(nèi)大力發(fā)展，英國(guó)工程師們?cè)谀崃_河修建了一批攔河壩和渠系工程，將洪水漫灌改為常年灌溉。至1985年，全世界灌溉面積已占耕地的16%，與此同時(shí)，灌溉系統(tǒng)也隨之漸漸完備。從水源取水，通過(guò)渠道、管道及附屬建筑物輸水、配水至農(nóng)田進(jìn)行灌溉，環(huán)環(huán)相扣。在水資源短缺或者分配不均的國(guó)家和地區(qū)，用水庫(kù)蓄水，被廣泛采用。

我國(guó)的河套灌區(qū)，沃野千里，所謂“大河三面環(huán)之，謂之河套也”。這里光照充足，作物種類很多。全年日照3100～3200小時(shí)，無(wú)霜期120～150天。早在秦漢時(shí)期，漢武帝就曾對(duì)此地進(jìn)行過(guò)開發(fā)。清代，隨著農(nóng)墾事業(yè)的發(fā)展，河套灌區(qū)有了比較大的發(fā)展。成就了“黃河百害，唯富一套”的美譽(yù)。

然而，由于河套灌區(qū)“深居內(nèi)陸”，年降水量?jī)H130～250毫米，而年蒸發(fā)量達(dá)2000～2400毫米。降雨量少，蒸發(fā)量大，屬于典型的沒(méi)有引水灌溉便沒(méi)有農(nóng)業(yè)的地區(qū)。早年間更以“旱年水不進(jìn)渠，汛期泛濫成災(zāi)”聞名。20世紀(jì)50年代以來(lái)，為解決農(nóng)業(yè)引水灌溉問(wèn)題，這里興建了三盛公水利樞紐工程，開挖了輸水總干渠，才使得河套灌區(qū)引水有了保障。

三盛公黃河水利樞紐工程，坐落于巴彥淖爾市磴口縣境內(nèi)的總干渠的入口處。黃河流經(jīng)巴彥淖爾市345公里，灌溉豐饒的河套平原，主要靠東西長(zhǎng)180多公里的總干渠。三盛公水利樞紐工程恰似總干渠的心臟，是一座以灌溉為主，兼有航遠(yuǎn)、公路運(yùn)輸、發(fā)電及工業(yè)供水、漁業(yè)養(yǎng)殖等綜合利用的閘壩工程。三盛公水利樞紐修建以后，河套灌區(qū)引黃有效灌溉面積5740平方公里，成為全國(guó)3個(gè)特大型灌區(qū)之一。

在我國(guó)，糧食安全基本依靠灌溉農(nóng)業(yè)，以2000年為例，全國(guó)灌溉農(nóng)田的水稻平均畝產(chǎn)約為460千克，其他灌溉糧食作物平均畝產(chǎn)約為350千克，而雨養(yǎng)糧食作物平均畝產(chǎn)僅為140千克，一般灌溉農(nóng)田的糧食產(chǎn)量要比非灌溉農(nóng)田的產(chǎn)量高1～3倍。目前，中國(guó)的地表水灌溉面積占70.4%；地下水灌溉面積占29.6%。地表水灌溉面積分為從水庫(kù)取水灌溉和從河道及湖泊取水灌溉兩部分。其中，由水庫(kù)提供灌溉水源的耕地約占1/3。水庫(kù)成為了確保糧食安全的重要保障。

向家壩營(yíng)地全景 攝影/高峰

三峽大壩 攝影/魏?jiǎn)P(yáng)

大壩與供水安全

農(nóng)作物生長(zhǎng)需要充足的水分保障，人類生活和工業(yè)生產(chǎn)同樣離不開水，一個(gè)城市斷水幾天是不可想象的。城市供水系統(tǒng)包括取水、輸水、水處理、配水4個(gè)部分。取水包括地下水和地表水。隨著城市的建設(shè)、發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，城市用水量逐年增長(zhǎng)，城市用水的供需矛盾也日趨尖銳，許多城市地下水位逐年下降或者幾近枯竭。特別是我國(guó)北方城市，由于河流、湖泊的地表水年內(nèi)分配不均、年際變化很大，供需矛盾更加突出。相比其他供水方式，大壩蓄水的供水方式具有可調(diào)控、穩(wěn)定、保證率高的特點(diǎn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，包括我國(guó)北京、天津、深圳和香港特別行政區(qū)在內(nèi)的近百座大中城市的居民生活和工業(yè)用水的全部或部分依靠水庫(kù)供水。例如，密云水庫(kù)是北京市民用工業(yè)用水的主要來(lái)源，至2010年已運(yùn)行了50年，累計(jì)向北京供水248億立方米，向天津供水92.5億立方米，向河北供水21.5億立方米。1982年以后，密云水庫(kù)主要功能從防洪、灌溉逐漸轉(zhuǎn)變成為供水。為緩解北京用水緊缺局面，密云水庫(kù)停止向河北、天津供水，只擔(dān)負(fù)北京農(nóng)業(yè)、城市生活和工業(yè)用水，成為北京最重要的飲用水源。從1999年起，由于連年干旱，水庫(kù)水位持續(xù)下降。自2002年起，水庫(kù)停止向農(nóng)業(yè)供水并削減工業(yè)供水，主要承擔(dān)城市生活用水?，F(xiàn)在，密云水庫(kù)供水量占居民生活用水的60%。

當(dāng)前，我國(guó)水資源短缺的矛盾十分尖銳。全國(guó)正常年份缺水總量約為400億立方米。全國(guó)660個(gè)城市中，有400多個(gè)城市不同程度缺水，其中100多個(gè)城市嚴(yán)重缺水。據(jù)估算，2005年我國(guó)因旱災(zāi)造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1986億元，超過(guò)當(dāng)年因洪澇災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失。近幾年全國(guó)每年工業(yè)缺水40億～60億立方米，因工業(yè)缺水造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2000億～3000億元。此外，缺水還影響到城鄉(xiāng)人民的飲水安全，并導(dǎo)致一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

缺乏必要的工程調(diào)蓄手段是導(dǎo)致缺水的主要原因之一，嚴(yán)重威脅供水安全。目前我國(guó)已形成近6000億立方米的供水能力，其中通過(guò)大壩水庫(kù)攔蓄調(diào)節(jié)的蓄水供水僅占1/3，供水保障程度低。從已有數(shù)據(jù)分析，我國(guó)蓄水工程對(duì)地表水的調(diào)蓄控制能力明顯不足，遠(yuǎn)低于美國(guó)、加拿大、俄羅斯、墨西哥等國(guó)家。保障供水安全是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的大事，直接關(guān)系到社會(huì)穩(wěn)定和糧食安全，因此修建大壩水庫(kù)來(lái)增加調(diào)蓄能力是保障國(guó)家供水安全的戰(zhàn)略選擇。

能源回報(bào)率

水能是回報(bào)率最高的能源

筑壩用于防洪和灌溉是保護(hù)家園和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，在工業(yè)革命以后，人們發(fā)現(xiàn)天然水流和大壩蓄水中蘊(yùn)藏著巨大的能量，而這種能量可以轉(zhuǎn)化為電能得以更廣泛的應(yīng)用。從此以后，大壩不僅僅用來(lái)防洪和灌溉，對(duì)于條件許可的地方還可以利用大壩蓄水發(fā)電，后來(lái)許多大壩都兼有三者的功能。由于水力發(fā)電的巨大吸引力，甚至在一些地方專門建造大壩來(lái)發(fā)電。

位于英國(guó)諾森伯蘭的克拉格賽德是世界上第一座被水電照亮的建筑。1882年9月30日，世界上第一座商用水電站在美國(guó)威斯康辛州的Appleton成功開始運(yùn)行，裝機(jī)約12.5千瓦。1910年，中國(guó)近代實(shí)業(yè)家王鴻圖等在云南昆明市郊螳螂川上建成了我國(guó)第一座水電站——石龍壩水電站，最初裝機(jī)容量?jī)H為480千瓦。

人們所以青睞水電，不僅由于它是用之不盡的能源，而且是經(jīng)濟(jì)上最劃算的能源，其能源回報(bào)率也最高。能源回報(bào)率是指一個(gè)發(fā)電站在運(yùn)行期內(nèi)發(fā)出的電力與它在建設(shè)期、運(yùn)行期為維持其建設(shè)、運(yùn)行所消耗的所有電力的比值。如以一個(gè)火力發(fā)電廠為例，建設(shè)期和運(yùn)行期所消耗的所有電力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、煤炭消耗、制造、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程的耗能。按照這一定義可估算出各種能源開發(fā)方式的能源回報(bào)率：水電在170以上，遠(yuǎn)高于風(fēng)電的18～34，生物能的3～5，太陽(yáng)能的3～6，核電的14～16和傳統(tǒng)火力發(fā)電的2.5～5.1。發(fā)達(dá)國(guó)家憑借資金、技術(shù)和市場(chǎng)機(jī)制等多方面的優(yōu)勢(shì)，比發(fā)展中國(guó)家早30多年優(yōu)先完成了本國(guó)水電的開發(fā)任務(wù)。

在過(guò)去的100多年時(shí)間里，水電發(fā)展十分迅猛，截至2008年，全世界水電裝機(jī)容量8.87億千瓦，年發(fā)電量3.35萬(wàn)億千瓦時(shí)，占全部電力供給的20%。在有些國(guó)家，主要靠水電提供動(dòng)力，有55個(gè)國(guó)家一半以上的電力由水電提供，其中24個(gè)國(guó)家這一比重超過(guò)90%。到2010年底，我國(guó)全國(guó)水電裝機(jī)容量達(dá)到了2.134億千瓦，年發(fā)電量6622億千瓦時(shí)。

水力發(fā)電的基本原理

當(dāng)水由高處流向低處時(shí)，利用水流帶動(dòng)水輪機(jī)，繼而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，將勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能。這就是水力發(fā)電的基本原理。除了利用天然水流的水能進(jìn)行發(fā)電外，我們還可以在用電低谷時(shí)將水抽到高處，將電能轉(zhuǎn)換為水的勢(shì)能，在用電高峰時(shí)再用這些水來(lái)發(fā)電，這就是抽水蓄能電站。

一個(gè)水電站的裝機(jī)容量和發(fā)電量是怎么算出來(lái)的？在開發(fā)河川的水電時(shí)，一般都必須首先修建攔河壩。如圖所示，河面上A、B兩點(diǎn)的水位差H稱為水電站的“水頭”。水流集中之后，通過(guò)壓力水管向水輪機(jī)供水，水壓力推動(dòng)水輪機(jī)在電磁線圈中轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生交流電。從而完成了勢(shì)能——?jiǎng)幽堋娔艿霓D(zhuǎn)換。當(dāng)流量為Q，則單位時(shí)間內(nèi)水頭總勢(shì)能E=QpgH。式中p為水的密度，每立方米1000千克，g為重力加速度，每千克9.8牛頓。因此，水輪發(fā)電機(jī)組的輸入功率為W=9.8QH。因?yàn)樵谡麄€(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中不可避免地存在著各種能量損失，所以實(shí)際水電站的輸出功率需要乘一個(gè)水力發(fā)電效率系數(shù)。大型水電站高達(dá)90%以上。

三峽工程逐漸打造成為著名的水電科普教育基地。 攝影/陳文

水力發(fā)電原理圖

一般水電站都安裝有一臺(tái)或者多臺(tái)發(fā)電機(jī)組。每臺(tái)發(fā)電機(jī)組，都有自己的設(shè)計(jì)最大功率，稱之為單機(jī)容量。隨著機(jī)械制造業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)80年代最大的水輪發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量已超過(guò)了70萬(wàn)千瓦。三峽電站采用的就是這種大型水輪發(fā)電機(jī)，該水輪機(jī)直徑超過(guò)10米。一個(gè)水電站的裝機(jī)容量就是該電站所有水輪發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量之和。例如三峽電站的總裝機(jī)容量為2250萬(wàn)千瓦，包括32臺(tái)70萬(wàn)千瓦機(jī)組和供機(jī)組自用電的2臺(tái)5萬(wàn)千瓦機(jī)組。而這里講的裝機(jī)容量就是一個(gè)電站單位時(shí)間內(nèi)最大的發(fā)電能力。

實(shí)際上電站的發(fā)電量受到河流流量的限制。中國(guó)河流水量季節(jié)性強(qiáng)。在枯水期，由于水量不夠，通常只有少量機(jī)組在工作。另外在洪水期，水庫(kù)為了防洪，也不可能把所有來(lái)水儲(chǔ)備起來(lái)，以備枯水期使用。這樣算下來(lái)，中國(guó)水電站水輪機(jī)組年平均發(fā)電一般只有4000～5000小時(shí)。例如，三峽電站的年均設(shè)計(jì)發(fā)電量為847億千瓦時(shí)，不到三峽年最大發(fā)電能力1971億千瓦時(shí)的一半。