robin g. charlwood
us society for dams & acres international
seattle, wa usa
贾金生、郑璀莹译,　 蒋国澄、郭军校
摘要: 本文旨在回顾作为水力发电、防洪、供水功能的美国大坝的现状和主要作用，内容包括在建坝的建设，已建坝的修复、改造，以及坝的拆除。本文归纳了当前大坝管理工作，包括大坝运行和监测过程中的安全维护实践，阐述了关于拟建大坝的关键问题和趋势。
关键词：水力发电；大坝建设；大坝修复；大坝拆除；大坝安全；新建大坝

1 美国大坝的作用

    水，在人类活动和自然演变中起着十分重要的作用。无论富有或是贫穷，无论生活在城市还是乡村，无论是否信奉宗教、是保守或是思想解放、是激进或是平和，水对所有人而言都是最重要的物质，但种种关于水的使用和控制水的观点却是大相径庭。 水是生命的载体，它是人类社会和自然不断进步以及提高生存质量的必需品。从世界范围或者美国情况来看，水资源是极其丰富的，但时空与地域分布不均匀，由此造成干旱和洪灾，给社会和自然环境带来很大的威胁。保证安全可靠的供水是维持一个健康、繁荣社会的关键所在，将已有的水资源按时间或空间、或者按时空重新分配是大坝及其水库的主要作用。

    在美国，大坝已成为国家基础设施中的重要组成部分。然而，这些大坝中有许多已经老化，当前的主要问题是如何维持其安全性，以及延长它们的使用寿命。为了满足某些特定需求，一些新的大坝正在建设，其中不乏较大的工程，一些老化或者失去功效的大坝正在被拆除。

2 已有大坝、在建大坝及修复工程

2.1 已建大坝概况

    根据国家大坝登记，美国现有大坝数目超过82,000座，其中6,975座大坝坝高超过15m，1,749 座大坝坝高超过30m，如图1所示。

    这些大坝的建设时期如图2所示。显然，大坝正在逐渐老化。目前，25%以上的大坝工作年限超过50年，而10年后将有50%以上的大坝服役年限超过50年（如图3）。

    在美国，大坝的所有权由私人（占58%）、当地政府、州政府和联邦政府持有，其比例如图4所示。

    这些大坝的主要功能包括旅游（以33%居首位）、防火及灌溉池、防洪、灌溉、供水、尾矿和水力发电等，其分布比例如图5 所示。

2.2 新建大坝

    最近5年内（1999年～2004年），有53座超过15m的大坝在建或已建成，其中包括高193 m 的seven oaks坝， 97m高的olivenhain坝，87m高的 diamond valley坝，34m高的 fortune坝， 50m 高的trask river坝和48m高的penn forest坝。

2.3 大坝的修复和更新

    许多大坝在进行修复或更新，其主要目的在于：

    - 大坝加高以增加库容；
    - 修复混凝土老化过程中的损伤，例如冻融破坏、碱骨料反应引起的混凝土膨胀，以及其它方面等；

    - 提高安全标准以满足新的、更高的要求，例如修订溢洪道泄流标准以满足泄放最大可能洪水的要求，或者提高大坝等级以承受最大可信的地震；
    - 对预先估计不足的潜在隐患采取修补加固措施，如对有液化危险的水力冲填坝或建在易液化基础上的大坝进行加固；
    - 加固溢洪道闸门，尤其是弧形闸门及其枢轴。
这些修复更新工程的造价从几万美元到几亿美元不等，如对南卡莱纳州的saluda坝提高了其抗震标准，加固的费用达数亿美元。这些工作是国家对大坝的重要投入，同时也体现了这些大坝的价值。

3 大坝的退役、拆除以及河流的恢复

3.1 概述

    在美国，随着有文献记载的500余座已老化大坝的拆除，大坝拆除（退役）已被大家接受并成为处理已丧失功能的大坝的措施。见表1。

    由表1可以看出，这些退役坝大多都属于小坝。在许多情况下，这些坝拆除后能给社会和自然环境带来一定的益处。然而，从河道上拆除一座坝并不总是一个合适的解决问题的办法。事实上在拆除工程中，如果规划考虑不周会引起难以预料的严重后果。另一方面，现有文献资料也不足以证明“拆除大坝能增进河流生态系统健康”这一论断。

    在过去的几十年里，恢复河流形态和天然河道成为许多工程追逐的目标。在整个北美地区有上百万美元的资金已投入，或将要投入到河道恢复工程中去。这些工程都旨在使河流回复到未被干扰的自然状态、或简单地将河流恢复到自然状态。 然而，在很多情况下，这些工程目标并不总能达到，其原因为：

    (1)要确定构成河流系统的所有复杂的、动态的变量，并将其恢复到自然状态几乎是不可能的。
    (2)在有些情况下，无法确定河流被干扰前的形态。
    (3)即使可以将河流恢复到未被干扰时的形态，其恢复后的河流也不一定是可持续发展的或是人们预期的状态。

    通常，建立一个新的、自然的河流生态系统并尽可能保持该河流的形态是人们喜闻乐见的。 然而，在某些情况下，这些理想的河流形态可能与被干扰前的河流特征并不相容。因此， “恢复”这一术语的定义应该包涵更广泛的含义，即通过可持续管理进行河道的修复，使其功能更全面、河道更稳定。显然，为恢复河流确定一个可实现的目标对于成功实现河道恢复计划是极其重要的。

3.2 当前工作

    在北美洲，拆坝一直是一个激烈争论的焦点问题。一些激进的团体，例如美国河流组织指出许多老坝，尤其是位于东部和中西部的一些小坝，已经超过了其经济使用年限，应该给予拆除。环境主义团体利用联邦能源管理委员会(ferc，负责管理非联邦的发电大坝)修订许可证之机，将这些大坝作为攻击的对象。

    edwards坝位于缅因州，服役了162年后被拆除。拆除该坝的目的是为大西洋鲑鱼、条纹石酯和鲟鱼提供河段长为27km的新产卵栖息地，也是利益竞争双方消除分歧共同促成河流系统恢复的一个范例。在经过长达十年的激烈争论后，ferc于1997年提出的最终论证结果表明，拆除该坝带来的环境效益远远超过了其发电效益（原坝发电量很少）。此后进行了复杂的后处理工作，涉及到的部门包括大坝的所有者、州政府、奥古斯塔市(缅因州首府)和其它该地区的工业用户。

    一场全国性的激励争论曾在美国西北太平洋地区展开，讨论是否拆除位于lower snake河（该河段长140英里）上的四座大坝以恢复该地区濒临破产的渔业。这4座坝分别是lower granite坝，little goose坝，lower monumental 坝以及ice harbor坝，它们都建于20世纪六七十年代，当时的建设目标是提供廉价的电力、灌溉用水以及开通从北美大平原通向太平洋海岸运输粮食和木材的水道。美国陆军工程师团对改善鱼类通过lower snake河段的两种方案进行了可行性研究 ，方案之一是拆除这四座综合利用水库，但最终论证结果还是决定将其保留，其原因为：

    ―拆除这四座坝并不是恢复该河道满足大马哈鱼和虹鳟洄游条件的唯一出路；
    ―短期内河道中会出现较高的泥沙输移；
    ―目前还无法确定水库淤沙中沉积物可能造成的污染影响；
    ―拆除大坝会带来较大的负面经济影响；
    ―拆除大坝后河流自然形态的恢复需要较长的时间。

    推荐方案包括一系列结构上的、可操作的措施，使原有各项功能和过鱼能同时兼顾并达到最优。这些措施不仅能降低鱼过坝的死亡率，还能通过减少水中溶解氧改善幼鱼的生存的条件，同时提高运行的可靠性。使这一方案成立的关键因素包括：

    ―幼年和成年大马哈鱼，以及虹鳟的过坝存活率高；
    ―与 nmfs/usfws 2000的生态评估意见一致；
    ―对经济影响最小；
    ―对其它自然环境资源影响最小。

4 已建大坝的安全管理程序

4.1 责任

    在美国，大坝安全的责任分别由下列部门分担：

    -联邦政府拥有的大坝由其管理机构管理，例如美国垦务局（usbr），美国陆军工程师团等。
    -非联邦政府所有的、具有水力发电功能的大坝由联邦能源管理委员会（ferc）管理。
    -其它用于供水、灌溉等的大坝由各州负责，并依据美国大坝安全管理协会（asdso）制定的导则进行管理。

4.2 当前情况

    近些年，美国发生了一系列垮坝事件，在1999～2000两年间就发生了70例（见表2）。根据表中统计数据，失事的坝大部分为低矮的小坝。失事原因及失事大坝类型所占比例如图6所示。

4.3 大坝安全程序

    usbr 和美国陆军工程师团(usace) 拥有许多大坝，他们都有相应的大坝安全管理程序，包括通过监测大坝运行状态而开展的可能破坏模式的分析和一些风险评估程序，用以确定大坝安全等级提高和进行加固改造的优先次序。

    各州管理着数量众多的小坝。asdso最近对需要进行安全修复的各州辖管的坝进行了调查统计，结果表明需要投入362亿美元的资金才能完成这些工程的修复工作。

    联邦能源管理委员会（ferc）管辖了许多大坝，多年以来一直按照安全管理程序来运行。在大坝安全管理工作中，对于被认定有较大安全隐患的部位进行了各种修复工作。目前，ferc引入了与usbr相似的、基于可能破坏模式分析的新安全管理程序，下面将进行详细阐述。

4.4 ferc大坝安全管理思路与方法

    2003年，联邦能源管理委员会（ferc）引入了大坝安全状态监控程序（dspmp），作为对其管辖范围内的大坝进行安全管理的基本手段。该程序的详细介绍可从ferc官方网站的“大坝安全指南”中获取。(http://www.ferc.gov/industries/hydropower/safety/dspmp.asp).

ferc声明：
“这种创新的方法是一个更有效的辅助工具，大坝业主、工程师、管理者可以用这些工具对大坝进行合理的监测、评估和安全维护。
    对潜在安全隐患的部位，如果没能进行适当的监测和及时修复，则有可能继续发展。通过监控程序，（1）尽可能确定需要检查但被忽略的可能破坏模式；（2）确定如果按现今水平设计大坝是否还需要给予其它的考虑。
    对于ferc而言，目前是最好的时机，即将原有的大坝安全程序转向功能更完善、更全面的‘大坝安全状态监控程序’的新时代，这样可以尽可能准确的确定大坝可能存在的破坏模式。
    这将减轻对由传统方法难以检测到的、但可能存在安全隐患的部位的担忧。”

    在ferc推荐的方法和标准指导下编制了导则，其基本思想是，建立基于破坏模式思想的状态监控程序以协助ferc对水利工程的工作状况进行评估。这一程序包括：

    ―可能破坏模式分析(pfma)；
    ―开发大坝安全状态监控程序(dspmp)。

    可能破坏模式（pfma）是由执照持有者、独立顾问工程师和ferc工作人员共同确定的。
    dspmp是在pfma的基础上进行进一步开发，整合了执照持有者的运行、维护和检修程序。
    独立顾问工程师的检查工作和报告以及ferc的检查程序中也都要用到pfma和dspmp 。

    将可能破坏模式分析整合到状态监控程序中去，这大大提高了大坝安全程序的效率。通过从pfma获得的知识、观点和认识，pmpf的执行将变得更加有效。由此增加的大坝安全方面的价值包括：

    ―明确了纠正、澄清或补充对可能破坏模式及其假设的认识的数据及信息；
    ―确定最可能出现的破坏模式；
    ―确定了降低风险的可能；
    ―通过监控仪器和监控程序来获得可能破坏模式的信息，并给出大坝安全的最高风险；
    ―开发了一套操作程序，以确保运行过程中不会出现导致误操作的薄弱环节；
    ―提高项目工程人员、运行人员对大坝安全、大坝监测重要性的认识。

    尽管以往的大坝都进行例行的安全监测，但是规章制度中明确要求：所有工程，除输变电设施及发电装置之外，都应该由独立顾问工程师进行检查。另外，某些其它水工结构，例如渠道、渡槽、隧洞和压力钢管等，如果失事可能影响到公众安全，对这些工程也需要进行可能破坏模式的研究，这是因为这些研究涉及到所有失事后危及公众安全的大坝和工程。

5 关键问题和趋势

5.1 效益、关注的问题、造价及决策

    通常认为：

    (1)综合利用大坝及水库在国家尚处在发展中阶段时能产生显著效益；
    (2)取得效益的代价包括：

     -自然生态环境
     -利益分配不公平
     -移民
     -工程功能与社会需求不完全相一致

    (3)由于未进行合理的规划，许多工程投资的利用效率不很理想；
    (4)业主必须确保新工程在经过详尽的规划后再投入建设；
    (5)工程规划应该在整个流域规划的基础上展开。

5.2 新建大坝的规划—— ussd 的观点

    为了促进社会对大坝作用的了解，ussd对公众争论做出了反应，于近期发表了“立场观点”，概括了美国新建大坝的规划和通过审批所需要的程序（ussd, 2003）。该过程包括对可替代方案和持股者利益的详尽的、公开化的论证。下面给出了该文的主要选段：

    “水库和大坝的发展需要投入大量的公共资源，其中既包括了资金也包括自然资源。正因为此，我们需要在公正、高效、负责、公开和参与的基础上做出英明的决策和成功的工程规划。为满足社会需求来实现工程的功能远比为了建造一个工程而建工程更为重要。工程的项目负责人应该担负起责任，保证公共资源的有效利用和利益在受益方和受损方之间公平分配。工程建设必须以达到与资源的可持续利用、发展相平衡为基础上进行。

    一个成功的工程能够通过维护和改造来适应未来社会的挑战。此处阐述的决策制定过程可以用来与最可能成功的计划决策过程进行比较。当几个团体中的任何一个即可否定一项工程，而通常仅有一个团体能够获得该工程的实施权时，这样一个决策制定过程显得尤为必要。成功的决策制定是一个反复讨论修改的过程，每次修改都是一次优化过程，剔除一些比选方案，对工程项目的认识和比选方案评估深度都在不断增加。”

    “成功的水库大坝建设需要一套建立在公正、高效、负责、公开和参与的基础上的决策制定和工程规划程序。本白皮书中阐述的方法需要建立比选方案和进行筛选的过程，这一过程是在明确工程的需求和目标基础上来实现的，而方案的筛选过程和实施中充分考虑了直接相关者的公共利益。这一规划阶段的决策制定过程旨在有效确定既满足工程目标又能有效利用公共投资的工程比选方案 。在该过程中，担负的责任和公众参与使得决策是可行的。在比选方案筛选过程中采用的标准为工程实施获取的利益和所需的投资的担保提供了一套机制。这一过程支持公共资源在水库和大坝建设中的可持续发展。目前，该过程已经在地方政府机构承建的水库大坝工程中得以成功地实施，而此前还需要第二决策者的批准，其中需要考虑工程对机构财政费率的影响并获得纳税人的支持。”

    这样一个过程已经用在已于近期完工并获得极大成功的olivenhain 水库工程（位于加利福尼亚州）的决策和实施过程中。该工程的成功说明了一个重大工程是如何通过合适的程序在社会环境复杂的地区实施，并成为美国后续工程的范例。

6 关于美国大坝建设和维护的总体结论

    随着大坝的服役期的增长和社会需求的不断变化，坝工建设技术也日趋成熟。同时，对大坝进行修复和改造的周期也在缩短。当前建设的重点在于维持和拓延大坝的有效使用寿命，并加以改造以适应日益增长的、来自安全和环境方面更高标准的要求。

    目前，美国仍有新的大坝正在建设当中。这些坝是在新的、更广泛的论证和管理程序下进行规划和建设的。

    有一点很明确，大坝在美国的社会、经济和环境等领域中起着至关重要的作用，而且将会继续发挥它们的作用。