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我国水利技术的巨大进步

已有 3249 次阅读 2022-4-28 21:38 |个人分类:气候生态|系统分类:科研笔记

我国水利技术的巨大进步

我国从建国初期开始大力修建水利工程,一直到现在没有停下脚步。回顾这七十多年兴修水利的历史,是一部技术进步的历史,是一个装备进步的历史。也是一个从小型水库到大型水库,从低坝到高坝,从在支流修建到在主干道修建的一步步进步过程。其中有许多艰辛,也有一定的挫折,但是我们终究一步步走向强大。

在技术上,我们从以土石坝为主,到以重力坝,再到大量修建拱坝的历史进步,从混凝土单曲拱坝到混凝土双曲拱坝的历史跨越。修建高度上从过去只能修建百米以下的低坝,到可以修建百米以上的高坝,发展到今天我们可以修建270米以上的超高坝。我们从过去只能在大江大河的三级支流四级支流上修建小型水库,逐渐可以在二级支流甚至主干河道上修建大型控制性水利工程,这种进步是永久的,是影响深远的,使得我国的防洪抗旱的能力从过去无能为力到现在可以防控百年的大水灾。我国水利建设七十年的主要成就主要表现在:第一,治理面积的全面覆盖。第二,多种水利措施一起治理,分布在江河的各级支流。第三,土石坝居多,土石坝的在拦洪抗旱贡献也最大,在造地上表现最突出。第四,混凝土坝越来越多,尤其是最近二十年以来。第五,坝的种类越来越多,坝的规模越来越大,坝的技术越来越复杂。第六,水利技术的用途越来越广泛,越来越综合化。第七,水坝建设向调水工程逐渐过度,水坝成为调水系统的一部分,而调水的主要目的过去是向城市供水,全局性大规模调水才刚刚起步。

水库的坝型主要有土石坝、重力坝、拱坝和堆石坝。土石坝是指由土、石料等当地材料填筑而成的坝,是历史最为悠久的一种坝型,土石坝是世界大坝工程建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。重力坝是用混凝土或石料等材料修筑,主要依靠坝体自重保持稳定的坝。拱坝是固接于基岩的空间壳体结构,在平面上呈凸向上游的拱形,其拱冠剖面呈竖直的或向上游凸出的曲线形的拱形挡水建筑物,借助拱的作用将水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩。与重力坝相比,在水压力作用下坝体的稳定不需要依靠本身的重量来维持,主要是利用拱端基岩的反作用来支承,拱圈截面上主要承受轴向反力,可充分利用筑坝材料的强度,因此是一种经济性和安全性都很好的坝型。堆石坝泛指使用石料经抛填、碾压等方法堆筑成的一种坝型,因为堆石体是透水的,故需要用土、混凝土或沥青混凝土等材料作为防渗体,堆石坝比较少见。从工艺上来说,重力坝需要混凝土钢筋等,所以在建国初期比较少见。而拱坝不仅需要混凝土钢筋来建造,而且需要复杂的建筑工艺,因此也是最近几十年才发展起来的。由于拱坝设计精巧、结构合理、厚度减小,坝体高,所以目前的拱坝可以达到300高度,远比重力坝和土石坝的储水量大。

我国建国前三十年,总共修建了大大小小水库8万多座,这些水库九成以上是土石坝水库,分布在全国各个河流的三级、四级支流上。在七十年代以后,我国又陆续在各大河流的二级支流,甚至主干道上修建了许多重力坝和拱坝。形成的格局是“上游、中游、下游的联动”,水力资源梯级开发,防洪抗旱一体化,既能够防洪储水,又能够抗旱灌溉,实现的上下游航运,发电,排洪防旱综合利用的总格局。

上世纪五十年代修建的大的水利工程主要有官厅水库(库容41.6亿立方)、三门峡水库(库容360亿立方)、密云水库(库容40亿立方)、怀柔水库(库容1亿立方)、新安江水库(库容178亿立方),富春江水库(库容4.4亿)、汾河水库(容量7亿立方)。上世界六十年代修建的水库主要有,刘家峡水库(容量57亿立方),丹江口水库(库容290.5亿立方),花凉亭水库(总库容23.98亿立方)等。

目前,我国的各个大江大河基本上都得到了治理。包括长江、黄河、黑龙江、松花江、珠江、雅鲁藏布江、澜沧江、怒江、汉江、辽河、塔里木河、海河、淮河。据统计,水利部2021年公布的全国的大型水库一共有710座,其中北京市4个,天津市3座,河北省23座,山西省11座,内蒙古16座,辽宁省34座,吉林省19座,黑龙江省29座,上海市1座,江苏省6座,浙江省34座,安徽省14座,福建省21座,江西省32座,山东省38座,河南省26座,湖北省73座,湖南省50座,广东省39座,广西省61座,海南省10座,重庆市17座,四川省43座,贵州省25座,云南省13座,西藏自治区8座,陕西省13座,甘肃省10座,青海省13座,宁夏1座,新疆自治区12座,新疆建设兵团11座。

截止2021年中国人工水库排名前10的大水库分别是:第一名三峡水库,位于湖北宜昌长江主干道上,2010年完工。第2名:丹江口水库(大坝从162米加高至176.6米,最大库容339.1亿立方米,水库总面积达102275平方公里。)第3名:龙羊峡水库(最高水位2607米,相应的最大库容为276.3亿立方米,面积约390平方公里,最大坝高178米。正常蓄水位2600米,库容为247亿立方米。)第4名:糯扎渡水库(2014年全部9台机组都将投产。大坝坝高261.5米,正常蓄水位812米,相应库容217.49亿立方米。最大蓄水位816米,最大库容237.03亿立方米。)第5名:新安江水库(就是著名的千岛湖,最大坝高105米,坝顶高程115米,正常蓄水位108米,相应库容178.4亿立方米,水库面积573平方公里,最高水位114米,最大库容216.26亿立方米,水库面积580平方公里)第6名:龙滩水库(龙滩水库的建设经历了两个时段。大坝一期工程坝高192米,坝顶高程382米,正常蓄水位375米,相应总库容162亿立方米;二期坝高216.5米,坝顶高程406.5米,正常蓄水位400米,总库容272.7亿立方米。)第7名:小湾水库(小湾水库大坝坝高294.5米,是目前中国已建成大坝中第三高坝。坝顶高程1245米,正常蓄水位1240米,相应库容151.32亿立方米,面积193.98平方公里。)第8名:新丰江水库(新丰江水库是华南最大的人工湖,又名万绿湖,总面积1600平方公里,其中水域面积370平方公里,蓄水量约139亿立方米。正常蓄水位116米,坝高105米,坝顶高程124米。)第9名:水丰水库(水丰大坝坝高106.6米,坝顶高程126.4米,正常蓄水位123.3米,相应库容121.1亿立方米,面积357平方公里。)第10名:溪洛渡水库(溪洛渡大坝坝高278米,坝顶高程610米,正常蓄水位600米,相应库容115.7亿立方米。最大库容129.14亿立方米)。现在我们的最高坝记录是小湾水库,大坝坝高294.5米,是目前中国已建成大坝中第三高坝。

现在我们来回顾一下各个大江大河的治理情况:

我国大河长江的治理:

根据统计,长江流域目前一共有51643座水库,其中大型水库282座,中型水库1543座,小型水库49818座,大中小型水库分别占0.55%2.99%96.46%;水库总库容3606.89亿立方米,大中小型水库分别占79.86%11.50%8.64%;兴利库容1799.91亿立方米,大中小型水库分别占74.55%13.6%11.77%;防洪库容765.82亿立方米,大中小型水库分别占85.89%8.29%5.82%(以上叙述的已经建成的、在建的、规划的总库容超过880亿立方米)。大约可以揽储全长江流域三分之一的径流量。防洪库容也大概是全部夏季洪水的三分之一。长江一共有八个较大的二级支流,分别是雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江、汉江、沅江、湘江、赣江八条支流,目前长江上的中小型水库现状如下:雅砻江上游河段规划10个梯级电站,中游河段规划6个梯级电站,下游河段河段规划5个梯级电站。沱江流域内建有各类蓄水工程12万余处,其中大型水库1处,中型水库28处,小型水库1811处。嘉陵江现已开发小水电站91处。汉江是河长1577千米,到解放前夕,汉江流域主要的灌溉工程有汉惠渠、褒惠渠、湑惠渠等,流域内建成大中小型水库2700余座,总库容近330亿立方米。已建成固定机、电排灌站7000余处,是目前水利设施比较健全的长江支流。乌江干流全长1037公里,有可供建设水电站的位置266处。沅江干流规划按25级开发,总装机容量5199.34MW,已建、在建梯级有16座。赣江赣州以下河段有六级开发方案。

黄河上现在一共有19个水电站,3个水库,7个水利枢纽。分别是:西霞院反调节水库、小浪底水利枢纽、三门峡水利枢纽、天桥水电站、黄河龙口水利枢纽、万家寨水利枢纽、三盛公水利枢纽、青铜峡水利枢纽、黄河沙坡头水利枢纽、乌金峡水电站、大峡水电站、黄河小峡水电站、八盘峡水电站、黄丰水电站、积石峡水电站,寺沟峡水电站也叫炳灵水电站、刘家峡水电站工程、盐锅峡水电站、苏只水电站、公伯峡水电站、康扬水电站、李家峡水电站、尼那水电站、拉西瓦水电站、龙羊峡水电站、班多水电站、黄河源水电站。黄河流域是我国修建小型土石坝水库最多的河流,不仅土石坝水库多,还修建有大量淤地坝。据调查统计,经过50多年的建设,黄土高原地区现有淤地坝11万余座,淤成坝地450多万亩,可拦蓄泥沙210亿m3。主要分布在陕西(36816)、山西(37820)、甘肃(6630)、内蒙(17819)、宁夏(4936)、青海(3877)、河南(4147)等七省(),其中陕、晋、蒙三省区共有淤地坝9万余座,占总数的82.5%

黑龙江上有134家水电站,大型水库有三个;松花江上有56座水库;乌苏里江上有13座水库。珠江上有7个湖泊,28个水库。辽河上有10座较大的水库。海河上建大小水库1900多座,总库容达265亿立方米,控制了山区流域面积的83%,还兴建了水电站119座。淮河是新中国成立后第一条有计划地、全面治理的大河。目前淮河流域已建成大中小型水库5700多座,总库容约300亿m3,其中大型水库38座,总库容200.4亿m3,防洪库容58.55亿m3;中型水库184座,总库容约为60.27亿m3。塔里木河流域修筑水库130多座,引水口138处,抽水泵站400多处。目前雅鲁藏布江、澜沧江、怒江上只有少量水库,没有得到大力开发。

我国的调水工程

我国目前已经实施的调水工程主要有:南水北调工程、引滦入津工程、引汉济渭工程、引黄入淀工程、引松入长、引嫩入白、辽宁东水西调、三江连通、引大入秦、引大济涅、引挑供水、景泰川电力提灌、黑河引水、引额济克、引额济乌、塔里木河生态输水、引哈济党、滇中调水、黔中调水、漓江生态补水、引滦入津、引滦入唐、引黄入晋、引黄入冀、引黄济津、引黄济青、引江济太、引江济淮、江水北调、青草沙水源地原、沂沐泗、闽江北水南调、福建北溪引水、东深引水、西江引水、南渡江引水等等工程。

“南水北调”即“南水北调工程”,是中华人民共和国的战略性工程,分东、中、西三条线路,东线工程起点位于江苏扬州江都水利枢纽;中线工程起点位于汉江中上游丹江口水库,供水区域为河南,河北,北京,天津四个省(市)。引滦入津工程将河北省境内的滦河水跨流域引入天津市的城市供水工程。引汉济渭工程通过98公里长的隧洞把汉江的水引入关中平原,年引水量15亿立方,目前98公里隧洞已经打通。另外中国还有多个引水工程在建。引水工程无疑是水库修建浪潮之后的另外一个浪潮。标志性的工程主要有南水北调中线工程的引水渠的建成,引汉济渭工程的98公里长的穿越秦岭的隧洞的建成等,都是我国水利技术跃升的标志。

目前雅鲁藏布江、澜沧江、怒江上只有少量水库,没有得到大力开发,而长江主干道的中上游段也没有大力开发。因为这些地方开发难度大,落差大,水坝高、蓄积量很大。但是近二十年以来中国在大型水坝上的建设成绩斐然,科技含量高的水坝越来越多,在落差大、水能大、条件恶劣的地区修建水坝的能力越来越强。

我国在长江主干道上修建的著名的三峡大坝是混泥土重力坝。三峡水库,位于湖北宜昌长江主干道上,库容393亿立方米,大坝坝顶高程185米,最大浇筑坝高181米,正常蓄水位175米,水库面积约1084平方公里,2010年完工。中国设计建设的龙滩碾压混凝土重力坝,第一期工程的最大坝高192 米。龙滩水库位于广西省天峨县的红水河上,总库容272.7亿立方米,世界上最高的碾压混凝土大坝,最大坝高216.5米,坝顶长832米,2007年建成。在中国,60年代初建成高106m的河南三门峡重力坝和高105m的浙江省杭州市淳安县新安江宽缝重力坝;70年代建成了高 147m的甘肃省刘家峡重力坝和高90.5m的海南省琼海市牛路岭空腹重力坝。80年代又建成了高165m的遵义市遵义县乌江镇乌江渡拱形重力坝。

长江主干道上目前有六个大型水库,分别是葛洲坝水库,三峡水库,向家坝水库,溪洛渡水库,白鹤滩水库,乌东德水库。向家坝水电站位于金沙江,上距溪洛渡水电站坝址157公里,下距宜宾市区33公里,是混凝土重力坝,最大坝高162米,2012115日首台机组投产。溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县交界的金沙江下游河段溪洛渡峡谷,大坝为混凝土双曲拱坝,坝顶高程610米,大坝建基面高程332米,拱冠顶厚14米,拱冠底厚60m米,最大坝高278米,2015年工程竣工。白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县境内,库容206亿立方米,拦河坝为混凝土双曲拱坝,高289m,坝顶高程834m,顶宽13m,最大底宽72m2021628日白鹤滩水电站正式投产发电。乌东德水电站位于云南省禄劝县和四川省会东县交界,为中国第四、世界第七大水电站,其挡水建筑物为混凝土双曲拱坝,坝顶高程988米,最大坝高270米,底厚51米,厚高比仅为0.19,是世界上最薄的300米级特高拱坝,也是世界首座全坝应用低热水泥混凝土浇筑的特高拱坝,总库容76亿立方米,2020629日,乌东德水电站首批机组正式投产发电。

由以上叙述可以看出,我国的水坝技术已经从土石坝向超高型重力坝,超高型拱坝,混凝土双曲拱坝等方向发展。溪洛渡水电站,白鹤滩水电站,乌东德水电站都是混凝土双曲拱坝,坝高分别是285.5米,289米,270米,混凝土双曲拱坝代表了当前中国水坝技术的最高水平。

我国的这些水库技术的进步,引水工程的进步对于我国有什么重要意义呢?

第一,我国初步实现了大江大河的梯级水力开发,储水联动。有效地利用了各个海拔的水力资源。但是目前长江中上游、怒江、澜沧江、雅鲁藏布江流域由于山大沟深、落差大、需要修建超高坝,条件艰苦而没有很好地利用。

第二,形成我国洪水可以有效储存、旱地可以浇灌的旱闹丰收的水利格局,通过水库储水、水渠灌溉把水浇灌到每一块农田。目前灌溉农业搞得最好的是北方地区,关中平原、河套平原、华北平原、临汾平原、新疆、甘肃等都有大量的灌溉农业。但是,依然存在库容不足问题,某些地区无法灌溉问题,水源不足问题,还有江南和秦岭以南地区排洪问题,储洪问题。

第三,我国目前的水库和引水工程的配合配套并不完善。引水工程需要水库,尤其是大型水库的有力配合,水库是引水的源头,没有好的源头,引水渠就难以发挥良好的作用,大量的旱地就无法浇灌。只有真正可以修建超高水库,那么许多引水工程,调水工程才可能实现。在金沙江、雅砻江、澜沧江、怒江上需要很多坝高超过300米、甚至500米的超高水坝才能够让水跨过分水岭,实现调水。所以我国对于超高坝的强烈需求是客观存在的,需求量是很大的。如果有了坝高超过500米的水坝,那么从怒江、金沙江向黄河流域引水就非常方便了。虽然目前我们已经有了很多水库,但是依然和引水工程配合不够紧密,有很大潜力可挖,引水技术还有待进一步提高。

第四,实现江河联通,实现江河之间的水资源自由调度,缺盈互补。最终的目的是实现各个地区、南北方、东西方之间的互利协调发展,实现水资源的互利调节利用,均匀分布。让中华大地永无水灾,永无旱灾,这是我们的最高理想。当然,这个理想距离我们太遥远。我们必须首先做好向大西北调水的各种事情。

通过以上的技术总结,意义叙述,我们再展望一下中国未来的水利新技术:

在水坝建设上,我国还需要在青藏高原、横断山区修建多个500米以上的大坝,尤其是在雅鲁藏布江下游。那么未来的超高坝能不能还修建双曲拱坝呢?我认为已经不能了。未来的趋势是拱坝、混凝土重力坝和土石坝的高度结合,它的触水面依然是拱坝形式,但是在拱坝的背水面一定是和重力坝结合在一起的,重力坝以“田”字形和拱坝结合在一起,拱坝相当于“田”子的上横,通过钢筋水泥浇筑“山”形,然后在“田”字的四个小方格内填埋沙土,最后形成有巨大靠背的拱坝。每一个“田”字的横竖的宽度都在20多米以上,填埋的宽度在50米以上,总的水坝厚度超过160米,足以抵挡超大水压,而且受力均匀。这种水坝应该可以修建的高度应该在500——1000之间。

水利的第二个需要大力发展的技术是开凿隧洞技术,隧洞技术提高了可以替代渡槽技术,代替巨型抽水站技术,也可以代替倒虹吸技术。我国目前在引汉济渭工程中修建了98公里的水利隧洞,在引额济克工程中也修建了长隧洞,但是远远不能满足客观需求。目前隧洞开凿主要的方向是5G技术在开凿机械的使用,AI技术在智能盾构机上的使用,盾构机的改进,水刀技术在在开凿机械的使用,还有尽量能够把电磁炮技术使用在水利隧洞的开凿上等等。

希望我们的水坝技术、隧洞开凿技术更上一层楼,早日实现南水北调工程,早日建成中国水网。

 

 




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