学文网建坝拦水是人类生存的需要
人类的生活和生产活动离不开淡水，早期的人们都是依河流、湖泊而居。陆地上的淡水主要是降雨带来的，在地域和时间上分布是不均匀的。堆土成坝、拦蓄雨水是人类生存的自然选择。
实际上，在自然界中，天然的“拦水坝体”比较常见，尤其是在峰峦叠嶂的山区。地质变动(比如地震、火山、泥石流等)作用会形成各种堰塞体，挡住河流，形成一座座天然的“水库”。这些堰塞湖星罗棋布，截流雨水，滋养着生命，装扮着大地，形成一道道风景，比如四川九寨沟五花海，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，水面面积约8万平方米，“库容”约60万立方米。
除了这些天然存在的坝，动物们出于本能也会建“坝”。海狸是一种有趣的动物，像蜜蜂喜欢建造蜂巢一样，海狸在河流上用石块、树枝和淤泥在河流中筑起了漂亮的大坝。它们跑到岸边去啃树木，被咬断的树干横阻于溪流之上，使得海狸窝周边的水位抬升，仿佛是新居前的护城河一样，保卫这个家族的安全。这种“大坝”，最长可达300米左右，为捕鱼提供了方便。
海狸筑坝，是利用自然、享受自然的一种本能。人类在发展的进程中，一面和自然做斗争，一面在自然的提示下，开始懂得修筑人工防洪堤埂，以保护自己的农田和居所。随着对堤埂认识的提高，大坝的功能也随之增多。
天然形成的坝是“死坝”，只能拦河蓄水，形成湖泊，而人工建造的大坝是可调控的。可控制水流和水量，因而可兼顾水利的各种功能。在古代，人类筑坝，一方面是为了抵御洪水的侵袭，另一方面主要是为了灌溉取水之用。后来，筑坝蓄水还产生了改善航运、养鱼、发电等多种效益。所谓“兴利避害”，大坝是一个绝佳的体现。大坝是真正的“水利”工程，是人类和自然和谐相处的一个重要部分。
我国水库大坝建设的历史源远流长。见诸于文字记载的最早的蓄水坝，是相传建于公元前598～前591年间的安徽省寿县的“芍陂”――安丰塘坝，坝高6.5米，库容约9070万立方米，是中国古代四大水利工程之一。芍陂的建成，使得安丰地区年年粮食丰收，一跃成为春秋时期楚国的经济要地。到了北魏时期，郦道元所著的《水经注》对安丰塘坝有比较详尽的描述：“北有淮水，南有比淠水，西有如溪水，东有淝水。”安丰塘犹如一个大湖，四周设5门，只有淠水流入，其余4门为放水或调节水量之用。北魏之后，历朝历代都曾多次修复和更新改建，仅明清两朝的修治就有20余次。时至今日，安丰塘水库已运行了2600多年，且仍在农业生产方面发挥着巨大作用。
在中国，江河治理，代代相传，历史悠久。但大坝建设一直以来发展较慢。根据1950年国际大坝委员会(Internationa]Commission on Large Dams)统计资料，全球5268座水库大坝(坝高高于15米)中，中国仅有22座，数量极其有限，与国际上比较，无论水库总的库容还是水电总的发电量都处于非常落后的阶段。1950年之后，特别是改革开放30年多来，中国的水库大坝建设和坝工技术有了突飞猛进的发展。到2008年底，中国已建和在建的30米以上大坝5443座，对我国的防洪、灌溉、供水和能源产生了巨大效益。
防洪是大坝的重要功能
人们需要水，有水才能生存。但人们又怕水，因为河流来水不均，往往导致水患不断。在出现修建现代化水库技术以前，利用堤防防御洪水是主要的工程措施，有文字记载便有了防洪，距今已有5000多年的历史。但出现较大洪水时水会漫堤而出，冲毁家园，良田变为鱼泽。从古至今人们经常采用的一种方法是，选择低洼的、有一定容积的、经济相对不发达的地区容蓄洪水，这就是蓄滞洪区。为了减小洪水造成的损失，人们要准备一个天然的“大盆”来削减洪水的威力。蓄滞洪区是以堤防防洪的重要辅助设施。一旦需要分洪时，蓄滞洪区的人们就要遭殃了。我们为什么不能建一个“大盆”，把洪水的势头留在盆中呢?人造水库就是这样的“大盆”，现代水库大坝的建设，实现了对洪水来量的调节，使得人类在与洪水的斗争中又增添了一种有效的新手段。以三峡工程为例，水库正常蓄水位高程为175米，防洪库容为221.5亿立方米，形成了一个巨大的“大盆”。
1917～1g23年，美国密西西比河支流迈阿密河上建成5座典型的专用防洪水库，总库容10亿立方米，防洪能力巨大。新中国成立初期，全国仅有大型水库6座、中型水库17座和一些小水库。1949年以后，我国全面进行江河治理，兴建了许多水库，完成了大量的防洪任务。
那么对于一座水库大坝工程，调度的依据是什么?各种水位和各种库容是依据什么确定的，这些又有什么意义呢?下面我们通过一个简***来说明。
为了保证汛期水库能够起到防洪作用，达到削减洪峰，降低下游的防洪压力的目的，水库都会在汛期洪水未到对，腾出库容，以准备迎接洪水的到来。***中所示的防洪限制水位即为汛期洪水未到前允许蓄水的上限水位，即汛限水位。这个水位以上的库容是作为滞蓄洪水的库容，只有在发生洪水时，为了滞洪，水库水位才允许超过防洪限制水位。当洪水消退时，如汛期未过，水库应尽快地泄洪，使水库水位迅速回降到防洪限制水位。
设计标准洪水即防洪规划和防洪工程预计设防的最大洪水，当发生大坝设计标准洪水时，从防洪限制水位经水库调节后所达到的坝前最高水位，称为设计洪水位；水库或大坝按设计标准洪水进行设计，但常用更高一级的洪水标准进行校核。校核防洪标准就是水库防御非常洪水的能力。当发生大坝校核标准设计洪水时，水库坝前所达到的最高水位，称为校核洪水位。校核洪水位与防洪限制水位之间的库容称为调洪库容。校核洪水位以下的库容为总库容。
三峡工程的防洪作用
我国古代，云梦泽一直是滞蓄长江洪水的天然场所。云梦泽是湖北古湖泊群的总称，南以长江为界，面朝北则是连绵不断的湖泊与湿地。早在先秦时期，云梦泽的面积约26000平方公里，每年汛期，江水携带着大量泥沙“侵入”泥沙随着流速的减慢淤积了下来，云梦泽的面积逐年缩减。春秋战国以后，农耕文明发展起来。人们为了保护已开垦出的土地，开始修筑堤防。逼使荆江河段水位抬升，江水自城陵矶开始倒灌人洞庭湖，云梦泽消亡了，洞庭湖替代云梦泽成为又一个滞蓄长江洪水的天然场所。随着泥沙的不断淤积，洞庭湖的水面面积和容积日渐萎缩，现在只有3000多平方公里了，其滞蓄长江洪水的能力大为削弱。这就逼使大量洪水直接从荆江河槽下泄。然而，时至今日，荆江河段的安全下泄流量只有6万立方米／秒左右。因此，每到汛期，荆江河段的洪水水位高出两岸地面6～10米，时时威胁着洞庭
湖区和江汉平原1500万人民生命财产的安全。
兴建一个能够调蓄长江洪水的水库，使其能像曾经的云梦泽和洞庭湖一样来滞蓄和调蓄长江洪水，使长江中下游免遭洪水灾害，就成为了人们的梦想。在荆江河段上游，科学家们通过大量的勘探、测量与科研，寻找了几十年，论证了几十年，终于找到了理想的坝址，并决定兴建三峡水利枢纽工程。因此防洪是兴建三峡工程的首要出发点。
三峡工程正常蓄水位175米时，防洪效益十分显著。如遇“千年一遇”或类似1870年特大洪水，枝城洪峰流量可以从原来的11万立方米／秒，经三峡水库调蓄后，下降到71700～77000立方米／秒，配合运用荆江分洪工程和其他分蓄洪区，控制沙市水位不超过45米，使荆江南北两岸、洞庭湖区和江汉平原避免发生毁灭性灾害。使荆江河段防洪标准从“十年一遇”提高到“百年一遇”，即遇到不大于“百年一遇”洪水时，经三峡水库调蓄后，可控制枝城流量不超过56700立方米／秒，沙市水位不超过44.5米，可不启用荆江分洪区和其他分蓄洪区。
提高了对城陵矶以上洪水的控制能力，配合丹江口水库和武汉附近分蓄洪区的运用，可避免武汉市遭受洪水侵袭。
三峡工程的建设就能有效控制上游来水，减少汛期分流入洞庭湖的洪水和泥沙，不但可有效减轻洪水对洞庭湖区的威胁，还可延缓洞庭湖泥沙淤积速度，延长洞庭湖寿命，并为洞庭湖的治理创造了条件。若遇特大洪水需要运用分蓄洪区时，因有三峡水库拦蓄洪水，还可为分蓄洪区人员转移、避免人员伤亡赢得时间。
从去年的洪水看三峡工程防洪
2010年7月，长江上游干流发生了1987年以来的最大洪峰流量，高达7万立方米／秒，比1998年63300立方米每秒的流量还要大，同时由于长江汛期的提前，6月份的降雨使得长江下游水位甚至比1998年同期的水位还高。
1998年，曾经有350公里长的干堤用临时加子堤进行防洪，大堤曾出现了70000多处险情，其中干堤上有9000多处，危及到2300人的生命安全；有1075个圩垸堤防垮塌，动用了670多万人，包括民兵预备役、武警、战士等进行大堤的抢险和抢护。而2010年干堤只是出现了一些散浸等小险情。
之所以能够这样，除了1998年以后荆江大堤加固以外，三峡大坝的防洪调蓄能力发挥了巨大作用。高达7万立方米／秒的洪峰在进入三峡库区以后，以4万立方米／秒的流量下泄，削减洪峰下泄流量3万立方米／秒，使得上游来水没有和下游洪水交汇在一起，有效地减轻了长江中下游的防洪压力。三峡大坝拦蓄洪水达到了70亿立方米左右。
面对这么大的洪水，三峡工程自身是否危险呢?正如陆佑楣院士在接受采访时所说：“没危险，真的没危险，最好来一场特大洪水来考验一下三峡工程本身设计标准非常高。今年这场7万立方米／秒流量的洪水。还不到二十年一遇。为了保证大坝安全、可靠，它的设计标准是千年一遇的，也就是9.88万立方米／秒的流量。”
由于长江流域面积很大，全长6397公里，有180万平方公里，几乎占全国国土面积的1／5。这么大的面积内，自西向东，其降雨的时空分布是不均匀的，这就导致了长江洪水的形成是一个复杂的过程。
从长江水系及干流主要城市***中可以看到三峡大坝位于长江干流上，其巨大的防洪库容可以有效拦蓄上游洪水，使上游来水不与下游洪水交汇，减轻下游防洪压力。但是，当下游或者支流洪水迅猛，形成洪涝灾害时即使不与长江干流来水交汇，三峡大坝有再大的防洪库容也无能为力。
长江流域内现有水库的蓄水能力还不到长江年径流量的20‰而美国胡佛水库本身的库容量已经超过了科罗拉多河的年径流量，加上科罗拉多河上其他水库的库容，人工水库的蓄水能力已经超过了科罗拉多河年径流量的4倍。所以这些水库不需要考虑防洪调度，汛期就直接蓄水。相比于国际上其他河流的防洪体系，要建设完备的长江流域的防洪体系，还有很长的路要走。
可以说，长江全流域的防洪是一个系统工程，这个系统中包括水库、大堤、分洪区等工程。干支流上都要有相应的防洪工程予以配套。当然，防洪体系中的非工程措施，比如气象预报、水情预报、科学调度等也是重要的组成部分，只有各个环节完备，且都被充分调动起来，才能形成一个总体上有效的防洪体系。
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何谓百年一遇的洪水?
天有不测风云，人们无法准确预知雨量，更无法控制降雨，但我们可以根据以往的记录总结规律，以便采取相应的应对措施。在一年当中，总有一些时段降雨较多，成为汛期；不同年份降雨又有很大差别，有些年份会形成特大洪水。大江大河到了汛期的时候，媒体报道中常常出现类似“十年一遇百年一遇、千年一遇洪水”的术语，也有“二十年一遇、五十年一遇、万年一避洪水?等等，这些并不是简单的时间概念，而是历史上曾经发生过的洪水概率值的另一种习惯性叫法。科学家们根据历史上记录每年洪水流量，计算出当年洪水流量在历史上出现的概率。当上游来的洪水流量与往年相比出现的概率为10％的时候，人们习惯地称其为十年一遇洪水；当概率为1％的时，称其为百年一遇洪水；当概率为0.1％的时，称其为千年一遇洪水；其他以此类推。
每一个概率值都有一个相对应的洪水流量。这是采用概率论和数理统计学的原理和方法，根据实测和调查的历史洪水系列，选用皮尔逊Ⅲ型理论概率曲线来计算确定洪水统计参数，从而推求出相应于各种概率的洪水流量。实测或调查到的洪水系列的年限越长，推求出的概率及其相对应的洪水流量愈准确。百年一遇洪水是不是一百年才遇到一次呢?应当说不是的。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。因为百年一遇是一个理论概率，它与多少年出现一次是既有关联又有区别的两回事。
举一个简单的例子大致能够说明这一问题。一枚硬币分为正面和背面，我们手持这枚硬币将其竖立起来，并使其在光滑的平面上转动，当它停止转动平落下来时，可能正面朝上，也可能背面朝上；从理论概率来分析，正、背面朝上的概率均为50％，用洪水概率的说法是=次一遇。而实际出现的次数绝对不会总是一次正面、下一次背面地交替出现。总体说来，防洪标准越高，大坝越趋于安全。比如三峡大坝防洪设计标准为千年一遇设计，万年一遇校核，但并不是说遇到千年一遇洪水、万年一遇洪水都不会发生洪涝灾害，目为这里说的标准是对坝体本身的安全而言，即使遭遇千年一遇洪水、万年一遇洪水，三峡大坝也本身不会漫坝、垮坝，而三峡工程的防洪功能是把荆江河段的防洪能力从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。
粮食生产和生活用水需
要大坝
大坝与粮食安全
“水流到哪，哪里就有粮食。”在世界各干旱地区，均流行着类似的说法。虽然地球上并不缺水，但在地域上和时间上水量分布极不均匀。在天然的条件下，很多地区土壤水分状况往往难以满足作物的需要，在干旱地区和干旱季节尤其如此。我国是一个农业大国，人口多，耕地少，水资源总体上短缺，且季节性、区域性分配不均衡，这就决定了中国的农业生产必须走灌溉之路。
所谓灌溉是指用人工设施将水输送到农业土地上，补充土壤水分’改善作物生长发育条件。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罗河洪水修建淤灌工程。19世纪，灌溉事业开始在世界范围内大力发展，英国工程师们在尼罗河修建了一批拦河坝和渠系工程，将洪水漫灌改为常年灌溉。至1985年，全世界灌溉面积已占耕地的16‰与此同时，灌溉系统也随之渐渐完备。从水源取水，通过渠道、管道及附属建筑物输水、配水至农田进行灌溉，环环相扣。在水资源短缺或者分配不均的国家和地区，用水库蓄水，被广泛采用。
我国的河套灌区，沃野千里，所谓“大河三面环之，谓之河套也”。这里光照充足，作物种类很多。全年日照3100-3200小时，无霜期120-150天。早在秦汉时期，汉武帝就曾对此地进行过开发。清代，随着农垦事业的发展，河套灌区有了比较大的发展。成就了“黄河百害，唯富一套”的美誉。
然而，由于河套灌区“深居内陆”，年降水量仅130-250毫米，而年蒸发量达2000～2400毫米。降雨量少，蒸发量大，属于典型的没有引水灌溉便没有农业的地区。早年间更以“旱年水不进渠，汛期泛滥成灾”闻名。20世纪50年代以来，为解决农业引水灌溉问题，这里兴建了三盛公水利枢纽工程，开挖了输水总干渠，才使得河套灌区引水有了保障。
三盛公黄河水利枢纽工程，坐落于巴彦淖尔市磴口县境内的总干渠的入口处。黄河流经巴彦淖尔市345公里，灌溉丰饶的河套平原，主要靠东西长180多公里的总干渠。三盛公水利枢纽工程恰似总干渠的心脏，是一座以灌溉为主，兼有航远、公路运输、发电及工业供水、渔业养殖等综合利用的闸坝工程。三盛公水利枢纽修建以后，河套灌区引黄有效灌溉面积5740平方公里，成为全国3个特大型灌区之一。
在我国，粮食安全基本依靠灌溉农业，以2000年为例，全国灌溉农田的水稻平均亩产约为460千克，其他灌溉粮食作物平均亩产约为350千克，而雨养粮食作物平均亩产仅为140千克，一般灌溉农田的粮食产量要比非灌溉农田的产量高1～3倍。目前，中国的地表水灌溉面积占70.4‰地下水灌溉面积占29.6％。地表水灌溉面积分为从水库取水灌溉和从河道及湖泊取水灌溉两部分。其中，由水库提供灌溉水源的耕地约占1／3。水库成为了确保粮食安全的重要保障。
大坝与供水安全
农作物生长需要充足的水分保障，人类生活和工业生产同样离不开水，一个城市断水几天是不可想象的。城市供水系统包括取水、输水、水处理、配水4个部分。取水包括地下水和地表水。随着城市的建设、发展和人口的增长，城市用水量逐年增长，城市用水的供需矛盾也日趋尖锐，许多城市地下水位逐年下降或者几近枯竭。特别是我国北方城市，由于河流、湖泊的地表水年内分配不均、年际变化很大，供需矛盾更加突出。相比其他供水方式，大坝蓄水的供水方式具有可调控、稳定、保证率高的特点。
据统计，包括我国北京、天津、深圳和香港特别行***区在内的近百座大中城市的居民生活和工业用水的全部或部分依靠水库供水，例如，密云水库是北京市民用工业用水的主要来源，至2010年已运行了50年，累计向北京供水248亿立方米，向天津供水92.5亿立方米，向河北供水21.5亿立方米。1982年以后，密云水库主要功能从防洪、灌溉逐渐转变成为供水。为缓解北京用水紧缺局面，密云水库停止向河北、天津供水，只担负北京农业、城市生活和工业用水，成为北京最重要的饮用水源。从1999年起，由于连年干旱，水库水位持续下降。自2002年起，水库停止向农业供水并削减工业供水，主要承担城市生活用水。现在，密云水库供水量占居民生活用水的60‰
当前，我国水资源短缺的矛盾十分尖锐。全国正常年份缺水总量约为400亿立方米。全国660个城市中，有400多个城市不同程度缺水，其中100多个城市严重缺水。据估算，2005年我国因旱灾造成的直接经济损失达1986亿元，超过当年因洪涝灾害造成的经济损失。近几年全国每年工业缺水40亿～60亿立方米，因工业缺水造成的经济损失达2000亿～3000亿元。此外，缺水还影响到城乡人民的饮水安全，并导致一系列生态环境问题。
缺乏必要的工程调蓄手段是导致缺水的主要原因之一，严重威胁供水安全。目前我国已形成近6000亿立方米的供水能力，其中通过大坝水库拦蓄调节的蓄水供水仅占1／3，供水保障程度低。从已有数据分析，我国蓄水工程对地表水的调蓄控制能力明显不足，远低于美国、加拿大、俄罗斯、墨西哥等国家。保障供水安全是关系国计民生的大事，直接关系到社会稳定和粮食安全，因此修建大坝水库来增加调蓄能力是保障国家供水安全的战略选择。
水能是回报率最高的能源
筑坝用于防洪和灌溉是保护家园和农业生产的需要，在工业***以后，人们发现天然水流和大坝蓄水中蕴藏着巨大的能量，而这种能量可以转化为电能得以更广泛的应用。从此以后，大坝不仅仅用来防洪和灌溉，对于条件许可的地方还可以利用大坝蓄水发电，后来许多大坝都兼有三者的功能。由于水力发电的巨大吸引力，甚至在一些地方专门建造大坝来发电。
位于英国诺森伯兰的克拉格赛德是世界上第一座被水电照亮的建筑。1882年9月30日，世界上第一座商用水电站在美国威斯康辛州的Appleton成功开始运行，装机约12.5千瓦。1910年，中国近代实业家王鸿***等在云南昆明市郊螳螂川上建成了我国第一座水电站――石龙坝水电站，最初装机容量仅为480千瓦。
人们所以青睐水电，不仅由于它是用之不尽的能源，而且是经济上最划算的能源，其能源回报率也最高。能源回报率是指一个发电站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、运行所消耗的所有电力的比值。如以一个火力发电厂为例，建设期和运行期所消耗的所有电力既包括直接能源消耗，如机械设备运行。照明耗能等，也包括建筑材料、煤炭消耗。制造、运输等过程的耗能。按照这一定义可估算出各种能源开发方式的能源回报率：水电在170以上，远高于风电的18～34，生物能的3～5，太阳能的3～6，核电的14～16和传统火力发电
的2.5～5.1。发达国家凭借资金、技术和市场机制等多方面的优势，比发展中国家早30多年优先完成了本国水电的开发任务。
在过去的100多年时间里，水电发展十分迅猛，截至2008年，全世界水电装机容量8.87亿千瓦，年发电量3.35万亿千瓦时，占全部电力供给的20‰在有些国家，主要靠水电提供动力，有55个国家一半以上的电力由水电提供，其中24个国家这一比重超过90‰到2010年底，我国全国水电装机容量达到了2.134亿千瓦，年发电量6622亿千瓦时。
水力发电的基本原理
当水由高处流向低处时，利用水流带动水轮机，继而带动发电机进行发电，将势能转换为电能。这就是水力发电的基本原理。除了利用天然水流的水能进行发电外，我们还可以在用电低谷时将水抽到高处，将电能转换为水的势能，在用电高峰时再用这些水来发电，这就是抽水蓄能电站。
一个水电站的装机容量和发电量是怎么算出来的?在开发河川的水电时，一般都必须首先修建拦河坝。如***所示，河面上A、B两点的水位差H称为水电站的“水头”。水流集中之后，通过压力水管向水轮机供水，水压力推动水轮机在电磁线圈中转动，产生交流电。从而完成了势能――动能――电能的转换。当流量为0，则单位时间内水头总势能E=QpgH。式中D为水的密度，每立方米1000千克，g为重力加速度，每千克9.8牛顿。因此，水轮发电机组的输入功率为W=9.80H。因为在整个能量转换过程中不可避免地存在着各种能量损失，所以实际水电站的输出功率需要乘一个水力发电效率系数。大型水电站高达90％以上。
一般水电站都安装有一台或者多台发电机组。每台发电机组，都有自己的设计最大功率，称之为单机容量。随着机械制造业和技术的发展，20世纪80年代最大的水轮发电机的单机容量已超过了70万千瓦。三峡电站采用的就是这种大型水轮发电机，该水轮机直径超过10米。一个水电站的装机容量就是该电站所有水轮发电机的单机容量之和。例如三峡电站的总装机容量为2250万千瓦，包括32台70万千瓦机组和供机组自用电的2台5万千瓦机组。而这里讲的装机容量就是一个电站单位时间内最大的发电能力。
实际上电站的发电量受到河流流量的限制。中国河流水量季节性强。在枯水期，由于水量不够，通常只有少量机组在工作。另外在洪水期，水库为了防洪，也不可能把所有来水储备起来，以备枯水期使用。这样算下来，中国水电站水轮机组年平均发电一般只有4000～5000小时。例如，三峡电站的年均设计发电量为847亿千瓦时，不到三峡年最大发电能力1971亿千瓦时的一半。