西南建坝要像"串糖葫芦"
2013/8/8 11:19:03 新闻来源：中国能源报
——专访国际水利学会副主席、世界泥沙研究学会副主席、清华大学教授王兆印
"下切是导致灾害的根本原因"
中国能源报：现在我国的水电站建设，基本上集中在西南地区，而这个地区地质灾害频发，无论是汶川地震还是"4·20"芦山地震，都验证了这一点。您认为是什么原因导致西南地质灾害频频发生？
王兆印：青藏高原抬升是导致西南地质灾害长期频发的重要原因。四川盆地是个非常坚固的地块，青藏高原抬升带来相对运动，而龙门山地震带恰好处在两者之间。目前龙门山地震带进入一个活跃期。一个断裂带在五年之内发生两次强震是非常罕见的，一般一次地震把积聚的能量释放，下次地震会发生在其他地方。四川、云南和甘肃南部正是高原抬升相对运动最强烈的地方，虽然地震释放了能量，但是很快又在这里集中。青藏高原抬升是个持续的过程，现在还在加快。未来十年内青藏高原的东部特别是龙门山断裂带很可能还要发震。
中国能源报：您的结论是如何得出的？
王兆印：我们在西藏、四川和云南可以找到青藏高原加快抬升的证据。随着印度洋版块向北与欧亚版块碰撞、推挤，高原抬升导致河床坡降和水能增加，冲刷河床造成下切。青藏高原东部的河流都在下切，近万年内下切的速度越来越快。下切的河流两岸的坡度可以达到30度，形成V型河谷，加速下切的河流两岸坡度超过30度，形成超V型河谷。青藏高原东部有很多这样的河谷。
中国能源报：河床加速下切和西南地区频发地质灾害有关联吗？
王兆印：河床下切是导致崩塌、滑坡、泥石流灾害的根本原因。触发的能量可以来自暴雨和地震。如果超V型河谷两岸高度达到几百米，岩石承受不住高压就会崩塌，例如雅鲁藏布大峡谷几乎天天都有崩塌。如果河床下切而切断了潜在的滑动面，山体失去了下部岩石的支撑，两岸坡度不用达到30度就会发生滑坡。潜在的滑动面可以是沉积岩的层面，也可以是不同岩土的交界面，或者是地应力造成的裂理面。因为滑动面看不见，而且没有触发能量时还可以在静摩擦力作用下保持稳定，所以滑坡比崩塌和泥石流更难以预测。崩塌滑坡提供了大量碎屑物质，暴雨激发下就会形成泥石流。所以说下切是地质灾害的根本原因，而四川、云南和甘肃南部是地质灾害的主要发生区。西藏东南崩塌滑坡很多，但人口稀少，造成灾害较少。
"不消能的防护，洪水一来，摧枯拉朽"
中国能源报：我们在西南地区建水坝，也会采取一些措施来应对自然灾害，效果还是不错的。为什么有些地方建拦挡坝或排导槽能源中国梦，反而起不了作用，这是什么原因？
王兆印：拦挡坝和排导槽能源中国梦都是有效的。但是如果不考虑消能，洪水能量积聚到一定程度，钢筋混凝土一样化为齑粉。河流治理和河流利用要做能量概算。天然情况下，水流能量通过摩擦、挟沙和河床结构消能达到平衡。如果能量增大（如高原抬升）或消能减弱（如减沙或结构破坏），就会发生冲刷和下切。水电开发通过大坝将水流能量蓄积，大部分转化为电能，其余部分通过坝下消能池消减。不论怎样治理和利用河流，必须考虑消能，否则河床会冲坏，水工结构会被洪水破坏。最近我到四川考察今年大水造成的灾害，汶川羌峰寨文化保护中心的刘阳告诉我，两年前为了修高速公路，把羌峰沟巨石构成的阶梯-深潭结构炸毁了，改成半米厚钢筋混凝土制成的泥石流排导槽能源中国梦。原来的羌峰沟河床结构有很强的消能作用，洪水速度慢，破坏力小。但是新建的光滑槽床没有消能作用，今年洪水一来就冲断混凝土沟墙，导致洪水和泥石流在沟墙外肆虐，冲毁房舍，死亡三人。可见，不考虑消能的拦挡坝和排导槽能源中国梦，难以抵挡洪水越聚越多的水流能量，很快被冲毁并造成灾难。
中国能源报：水电大坝是如何消能的呢？
王兆印：每个大坝都必须考虑消能。一般每个大坝下面都有消能池，这是因为没被转化为电能的多余能量，会在大坝下游造成冲刷，导致溃坝。现在通用的有四五种消能方式。过去中国用得比较多是水跃消能，但消能率不是特别高；后来用射流消能，比如二滩的水电厂大坝富余水量通过射流跌入消能池，消能池底部铺了八米厚的橡胶，橡胶的弹性在伸缩过程中把能量吸收掉。国外还采用一种阶梯消能，洪水溢出后沿着阶梯流下，一梯下来消一部分能量，最后把能量基本消除。此外还有一种孔板消能，不过会涉及气蚀问题。
中国能源报：这个阶梯消能是不是有点模拟天然河床结构？就像您做的阶梯-深潭系统消能防治泥石流那样？
王兆印：大坝消能阶梯是二维的，低流量消能效率高，大流量消能效率锐减。天然阶梯-深潭系统是三维的，不论低流量还是大洪水，消能效率都要好的多。四川清平乡文家沟2008年地震后发生了8000多万方的大滑坡，当年5场泥石流，死亡几十人。我们2009年仅用几十万元在文家沟模仿天然"阶梯-深潭系统"建造了33级人工阶梯-深潭，有很高的消能率，成功地控制了沟床下切和泥石流的发生。当年7月17日降雨量达90.9mm，超过2008年的最大日降雨量（88mm）。强降雨在绵远河文家沟口的上、下游多处爆发泥石流，而文家沟则始终保持平安，没有发生泥石流灾害。2010年初，文家沟利用灾后重建基金970万元，把我们的"阶梯-深潭系统"的巨石炸碎作为建筑材料，在沟内建设了20座坝及排导槽能源中国梦。但是7月28日刚刚竣工，8月13日的强降雨引发沟床下切和岸坡滑塌，形成特大泥石流，将所有大坝全部摧毁，造成12人死亡和巨大财产损失。
"不能创造'长藤结瓜'，
就做个'串糖葫芦'"
中国能源报：从生态和消能减灾角度出发，您对西南地区建坝有什么建议？
王兆印：高坝大库消能减灾作用小，对大坝上游有一定稳定作用，但对下游造成冲刷破坏。哪些坝为"高坝大库"呢？从对河流地貌演变的影响看，50米到80米是底线，超过的坝就是高坝。单个的高坝大库造成上下游的剧烈演变，破坏江湖关系，对生态的影响比较大。西南地区水电开发多采用低坝引水式发电，导致低坝和发电站之间几十公里河段完全没有径流，这对生态的影响是致命的，应该放弃，至少规定保持10%以上的基流量。中型坝群减灾效果好，对生态的影响小，应该提倡。
中国长江流域生态比黄河流域好得多，主要就是因为江湖连通。长江中下游就像"长藤结瓜"，洪湖、洞庭湖、梁子湖、鄱阳湖等通江湖泊就像是长江藤上结的瓜，这样的江湖联通体系形成多样性的栖息地，适合不同生物生存，对生态非常有利。如果我们在西南不能创造"长藤结瓜"，但可以做个"串糖葫芦"。所以我建议西南地区做中型坝群，从一个库到另一个库，就像"串糖葫芦"。
从减灾的角度看"串糖葫芦"最好能做到"首尾相连"。但从生态的角度看，库与库之间最好存在天然段，以便需要卵石激流河段的物种产卵。在坝下天然河段要注意消能，可以通过促进结构发育达到消能减灾。我们研究得出个重要定理：结构消能和推移质耗能对于河床稳定和防止下切的作用是等价的。水库拦截推移质泥沙，下游发生下切。但是，如果发育河床结构，如阶梯-深潭系统，就完全替代推移质，保持河床如同建库之前的情况。这样减灾问题和生态问题都解决了。
中国能源报：您比较一下，西南地区的金沙江、澜沧江，怒江，哪一个比较符合您心目中的"串糖葫芦"标准？
王兆印：就目前情况来看，怒江完全可以做坝群。怒江本底生态并不好，如果做成"串糖葫芦"的中型坝群，每一个水库不是很深，不易形成低氧低温层，生态会有很明显的改善。库群创造的深水缓流区会有利于许多新物种生存，生物多样性会明显提高。当然，原来的生物群也会受到影响，但负面的影响小于正面的影响。有人担心水库拦沙会导致下游严重冲刷，我们调查看到整个怒江泥沙并不多，中国境内基本都是卵石夹沙的河床，冲刷问题不会严重。
中国能源报：对于已经建成的高坝大库，如何在现有基础上更好地消能减灾呢？
王兆印：我根据等价率设想，如果没有推移质消能，可以增加结构来消能。例如在下切河段放置那种类似1998年洪水之后拿来护岸的高度一两米的四面体框架，阻力增大流速降低，大量消能防治冲刷，甚至可促进细沙落淤。大片河床同时做使得水位明显抬高，因此可以恢复江湖关系。这个在国际上也是没有过的，做多大、放多少、怎么投放，要通过大量实验研究和计算，但这个法子比建堰闸更环保、安全又省钱。 记者 胡学萃 实习记者 凌晨
"下切是导致灾害的根本原因"
中国能源报：现在我国的水电站建设，基本上集中在西南地区，而这个地区地质灾害频发，无论是汶川地震还是"4·20"芦山地震，都验证了这一点。您认为是什么原因导致西南地质灾害频频发生？
王兆印：青藏高原抬升是导致西南地质灾害长期频发的重要原因。四川盆地是个非常坚固的地块，青藏高原抬升带来相对运动，而龙门山地震带恰好处在两者之间。目前龙门山地震带进入一个活跃期。一个断裂带在五年之内发生两次强震是非常罕见的，一般一次地震把积聚的能量释放，下次地震会发生在其他地方。四川、云南和甘肃南部正是高原抬升相对运动最强烈的地方，虽然地震释放了能量，但是很快又在这里集中。青藏高原抬升是个持续的过程，现在还在加快。未来十年内青藏高原的东部特别是龙门山断裂带很可能还要发震。
中国能源报：您的结论是如何得出的？
王兆印：我们在西藏、四川和云南可以找到青藏高原加快抬升的证据。随着印度洋版块向北与欧亚版块碰撞、推挤，高原抬升导致河床坡降和水能增加，冲刷河床造成下切。青藏高原东部的河流都在下切，近万年内下切的速度越来越快。下切的河流两岸的坡度可以达到30度，形成V型河谷，加速下切的河流两岸坡度超过30度，形成超V型河谷。青藏高原东部有很多这样的河谷。
中国能源报：河床加速下切和西南地区频发地质灾害有关联吗？
王兆印：河床下切是导致崩塌、滑坡、泥石流灾害的根本原因。触发的能量可以来自暴雨和地震。如果超V型河谷两岸高度达到几百米，岩石承受不住高压就会崩塌，例如雅鲁藏布大峡谷几乎天天都有崩塌。如果河床下切而切断了潜在的滑动面，山体失去了下部岩石的支撑，两岸坡度不用达到30度就会发生滑坡。潜在的滑动面可以是沉积岩的层面，也可以是不同岩土的交界面，或者是地应力造成的裂理面。因为滑动面看不见，而且没有触发能量时还可以在静摩擦力作用下保持稳定，所以滑坡比崩塌和泥石流更难以预测。崩塌滑坡提供了大量碎屑物质，暴雨激发下就会形成泥石流。所以说下切是地质灾害的根本原因，而四川、云南和甘肃南部是地质灾害的主要发生区。西藏东南崩塌滑坡很多，但人口稀少，造成灾害较少。
"不消能的防护，洪水一来，摧枯拉朽"
中国能源报：我们在西南地区建水坝，也会采取一些措施来应对自然灾害，效果还是不错的。为什么有些地方建拦挡坝或排导槽能源中国梦，反而起不了作用，这是什么原因？
王兆印：拦挡坝和排导槽能源中国梦都是有效的。但是如果不考虑消能，洪水能量积聚到一定程度，钢筋混凝土一样化为齑粉。河流治理和河流利用要做能量概算。天然情况下，水流能量通过摩擦、挟沙和河床结构消能达到平衡。如果能量增大（如高原抬升）或消能减弱（如减沙或结构破坏），就会发生冲刷和下切。水电开发通过大坝将水流能量蓄积，大部分转化为电能，其余部分通过坝下消能池消减。不论怎样治理和利用河流，必须考虑消能，否则河床会冲坏，水工结构会被洪水破坏。最近我到四川考察今年大水造成的灾害，汶川羌峰寨文化保护中心的刘阳告诉我，两年前为了修高速公路，把羌峰沟巨石构成的阶梯-深潭结构炸毁了，改成半米厚钢筋混凝土制成的泥石流排导槽能源中国梦。原来的羌峰沟河床结构有很强的消能作用，洪水速度慢，破坏力小。但是新建的光滑槽床没有消能作用，今年洪水一来就冲断混凝土沟墙，导致洪水和泥石流在沟墙外肆虐，冲毁房舍，死亡三人。可见，不考虑消能的拦挡坝和排导槽能源中国梦，难以抵挡洪水越聚越多的水流能量，很快被冲毁并造成灾难。
中国能源报：水电大坝是如何消能的呢？
王兆印：每个大坝都必须考虑消能。一般每个大坝下面都有消能池，这是因为没被转化为电能的多余能量，会在大坝下游造成冲刷，导致溃坝。现在通用的有四五种消能方式。过去中国用得比较多是水跃消能，但消能率不是特别高；后来用射流消能，比如二滩的水电厂大坝富余水量通过射流跌入消能池，消能池底部铺了八米厚的橡胶，橡胶的弹性在伸缩过程中把能量吸收掉。国外还采用一种阶梯消能，洪水溢出后沿着阶梯流下，一梯下来消一部分能量，最后把能量基本消除。此外还有一种孔板消能，不过会涉及气蚀问题。
中国能源报：这个阶梯消能是不是有点模拟天然河床结构？就像您做的阶梯-深潭系统消能防治泥石流那样？
王兆印：大坝消能阶梯是二维的，低流量消能效率高，大流量消能效率锐减。天然阶梯-深潭系统是三维的，不论低流量还是大洪水，消能效率都要好的多。四川清平乡文家沟2008年地震后发生了8000多万方的大滑坡，当年5场泥石流，死亡几十人。我们2009年仅用几十万元在文家沟模仿天然"阶梯-深潭系统"建造了33级人工阶梯-深潭，有很高的消能率，成功地控制了沟床下切和泥石流的发生。当年7月17日降雨量达90.9mm，超过2008年的最大日降雨量（88mm）。强降雨在绵远河文家沟口的上、下游多处爆发泥石流，而文家沟则始终保持平安，没有发生泥石流灾害。2010年初，文家沟利用灾后重建基金970万元，把我们的"阶梯-深潭系统"的巨石炸碎作为建筑材料，在沟内建设了20座坝及排导槽能源中国梦。但是7月28日刚刚竣工，8月13日的强降雨引发沟床下切和岸坡滑塌，形成特大泥石流，将所有大坝全部摧毁，造成12人死亡和巨大财产损失。
"不能创造'长藤结瓜'，
就做个'串糖葫芦'"
中国能源报：从生态和消能减灾角度出发，您对西南地区建坝有什么建议？
王兆印：高坝大库消能减灾作用小，对大坝上游有一定稳定作用，但对下游造成冲刷破坏。哪些坝为"高坝大库"呢？从对河流地貌演变的影响看，50米到80米是底线，超过的坝就是高坝。单个的高坝大库造成上下游的剧烈演变，破坏江湖关系，对生态的影响比较大。西南地区水电开发多采用低坝引水式发电，导致低坝和发电站之间几十公里河段完全没有径流，这对生态的影响是致命的，应该放弃，至少规定保持10%以上的基流量。中型坝群减灾效果好，对生态的影响小，应该提倡。
中国长江流域生态比黄河流域好得多，主要就是因为江湖连通。长江中下游就像"长藤结瓜"，洪湖、洞庭湖、梁子湖、鄱阳湖等通江湖泊就像是长江藤上结的瓜，这样的江湖联通体系形成多样性的栖息地，适合不同生物生存，对生态非常有利。如果我们在西南不能创造"长藤结瓜"，但可以做个"串糖葫芦"。所以我建议西南地区做中型坝群，从一个库到另一个库，就像"串糖葫芦"。
从减灾的角度看"串糖葫芦"最好能做到"首尾相连"。但从生态的角度看，库与库之间最好存在天然段，以便需要卵石激流河段的物种产卵。在坝下天然河段要注意消能，可以通过促进结构发育达到消能减灾。我们研究得出个重要定理：结构消能和推移质耗能对于河床稳定和防止下切的作用是等价的。水库拦截推移质泥沙，下游发生下切。但是，如果发育河床结构，如阶梯-深潭系统，就完全替代推移质，保持河床如同建库之前的情况。这样减灾问题和生态问题都解决了。
中国能源报：您比较一下，西南地区的金沙江、澜沧江，怒江，哪一个比较符合您心目中的"串糖葫芦"标准？
王兆印：就目前情况来看，怒江完全可以做坝群。怒江本底生态并不好，如果做成"串糖葫芦"的中型坝群，每一个水库不是很深，不易形成低氧低温层，生态会有很明显的改善。库群创造的深水缓流区会有利于许多新物种生存，生物多样性会明显提高。当然，原来的生物群也会受到影响，但负面的影响小于正面的影响。有人担心水库拦沙会导致下游严重冲刷，我们调查看到整个怒江泥沙并不多，中国境内基本都是卵石夹沙的河床，冲刷问题不会严重。
中国能源报：对于已经建成的高坝大库，如何在现有基础上更好地消能减灾呢？
王兆印：我根据等价率设想，如果没有推移质消能，可以增加结构来消能。例如在下切河段放置那种类似1998年洪水之后拿来护岸的高度一两米的四面体框架，阻力增大流速降低，大量消能防治冲刷，甚至可促进细沙落淤。大片河床同时做使得水位明显抬高，因此可以恢复江湖关系。这个在国际上也是没有过的，做多大、放多少、怎么投放，要通过大量实验研究和计算，但这个法子比建堰闸更环保、安全又省钱。 记者 胡学萃 实习记者 凌晨
