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1、我所看到的美国水电何学民谈密西西比流域的综合开发及其借鉴意义 如果说科罗拉多河泥沙含量大，类似中国的黄河，那么密西西比河地域和河流的许多特性就类似于中国的长江。只有了解美国密西西比河流域的水利水电水运开发情况，才算是真正了解美国水电。 密西西比河由阿肯色河、密苏里河、田纳西河、克伯兰河几条主要河流组成，在分别介绍这几条河流的水电开发之前，首先侧重从水运方面介绍美国密西西比河的总体情况。1.密西西比河概况密西西比河是北美洲最长的河流，全长为6262公里，列世界第四长河。密西西比河的干流和支流，流经美国31个州和加拿大2个省，流域面积达322万平方公里，居世界第五位。密西西比河的主要支流包括：伊利
2、诺斯河、密苏里河、俄亥俄河、田纳西河、阿肯色河等，形成一个庞大的水系，是美国内河航道网的主干，流向自北向南。2密西西比河的开发、管理和整治密西西比河的开发、管理和整治由密西西比河委员会集中负责，由美国工程师兵团具体实施。经过一个多世纪的开发和治理，密西西比河水系已经发展成为集航运、防洪、发电、供水、灌溉、娱乐、环保于一体的综合利用水系。21密西西比河的开发整治简史为了稳定河势，充分发挥密西西比河的综合功能，从1820年美国国会开始讨论发展内河航运的法令以来，先后通过了多项防洪、航运的法令或法律，保证了内河开发有序地进行。1825年密西西比河和伊利运河初步建成。长581千米的运河，沟通了伊利湖与
3、哈得孙河流域，由此形成了以密西西比河和五大湖为主干的美国航道网，对美国的中西部经济的早期开发起到了重要作用。通过伊利运河连接了阿巴拉契亚山以西的中部大平原，大量货物通过水运使位于哈得孙河口的纽约港格外繁忙，成为美国东海岸最大的港口。为了更好地开发和利用密西西比河，1879年美国国会成立了密西西比河委员会，负责包括航运等综合整治工作，统筹有关的财政预算。上世纪30年代罗斯福总统执政期间，美国修建了流经7个州的跨流域的田纳西运河，保护和开发了3000万英亩的土地，安排和创造了大量的就业岗位，密西西比河所产生的巨大社会经济效益，一直作为罗斯福新政的重大成就享誉世界。没有当时美国工程师兵团修建的180
4、00公里运河，没有田纳西运河为龙头的众多基础设施建设，很难想像美国能一跃成为世界头号经济强国。由于密西西比河中下游在洪水期间不适合航运，所以很早以前美国国会就有人构想以田纳西汤比格比运河作为从田纳西河到墨西哥湾的航运替代线路。由于该方案施工困难，一直未付诸实施，直达1964年4月，密西西比州哥伦布市才首次大胆提出在田纳西汤比格比运河（253英里长）修建中使用核爆破。美国耗资1700万美元对用核爆炸物建设运河的可能性进行研究论证，由于核装置的安全性问题比较突出，再考虑到可能与核条约发生冲突，科学家建议仍采用传统的方式来建造这条运河。最终在20世纪90年代前，田纳西汤比格比运河工程竣工通航，达到通
5、行万吨级船队的水运水平。2.2建设水运工程也是水能开发的重要方式人们通常认为，所谓水能开发就是建设水电站开发水电资源，实际上，建设水运工程也是水能开发的重要方式。在山区建设公路，通常是沿着江边修筑，但与此同时也给环境带来影响，同时公路运输也需要消耗油料。而水运成本低廉，在树枝形河系中，水网纵横交错，水运具有难以比拟的优点。由于对水运航道的高度重视，密西西比河上游及其四大主要支流伊利诺斯河、俄亥俄河、田纳西河、阿肯色河全部实现了渠化，建设通航梯级100多个，船闸130多座，下游重点是浚深航道，同时开挖人工运河，使各大河流相互沟通，在美国东部形成了密西西比河干流和支流直达、江河湖海沟通、四通八达的
6、水运网，降低了运输成本。美国内河运输的运费与铁路和公路的运费之比约为l：4：30，因此内河运输具有得天独厚的优势。今日，远洋船只可以往上游航行到圣劳伦斯海道，再由大湖区到芝加哥，再由芝加哥运河连接密西西比河，而从密西西比河的支流密苏里河又可延伸到西部内陆平原。因此，美国有从大西洋经过五大湖到中西部密西西比河流域再到墨西哥湾的水路航线网。美国农业与工业制品可由水路网运往沿岸城市及远洋港口。美国煤炭通过纵横交错的水运网络非常方便也非常便宜地运送到全美各地的燃煤发电厂，从而有效地降低了电力工业运营的成本。23美国密西西比河综合治理的经验据美国专家介绍，密西西比河综合治理的经验可总结为以下几条：政府重
7、视、颁发法律、有序开发。是一个特别重视立法的国家，通过立法，未雨绸缪的对未来的工程建设计划进行规划。使水利水电水运工程建设有法可依。委托工程师兵团进行实施，从水利水电水运三个方面进行科学规划和建设。航道、船闸、船队尺度标准统一、性能优良，做到了系列化、规范化和标准化，不仅提高了航运效率，而且便于维护。重视科研在河流治理和工程建设中的作用。每年政府都有大量的经费投入到维克斯堡水道实验站，进行相关研究、成果转化、数学模型、物理模型、数学生态模型实验等，优化比选方案，为工程设计、施工和维护等提供保障。倡导公众参与，增强河流意识。在密西西比河下游的图尼卡县建立了密西西比河流博物馆，将河流变迁、河流贡献
8、、人河相处、生态环境、善待河流等知识，或以图文并茂，或以实物模型直观明了地向公众宣传。24美国的河流综合开发的一些作法与我国存在差异在美国的水利水电水运开发中，为最大程度地增进附近居民的理解，获得附近居民的支持，美国的水电机构都非常重视科普工作。如在密西西比河流博物馆，就采用透明的有机玻璃圆筒展示出河流上游、中游、下游直至河口的河床泥沙组成和泥沙沉积物的厚度，直观明了地将河流动力学、河床演变学、泥沙运动力学等深奥的专业知识非常形象地呈现在公众的眼前；在博物馆附近河道的高滩上矗立着几个高矮不一的白色圆柱，很有艺术感染力。这些圆柱的高低正是不同频率洪水的水位，使公众在欣赏这一艺术作品的同时也增加了
9、不同频率洪水的水位、淹没范围等知识，自觉地增强了防洪意识。特别值得一提的是美国密西西比河流1993年发生了特大洪灾，造成了巨大的损失，促使美国人对密西西比河的洪水管理进行反思。按照我们的思维习惯，遭受到这么大的损失，一定会痛定思痛，在密西西比河流的中下游地，区合适的地方，建设一座巨型水坝拦蓄洪水，但是美国的水利水电专家竟没有人提出这一方案。这非常值得深思。3密西西比河生态保护问题河流是一种财富方式。由于很多企业和个人都希望自己能从利用河流中获得财富，因而会出现很多矛盾。1927年人们游说国会议院在增加水深让密西西比河流通航的时候，招来了铁路公司最坚决的反对因为一旦航运，就会抢走铁路的货物运输业
10、务。同时随着水位的提高，铁路公司将不得不架设桥梁，建设更大的涵洞，并增加防止水流侵蚀铁轨方面的成本。很多环保团体也强烈反对坝闸系统，最早的反对者是美国工程师兵团的一位工程师豪尔，当他在依阿华州的野生动物学校演讲时，他警告听众：“闸坝可能带来负面影响，使河流成为下水道，河水腐臭导致鱼类死亡”。为此环保团体专门成立了渔业局生物调查组织，帮助美国工程师兵团克服船闸建设过程中的环境问题，并努力寻找解决问题的良策。“密西西比河不仅是一条河流，它还是美国河流多用途的最佳例证”。美国国会将密西西比河上游认定为具有国家重要意义的生态和河运系统。事实上的确如此，密西西比河是美国内陆唯一拥有这种功能的河流。这条河
11、流的生态系统既是鱼类、鸟类生活的家园，同时也是美国鹰类等鸟类迁移的走廊，为鸟类过冬提供了食物和栖息地。这里还有五座野生动物栖息地：密西西比上游栖息地、马可吐温栖息地、垂普露、明尼苏达河谷、伊里诺伊国家野生动物栖息地。沿着河流，共有300，000ACRE的森林地、山脉和湿地。美国国会还认为，这条河流产生了多方面的综合效益，因此必须在多重目的下进行管理和使用。首先是每年都有7000万吨货物-8500万吨货物被运送到密西西比河上游，所运送的农业产品、石油产品、煤炭都是最适宜水运的大宗货物，其中农产品占货运总吨数的50%以上。其次是河流上所修建的工程可以对河流进行调节，极大地改变了密西西比河流的水文地
12、质特性，密西西比河流域以前被洪水淹没的土地1200，000ACRE，现在有66%都被用来种植庄稼和放牧，通过河堤使这些农业土地与防洪区隔离。第三是发电效益，水电站群发出的强大的电能促进了密西西比河流域的经济发展，显著增加了美国的综合国力。密西西比河流域构成了美国最有产量的农业生产和工业生产区。密西西比河也是美国最主要的水运通道。但是，来自农业和工业的污染也严重影响着这条河流。尽管船闸和水坝有时候使水流中的鱼类和生物大大增加，但也使泥沙问题不断凸现，现在河谷中的冲刷率远远小于泥沙钓形成，使进入密西西比河的泥沙不断增加，泥沙在回水中沉积，给水中的生物系统带来了营养，也带来了杀虫剂等有毒化学物质。不
13、断沉积的泥沙降低了生物栖息地的品质，使一些动物产生了从水栖到岸栖的变异。为做好密西西比河的保护工作，美国专门成立了密西西比河上游保护委员会和下游保护委员会。密西西比河上游管理委员会生物专家曾经认为，泥沙的沉积对洄水的环境影响很大，如果不进行理论创新和研究创新，那么人们将很难有效防止。经过探索，现在上游委员会、有关各州和联邦政府开始通过环境管理项目（EMP）以不同的方式处理泥沙问题。在实施EMP项目中，美国渔业组织、美国工程师兵团和：五个上游州共同收集泥沙数据调查并寻：找管理替代方案，以减少泥沙沉积对洄水的影响。为有助于后代对密西西比河流资源的利用和管理，密西西比上游委员会提出需要发展全面的生态
14、系统管理战略来指导上游密西西比河流组织形成真正的伙伴管理。密西西比上游委员会提出的生态系统管理目标是发展统一的资源管理理论，保护和，增强密西西比河上游的生态系统，这种政策将有利于维持密西西比河自然资源的长期健康，能有效满足后代利用。为此，密西西比上游委员会认为这种生态系统管理很可能需要新的立法以改变一些制度框架，并将这一任务列为美国密西西比河上游今后50年的重要任务。结合密西西比河的情况，这里在谈一点对我国河流管理的认识。在“退耕还林”、“退牧还草”之后，我国还应该采取“退岸还河”战略，下决心将一些沿河而建的化工企业进行搬迁，以维护我国大江大河的生态安全。4美国密西西比河的泥沙问题及中美泥沙研
15、究的对比在进行水能开发以后，河流的流速就会明显缓慢下来，挟沙能力下降，从而出现泥沙淤积问题。由于泥沙问题困扰着美国密西西比河水运，所以美国的水利水电水运科学家对泥沙问题进行了很多的研究。在泥沙问题的研究领域，也许我国处于世界先进水平，但是在环境泥沙研究方面，我们却并不占优势。美国农业部国家泥沙实验室是专门研究泥沙问题的机构，主要研究工作是采用多学科交叉研究来解决流域土壤侵蚀、泥沙输移与沉积、高地和河流里化学物质的输移、农业耕作、河工工程以及河岸保护对泥沙和污染物输移的影响、生态友好河流等问题。研究范围从基本理论、工程应用到技术转化，非常广泛，以满足联邦和州政府的需求。美国农业部国家泥沙实验室建
16、有两个实验室，一个专门用于基本理论研究，在有限的空间里布置了紧密有序的实验水槽和仪器设备，降雨产流产沙、风浪流、泥沙运动、河岸侵蚀等领域的不少研究成果就是在这里完成的。另一个是为解决工程实际问题而建的实体模型实验室。 据有关材料介绍，美国农业部国家泥沙实验室近年来在河流生态恢复、河岸侵蚀机理以及河岸稳定性判别技术等方面取得不少创新成果。比如，在河岸侵蚀机理研究方面，并没有局限于传统的临界剪切力或临界流速等概念，而是从河岸不同组织材料的特性，计算不同水位的水压力和河岸空隙水压力的变化曲线，通过比较两者的大小确定河岸稳定的临界判别指标，给出了5种岸体材料和河岸6种植被情况下的河岸稳定的判别系数，为
17、-评估已建河岸的稳定性和新建河岸的规划设计提供了有效的工具。美国的泥沙研究多是结合环境影响、环境评估和环境修复进行的，在传统的河流泥沙、水库泥沙等研究方面处于次要地位，但利用先进设备和仪器进行泥沙运动机理的研究和泥沙量测方面仍比较先进。相比之下，我国在传统的泥沙研究和泥沙灾害处理的实践上居于国际领先水平，结合环境泥沙问题的研究虽有涉及，但在研究深度与广度上仍有待加强。泥沙研究应放在全流域的高度上，将流域的侵蚀产沙、泥沙输移、河道演变、河口响应、生态环境作为一个系统整体加以研究。在泥沙研究及生态环境等问题的研究上，美国物理模型实验研究渐少，而且物理模型实验多为基础性研究，模型尺度较小，实验设备先
18、进，在理论上的贡献突出。相比之下，我国在工程应用方面的模型试验研究能力、广度和深度均较强，在泥沙数学模型模拟精度上处于先进地位，尤其是在黄河高含沙水流这种特殊河流上的模拟具有独到之处。但也应该看到我国在数学模型上的通用性和商业化上的进展缓慢；不利于模型的提高和推广应用。美国的一些研究机构和大学非常重视基础理论研究。在完成必要的科研项目的同时，利用先进的实验仪器和设备、借助完善的数学模型，进行纯学术性的研究，在理论上取得了不少创新成果。此外，他们还对美国的地表侵蚀进行了深人研究，绘制了全国泥沙侵蚀模数、各河流含沙量、人海泥沙通量、以及海岸带泥沙通量等泥沙信息地图，对于从宏观了解国土类型和泥沙分布
19、具有重要意义。这些做法对我国很有启发价值。5水电可持续发展呼唤理论和研究创新流域梯级水电开发及规划，不但是涉及到水电产业的布局及发展的重大问题，而且也是区域经济发展的重大问题。对于密西西比河流域而言，由于其横贯美国，所以密西西比河流域的总和开发及治理，就远远超过了区域经济的范畴，上升到整个国家的发展战略高度，成为全国的经济发展战略课题。在我国长江流域的水电开发和综合治理其实也是涉及到中华民族子孙后代的千秋伟业，影响极其深远：为此，我们必须借鉴美国密西西比河水系的综合开发及治理经验，大力开拓水电可持续发展理论，形成具有一定理论高度和思想高度的发展战略和水电产业理论，以指导我国的水电开发。尽管水电
20、可持续发展理论由三个方面组成，一是水电资源的管理理论，二是水电资源的开发理论，三是水电资源的维护理论，但水文学和水资源学仍然是水电可持续理论的基础。通过对美国密西西比河的了解，深切地感觉到在水文及水资源研究方面，存在很多需要我国水电技术人员进行理论和研究创新的地方。过去讲水文，主要是为工程设计提供基本数据，考虑较多的是经济性、安全性，研究的是降雨径流。在水电可持续发展理论里面，则可能还需要考虑工程的环境影响、生态影响以及人文社会方面的影响。在传统的水利水电水运开发中，水文方面主要是关注局部，在水电可持续发展理论里面，需要拓展到全流域水资源的信息以及相关的一些信息。现代水文学不仅要对大气水、海洋
21、水、地表水大地下水，水圈和大气圈、岩石圈进行关注，还要关注目前的现状以及预测未来的变化，人类活动对区域水资源产生的多方面影响，其核心内容是区域和全球水温循环。现代水文学今后需要逐步地扩展到一些特殊区域、特殊类型的研究内容。比如说，遥感水文学、生物水文学、城市水文学等新的学科分支。在水电可持续发展理论里面，需要重新定义水资源学，有关的研究领域需要有所拓展：研究水资源形成、可再生的维持机理及时空变化规律、对水资源可持续利用的方式和对策；分析人类活动对水资源的影响；研究水与生态系统相互作用模式、机理、过程与效应问题，在利用方面上，提供科学合理的生态、生产、生活用水提供科学依据；致力于水资源开发的转移
22、式发展；促进水资源合理配置和高效利用；解决技术支撑，建立水资源监控体系，实施综合管理；分析水资源的能源效益、生态效益、生产效益、生活效益，利用计算机；建立水资源效益的核算体系。 此外，新的水资源学还需要充分考虑自然因。素和人类活动之间的相互作用、水盐平衡、水和能量的耦合循环、物理规律和统计规律、自然因素和人类活动。在利用层面上，要重视研究水资源开发利用对生态环境的影口向，需要从过去对物理过程的关注，转化到生物工程的关注。 水电可持续发展理论迫切需要理论创新，需要传统水电学术研究由窄幅研究向宽幅研究转变，由单一研究向复合研究转变，由工程研究向生态研究转变，由技术研究向管理研究转变，由水工模型试验向数学模型计算转变。只有实现了这五个转变，才能实现水电可持续发展的理论创新，才能使我国的水电开发提升到更高的境界。作者简历：何学民（1965-），河南省灵宝人，四川省电力公司干部，中国电力报驻四川记者站站长，高级工程师，是麦肯锡咨询公司及公司咨询顾问。