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杨勇:审视西南水电开发的地质风险和泥沙问题

作者:省级期刊
出处:www.lunrr.com
时间:2020-03-02

作者:杨勇资料来源:《科学时报》发布日期:2009年

杨勇:考察中国西南水电开发的地质风险和泥沙问题

哮天首都电站,摄于2008年10月14日下午,下游有水 哮天首都电站是一座引水式电站。 王忠禹/照片

哮天首都电站,摄于2008年10月22日下午,闸门关闭,下游无水,河床裸露 王陈勇/照片

四川冷竹关电站为引水式电站,下游完全被切断,白石外露。 易蓉蓉/照片

中国21世纪前20年的社会经济发展目标是到2020年将国内生产总值从2000年翻两番,达到45万亿元,届时人均国内生产总值将达到33,000元左右。 为了实现这一目标,全国电力装机容量将达到9.3亿千瓦。2006年,全国电力装机容量将达到6.2亿千瓦,其中水电装机容量为1.29亿千瓦。届时计划装机容量将达到3.28亿千瓦。 因此,在剩余的12年中,水电装机容量将增加1.99亿千瓦,这意味着在此期间,装机容量将每年增加1600多万千瓦。 同时,中国还计划建设一系列跨流域水资源配置项目。 中国河流开发建设的规模和强度是人类历史上前所未有的。

大力发展水电的倡导者认为,国家的经济发展需要电力和能源的支持,减少环境污染需要增加水电的比重。中国,特别是西南地区水电资源开发利用水平低于发达国家,开发量空非常大。 中国水电开发的主战场集中在西南地区的主要河流岷江、大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江及其支流

进入21世纪以来,中国水电建设进入了一个前所未有的快速发展时期,尤其是西部河流和小溪,它们同时起步,集群化、无序化、失控化发展。存在多样化、集体化、布局密集、高坝大库、装机容量超限、程序不完备、环境影响评价滞后、生态、移民、国际金融等问题。

根据国内外水电建设的经验教训和横断山区独特的地理位置,我们应该认真考察和研究我国西南横断山区水电开发的现状,特别关注其地质风险和泥沙问题。

风险:地震断裂带水电工程建设

横断山脉位于青藏高原东部。印度板块与欧亚板块相连,地壳运动仍然是最强烈、最复杂的造山带。它是扬子板块和冈底斯-印度板块之间巨型造山体系的组成部分。 其特征是发育良好的活动断裂构造,如挤压、褶皱和隆起,伴随着伸展、伸展和断裂,形成了冷谷交替和山间断陷盆地(湖)的纵向地貌,为河流的发育和水能的富集创造了有利条件。 随着青藏高原第四纪的快速抬升,周边岷江、大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江等河流被强烈切割,形成高山峡谷和多急流河谷。鲜水河断裂、龙门山断裂、安宁河断裂、小江断裂、澄海断裂、澜沧江、怒江断裂等区域断裂构造体系的频繁出现,使得这些断裂带沿线频繁发生强震。河谷两侧高陡边坡频繁发生大规模山体崩塌和滑坡,灾害面前形成了危岩。高应力地区河谷强切卸荷产生的大规模危岩对城乡工程建设和安全带产生了诸多不利影响。

近年来,国内外许多学者逐渐认识到在这些地质背景下发生灾难的可能性以及灾难应变研究的重要性。他们还认为,渐变、均匀变化和突变(巨灾)相结合的非线性循环演化是存在的,是充分理解地质规律的有力武器。灾害周期和地质周期的研究一直受到地质学界的重视。

多旋回造山运动是横断山区地质活动的一个突出特征,导致几个主要的地质构造系统在此汇合、复合、互穿和重叠,形成西北走向的青藏“德保”构造系统、西北走向的川滇子午构造系统、东北走向的新华夏构造系统和一些局部旋转的弧形构造系统,这些构造系统一般都具有拉、推、压的复性特征,特别是在既有左旋走滑又有右旋走滑的东部地区,而龙门山断裂带南段则表现为右旋走滑 地貌上,这些构造系统控制着山脉和河流的形成,并具有相应的趋势。

横断山区发育的山间河流都受地质构造控制,这些地质构造大多活跃,是地震多发地带

值得注意的是,金沙江、澜沧江和怒江形成了独特的三江并流:从西藏“傣族”构造带的转折点开始,它们一直从北向南行进,直到横断山脉中段的金沙江突然掉头向东,最后流向太平洋,造就了中国东部的营养和繁荣 从东北方向看,雅砻江、大渡河、岷江等河流与金沙江具有相似的特征。经过一段时间的平行,它们也沿着东北和东北方向曲折前进。在雅砻江锦屏大弯,描绘了一个类似金沙江石鼓大弯的反“氮”字形流向。大渡河和岷江也呈现出不规则的“L”形流向汶川地震震中位于岷江弯的拐点,东北200多公里的北川县也位于涪江上游的拐点。这些河流拐点都是活跃的 河流受构造断层控制,基本遵循区域复杂地质构造的分布规律。 然而,横断山的大部分水电工程都建在这条河的这些危险地段。

岷江紫坪铺电站坝址和库区位于龙门山中央断层和岷江弯转折点。岷江、沱江、涪江、嘉陵江上游数百座水电站建在断裂带上。他们受到地震的重创,60%的中小型发电站几乎无法恢复。 紫坪铺水库在地震发生前运行不到两年。 事实上,紫坪铺水电站的地质环境自汶川地震以来已经发生了变化。上游新增上亿立方米滑坡和泥沙源可能会缩短水库的使用寿命,使电站水库功能难以恢复到地震前状态,许多安全隐患尚未消除。

大渡河瀑布沟电站位于北西向道孚-康定断裂带(鲜水河断裂带)和南端北北东向龙门山断裂带的交汇处。大渡河在石棉向东弯曲,在这一段形成一个约50公里长的宽山谷。瀑布沟电站利用这个山谷修建了一座高186米、库容53.9亿立方米的大坝水库。上游和下游也正在建设梯级电站。 在这样一个潜伏了几十年的地质灾害地区,一旦一系列高坝和水库被蓄水,应充分注意对地质活动的影响。

锦屏一、二级巨型电站已在锦屏山反“北”型大弯开工建设。上游主坝高305米,库容77.6亿立方米。下游副坝是一座直流量大的导流电站。位于木里弧形断裂带和南北稻城-剑川断裂带复杂地质构造区,微孔板缝合带显示地质构造背景非常复杂。地震地质研究工作没有重大突破。地震活动长期处于休眠状态。然而,几百年来,邻近地区发生了几次强震。上游和下游正在实施梯级开发,将形成一个梯级开发。

13级规划在金沙江中下游石鼓以下(4级规划在进入长江后,包括石棚建设、小南海建设、三峡工程竣工、葛洲坝工程竣工)。它们分别位于南北方向的小江断裂带、安宁河断裂带和绿叶河断裂带,都是地震多发区。 正在建设的向家坝、溪洛渡、白鹤滩、乌东德和虎跳峡一号水库均为超大型高坝和大型水库电站,首尾相连,位于金沙江中下游。 虎跳峡的第一个水库位于金沙江的“北”反弯。龙头电站水库位于石鼓拐点。它主要利用金沙江板块缝合带的宽阔河谷形成较大的库容,补偿下游梯级输出1100多万千瓦。 然而,布局和设计规模也是地质灾害。

澜沧江和怒江位于板块缝合带和微缝合带,即澜沧江断裂带和怒江断裂带,是我国地震多发区。 澜沧江和怒江并排向南分别流入南海和安达曼湾。它们是东南亚半岛的命脉。中国澜沧江有13级,总库容515.26亿立方米,怒江有13级,总装机容量2132万千瓦。

在这样一个大型水电集团复杂的地质结构、规划和建设背景下,有关部门一再强调,我国河流水电开发水平较低。与发达国家的水电开发相比,开发量空非常大。 事实上,不同地质和地貌单元的河流在发展水平上根本无法相提并论。 2008年夏天,我应邀考察了美国的水资源管理和河流开发。我发现美国大部分水电开发水平高的河流都不在地质活动断裂带上,它们的地质环境和自然生态环境也比中国横断山区好得多。 地质学家认为,中国西南地区的断裂构造,无论是单一的还是复合的,都对地应力场有明显的影响。通过数值模拟研究,我国西南地区广泛发育的复合断裂构造往往在断层交汇处有应力集中区。即使是单个断层,断裂末端和断层几何形状的差异以及各段力学性质的差异都会引起局部应力集中,这与横断山区空强震分布的结论是一致的 见表《横断山区域地震活动与断裂活动性的关系》

同时,地质学家承认,准确理解各种因素对地应力的影响仍是一个漫长的过程,目前的认识只是初步的。 由于该领域对大面积地质体变形和位移缺乏运动学和动力学研究,至今仍有一些重大问题没有得到很好的解决,如岷江上游(包括龙门山)的构造、主要断裂的活动和新构造应力场的发展演化等问题没有得到系统的研究。 总之,断层结构与地应力关系的研究以及工程建设的指导仍需努力探索。

动态地质演化和灾难性地质事件是由青藏高原近期隆升引起的一系列动态地质过程,青藏高原是大陆岩石圈对地壳表面的动态作用。在这一过程中,广泛发育的断裂活动对横断山区的地貌转化、高地应力的产生和地质灾害的发生起到了重要作用。

汶川地震使水电站破坏,造成了严重损失:阿坝州岷江流域130座水电站受损(不包括柴紫坪铺电站),受损装机容量256.85万千瓦,占全州装机容量的90%,直接经济损失151.53亿元,映秀湾、太平驿、福堂、渔子溪一二级基本全毁。汶川、理电网全面瘫痪,35千瓦以上输电线路受损1638.5公里,造成直接经济损失28.2亿元。四川省受损水电站470余座,装机容量330万千瓦,10千伏以上停运输电线路457条,倒杆(塔)根,断线公里。

水利部副部长鄂竟平2008年5月25日在国新办新闻发布会上告知,水利设施灾后的修复重建,包括应急除险在内,共需资金360亿元。

受损电站面临一系列难题:一是不能恢复重建电站的投资回收和职工就业问题严峻;二是刚投入运行电站的还贷和收益受到巨大影响,预期效益难以实现,恢复重建又需大量投入;三是许多大坝受损,厂房、开关站、输电线路受损严重,上游和库区地质环境进一步恶化,运行成本增加。

多灾:横断山脉是地球上地质灾害泛滥区

横断山诸河流特殊的河谷地质地貌为崩塌、滑坡、泥石流和水土流失创造了有利的动力条件和丰富的物质来源,是世界上着名的地质灾害泛滥区,正处于高发期。

中国地质调查局2007年公布的调查统计:长江上游地域辽阔,地形高差悬殊,地质环境条件复杂,新构造活动强烈,地震频发,岩体破碎,生态环境脆弱,环境地质问题十分突出,危害巨大。地质灾害主要有滑坡、崩塌、泥石流、岩溶塌陷等,是中国遭受地质灾害危害最为严重的地区。据初步统计,长江上游地区地质灾害总数达2.1万处(不含“5·12”汶川地震新增地质灾害数1.2万余处),其中滑坡处,崩塌2568处,泥石流2756处,地面塌陷452处,不稳定斜坡2858处,已造成人死亡,直接经济损失230亿元;目前受地质灾害威胁145.4万人,威胁财产180亿元。

据有记载的统计,长江上游共发生堵江地质灾害91处,其中滑坡、崩塌堵江73处,泥石流堵江18处,造成9200人死亡,毁坏农田1611公顷,直接经济损失1.7亿元。伴随堵江滑坡、崩塌发生的涌浪、回水淹没等灾害的危害更加巨大。1967年四川雅江唐古栋滑坡堵塞雅砻江9天,蓄水6.8×108(上标)立方米后溃坝,溃坝后的洪水沿着雅砻江和长江而下,波及下游1000千米,洪峰高50.4米,最大流量5.3×104(上标)立方米/秒;洪水冲毁沿江435间房屋,230公顷田地,8座公路桥和3座小水电站。1933年8月25日,茂县叠溪发生7.5级破坏性强震,诱发大规模崩塌和滑坡阻断岷江,在较场附近形成10个海子,造成6865人死亡,1925人受伤,房屋倒塌5780间;堵塞岷江45天后溃坝,水头高达60米,至200千米的都江堰时还高达12米,造成都江堰水利工程的渠道工程全部毁损。随着沿江一座座梯级水电站的建设,堵江地质灾害威胁的人民生命财产也日益增多。一旦发生堵江地质灾害,必将危及地质灾害体及其涉及范围内和上游淹没区内人民生命财产的安全。一旦溃坝,奔腾而下的洪水必将危及下游人民的生命财产安全,下游的梯级水电工程可能荡然无存,后果不堪设想。

中国地质调查局在2003~2007年“长江上游主要地质环境问题调查项目”中认为,水电开发工程所面临的重大地质问题主要有:河谷成因地质历史演化研究薄弱;缺乏活动断裂发育分布规律及其活动性研究;滑坡、崩塌、泥石流、岩溶塌陷等地质灾害发育分布与危害;堵江崩滑地质灾害体发育分布与危害;水库诱发地震;水库渗漏问题;库岸稳定性与库岸再造问题;水土流失与水库淤积问题;梯级水电工程开发对生态地质环境影响问题。

横断山诸河流有下列特征的山体崩塌滑坡:水流下切造成的山体临空扩大,山体失稳而发。历史上有数次特大型山崩记录,目前也存在着正处于临灾的危岩山体,体量数从千万立方米到数亿立方米;断裂破碎带中正在孕育生成的欲崩危岩;工程爆破(或者各类施工过程中适时集中大爆破)或地震发生时形成的山体裂缝欲崩危岩等次生灾害,处于临灾之中。

山体崩塌滑坡埋没电站设施,阻断交通和输电线路,引发水库浪涌甚至翻坝;特大山崩阻断河流形成堰塞湖,溃决水头对大坝造成威胁,山崩区往往形成持续发育、具有周期性成灾特征的山崩区和泥石流源,丰富的物质源源不断地输入河流,侵占库容。

泥石流和水土流失:横断山区稀疏的植被,破碎的地貌,过度的土地利用和水电建设、矿山开发以及干热河谷特性,造就了横断山区成为地球上着名的泥石流多发地和水土流失泛滥区,使区内不少地方丧失生态功能和生境条件。

泥石流在横断山诸河流的分布特征是成群成带分布,很多冲蚀支流成为泥石流的通道,在沟口处往往形成大型冲积扇并阻挡河流,光秃破碎的山体往往形成破面泥石流,每年向河流输送大量泥沙物质,新的泥石流沟还在不断扩展。水土流失在区内成片分布,其面积占60%以上,年侵蚀物总量约20亿吨以上,大部分通过地表径流和泥石流输入河川水库。

据不完全统计,汶川地震灾区河流次生灾害新增地质灾害点面1.2万多处,产生崩滑泥石流物源10亿立方米以上,这不仅使灾区电站继续面临次生灾害的威胁,而且使水库蓄水条件恶化、水库功能消减,缩短水库和电站的寿命;一些高坝大库地质变化较大,坝体、坝肩内伤严重,库区地质结构和地质环境改变,不稳定危岩增加,治理任务非常艰巨,水电站安全隐患并没有完全消除;一大批在建电站技术经济指标发生改变,投资增加。

堵塞:横断山区的河流是高产沙河流

水库泥沙问题始终是影响电站运行和寿命的关健因素,水库的退役电站报废主要是因为泥沙淤积所致。而报废水库特别是大型水库的泥沙处置目前全世界都还不曾遇到过,也没有这方面的成熟经验和技术。在高产沙河流河段的水库泥沙不仅淤积快速、导致库容锐减,在峡谷型库区,库尾抬高引发上游水患,更为严峻的是库尾大量的泥沙处置困难,在高产沙峡谷河流上建设一连串大型水库群,泥沙问题终将产生连锁反应。这种情形一旦发生,将使后人束手无策,黄河三门峡泥沙问题已给我们深刻教训。

横断山诸河流所处的地质构造和地质环境条件,崎岖的地形地貌加上人类长期的土地开垦和森林采伐,使这些河流成为多沙河流。以金沙江为例,多年来输入长江三峡库区的泥沙为5亿吨以上,有的年份超过7亿吨(1980年达7.28亿吨),流域内年产沙量16亿吨以上,金沙江流域地跨我国地形的第二和第三级台阶,是西南地区的高侵蚀带,金沙江上游石鼓站(虎跳峡库区)年均输沙量为2.02亿吨,岷江高杨站年均输沙量0.495亿吨,汶川地震后数年内将是高产沙期,长江宜昌站年均输沙量5.14亿吨。可以看出,金沙江石鼓至屏山1000多公里是重点输沙江段,根据考察,该河段滑坡、泥石流十分发育,统计有近300条泥石流沟,近700处崩塌滑坡,欲崩临滑危岩体30亿立方米以上,同时还有快速发展的采矿、修路、水电站建设等活动产生的弃渣、尾矿等大量泥沙补给到河道中,导致该区域对长江上游输沙贡献率高。根据近年的研究,上述过程的增沙量超过退耕还林等措施的减少量,使金沙江屏山站的年输沙量呈递增趋势。

相比之下,美国河流的含沙量要少得多,对大坝库容影响不大。比如科罗拉多河的含沙量不高,主要因为其地质构造背景、地貌动力条件和植被覆盖率与我国横断山区的不一样。因此,美国水库的寿命相对长一些。

美国的大坝建设主要集中在20世纪三四十年代,至今大多运行了七八十年。2000年以来,美国在开发程度很高的哥伦比亚河流域一些支流实施了部分拆坝工程,很多是为了恢复三文鱼的回游通道,恢复自然河流,尽管拆坝对政府、业主都是一个难以决策的事,但在公众诉求和生态环境的压力下,哥伦比亚河流域的几十座水坝将面临拆除。

而中国的河谷更脆弱,风化强烈、地质灾害多、人为干扰大,导致中国水库寿命一般设计50年左右。大渡河的龚咀水库是20世纪70年代初期建设的,41年之后库容就被泥沙淤积2/3,当时就提出加高坝。

靠干支流一级一级的水库拦沙,只能暂时解决问题,或者说把问题转移到上面或别处,把后患留给后代,最终不能解决问题。泥沙还是要下来,淤积在水库堵塞河流,水库的防洪功能逐渐丧失,河道改变,成为恶性循环。

对策:我国能源战略是优化和节能

党中央提出,要把节能降耗、保护环境和节约用地作为转变经济增长方式的突破和重要抓手。

应当注意到,我国目前正在积极推进节能减排和开发新能源,国家发改委2004年发布中国首部 《节能减排中长期专项规划》 ,其目标就是,每万元GDP能耗由2002年的2.68吨标煤提高到2020年的1.54吨标煤,形成节能力14亿吨标煤,相当于同期规划新增能源生产总量12.6亿吨标煤的111%,这相当于数亿千瓦的水电装机。

根据到2020年我国社会经济发展目标和节能减排中长期规划目标,应集中财力,开展科学技术创新,解决关键重大问题。

改变与发达国家比河流开发利用程度、比人均消耗能源,并拿简单的理论蕴藏量、可开发利用量、经济可开发量作为水电建设的理由和依据,改变“先开发、后保护”、“先污染、后治理”是发展进程中必须经历的过程的观念,根据中国国情和自然状况制定水电发展规划;

优先选择具有控制性、具有综合性功能的水利水电工程,为将来开发利用储备经验和技术;

对现有水电站和电网进行优化完善,加强病险水库的维修加固,淘汰部分小水电和病险小水库;

集中财力恢复建设生态屏障,发展旅游和生态产业,带动区域经济发展,引导公民追求健康环保和节约勤俭的生活方式;

矿产资源勘探和规划,重点优化发展,控制双高产业;

集中资金和技术,实现节能减排目标,我国河流面临的重要问题是污染治理和控制,要大力治理污染,优化产业结构,真正实现可持续发展和社会经济良性健康发展;

河流制定并优化大江大河流域规划,完善江河管理体制,为科学开发利用提供科学支撑和依据;

切实解决以往工程建设(特别是水电建设)中移民的遗留问题和困难;

水电开发实现3个超越:改变征服自然为顺应和遵重自然,改单一水电、水利规划论证决策向环境、社会综合论证决策,改单纯水电效益到国家利益、公众利益和和谐发展。

(作者系中国治理荒漠化基金会专家委员会副主任)

《科学时报》 (2009-2-20 A2 观察)

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