美國拆壩統(tǒng)計(jì)分析

李 翠，王曉玥

（清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100084）

美國拆壩統(tǒng)計(jì)分析

李 翠，王曉玥

（清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100084）

對(duì)美國1921～2013年共計(jì)1 093座水壩拆除進(jìn)行了信息統(tǒng)計(jì)，從拆壩數(shù)量、大壩規(guī)模、筑壩材料、壩齡等方面系統(tǒng)分析了美國拆壩現(xiàn)狀，并從生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、安全方面分析拆壩的主要原因。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明水壩拆除現(xiàn)象在美國一直存在，且至今為止美國所拆除的主要為小型水壩、舊壩、病險(xiǎn)壩。對(duì)美國經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要影響的水壩不僅未被拆除，還不斷得到維護(hù)，水壩在美國的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中仍貢獻(xiàn)著重要力量。

美國；拆壩；生態(tài)；經(jīng)濟(jì)；安全

0 引言

作為世界最發(fā)達(dá)的國家，美國已有100多年的大壩建設(shè)歷史，在大壩建設(shè)領(lǐng)域處于較領(lǐng)先地位，大壩為其社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。美國水壩多建于20世紀(jì)中后葉，由于結(jié)構(gòu)老化、泥沙淤積等問題的存在，以及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及生態(tài)等因素的影響，近100年來，美國進(jìn)行了一些拆壩工作。系統(tǒng)分析美國拆壩狀況、學(xué)習(xí)其拆壩的相關(guān)原則和經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國未來的水電建設(shè)發(fā)展具有一定的借鑒意義。

1 美國的水壩現(xiàn)狀

根據(jù)美國陸軍工程師兵團(tuán)收錄（US Army Corp of Engineers，National Inventory of Dams）的數(shù)據(jù)顯示，美國全國水壩數(shù)量約為87 000座，其中高于6 ft（約1.8 m）的約為75 000座，高于100 ft（30.5 m）的約為1 673座。此外，美國各地還遍布著眾多更小的水壩，這些水壩由于規(guī)模達(dá)不到收錄標(biāo)準(zhǔn)（美國陸軍工程師兵團(tuán)水壩收錄標(biāo)準(zhǔn)：①潰壩會(huì)危及人的生命或造成嚴(yán)重財(cái)產(chǎn)損失；②壩高6 ft且蓄水量達(dá)50英畝英尺；③壩高25 ft且蓄水量達(dá)25英畝英尺，符合三條標(biāo)準(zhǔn)中其中之一即可收錄）而在其收錄范圍之外。根據(jù)美國國家研究委員會(huì)（National Re?search Council）估計(jì)，美國各類水壩的數(shù)量已超過250萬[1]。正如曾任美國內(nèi)政部長的布魯斯·巴比特所述：“這意味著美國自發(fā)表獨(dú)立宣言以來，平均每天要建一座大壩”[2]。

美國水壩總庫容量約為135 000億m3，居世界前列。一般為綜合利用性水壩，單一功能水壩極少。若根據(jù)水壩的主要功能來分類，用于旅游、防洪、防火及灌溉的占多數(shù)（約占91%），極少數(shù)用于航運(yùn)（約占0.2%）。用于發(fā)電的水壩一般為規(guī)模較大的大壩，約占3%，其功能分布比例見圖1。

圖1 美國水壩功能分布圖Fig.1 Diagram of the function of the United States’dams

此外，美國水壩業(yè)主包括私人、當(dāng)?shù)卣?、州政府及?lián)邦政府等，其占比如圖2所示。由于美國水壩絕大多數(shù)是小型水壩，而小型水壩中約65%屬于私人所有，因而規(guī)模小、位置分散是美國水壩的一大特點(diǎn)，同時(shí)這也是影響美國拆壩問題的重要因素。雖然美國聯(lián)邦政府在全國水壩中所占份額較?。s4%），但聯(lián)邦政府控制的水壩均為對(duì)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要影響的大壩。

圖2 美國水壩所屬業(yè)主單位類別比例圖Fig.2 Diagram of US dam owners’category scale

2 美國的水壩拆除現(xiàn)狀

由于美國早期水壩拆除資料不完善，許多水壩的建成年代、壩高、壩長等相關(guān)數(shù)據(jù)不完整，有的甚至完全沒有記錄，因而已拆水壩的完整資料較難獲得。筆者統(tǒng)計(jì)的對(duì)象為從1912～2013年美國拆除的部分水壩，共計(jì)1 093座，統(tǒng)計(jì)內(nèi)容包括其拆除年代、壩高、壩長、壩齡、筑壩材料、拆除原因等基本信息。雖然本次統(tǒng)計(jì)未能涵蓋所有拆除對(duì)象，且部分水壩的信息資料不全，但由于這些無統(tǒng)計(jì)資料的水壩一般屬于修建年代較早或規(guī)模太小等情況，因而對(duì)基本統(tǒng)計(jì)結(jié)果不會(huì)造成較大影響，故本統(tǒng)計(jì)在一定意義上能夠反映美國水壩拆除的現(xiàn)狀。統(tǒng)計(jì)資料主要來源于美國河流（American Rivers）的相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.1 拆壩的數(shù)量

通過對(duì)1 093座已拆水壩的資料進(jìn)行分析，美國每年拆壩的數(shù)量雖局部有波動(dòng)，但整體呈上升的趨勢(shì)，數(shù)據(jù)如圖3所示?？梢钥闯?，2007年至今的拆壩數(shù)量較之2006年以前有較大增長。由此可見，拆壩有持續(xù)增加的勢(shì)頭，但相對(duì)于美國浩大的水壩總量而言，美國拆壩總數(shù)在水壩總量中也僅是九牛一毛，大量水壩仍為美國的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

圖3 美國年拆壩數(shù)量變化圖Fig.3 Chart of the number changes of the US’removed dams

2.2 拆壩的大小

統(tǒng)計(jì)的1 093座水壩中，有壩高記錄的共計(jì)759座，由表1可以看出拆除的水壩中絕大多數(shù)（89%）的高度不足10 m，壩高大于30 m的6座，其中50 m壩高以上的大壩僅1座，即2011年開始拆除的葛萊恩斯峽谷大壩（Glines Canyon Dam）。

表1 美國拆壩高度統(tǒng)計(jì)分布Table1 The height distribution of the US’removed dams

葛萊恩斯峽谷大壩位于艾爾華（Elwha）河上，建于1927年，壩高64 m，為混凝土拱壩，裝機(jī)容量16 MW，屬于私人所有。此外，流域上還有艾爾華壩（Elwha Dam），建于1913年，壩高33 m，為混凝土重力壩，裝機(jī)容量12 MW。葛萊恩斯峽谷大壩和艾爾華壩拆除工作是艾爾華項(xiàng)目（艾爾華項(xiàng)目是指艾爾華生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)工程，是國家公園管理，即Na?tional Park Service歷史上第二大生態(tài)修復(fù)工程，主要目的是恢復(fù)艾爾華河里鮭魚及虹鱒等魚類種群的溯河產(chǎn)卵）的重要組成部分，被認(rèn)為是美國歷史上最大的水壩拆除工程，具有重要的象征意義。兩座水壩拆除的主要理由有：（1）大壩均未設(shè)置魚道，嚴(yán)重影響鮭魚、虹鱒等魚類的溯河產(chǎn)卵，違反了美國瀕危物種法案（Endangered Species Act）的相關(guān)條例；（2）大壩嚴(yán)重影響了艾爾華河的泥沙向下游輸送；（3）葛萊恩斯峽谷大壩位于奧林匹克國家公園內(nèi)，影響了公園的自然景觀；（4）美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(huì)（Federal Energy Regulatory Commission）授予葛萊恩斯峽谷大壩的許可證已經(jīng)過期，而艾爾華壩由于建于卵礫石基礎(chǔ)上，在施工初期就出現(xiàn)了基礎(chǔ)破壞等問題，因而未得到許可證。葛萊恩斯峽谷大壩和艾爾華壩最終于2011年9月開始拆除，并分別于2012年3月和2014年8月完工。這兩個(gè)水壩的拆除將使艾爾華河70英里（約112.65 km）的魚類洄游通道暢通，太平洋成年鮭魚的數(shù)量預(yù)計(jì)在未來25年里將從3 000條上升到400 000條左右[3]。

統(tǒng)計(jì)的1 093座拆壩中有壩頂長度記錄的共計(jì)273座，見表2，一半以上水壩的長度都不足40 m，其中壩頂長度300 m以上的水壩共有3座，分別為菲利普斯頓水庫大壩（Phillipston Reservoir Dam）、佩諾布斯科特河水庫大壩（Great Works Dam）、路易斯頓大壩（Lewiston Dam）。

表2 拆壩壩頂長度統(tǒng)計(jì)分布Table 2 The length distribution of the US’removed dams

其中，菲利普斯頓水庫位于馬薩諸塞州的布魯克（Thousand Acre Brook）河，壩高4～5 m，壩頂長度335 m，建于19世紀(jì)后期，是一座用于供水的土石壩。由于大壩本身存在安全隱患且維修費(fèi)用較高而失去經(jīng)濟(jì)價(jià)值，于2012年實(shí)施拆除[4]；佩諾布斯科特河水庫大壩位于緬因州的佩諾布斯科特河（Penobscot River）上，最初建于19世紀(jì)30年代，后于1887～1900年進(jìn)行重建，早期主要用于發(fā)電，作為恢復(fù)佩諾布斯科特河生態(tài)環(huán)境項(xiàng)目的一部分而被拆除[4]；路易斯頓大壩位于愛達(dá)荷州的清水河（Clearwater River）上，建于1927年，壩高13 m左右，壩頂長度323 m，主要用于發(fā)電，由華盛頓水電局（Washington Water Power）管理，主要由于蛇河下游（Lower Snake River）建造的花崗巖大壩（Lower Granite Dam）對(duì)路易斯頓大壩的運(yùn)行造成嚴(yán)重的干擾，后者于1973年實(shí)施拆除。路易斯頓大壩的拆除同時(shí)也提高了鮭魚和虹鱒返回清水河的產(chǎn)卵量，有利于生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)[5]。

2.3 拆壩的筑壩材料

統(tǒng)計(jì)的1 093座水壩中，有筑壩材料記錄的共計(jì)261座。對(duì)現(xiàn)有資料進(jìn)行分析，筑壩材料種類較多，其中以混凝土壩居多（59%），具體分布見表3。

表3 美國拆壩的筑壩材料統(tǒng)計(jì)表Table 3 The material distribution of the US’removed dams

2.4 拆壩的壩齡

統(tǒng)計(jì)的1 093座水壩中，僅264座水壩有建成年代的資料，具體分布見表4。水壩拆除時(shí)絕大多數(shù)（約93%）已經(jīng)超過50年，更有21%的水壩壩齡已達(dá)到150年以上。由于不同水壩的工作條件、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及維修保養(yǎng)狀況不同，因而不同水壩的生命周期具有一定的波動(dòng)性。但肯定的是，使用年限越長，大壩受水流腐蝕而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞越嚴(yán)重，從而使大壩承受風(fēng)險(xiǎn)能力降低，大壩的經(jīng)濟(jì)性及安全性能都會(huì)急劇下降。

考察美國水壩的完建年代分布（如圖4），不難發(fā)現(xiàn)，美國的水壩建設(shè)集中于1950～1980年（約60%）。若以一般水壩的平均生命周期50年[6]為參照標(biāo)準(zhǔn)，則目前（以2010年為基準(zhǔn)）有38%左右的水壩，其工作年限已超過50年。而截至2030年，工作年限超過50年的水壩將超過80%（見圖5）。因而，若僅考慮水壩的年齡這個(gè)因素，也能預(yù)測(cè)美國未來拆壩數(shù)量將逐漸增多，呈上升趨勢(shì)。

表4 美國拆壩的壩齡統(tǒng)計(jì)表Table 4 The age distribution of the US’removed dams

圖4 美國近100年來每10年水壩建成數(shù)量Fig.4 Diagram of the built dams in every 10 years in US in recent 100 years

圖5 工作年限超過50年的大壩比例Fig.5 Proportion of dams over 50 years in US

3 美國水壩拆除的原因

美國存在許多老化壩、廢棄壩以及高危壩，對(duì)于這些數(shù)以千計(jì)對(duì)河流生態(tài)及居民安全造成的負(fù)面影響遠(yuǎn)超過其正面效益的水壩而言，拆壩是相關(guān)業(yè)主及政府部門的最佳選擇。此外對(duì)于一些仍能正常運(yùn)行，但給生態(tài)環(huán)境造成重大影響的水壩，拆壩也在其考慮范圍之內(nèi)。

部分水壩由于建壩時(shí)間長，建筑老化，喪失功能而被廢棄不用，失去原有效益，且拆除后有利于恢復(fù)河流生態(tài)環(huán)境；部分水壩屬于病險(xiǎn)壩，存在安全隱患，威脅著下游居民的人身、財(cái)產(chǎn)安全，不維修無法正常運(yùn)行，且維修費(fèi)用遠(yuǎn)高于其效益，使得維修在經(jīng)濟(jì)上不可行，理應(yīng)予以拆除。

統(tǒng)計(jì)的1 093座壩中，共有489座水壩注明其拆除原因。統(tǒng)計(jì)中將拆壩原因分為七大類。分別為經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、安全、娛樂、潰壩、違規(guī)壩及重建。統(tǒng)計(jì)量為每個(gè)因素的出現(xiàn)次數(shù)，此外，一座水壩的拆除往往是多因素作用的結(jié)果，但本次統(tǒng)計(jì)中未區(qū)別考慮各因素的主次影響。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖6可以看出生態(tài)、安全、經(jīng)濟(jì)是影響水壩拆除的三個(gè)主要因素。

3.1 生態(tài)

生態(tài)是水壩拆除的重要影響因素之一。大壩及附屬建筑物給河流生態(tài)系統(tǒng)帶來了一定的影響，包括影響水溫、重塑河道、影響水生生物等。幾乎所有的水壩拆除后都能在一定程度上恢復(fù)河流自然生態(tài)，包括恢復(fù)魚類等野生生物的棲居地、保障魚類洄游暢通、改善水質(zhì)、恢復(fù)對(duì)環(huán)境造成的影響等。但從目前美國拆壩主要局限于小型、老化水壩，基本沒牽涉到有重要影響的大壩（Large dam,壩高15 m，或壩高超過5 m且?guī)烊萘看笥?00萬m3）、高壩（Major dam,壩高超過150 m）這個(gè)角度來看，生態(tài)尚未成為水壩拆除的主要決定因素。

圖6 美國拆壩原因統(tǒng)計(jì)分布Fig.6 The distribution of the US’dam removal reasons

3.2 安全

安全是拆壩決策的一個(gè)主要影響因素。大壩安全一旦出現(xiàn)問題，不僅表明大壩工作性狀較差，工作效率低，更意味著業(yè)主將承擔(dān)為改善其安全性狀而產(chǎn)生的相關(guān)費(fèi)用乃至潰壩的風(fēng)險(xiǎn)損失，因而為最大限度地降低風(fēng)險(xiǎn)損失、減少支出費(fèi)用，許多業(yè)主直接采取拆壩。

大壩的相對(duì)安全性和大壩的安全性狀、下游河道狀況及人口分布等因素有關(guān)。大壩年久失修、性狀差以及下游人口密集會(huì)相應(yīng)增加大壩失事的概率及其風(fēng)險(xiǎn)。

通過研究美國的水壩現(xiàn)狀可知，許多壩的建造年代較早，常年在水流的侵蝕、腐蝕作用下，結(jié)構(gòu)逐漸破壞，其失事的可能較大，甚至有些壩已年久失修、結(jié)構(gòu)老化，嚴(yán)重威脅著下游居民的生命財(cái)產(chǎn)安全，如若得不到合理的維修控制，甚至將造成潰壩的后果。

此外，美國人口普查局（The U.S.Census Bu?reau）預(yù)測(cè)美國人口到2050年將達(dá)到1.3億，人口的持續(xù)增長，使得更多的人們居住在水壩下游區(qū)域，進(jìn)一步加大了水壩發(fā)生安全事故時(shí)帶來的危害程度。美國土木工程師協(xié)會(huì)（The American Society of Civil Engineers）在2013年《美國基礎(chǔ)設(shè)施評(píng)價(jià)報(bào)告》（2013 Report Card for America's Infrastructure）中將美國水利設(shè)施評(píng)為D等，也從側(cè)面反映了其水壩安全隱患的嚴(yán)重程度。根據(jù)美國陸軍工程師兵團(tuán)國家水利工程收錄的數(shù)據(jù)，超過12 000座的水壩屬于危險(xiǎn)（significant hazard:水壩潰壩可能造成財(cái)產(chǎn)損失），另有14 700多座大壩屬于嚴(yán)重危險(xiǎn)[7]，見圖7。

圖7 美國水壩的危險(xiǎn)等級(jí)分布Fig.7 The hazard class distribution of the US’dams

3.3 經(jīng)濟(jì)

美國許多早期大壩為伐木工廠、礦廠等服務(wù)而建造，而這些工廠目前早已不復(fù)存在，因而喪失了其服務(wù)價(jià)值；還有一些發(fā)電的小型水壩，逐漸被其他的能源方式替代等，諸如這些已喪失存在價(jià)值的水壩仍面臨著維修、保險(xiǎn)等大量開銷，直接拆除毫無疑問是最經(jīng)濟(jì)的選擇。

其次，隨著水壩工作年限的增長，水壩維修或技術(shù)改造升級(jí)等方面的費(fèi)用相應(yīng)增加，而由于工作效率降低導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益逐漸減少，出現(xiàn)“入不敷出”狀況時(shí)，即使有經(jīng)濟(jì)效益的水壩也會(huì)考慮直接拆除。通常情況下，對(duì)于不安全水壩而言，直接拆除所需費(fèi)用要低于水壩維修的費(fèi)用。在威斯康星州，維修費(fèi)用大約是拆除費(fèi)用的3～6倍[8-9]。

此外，每年水壩業(yè)主都要為水壩事故付出沉重的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，在美國中西部地區(qū)，小水壩的業(yè)主每年都要承擔(dān)數(shù)千美元的保險(xiǎn)費(fèi)。因而即便拆除和維修相關(guān)費(fèi)用旗鼓相當(dāng)，為避免后期風(fēng)險(xiǎn)責(zé)任，業(yè)主亦會(huì)優(yōu)先選擇拆除水壩[10]。

除上述生態(tài)、安全、經(jīng)濟(jì)這三個(gè)主要因素外，諸如棄壩、水壩功能改變或喪失、娛樂甚至重建等也是水壩拆除工程中的影響因素。

4 結(jié)語

綜述了美國水壩的現(xiàn)狀及其拆壩情況，并綜合分析了影響水壩拆除的主要因素。結(jié)果表明，美國拆除的水壩大多數(shù)是建造年代較早的小型水壩。大壩在美國的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展中仍發(fā)揮著重要作用，并仍將繼續(xù)為美國經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)，因而國內(nèi)部分引述美國拆壩來反對(duì)國內(nèi)水電開發(fā)的輿論顯得有失偏頗。

總之，水電是一個(gè)涉及面廣、牽涉多方利益的工程，如何合理地開發(fā)水電、最大限度地降低其負(fù)面影響是每位專業(yè)工作者的職業(yè)追求。有效協(xié)調(diào)工程、社會(huì)及環(huán)境三方面間的影響、做到和諧發(fā)展是水電建設(shè)的關(guān)鍵問題。通過對(duì)美國拆壩問題的分析，不難看出水壩的拆除是一個(gè)多因素決策的復(fù)雜工程，每個(gè)水壩的拆除都要經(jīng)過各方面因素權(quán)衡、嚴(yán)格論證，才能保證拆壩工程的有效進(jìn)行，因而建立完善的相關(guān)決策機(jī)制具有重要意義。此外，美國的拆壩經(jīng)驗(yàn)對(duì)中國及其他國家的水電發(fā)展具有重要的借鑒作用，在發(fā)展的同時(shí)應(yīng)更加注重工程的安全性和環(huán)保性。 ■

[1]Committee on Restoration of Aquatic Ecosystems:Science, Technology,and Public Policy,Commission on Geoscienc?es,Environment and Resources,Division on Earth and Life Studies,et al.Restoration of Aquatic Ecosystems:Science, Technology,and Public Policy[M].Washington,DC:Nation?al Academies Press,1992:26.

[2]Babbitt Bruce.Dams are not forever[EB/OL].http://www.sci. sdsu.edu/salton/DamsAreNotForever.html.

[3]Shaffer J A,Crain P,Winter B,et al.Nearshore Restoration of the Elwha River Through Removal of the Elwha andGlines Canyon Dams[J].Northwest Science,2008,82(sp1): 48-58.

[4]American Rivers.63 dams removed to restore rivers in 2012 [EB/OL]. https://www.americanrivers.org/assets/pdfs/damremoval-docs/2012-dams-removed.pdf.

[5]Maclin E,Sicchio M.Dam removal success stories,restoring rivers through selective removal of dams that don't make sense[J].Friends of the Earth,Trout Unlimited,1999:27-31.

[6]American Rivers.Dam Safety:Protecting Communities and Ecosystems from Dam Failure[EB/OL].http://www.american?rivers.org/assets/pdfs/dam-removaldocs/Dam_Safetyf43b. pdf?0658fa.

[7]American Society of Civil Engineers.2013 Report Card for America's Infrastructure[R/OL].http://www.infrastructurere?portcard.org/a/#p/dams/overview.

[8]US Army Corp of Engineers.The 2013 National Inventory of Dams[R/OL].http://nid.usace.army.mil/.

[9]Born,S.M,Genskow,K.D.,Filbert,T.L.,et al.Socioeco?nomic and institutional dimensions of dam removals:the Wisconsin Experience[J].Environmental Management,1998 (22):359-370.

[10]Francisco Silva of ICF Consulting.A Summary of Existing Research on Low-Head Dam Removal Projects[R].Ameri?can Association of State Highway and Transportation Offi?cials(AASHTO),2005.

作者郵箱：licui14@mails.tsinghua.edu.cn

A statistical analysis of dam removals in the United States of America

LI Cui and WANG Xiao-

yue

The State Key Laboratory of Hydro-science and Engineering,Tsinghua University

The information found from researches regarding 1 093 removed dams across the United States from 1921 to 2013 is summarized.This paper analyzes information by the number,size,material and age of the removed dams and three primary dam removal purposes including environmental restora?tion,safety concerns,and economic considerations.The statistical results show that the dam removal phenomenon has existed for years and up to now the removed dams in the United States are small,lowhead,aging and deteriorating dams.Dams that contribute a lot to the nation's economy are not removed at all,instead they get constant maintenance.Dams still form an integral part that makes great contribu?tion to the collective economy and social welfare.

the United States of America;dam removal;ecology;economy;safety

TV633

A

1671-1092（2015）04-0074-05

2014-12-26；

2015-03-15

國家自然科學(xué)基金11372156

李 翠（1992-），女，河南開封人，碩士，主要從事堆石壩本構(gòu)模型、計(jì)算研究。