南非大壩建設(shè)回顧

[南非] L.V. 范維倫

南非大壩建設(shè)回顧

[南非] L.V. 范維倫

生命和水一直密不可分。在半干旱的南非，水是一種稀缺資源，管控水資源的能力，不但是國(guó)家發(fā)展和進(jìn)步的關(guān)鍵，也是其社區(qū)生存的關(guān)鍵。簡(jiǎn)要介紹了各個(gè)時(shí)期，即殖民時(shí)期、經(jīng)濟(jì)蕭條期、二戰(zhàn)結(jié)束后近20 a黃金時(shí)期南非大壩建設(shè)情況，以及一跨境合作項(xiàng)目—萊索托高地引水項(xiàng)目，并對(duì)南非大壩未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

水利建設(shè)；水資源管理；南非

南非擁有豐富的自然和礦產(chǎn)資源，但是水資源卻很貧乏。由于其位于非洲大陸的最南端，處于冷、熱兩股海洋氣流影響范圍內(nèi)，加上其特有的地形地貌，整個(gè)國(guó)家的氣候在時(shí)空分布上差異極大，經(jīng)常發(fā)生旱澇災(zāi)害。

全球年均降雨量為860 mm，而南非的年降雨量遠(yuǎn)低于這一數(shù)字，僅為450 mm。此外，全國(guó)范圍內(nèi)的降雨分布差別很大，通常是由東至西遞減，全國(guó)約有 65%的區(qū)域年降雨量不到500 mm。整個(gè)南非河流的徑流量(約4 900萬(wàn)m3)與該國(guó)以北的贊比西河的徑流量大致相當(dāng)。

南非的氣候多變，再加上降雨通常都是在夏季以極端雷雨形式出現(xiàn)在全國(guó)大部分地區(qū)，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)少有水源恒定的河流，而事實(shí)是，全國(guó)范圍內(nèi)僅有1/4的河流終年有水。

極端天氣使得南非的大壩建設(shè)者們掌握了控制水流的科學(xué)和藝術(shù)，國(guó)家經(jīng)濟(jì)潛能得到釋放。這使得南非成為非洲第二大經(jīng)濟(jì)體(僅次于尼日利亞)。國(guó)內(nèi)的大部分供水基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)達(dá)，整合了大量的大壩、輸水管線、泵站以及輸水工程。正是由于這些大型壩的建設(shè)，才使得諸如德班、豪登和開普敦等重要城市得以生存和繁榮發(fā)展。

南非國(guó)內(nèi)大型壩所攔蓄的徑流量占全國(guó)年均徑流量的70%，確保了全年供水總量的98%。

在南非，大壩建設(shè)是一項(xiàng)費(fèi)用昂貴的商業(yè)活動(dòng)。這是因?yàn)閷?duì)南非河流有大庫(kù)容的要求以實(shí)現(xiàn)所需的收益。例如，對(duì)于為南非經(jīng)濟(jì)核心區(qū)域供水的法爾(Vaal)河，要求其蓄水容量達(dá)到年均徑流量的200%，以確保在50 a一遇的旱情中，75%的年均徑流量可滿足可靠總收益。

1 水資源的早期開發(fā)

與埃及等國(guó)家相比，南非的大壩建設(shè)史并不悠久。非洲的最南端是世界上少有的幾個(gè)人類活動(dòng)長(zhǎng)達(dá)近兩百萬(wàn)年之久的地方之一，但是，其大壩建設(shè)則是一種歷史相對(duì)較短的人類活動(dòng)。

古文化時(shí)期的科伊族人(Khoi)和桑人(San)適應(yīng)自然而非改造自然，然而到了后鐵器時(shí)代，農(nóng)耕人群選擇在雨水充沛的地區(qū)耕種而非攔河筑壩。直到16世紀(jì)出現(xiàn)了永久居住的歐洲殖民者，才開始了第一座現(xiàn)代水利基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。荷蘭殖民者將源自開普敦桌山的河水引至運(yùn)河以便于船只能航行至東部富饒地區(qū)。與此同時(shí)，英格蘭和蘇格蘭的殖民者在山頂上建造了圬工壩以為開普敦提供水源。

當(dāng)開普敦地區(qū)的殖民者規(guī)模日漸增大，歐洲殖民者開始從海岸角(Cape Coast)向干旱的內(nèi)陸轉(zhuǎn)移之時(shí)，他們便在自己的牧場(chǎng)進(jìn)行牲畜及槍支貿(mào)易，殖民者的活動(dòng)范圍甚至擴(kuò)大到了北方和東方。當(dāng)?shù)赜文赁r(nóng)民的生活環(huán)境大多干旱，而殖民地則主要集中在潛水泉及終年有水的河岸。后來當(dāng)?shù)厝藢⑷當(dāng)r蓄以為牲畜提供水源，同時(shí)，也修筑了雛形的壟溝以引入清泉澆灌家庭園圃和小片土地。

1806年，南非正式成為大英皇家帝國(guó)的永久的一部分，英國(guó)的殖民者則將其最新的工程經(jīng)驗(yàn)引入了南非。但是，在開普敦的英國(guó)政府最初并不情愿投資于南非殖民地，最初的投資人反而是歐洲傳教士及農(nóng)民個(gè)人。在這一期間，由倫敦傳道會(huì)( the Londun Missionary Society)的W.菲利浦主持建造的漢基(Hankey )渠是最宏偉的灌溉基礎(chǔ)設(shè)施之一。這條1845年完工的灌渠全長(zhǎng)228 m，開創(chuàng)了南非國(guó)內(nèi)此類工程的先河，加姆圖斯(Gamtoos)河河水穿過文斯特霍克(Vensterhoek)山用于對(duì)岸的農(nóng)田灌溉。盡管漢基渠已不再使用，但其仍然具有里程碑意義。

自19世紀(jì)60年代起，鉆石和黃金的發(fā)現(xiàn)極大推動(dòng)了南非水基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。金伯利和約翰內(nèi)斯堡等城市如雨后春筍般發(fā)展起來，這些城市，無一例外地都分布在礦產(chǎn)資源集中的地區(qū)而非在水資源豐富的地區(qū)；一時(shí)期為滿足來自全球各地淘金者們的用水需求，水需求量突然大增，同時(shí)，由于對(duì)食物的需求量增加，農(nóng)民必須尋找新的水源以增加作物產(chǎn)量。

2 第一座大型壩

自從1912年南非組成聯(lián)邦后，國(guó)家才在大量的水資源開發(fā)中扮演了更加積極的角色。政府鼓勵(lì)農(nóng)民創(chuàng)建灌溉委員會(huì)，然后可以申請(qǐng)國(guó)家貸款并獲得專業(yè)技術(shù)去建設(shè)灌溉項(xiàng)目或者是鉆井。第一次世界大戰(zhàn)(1914～1919年)后的一段時(shí)間，南非建設(shè)了許多大壩，包括41 m高的卡瑪納瑟(Kamanassie)壩、34 m高的主日河(Sundays River)壩、38 m高的阿瑟湖(Lake Arthur)壩、24 m高的格拉斯里奇(Grassridge)壩以及20 m高的迪哥博特(Tygerpoort)壩。截止1925年，南非一共建成了27座大壩，這些壩幾乎全部都與灌溉項(xiàng)目有關(guān)。

這一階段建造的鱷魚 (Crocodile)河上的哈特比斯普特(Hartbeespoort)壩是當(dāng)時(shí)最大的大壩。大壩的可變半徑拱結(jié)構(gòu)高達(dá) 59 m。1923年完工的哈特比斯普特壩最顯著的特征是在其左翼有一條側(cè)槽式溢洪道。大壩左右兩側(cè)各有渠道系統(tǒng)與庫(kù)水相通，兩條渠道在鱷魚河峽谷兩側(cè)分別延伸了64 km。作為一個(gè)創(chuàng)造就業(yè)的項(xiàng)目，大壩施工高峰期曾經(jīng)雇傭了將近3 300名工人。其不同尋常之處在于，大壩外墻西段有一扇拱門，為法國(guó)凱旋門的復(fù)制品。該復(fù)制品不但展示了景觀價(jià)值，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)功能。1964年，通過在溢洪道頂增設(shè)10扇 2.74 m高的弧形閘門，使壩頂抬高，從而其總庫(kù)容達(dá)到了19 660萬(wàn)m3。

3 經(jīng)濟(jì)蕭條期的大壩發(fā)展

20世紀(jì)30～40年代的經(jīng)濟(jì)大蕭條以及南非國(guó)內(nèi)同時(shí)期遭遇的干旱反而促進(jìn)了幾座大型勞動(dòng)密集型灌溉項(xiàng)目及與其配套的大壩的建設(shè)。水利灌溉局(即現(xiàn)今的水資源及公共衛(wèi)生部)則負(fù)責(zé)這些項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工。

在此期間，南非國(guó)內(nèi)建造的最大的大壩之一是象( Olifants)河上的洛斯科普(Loskop)壩。該壩是當(dāng)時(shí)南非最大的混凝土壩，按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)它也屬于大型壩。如同當(dāng)時(shí)其他的國(guó)有項(xiàng)目，洛斯科普灌溉工程也是勞動(dòng)密集型項(xiàng)目。據(jù)報(bào)道，大壩建設(shè)期間驚險(xiǎn)不斷，因?yàn)楣と藗儾坏貌粫r(shí)刻躲避好奇的鱷魚。施工場(chǎng)地因其酷暑而著名，因此施工過程中最珍貴的裝備就是制冰機(jī)。

洛斯科普壩由大體積混凝土重力墻與反弧形溢洪道組成。大壩初始高45 m，1979年加高至54 m。值得一提的是大壩的駐地工程師D.F.羅伯特的骨灰就埋葬在壩體內(nèi)。大壩也采用了一項(xiàng)新技術(shù)，即在壩體溢流段較低部位設(shè)置了分水墩，這些平扁的混凝土墩比壩頂?shù)土? m，將過壩水流分散，減小了流水對(duì)底部混凝土的沖刷。

洛斯科普灌溉工程有總長(zhǎng)近495 km的混凝土渠道，主要由左岸長(zhǎng) 96 km及右岸長(zhǎng)60 km的兩條主要渠道及其支渠構(gòu)成。洛斯科普灌溉工程也是南非第二長(zhǎng)的灌溉工程，該項(xiàng)目由私營(yíng)機(jī)構(gòu)洛斯科普灌溉董事會(huì)管理。

法爾壩是同期建造的另一座大壩，如同其他同類型的大壩，該壩的建設(shè)也并非以灌溉為目的，而是為約翰內(nèi)斯堡提供水源。法爾壩壩址位于沃爾赫(Wilge)河與法爾河交匯處，于1905年初次被確認(rèn)，然而直到1934年才開始投入建設(shè)。法爾壩是南非當(dāng)時(shí)最大的壩，至今也是南非最大的大壩之一。

約有800名工人參與了大壩建設(shè)。同當(dāng)時(shí)其他的施工小組一樣，工人們吃住在工地，住在鋅板搭建的工棚里。工人居住的營(yíng)地甚至配有網(wǎng)球場(chǎng)、足球場(chǎng)和拳擊臺(tái)等娛樂設(shè)施。

法爾壩初期壩高54.2 m，庫(kù)容達(dá)到了9.94億m3。大壩為大體積重力混凝土結(jié)構(gòu)。大壩泄洪部分有一個(gè)顯著特征，即通過沖擊大壩下游面的臺(tái)階，使流水消能。臺(tái)階低于壩頂6 m，臺(tái)階頂部是一個(gè)巖石狀的肘板，也就是分流設(shè)施。通過此分流設(shè)施，使得水流以噴流的形式落至河床。

1951年，該壩在原有高度基礎(chǔ)上加高了6 m，其中，混凝土溢流部分加高了3 m，并在溢流段安裝了一扇3 m高的堰頂閘門。大壩東側(cè)建于1938年的一座混凝土副壩也同時(shí)進(jìn)行了加高，并與主壩相連形成了一堵長(zhǎng)達(dá)2 570 m的連續(xù)墻。在大壩加高施工期間，修建了一條土堤穿過副壩并延伸至主壩的東北區(qū)。

1985年再次對(duì)大壩進(jìn)行了加高，從最低的建基面加高了3.05～ 63.4 m。在加高部分采用錨索錨固，并在混凝土下部建排水渠。

水庫(kù)庫(kù)容達(dá)到了25.36億m3，并能臨時(shí)增加26%的庫(kù)容進(jìn)行調(diào)蓄。至今，法爾壩不但為約翰內(nèi)斯堡提供水源，也為整個(gè)豪登地區(qū)，即南非的經(jīng)濟(jì)中心提供水源。

4 大壩建設(shè)的黃金時(shí)期

二戰(zhàn)結(jié)束后，南非進(jìn)入發(fā)展的新時(shí)期。歐洲戰(zhàn)后重建刺激了經(jīng)濟(jì)強(qiáng)勁發(fā)展，持續(xù)近20 a。南非也從中獲益，在20世紀(jì)60年代，是世界上經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率最高的國(guó)家之一。由于南非的礦產(chǎn)和工廠并非都位于水源充沛的地區(qū)，因此，南非開始了大規(guī)模的調(diào)水工程以滿足大量用水的需要。

到20世紀(jì)70年代，南非國(guó)內(nèi)的總庫(kù)容將近200億m3(存儲(chǔ)了全國(guó)40%的年均徑流量)。在這一期間，南非國(guó)內(nèi)有104座水庫(kù)的庫(kù)容超過了50億m3。1960年，南非成為國(guó)際大壩委員會(huì)(ICOLD)的成員，使得南非的工程師們可以分享全球的建壩經(jīng)驗(yàn)，獲取最新的設(shè)計(jì)知識(shí)及建材信息。

南非國(guó)內(nèi)最大的調(diào)水項(xiàng)目，即奧蘭治河開發(fā)項(xiàng)目，就是在這一時(shí)期完成的。奧蘭治河開發(fā)項(xiàng)目將奧蘭治河水調(diào)往菲斯河和主日河，包括三大基礎(chǔ)設(shè)施，分別是嘎瑞普(Gariep dam)壩、范德克盧夫(Vanderkloof)壩以及奧蘭治-菲斯河道(the Orange-Fish tunnel)。嘎瑞普壩為雙曲拱壩，于1970年完工。其庫(kù)容為全南非最大，壩高 90.5 m，壩頂長(zhǎng)909.5 m。嘎瑞普壩總庫(kù)容達(dá)到了59.5億m3。

與嘎瑞普壩類似，范德克盧夫壩是復(fù)合重力拱壩，中間為一個(gè)拱構(gòu)造，該構(gòu)造逐漸漸變?yōu)榇髩巫蟀兜闹亓?cè)翼。大壩最大高度107 m。

奧蘭治-菲斯河道是連接奧蘭治河與菲斯-主日河的主要連接通道。這條 82.45 km長(zhǎng)的河道也是當(dāng)時(shí)世界上同類建筑中最長(zhǎng)的河道，穿過敘爾貝赫(Suurberg)高原，將水輸送至靠近東開普敦斯坦斯堡(Steynsburg)的嘎瑞普水庫(kù)和蒂伯斯(Teebus)河。

另一個(gè)重要的調(diào)水工程，圖克拉-瓦爾(Thukela-Vaal)河調(diào)水工程，于20世紀(jì)70年代建造，該工程將水從夸祖魯-納塔爾省(Kwazulu-Natal)調(diào)至豪登的干旱內(nèi)陸。工程的主要設(shè)施為斯泰克方丹(Sterkfontein dam)壩。在大壩建造的1971年前后，斯泰克壩是南非國(guó)內(nèi)最大的土石壩。長(zhǎng)2 290 m的土石壩采用典型的斜心墻防滲結(jié)構(gòu)。大壩原始?jí)胃?8 m，總庫(kù)容為12億m3。

斯泰克方丹壩集水面積小，且?guī)缀鯙樘烊粡搅?，因此無需溢洪道。當(dāng)于1977年完工時(shí)，該壩是南非國(guó)內(nèi)唯一的一座有資格列入ICOLD世界上最大的大壩名錄中的大壩。1980年，斯泰克方丹壩加高至93 m，使其總庫(kù)容達(dá)到了26.56億m3。水庫(kù)庫(kù)容最大可達(dá)19 m長(zhǎng)×6 m寬，平均水深58 m。加高工程于1986年完工。

5 跨境合作

1986年，南非和萊索托簽署了一份協(xié)議。根據(jù)該協(xié)議，南非可從萊索托的國(guó)王(Kingdom)山調(diào)水以滿足國(guó)內(nèi)日益增長(zhǎng)的用水需求。萊索托高地引水水庫(kù)項(xiàng)目(the Lesotho Highlands Water Project)第一階段的建造包括卡奇 (Katse)壩和莫哈菜(Mohale)壩，當(dāng)這一階段的施工完成后，水成為了萊索托出口量最大的商品。

建造于馬力巴馬托斯(Malibamatos)河上的卡奇壩是混凝土雙曲拱壩，壩高185 m，壩頂長(zhǎng)710 m?？ㄆ鎵萎?dāng)時(shí)是南非最高的大壩，也是世界上同類大壩中最高的大壩之一?？ㄆ鎵物@著特征是溢洪道由10個(gè)16 m寬的泄洪孔構(gòu)成，這些泄洪孔能夠下泄最大流量250 m3/s的洪水。

建造于森軍延(Senqunyane)河上的莫哈萊壩是南非第二大的混凝土面板堆石壩，壩高145 m，總方量750萬(wàn)m3，大壩壩頂長(zhǎng)700 m、壩寬12 m。其高度為非洲同類大壩之最。作為面板堆石壩，莫哈萊壩抗震性良好。面板的施工充分利用了萊索托山區(qū)中的玄武巖。上述兩座大壩及其配套的基礎(chǔ)設(shè)施共為南非提供了流量為27 m3/s的水源。

萊索托高地引水項(xiàng)目(the Lesotho Highlands Water Project)二期建設(shè)始于2011年。在此階段，在森庫(kù)(Senqu) 河和庫(kù)貝拉(Khubela)河匯合處的下游建造了波利哈利(Polihali)壩。該壩壩型為混凝土面板堆石壩，與莫哈萊壩壩型相似，壩高、壩頂寬及壩頂長(zhǎng)分別為163.5，10 m和 915 m，正常蓄水位高程為2 075 m。同時(shí)還建造了一座副壩以及側(cè)槽式溢洪道。水庫(kù)最大庫(kù)容有望達(dá)到 18.92億m3。

6 展 望

近些年，南非大壩建設(shè)節(jié)奏明顯放緩，更多的是強(qiáng)調(diào)對(duì)現(xiàn)有水利基礎(chǔ)設(shè)施的精細(xì)化管理和優(yōu)化運(yùn)用。政府的重點(diǎn)工作也從新建大壩轉(zhuǎn)移至維護(hù)和改善現(xiàn)有的水利基礎(chǔ)設(shè)施。

研究表明，南非國(guó)內(nèi)目前適合建造大壩的壩址很少，而且建造成本極其昂貴，除非節(jié)水和用水管理等其他方案不起作用的情況下才會(huì)考慮修建大壩。

南非國(guó)內(nèi)仍有為數(shù)不多的幾個(gè)大型水資源開發(fā)項(xiàng)目正在謀劃之中，如東開普省的姆西姆夫布水利項(xiàng)目(Mzimvubu water project)，該項(xiàng)目將包括在伊特斯特沙 (Itsitsa)河上建造塔貝蘭加(Ntabelanga)壩。此外，處于設(shè)計(jì)階段的擬在祖魯那他省建造的姆科馬濟(jì)水利工程(the Mkomazi water project)中將會(huì)建造史密斯菲爾德( Simthfield )壩，該壩的修建將會(huì)增大對(duì)德班及其周邊地區(qū)供水的能力。其他可行的項(xiàng)目還包括在北開普省的奧蘭治河下游建維吾爾斯德芙特(Vioolsdrift)壩，以及在南非北部大萊塔巴 (Groot Letaba)河上建恩瓦米特(Nwamitwa)壩，以滿足日益增長(zhǎng)的用水需求。

盡管南非國(guó)內(nèi)水資源有限，但是新一代的大壩建設(shè)者們堅(jiān)信南非的大壩建設(shè)將會(huì)繼續(xù)蓬勃發(fā)展。

譚峰屹 鄒 瑜 譯

(編輯：朱曉紅)

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2016-10-13

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