大壩的安全與合理開發(fā)之問

王煜

船通過三峽大壩前往湖北宜昌。

奔騰的江河中，守護(hù)人類、造福人類的水利工程，在保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的同時(shí)，其自身的安全又該怎樣確保？水利工程該怎樣恢復(fù)當(dāng)年的“黃金水道”、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展？《新民周刊》記者就此訪問了相關(guān)專家。

人工智能保安全

許多樞紐工程的規(guī)模巨大、建設(shè)難度高，這是我國當(dāng)前水利工程的一大顯著特點(diǎn)。三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院教授孫開暢表示：這樣的特點(diǎn)一方面來源于我國擁有的自然資源條件，另一方面由中國水利工程不斷提升的技術(shù)水平造就。

公眾熟知的三峽工程是當(dāng)前世界上規(guī)模最大的水電站，但它的大壩高度為185米，并沒有進(jìn)入“世界最高大壩”的序列。金沙江是我國最大的水電基地，在其干流上已經(jīng)建成和正在建設(shè)的一些水利工程，其壩高都達(dá)到了“300米級別”，是名副其實(shí)的“世界級巨型工程”。例如，烏東德水電站的最大壩高為265米;溪洛渡水電站的最大壩高更是達(dá)到了278米，是規(guī)模僅次于三峽的巨型水利工程。

“無論從防洪還是發(fā)電功能的設(shè)計(jì)上來說，我們都需要建設(shè)高壩大庫?！睂O開暢告訴《新民周刊》記者，建設(shè)高壩是為了提升水利工程的庫容，而有了足夠大的庫容才能起到攔蓄洪水、削減洪峰的作用，發(fā)電量也更高。然而，大壩建得越高，對設(shè)計(jì)施工的要求也就越高。大壩垂直于水面，直接受到水流的巨大推力，如果在設(shè)計(jì)、用料和施工上存在疏忽，壩體就有被“推倒”的危險(xiǎn)。

在孫開暢看來，目前我國的筑壩技術(shù)在多次巨型工程的實(shí)踐和考驗(yàn)中越來越高，穩(wěn)居世界領(lǐng)先水平。其中，水利工程在建設(shè)和運(yùn)營過程中的預(yù)警系統(tǒng)、應(yīng)急系統(tǒng)的開發(fā)利用，是保證工程安全的關(guān)鍵因素。

2015年，她曾經(jīng)帶領(lǐng)學(xué)生到吉林省豐滿水電站重建工程的現(xiàn)場考察。在這座始建于20世紀(jì)30年代、中國最早的大型水電站里，他們看到工程里留下了許多用于人工檢查時(shí)通行的廊道。在那個(gè)年代，人工檢查幾乎是水利工程查險(xiǎn)的唯一手段;而如今，融入物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為水利工程人的得力助手。

2016年9月，中國的溪洛渡水電站獲得有國際工程咨詢領(lǐng)域“諾貝爾獎(jiǎng)”之稱的“菲迪克2016年工程項(xiàng)目杰出獎(jiǎng)”，成為當(dāng)年全球21個(gè)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目中唯一的水電項(xiàng)目。獲獎(jiǎng)的關(guān)鍵是工程建設(shè)方中國三峽集團(tuán)研發(fā)的iDam1.0拱壩智能建造系統(tǒng)。

該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)“全面感知、真實(shí)分析、實(shí)時(shí)控制”的智能管控原理，集成物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)篩選分析技術(shù)、三維仿真技術(shù)、預(yù)警預(yù)判和決策支持技術(shù)等，可在大壩混凝土澆筑、溫控、監(jiān)測、蓄水等建設(shè)運(yùn)行全過程中，實(shí)時(shí)感知、分析信息數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)智能溫控、智能振搗、智能蓄水等智能控制，時(shí)刻知曉大壩“身體狀態(tài)”。iDam1.0助力溪洛渡水電站創(chuàng)造了建設(shè)中未出現(xiàn)溫度裂縫的世界紀(jì)錄。

與溪洛渡水電站相比，烏東德水電站受大風(fēng)、干熱環(huán)境影響更為明顯，大壩混凝土溫控防裂難度更大。2017年3月，烏東德大壩主體首倉混凝土正式澆筑，iDam2.0拱壩智能建造系統(tǒng)同步上線，它在感知、分析、控制方面有諸多創(chuàng)新性提升，比如提升了對于大壩真實(shí)溫度應(yīng)力和抗裂能力的感知度，智能溫控、智能振搗等智能控制功能也有所增強(qiáng)。

針對烏東德大壩混凝土澆筑開倉前的基礎(chǔ)信息，iDam2.0系統(tǒng)進(jìn)行了完整的數(shù)據(jù)錄入和流程執(zhí)行工作;開倉后，現(xiàn)場人員可通過手機(jī)、平板等設(shè)備，實(shí)時(shí)錄入和上傳現(xiàn)場盯倉數(shù)據(jù)，各級管理人員可通過移動(dòng)終端進(jìn)入系統(tǒng)，實(shí)時(shí)查詢數(shù)據(jù);同時(shí)，智能通水溫控?cái)?shù)據(jù)、拌合樓生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及纜機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)也能通過數(shù)據(jù)集成接口，實(shí)時(shí)回傳至iDam 2.0系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大體積混凝土施工全過程智能化管控。

2017年3月25日，在烏東德大壩第三倉混凝土澆筑完畢之時(shí)，iDam2.0系統(tǒng)中已有冷卻水管溫度計(jì)埋設(shè)數(shù)據(jù)20條、盯倉記錄387條、纜機(jī)數(shù)據(jù)682條、拌合樓數(shù)據(jù)1459條、溫控及通水?dāng)?shù)據(jù)100746條。

“智慧工程”的體現(xiàn)不僅如此。烏東德大壩地處干熱河谷地區(qū)，大風(fēng)頻發(fā)，日照強(qiáng)烈，年平均相對濕度僅50%左右，這對大壩混凝土在運(yùn)輸、澆筑、振搗等過程中的溫度控制十分不利。如何做好混凝土的保溫保濕和溫控防裂工作，避免大壩“發(fā)燒”？iDam2.0中的智能通水系統(tǒng)起到了關(guān)鍵作用。

金沙江上最大水電站——溪洛渡水電站。

6月5日，水庫水位蓄至945米高程后的烏東德水電站。

在以往的諸多水利工程項(xiàng)目中，混凝土降溫多采取人工冷卻方式，無論是工作效率還是溫控精度都有所欠缺。烏東德大壩在混凝土里預(yù)埋溫度計(jì)，可實(shí)時(shí)感知混凝土溫度，再經(jīng)過智能通水系統(tǒng)的分析計(jì)算，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)通水流量，實(shí)現(xiàn)混凝土冷卻過程智能化。

建設(shè)完成后，這些工程各處依然密布各類儀器，組成實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，隨時(shí)向人們匯報(bào)工程的“健康狀況”?！叭绻阉こ炭醋饕粋€(gè)人，那么這些監(jiān)測系統(tǒng)就像時(shí)時(shí)刻刻都在給這個(gè)人做全身掃描檢查，發(fā)現(xiàn)任何一點(diǎn)不健康的跡象都會(huì)及時(shí)提示，接下來醫(yī)生們就會(huì)根據(jù)檢查結(jié)果及時(shí)作出診斷和治療?！睂O開暢說。

高庫大壩的安全得到保障后，堤防等水利工程又如何減少風(fēng)險(xiǎn)呢？在當(dāng)前嚴(yán)峻的抗洪形勢下，這成為公眾非常關(guān)心的話題。

“實(shí)際上，在流域防洪中，沿岸堤防的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高庫大壩?！睂O開暢說。在河流上游的峽谷之中建設(shè)“高壩大庫”的水利工程是依據(jù)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)實(shí)的自然環(huán)境做出的選擇。而到了河流中下游，地勢變得平坦，如果再修“高壩大庫”，截流的回水將淹沒太大的地區(qū)，并不現(xiàn)實(shí)。因此，中下游地區(qū)一般興建的都是低壩水利工程，這些工程的庫容較小，對洪水的攔蓄作用不明顯。防洪的重任更多落到堤防等水利工程上。

孫開暢說：與大壩是混凝土澆筑不同，我國許多江河的沿岸堤防是土堤，這里的“土”指的是“廣義土”，包括沙土、礫石和壤土。她說，堤防最怕的就是水位過高漫過堤頂，因?yàn)橥恋痰牟馁|(zhì)在被水浸泡后，它的強(qiáng)度會(huì)降低，潰壩決口的可能性隨之增大。她表示：通過科學(xué)調(diào)配，降低堤防處的水位，該疏導(dǎo)時(shí)一定要疏導(dǎo)，而不要讓堤防去和洪水硬扛，這是保證堤防安全的關(guān)鍵。

她提出，實(shí)際上我國在重要河流沿岸都規(guī)劃有蓄洪區(qū)，就是用于在洪水來臨時(shí)適時(shí)開閘讓洪水分流進(jìn)入這些地區(qū)，以減輕其他地段的堤防壓力?！叭克畮鞌r蓄、削減洪水或者靠堤防去擋住洪水，這是行不通的。在流域治理中，有擋有泄才是治水之道。”

助力航運(yùn)強(qiáng)國

除了防洪、發(fā)電，水利工程對江河航運(yùn)的提升、對沿岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展的促進(jìn)同樣是其不可忽視的重要功能。

漢江是長江最大的支流，古時(shí)與中國其他幾條大河并稱“江、河、淮、漢”。全長1577公里的漢江，流經(jīng)湖北871公里，是湖北省經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要廊道，曾經(jīng)是航運(yùn)能力比肩長江的“黃金水道”。

然而，上世紀(jì)70年代漢江上游的丹江口水利樞紐建成后，水庫蓄水以及南水北調(diào)的影響，使得漢江中下游的水量明顯減少，航運(yùn)功能受到較大的制約。漢江在2015年的年貨運(yùn)量僅3000萬噸，不到贛江的七分之一、湘江的五分之一，通航條件已不能適應(yīng)現(xiàn)代航運(yùn)發(fā)展的需要。

“為了解決這個(gè)問題，湖北從上世紀(jì)90年代開始規(guī)劃從丹江口往下的6級水利樞紐建設(shè)，希望能提升恢復(fù)漢江‘黃金水道的作用?！焙笔〗煌ㄟ\(yùn)輸廳港航管理局局長王陽紅告訴《新民周刊》記者。

這些水利樞紐的首要設(shè)計(jì)功能都是航運(yùn)。工程完成后，區(qū)域內(nèi)的航道等級得到提升。目前，王甫洲、崔家營、興隆3級樞紐已建成;雅口、碾盤山樞紐正在建設(shè)中;新集樞紐已完成前期工作，預(yù)計(jì)今年可正式開工。

已經(jīng)建成的樞紐使得漢江鐘祥以下至武漢的區(qū)域已達(dá)到千噸級通航標(biāo)準(zhǔn)，但目前襄陽到鐘祥這一段只能保證五百噸級的通航，要實(shí)現(xiàn)千噸級通航，還要等待下游雅口和碾盤山兩大樞紐的建設(shè)完成。

“千噸級航道”對于襄陽的意義十分重大?！扒Х锼孪尻枴?，這里自古以來就是交通要道、重要的水陸運(yùn)輸交換節(jié)點(diǎn)。特別是近年來，襄陽在汽車、機(jī)電等領(lǐng)域發(fā)展迅速，工業(yè)原材料和產(chǎn)品的進(jìn)出對水運(yùn)的依賴度很強(qiáng)，迫切需要一條高等級的航道來支撐經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1958年丹江口大壩建設(shè)開工典禮。

“水運(yùn)在大宗貨物的運(yùn)輸上有著明顯的成本優(yōu)勢。”王陽紅介紹說，每噸公里水運(yùn)成本為0.05元;相比之下，鐵路的這個(gè)數(shù)據(jù)為0.14元，公路為0.5-1元。漢江流域有諺語稱：“貨到武漢活”。如果2023年，襄陽到武漢的千噸級航道全部打通，這段路程走水運(yùn)的物流成本至少比目前走公路或公水聯(lián)運(yùn)降低35%以上。漢江千噸級航道的打通，預(yù)計(jì)將把運(yùn)輸成本在襄陽GDP中的比重從目前的19%降低到12%。

除了襄陽的工業(yè)產(chǎn)品，鐘祥的磷礦石與江漢平原盛產(chǎn)的糧食、油料等大宗商品也將首選水運(yùn)，通過武漢中轉(zhuǎn)后通江達(dá)海。這將明顯降低湖北省內(nèi)企業(yè)的運(yùn)輸成本、推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。王陽紅的希望是，漢江的貨運(yùn)量能夠在千噸航道打通后達(dá)到每年億噸的水平。

除了興修水利樞紐，湖北還在荊州市和潛江市之間，興建了中國現(xiàn)代最大的人工運(yùn)河——引江濟(jì)漢工程，以長江之水補(bǔ)給漢江下游。2014年通水后，長江水由此匯入漢江，每年可補(bǔ)充漢江下游十多億立方米水量。

“引江濟(jì)漢”的進(jìn)水設(shè)計(jì)流量為350立方米每秒，最大引水500立方米每秒。

工程可基本解決南水北調(diào)中線一期工程調(diào)水95億立方米對漢江下游“水華”的影響，解決東荊河的灌溉水源問題，并緩解中下游水量減少的矛盾。

引江濟(jì)漢工程建成后，對工程沿線及漢江中下游地區(qū)的抗旱、防洪、航運(yùn)、生態(tài)修復(fù)等方面發(fā)揮了積極作用。2017年7月，湖北省持續(xù)晴熱，面對特大旱情，從7月1日至8月31日，引江濟(jì)漢工程累計(jì)引水14.6億立方米，相當(dāng)于12個(gè)東湖水量，500萬畝農(nóng)田、百萬群眾從中受益。

2016年7月，面對汛期內(nèi)長湖水位居高不下的狀況，引江濟(jì)漢工程在成功應(yīng)對拾橋河、西荊河、殷家河等中小河流汛情的同時(shí)，兩次為長湖撇洪1.1億立方米，相當(dāng)于降低長湖最高洪水位0.4米。今年7月14日，引江濟(jì)漢工程再次為長湖撇洪。

在航運(yùn)上，往返荊州和武漢的船舶，通過引江濟(jì)漢工程河道直取漢江，航程可縮短200多公里;而往返襄陽與荊州的航程則縮短600多公里。

王陽紅透露：水利專家正在論證再建一項(xiàng)“引江補(bǔ)漢”工程，從三峽庫區(qū)引水補(bǔ)充到丹江口，以進(jìn)一步增強(qiáng)漢江的航運(yùn)等功能。