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清华王兆印教授:自然坝的消能减灾作用
2017/5/12 9:37:40    新闻来源:中国水力发电工程学会
     本网讯 中国既是洪旱极为严重的国家,又是地质灾害常发、多发的国家,水电开发与地质灾害之间究竟是什么的关系?讨论产生概念,争论产生思想!为了向社会各界介绍水力发电、水库大坝和地质灾害的科学关系,中国水力发电工程学会、中国大坝工程学会于2017 年5 月12 日(全国减灾日)上午9:00~12:00 在华北电力大学主楼D区216会议室召开"水力发电与地质减灾"科普论坛。论坛特邀四位专家,结合美国奥罗维尔大坝事故等热点问题,围绕水库大坝在地质减灾方面的重要作用,做专题讲座,并同与会代表进行现场交流。

    清华大学教授王兆印做《自然坝的消能减灾作用》主题报告。 


 

王兆印:各位记者,各位领导,各位专家,非常荣幸在这里跟大家交流关于水力发电与地质灾害的一些体会,今天的题目就是"自然坝的消能减灾作用",主要是以下几个方面的内容:

    第一,河流下切和自然坝的形成。

    第二,自然坝和阶梯-深潭系统消能减灾的机理。

    第三,人工模拟自然坝消能结构的减灾效果。

    第四,西南河流梯级坝群消能减灾及生态保护方略。

    第五,结论。

 

一、首先谈谈河流下切和自然坝的形成

河流自然演变过程中会产生大量的水坝,主要是河流的下切造成的,像崩塌、滑坡、泥石流堵塞河流形成的拦河坝,这些都称为自然坝。自然坝是河流下切的一种我反馈,其结果一定是减少进一步下切,减少新的地质灾害。除了地质灾害还有其它非人工坝,像这个是两个河狸做的一个3米高的坝,是这两个河狸砍伐树木做成的,主要为了养鱼和筑巢。当然,绝大多数自然坝是河流下切引发地质灾害形成的。

中国西南深受青藏高原抬升到影响,据测量,喜马拉雅每年上升21毫米,往北唐古拉山昆仑山上升慢一些。由于高原抬升,雅鲁藏布江、怒江、澜沧江、金沙江、黄河上游的坡度加大,水流速度加快冲刷河床,所以就发生下切,两岸会变陡,变得不稳定。

    这是雅鲁藏布江的超V型河谷,而这个是金沙江的V型和超V型河谷。所谓超V型河谷,是指两岸坡度大于30度的河谷。一般河流两岸坡度都在30度以下。下切的河流谷底狭窄,两岸坡度达到30度,断面上呈V字形。V型河谷是下切河流的标志地貌。如果河流加速下切,即近千年下切速度变快,就会形成超V型河谷,河谷下半段坡度超过30度。V型和超V型河谷非常不稳定。河床下切使得河岸坡度增大,发生崩塌和滑坡的势能增加。一般两岸坡度达到25—30度就会滑坡,超过30度就会崩塌,像雅鲁藏布江大峡谷几乎天天在崩塌。

为什么河流下切会造成滑坡,可以用这个图来说明。这个就是滑坡体,黑线就是潜在的滑动面,没有滑坡时我们不知道滑动面在哪里藏着。当河床高于滑动面时滑坡体的下部有河床提供支撑力,因此滑不下来。当河流下切切穿了滑动面,滑坡体就失去了支撑,暴雨或者震动时就会发生滑坡(图1)。

图 1

    大型滑坡体如果达到一定的方量的时候就会形成堰塞坝。这个是体积2000万方的唐家山滑坡体,滑坡发生后形成了一个80米高800米厚的堰塞坝。这个是绵远河兰家岩滑坡堰塞坝,滑坡体600万方,滑动面就是沉积岩的岩石层面。河流从这边往这边流,长期下切切断了滑动面,地震时一震就滑下来了,形成了一个70米高的堰塞坝。

正在下切的河流就像地球表面的伤口,堰塞坝就是地球自愈结的痂。这些自然坝控制河流的进一步下切,防止新的滑坡和崩塌。因此自然坝形成后应该尽可能保存下来。当然,自然坝形成后会有不同程度的溃决,经过多年洪水冲刷后才能逐渐稳定下来。稳定下来的堰塞坝发育由阶梯-深潭系统组成的消能结构。

世界上最大的自然坝是塔吉克斯坦的乌索伊滑坡坝,是1911年2月18日7.4级地震导致的大滑坡。20亿立方米的大滑坡堰塞了穆尔加布河,形成了600m高的乌索伊滑坡坝和库容170亿立方米长达60km萨雷兹湖。100多年来这个堰塞湖一直在蓄水,水深已经达550m,目前还在以每年18.5厘米的速度上涨,估计再过280年就会蓄满。塔吉克斯坦每个新政府上台都要讨论这个堰塞坝蓄满怎么办。目前世界上人工修建的大坝最高的是335米,远远低于600米高的自然坝。

    这个是2000年发生的易贡藏布大滑坡,滑坡体积3亿方,落差3000米,堰塞了易贡藏布江。这个堰塞坝高60多米,物质组成非常细,大石块的体积不到1%,所以很容易溃决。当时易贡藏布的流量是378m3/s,蓄水两个半月,然后人工炸坝排险。溃决洪水冲刷后堰塞坝高度剩下1/3,堰塞坝顶都是超过半米的大石块。

    这个是1933年地震形成的岷江上的叠溪滑坡坝,一共有三个,经过多年冲刷,溃掉了1/3,现在坝高还有2/3。形成三个尼克点。尼克点是河流纵剖面上坡度突然变陡的点或者短河段。中国河流的尼克点大部分是崩塌滑坡泥石流堰塞坝稳定下来后形成的。

    这个是虎跳峡堰塞坝,是一个崩塌坝,由一连串多个崩塌形成。这个崩塌坝总高度是213米,形成于数百年前。经过长期淤积,现在堰塞湖水深还很大,至少100米。这个是流量达到7000秒立米的情况,由于水深很大,表面光滑如镜,根本看不出来流动来。这个堰塞坝结构非常强,可以大大地消减水流能量。正是由于高强度消能,所以在金沙江这样的大江上堰塞坝还能保持相对的稳定。

    这个是金珠藏布江上崩塌形成的一个30米高的崩塌堰塞坝,消能结构非常强,坝顶坡度达到十几度还能保持稳定。其实这样的堰塞坝在金珠藏布江上还有很多。

    这个是帕隆藏布江上的天魔沟泥石流堰塞坝,是2011年融雪和暴雨泥石流冲进大江形成的。我们当时就在帕隆藏布江上游采样测量,这个堰塞坝一形成我们就过去了,当时形成一个45米高、长度到600米的堰塞坝,堰塞湖3公里长。经过第二年第三年的大洪水,堰塞坝顶部冲下去大概6、7米的样子,现在基本上能保持在37、38米,堰塞湖还有2公里多长。去年去看没有多大的新改变,基本上可以长期保存了。


二、阶梯-深潭系统消能和自然坝的减灾机理。

    地质灾害的发生主要是由于河流的能量太大。不同能量形成的运动就不同。输送泥沙比输水需要多100倍的能量,泥石流比输沙要多20倍能量,滑坡更比泥石流需要多2-5倍的能量,而崩塌比滑坡还要高差不多10倍的能量(图2)。

        消能是水流势能和动能转化为湍流能和热能的过程。如果没有消能结构,山区河流的高能量会冲刷河床和河岸导致灾害。自然发育的高效消能结构有阶梯-深潭系统、肋状结构、火焰石结构等。阶梯-深潭系统是最普遍最重要的自然消能结构。可以消减水流60-90%能量,使水流不能冲刷河床,减少灾害、同时改善生态。

图2


    这是典型的阶梯-深潭结构。阶梯-深潭系统是大石块排列成的阶梯和深潭相连而成的一系列结构,一般只在大坡降山区河流里发生。从这个纵剖面图可以看出,大石块叠加形成的阶梯阻挡水流,越过阶梯的水流冲刷下游形成一个深潭,深潭由沙和较小的卵石组成。阶梯-深潭系统都是由一连串的阶梯和深潭组成。

    四川冷木沟是第一个大熊猫被发现的地方,这里上游有一个泥石流堰塞坝,大概有2公里长。这个堰塞坝在洪水冲刷下形成了一个阶梯-深潭系统。而这个是发生在云南的一个泥石流堰塞坝上的三维的阶梯-深潭结构,消能强度更高。

        这个是怒江云南高黎贡山峡谷普拉蒂泥石流堰塞坝上的肋状消能结构。肋状消能结构比阶梯-深潭和火焰石结构消能强度低一些。

这个照片是所谓火焰石结构。发生在四川康定附近的瓦斯沟,平均坡度超过4%,流量超过100 m3/s。剧烈湍急的水流携带泥沙磨损河床上的巨石,形成火焰状。一般火焰石结构看不见,通常淹没在水下。康定瓦斯沟的水被引走穿过隧洞发电,所以河床上的火焰石暴露出来了。火焰石结构消能强度也很大。  

自然坝形成之后一般都会发育阶梯-深潭消能结构。为什么会发育这种结构呢?因为阶梯-深潭系统的消能强度高,可以有效消减过坝水流的能量。堰塞坝蓄积了水流能量,过坝水流集中释放能量,这个能量太大了,只有将阶梯-深潭结构才能有效消减,保护堰塞坝不被冲毁。这个是御军门堰塞坝刚形成的情况,2008年地震引发滑坡形成的。那个时候一地震我就过去了,在那儿看到这个情况。这个大概是过了半年之后,已经有一个初步的阶梯-深潭结构在形成,虽然还没有完全成型。过了10个多月之后,基本形成阶梯-深潭系统,已经非常像了,就是一系列的阶梯间隔一系列的深潭。

阶梯-深潭系统的消机理是通过叠水与水跃来消能。水流通过阶梯的时候是一个叠水,到下游深潭段又发生水跃(图3),这样可以达到消能率60%—90%,把水流的绝大部分能量都消减了,所以使得河床不再继续冲刷和下切,由此保护堰塞坝防止下切和新的滑坡、崩塌的产生。

图3


我们在野外做了实验,就是测量阶梯-深潭系统的消能过程。这个照片是模拟的阶梯-深潭结构和测量设备。这是测量的结果,证明阶梯-深潭消能效果非常好,水流的势能转化为动能,动能转化成湍流能,湍流能又变成热能。

    在野外我们还测量了不同阶梯-深潭发育程度的消能强度。阶梯-深潭结构发育程度用Sp代表,采用这个测量排测量。从此图可以看出,阶梯-深潭结构强度愈高,消减的能量愈大。这个测量结果还说明,阶梯-深潭系统的最大消能率可以达到95%。

这个图说明什么样的堰塞坝能够保留下来。这条曲线做了非常艰苦的测量才得到的(图4),为了测量上面的一个点,差点把命丢了。堰塞坝形成之后能不能稳定,如果不稳定就会溃决,溃决可能造成溃坝洪水灾害。我们必须做出正确的判断,怎么做?第一要看水流能量有多大,第二看形成的结构消能强度有多高。这个图横坐标是水流能量,纵坐标就是消能结构的强度(图4)。如果堰塞坝实测消能结构强度在这条曲线之上,这样的结构就足以低档水流的冲击,堰塞坝能够在水流冲击下保持稳定,这样的堰塞坝是可以保存的。反之,如果堰塞坝的消能结构强度在这条曲线之下,堰塞坝就可能经不住水流冲刷,就会发生溃决,不能保存,应该人工清除或者炸掉以保障下游安全。


图4


    这是流过草坡乡的一条岷江支流,离汶川只有几十公里。这个滑坡形成一个堰塞坝。一年后人们在滑坡体上开了条公路。当时我们来测量堰塞坝上的消能结构强度。上边的公路距堰塞坝顶大概6米的样子。我和漆博士下来测了测水深流速,准备测量消能结构。我想先试试这个地方能不能测量,会不会有危险,然后再让大家下来测量。结果用脚一踹就引发了一个小滑坡,当时这么大的石头砸到我背上,差点随滑坡滚进河里。这是我这一生离死亡最近的一次,还好就是受了点伤。

    自然坝形成后,堰塞坝发育的消能结构剧烈消能,只要消能结构足够强,就可以长期保存。保存下来的堰塞坝提高了侵蚀基本面,河流两岸坡度降低,崩塌滑坡的能量减少,所以不会发生新的崩塌与滑坡。

比如说九寨沟,九寨沟有100多个古代滑坡。这个照片显示典型的滑坡体,座椅状是滑坡的鉴定特征。从空中看滑坡体就像一个座椅(图5),后面的滑动面就像椅子背,下面比较平的地方就是椅子面,两边像扶手,再往下接近河床就像椅子腿。这个滑坡大概发生于1-2万年前。全新世有大量的滑坡发生,基本上都保存了下来。由于保存下来的堰塞坝大大减少了水流能量,河流停止下切甚至发生淤积,因此近代就没有新的崩塌与滑坡发生。保存的古代滑坡体消减能量,也消除了产生新的滑坡的条件,同时形成了美丽的景观和良好的生态。九寨沟的生态我们测量过,属于中国河流里边生态最好的一类。汶川地震的时候九寨沟离震中不是很远,但是没有发生崩塌与滑坡。

图5


如果说九寨沟离震中远一点,不能完全说明问题。那我们来看这个深溪沟,它就在震中,位于龙门山地震带上。这条公路左边是青藏高原,右边是四川盆地。四川盆地基本上不动,公路左边上升了4-5米,可见震动多么剧烈。在这么强大地震条件下,这条沟没有发生崩塌滑坡。这是因为这个沟有古代的三个堰塞坝,基本保存了下来。虽然堰塞湖淤满了,但对于减少崩塌滑坡更有效。所以汶川地震期间这里没有发生崩塌滑坡,山坡完全保持绿色。

从这个纵剖面图看出,三个堰塞湖基本都淤满了,只有1号堰塞湖还有一点库容。正因为这些堰塞坝和其消能结构的存在,水流能量大大减少,河床不冲刷反而淤积抬升,地震时没有发生崩塌滑坡,尽管它就在震中的位置。照片中电线杆子大概有5米长,公路左边比右边高出一个电线杆,可以判断两边的相对运动至少抬升了4-5米。在如此剧烈的地壳运动条件下这条小河没有发生崩塌滑坡,仍然满眼都是绿色的。再看离深溪沟非常近的白沙河。深溪沟就是白沙河的支流。由于白沙河主流上没有历史上保留下来的堰塞坝,两岸全是崩塌与滑坡。

再说说人工坝。自然坝能消能减灾,人工坝会不会?像岷江上的紫坪铺大坝,它离震中非常近,实际上就在龙门山地震带上。这个照片是刚发生地震后的紫坪铺水库上段,可以看到库区是安全的,没有发生崩塌滑坡。因为库区淤积大大减小了崩塌滑坡势能,所以是安全的。沿着岷江再往上走,一出了库区,可以看到岷江两岸到处都是崩塌,都是白色的,很少看到绿色了。这个事实说明,人工大坝也有减灾作用,尤其对上游有明显的减灾作用。人工大坝对下游的安全有一定的副作用。这是因为人工坝不像自然坝那样有很好的消能结构。虽然人工坝也有消能池,但是消能池比自然消能结构还是差一些,所以人工大坝下游的自然灾害还是避免不了。

下面我们看看长期保存的自然坝的上下游发生怎样的演变。长期保存的堰塞湖必然发生淤积,形成宽阔的河谷和平缓的河段,这与人工坝形成的水库一样。由于宽阔的堰塞湖地质灾害少,往往发展成居民点。长期稳定的堰塞坝发育成尼克点。

这是帕隆藏布江上的堰塞湖群(图6)。古乡沟堰塞湖是古乡沟泥石流堵塞帕隆藏布江形成的堰塞坝。巴哈弄吧、阿丁弄吧和地质弄吧是三个冰川堰塞坝。在50公里江面上一共有三个冰川堰塞坝,一个泥石流堰塞坝,形成四个50-200米的尼克点。跟滑坡堰塞坝一样,泥石流和冰川堰塞坝也能有效消能减灾,堰塞湖淤积变得比较宽阔。这个照片就是古乡沟堰塞坝的坝顶,坝顶上游的湖面非常平缓,看起来跟静水一样的,这是因为水很深的缘故。而从坝顶开始往下游就是非常汹涌的水流,这是因为河床上有非常明显的消能结构,把大量的能量转化为湍流。上游大量泥沙淤积,整个河谷变宽变平缓,村民就在较高的滩地居住。这是阿丁弄巴堰塞湖里的淤积滩地,上游有一个村落,由此往下是阿丁弄巴堰塞坝。



图6


这个是虎跳峡堰塞坝形成的尼克点,高度达213米。这个崩塌堰塞坝上发育的阶梯-深潭结构非常强,可以消减的水流能量也非常高。这个就是形成的消能结构,这个是上游的湖区,两边有很多村庄。

这个图是大金川、小金川的纵剖面,有一篇发表在Nature上面的文章,说明大金川小金川的堰塞湖形成的尼克点对于稳定河流和山区地貌的作用。这几个尼克点都有100来米的高差,这个是差不多从2100到2300米。这个照片就是小金川上的一个堰塞坝。


三、人工模拟自然坝消能结构的减灾效果

在目前地质灾害风险非常高的河流里,模拟堰塞坝建设消能结构可以减少灾害的发生。我们刚才讲了,阶梯-深潭系统是消能最有效的一种结构,也是比较容易发育的一种结构。它可以减少水流的冲击能量,稳定河床、减少灾害。我们在文家沟大滑坡做了一年实验,防止了自然灾害的发生。

绵远河文家沟滑坡总方量8160万方,厚度达180米。2008雨季发生高容重泥石流,冲刷滑坡体发育了新水系。我们2009采用人工阶梯-深潭系统控制泥石流。将巨石放到沟底,堆迭成阶梯。洪水流过阶梯时大部分能量消耗在跌水和水跃上,沟床不再下切,水流能量低于临界不能形成泥石流。这个就是文家沟(图7),滑坡体是从这儿下来。这个滑坡就发生在震中,汶川地震的震中就是龙门山断裂带,长达300公里长的断裂带。这个滑坡就是在断裂带上。滑坡发生后,原来文家沟被埋到了180米厚的滑坡碎屑之下。

图7


    文家沟滑坡之后很快到了雨季,形成了5场泥石流,泥石流冲出了一条沟。这个沟50多米深,就是泥石流在滑坡体上下切了50多米,沟两岸坡度接近40度,非常非常危险。一旦水流来的时候冲刷这个坡角,上面的碎屑物体滑下来,跟下面水流一搀和就是泥石流。2008年泥石流发生5次,村庄里的人基本上都搬走了,后来又搬回来了。2009年我们做了人工阶梯-深潭系统消能。当时机械进不去的,没有路,我们只好用人把大石块从两岸坡上放下来,然后围绕大石块用钢丝笼辅助,形成一个个阶梯。我们在冲刷最严重的沟段做了33级阶梯。花费很少,我们花了20多万就做了33级阶梯-深潭结构。

这个是做的人工阶梯-深潭系统,阶梯-深潭通过跌水与水跃来消能。这个是做成之后的初期,可以看到水流通过阶梯发生剧烈紊动,消耗了能量,所以它的水流速度控制的比较低,冲不倒坡角,因此稳定了两岸,基本上没有发生泥石流。

    现在来看看结果,2009年7月17日的降雨量达90.9mm/d,超过2008年的最大日降雨量(88mm/d)。周边多处爆发泥石流灾害,而文家沟内则始终保持平安,没有发生泥石流灾害。文家沟2008年发生5场泥石流,死了80人左右。2009年我们做了33级阶梯-深潭,2009年没有发生泥石流没有伤亡。

    这个是文家沟的纵剖面图(图8)。这条是原来的文家沟,这是2008年地震滑坡之后的文家沟,这个是2008年5场泥石流冲刷形成的新文家沟纵剖面线,冲下去50多米。这是2009年做了人工阶梯-深潭后的文家沟,与2008年的纵剖面吻合,完全没有下切。

    这个照片是人工阶梯-深潭保护的沟段,基本上是稳定的。下面还有一段没有人工阶梯-深潭,因为坡降小,不很危险,就没有做。但是还是有些明显的小崩塌。

    这是作为对照,小岗剑离我们5公里,2009年发生了很严重的泥石流灾害。

到了2010年,国家用灾后重建基金970.5万建坝,建坝的时候把我们的阶梯-深潭完全破坏。当时我们知道以后,就到了国土资源局去汇报,希望用阶梯-深潭结构消能来治理,但是没有成功。这是当时的情况,当时我们给他们监理说,我说千万不要破坏我们的阶梯-深潭消能结构,否则你这个坝建了就会垮掉的,我说你最多5年就会垮掉的。尽管如此他们仍然是炸了,因为搬运石头材料从别的地方搬运价格要贵10倍可能不止。我看他们在大石头上面打眼,炸掉了我们的阶梯-深潭系统,用来作建筑材料建了坝。这20座坝只存在了一个月就被一场泥石流冲垮了。因为这些坝没有消能池,完全没有保护,全部垮掉。垮掉以后沟床下切了50多米,原来的残坝悬在了空中。顶上这里就是原来的沟床。这场泥石流一下子冲下去50多米,冲进了村庄,死了12个人。

图8


    这个上边是原来的残坝,泥石流把沟拓宽了100多米。文家沟下切50米、扩宽100多米。一下子形成这样的灾害主要是因为没有消能。下游淹没了村庄,死了12个人,2个人失踪了。这就是文家沟2008-2010的纵剖面,前三个都说了,最后这条线是2010年炸掉了阶梯-深潭之后的纵剖面,一下子下切了50多米(图8)。

2010年4月的时候我带清华的学生去文家沟实习。看到施工队伍在炸我们的阶梯-深潭系统,我一直跟他们讲不能炸,他们也不听。那天我们的学生在那儿开晚会,我给学生选了两家住宿。现在这个村原来的房子只有这两家还有,其他的房子全部都没了。

这是2011年治理后的文家沟。国家花了2亿元重点治理,同时上游做了隧洞,把宝玉洪水通过隧洞引到河里,多余的水才在沟里流。治理中也考虑了消能,所以做了阶梯,起了一定的消能作用。但是,这种人工阶梯能量消减比模拟自然阶梯-深潭差得多,所以还是有破坏。


四、西南河流阶梯坝群消能减灾及生态保护方略。

中国西南河流水能大、灾害强、开发利用价值高,水电开发将绝大部分水能转化为电能,但是有多余能量、多余的水量弃水还是要通过大坝消能结构消减的。因为这个大坝减少了洪水致灾的能力,大坝上游地质灾害明显减少,但是大坝建设期和运用初期必然增加地质灾害,采用工程措施可以减轻。像通过大坝这个高水头能发电,在雅鲁藏布江要建1000多米水头的发电厂。电站弃水多余能量通过水跃消能,或者是射流消能,还有阶梯消能,现在在欧洲做的比较多了。

这是2008年地震震区沙牌水电站上游和下游的对比。上游受到保护能量降低了,没有发生崩塌滑坡,下游还有灾害。所以一个坝不行,要建设一串大坝,每个坝都保护上游,整个河段就没有问题了。

中国西南河流水能大,灾害性强,同时开发利用价值高。水电开发将水能转化为电能,洪水期多余能量通过大坝消能结构消减。由于大坝减少了洪水致灾能量,大坝上游地质灾害明显减少。大坝建设期和运用初期必然增加地质灾害。采用工程措施可以减轻。

单个大坝保护上游减少灾害但是下游灾害更重。在西南严重下切的河流里建造梯级坝群,将大部分水能转化为电能,既能减灾又改善生态。长江中下游就像长藤结瓜,洪湖、洞庭湖、梁子湖、鄱阳湖等通江湖泊就像是长江藤上结的瓜,这样的江湖联通体系形成多样性的栖息地,适合不同生物生存。因此长江生态比黄河好得多。在西南不能 "长藤结瓜",但可以 "串糖葫芦"。建设中型坝群,河流连接一个一个水库,就像"串糖葫芦"。

在生态本底值高的地方建坝肯定对生态坏处多。三峡那个地方是很多物种的回游通道,所以在那儿建坝造成的生态伤害还是比较强的。但是在生态本底值比较低的黄河、金沙江建坝,生物多样性是可以明显增加的。

这个是金沙江规划和建设的梯级坝群。现在向家坝、溪洛渡都完成了,白鹤滩正在建设,乌东德也准备要建的。但是从长江下游到向家坝为止,都是很多物种的栖息地和产卵场。这里是很多物种的产卵场,很多鱼类在下游长大以后要到上游产卵。有了这些坝它就上不来了,对生态影响就很大。从向家坝往上金沙江生态本底值很低,金沙江很陡,水深浅,大多数物种难以生存。而建坝提供了一个缓流深水区,对生态有改善。

    这是大渡河的梯级坝群,包括开发的这么一个规划,可以看到将来就变成一个台阶、一个台阶。这个是雅砻江的梯级坝群,也会变成一个一个的台阶状。如果不是特别大的坝,而是梯级开发,对生态和减灾是有好处的。

    这个是引水发电的宝兴河,上边建了一个小坝,把水从隧洞引导下游发电站,结果从坝到发电站之间河流没水了,这样对生态是毁灭性的影响。

这个是闽江,实际上是2008年4月28日,即"512"之前一个星期我在那里看到的。上边就是一个小坝引水,通过隧洞到下游发电,所以就变成一个干河了。

下面讲怒江雅鲁藏布江的开发。西南地区大部分河流都开发了,用不同的方式开发,有的建设梯级坝群,还有很多小河引水式发电。但是怒江、雅鲁藏布江还没有开发。怒江下切导致两岸变得坡度很陡,大量泥石流沟造成了数百个泥石流堰塞坝。这些堰塞湖都不深,难以形成较大的鱼类栖息地,堰塞坝消能结构成为河流消能的主要成份。

怒江生物多样性不高,串糖葫芦开发会有改善,库群创造的深水缓流区有利于新物种的生存。一般来讲,梯级开发能减少灾害,都是对生态有影响。物种可能增多但一些特异生物会消失。

    这就是怒江的纵剖面,怒江的纵剖面和两岸支流的纵剖面。大量支流非常陡峭,泥石流冲进怒江形成了比较许多小型堰塞坝。这是怒江上游是在左贡附近,明显可以看到怒江的下切。因为青藏高原抬升比较快,原来河床在上边,发现了近代泥沙沉积物。可以判断近代下沉了100多米。这是河两岸的崩塌和滑坡留下的痕迹。

    到了高黎贡山峡谷,河床在加速下切。两岸崩塌滑坡风险比较高,它的稳定主要靠大量的泥石流堰塞湖。这个是其中一个堰塞坝,这是2011年的泥石流形成的堰塞湖,大概2公里长,大概就是6、7米高。怒江上每隔5公里就有一个泥石流堰塞湖,下边又有一个堰塞湖,堰塞坝也就是4、5米高。虽然不太高,这些堰塞坝对河流下切的控制很有效。

    我们在怒江包括在堰塞湖群里边对无脊椎动物和鱼类采样,鱼类没有看到新的东西,物种也不多。但是在堰塞湖群里发现一个无脊椎动物是新物种,这个物种属于浮游目,不是复眼,而长着6只单眼。我们送到中科院鉴定,他们说肯定是个新物种,原来没有报道过。但是要发表论文需要研究它的生命全过程,这是去年发现的,今年想去的时候我正好心脏病发作就没去成。这里还有一些特化物种,生长在堰塞坝上。

如果用生物多样性做指标,怒江开发是肯定会改善生态的,生物多样性会增加的。但是原来的某些物种会消失。现在反对怒江开发的主要说生态问题,实际上怒江开发的生态问题就是这么一个前景。

    关于雅鲁藏布江,雅鲁藏布江大峡谷有大量的水能,目前大峡谷地质灾害主要是崩塌,频率很高,数量非常多,规模比较小,也没有形成较大的堰塞湖。现在正在实施引水式开发,在派镇修个小坝,通过隧洞穿过喜马拉雅,直降两千多米。引水开发会导致大峡谷部分河段断流,对生态有一定影响。派镇以下可以通过建设坝群开发,但是峡谷陡峭,建设期地质灾害不断。甚至会触发大规模地质灾害,需谨慎决策。在派镇的年水量只有三百亿,但是到下游出国的地方达到一千多亿,所以700多亿水就是大峡谷来的。大峡谷还有很多支流,水还是很多的,所以做梯级开发还是能够开发不少电能的。因为大峡谷非常陡峭,如果开发过程爆炸山体,有可能造成特大的地质灾害都很难说,所以要决策的时候必须非常谨慎。大峡谷里边的水能可以顶三个三峡的水能。

    大峡谷由于水流速度特别快,所以不适宜鱼类生存,只有少数无脊椎动物。我们测过流速,就是用大木头扔进江里,然后用激光测距枪记录流动的距离和时间,流速能达到7米/秒。如果再往江中心流速可能达到10米/秒以上,这样的水流里边几乎没有鱼类可以生存。

    目前建设的藏木电站已经完成,还有一个米林电站在施工,派镇还有一个小坝也要建设。这个就是雅鲁藏布江大峡谷里的大拐弯,我们去的时候走进去要一天28公里,必须当天走到才能够停下,里边条件非常艰苦。在大峡谷可以看到不少的崩塌体,这是去年的崩塌体,这是一个刚刚崩的。我们进去和出来三天里多了三处崩塌,一下雨就会山崩,因为山坡特别陡。

    这是我们团队在测量,可以看到浪是非常大的,这么高的波浪消减了水流能量,所以使得大峡谷保持一定的稳定度。

至于引水式开发是在这里挖个洞直接过来,从3000米一直下到500米,穿越了喜马拉雅山。但是2000多米落差不能一下到底,中间要建个水库把水稍微存一下,可以调节一下,蓄存15分钟的水量。华能公司请我到这个地方建一个水文站,我没带学生去,带了几个老师去的。


五、最后谈一下结论。

    1.自然坝是一种普遍现象,数量大小都超过了人工坝,有的保存下来,有的溃决,保存的自然坝大部分淤满了。

    2.如果自然坝发育良好的消能结构,水流能量绝大部分被消减,堰塞坝就可以长期保存。不论是否淤满,保存的堰塞坝减少新的崩塌滑坡灾害。

    3.模仿自然坝消能结构可以控制下切减少地质灾害,消能应该成为防控地质灾害的主要战略思想。

    4.类似于自然坝,西南坝群可以把水流能量转化为电能,剩余能量采用人工消能结构消减,具有一定的减灾的作用。

    5.西南山区引水发电造成生态灾害,串糖葫芦梯级开发有利于稳定河床和消减地质灾害。生态本底值高的河流建设坝群损伤生态,而在生态本底值低的河流上建设梯级坝群可以改善生态。


 

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