南非大壩建設回顧

[南非] L.V. 范維倫

南非大壩建設回顧

[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，不但是國家發(fā)展和進步的關鍵，也是其社區(qū)生存的關鍵。簡要介紹了各個時期，即殖民時期、經(jīng)濟蕭條期、二戰(zhàn)結束后近20 a黃金時期南非大壩建設情況，以及一跨境合作項目—萊索托高地引水項目，并對南非大壩未來的發(fā)展進行了展望。

水利建設；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，加上其特有的地形地貌，整個國家的氣候在時空分布上差異極大，經(jīng)常發(fā)生旱澇災害。

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

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)在全國大部分地區(qū)，導致國內少有水源恒定的河流，而事實是，全國范圍內僅有1/4的河流終年有水。

極端天氣使得南非的大壩建設者們掌握了控制水流的科學和藝術，國家經(jīng)濟潛能得到釋放。這使得南非成為非洲第二大經(jīng)濟體(僅次于尼日利亞)。國內的大部分供水基礎設施發(fā)達，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，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。

南非國內大型壩所攔蓄的徑流量占全國年均徑流量的70%，確保了全年供水總量的98%。

在南非，大壩建設是一項費用昂貴的商業(yè)活動。這是因為對南非河流有大庫容的要求以實現(xiàn)所需的收益。例如，對于為南非經(jīng)濟核心區(qū)域供水的法爾(Vaal)河，要求其蓄水容量達到年均徑流量的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)

與埃及等國家相比，南非的大壩建設史并不悠久。非洲的最南端是世界上少有的幾個人類活動長達近兩百萬年之久的地方之一，但是，其大壩建設則是一種歷史相對較短的人類活動。

古文化時期的科伊族人(Khoi)和桑人(San)適應自然而非改造自然，然而到了后鐵器時代，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)代水利基礎設施的建設。荷蘭殖民者將源自開普敦桌山的河水引至運河以便于船只能航行至東部富饒地區(qū)。與此同時，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)向干旱的內陸轉移之時，他們便在自己的牧場進行牲畜及槍支貿易，殖民者的活動范圍甚至擴大到了北方和東方。當?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?shù)厝藢⑷當r蓄以為牲畜提供水源，同時，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的永久的一部分，英國的殖民者則將其最新的工程經(jīng)驗引入了南非。但是，在開普敦的英國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)民個人。在這一期間，由倫敦傳道會( 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設施之一。這條1845年完工的灌渠全長228 m，開創(chuàng)了南非國內此類工程的先河，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60年代起，鉆石和黃金的發(fā)現(xiàn)極大推動了南非水基礎設施的發(fā)展。金伯利和約翰內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，由于對食物的需求量增加，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。政府鼓勵農(nóng)民創(chuàng)建灌溉委員會，然后可以申請國家貸款并獲得專業(yè)技術去建設灌溉項目或者是鉆井。第一次世界大戰(zhàn)(1914～1919年)后的一段時間，南非建設了許多大壩，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目有關。

這一階段建造的鱷魚 (Crocodile)河上的哈特比斯普特(Hartbeespoort)壩是當時最大的大壩。大壩的可變半徑拱結構高達 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槽式溢洪道。大壩左右兩側各有渠道系統(tǒng)與庫水相通，兩條渠道在鱷魚河峽谷兩側分別延伸了64 km。作為一個創(chuàng)造就業(yè)的項目，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，為法國凱旋門的復制品。該復制品不但展示了景觀價值，同時具有結構功能。1964年，通過在溢洪道頂增設10扇 2.74 m高的弧形閘門，使壩頂抬高，從而其總庫容達到了19 660萬m3。

3 經(jīng)濟蕭條期的大壩發(fā)展

20世紀30～40年代的經(jīng)濟大蕭條以及南非國內同時期遭遇的干旱反而促進了幾座大型勞動密集型灌溉項目及與其配套的大壩的建設。水利灌溉局(即現(xiàn)今的水資源及公共衛(wèi)生部)則負責這些項目的設計和施工。

在此期間，南非國內建造的最大的大壩之一是象( Olifants)河上的洛斯科普(Loskop)壩。該壩是當時南非最大的混凝土壩，按國際標準它也屬于大型壩。如同當時其他的國有項目，洛斯科普灌溉工程也是勞動密集型項目。據(jù)報道，大壩建設期間驚險不斷，因為工人們不得不時刻躲避好奇的鱷魚。施工場地因其酷暑而著名，因此施工過程中最珍貴的裝備就是制冰機。

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。大壩也采用了一項新技術，即在壩體溢流段較低部位設置了分水墩，這些平扁的混凝土墩比壩頂?shù)土? m，將過壩水流分散，減小了流水對底部混凝土的沖刷。

洛斯科普灌溉工程有總長近495 km的混凝土渠道，主要由左岸長 96 km及右岸長60 km的兩條主要渠道及其支渠構成。洛斯科普灌溉工程也是南非第二長的灌溉工程，該項目由私營機構洛斯科普灌溉董事會管理。

法爾壩是同期建造的另一座大壩，如同其他同類型的大壩，該壩的建設也并非以灌溉為目的，而是為約翰內斯堡提供水源。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，然而直到1934年才開始投入建設。法爾壩是南非當時最大的壩，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。同當時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。工人居住的營地甚至配有網(wǎng)球場、足球場和拳擊臺等娛樂設施。

法爾壩初期壩高54.2 m，庫容達到了9.94億m3。大壩為大體積重力混凝土結構。大壩泄洪部分有一個顯著特征，即通過沖擊大壩下游面的臺階，使流水消能。臺階低于壩頂6 m，臺階頂部是一個巖石狀的肘板，也就是分流設施。通過此分流設施，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。大壩東側建于1938年的一座混凝土副壩也同時進行了加高，并與主壩相連形成了一堵長達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年再次對大壩進行了加高，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。

水庫庫容達到了25.36億m3，并能臨時增加26%的庫容進行調蓄。至今，法爾壩不但為約翰內斯堡提供水源，也為整個豪登地區(qū)，即南非的經(jīng)濟中心提供水源。

4 大壩建設的黃金時期

二戰(zhàn)結束后，南非進入發(fā)展的新時期。歐洲戰(zhàn)后重建刺激了經(jīng)濟強勁發(fā)展，持續(xù)近20 a。南非也從中獲益，在20世紀60年代，是世界上經(jīng)濟增長率最高的國家之一。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)模的調水工程以滿足大量用水的需要。

到20世紀70年代，南非國內的總庫容將近200億m3(存儲了全國40%的年均徑流量)。在這一期間，南非國內有104座水庫的庫容超過了50億m3。1960年，南非成為國際大壩委員會(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，獲取最新的設計知識及建材信息。

南非國內最大的調水項目，即奧蘭治河開發(fā)項目，就是在這一時期完成的。奧蘭治河開發(fā)項目將奧蘭治河水調往菲斯河和主日河，包括三大基礎設施，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。其庫容為全南非最大，壩高 90.5 m，壩頂長909.5 m。嘎瑞普壩總庫容達到了59.5億m3。

與嘎瑞普壩類似，范德克盧夫壩是復合重力拱壩，中間為一個拱構造，該構造逐漸漸變?yōu)榇髩巫蟀兜闹亓纫怼４髩巫畲蟾叨?07 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長的河道也是當時世界上同類建筑中最長的河道，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)的嘎瑞普水庫和蒂伯斯(Teebus)河。

另一個重要的調水工程，圖克拉-瓦爾(Thukela-Vaal)河調水工程，于20世紀70年代建造，該工程將水從夸祖魯-納塔爾省(Kwazulu-Natal)調至豪登的干旱內陸。工程的主要設施為斯泰克方丹(Sterkfontein dam)壩。在大壩建造的1971年前后，斯泰克壩是南非國內最大的土石壩。長2 290 m的土石壩采用典型的斜心墻防滲結構。大壩原始壩高68 m，總庫容為12億m3。

斯泰克方丹壩集水面積小，且?guī)缀鯙樘烊粡搅鳎虼藷o需溢洪道。當于1977年完工時，該壩是南非國內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，使其總庫容達到了26.56億m3。水庫庫容最大可達19 m長×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王(Kingdom)山調水以滿足國內日益增長的用水需求。萊索托高地引水水庫項目(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710 m。卡奇壩當時是南非最高的大壩，也是世界上同類大壩中最高的大壩之一。卡奇壩顯著特征是溢洪道由10個16 m寬的泄洪孔構成，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m3，大壩壩頂長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設施共為南非提供了流量為27 m3/s的水源。

萊索托高地引水項目(the Lesotho Highlands Water Project)二期建設始于2011年。在此階段，在森庫(Senqu) 河和庫貝拉(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、壩頂寬及壩頂長分別為163.5，10 m和 915 m，正常蓄水位高程為2 075 m。同時還建造了一座副壩以及側槽式溢洪道。水庫最大庫容有望達到 18.92億m3。

6 展 望

近些年，南非大壩建設節(jié)奏明顯放緩，更多的是強調對現(xiàn)有水利基礎設施的精細化管理和優(yōu)化運用。政府的重點工作也從新建大壩轉移至維護和改善現(xiàn)有的水利基礎設施。

研究表明，南非國內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考慮修建大壩。

南非國內仍有為數(shù)不多的幾個大型水資源開發(fā)項目正在謀劃之中，如東開普省的姆西姆夫布水利項目(Mzimvubu water project)，該項目將包括在伊特斯特沙 (Itsitsa)河上建造塔貝蘭加(Ntabelanga)壩。此外，處于設計階段的擬在祖魯那他省建造的姆科馬濟水利工程(the Mkomazi water project)中將會建造史密斯菲爾德( Simthfield )壩，該壩的修建將會增大對德班及其周邊地區(qū)供水的能力。其他可行的項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，以滿足日益增長的用水需求。

盡管南非國內水資源有限，但是新一代的大壩建設者們堅信南非的大壩建設將會繼續(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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