卡里巴大壩修復與重建的選擇分析

田冉

摘 要 卡里巴大壩是目前世界上水容最大的水庫，南非風險管理研究所2015年的一個報告中發出警告，卡里巴大壩急需修復，否則整個大壩就會崩潰，350萬人處于危險之中。贊比西河管理局給出3個可行的選擇，分別是：第一，修復現有的卡里巴大壩；第二，重建卡里巴大壩；第三，拆除卡里巴大壩，并建造10～20個小水壩來代替卡里巴大壩。本文通過分別比較三個選項的成本與收益，得出最終的選擇——拆除現有的卡里巴大壩，并用10～20個小壩組成的級聯壩代替現有的卡里巴大壩。

關鍵詞 卡里巴大壩；成本收益的分別比較；級聯

中圖分類號 TV6 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）16-0198-01

1 背景

贊比西河是非洲第四大河，是流入印度洋的最大的河流。莫桑比克的贊比西河受到兩個非常大的水庫（卡里巴水壩和卡布拉巴薩水壩）的存在的強烈影響，這些水庫已經改變了天然的季節性流量，以及河流沉積物的平衡和形態。特別是卡布拉巴薩水壩的下游，正在發生不可忽視的影響，如贊比西河河岸崩潰和岸線的逐漸侵蝕，以及對蝦生產和生物多樣性變化的經濟和生態影響。為了評估和減輕這些影響，似乎迫切需要對贊比西河上修建的大壩進行定量和定性分析。卡里巴大壩是一座128m高的雙曲拱壩，年產量可達10 000吉瓦時。發電站在地下，設有六臺100MW的立式發電機組。卡里巴大壩屬于津巴布韋和贊比亞兩國所有，從1959年開始運行，總庫容達到1 880億m?，滿足了贊比西河附近大部分的電力需求。作為世界上水容最大的水庫，已經工作了50年，迫切需要修復。贊比西河管理局提出以下3個方案，第一，修復現有的卡里巴大壩；第二，重建卡里巴大壩；第三，拆除卡里巴大壩，并建造10～20個小水壩來代替卡里巴大壩。

為了具體說明3個選擇，首先列出成本和收益的相關因素。

考慮到上述要素，必須分別量化每個要素來計算成本和收益，但具體的實際數據難以找到，因此，將成本和收益兩個部分分開研究。首先分析一下每個選擇的具體情況。

2 修復現有的卡里巴大壩

溢洪道是壩工建筑物的重要安全部位。溢洪道的正常安全運行，是減小大壩洪水漫溢風險的保證。然而，由于混凝土的尺寸變化所引起的運行問題，導致了卡里巴壩溢洪道泄洪閘門的失靈。卡里巴大壩的泄洪閘門很難打開和關閉，并且伴有劇烈振動和干擾。所以，維修泄洪閘門和溢洪道可及時防止事故發生，確保日常運行的安全，是十分必要的。在維修過程中，使用射流技術可以加快混凝土壩修復，但因為這個設備比較貴，而且當地市場無貨可售，不是理想的解決方案。相比之下，風動工具雖有可能損壞混凝土面層內外的錨桿和鋼筋網，但其造價為15萬美元，相對便宜10%，可采用此種方法[1]。大壩和溢洪道的恢復預算估計為2.94億美元[2]。此外，卡里巴大壩泄洪閘的失效是由堿骨料造成的反應，且堿骨料反應是連續的，屬于設計缺陷，無法從根本上解決。

3 重建卡里巴大壩

隨著人口的增長和對能源、糧食的需求的增加，水的連續使用量繼續增加。在世界欠發達地區，將有力推動經濟活動的擴大和水資源的共享。南非的贊比西河流域（ZRB）相對不發達，水電發電潛力巨大，灌溉農業可增加糧食產量。僅贊比亞就有近6 000萬公頃的耕地，其中15%是目前耕種的。該地區的經濟已經相對較快地增長，目前每年7.5%的速度增長（贊比亞央行2014年），該區域人口每年以3%（兒童基金會2013年）的速度增長。若選擇重建卡里巴大壩，則重建時可以通過增加新的溢洪道或改善原來的溢洪道增加放電量；考慮到重建大壩所使用的材料，可以使用更好的材料代替原來的聚合物，解決堿骨料反應和閘門開啟與關閉的問題。從上述可改善的方面來看，重建后的大壩消力池的磨損情況將會依然存在，并且重建后的水庫庫容可能保持原來的庫容水平，水庫造成的地震問題也會依然存在。

4 用10～20個小壩代替卡里巴大壩

通過在贊比西河上建造一系列梯級壩代替卡里巴大壩，這種對河流進行分段開發的方法可以充分利用河流，最大程度地開發水能和水運資源。1933年，美國在田納西河流域的開發方案中首次提出對河流進行多目標梯級開發，并開始實施。此后，康伯蘭河、哥倫比亞河、科羅拉多河等相繼按照田納西河的開發方式依次對河流實施多目標梯級開發。中國黃河的上游，法國內河，其他許多河流已經先后開發了梯級聯水電站并實現了綜合經濟效益。黃河上游經50年的梯級開發建設，已建成5座大中型水電站，具有312億立方米的庫容和300萬千瓦的裝機。

可以看到，梯級水電站有許多優點，它不僅能最大程度地利用開發水資源，并且還考慮了多個目標，實現了多方面的利益的統一，梯級水電站之間，不僅存在電的聯系，也存在水的聯系。對于求解梯級水電站的問題可根據其約束條件建立一個多目標非線性的動態優化模型。

5 各個選擇的成本分析

維修卡里巴大壩需要2.20億美元，重建卡里巴大壩需要3.42億美元。設定這些費用為直接成本。該表還提到施工期間額外損失為20.31億美元，假設為間接成本。數據并沒有直接顯示維修卡里巴大壩的間接成本，但所收集的資料顯示，所需的時間約為2年，而重建時間需要10年。因此，假設維修大壩的間接成本是重建大壩間接成本的1/5，近40 000萬美元。建立10～20個小水壩的直接成本與重建成本相似，但施工時間較短，大約為4年。因此，建立多個小水壩的直接成本是3.4億美元，間接成本約為8億美元。從數據上看來，顯然維修大壩的成本更小，施工時間也最短，需要2年左右，而重建卡里巴大壩或用10～20個小水壩組成的梯級壩系統的成本相似，但是后者的施工期更短。而且修建梯級壩可減少施工難度，保證下游居民生活安全，所需建筑材料的耗材也降低，因此，從成本的分析來看，選擇建造一系列小水壩更明智。

6 各個選擇的收益分析

通過比較法構建矩陣，并得到每個項目的權重[3]。用E1、E2、E3分別代替經濟收益、社會收益和環境收益。從表2中可知，CR<0.1，一致性測試的結果是正確的。且經濟收益和社會收益的影響是更為積極的，從上述分析中可知，如果選擇選項三，我們會獲得更好的社會和環境效果。

總收益E=0.105E1+0.637E2+0.258E3

7 結論

選項一在短期內似乎更經濟有效，但選項三在長期內可獲得更大的利潤。所以，綜上所述，選項三相比其他兩個選項可用帶來更大的收益，除此之外，用10～20個小壩代替卡里巴大壩使得施工難度大大降低。因此，應當選擇選項三。應當將文中的建模方法與該地區的能源系統模型聯系起來，可以對能源、水資源和農業經濟的權衡進行更明確的建模，并更深入地了解氣候變化造成的實際成本。

參考文獻

[1]傅湘寧.卡里巴壩溢洪道的安全加固[J].水利水電快報，1996，17（15）：15-18.

[2]C·MTsokodayi，Xia Jihua，Xiang Shiwu.The Safety Problem of the Water Discharge of Kaliba Dam [J].International Hydropower，1996（1）：7-12.

[3]Mark，R.K.，and D.E.Stuart-Alexander.D sa*tcr as a ncccssclry part of benefit-cost analyses.Sclrnrr.1977：197.endprint