我所看到的美國水電—

何學(xué)民談密西西比流域的綜合開發(fā)及其借鑒意義

　　如果說科羅拉多河泥沙含量大，類似中國的黃河，那么密西西比河地域和河流的許多特性就類似于中國的長江。只有了解美國密西西比河流域的水利水電水運開發(fā)情況，才算是真正了解美國水電。

密西西比河由阿肯色河、密蘇里河、田納西河、克伯蘭河幾條主要河流組成，在分別介紹這幾條河流的水電開發(fā)之前，首先側(cè)重從水運方面介紹美國密西西比河的總體情況。

1.密西西比河概況

密西西比河是北美洲最長．的河流，全長為6262公里，列世界第四長河。

密西西比河的干流和支流，流經(jīng)美國31個州和加拿大2個省，流域面積達322萬平方公里，居世界第五位。密西西比河的主要支流包括：伊利諾斯河、密蘇里河、俄亥俄河、田納西河、阿肯色河等，形成一個龐大的水系，是美國內(nèi)河航道網(wǎng)的主干，流向自北向南。

2．密西西比河的開發(fā)、管理和整治

密西西比河的開發(fā)、管理和整治由密西西比河委員會集中負(fù)責(zé)，由美國工程師兵團具體實施。經(jīng)過一個多世紀(jì)的開發(fā)和治理，密西西比河水系已經(jīng)發(fā)展成為集航運、防洪、發(fā)電、供水、灌溉、娛樂、環(huán)保于一體的綜合利用水系。

2．1　密西西比河的開發(fā)整治簡史

為了穩(wěn)定河勢，充分發(fā)揮密西西比河的綜合功能，從1820年美國國會開始討論發(fā)展內(nèi)河航運的法令以來，先后通過了多項防洪、航運的法令或法律，保證了內(nèi)河開發(fā)有序地進行。

1825年密西西比河和伊利運河初步建成。長581千米的運河，溝通了伊利湖與哈得孫河流域，由此形成了以密西西比河和五大湖為主干的美國航道網(wǎng)，對美國的中西部經(jīng)濟的早期開發(fā)起到了重要作用。通過伊利運河連接了阿巴拉契亞山以西的中部大平原，大量貨物通過水運使位于哈得孫河口的紐約港格外繁忙，成為美國東海岸最大的港口。

為了更好地開發(fā)和利用密西西比河，1879年美國國會成立了密西西比河委員會，負(fù)責(zé)包括航運等綜合整治工作，統(tǒng)籌有關(guān)的財政預(yù)算。上世紀(jì)30年代羅斯?？偨y(tǒng)執(zhí)政期間，美國修建了流經(jīng)7個州的跨流域的田納西運河，保護和開發(fā)了3000萬英畝的土地，安排和創(chuàng)造了大量的就業(yè)崗位，密西西比河所產(chǎn)生的巨大社會經(jīng)濟效益，一直作為羅斯福新政的重大成就享譽世界。沒有當(dāng)時美國工程師兵團修建的18000公里運河，沒有田納西運河為龍頭的眾多基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，很難想像美國能一躍成為世界頭號經(jīng)濟強國。

由于密西西比河中下游在洪水期間不適合航運，所以很早以前美國國會就有人構(gòu)想以田納西——湯比格比運河作為從田納西河到墨西哥灣的航運替代線路。由于該方案施工困難，一直未付諸實施，直達1964年4月，密西西比州哥倫布市才首次大膽提出在田納西——湯比格比運河（253英里長）修建中使用核爆破。美國耗資1700萬美元對用核爆炸物建設(shè)運河的可能性進行研究論證，由于核裝置的安全性問題比較突出，再考慮到可能與核條約發(fā)生沖突，科學(xué)家建議仍采用傳統(tǒng)的方式來建造這條運河。最終在20世紀(jì)90年代前，田納西——湯比格比運河工程竣工通航，達到通行萬噸級船隊的水運水平。

2.2　建設(shè)水運工程也是水能開發(fā)的重要方式

人們通常認(rèn)為，所謂水能開發(fā)就是建設(shè)水電站開發(fā)水電資源，實際上，建設(shè)水運工程也是水能開發(fā)的重要方式。在山區(qū)建設(shè)公路，通常是沿著江邊修筑，但與此同時也給環(huán)境帶來影響，同時公路運輸也需要消耗油料。

而水運成本低廉，在樹枝形河系中，水網(wǎng)縱橫交錯，水運具有難以比擬的優(yōu)點。

由于對水運航道的高度重視，密西西比河上游及其四大主要支流伊利諾斯河、俄亥俄河、田納西河、阿肯色河全部實現(xiàn)了渠化，建設(shè)通航梯級100多個，船閘130多座，下游重點是浚深航道，同時開挖人工運河，使各大河流相互溝通，在美國東部形成了密西西比河干流和支流直達、江河湖海溝通、四通八達的水運網(wǎng)，降低了運輸成本。美國內(nèi)河運輸?shù)倪\費與鐵路和公路的運費之比約為l：4：30，因此內(nèi)河運輸具有得天獨厚的優(yōu)勢。今日，遠洋船只可以往上游航行到圣勞倫斯海道，再由大湖區(qū)到芝加哥，再由芝加哥運河連接密西西比河，而從密西西比河的支流密蘇里河又可延伸到西部內(nèi)陸平原。因此，美國有從大西洋經(jīng)過五大湖到中西部密西西比河流域再到墨西哥灣的水路航線網(wǎng)。

美國農(nóng)業(yè)與工業(yè)制品可由水路網(wǎng)運往沿岸城市及遠洋港口。美國煤炭通過縱橫交錯的水運網(wǎng)絡(luò)非常方便也非常便宜地運送到全美各地的燃煤發(fā)電廠，從而有效地降低了電力工業(yè)運營的成本。

2．3　美國密西西比河綜合治理的經(jīng)驗

據(jù)美國專家介紹，密西西比河綜合治理的經(jīng)驗可總結(jié)為以下幾條：

——政府重視、頒發(fā)法律、有序開發(fā)。是一個特別重視立法的國家，通過立法，未雨綢繆的對未來的工程建設(shè)計劃進行規(guī)劃。使水利水電水運工程建設(shè)有法可依。

——委托工程師兵團進行實施，從水利水電水運三個方面進行科學(xué)規(guī)劃和建設(shè)。

——航道、船閘、船隊尺度標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、性能優(yōu)良，做到了系列化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，不僅提高了航運效率，而且便于維護。

——重視科研在河流治理和工程建設(shè)中的作用。每年政府都有大量的經(jīng)費投入到維克斯堡水道實驗站，進行相關(guān)研究、成果轉(zhuǎn)化、數(shù)學(xué)模型、物理模型、數(shù)學(xué)生態(tài)模型實驗等，優(yōu)化比選方案，為工程設(shè)計、施工和維護等提供保障。

——倡導(dǎo)公眾參與，增強河流意識。在密西西比河下游的圖尼卡縣建立了密西西比河流博物館，將河流變遷、河流貢獻、人河相處、生態(tài)環(huán)境、善待河流等知識，或以圖文并茂，或以實物模型直觀明了地向公眾宣傳。

2．4　美國的河流綜合開發(fā)的一些作法與我國存在差異

在美國的水利水電水運開發(fā)中，為最大程度地增進附近居民的理解，獲得附近居民的支持，美國的水電機構(gòu)都非常重視科普工作。如在密西西比河流博物館，就采用透明的有機玻璃圓筒展示出河流上游、中游、下游直至河口的河床泥沙組成和泥沙沉積物的厚度，直觀明了地將河流動力學(xué)、河床演變學(xué)、泥沙運動力學(xué)等深奧的專業(yè)知識非常形象地呈現(xiàn)在公眾的眼前；在博物館附近河道的高灘上矗立著幾個高矮不一的白色圓柱，很有藝術(shù)感染力。這些圓柱的高低正是不同頻率洪水的水位，使公眾在欣賞這一藝術(shù)作品的同時也增加了不同頻率洪水的水位、淹沒范圍等知識，自覺地增強了防洪意識。

特別值得一提的是美國密西西比河流1993年發(fā)生了特大洪災(zāi)，造成了巨大的損失，促使美國人對密西西比河的洪水管理進行反思。按照我們的思維習(xí)慣，遭受到這么大的損失，一定會痛定思痛，在密西西比河流的中下游地，區(qū)合適的地方，建設(shè)一座巨型水壩攔蓄洪水，但是美國的水利水電專家竟沒有人提出這一方案。這非常值得深思。

3．密西西比河生態(tài)保護問題

河流是一種財富方式。由于很多企業(yè)和個人都希望自己能從利用河流中獲得財富，因而會出現(xiàn)很多矛盾。

1927年人們游說國會議院在增加水深讓密西西比河流通航的時候，招來了鐵路公司最堅決的反對——因為一旦航運，就會搶走鐵路的貨物運輸業(yè)務(wù)。同時隨著水位的提高，鐵路公司將不得不架設(shè)橋梁，建設(shè)更大的涵洞，并增加防止水流侵蝕鐵軌方面的成本。很多環(huán)保團體也強烈反對壩閘系統(tǒng)，最早的反對者是美國工程師兵團的一位工程師豪爾，當(dāng)他在依阿華州的野生動物學(xué)校演講時，他警告聽眾：“閘壩可能帶來負(fù)面影響，使河流成為下水道，河水腐臭導(dǎo)致魚類死亡”。為此環(huán)保團體專門成立了漁業(yè)局生物調(diào)查組織，幫助美國工程師兵團克服船閘建設(shè)過程中的環(huán)境問題，并努力尋找解決問題的良策。

“密西西比河不僅是一條河流，它還是美國河流多用途的最佳例證”。美國國會將密西西比河上游認(rèn)定為具有國家重要意義的生態(tài)和河運系統(tǒng)。事實上的確如此，密西西比河是美國內(nèi)陸唯一擁有這種功能的河流。這條河流的生態(tài)系統(tǒng)既是魚類、鳥類生活的家園，同時也是美國鷹類等鳥類遷移的走廊，為鳥類過冬提供了食物和棲息地。這里還有五座野生動物棲息地：密西西比上游棲息地、馬可吐溫棲息地、垂普露、明尼蘇達河谷、伊里諾伊國家野生動物棲息地。沿著河流，共有300，000ACRE的森林地、山脈和濕地。

美國國會還認(rèn)為，這條河流產(chǎn)生了多方面的綜合效益，因此必須在多重目的下進行管理和使用。首先是每年都有7000萬噸貨物-8500萬噸貨物被運送到密西西比河上游，所運送的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品、石油產(chǎn)品、煤炭都是最適宜水運的大宗貨物，其中農(nóng)產(chǎn)品占貨運總噸數(shù)的50%以上。其次是河流上所修建的工程可以對河流進行調(diào)節(jié)，極大地改變了密西西比河流的水文地質(zhì)特性，密西西比河流域以前被洪水淹沒的土地——1200，000ACRE，現(xiàn)在有66%都被用來種植莊稼和放牧，通過河堤使這些農(nóng)業(yè)土地與防洪區(qū)隔離。第三是發(fā)電效益，水電站群發(fā)出的強大的電能促進了密西西比河流域的經(jīng)濟發(fā)展，顯著增加了美國的綜合國力。

密西西比河流域構(gòu)成了美國最有產(chǎn)量的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)區(qū)。密西西比河也是美國最主要的水運通道。但是，來自農(nóng)業(yè)和工業(yè)的污染也嚴(yán)重影響著這條河流。盡管船閘和水壩有時候使水流中的魚類和生物大大增加，但也使泥沙問題不斷凸現(xiàn)，現(xiàn)在河谷中的沖刷率遠遠小于泥沙釣形成，使進入密西西比河的泥沙不斷增加，泥沙在回水中沉積，給水中的生物系統(tǒng)帶來了營養(yǎng)，也帶來了殺蟲劑等有毒化學(xué)物質(zhì)。不斷沉積的泥沙降低了生物棲息地的品質(zhì)，使一些動物產(chǎn)生了從水棲到岸棲的變異。

為做好密西西比河的保護工作，美國專門成立了密西西比河上游保護委員會和下游保護委員會。密西西比河上游管理委員會生物專家曾經(jīng)認(rèn)為，泥沙的沉積對洄水的環(huán)境影響很大，如果不進行理論創(chuàng)新和研究創(chuàng)新，那么人們將很難有效防止。經(jīng)過探索，現(xiàn)在上游委員會、有關(guān)各州和聯(lián)邦政府開始通過環(huán)境管理項目（EMP）以不同的方式處理泥沙問題。在實施EMP項目中，美國漁業(yè)組織、美國工程師兵團和：五個上游州共同收集泥沙數(shù)據(jù)調(diào)查并尋：找管理替代方案，以減少泥沙沉積對洄水的影響。

為有助于后代對密西西比河流資源的利用和管理，密西西比上游委員會提出需要發(fā)展全面的生態(tài)系統(tǒng)管理戰(zhàn)略來指導(dǎo)上游密西西比河流組織形成真正的伙伴管理。

密西西比上游委員會提出的生態(tài)系統(tǒng)管理目標(biāo)是發(fā)展統(tǒng)一的資源管理理論，保護和，增強密西西比河上游的生態(tài)系統(tǒng)，這種政策將有利于維持密西西比河自然資源的長期健康，能有效滿足后代利用。為此，密西西比上游委員會認(rèn)為這種生態(tài)系統(tǒng)管理很可能需要新的立法以改變一些制度框架，并將這一任務(wù)列為美國密西西比河上游今后50年的重要任務(wù)。

結(jié)合密西西比河的情況，這里在談一點對我國河流管理的認(rèn)識。在“退耕還林”、“退牧還草”之后，我國還應(yīng)該采取“退岸還河”戰(zhàn)略，下決心將一些沿河而建的化工企業(yè)進行搬遷，以維護我國大江大河的生態(tài)安全。

4．美國密西西比河的泥沙問題及中美泥沙研究的對比

在進行水能開發(fā)以后，河流的流速就會明顯緩慢下來，挾沙能力下降，從而出現(xiàn)泥沙淤積問題。由于泥沙問題困擾著美國密西西比河水運，所以美國的水利水電水運科學(xué)家對泥沙問題進行了很多的研究。

在泥沙問題的研究領(lǐng)域，也許我國處于世界先進水平，但是在環(huán)境泥沙研究方面，我們卻并不占優(yōu)勢。美國農(nóng)業(yè)部國家泥沙實驗室是專門研究泥沙問題的機構(gòu)，主要研究工作是采用多學(xué)科交叉研究來解決流域土壤侵蝕、泥沙輸移與沉積、高地和河流里化學(xué)物質(zhì)的輸移、農(nóng)業(yè)耕作、河工工程以及河岸保護對泥沙和污染物輸移的影響、生態(tài)友好河流等問題。研究范圍從基本理論、工程應(yīng)用到技術(shù)轉(zhuǎn)化，非常廣泛，以滿足聯(lián)邦和州政府的需求。

美國農(nóng)業(yè)部國家泥沙實驗室建有兩個實驗室，一個專門用于基本理論研究，在有限的空間里布置了緊密有序的實驗水槽和儀器設(shè)備，降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙、風(fēng)浪流、泥沙運動、河岸侵蝕等領(lǐng)域的不少研究成果就是在這里完成的。另一個是為解決工程實際問題而建的實體模型實驗室。

據(jù)有關(guān)材料介紹，美國農(nóng)業(yè)部國家泥沙實驗室近年來在河流生態(tài)恢復(fù)、河岸侵蝕機理以及河岸穩(wěn)定性判別技術(shù)等方面取得不少創(chuàng)新成果。比如，在河岸侵蝕機理研究方面，并沒有局限于傳統(tǒng)的臨界剪切力或臨界流速等概念，而是從河岸不同組織材料的特性，計算不同水位的水壓力和河岸空隙水壓力的變化曲線，通過比較兩者的大小確定河岸穩(wěn)定的臨界判別指標(biāo)，給出了5種岸體材料和河岸6種植被情況下的河岸穩(wěn)定的判別系數(shù)，為-評估已建河岸的穩(wěn)定性和新建河岸的規(guī)劃設(shè)計提供了有效的工具。

美國的泥沙研究多是結(jié)合環(huán)境影響、環(huán)境評估和環(huán)境修復(fù)進行的，在傳統(tǒng)的河流泥沙、水庫泥沙等研究方面處于次要地位，但利用先進設(shè)備和儀器進行泥沙運動機理的研究和泥沙量測方面仍比較先進。相比之下，我國在傳統(tǒng)的泥沙研究和泥沙災(zāi)害處理的實踐上居于國際領(lǐng)先水平，結(jié)合環(huán)境泥沙問題的研究雖有涉及，但在研究深度與廣度上仍有待加強。泥沙研究應(yīng)放在全流域的高度上，將流域的侵蝕產(chǎn)沙、泥沙輸移、河道演變、河口響應(yīng)、生態(tài)環(huán)境作為一個系統(tǒng)整體加以研究。

在泥沙研究及生態(tài)環(huán)境等問題的研究上，美國物理模型實驗研究漸少，而且物理模型實驗多為基礎(chǔ)性研究，模型尺度較小，實驗設(shè)備先進，在理論上的貢獻突出。相比之下，我國在工程應(yīng)用’方面的模型試驗研究能力、廣度和深度均較強，在泥沙數(shù)學(xué)模型模擬精度上處于先進地位，尤其是在黃河高含沙水流這種特殊河流上的模擬具有獨到之處。但也應(yīng)該看到我國在數(shù)學(xué)模型上的通用性和商業(yè)化上的進展緩慢；不利于模型的提高和推廣應(yīng)用。

美國的一些研究機構(gòu)和大學(xué)非常重視基礎(chǔ)理論研究。在完成必要的科研項目的同時，利用先進的實驗儀器和設(shè)備、借助完善的數(shù)學(xué)模型，進行純學(xué)術(shù)性的研究，在理論上取得了不少創(chuàng)新成果。此外，他們還對美國的地表侵蝕進行了深人研究，繪制了全國泥沙侵蝕模數(shù)、各河流含沙量、人海泥沙通量、以及海岸帶泥沙通量等泥沙信息地圖，對于從宏觀了解國土類型和泥沙分布具有重要意義。這些做法對我國很有啟發(fā)價值。

5．水電可持續(xù)發(fā)展呼喚理論和研究創(chuàng)新

流域梯級水電開發(fā)及規(guī)劃，不但是涉及到水電產(chǎn)業(yè)的布局及發(fā)展的重大問題，而且也是區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重大問題。對于密西西比河流域而言，由于其橫貫美國，所以密西西比河流域的總和開發(fā)及治理，就遠遠超過了區(qū)域經(jīng)濟的范疇，上升到整個國家的發(fā)展戰(zhàn)略高度，成為全國的經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略課題。在我國長江流域的水電開發(fā)和綜合治理其實也是涉及到中華民族子孫后代的千秋偉業(yè)，影響極其深遠：為此，我們必須借鑒美國密西西比河水系的綜合開發(fā)及治理經(jīng)驗，大力開拓水電可持續(xù)發(fā)展理論，形成具有一定理論高度和思想高度的發(fā)展戰(zhàn)略和水電產(chǎn)業(yè)理論，以指導(dǎo)我國的水電開發(fā)。

盡管水電可持續(xù)發(fā)展理論由三個方面組成，一是水電資源的管理理論，二是水電資源的開發(fā)理論，三是水電資源的維護理論，但水文學(xué)和水資源學(xué)仍然是水電可持續(xù)理論的基礎(chǔ)。通過對美國密西西比河的了解，深切地感覺到在水文及水資源研究方面，存在很多需要我國水電技術(shù)人員進行理論和研究創(chuàng)新的地方。

過去講水文，主要是為工程設(shè)計提供基本數(shù)據(jù)，考慮較多的是經(jīng)濟性、安全性，研究的是降雨徑流。在水電可持續(xù)發(fā)展理論里面，則可能還需要考慮工程的環(huán)境影響、生態(tài)影響以及人文社會方面的影響。在傳統(tǒng)的水利水電水運開發(fā)中，水文方面主要是關(guān)注局部，在水電可持續(xù)發(fā)展理論里面，需要拓展到全流域水資源的信息以及相關(guān)的一些信息?，F(xiàn)代水文學(xué)不僅要對大氣水、海洋水、地表水大地下水，水圈和大氣圈、巖石圈進行關(guān)注，還要關(guān)注目前的現(xiàn)狀以及預(yù)測未來的變化，人類活動對區(qū)域水資源產(chǎn)生的多方面影響，其核心內(nèi)容是區(qū)域和全球水溫循環(huán)。現(xiàn)代水文學(xué)今后需要逐步地擴展到一些特殊區(qū)域、特殊類型的研究內(nèi)容。比如說，遙感水文學(xué)、生物水文學(xué)、城市水文學(xué)等新的學(xué)科分支。在水電可持續(xù)發(fā)展理論里面，需要重新定義水資源學(xué)，有關(guān)的研究領(lǐng)域需要有所拓展：研究水資源形成、可再生的維持機理及時空變化規(guī)律、對水資源可持續(xù)利用的方式和對策；分析人類活動對水資源的影響；研究水與生態(tài)系統(tǒng)相互作用模式、機理、過程與效應(yīng)問題，在利用方面上，提供科學(xué)合理的生態(tài)、生產(chǎn)、生活用水提供科學(xué)依據(jù)；致力于水資源開發(fā)的轉(zhuǎn)移式發(fā)展；促進水資源合理配置和高效利用；解決技術(shù)支撐，建立水資源監(jiān)控體系，實施綜合管理；分析水資源的能源效益、生態(tài)效益、生產(chǎn)效益、生活效益，利用計算機；建立水資源效益的核算體系。

此外，新的水資源學(xué)還需要充分考慮自然因。素和人類活動之間的相互作用、水鹽平衡、水和能量的耦合循環(huán)、物理規(guī)律和統(tǒng)計規(guī)律、自然因素和人類活動。在利用層面上，要重視研究水資源開發(fā)利用對生態(tài)環(huán)境的影口向，需要從過去對物理過程的關(guān)注，轉(zhuǎn)化到生物工程的關(guān)注。

水電可持續(xù)發(fā)展理論迫切需要理論創(chuàng)新，需要傳統(tǒng)水電學(xué)術(shù)研究由窄幅研究向?qū)挿芯哭D(zhuǎn)變，由單一研究向復(fù)合研究轉(zhuǎn)變，由工程研究向生態(tài)研究轉(zhuǎn)變，由技術(shù)研究向管理研究轉(zhuǎn)變，由水工模型試驗向數(shù)學(xué)模型計算轉(zhuǎn)變。只有實現(xiàn)了這五個轉(zhuǎn)變，才能實現(xiàn)水電可持續(xù)發(fā)展的理論創(chuàng)新，才能使我國的水電開發(fā)提升到更高的境界。

作者簡歷：何學(xué)民（1965-），河南省靈寶人，四川省電力公司干部，中國電力報駐四川記者站站長，高級工程師，是麥肯錫咨詢公司及ＭＥＬＬＯＮ公司咨詢顧問。