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摘 要 卡里巴大坝是目前世界上水容最大的水库，南非风险管理研究所2015年的一个报告中发出警告，卡里巴大坝急需修复，否则整个大坝就会崩溃，350万人处于危险之中。赞比西河管理局给出3个可行的选择，分别是：第一，修复现有的卡里巴大坝；第二，重建卡里巴大坝；第三，拆除卡里巴大坝，并建造10～20个小水坝来代替卡里巴大坝。本文通过分别比较三个选项的成本与收益，得出最终的选择——拆除现有的卡里巴大坝，并用10～20个小坝组成的级联坝代替现有的卡里巴大坝。
关键词 卡里巴大坝；成本收益的分别比较；级联
中图分类号 TV6 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）16-0198-01
1 背景
赞比西河是非洲第四大河，是流入印度洋的最大的河流。莫桑比克的赞比西河受到两个非常大的水库（卡里巴水坝和卡布拉巴萨水坝）的存在的强烈影响，这些水库已经改变了天然的季节性流量，以及河流沉积物的平衡和形态。特别是卡布拉巴萨水坝的下游，正在发生不可忽视的影响，如赞比西河河岸崩溃和岸线的逐渐侵蚀，以及对虾生产和生物多样性变化的经济和生态影响。为了评估和减轻这些影响，似乎迫切需要对赞比西河上修建的大坝进行定量和定性分析。卡里巴大坝是一座128m高的双曲拱壩，年产量可达10 000吉瓦时。发电站在地下，设有六台100MW的立式发电机组。卡里巴大坝属于津巴布韦和赞比亚两国所有，从1959年开始运行，总库容达到1 880亿m?，满足了赞比西河附近大部分的电力需求。作为世界上水容最大的水库，已经工作了50年，迫切需要修复。赞比西河管理局提出以下3个方案，第一，修复现有的卡里巴大坝；第二，重建卡里巴大坝；第三，拆除卡里巴大坝，并建造10～20个小水坝来代替卡里巴大坝。
为了具体说明3个选择，首先列出成本和收益的相关因素。
考虑到上述要素，必须分别量化每个要素来计算成本和收益，但具体的实际数据难以找到，因此，将成本和收益两个部分分开研究。首先分析一下每个选择的具体情况。
2 修复现有的卡里巴大坝
溢洪道是坝工建筑物的重要安全部位。溢洪道的正常安全运行，是减小大坝洪水漫溢风险的保证。然而，由于混凝土的尺寸变化所引起的运行问题，导致了卡里巴坝溢洪道泄洪闸门的失灵。卡里巴大坝的泄洪闸门很难打开和关闭，并且伴有剧烈振动和干扰。所以，维修泄洪闸门和溢洪道可及时防止事故发生，确保日常运行的安全，是十分必要的。在维修过程中，使用射流技术可以加快混凝土坝修复，但因为这个设备比较贵，而且当地市场无货可售，不是理想的解决方案。相比之下，风动工具虽有可能损坏混凝土面层内外的锚杆和钢筋网，但其造价为15万美元，相对便宜10%，可采用此种方法[1]。大坝和溢洪道的恢复预算估计为2.94亿美元[2]。此外，卡里巴大坝泄洪闸的失效是由碱骨料造成的反应，且碱骨料反应是连续的，属于设计缺陷，无法从根本上解决。
3 重建卡里巴大坝
随着人口的增长和对能源、粮食的需求的增加，水的连续使用量继续增加。在世界欠发达地区，将有力推动经济活动的扩大和水资源的共享。南非的赞比西河流域（ZRB）相对不发达，水电发电潜力巨大，灌溉农业可增加粮食产量。仅赞比亚就有近6 000万公顷的耕地，其中15%是目前耕种的。该地区的经济已经相对较快地增长，目前每年7.5%的速度增长（赞比亚央行2014年），该区域人口每年以3%（儿童基金会2013年）的速度增长。若选择重建卡里巴大坝，则重建时可以通过增加新的溢洪道或改善原来的溢洪道增加放电量；考虑到重建大坝所使用的材料，可以使用更好的材料代替原来的聚合物，解决碱骨料反应和闸门开启与关闭的问题。从上述可改善的方面来看，重建后的大坝消力池的磨损情况将会依然存在，并且重建后的水库库容可能保持原来的库容水平，水库造成的地震问题也会依然存在。
4 用10～20个小坝代替卡里巴大坝
通过在赞比西河上建造一系列梯级坝代替卡里巴大坝，这种对河流进行分段开发的方法可以充分利用河流，最大程度地开发水能和水运资源。1933年，美国在田纳西河流域的开发方案中首次提出对河流进行多目标梯级开发，并开始实施。此后，康伯兰河、哥伦比亚河、科罗拉多河等相继按照田纳西河的开发方式依次对河流实施多目标梯级开发。中国黄河的上游，法国内河，其他许多河流已经先后开发了梯级联水电站并实现了综合经济效益。黄河上游经50年的梯级开发建设，已建成5座大中型水电站，具有312亿立方米的库容和300万千瓦的装机。
可以看到，梯级水电站有许多优点，它不仅能最大程度地利用开发水资源，并且还考虑了多个目标，实现了多方面的利益的统一，梯级水电站之间，不仅存在电的联系，也存在水的联系。对于求解梯级水电站的问题可根据其约束条件建立一个多目标非线性的动态优化模型。
5 各个选择的成本分析
维修卡里巴大坝需要2.20亿美元，重建卡里巴大坝需要3.42亿美元。设定这些费用为直接成本。该表还提到施工期间额外损失为20.31亿美元，假设为间接成本。数据并没有直接显示维修卡里巴大坝的间接成本，但所收集的资料显示，所需的时间约为2年，而重建时间需要10年。因此，假设维修大坝的间接成本是重建大坝间接成本的1/5，近40 000万美元。建立10～20个小水坝的直接成本与重建成本相似，但施工时间较短，大约为4年。因此，建立多个小水坝的直接成本是3.4亿美元，间接成本约为8亿美元。从数据上看来，显然维修大坝的成本更小，施工时间也最短，需要2年左右，而重建卡里巴大坝或用10～20个小水坝组成的梯级坝系统的成本相似，但是后者的施工期更短。而且修建梯级坝可减少施工难度，保证下游居民生活安全，所需建筑材料的耗材也降低，因此，从成本的分析来看，选择建造一系列小水坝更明智。
6 各个选择的收益分析
通过比较法构建矩阵，并得到每个项目的权重[3]。用E1、E2、E3分别代替经济收益、社会收益和环境收益。从表2中可知，CR<0.1，一致性测试的结果是正确的。且经济收益和社会收益的影响是更为积极的，从上述分析中可知，如果选择选项三，我们会获得更好的社会和环境效果。
总收益E=0.105E1+0.637E2+0.258E3
7 结论
选项一在短期内似乎更经济有效，但选项三在长期内可获得更大的利润。所以，综上所述，选项三相比其他两个选项可用带来更大的收益，除此之外，用10～20个小坝代替卡里巴大坝使得施工难度大大降低。因此，应当选择选项三。应当将文中的建模方法与该地区的能源系统模型联系起来，可以对能源、水资源和农业经济的权衡进行更明确的建模，并更深入地了解气候变化造成的实际成本。
参考文献
[1]傅湘宁.卡里巴坝溢洪道的安全加固[J].水利水电快报，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.
关键词 卡里巴大坝；成本收益的分别比较；级联
中图分类号 TV6 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）16-0198-01
1 背景
赞比西河是非洲第四大河，是流入印度洋的最大的河流。莫桑比克的赞比西河受到两个非常大的水库（卡里巴水坝和卡布拉巴萨水坝）的存在的强烈影响，这些水库已经改变了天然的季节性流量，以及河流沉积物的平衡和形态。特别是卡布拉巴萨水坝的下游，正在发生不可忽视的影响，如赞比西河河岸崩溃和岸线的逐渐侵蚀，以及对虾生产和生物多样性变化的经济和生态影响。为了评估和减轻这些影响，似乎迫切需要对赞比西河上修建的大坝进行定量和定性分析。卡里巴大坝是一座128m高的双曲拱壩，年产量可达10 000吉瓦时。发电站在地下，设有六台100MW的立式发电机组。卡里巴大坝属于津巴布韦和赞比亚两国所有，从1959年开始运行，总库容达到1 880亿m?，满足了赞比西河附近大部分的电力需求。作为世界上水容最大的水库，已经工作了50年，迫切需要修复。赞比西河管理局提出以下3个方案，第一，修复现有的卡里巴大坝；第二，重建卡里巴大坝；第三，拆除卡里巴大坝，并建造10～20个小水坝来代替卡里巴大坝。
为了具体说明3个选择，首先列出成本和收益的相关因素。
考虑到上述要素，必须分别量化每个要素来计算成本和收益，但具体的实际数据难以找到，因此，将成本和收益两个部分分开研究。首先分析一下每个选择的具体情况。
2 修复现有的卡里巴大坝
溢洪道是坝工建筑物的重要安全部位。溢洪道的正常安全运行，是减小大坝洪水漫溢风险的保证。然而，由于混凝土的尺寸变化所引起的运行问题，导致了卡里巴坝溢洪道泄洪闸门的失灵。卡里巴大坝的泄洪闸门很难打开和关闭，并且伴有剧烈振动和干扰。所以，维修泄洪闸门和溢洪道可及时防止事故发生，确保日常运行的安全，是十分必要的。在维修过程中，使用射流技术可以加快混凝土坝修复，但因为这个设备比较贵，而且当地市场无货可售，不是理想的解决方案。相比之下，风动工具虽有可能损坏混凝土面层内外的锚杆和钢筋网，但其造价为15万美元，相对便宜10%，可采用此种方法[1]。大坝和溢洪道的恢复预算估计为2.94亿美元[2]。此外，卡里巴大坝泄洪闸的失效是由碱骨料造成的反应，且碱骨料反应是连续的，属于设计缺陷，无法从根本上解决。
3 重建卡里巴大坝
随着人口的增长和对能源、粮食的需求的增加，水的连续使用量继续增加。在世界欠发达地区，将有力推动经济活动的扩大和水资源的共享。南非的赞比西河流域（ZRB）相对不发达，水电发电潜力巨大，灌溉农业可增加粮食产量。仅赞比亚就有近6 000万公顷的耕地，其中15%是目前耕种的。该地区的经济已经相对较快地增长，目前每年7.5%的速度增长（赞比亚央行2014年），该区域人口每年以3%（儿童基金会2013年）的速度增长。若选择重建卡里巴大坝，则重建时可以通过增加新的溢洪道或改善原来的溢洪道增加放电量；考虑到重建大坝所使用的材料，可以使用更好的材料代替原来的聚合物，解决碱骨料反应和闸门开启与关闭的问题。从上述可改善的方面来看，重建后的大坝消力池的磨损情况将会依然存在，并且重建后的水库库容可能保持原来的库容水平，水库造成的地震问题也会依然存在。
4 用10～20个小坝代替卡里巴大坝
通过在赞比西河上建造一系列梯级坝代替卡里巴大坝，这种对河流进行分段开发的方法可以充分利用河流，最大程度地开发水能和水运资源。1933年，美国在田纳西河流域的开发方案中首次提出对河流进行多目标梯级开发，并开始实施。此后，康伯兰河、哥伦比亚河、科罗拉多河等相继按照田纳西河的开发方式依次对河流实施多目标梯级开发。中国黄河的上游，法国内河，其他许多河流已经先后开发了梯级联水电站并实现了综合经济效益。黄河上游经50年的梯级开发建设，已建成5座大中型水电站，具有312亿立方米的库容和300万千瓦的装机。
可以看到，梯级水电站有许多优点，它不仅能最大程度地利用开发水资源，并且还考虑了多个目标，实现了多方面的利益的统一，梯级水电站之间，不仅存在电的联系，也存在水的联系。对于求解梯级水电站的问题可根据其约束条件建立一个多目标非线性的动态优化模型。
5 各个选择的成本分析
维修卡里巴大坝需要2.20亿美元，重建卡里巴大坝需要3.42亿美元。设定这些费用为直接成本。该表还提到施工期间额外损失为20.31亿美元，假设为间接成本。数据并没有直接显示维修卡里巴大坝的间接成本，但所收集的资料显示，所需的时间约为2年，而重建时间需要10年。因此，假设维修大坝的间接成本是重建大坝间接成本的1/5，近40 000万美元。建立10～20个小水坝的直接成本与重建成本相似，但施工时间较短，大约为4年。因此，建立多个小水坝的直接成本是3.4亿美元，间接成本约为8亿美元。从数据上看来，显然维修大坝的成本更小，施工时间也最短，需要2年左右，而重建卡里巴大坝或用10～20个小水坝组成的梯级坝系统的成本相似，但是后者的施工期更短。而且修建梯级坝可减少施工难度，保证下游居民生活安全，所需建筑材料的耗材也降低，因此，从成本的分析来看，选择建造一系列小水坝更明智。
6 各个选择的收益分析
通过比较法构建矩阵，并得到每个项目的权重[3]。用E1、E2、E3分别代替经济收益、社会收益和环境收益。从表2中可知，CR<0.1，一致性测试的结果是正确的。且经济收益和社会收益的影响是更为积极的，从上述分析中可知，如果选择选项三，我们会获得更好的社会和环境效果。
总收益E=0.105E1+0.637E2+0.258E3
7 结论
选项一在短期内似乎更经济有效，但选项三在长期内可获得更大的利润。所以，综上所述，选项三相比其他两个选项可用带来更大的收益，除此之外，用10～20个小坝代替卡里巴大坝使得施工难度大大降低。因此，应当选择选项三。应当将文中的建模方法与该地区的能源系统模型联系起来，可以对能源、水资源和农业经济的权衡进行更明确的建模，并更深入地了解气候变化造成的实际成本。
参考文献
[1]傅湘宁.卡里巴坝溢洪道的安全加固[J].水利水电快报，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.