美国加利福尼亚调水工程
2013-08-29 19:44:28   来源:

  摘要:始建于上世纪60年代的加州北水南调水利工程,为解决美国加利福尼州水资源分配的不均衡起到了至关重要的作用,也为加州的经济社会发展做出了杰出贡献,同时也是世界长距离调水工程的典范。本文从综述的角度介绍加州调水工程中涉及到的基本问题,并基于综述,提出几点启示,以期对我国正在进行的举世瞩目的南水北调工程提供一定的参考。
  
  1.加利福尼亚州概况
  
  美国加利福尼亚州(以下简称加州)位于美国西海岸,西滨太平洋,北与俄勒冈州、东与内华达州及亚利桑纳州接壤,南临墨西哥,面积共411,013平方公里,总人口约为3,260万人。加州的土地面积列全美第三位,人口列全美第一位。加州是美国第一农业大州,盛产水果、小麦、家禽等农畜产品;食品工业在美国居于首位,其次是飞机制造业,火箭工业等,世界上最大的飞机制造公司——波音公司就在加州。1999年,加州的国内生产总值为988,339亿美元,列全美第一位,此后加州的国内生产总值一直在美国名列前几名。
  
  加州气候呈冬季湿凉,夏季温暖干燥。横穿全州的大气高压带使加州夏季以晴朗天气为主,只有少许的降雨。冬季高压带南移,将全州控制在太平洋气压中,使得这个季节的气候多雨雪。加州的大部分水气来源于太平洋,年平均降水量大约为584mm,65%的降雨量在蒸发或者植被传送过程中消耗掉,剩余的35%则形成地表径流,不到50%的地表径流用在了农业灌溉和城市的工业和人口需求中。
  
  加州的水资源分布存在以下的特点:
  
  1.1地区差异
  
  加州70%多的降雨量集中在北部地区,其中40%集中在北部沿海岸地区,30%的降雨集中在中部偏北地区的萨加门多河流域。但加州的中大城市和农业用地多集中分布在北部、中部和南部地区,这些地区年用水量总和占加州全年用水量的75%,其中原因是全州一半的人口集中在南部地区;最大的灌溉农田分布在加州中部地区,那里是全世界上粮食产量最高的农业区。这种资源的分布和需求的不协调使得整个加州的大多数流域都处于调水或引水的状态。下图加州水资源区域调配示意图。
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  图1加州水资源区域调配示意图
  
  1.2季节差异
  
  加州全年75%的降水量分布在11月份到来年的3月份之间,其中一半的降雨集中在12月到2月。冬季的大规模集中降雨可以解决加州全年的用水需求,但可能会导致夏季出现严重的干旱情况,除非有额外的降水或者降雨期延长。而全州需水量最大的时期是分布是在夏季和冬末,客观上使加州水资源供给和需求产生了时空上的矛盾。
  
  1.3气候差异
  
  加州年降水量在分布上也是极不均衡,有着明显的气候性差异,近年来,加州洪水和干旱时有发生,如1986年的洪水过后连续6年的干旱;1997年1月份的大洪水过后,紧接着从2月至下年的6月又是连续严重干旱。
  
  加州30%的农业灌溉和城市用水来源于地下水,当发生干旱的时候,过量的开采地下水,导致了地下水水位的降低,在一定程度上破坏了地下水可持续的良性循环。
  
  为了保证加州稳定的水量供应,上世纪30年代开始,加州先后建设了一批水利工程,这些水利工程大大缓解了加州的用水需求矛盾。
  
  随着人类活动的增多,大气中二氧化碳浓度的增高,全球的气候有着变暖的趋势,很多专家预言未来一个世纪内温度将会上升2-5摄氏度。对于加州来说,如果发生全球气候变暖,可能导致冬季雨雪更多,而夏季则更少,季节性差异将更加明显。
  
  2.加利福尼亚水利工程的工程体系
  
  无论是加州现在的社会经济发展还是未来长久的繁荣都离不开充足的水资源供给。从上个世纪三十年代开始,加州政府就十分重视水利工程的修建,以解决州内水资源供求上的矛盾。先后修建了中央峡谷水利工程,加利福尼亚水利工程,科罗拉多河水利工程和洛杉矶水渠等等,这其中最著名也最为重要的是加利福尼亚水利工程(以下简称加州水利工程)。
  
  2.1加利福尼亚水利工程的背景
  
  在加州411,013平方公里的使用范围内,有沙漠和亚热带高山分布,水资源有着明显的地域性差别。当一些地区苦于51mm的年降雨量时,另一些地区却为2540mm的年降雨量而烦恼。而且在许多水资源供给不足的地方,人口却越来越密集。更好的储存和控制水资源,把水资源调送到最需要的地区是加州水利工程建设的基本思路。
  
  二战之后,加州人口数量的增长与水资源供给之间的矛盾日益突出,于是在40年代末提出了修建加利福尼亚水利工程的设想;并于50年代得到了充分的论证;1951年,联邦政府议会批准了加州水利工程并且为详细的研究拨出专项资金。1959年立法机关通过了burns-porteract法案,批准发行17.5亿美元的债券进行最初的工程建设,在60年代由全州人民投票通过该法案;以后在大约十几年的时间,加利福尼亚水利工程完成了大部分工程建设内容。
  
  在加州有超过三分之二的公民或多或少的受益于该工程供应的水。不仅如此,工程还供给数以万计工厂和成千上万亩的农田灌溉。
  
  2.2加利福尼亚水利工程的供水系统
  
  加利福尼亚水利工程是长距离调水工程,工程的供水系统由32个蓄水库、18个泵站、四个抽水蓄能电厂,五个水力发电厂,1065公里长的水渠和管道组成,其中包括著名的奥罗维尔大坝,雁翎河水库,加州水渠,南湾水渠,北湾水渠和圣路易斯水库等等。
  
  工程主要由以下几个部分组成:
  
  2.2.1渠首工程
  
  渠首工程即为加州水利工程的水源工程。
  
  加州水利工程起始于雁翎河支流上的戴维斯湖、法兰西人湖和安提罗普湖,沿着雁翎河的支流,水自流到巴特县境内的奥罗维尔湖,它们组成工程系统中最主要的蓄水湖库。在春冬季节,奥罗维尔湖把来源于雁翎河上游的水储存起来,年平均蓄水库容达3.7╳109m3,经凯悦、铁马利托等三个抽水蓄能电厂流入雁翎河的天然主河道,之后水蜿蜒流入萨克拉门托河和三角洲地区。
  
  2.2.2中部输水工程
  
  在三角洲地区,工程分为两个部分——北部湾水渠和南部湾水渠。
  
  水通过巴克尔河泵站和考德利亚泵站后,沿着北部湾水渠流入纳帕县和索拉诺县,以满足这两个地区的用水需求。水向南流,通过沙洲、南湾和迪瓦雷泵站到三角洲南部的比萨尼水库,再从这个小水库把一部分水通过南海湾抽水蓄能电厂输送到南海湾水渠,以满足阿拉米达县和圣塔克来拉县的用水需求。
  
  在三角州地区,根据水质的标准,有一部分弃水流到太平洋中,余下的大部分水继续送往北加州、旧金山湾地区,以及中部沿海地带的圣霍金谷和南加州。
  
  2.2.3北部输水工程
  
  北部工程是整个加州水利工程中义最为重要的部分,其中加利福尼亚水渠是主体工程。
  
  从比萨尼水库流出的大部分水进入加利福尼亚水渠。加利福尼亚水渠主渠长715公里,起源于南三角洲的三角洲泵站,水渠引水南下,穿越圣霍金谷,越过德哈查比山脉,最后在南加州的羚羊谷分为两条水渠——西渠和东渠,西渠终点是洛杉矶北部的家斯达克湖,东渠终点是临河县的佩利斯湖。
  
  当水流到加利福尼亚水渠中部,途径中部湾的南圣霍金谷时,水渠又向西分出支渠,延长了164公里至中部沿海地带的圣达巴巴拉县,为圣达巴巴拉县和圣路易斯欧毕斯珀县提供水源。
  
  加利福尼亚水渠的最大设计流量在三角洲处是292m3/s,在穿越德哈查比山脉到达南部海岸地区时是127m3/s。途径多个提水泵站,如友谊泵站,美景泵站,梯岭泵站和科利斯曼泵站到达德哈查比山脉。其中,在穿越德哈查比山脉途径艾蒙斯顿泵站时,水位在不到14公里的距离内提升587m。艾蒙斯顿泵站是世界上单位距离内水位提升最大的泵站。从泵站出来水流入了羚羊谷。
  
  在羚羊谷水流流向两个支渠——西渠和东渠。在东渠支线上修建了梨花泵站、阿拉漠发电站和马哈维虹吸发电站,流过这些电站水注入了银木湖,再流入圣伯尔纳迪诺运河,水位降落432m到达魔峡发电站,最后流到佩利斯湖。水流在西渠支线通过奥索泵站和平安谷管道到达华尔那发电站,穿过华尔那发电站水就流入了洛杉矶境内的金字塔湖,从金字塔湖出来流经天使运河和加斯达克抽水蓄能电站来到西渠的终点——加斯达克湖。
  
  下图是加州水利工程设施地理位置图。
  
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  图2加州水利工程设施地理位置图
  
  3.加利福尼亚水利工程的社会经济效益
  
  加州水利工程是美国最大的水利项目,它的首要目的是调节不同地区间的水资源供求不平衡。此外它还有防洪、发电、改善水质、休闲娱乐,提高鱼和野生动物的生物栖息环境等功能。
  
  3.1提水泵站
  
  由于地理位置的原因,加州水利工程全长1046km内,共修建18个提水泵站,比如从三角洲至圣霍金谷段,从海拔120m提升1034m,在距离73km内水提升了914m,是目前世界上单位距离内提升水位最高的工程,水位提升后水可以向南自流,到达南加州水库。由于提水泵站的能源主要是电力,因此加州水利工程是加州最大的用电户。整个工程系统中拥有18个提水泵站,一年的耗电量高达13.7亿千瓦时,在流量达到设计流量时,仅艾蒙斯顿泵站一家一年就将耗电5.8亿千瓦时。而电力能源主要来源于煤电,水电等等。
  
  3.2水力发电
  
  加州水利工程系统中修建了9个水力发电站,其中包括5个径流式电站和4个抽水蓄能电站,每年提供的电量大约有6亿千瓦时(相当于旧金山城市一年的用电量),其中3/4用来维持整个加州水利工程的运转,即加州水利工程有32%的用电可以自行解决,降低近1/3的运营成本。
  
  如奥罗维尔湖上的凯悦抽水蓄能电站是工程系统中最大的发电站,年发电量2.2亿千瓦时。在它西边的铁马利托抽水蓄能电站年发电量0.32亿千瓦时。这两个发电站的水库都是多年调节水库,可以根据实际的用电需要来决定发电量。水向南流到圣路易斯水库,作为吉亚尼利抽水蓄能电站的下池,吉亚尼利抽水蓄能电站的年发电量可以达到0.18亿千瓦时。当水自流到西渠和东渠支线时,途径魔峡发电站,加斯达克抽水蓄能电站,华尔那发电站,阿拉漠发电站和马哈维虹吸发电站等,每年总发电可达到3.4亿千瓦时。这些系统内的发电站发电量大大缓解了加州水利工程运行需要的电能紧张局面,同时也可以将一部分多余的电供于民用。
  
  3.3防洪
  
  加州水利工程在防洪方面发挥了重要的作用,如在1964年,刚刚修建一部分的奥罗维尔大坝就在抵抗当时发生在雁翎河上的洪水发挥了重要的作用,完工之后的奥罗维尔大坝更是为雁翎河和萨拉门托河的防洪提供了坚实的保障。
  
  在圣霍金谷农场多次发生洪水的时候,也是加州水利工程的大坝减缓了洪水的流量和流速,使得洪水在进入加利福尼亚水渠的时候没有带来巨大的灾难。整个工程系统不仅控制了洪水,而且为发电站发电积蓄了能量。
  
  3.4休闲娱乐
  
  加州水利工程系统为整个加州提供了诸多休闲娱乐的场所,改善了当地的生态环境和人类的生活环境。
  
  流入雁翎河留域的水不仅为该地区渔业和旅游业的发展提供了保障,还提高了流域的生态环境;而在萨克拉门托市至圣霍金三角州一带的供水品质也因工程的修建得到了很大改善。
  
  从德哈查比山脉到南加州,水库、湖泊和水渠都为人们提供了很多很好的娱乐场所和设施,可以钓鱼、划船、野餐、露营、骑自行车和参观游玩等等。
  
  在北加州,人们可以在水库、湖泊中享受各种水上运动,甚至还可以打猎;在南加州,加斯达克湖和金字塔湖也提供了划船、郊游和划水的娱乐项目;在佩利斯湖人们更可以远足、爬山和潜水等等;而在整个加利福尼亚水渠随处都可以钓鱼,娱乐等。(皮钧、熊雁晖)
  
  参考文献:
  
  [1]davidn.kennedy.thecaliforniawaterplanupdatebulletin160-98.
  
  [2]美中商务中心.加利福尼亚州—california(ca).http://www.chinaus.net/ca1.htm.
  
  departmentofwaterresources.california’sstatewaterproject.

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