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轉帖:10萬座大壩的誕生!
送交者: 求真知 2021年01月13日15:34:16 於 [天下論壇] 發送悄悄話

10萬座大壩的誕生!

Original 星球研究所 星球研究所 Yesterday

收錄於話題

14個

↑一群國家地理控,專注於探索極致世界
 

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中國
是世界上河流最多的國家之一

4.5萬餘條江河

縱橫交錯

遍布960萬平方千米的大地

(上述河流數量僅包括流域面積50平方千米及以上的河流,下圖為中國主要河流分布,製圖@鄭藝/星球研究所)

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中國

還是世界上水旱災害最多的國家之一

有文獻記載以來

1092次水災、1056次旱災

讓數千年的中華文明發展史

成為一部人與水旱災害的抗爭史

(上述數據僅統計至1949年,下圖為洪流中的錢塘江,攝影師@肖奕叄)

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一邊江河奔流、哺育眾生

一邊災害頻發、民不聊生

兩種截然相反的特徵

也促使中國發展成為

全球大型水利設施最發達的國家

沒有之一


其中最為突出的

便是遍布中國大地

攔蓄近9000億立方米庫容的

近10萬座水壩

(國際大壩委員會規定,壩高超過15米,或者庫容超過300萬立方米、壩高在5米以上的壩為大壩,下圖為中國高度100m以上大壩分布,製圖@鄭藝/星球研究所)

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它們可以擋水

攔截滔滔洪流

(請橫屏觀看,2020年7月,新安江水庫九孔泄洪,攝影師@呂傑琛)

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可以蓄水

保障供水、灌溉

(請橫屏觀看,新豐江水庫是香港、深圳等諸多城市的重要飲用水源之一,攝影師@劍膽琴心)

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也可以抬高水位

發展水電、改善航道

(燈火通明的白鶴灘水電站,建成之後將成為僅次於三峽水電站的世界第二大水電站,攝影師@柴峻峰)

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中國也因此成為了

世界上擁有水庫大壩最多的國家

(根據《碾壓式土石壩設計規範(2002)》,壩體按照高度可以分為:<30m為低壩,30-70m為中壩,>70m為高壩;下圖為世界主要國家壩高30m以上的大壩數量分布,製圖@鄭藝/星球研究所)

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我們究竟是如何建造出

數量如此眾多的大壩的?



 01 
水來土掩

人們就近取土、層層夯實

築起上窄下寬的高牆

攔住上游來水

最古老的


土壩


便誕生了

(土壩的建造型式眾多,下圖為均質土壩示意,製圖@羅梓涵/星球研究所

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經過壓實的土料顆粒

依靠彼此間緊密咬合

大大增強了壩體的穩定

顆粒間明顯減小的孔隙

又能阻礙水的流動

令其具備較強的防滲功能

從而實現

“兵來將擋,水來土掩

(土料壓實前後防滲對比,製圖@羅梓涵/星球研究所

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甚至在條件足夠理想時

無需機械夯實

憑藉土料自身的重量

就能層層壓實、築起大壩

(上述築壩方式稱為水中填土法,黃土高原上的汾河水庫大壩,是全球首個使用水中填土施工的大壩,位於山西太原,攝影師@王蒙)

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當然

除了土料

卵石、砂石以及人工開採的塊石等

均可用來堆築大壩

人稱


堆石壩

 

但與細密的土料不同

石料顆粒粗、硬度大

極易發生滲水

即便機械壓實

也收效甚微

(堆石壩滲水示意,製圖@羅梓涵/星球研究所

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於是工程師們

利用石料、土料“雙管齊下”

在堆石壩中央

增設一道直立的土質防滲牆

成為

心牆堆石壩

(心牆堆石壩結構示意,製圖@羅梓涵/星球研究所

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 (碧口水庫大壩便是一座心牆堆石壩,位於甘肅文縣,畫面前方是經電站流出的水體,圖片來源@視覺中國)

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或是將防滲牆傾斜布置

則為

斜牆堆石壩

(斜牆堆石壩結構示意,製圖@羅梓涵/星球研究所

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家喻戶曉的小浪底大壩

高達160米

是中國最高的斜牆堆石壩

 (請橫屏觀看,氣勢如虹的小浪底大壩,壩頂長1667米、寬15米,位於黃河中游,攝影師@林治坤)

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正是這樣一座大壩

讓小浪底水庫的蓄水量

達到126.5億立方米

超過2個太湖


也正因如此

黃河下游的防洪標準

得以提升至1000年一遇

讓近1億人口免於水患

(太湖的蓄水量約為56億立方米,下圖為小浪底大壩泄洪場景,攝影師@張子玉)

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然而

能夠防滲的並非只有土料

混凝土甚至擁有

更小的孔隙、更強的防滲


只不過

相對於顆粒鬆散

且在水體擠壓下

易發生輕微變形的堆石壩

混凝土還是太過“堅硬”

二者截然不同的變形程度

令它們無法“齊心協力”

共同抵抗奔騰的江河


直到20世紀80年代

我國開始引入一種新型設備

振動碾

它如同一台超強力“壓路機”

經其碾壓後的石料

顆粒密實、硬度增大

抗變形能力大幅加強

足以與混凝土旗鼓相當

(堆石壩的建造場景,圖片來源@視覺中國)

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自此以後

堆石壩終於能獲得混凝土的加持

只要在壩體的上游一側

鋪設一層混凝土面板

便能完成防滲

這便是

面板堆石壩

(面板堆石壩結構示意,製圖@羅梓涵/星球研究所

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由於這種壩型施工快、造價低

一經問世便迅速風靡全國

其中位於湖北恩施的

水布埡大壩

高度達到233米

一舉成為當時世界最高的面板堆石壩

(清江上的水布埡大壩,壩體上可見Z字型馬道,用於排水、檢修、交通等,攝影師@李雲飛)

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以上種種

由土料和石料堆築的大壩

統稱為


土石壩


由於它的

材料易得、結構簡潔、施工簡便

因此應用極為廣泛

據相關數據統計

在我國近10萬座水壩中

各種土石壩的數量

占到95%以上

幾乎是大江南北、遍地開花

東圳水庫大壩,一座設有心牆的土石壩,位於福建莆田,攝影師@DJY俊逸)

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可即便數量如此龐大

但是泥土、碎石等築壩材料

本身屬於鬆散顆粒

這便註定了土石壩

並非十全十美


一方面

無論如何壓實

顆粒間的孔隙依然存在

經年累月下

發生滲流在所難免


另一方面

鬆散的土石料表面

難以抵抗猛烈的水流沖刷

因此土石壩不允許洪水漫頂

必須在遠離壩體的位置

增設專門的泄洪通道

(水布埡大壩和右邊的溢洪道,點擊圖片查看泄洪場景,攝影師分別為@李順武@譚江弘)

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那麼

我們如何才能建起

更加堅固的大壩呢?



 02 
一夫當關

不妨想象

將一塊巨石置於水中

只要其重量足夠

就能與地基間產生

足夠強大的摩擦力

令其在洶湧的水流中巋然不動


類似地

如果能夠人工打造一塊這樣的巨石

便能以其“一己之力

抵擋奔騰而來的江河之水

堪稱

一夫當關,萬夫莫開

這便是


重力壩


(重力壩示意,製圖@羅梓涵/星球研究所

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為此

堅硬、緻密的混凝土

再次進入人們的視線

以其澆築的


混凝土重力壩


不僅能夠攔水截流

而且其本身足夠堅固

因此可以在壩身上設置泄水孔

甚至建造可直接溢流的壩段

(正在泄水的丹江口大壩,位於湖北丹江口,攝影師@白䒕帆。:在混凝土重力壩出現之前,早期的重力壩多由石灰漿黏結石塊而成

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尤其在大江大河之上

每逢汛期水位暴漲

一座座混凝土重力壩

便如“定水神針”一般

成為防洪的中堅力量


例如

坐鎮金沙江的

向家壩水庫大壩

(向家壩水庫大壩,位於雲南水富,點擊查看各部分結構,攝影師@柴峻峰)

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駐守黃河的

三門峽大壩

(三門峽大壩,位於河南三門峽,點擊圖片查看各部分結構,攝影師@黃雪峰)

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以及

橫亙於長江的

三峽大壩


這座高181米

全長2309米的龐然大物

以超過1600萬立方米的混凝土打造而成

能攔蓄221.5億立方米的洪水

與4個太湖的蓄水量相當

(請橫屏觀看,攔截長江的三峽大壩,位於湖北宜昌,點擊圖片查看各部分結構,攝影師@李心寬)

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自大壩竣工以來

曾在2010年、2012年和2020年

三次長江大洪水中

削減洪峰40%左右

極大地減輕了

長江中下游地區的防洪壓力

(2020年夏季三峽大壩泄洪的場景,攝影師@李心寬)

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然而

穩立於洪濤的重力壩

卻也並非無懈可擊

它還必須戰勝一個

“看不見的敵人”

人稱揚壓力


這種特殊的作用力

由兩部分共同組成

其一是地基滲水和壩體滲水

所產生的滲透壓力

其二則是淹沒於水下的壩體

所承受的上浮力


在揚壓力的作用下

壩體相當於被向上“托舉”一般

極不利於壩體穩定

(重力壩揚壓力示意,製圖@羅梓涵/星球研究所

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為此

工程師們千方百計

試圖在保證壩體穩定的同時

儘可能減小壩體與地基間的接觸面

從而避免產生過大的揚壓力


比如

將壩體內部分段收縮

形成一節節空腔

成為


寬縫重力壩


(寬縫重力壩結構示意,製圖@羅梓涵/星球研究所

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(新安江大壩,中國第一座寬縫重力壩,攝影師@方建飛)

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甚至直接將壩體的下部掏空

形成一座“空腹”的


空腹重力壩


(空腹重力壩結構示意,製圖@羅梓涵/星球研究所

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(中國第一座空腹重力壩是上猶江水庫大壩,位於江西贛州。下圖的牛路嶺水電站大壩也是一座空腹重力壩,位於海南瓊海,圖片來源@視覺中國)

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可是到這裡

人們就能高枕無憂了嗎?

可惜

答案是否定的


因為寬縫也好,空腹也罷

重力壩的體型依然過於龐大

混凝土澆築時的

溫度條件、施工步驟

更是複雜

(三峽大壩施工的場景,圖片來源@視覺中國)

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但工程師們

並沒有知難而退

而是轉而改用

摻雜粉煤灰的特殊混凝土

結合與土石壩相同的碾壓方式

建成取長補短、優勢互補的

碾壓混凝土重力壩


這種新型築壩技術

既能減少混凝土用量

又能簡化施工步驟

還能便於大型機械施工

從而縮短工期、降低造價

可謂一舉多得

(1986年我國建成了第一座碾壓混凝土大壩,坑口水庫大壩,位於福建三明,圖片來源@三明市大田縣融媒體中心)

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也正因如此

眾多愈發宏偉的大壩拔地而起


從101米高的

水口大壩

(閩江上的水口大壩,位於福建福州,圖片來源@視覺中國)

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到200.5米高的

光照大壩

光照大壩、滬昆高鐵、北盤江特大橋,三大超級工程同框,位於貴州黔西南,攝影師@王璐)

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再到目前世界上最高的

碾壓混凝土重力壩

龍灘大壩


它高216.5米

已經遠遠超過

我國最高的常規混凝土重力壩

三峽大壩

(紅水河上的龍灘大壩,位於廣西河池,攝影師@姚王度)

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而若要進一步

實現壩高的突破

同時還能進一步

控制用料和成本

那麼是否

存在更加精巧的結構呢?



 03 
借力打力

在廣東省北部

一座體態輕盈、造型優美的大壩

巍然屹立於峽谷之中

其壩體向上遊方向拱起

厚度與高度之比僅有0.11

這就是坐落在廣東韶關的

泉水大壩

這是中國最薄的


拱壩


(南水河支流上的泉水拱壩,圖片來源@視覺中國)

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這種結構精巧的壩型

除了依靠壩體自重

更關鍵的

則是利用拱形結構

將絕大部分水體推力

傳向兩岸堅實的山體

以山體產生的反作用力

令壩體維持穩定

堪稱名副其實的

借力打力

(拱壩示意,製圖@羅梓涵/星球研究所

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有了山體的分擔

拱壩的體積

一般僅為同等高度重力壩的30-60%

可謂是既美觀經濟

(耒[lěi]水河上的東江大壩,壩體輕薄,壩頂最窄處僅有7米寬,位於湖南資興,攝影師@姚王度)

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更為精妙的是

正常狀態的拱壩

在自身重力、水體推力

基岩支撐、溫度變化等

諸多條件綜合作用下維持平衡

如果遭遇突發情況

某個條件發生改變

其餘條件仍能保證壩體穩定

這便是超靜定結構


因此

拱壩具備

出類拔萃的安全性

其超載能力甚至可以達到

設計性能的10倍以上


以汶川的沙牌拱壩為例

它距離5 · 12汶川大地震震中

僅有36千米

即便當時的水庫滿載運行

在經歷地動山搖之後

壩體也未受到明顯損害

(岷江支流上的沙牌拱壩,位於四川汶川,攝影師@余振威&劉文君)

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但是

集美觀、經濟、安全

於一身的拱壩

對地形和地質條件的要求

卻極為苛刻


其理想的壩址

要求兩岸的基岩堅硬且完整

河谷還必須左右對稱

且從上游向下游收縮

只有這樣

壩體才能穩穩地

“卡”在河谷之中

(金沙江上正在建設的烏東德大壩,位於雲南昆明與四川涼山交界,點擊圖片查看各部分結構,攝影師@盧思璇)

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好在隨着工程、材料

以及計算機模擬技術的進步

拱壩的適應性

越來越強


人們不僅在

地質條件複雜的喀斯特地貌區

建成了烏江渡、構皮灘等

一眾知名的大型拱壩

(烏江上的構皮灘拱壩,位於貴州遵義,攝影師@秦軍,圖片來源@水電八局)

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拱壩的形態

也愈發多樣


其平面

可以是廈門島

上李水庫拱壩的規則圓弧狀

(廈門島上的上李水庫大壩,位於福建廈門,點擊圖片查看拱壩平面形狀,圖片來源@視覺中國)

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也可以是烏江上

東風拱壩的雙曲線型

(烏江上的東風拱壩,位於貴州清鎮,點擊圖片查看拱壩的平面形狀,攝影師@李貴雲)

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而其剖面

可以保持豎直

是為單曲拱壩

(單曲拱壩結構示意,製圖@羅梓涵/星球研究所

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亦可以

同樣向上游彎曲

是為雙曲拱壩

(雙曲拱壩結構示意,製圖@羅梓涵/星球研究所

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更令人震撼的是

拱壩的高度不斷刷新記錄


2000年

240米高的二灘拱壩建成

這是中國首座突破200米級的大壩

(金沙江與雅礱江交匯處的二灘拱壩,位於四川攀枝花,攝影師@石磊)

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2010年

拉西瓦拱壩封頂

最大壩高突破250米

(黃河幹流上的拉西瓦水庫拱壩,位於青海海南,攝影師@李俊博)

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2014年

溪洛渡大壩竣工

其壩高達到285.5米

(金沙江上的溪洛渡拱壩,位於四川涼山與雲南昭通交界,攝影師@柴峻峰)

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放眼世界

在全球76座200米以上的高壩中

拱壩就有38座之多

毫無疑問地成為了

200米級高壩的最佳選手


但是

200米級

仍不是拱壩的極限


瀾滄江上的小灣拱壩

高度達到294.5米

直逼300米級

(小灣拱壩,壩頂最窄處僅有12米寬,位於雲南大理與臨滄交界,點擊圖片查看各部分結構,攝影師@陳暢)

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而雅礱江上的

錦屏一級拱壩

高度達到305米

成功晉級世界最高壩


就這樣

在西部的高山峽谷中

越來越多的高拱壩

憑藉有利地形

以四兩撥千斤之勢

攔洪蓄水、抬高水位

讓奔騰的江河帶來源源不斷的電能

輸送到祖國各地

點亮萬家燈火

(龍羊峽水電站,位於青海海南,攝影師@李俊博)

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 04 
十萬“勇士”

從“水來土掩”的土石壩

到“一夫當關”的重力壩

再到“借力打力”的拱壩

它們可謂是

中國大壩家族的絕對主角

但10萬座大壩的精彩

卻不止於此


我們還有

結構簡潔到

只需用一組支墩和擋水蓋板

便能組成的墩壩

(佛子嶺水庫大壩,位於安徽六安,是中國僅有的兩座連拱支墩壩之一,點擊圖片查看各部分結構,圖片來源@視覺中國)

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也有以橡膠等合成材料

做成封閉布囊錨固於河道

“隨充隨用”的橡膠壩

(淮河支流沂水上的小埠東橡膠壩,全長1135米,是目前世界最長橡膠壩,位於山東臨沂城內,圖片來源@視覺中國)

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甚至隨着科技的突飛猛進

古老的土石壩

也能繼續衝擊新的高度


2014年

糯扎渡大壩建成

高度達到261.5米

(瀾滄江上的糯扎渡大壩以及右邊的溢洪道,位於雲南普洱,攝影師@潘泉)

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一年後

雙江口大壩開工

其最大壩高314米

未來將重新定義世界最高壩

(請橫屏觀看,大渡河上正在施工的雙江口大壩,位於四川阿壩,攝影師@楊虎)

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就這樣

960萬平方千米的廣袤大地上

中國人建造了

大大小小近10萬座水壩

它們如同十萬個“勇士”

巍然挺立在

群山之間、江河之上

守護着農田、鄉村、城鎮

以及一片又一片家園

(懷柔水庫大壩與北京懷柔城區同框,攝影師@陳劍峰)

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但是

建造水壩

也僅是龐大水利工程系統的

冰山一角


正如宏偉的三峽工程

早在大壩開工之前

已歷時40年

精心設計、反覆論證


哪怕大壩封頂之後

仍歷時6年

才建成世界裝機容量最大的

水電站


歷時9年

才建成世界上規模最大的

三峽升船機

(三峽升船機是三峽工程的最後一個“配件”,圖片來源@視覺中國)

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而直到2020年

這項水利樞紐工程

才宣告全面完成


最終

它不僅是一堵攔洪的巨牆

也是一座龐大的蓄水池

一台強勁的發電機

一條航運物流的大通道

(請橫屏觀看,超級工程三峽水利樞紐,攝影師@黃正平)

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三峽工程如是

每一座水利工程亦如是

而在這每一座工程背後

無不凝結着

無數建設者的心血和智慧

也正因如此

才誕生了中國大壩的奇蹟

乃至中國水利工程的奇蹟

(雅魯藏布江上的加查水電站,靜臥於莽莽群山之間,攝影師@行影不離)

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本文創作團隊
撰文:艾藍星
圖片:散夏
設計:羅梓涵
地圖:鄭藝
審校:楨公子,黃超

【致謝】本文的圖片內容得到了“中國水電八局”的鼎力支持,本文撰寫得到了清華大學土木水利學院馬吉明教授、中科院地質與地球物理研究所張磊博士(水利專業)的大力幫助,特此感謝。
【參考文獻】
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[4] 賈金生. 中國大壩建設60年[M]. 中國水利水電出版社, 2013.
[5] 水利部建設與管理司. 中國高壩大庫TOP100[M]. 中國水利水電出版社, 2012.
[6] 水利部. 2018年全國水利發展統計公報.
[7] 水利部. 2013年第一次全國水利普查公報.
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