西班牙古代罗马科尔瓦沃水坝。/ 蒙自：维基媒体共享
自史前时代起，传统水坝已被建造。
By Dr. Andreas N. Angelakis
安德烈亚斯·N·安格拉克利斯博士历史与文化学院
湖北大学
摘要自古代以来，人们修建水坝以蓄水、控制河流和灌溉农田，以满足人类需求。到 19 世纪末，水电站兴起，扩展了水坝的功能。如今，水坝被视为可再生能源供应基础设施的一部分。"水坝"一词源自法语，词典中用"奇怪"、"堤坝"和"障碍物"等词语来定义。换句话说，水坝是一种蓄水并将水引导至所需地点的结构，通常在河谷前修建。河流上的水坝具有多种用途，如饮用水供应、农业灌溉、防洪、工业用水供应、发电、休闲娱乐、固体物质运动控制以及渔业。水坝也可以在流域中修建，以捕获和储存干旱和半干旱地区的雨水。水坝可以由混凝土或天然材料（如土和岩石）建造。水坝有多种类型：土石坝（土坝、石坝和混凝土面板石坝）和刚性坝（重力坝、碾压混凝土坝、拱坝和支墩坝）。 重力坝是一种由石砌或土质材料构成的直墙，能够承受全部的水压力。换句话说，水的压力将垂直压缩力和水平剪切力传递到坝下的基础。重力坝的强度最终取决于其重量和基础的强度。古代建造的大多数水坝都是作为重力坝建造的。另一方面，拱坝具有面向水面的凸形曲面。水压力产生的力通过水平线传递到结构的两侧。水平、法向和剪切力抵抗边缘的重量。在水平截面中观察时，拱坝呈曲线形状。这种类型的坝也能由于其特殊形状而抵抗水压力，这种形状允许将储水产生的力传递到岩石基础。本文详细探讨了数千年来的水坝水利工程。应从水坝的成功和失败应用及运营中吸取教训。 水资源管理者、政策制定者和利益相关者可以利用这些经验教训，在气候变化和水资源危机时期实现可持续发展目标。
展开剩余97%导论通过研究古代文明，我们研究自己，并从过去学习现在和未来。——安德烈亚斯·N·安格拉克利斯
传统的水坝自史前时代起就已建造，主要用于干旱和半干旱地区的水资源提取、储存和利用。自早期文明以来，人们依赖地表水和雨水的收集和储存，以应对水资源分布不均和干旱的夏季地区[1]。通常，大多数古代文明都建立在冬季至少有充足水源的地区。这对于地中海周边地区，如希腊东南部等干旱和半干旱气候条件尤为如此，这些地区的淡水资源极其匮乏，尤其是在夏季[2,3]。
大型水坝的发展历史悠久 [1]，并在许多国家历经数世纪的建设和运营。例如，自新石器时代（约公元前 7000-3200 年）起，此类水坝就在梅尔加尔和美索不达米亚地区得到运营 [4]。随后，在青铜时代（约公元前 3200-1100 年），希腊东南部和印度河流域修建了水坝，以增加水资源供应，增强文明对破坏性自然因素的抗扰性，并提高生活水平 [2,5]。
水坝和水库的建设与重大的自然和人为影响相关。通常，水坝和水库的目的是通过灌溉、防洪、发电、供水、休闲娱乐、减少森林砍伐、缩短干旱期、渔业运营、采矿用途和航运来促进区域社会经济发展。这也是一种景观提升，包括新基础设施的开发和创造新的就业机会，以及许多其他次要效益 [6]。
现代水坝可分为混凝土或砌石坝以及用于控制流经山谷的溪流和河流的土坝。前者阻挡流经狭窄峡谷的溪流。混凝土或砌石坝向上游弯曲，以便将大部分水荷载传递到坝肩。拱坝既在垂直方向又在水平方向弯曲，作为双曲率拱坝。此外，水坝还可以按用途分类：(a)蓄水坝，最常见的水坝类型（事实上，所有水坝都是为蓄水而建造的，除非另有说明）；以及(b)分水坝，旨在将河流中的水分流。后者通常建造是为了避免阻碍河流的自然流向，并产生足够的压力通过渠道将水引至农田进行灌溉。分水坝常见于有大片种植园的地区，主要依靠重力来引导水流。 水坝最常见的用途包括：
(a) 在水库中蓄水，为住宅区、灌溉区、工业区和矿区提供淡水；
(b) 利用可再生能源（如水力）发电的过程；
(c) 调节河流和溪流的流量，以保护社区免受洪水灾害；
(d) 保护环境并进行升级；(e) 改善航运；(f) 促进水资源保护以满足未来需求。如今和未来，大多数新建的水坝将具有多种用途。
从技术和技术的角度来看，大坝概念面临的关键挑战包括老化、泥沙淤积以及气候相关问题（例如洪水），这些问题与大坝的结构完整性及其安全性和经济/环境可持续性相关，需要大量且昂贵的监测、维护和管理行动。此外，除了解决大坝建设和运营中可能产生的潜在社会经济和环境影响外，由于人口增长及其相关的人为活动（例如水电和灌溉需求）以及气候危机带来的问题，还出现了技术问题[7]。不断增长的需求和气候变化都可能导致储存水供应与各行业用水需求之间的水资源短缺增加，威胁到大坝的可持续性。 为解决此类问题，需要采用能够量化各行业在地方和区域尺度上的未来用水需求的有效方法，以突出基础设施现有能力与未来需求之间的潜在差距，从而支持当前和未来的适应措施[7]。总体而言，我们需要对当前和未来的水坝项目进行全面评估，这些评估应能融入数字技术的进步、材料科学和施工技术的创新。我们需要将可持续和适应气候变化的运营管理和管理实践相结合，服务于正确的决策目标（例如，合理的选址）、多用途水坝的运营多任务处理（例如，与可再生能源系统的整合），以及（风险）管理目标，如增加蓄水量、防洪和生态系统及人类保护。
需要对水坝的历史进行全面回顾，以增进我们对水坝设计、施工要求及其影响的认识。同时，还应考虑水坝发展中的新兴趋势，以改善未来水资源管理——在气候变化导致干旱发生频率更高、强度更大的情况下，以及由于人类社会进一步发展导致用水需求模式发生变化的情况下。正如孔子（公元前 551 年—公元前 479 年）所言：“欲知未来，必先知历史”。因此，本综述的学术进展在于呈现过去案例，研究古代水坝，并从中汲取经验教训，为现在和未来提高水资源可利用性（尤其是在日益城市化的地区）做好准备。这项工作重点介绍了古代通过水坝应对有限区域水资源的技术实践，这些技术在不同地区历经数千年发展而成。古代技术与当今知识相结合，可以应对未来的挑战。
本研究呈现了水坝的编年史，每个时期都选取了不同地理区域的相关案例。为此，对描述古代地区水坝历史数据的参考文献进行了全面回顾。此外，本回顾还考虑了简单的文章、评论、咨询、照片以及网络空间中可获取的相关数据。这些信息在结构框架内被评估和使用，以突出所提供的知识并促进潜在读者的理解。
具体而言，本文分为七个部分。第一部分《导论》介绍了主题和本回顾的要素。随后是第二部分，解释了从史前时代到中世纪时期（约至 1400 年）水坝的多样化历史。第三部分处理早期和中期近代时期（约 1400-1850 年）的水坝。第四部分探讨当代时期（1850 年至今）的水坝。第五部分聚焦水坝的新趋势和可能的未来挑战。第六部分涉及水坝的修复。最后，第七部分《结语》包含结论性评论和重点。
史前时期中东史前文明（约公元前 7000 年—公元前 1100 年）
当今被称为中东的地区，发现了世界上已知最古老的蓄水库水坝。约旦黑沙漠中的贾瓦水坝是一座砖石和土石坝，建于公元前第四千年中期黎凡特历史地区。其目的是拦截小河的水，并增加下游半干旱农田的灌溉产量[7]。最古老的大型水坝是埃及加瓦尔谷（开罗以南 30 公里）的萨德·埃尔·卡法拉水坝，建于公元前第三千年上半叶，据推测其目的是防洪。其遗址仍然存在，是一座土石坝[8]，坝高 12 米，坝顶长 108 米，两道阶梯状砖石墙之间宽 36 米，每道墙基底宽 24 米。萨德·埃尔·卡法拉水坝在建成后不久就坍塌了，因为它被洪水淹没，由于缺乏溢洪道来阻止侵蚀而被冲毁。目前仍在使用最古老的水坝是叙利亚奥龙特斯河上的一座土石坝，约高 6 米，建于公元前 1300 年左右，用于当地灌溉。
图 1. 伊朗巴赫曼水坝。约 2200 年前建造（改编自[11]）。
在伊朗，已知最古老的坝建于 2200 年前（巴赫曼坝，（图 1））。沙普尔一世国王统治时期约 1700 年前建成了沙普尔坝和米赞坝，而蒂尔坎坝和谢什特扎坝则建于 1000 年前。
图 2. 阿赫勒马德坝（改编自[9]）。
图 3. 法里曼水坝的景观图。这座古老的水坝可能可追溯到波斯萨珊王朝（公元 224-710 年）的统治时期，在 Timurid 和 Qajar 时期以当前形式重建（改编自[9]）。
图 4. 阿米尔水坝，拥有 1000 年的历史且仍在运行，是波斯帝国建筑师所完成的卓越水利设计工程的典范[12]。
其他古代伊朗水坝的例子包括阿赫勒马德水坝（图 2），其顶部长度为 230 米，高度为 12 米，容量为 300 万立方米，以及法里曼水坝（图 3），该水坝已有 400 年的历史。这两座都是重力式水坝，目前仍在运行[9]。此外，位于设拉子以北的阿米尔水坝，已有 1000 年的历史，目前仍在运行[9,10]（图 4）。
米诺斯文明（约公元前 3200 年–公元前 1100 年）
米诺斯文明是公元前 3000 年至公元前 1450 年间繁荣于希腊东南部（即克里特岛及其他爱琴群岛）的青铜时代爱琴文明。其最早起源可追溯至公元前 3200 年，从公元前 1450 年开始衰落，最终在公元前 1100 年左右结束，处于希腊早期黑暗时代[13]。
农业是克里特文明青铜时代经济的重要支柱之一，因此古代岛民不遗余力地控制水流并将其用于人类生活，这一点并不令人意外。尽管使用了传统的考古调查方法，但由于岛屿崎岖的地形阻碍了对许多遗址的深入细致研究，因此对水资源管理系统的全面了解仍不充分。然而，在米诺斯文明东部的多个地点（例如 Choiromandres、Pseira 岛、Gournia 等地）的发掘工作揭示了复杂的水资源管理系统遗迹，其中包括为防止侵蚀而建造的挡土墙。此外，还发现了长达百米以上的大型水坝及其配套水库，以及峡谷中建造的小型蓄水坝，这些设施旨在控制水流，主要用于供水和灌溉用途[14]。这些水坝大多非常古老（属于米诺斯文明晚期）且规模较小。
图 5. Choiromandres 水坝和灌溉系统：(a) 主要水坝的视图；(b) 小山谷的灌溉实践（经 A. Angelakis 许可）。
一个名为 Choiromandres 的小山谷位于克里特岛东南部，包含一个占地 7.5 公顷的综合农业系统，该系统确保了灌溉用水，并保护了该山谷以及下游地区的土壤免受侵蚀。Choiromandres 可以为克里特岛和其他地区的其他考古遗址提供启示，并有助于更好地理解与水资源管理相关的米诺斯技术。新宫殿时期（约公元前 1750-1430 年）的巨石砌筑坚固墙体仍然存在，长度为 27 米，当前高度为 3.10 米[2]。该墙的特别坚固的构造及其位置表明，它是一座旨在约束急流和保护土壤免受侵蚀的堤坝。该墙的底部砌筑得特别厚，以确保其稳定性。东端渠道是在岩石表面形成的，可能用作排走多余雨水的漏斗。该堤坝必定是在干热的夏季月份建造的，当时峡谷是干涸的[15]。墙的上部可能在古典晚期和/或希腊化时期进行了重建。 Choiromandres 灌溉工程的主要大坝和蓄水大坝的平面图和视图显示在图 5 中。
赫梯时期（约公元前 1600 年–公元前 1180 年）
安纳托利亚，作为文明交汇、交融和发展的地方，拥有世界上古代水利技术多样性方面领先的工程结构。在安纳托利亚发现了与文明相关的文物遗迹，可追溯至 1 万年前。然而，关于水利工程结构或泉水的信息，仅在公元前第二个千年时期的赫梯时期被发现。
考虑到安纳托利亚地区夏季用水量增加而水流入量低，冬季和春季用水量减少而水流入量高的矛盾，需要全面的水资源规划，而这只能通过建设水利工程来实现。因此，该地区已建成几座著名的水坝，用于储水、灌溉和防洪等多种目的[16]。水资源规划在赫梯文明中发挥了关键作用。这种规划的成就是通过在生产力高的水库或城市前建设堤坝式或大型盆地结构的水库来实现的[17,18]。
在安纳托利亚，赫梯帝国时期的堤坝出现在中安纳托利亚地区的上奇利尔马克区，该区域被称为赫梯帝国的核心地带。据信，赫梯帝国时期建造的堤坝在满足夏季用水需求增长方面发挥了重要作用，为牲畜和农业活动提供了便利[16,18,19]。这些堤坝不仅提高了生产安全性，还提升了生产力。该地区最重要的赫梯堤坝结构包括哈图沙（博阿兹科伊）堤坝、阿拉卡亚乌克戈尔帕尔赫梯堤坝、查克尔村赫梯堤坝、卡拉克尤赫梯堤坝和科尤卢托卢赫梯堤坝[20,21,22,23]。安纳托利亚最古老的堤坝遗迹是赫梯人在公元前第二个千年中期为灌溉位于凯瑟里和锡瓦斯之间的乌宗亚拉而建造的卡拉克尤堤坝[17,18,24]。有资料表明，高 8 米、总顶部长 400 米的卡拉克尤堤坝采用土石结构，下游面铺设石板[18]。
在赫梯帝国时期，坝墙建设中使用黏土填充以及用石块加固倾斜的下游面是所有坝的常见特征[16,19,25]。在无石砌外层的赫梯坝中，下部结构由大块石砌成，并用黏土土壤加固以防止渗透[16,19,25]。在赫梯时期建造的坝中，科伊卢托卢赫梯坝是安纳托利亚地区最长的结构，长度为 700 米[16,18]。赫梯时期建造的另一座重要坝是位于居鲁姆阿拉卡霍伊克的格吕帕纳赫梯坝，经过维修后至今仍在运行。坝墙长 130 米，宽 15 米，中间有一个蓄水池或水库[16,26]。蓄水池底部宽 8 米，覆盖着黏土[19,26]。恰克ır 村赫梯坝采用平行墙结构，中间填充黏土核心，与其他赫梯坝的技术不同。除格吕帕纳赫梯坝外，赫梯帝国时期建造的其他坝结构中未发现溢洪道[16]。
巴比伦、亚述及其他文明
亚述人、巴比伦人和其他文明在公元前 700 年至 250 年间修建了水坝，用于供水和灌溉。同期修建的一座水坝是阿拉伯半岛南部的土坝马利布水坝，其高度超过 15 米，长度近 600 米。这座水坝两侧设有溢洪道，为灌溉渠道系统供水超过 1000 年。马利布水坝的遗迹至今仍明显存在于也门马利布 [27]。在此期间，斯里兰卡、印度和中国也修建了其他水坝。
图 6. 都江堰工程部分航拍图[28]
都江堰水利工程位于中国四川省成都市，建于公元前 256 年，拥有近 2300 年的历史。世界上有许多古代大型水利工程，但都江堰水利工程至今仍充满活力，被视为世界水利史上的奇迹。主持都江堰水利工程修建的人是秦国的蜀县太守李冰。都江堰水利工程的分水结构如图 6 所示。
整个工程由三个主要工程组成：鱼嘴分水大坝、飞沙堰和宝瓶口渠道。它规模宏伟，位置适宜，布局合理，具有防洪、灌溉、航运三大功能。
鱼嘴分水大坝将岷江水流分为两股，其中一股流向成都平原，不仅能够分流洪水以减少灾害，还能灌溉农田化害为利。为使岷江之水向东流淌，李冰首先在玉垒山开凿了一条 20 米宽的缺口，称之为“瓶口渠”。被分离的玉垒山末端形似大石堆，被称为“李堆”。此外，还采用了在河心修建分水堰的方法，将河水分为两支，迫使其中一支进入瓶口渠[29]。
在修建鱼嘴分水大坝的过程中，李冰并非简单地将石块投入河中筑坝。相反，他命令工匠编织长 10 米、宽 0.6 米的巨大竹笼，内装卵石，逐个沉入河底。最终，他克服了急流，建成了导流堤。堤坝前端形似鱼头，故称为“鱼嘴”。它指向闽江上游，将汹涌的江水分成东、西两股：西流为岷江主流，东流为灌溉渠系的主渠。渠道流经宝瓶口，又分为许多大小支流，形成蛛网般的扇形水系，灌溉成都平原数千里的农田。
为进一步实现分洪减灾，李冰在鱼嘴分水堤与堆石之间修建了一条长 200 米的溢洪道，使洪水流入外河，确保内河的安全。溢洪道前方有一个弯曲，导致河水形成环流。当河水漫过堰顶时，洪水携带的泥沙流入外河，以免堵塞内河及宝瓶口航道，因此得名“飞沙堰”。
当内河水位过高时，洪水通过平底水道漫过飞沙堰，流入外河，确保进入瓶口渠道的水量不过大，并保护内灌区免受洪水侵袭。同时，飞沙堰上的洪水流入外河时会产生漩涡。由于离心作用，泥沙甚至巨石被甩过飞沙堰，这能有效减少沉积物。都江堰灌溉工程的科学设计和有效管理，确保该工程在建成 2200 多年后仍能发挥重要作用。
2000 年，联合国教科文组织第 24 届世界遗产委员会将青城山都江堰灌溉工程列入世界遗产名录；因此，该项目正式成为中国第 17 处世界文化遗产。
历史时期（约公元前 1100 年—公元 330 年）乌拉尔图时期（约公元前九世纪至六世纪）
万盆地是乌拉尔图王国的中心，水资源丰富。乌拉尔图王国修建了水坝、水库和灌溉渠道，以确保这些资源的有效利用[16]。1987 年至 2010 年在安纳托利亚东部和纳赫切万自治共和国境内进行的考古调查共发现了 133 处水利设施，包括水坝、水库和灌溉渠道[21]。乌拉尔图王国时期建造的水坝和水库是通过在上下游墙体之间的空间填充土石块来建造的[20,30]。这些结构的墙体通常由该地区丰富的石灰岩和安山岩块建造而成[16]。
法鲁克水坝位于凡城东 10 公里的科拉克溪（德吉尔姆溪）上。该水坝建于公元一世纪中叶，但其木质网格部分可能在 19 世纪被添加 [16,20,31]。法鲁克水坝建于乌拉尔图时期，并在罗马时期重建 [16]，被归类为重力坝。它被建造用来储存急流，并确保更受控制的泄流。上游墙的下部呈矩形，上部由方块组成。上下游墙长 40 米，高 12 米，宽 4 米 [23,32]。据推测，高 2-3 米的上游堰部分是在后期被添加的 [20]。此外，在堰的调查后，已确定法鲁克水坝是用“opus caementicium”填充的 [16,20]。Opus caementicium 增强了两面墙之间的强度和防水性。Opus caementicium 是一种罗马人在公元前二世纪开始使用的浇筑混凝土，由石灰、熔岩粉尘、碎石和砖块碎片组成。它通过倒入模具或填充墙之间的空间来使用 [16,33]。
法鲁克大坝的溢洪道部分位于坝体的中下部，用于泄洪。大坝上游墙设有拱形堰，下游墙设有矩形堰[32]。利用这一技术，乌拉尔图王国修建了众多不同规模的堤坝和水库。在乌拉尔图时期修建的堤坝中，全长 208 米的凯勒大坝是安纳托利亚东部地区修建的最长乌拉尔图堤坝[16,34]。乌拉尔图工程师在修建堤坝和水库时，有时会建造具有两道或三道墙的结构。在鲁萨（克西什湖）、科谢巴什、基兹卡潘、塔斯马利特和本德穆拉特等堤坝中，可以观察到两种不同的筑墙技术，这些技术被视为先进水利工程的典范。三道墙的筑造技术在梅丹博扎和基尔察湖等结构中可见[16,20,31,34]。据推测，这些额外的墙增加了堤坝在水压作用下的耐久性。乌拉尔图的堤坝和水库通常沿直线修建，但有些其他堤坝、溢洪道和水库墙在施工中存在偏离。 诸如Şekersu、Köyüstü、Düzlük、Kilise Gölü和 Reşan 等结构的坝墙呈半圆形建造[21,34]。此外，Gövelek、Rusa（Keşiş Göl）、Bendmurat 和Şekersu 的坝具有双重溢洪道。双重溢洪道系统被认为是乌拉尔图时期的一项先进技术成就[21]。乌拉尔图的坝和水库（如Çavuştepe 水库和 Hırsız 坝）的溢洪道部分也有开口，用于调节水流[16,20]。
远古、古典和希腊化时期（约公元前 750 年–公元前 31 年）
希腊大陆以及东部的爱琴海岛屿和西部的伊奥尼亚海岛屿都经历着不稳定的天气状况，年降水量和相邻地区及景观之间存在显著差异。在古代，干燥的东南部气候模式和湿润的东北部气候模式占主导地位。如今，这些气候条件依然存在，近几十年来夏季干旱持续时间较长。此外，许多希腊景观以崎岖的山脉和丘陵地带为主，增加了季节性山洪的风险，从而持续（尤其是在潮湿的冬季期间）对人类发展构成威胁，包括粮食安全和卫生。因此，在这种情况下，缺乏清洁水用于家庭用途和农业生产代表了最严重的威胁类型[35]。
从这个角度来看，人们曾期望古希腊会大规模修建水坝以防止此类威胁。然而，整体情况更为有限；这可能与过去的策略有关，这些策略专注于选择那些洪水破坏性较小甚至没有破坏性的定居点。希腊西北部阿卡尼亚海岸的阿里齐亚水坝就是上述观点的例子。
图 7. 阿里齐亚水坝：(a) 水坝和溢洪道，其不规则形状由数世纪的侵蚀形成；以及(b) 运行中的溢洪道[36]。
阿里齐亚石质水坝可能建于公元前五世纪，位于希腊西部的阿里齐亚城附近，该城位于阿卡尼亚地区的海岸线上。它配备了一条石雕侧向溢洪道（见图 7）。
坝体具有不同的底部和上部区域特征。底部区域由不规则放置的方形块石建造，上部区域则使用较软的石头，形状均匀，具有小间隙，无需用较小的石头填充[36]。根据默里[37]的说法：“这是迄今为止在全国范围内已知的最清晰、最大、技术最先进的新石器时代标本”。
关于导致其修建的原因，人们已经考虑了各种情况。大多数这些方法得出结论，该水坝是为了收集饮用水或灌溉水，或用于洗涤。最近的一项研究[38]提出了一个不同的情景。古代阿里齐亚山谷的洪水异常强烈，导致城市和郊区地区出现严重问题。为了减轻洪水并拦截淹没山谷的粗颗粒沉积物，阿里齐亚的居民在最适合的河道位置修建了水坝。即使到今天，这仍然是防洪和泥沙控制最有效的解决方案之一。总的来说，这座水坝是一项令人印象深刻的公共基础设施工程，不仅因其规模，也因其设计和施工的整体质量，还因其连续且成功的运行了 2500 年。
希腊世界仅有的几个例子表明，希腊人知道水存储原理是灌溉的前提条件。这涉及将冬季雨水储存在蓄水池或其他形式的储水设施中，在某些情况下还修建并应用了水坝。我们在大希腊（今意大利南部）的梅塔蓬托和赫拉克莱亚、克里特的哥特 yn、中希腊（波奥提亚）的德洛斯和科帕伊斯湖以及可能还包括阿提卡地区都发现了这样的例子。将排水与灌溉相结合的实践也是现代埃维亚地区城邦厄雷特里亚排水工程的一个显著特征[2,39]。
纳巴泰人在今天的约旦建造了小型水坝，用于储存山洪带来的水源并将其引离通往佩特拉的西克峡谷[40,41]。1963 年，20 名游客在西克峡谷遭遇山洪丧生，但在纳巴泰人重建水坝后，西克峡谷的山洪风险大大降低。
罗马时期（约公元前 31 年–公元 476 年）
罗马人建造水坝的活动，与他们的其他土木工程活动相比，受到的学术关注较少[40]，尽管他们在这一领域的贡献被认为与他们在建造著名的罗马输水渠、桥梁和道路方面的专业知识相当[40,42,43,44,45,46,47,48]。罗马水坝建设在早期帝国时期开始认真进行[49]。它主要集中在帝国半干旱边缘地带，包括北非、近东和西班牙[40,42,43,44,47]。虽然意大利、法国和巴尔干地区只有少数几个例子为人所知，但罗马水坝可能在那里已被摧毁或未被察觉（同前）。
西班牙水坝的相对丰富部分是由于在那里进行了密集的实地工作，而在北非和中东，水坝非常突出，并且在废弃后往往没有得到修复。对于意大利，只有苏比亚科水坝有记载，它们是由皇帝尼禄（公元 54-68 年）为娱乐目的而建造的[40,50]。然而，这些水坝以其 40-50 米的 exceptional height（创纪录的高度）而闻名，这一高度直到中世纪晚期仍然是世界纪录[40,49]。
图 8. 罗马水坝：（a）托莱多阿尔坎塔里利亚水坝的残骸，从水库一侧拍摄（水库墙在某个阶段坍塌到盆地中，可能是由于缺乏支撑；照片：Cees Passchier）；（b）西班牙的 Cornalvo 水坝，建于公元 1 至 2 世纪。
罗马工程在实践应用上表现出色，将先前在小规模试验的坝体概念[46]和将旧有理念应用于更大规模项目。大多数罗马结构是重力坝，即简单的低矮土坝[40,47,48]。这些坝通常呈三角形横截面，部分在水侧设有砌体墙，该墙可能是裸露的（图 8a）或由扶壁支撑。坝体通常为直线形，但可以是拱形或不规则形状，受地下合适基础位置的影响。巨大的土坝支撑下游的坝墙。罗马最大的坝是叙利亚的霍姆斯湖坝。这座位于奥龙特斯河上的混凝土重力坝，长 2 公里，高 7 米，由戴克里先建造，可容纳 9000 万立方米的水。其他典型例子包括西班牙的阿尔莫纳西德·德·拉·库比亚坝、穆埃尔坝、阿尔坎塔里利亚坝、普罗塞皮娜坝和科尔纳尔沃坝[44,45,46,47]。
阿尔坎塔里利亚水坝（图 8a）是一座简单的直墙式砖石结构，配有支撑性土堤，可能在水位低时因内侧墙体缺乏支撑而坍塌入水库。普罗塞皮娜水坝和科尔纳沃水坝是支持埃梅拉塔（梅里达）城市输水渠的两座水坝，后者是卢西塔尼亚省的首府。普罗塞皮娜水坝与阿尔坎塔里利亚水坝相似，但在水库侧设有扶壁，可能为避免水位低时坍塌。科尔纳沃水坝是一座罗马重力坝，坝顶长 194 米，高 20.80 米，始建于公元一世纪或二世纪（图 8b）。由罗马混凝土和面向水侧的石砌土坝至今仍在使用。
普罗塞皮娜和科尔纳沃水坝最初被认为是在通往埃梅拉塔的两条罗马输水渠的起点处修建的[40,43,44,46,47]。然而，随着最近在上游发现了一个废弃的输水渠网络，这些水坝很可能是在罗马输水渠结构中后期罗马时期的增建，修建于埃梅拉塔长输水渠上游部分失效之后[51]。
大多数罗马水坝是为农业目的而建造的，用于在干旱时期蓄水（同前引）。在某些情况下，特别是在北非，水坝被规划用来拦截从山区冲刷下来的表土，以便在水库蓄满后，该区域可以作为农业用地[40]。与现代做法相反，负责供水系统的罗马开发者在提供城市用水时，更倾向于使用泉水或其他地下水来源，而不是水坝水库。然而，有些水坝确实用于供水，例如西班牙的托莱多、梅里达、安德洛斯、孔苏埃格拉和萨拉戈萨城[52]；法国的格兰诺姆和维埃纳[53]；英国的罗克斯 eter[54]；罗马（安尼乌斯新水道[46]）；以及土耳其的塞巴斯蒂波利斯[55]。北非的小城镇也有许多实例，如乌奇米努斯、阿吉亚、努姆卢利、提巴里斯、塔博拉[56]、扎比[57]和扎马[58]。河流中的小型水闸支撑着一些城市的输水渠，例如塞戈维亚[59]、叙拉古[60]和卡奥尔[61]。水坝的另一个应用是阻挡河流，以将洪水引离港口，例如在莱普蒂斯·玛格纳[40,46]和塞琉西亚[45]的案例中。 在荷兰莱茵河三角洲，修建了一座水坝以调节水流进入各个河流分支（卡夫里姆水坝[62]）。
汉朝（约公元前 206 年-公元 220 年）
汉朝在中国古代历史上非常强大。建立王朝后，统治者们在首都长安附近修建了大规模的水利工程，包括龙首渠、流经渠、白渠和成国渠。
图 9. 长寿渠西出口处的平坦洞穴[63])。
陇首运河和陕西古代洛河灌溉区位于渭河和洛河的台地上。该地区常受干旱困扰。因此，从洛河引水进行灌溉是解决当地农业生产面临的水资源短缺问题的关键措施（图 9）。
陇首运河是中国历史上第一条地下水道，建于汉武帝时期。该运河需要穿过商颜山。此处土壤松散，运河堤岸易坍塌，因此无法使用常规施工方法。汉代劳动人民发明了井渠法，修建了长 3.5 公里的铁链山隧道，使龙首运河得以在商颜山地下通过。均匀排列的垂直井将长距离地下渠道划分为多个子项目，然后从相反方向进行开挖，减少了误差并提高了工作效率。 采用垂直轴可以一举多得：它不仅是一个劳动力通道，也是处理土壤和垃圾的方式，同时还要考虑通风和照明。井渠法通过丝绸之路在汉代传入西域，一些学者认为今天新疆的“坎儿井”是从汉代的“井渠法”演变而来的。
公元前一世纪，赵信臣担任南阳太守，主持修建了六门堰。六门堰的总长度近 200 英里，沿主渠修建了 29 个池塘和堰坝，形成了一个“长藤结瓜”式的灌溉系统，受益面积超过 5000 公顷[64]。他还注重管理和维护，制定了用水规则，以支持人类用水和农业生产，并防止水冲突。
罗马和拜占庭时期（约公元 330-1453 年）在安纳托利亚
在历史长河中，许多需要水资源的文明都建造了水利设施，以满足其用水需求或保护自身免受水的破坏性影响。其中一些水利设施的历史可以追溯到拜占庭帝国，即东罗马帝国。在东罗马时期的水坝中，包括Çavdarhisar（用于艾扎诺伊、屈塔希亚的防洪和灌溉）、Örükaya（用于科鲁姆的灌溉）以及Böget（用于尼德的饮用水供应）。在查士丁尼时期（527—565），还可以算上达拉大坝[17]。在安纳托利亚的罗马时期，水坝通常是在两堵厚1米的石墙之间填充几米厚的土料[65]。在安纳托利亚的所有水坝中，除了安卡拉大坝使用了“opus incertum”（在“opus caementicium”中嵌入大石块）外，其余水坝均在两堵平行墙之间填充了“opus caementicium”[33]。在水坝的溢流堰形状方面，可以区分出两种类型的溢流堰：拱形溢流堰和矩形溢流堰。拱形溢流堰在安纳托利亚以及安纳托利亚以外的罗马时期水坝中均有发现，而矩形溢流堰仅在安纳托利亚观察到[16]。Örükaya大坝和Çevlik大坝是通过在山谷两侧的岩石中开凿基槽，并在这些基槽中放置石块而建造的[16,66]。
得益于这种技术，这些结构多年来一直坚固耐用。此外，在这两个大坝结构的下游墙前方，可能建造了台阶以支撑结构。Örükaya大坝建在狭窄山谷中的两块主要岩石之间[32]。它被归类为重力坝，可能建于公元2世纪。由于降水不规律，冬季水位趋于上升且难以控制，而夏季由于高温和蒸发，水量减少。因此，该大坝被认为用于灌溉和防洪。Örükaya大坝有一个容量约为865,000立方米的集水池[16,66]。它被认为由精心加工的上下游墙体、下游表面的拱形排水通道组成，且靠近Örükaya山谷建造。大坝墙体的高度为16米，长度为40米，宽度为5米[16]。在两堵护面墙之间填充“opus caementicium”核心的建筑被认为是“典型罗马式”的建筑风格。因此，它构成了罗马时期混凝土填充坝的一个例子。用于建造Örükaya大坝的石块由长1至2米、宽0.6至0.7米的长方形切割石灰石块组成，其表面有凸起[16,65]。由于石块之间使用了黏土，增强了防渗性。此外，这些黏土接缝被认为通过在其中浇注铅液而得到加固[16]。
在Örükaya大坝墙体的中下部，观察到在出水墙上以拱形方式建造了一个溢流堰部分。拱由双排石块构成。溢流堰高2.50米，宽2.10米，拱顶中间有一个空腔。在拱的内墙上，空腔下方0.8米处，有一个矩形排水口，其大小适合在前面放置一块金属关闭板[66]。据信，通过在出水墙空腔中放置一个杠杆系统，可以将矩形开口前的金属板上下移动，从而实现对水流的可控排放。此外，在水源部分的东侧，有一条被认为是在后期建造的渠道，用于排放大坝多余的水。由于河流携带的泥沙堆积在上游墙的上部，大坝的蓄水区域被填满，导致大坝失去了其功能。
公元二世纪又建成的另一座水坝是艾扎纳水坝，位于库塔希亚省的贝迪尔溪流上[67]。水坝所在地区常见的硬石灰岩块，在某些地方延伸至山谷底部，导致河谷变窄。艾扎纳水坝属于“重力坝”类型。该水坝由精心雕琢的块石建造，高 7 米，宽 6 米，长 80 米[68]。研究人员指出，艾扎纳水坝是分两个阶段建造的，这两个阶段可以通过大理石碎片的再利用来区分，这些大理石碎片大多位于座椅台阶上[67,68]。该水坝的建造目的是防洪。从这些信息可以推断，艾扎纳水坝因洪水受损后进行了重建[16]。其他研究表明，在艾扎纳水坝的初始建设阶段，块石之间是无粘合剂的，而在第二和第三阶段则使用了粘合剂填充进行加固。 爱扎纳伊水库大坝与奥鲁卡亚水库大坝相似，通过填充源墙和出墙之间 4-5 米宽的空间，使用“opus caementicium”来增强墙体的稳定性并确保水密性[16,23]。从上游-下游墙所使用的块体来看，它们由长度为 1-2 米、宽度在 0.6 米和 0.7 米之间的平滑切割的矩形石灰岩块组成[23]。水库墙体采用“伪等高式”风格[16]。上游-下游墙根据水流方向呈凸倾斜建造。这种建造风格旨在将中部的较高水压分布到两侧。这种类型的建造在当今的水库中也能见到。在爱扎纳伊水库大坝中，一个拱形泄水段向上游-下游墙的左下方开口，这允许水库收集的水被排放。爱扎纳伊水库大坝中发现的拱形泄水段样本与奥鲁卡亚水库大坝中发现的泄水段相似。 闸室宽度为 6 米，据估计，在坝底被冲积物填满之前，水位将达到 2.5-3.0 米的高度[16]。如今，闸室拱顶距离冲积层和水位仍有 1.5 米的高度。得益于这座堰，在洪水期间，由坝体设置墙所减弱的河流暴烈性，可以被更有效地控制。
另一种重力式水坝是博格特水坝，同样建于公元二世纪，位于阿克萨拉伊省[69]。博格特水坝产生的蓄水量为 9hm³。该水坝建在一个宽约 250 米的山谷中，山谷由石灰岩和火山碎屑岩构成[16]。博格特水坝全长 300 米，是罗马时期安纳托利亚地区建造的最长水坝结构[16]。与坝体平行，在两个方向上都修建了高度 1-1.5 米、宽度 10 米的土坝[16,23,70]。这些土坝旨在防止水流渗漏至坝体下方。该水坝的建造目的是获取饮用和灌溉用水[23,69]。有记载指出，该水坝所在的山谷非常宽阔，无需建造高坝即可将水位提升至所需高度[16]，因此坝体较低的高度使得水坝建设成本得以降低。
与Örükaya 和 Aizanoi 水坝类似，Böğet 水坝通过在主墙和扶壁墙之间填充 2.5 米宽的"opus caementicium"来确保水密性并加强结构[16,23]。此外，与其他安纳托利亚水坝不同，为防止墙体下方渗漏，在主墙和扶壁墙两侧都修建了宽度为 10 米、高度为 1 至 1.5 米的土堤，向水坝墙体方向升高[16,23,69,70]。Böget 水坝的主墙呈线性，而扶壁墙则呈凸曲线建造[16,71]。水坝墙体没有溢洪道部分，因此水无法从水坝中排出[16]。在这方面，Böget 水坝与Örükaya 和 Aizanoi 水坝存在部分差异。
图 10. 德瓦拉杰普尔水坝：(a) 水平铺设的坝面；(b) 锁石坝面（改编自[73]）
在中印度桑奇地区的考古调查中，发现了一组古代水坝（公元前二至一世纪）。通过比较水坝的体积与估计的入流量，表明其建设基于水文知识[72]。桑奇地区的水坝是景观中突出且易于识别的考古特征。然而，除了两座已修复的水坝外，其余均处于破败状态，并在自然排水渠道穿越水坝处显示出断裂迹象。这些水坝尚未进行发掘，但主要由土心构成，通常由黑棉土制成，并用砌筑的砂岩护面加固，尤其是在上游侧。在某些地方，护面石板水平铺设；在其他地方，石板相互咬合，大多数石块平行于墙面铺设，而头部石板则垂直于堤岸（图 10）。水坝的高度从 1 米到 6 米不等，下游浅段显然设计用于防止水坝漫顶[73,74]；有些水坝宽达 60 米。 至少有两个较高的水坝（7 号和 12 号）的溢洪道被切割在人工大坝附近的山岩中[72,74]。
中世纪时期（约公元 476-1400 年）
Beach 和 Dunning[75]研究了危地马拉埃尔佩滕的 Tamarindito 古代玛雅水库和堤坝。该堤坝和水库可能属于晚期古典时期（约公元 550-800 年）。如今，该水库或洼地已成为一个不起眼的特征，被一千多年的自然地貌和土壤过程所掩盖，这些过程积累了沉积物，并部分破坏了曾经蓄水的堤坝。该堤坝长约 60 米，横跨一个现在深 3 米的洼地，设计用于容纳约 0.25 公顷的水库，蓄水量高达 2000 立方米。
早期和中期近代的水坝（约 1400-1850 年）众所周知，古代文明的发展依赖于肥沃的土壤。靠近河流建立的城市居民不仅需要建造各种水利设施以利用河流的优势，还需要保护自己免受洪水侵袭。为了防止干旱期水源枯竭，也修建了水坝。这些水坝构成了水道的起点，储存来自溪流的流水。安纳托利亚地区许多水利设施就是为此目的而建造的。
安纳托利亚的早期和中期近代时期（约 1400-1850 年）与奥斯曼时期相吻合。奥斯曼时期的灌溉工程建在哈拉克利水道、克尔克切什梅水道、塔克西姆水道和厄斯基达尔水道上[76]。在这些水道中，克尔克切什梅和塔克西姆水道修建了重要的水坝。这些水坝的目的是提供饮用水，它们集中在伊斯坦布尔及其周边地区。这些水坝可以分为小型水坝或堤坝。在伊斯坦布尔的贝尔格德森林中，最重要的例子位于那里，共有七个水坝，其中克尔克切什梅水设施中有四个，塔克西姆水设施中有三个[77]。为伊斯坦布尔提供水源的水坝包括克尔克切什梅水道上的托普兹水坝、大水坝、阿亚特（阿亚利）水坝和基拉兹利水坝。塔克西姆水道上的托普兹鲁水坝、瓦利德水坝和新区水坝。这些水坝中没有超过 15 米高的，其水库容量不超过 1×10 m³[65]。它们也被归类为浆砌坝和重力坝。
托普兹水坝位于贝尔格拉德森林中的贝尔格拉德溪上。该水坝建于 1620 年[65,78]。水坝是一座具有直线轴和重力坝特征的砌石结构。水库容量为 70,000 立方米。右岸设有简单的泄水闸[65]。超高为 0.20 米，从基础到坝顶的高度为 10 米[78]。贝尔格拉德河上的另一座水坝是 Büyük 水坝。Büyük 水坝是一座砌石重力坝，沿直线轴建造，建于 1748 年[65]。该水坝建于托普兹水坝之后，并具有更大的蓄水能力。Büyük 水坝的坝顶长度为 84.50 米，从基础到坝顶的高度为 15 米。坝的两侧还有溢洪道，超高为 0.22 米。
奥斯曼帝国时期在贝尔格拉德森林地区修建的另一座水坝是埃斯基巴格拉尔溪流上的托普祖卢水坝（即苏丹·伊·马哈穆德水坝）[65]。该水坝建于 1786 年。集水区面积为 0.92 平方公里，水库容量为 160,000 立方米[78]。该地区的洪水预计将从最大高度 0.18 米处流淌。奥斯曼时期的另一座水坝是阿亚特水坝，建于 1765 年。这座浆砌重力坝位于伊斯坦布尔的卡吉斯泰内溪流上。其集水区面积为 2 平方公里，水库容积为 156,000 立方米[65,78]。坝高约 15 米，坝顶沿多边形轴线长度为 65.80 米。大坝两侧各设有一道溢洪道。右岸和左岸的溢洪道将洪水安全地分流至下游区域。瓦利德水坝是伊斯坦布尔最古老的水利工程之一。建于 1796 年为供水而建[70]。它是一座浆砌的重力坝结构，其坝顶和上游表面铺有大理石。下游侧有两个大型扶壁。溢洪道具有宽阔的坝顶，位于大坝的右侧。
奥斯曼时期也修建了拱坝。最重要的例子是耶尼坝[65,79]。这座坝是一座圆形浆砌重力坝，从基础算起高度约为 17 米。该坝的蓄水量为 217,500 立方米，集水面积为 0.83 平方公里[65]。通过下游护墙，其蓄水量得到了增加。坝顶长度与耶尼坝高度之比为六，这是有史以来应用过的最大比例。该坝有一个溢洪道，位于左侧，形状为 1×0.48 米的开口[65]。还有一个 0.28 米的高程超高[65]。
其他重要水坝包括靠近 Küçükçekmece 的 Şamlar 水坝和靠近 Anadolu Hisarı 的 Elmalı I 水坝。在伊斯坦布尔，18 至 19 世纪共建造了 226 座水工建筑，其中包括 7 座水坝、4 座引水渠、178 座喷泉、28 座公共喷泉、2 座带出水口的喷泉、4 座装饰性喷泉和 3 座水尺[79]。Kirazlı 水坝、Yeni 水坝和 Şamlar 水坝是为伊斯坦布尔欧洲一侧提供水源而建造的。只有 Beykoz 的 Elmalı 水坝位于安纳托利亚一侧。它们至今仍保持着原始形式[79]。最后，奥斯曼时期建造的大多数水坝属于土坝类型，尽管也有砌石坝，这些砌石坝被建造成直线顶重力坝或拱坝。根据其水库容量、集水面积和尺寸，这些水坝可被归类为小型水坝。其中许多水坝至今仍具有功能。 这些小型水坝的年龄和运行期介于 140 至 400 年之间，其中大部分拥有森林集水区，这显著减少了侵蚀，防止了水坝被输送的沉积物填满，并确保了水库保持无淤积。
在 16 至 19 世纪间，德国中部上哈茨地区发展了以矿石和银为重点的矿业。由于矿山对能源需求巨大，因此开发了一套复杂的水管理系统，通过将重力水流转化为机械能来驱动“水柱机”[80]，并用于排水。这些机器在水车发明之后是一次巨大的创新飞跃。在电气发动机出现之前，水柱机在 18 世纪中期达到了矿业中的重大进步。在所谓的上哈茨水管理制度的背景下，建造了众多池塘、水库和引水渠，用于储存和向矿山分配水源。由于这一复杂的历史矿山水管理系统具有独特性，它被宣布为“拉默尔山矿、戈斯拉尔历史古城和上哈茨水管理系统”联合国教科文组织世界遗产的一部分[81]。
图 11. Oderteich 水坝（经 J. Dietrich 许可）
该系统的一个水库，此处作为示例介绍的是奥德尔特希水库（图 11）。该水库于 1722 年投入运行，通过雷伯格格рабен沟为圣安德烈斯贝格的采矿提供水源。奥德尔特希水库是欧洲最早的大型水库之一，在 169 年间一直是德国最大的水库，坝高 20 米，蓄水量为 170 万立方米。其扩张程度相对较低（0.14），这使得水库能够快速蓄水，但也导致了频繁的溢流。大坝由内部密实的花岗岩砂核心和周围的大块巨人砌石构成。出水口位于大坝中部，位于一个 14 米深的竖井底部（由图 11 中的房屋标记）。与该地区以木结构为主的建筑不同，它是由当地花岗岩建造的。左侧可见的洪水溢洪道由花岗岩立柱保护，以防冰凌漂流。如今，该水库作为历史悠久的上哈茨系统的一部分进行运营。上部为自然保护区，下部则用作自然山地游泳池，设有沙滩。
当代水坝（公元 1850 年至今）概述
全球范围内，国际大坝委员会的登记册显示，目前运行的大约 28,000 座大型水坝及其相关水库中，有 70%是单一用途设计的。全球最大的四座水坝是：
(a) 中国的三峡大坝，发电能力为 22,500 兆瓦，表面积为 1.080 平方公里。
(b) 委内瑞拉的古里水坝，发电能力为 10,200 兆瓦，表面积为 4,250 平方公里。
(c) 巴西的图库鲁伊水坝，发电能力为 8,370 兆瓦，表面积为 3,014 平方公里。
(d) 巴西和巴拉圭的伊泰普水电站，发电能力为 14,000 兆瓦，表面积为 1,350 平方公里。
全球约有一半的单用途水坝是为灌溉而建，其次是水力发电、供水和防洪。用于水力发电的单用途水坝对私人投资者更具财务吸引力。然而，为单一目的设计的水坝在长期内往往被用于多种目的。如果这种发展趋势没有得到有效管理，那么从一开始多用途基础设施的效益和协同效应就无法得到充分发挥[82]。
抽水蓄能水电工程（PSH）项目是近年来发展起来的一种水力储能类型。它由两个不同海拔高度的水库组成，当水从一个水库流向另一个水库（即泄水）时，可以通过水轮机发电[83]。
希腊如前所述，自史前时代以来，世界各地已修建了各种水坝。大约在 4500 年前，希腊克里特岛修建了水坝，主要用于供水。这些项目的特点主要是建设成本高、用途单一以及运行时间相对有限。
如今，人们普遍认为，尤其是在发达国家，水坝不应仅用于单一目的（灌溉和/或供水）。相反，多功能水坝正被推广和修建，结合供水、灌溉、防洪、发电等用途。例如，德国和法国分别利用了 100%和 97%的经济可用水力发电潜力。然而，在希腊，三分之二的经济可用水力发电潜力尚未得到利用。在欧盟国家中，希腊是水力发电利用的最后一名，不幸的是，其消耗的电力中只有 20%是水力发电。
最令人印象深刻的负面案例是色萨利地区的梅索霍拉项目。将阿赫洛奥斯河引水至色萨利的想法最早于 20 世纪 30 年代被提出，但由于缺乏资金而未能实施。1984 年，该项目重新引起关注，原本计划在梅索霍拉建造的小型水坝，除引水工程外，其规模被扩大以支持河流引水。在接下来的几年里，一系列法律诉讼导致工程停滞，最近一次是在 2005 年。该项目包括安诺阿赫洛奥斯的发电厂，装机容量为 170 兆瓦，年发电潜力为 340 吉瓦时[84]。该水坝最初计划为 60 米高，由 PPC 公司设计，仅作为水力发电项目。然而，后来为引水工程，其高度增加到 155 米，允许在夏季为色萨利平原储存大量水资源进行灌溉。预计工程还将导致梅索霍拉、阿尔马托利科以及三个较小的居民区被淹没。在强制征购令发布后，补偿金额将由法院决定。
许多环保组织表示担忧，该水坝将对生态系统造成实质性损害。尽管在过去 35 年间，国务院作出了七项决议取消该项目，但自 2001 年以来该项目已基本完成[85]。尽管在本世纪初已投入 5 亿欧元，但该水坝仍未投入运营，从而给国民经济造成每年 2500 万欧元的损失[84]。这种完全荒谬的局面是导致希腊陷入当前经济危机的原因的典型代表。它揭示了开发国家自然资源、粗心大意以及成本/互惠利益控制不足的问题。
相反，希腊一个著名的多功能、高性能水坝项目是被称为普拉斯特拉湖（有效蓄水量为 4 亿立方米）的项目，自 1962 年起投入运营。它是一座位于希腊卡尔迪察的混凝土拱坝，拦截陶罗波斯河，形成一个人工湖——普拉斯特拉湖。自 1962 年以来，该水坝用于供水、灌溉、发电（装机容量 129.90 兆瓦）、旅游和环境保护以及防洪。湖泊及其流域的其他特征如表 1 所示。
表 1. 普拉斯特拉湖及其流域的特征 [86]
克雷马斯塔水坝建于 1966 年，创造了希腊最大的人工湖。在该水坝中，安装了四座水力涡轮发电机，总装机容量为 437.20 兆瓦。在河岸上安装了一座大型水电站，并设有导流隧洞（当不需要用水或威胁到该地区时使用），直径为 12.5 米，长度为 808 米。克雷马斯塔水坝高 165 米，形成了一个可容纳 3.8 千米³水的人工湖[87]，解决了该国许多电气化问题。
阿尔菲奥斯湖是位于伊利亚地区，伯罗奔尼撒半岛西部，靠近古代奥林匹亚的人工湖，于 1962 年在阿尔菲奥斯河上建造，位于弗洛卡斯村附近的弗洛卡斯大坝建成之后[88]。该大坝长 315 米，由阿尔菲奥斯桥横跨，桥梁长 390 米。大坝由混凝土制成，可跳跃，并作为自动溢洪道工作。它最初是为该地区的灌溉而建造的水库，但从 2010 年起，它已作为 PPC 水电站运行，配备两台水轮机。大坝是运输沉积物的天然屏障，随着时间的推移而积累，因此，每 5 到 10 年，湖泊都需要清理。此外，为了恢复大坝上下游鱼类群落的联系，计划在水电厂旁边修建一条坡度较小且持续供水的鱼类通道。大坝是随时间积累的沉积物的天然屏障，湖泊必须进行清理。 正是这种累积导致了多年来海滩至少损失了 150 米土地，因为海水侵蚀了土地，而河流又无法有效补充失去的地基。因此，除了土地之外，附近较宽阔海滩沿线的许多房屋也消失了。
1922 年，随着小亚细亚地区大量难民涌入，希腊首都雅典的人口急剧增长，对水资源的需求也造成了毁灭性的影响。1925 年，希腊政府、雅典银行和美国公司 ULEN 签订合同，为新的供水设施的建设和融资提供支持。首个重大项目是马拉松大坝的建设（1926-1929 年）。超过 900 人参与了这项工程，该大坝总高度为 54 米，长度为 285 米，因其完全由彭泰利科白色大理石外部面板覆盖而被视为独特之作[89]。为将马拉松大坝的水输送到雅典的新水处理厂，修建了 Boyati 隧道（长 13.4 公里，宽 2.6 米，高 2.1 米）。
图 12。水坝是希腊雅典的主要供水项目。
此后，1956 年，伊利基湖的水被引入该系统，1981 年，莫诺斯大坝和输水渠正式开始运行。莫诺斯大坝是欧洲最高的土石坝之一，高度为 126 米。莫诺斯输水渠全长 188 公里，将莫诺斯水库的水输送到雅典，是欧洲第二长的输水渠。它由 15 个直径 3.2 米的隧道（71 公里）、12 个虹吸管（7 公里）和 15 条运河（110 公里）组成。这也是希腊首次使用隧道掘进机（TBM）。最后，最后一个大型项目，于 2001 年为雅典提供额外水源的埃夫诺斯河大坝，也包括一条用于引河水的引水隧洞[89,90]。埃夫诺斯项目的建设始于 1992 年，并于 2001 年完成。该项目的主要结构包括一座 120 米高的土石坝，水库容积为 1200 万立方米，总拦洪能力为 1.2 亿立方米，以及从埃夫诺斯到莫诺斯的 29.4 公里长的隧洞[90]。该隧洞采用 TBM 方法施工，是世界上最长的水工隧洞之一。 不良地质条件、高覆盖层以及短暂的施工周期给该隧道的成功建设带来了巨大挑战[91]。该隧道仅用两年时间完成，被认为是一项重大成就。这项主要供水工程如图 12 所示。
中国
图 13. 总体视图：（a）地图；（b）大坝主体部分的视图。
世界上最重要的多功能水坝是中国“三峡大坝”，它是现代中国最大的基础设施项目之一（图 13）。这座庞大结构的建设始于 1994 年，大部分工程于 2006 年完成。然而，对该项目的兴趣可以追溯到几十年前。在美国工程师 J. L. Savage 在 1949 年中国共产党接管中国大陆之前，曾参与胡佛大坝建设并重要作用的他，在 1940 年代中期就开始为长江（Chang Jiang）上的大型水坝进行初步设计。现有结构的规划始于 1980 年代，并于 1992 年经全国人民代表大会批准后开始建设。三峡大坝是一座线性混凝土重力结构。采用了一种与 20 世纪 30 年代美国西北部哥伦比亚河上的格兰德库利大坝（Grand Coulee Dam）所使用的类似的方法，即桁架和起重机法，用于运输和浇筑混凝土[92]。
三峡大坝全长 2335 米，最大高度 185 米。其建设耗用了 2800 万立方米混凝土和 46.3 万吨钢材。2012 年完全投入运营时，大坝的水电站发电能力达到 22500 兆瓦，位居世界首位。被大坝拦截形成的水库向上游延伸超过 600 公里。大坝顶长 2039.50 米。有效库容为 3930 亿立方米，其中 2110 亿立方米用于防洪，保护约 150 万居民[92]。
三峡大坝是一个多功能项目。它主要是一座位于宜昌市（湖北省，中国）三斗坪区的长江水电站。就装机容量而言，它是世界上最大的发电厂。该大坝还旨在促进当地旅游业发展，提高长江的运输能力，并防止洪水。此外，还设计了大型风力涡轮机以限制温室气体排放。该大坝改善了为交通和旅游目的而进行的航行条件[93]。在重庆市建立了一个交通枢纽，目前从该枢纽向宜昌运送的货物最高可达 10,000 吨。该船闸可在 40 分钟内将总计 3,000 吨（总提升能力为 11,800 吨）的货物单向运输。
长江三峡水电站于 2020 年发电 112 太瓦时，创下新的世界纪录。三峡水电站 2020 年产生的清洁能源估计相当于节约约 3439 万吨标准煤，避免二氧化碳排放约 9402 万吨[94]。
混凝土使用量为 5500 万立方米。不利方面，考古和文化遗址消失，约 190 万人被迫搬迁（13 个城市、140 个小城镇和 1350 个村庄），并发生了显著的生态变化，包括滑坡风险增加[93]。
三峡大坝的成本达到 1800 亿元人民币（约合 173 亿美元）。截至 2008 年底，支出总额约为 148 亿元人民币，其中约 9000 万欧元用于工程建设，约 8000 万欧元用于居民搬迁，约 2000 万欧元用于其他融资（征收、研究等）。预计一旦水电站发电量达到约 1000 亿千瓦时，建设成本即可收回，这相当于约 357 亿欧元[93]。预计在完全运营十年后可实现全部成本回收。
土耳其
随着全球人口增长和工业发展，人们越来越需要充分利用河流或水资源。因此，在气候变化条件下保护现有水资源具有重要意义。水坝是为此目的而建造的最重要结构之一。在土耳其共和国成立之前，建造的是小型水坝。共和国成立后才开始建造大型水坝。
图 14. 2016 年水坝数量[97]。
如今，土耳其拥有 25 个流域[95]，由于河流坡度陡峭，具有水力发电的潜力。1991 年，土耳其建成的水坝数量达到 150 座，到 2016 年这一数字增加到 694 座（图 14）[96]。如今，土耳其的水坝数量为 861 座[95]。土耳其的年总水力发电潜力为 4400 亿千瓦时，其能源产量相当于世界总量的 1%和欧洲总量的 10%[17]。
Türkiye made a significant contribution to hydraulic engineering by
土耳其通过在全球范围内承担重要项目，在水力工程领域做出了重要贡献。土耳其地表水资源潜力为 1850 亿立方米/年，其中三分之一来自喀斯特泉。地下水储量约为 80 亿立方米/年[17]。然而，这一潜力在国土上分布不均。目前只有一半的地表水资源潜力得到利用。因此，数百座小型水电站和水坝正处于规划、设计、建设和运营阶段。
土耳其共和国在穆斯塔法·凯末尔·阿塔图尔克时代开始研究更高效、更有效地利用水资源，最早建造的坝是切布克坝，该坝建于 1930 年，为安卡拉提供饮用水[98,99]。该地区的年降水量（以雨和雪的形式降落），平均约为 250 毫米[93]。切布克坝的集水区坡度不大，面积为 700 平方公里。该坝为土石坝类型，具有混凝土核心。从基础算起，坝高 250 米，容量为 5.6 亿立方米[99]。切布克谷覆盖着密集的冲积土，地质结构主要由安山岩组成，这些岩石通常不太坚硬。最初，切布克坝计划采用石砌和砖石建筑方法[69]。然而，由于切布克谷中没有足够坚硬和耐用的岩石地面，且无法从附近的采石场获得用于建设的坚固石头，再加上从远处采石场运输石头的成本很高，因此决定建造切布克坝采用混凝土[100,101]。 水泥被注入以密封岩石中的裂缝。此外，使用风钻在 0.60 至 8 米的深度钻入岩石，并插入空气管道[101]。然后，岩石底部被由浸水鹅卵石组成的骨料混凝土覆盖。
土耳其最大的水坝包括阿塔图尔克水坝、凯班水坝、伊利斯水坝、卡拉卡亚水坝、希尔凡利水坝和阿尔金凯亚水坝。在土耳其的水坝中，阿塔图尔克水坝的湖泊面积为 817 平方公里[95]，凯班水坝为 675 平方公里，伊利斯水坝为 313 平方公里，卡拉卡亚水坝为 268 平方公里，希尔凡利水坝为 263 平方公里，阿尔金凯亚水坝为 118 平方公里[95]。阿塔图尔克水坝于 1983 年至 1992 年间为能源和灌溉目的而建设[102]。就水坝体积而言，阿塔图尔克水坝在土耳其排名前十二，其体积为 8450 万立方米[6]，位居世界前十。该水坝的地质构造沿河床分布着不同的地质和构造形态。该地区分布着不同的断裂系统，包括横跨河流的重大断层。阿塔图尔克水坝建在石灰岩上：主要是沥青质石灰岩、以中间石灰岩为主和白云质石灰岩[103]。大坝的建成形成了阿塔图尔克水库，这是土耳其第三大湖泊。该水坝拥有八台水轮机，总装机容量为 2400 兆瓦（8 × 300 兆瓦）。 阿塔图尔克大坝的高度为 169 米，是一座土石坝，体积为 8450 万立方米[102,103]。其外表面由岩石、粘土和土壤组成。由于水库的压力，在原始施工期间其高度减少了 10 米。该大坝在全球建造的大坝中排名第五。最低水位为 513 米，理想水位为 526 米，最高水位为 542 米[102,104]。该大坝发电所需的最低深度为 133 米。其长度为 1644 米，宽度为 15 米[104]。
图 15. 阿塔图尔克大坝逐年填筑率[107]
阿塔图尔克大坝按填筑体积计算，被认为是世界上第六大水坝[103,104]。它也是土耳其最大的水坝。阿塔图尔克大坝位于幼发拉底河上，其集水面积为 817 平方公里[105]。幼发拉底河在土耳其拥有最大的集水面积。在该地区，冬季降水以雪的形式降落，流量为 200 立方米/秒。由于降雨和积雪融化，春季流量迅速上升，达到 2000 立方米/秒[106]。水位从 7 月开始下降，在 9 月至 10 月达到最低点。幼发拉底河的流量不稳定。阿塔图尔克大坝的填筑速率如图 15 所示。
阿塔图尔克大坝设有六个溢洪道，每个溢洪道由 16×17 米 2 型径向闸门控制[108]。最大泄量为 16,800 立方米 3 /秒[108]。三条总长度为 4090 米的导流隧洞位于河流左岸，每条隧洞的泄量能力为 2100 立方米 3 /秒[108]。每组设有八台水轮发电机组，每台容量为 300 兆瓦[104,109]。尽管阿塔图尔克大坝是一座土石坝，但其总共使用了 2,875,000 立方米 3 的混凝土[103]。这些结构包括溢洪道、取水建筑物、压力隧洞、水电站、导流隧洞和注浆廊道。其对国家经济的贡献约为 55 亿美元，可供应土耳其 20%的水电能源[102]。
图 16. 肯班水坝逐年填筑率[107]
科班大坝是土耳其第三大坝，仅次于阿塔图尔克大坝和卡拉卡亚大坝，是一座岩填混凝土重力坝。该大坝于 1965 年至 1975 年间在幼发拉底河狭窄而深邃的河口处修建，用于发电[110]。大坝的基础高度为 210 米，坝顶长度为 1125 米，填筑体积为 1550 万立方米，混凝土体积为 124 万立方米[106,111]。水库容积为 306 亿立方米，覆盖面积为 675 平方公里[112]。科班水库是土耳其第四大湖，于大坝建成后形成。最高水位为 845 米，最低运行水位为 813 米，正常水库容积为 310 亿立方米，死水库容积为 140 亿立方米[113,114]。科班大坝修建于一个具有喀斯特形态的峡谷中，位于二叠纪和石炭纪片岩与大理石交汇处。构造运动产生的断层和裂缝加速了喀斯特化过程，连接了大理石，形成了一个高效的多孔环境，适合水流向各个方向流动[101,104]。 在幼发拉底河和凯班河的河谷中，巨大的大理石地表存在水渗漏、洞穴开口以及各种形式的喀斯特洞穴。为防止凯班水电站水库发生渗漏，进行了注浆加固和排水钻孔作业。尽管采取了这些措施，但当水电站于 1973 年 11 月 4 日开始蓄水时，地下水位压力重新激活了古喀斯特通道，导致湖面出现涡流和漩涡状渗漏[104]。湖水渗出的水在凯班溪中形成河流，并在水电站下游区域形成大型泉水。这个问题同样出现在 1974 年、1975 年和 1976 年[104]。该水电站共有 8 个单元，总装机容量为 1330 兆瓦，年发电量为 60 亿千瓦时[106,110]。凯班水电站和水利发电厂是土耳其早期重大能源投资之一。建成时曾提供土耳其 20%的电力生产，但由于整体电力生产增加，截至 2020 年，其仅满足土耳其 1.8%的电力消耗[115]。 近年来，科班水电站水库的水量有所减少（图 16）。
科班大坝是地震与喀斯特水道关系的重要实例。位于二级地震带，该坝区从建设至今经历了多次中强度地震。因此，研究降雨、喀斯特形态、水渗漏与地震活动之间的关系，为文献贡献了宝贵经验[104]。
伊尔迪祖大坝和水电厂项目（伊尔迪祖项目）是底格里斯河上最大的大坝（巴坦省，2023 年）。该大坝的建设目的是发电、防洪和灌溉[116]。伊尔迪祖大坝是土耳其第四大坝，按填筑体积计算为第二大坝，是一座混凝土面板堆石坝，按填筑体积和坝长计算，是世界上此类坝型中规模最大、坝长最长的，基础高 135 米，坝顶长 1820 米[116,117,118]。该大坝的最高水位为 525 米，总库容为 2390 万立方米[117]。水库面积覆盖 313 平方公里，库容为 106 亿立方米[117,118]。库容达 106 亿立方米的伊尔迪祖大坝，在土耳其仅次于阿塔图尔克大坝和克班大坝，位居第三[117]。伊尔迪祖大坝装机容量为 1200 兆瓦，预计总发电量为 41.2 亿千瓦时[116]。按此容量计算，伊尔迪祖大坝产生的电力将占土耳其水电总发电量的 10%。 除了发电，伊利苏水坝储存的水还将用于灌溉。
土耳其另一个重要的水坝是尤素菲利水坝，它是土耳其最高的水坝，也是世界第五高的水坝，由双曲混凝土拱坝组成[119]。该水坝的基础高度为 275 米，坝顶长度为 490 米[120]。尤素菲利水坝的蓄水量为 22 亿立方米，坝体上的溢洪道结构设计为常见的三孔式。从三孔溢洪道流出的流量为 2940 立方米/秒的水被收集到消力池（EDP）中。该水坝的主要目的是发电，规划装机容量为 558 兆瓦[114]。近年来，土耳其开始进行地下水坝建设[121]。
埃及
上文提到，埃及古代水坝是土石坝。现代水坝和堤坝最初在埃及采用砌石结构建造，最近则采用混凝土结构，具体如下所述。
一百多年前（1903 年），为了为埃及最大的灌溉运河——易卜拉欣运河提供水源，阿西尤特拦河坝被修建。这是通过在枯水季节将河水引入运河实现的。该拦河坝是一座重力坝，由约 95,000 立方米 3 混凝土、64,600 立方米 3 砌体、1,824,000 立方米 3 土方工程、95,000 立方米 3 护面工程以及超过 4000 吨铸铁管道[122]构成。
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图 17. 开罗三角洲拦河坝
三角洲拦河坝用于控制尼罗河下游尼罗河分叉处两条支流（埃及首都开罗以北，见图 17）的灌溉和航运过程。该拦河坝是一座重力式水坝。其建设始于 1833 年，持续了 30 年。其目的是改善尼罗河下游开罗以北分叉点处主罗塞塔和达米埃塔支流的灌溉和航运。然而，在长达数十年的建设过程中，一个可能由基础引起的问题影响了其质量。因此，出于安全原因，其主要灌溉功能不得不大幅受限[123]。
一个修复的例子是埃及的阿斯旺大坝，其水电站经过长期使用后正在进行翻新。几十年来，由于峰荷和腰荷的频繁启停，这些电厂的设备一直承受着压力。现在重要部件已经过时，导致环保发电能力下降。因此，阿斯旺水电站近年来逐渐进行了翻新[124]。有记录以来最早在阿斯旺附近建造大坝的尝试可追溯到 11 世纪，归功于阿拉伯博学家兼工程师伊本·海瑟姆（在西方被称为阿尔哈森）。
图 18. 阿斯旺低坝[119]
阿斯旺低坝（1898-1902 年）：埃及现代水资源管理的历史始于 1902 年旧阿斯旺大坝的修建以及 19 世纪和 20 世纪初尼罗河上的拦河坝。旧阿斯旺大坝部分储存尼罗河水，以使尼罗河三角洲每年能够种植多种作物，而拦河坝则抬高尼罗河水位，使河水可以分流到与河流平行的大型灌溉渠中。阿斯旺低坝是埃及阿斯旺尼罗河上的一座浆砌重力坝。该坝位于尼罗河第一瀑布处，距离开罗南东南 690 公里（图 18）。它最初建于 1899 年至 1902 年间。它是当时世界上最大的浆砌大坝。该坝的设计旨在储存年度洪水并补充旱季径流，以支持埃及上埃及地区的灌溉发展和人口增长。该坝最初因保护原因高度有限，按计划运行，但未能为计划的发展提供足够的储存能力。该坝于 1907-1912 年和 1929-1933 年两次加高，分别提高了 5 米和 10 米。 这些增加仍然不足以满足灌溉需求，尽管努力最大限度地提高盆地高度，大坝几乎被淹没[125]。
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图 19. 阿斯旺高坝。
阿斯旺高坝（1954-1960 年）：该水库的蓄水量为 162 公里 3 [126]。阿斯旺高坝对埃及的经济和文化产生了重大影响。其最重要的影响在于，它将尼罗河年流量剧烈波动的现象转变为一个可预测的、稳定的供水来源。高阿斯旺坝的景观可见于图 19。
阿斯旺高坝对埃及经济具有巨大的益处。历史上首次，尼罗河的年泛滥可被人控制。该大坝蓄洪并在需要时放水，以最大限度地提高对灌溉土地的效益，灌溉数十万公顷新农田，改善阿斯旺上下的航运，并产生大量的电力（该大坝的 12 台涡轮机每年可发电 100 亿千瓦时）。这个水库深度为 90 米，平均宽度为 22 公里，支持渔业发展。
其他例子
图 20. Diamer Bhasha 大坝[128]
大迈尔巴沙水坝是巴基斯坦正在开发的一个多功能超级水坝项目。它将位于巴基斯坦吉尔吉特-巴尔蒂斯坦省大迈尔区印度河上，拥有一个巨大的水库，距离塔贝拉水坝上游约 315 公里，距离北部地区首府吉尔吉特下游 165 公里，距离奇拉斯市下游 40 公里。这是巴基斯坦有史以来规模最大的水坝项目。其高度为 272 米，也计划成为世界上最高的水坝之一。大迈尔巴沙水坝的施工方法采用加巴班德和胡什卡巴系统。该水坝是世界上最高的滚压混凝土坝。拟建水坝的库容约为 925 亿立方米，有效库容超过 789 亿立方米。该地点印度河的平均年径流量为 620 亿立方米。因此，该水坝将拦截 15%的年径流。该水坝项目覆盖面积 110 平方公里，向大坝上游延伸 100 公里至卡拉库尔公路上的拉科特大桥（见图 20）。 水坝的主要成果包括：在低径流时期，通过年调节库容补充灌溉供水，能源资源的开发，减少对热能的依赖从而节省外汇，以及在其建设和运行期间创造就业机会，特别是为当地居民创造就业机会[127,128]。
水坝的兴起趋势与挑战水坝设计与运行中数学模型的兴起
大坝建设是需要设计、运行、维护和修复知识的领域中最引人注目的领域之一。首次发表的尝试应用工程方法是估算大坝所需的蓄水量。Rippl [129] 使用一种简单的数学方法——质量曲线，确定了拟建大坝场地的水库容量。它基于一系列预期大坝泄流（需求）与流入量之间的最大正累积差值 [130]。尽管质量曲线是一个简单的概念，但它仍然被用作水工程手册（例如 [130]）和文献（例如 [131]）中应用的方法。逐渐地，优化方法被引入数学领域，并应用于大坝设计，以确定在一组既定可能性中的最佳选项。Hall 和 Buras [132] 将动态规划（DP）引入水资源领域。Hall 和 Howell [133] 首次使用 DP 来确定考虑蓄水用于消耗性使用的水库的最佳规模。与大坝设计方法并行，工程师们一直在制定更精确的运行策略，以便在最佳时间和最有效的水量上储存和释放水资源。标准运行策略（SOP）是最早被用作许多大坝主要策略的简单方法。在这种策略中，SOP 指导操作员/操作人员根据需求/需求释放可用的水资源，如果大坝中有多余的水则储存起来。
然而，SOP 是一种非常简单的策略，因为它基于当前可用的水资源进行放水，没有对时间范围和未来进行综合考虑。因此，它可能会导致供水系统出现重大故障，增加脆弱性。为了克服 SOP 的缺点，Loucks [134] 提出了一种线性决策规则（LDR），其中放水是储存水量和流入量的函数。为了确定最佳的 LDR，应用了机会约束方法，这证实了优化方法在寻找高效和精确的解决方案方面的潜力，与仅基于模拟的方法相比具有优势。后来，Nayak 和 Arora [135] 在明尼苏达河流域应用了原始 LDR 的改进版本。
最近，为了应对气候变化、干旱和水资源短缺，这些因素对水资源的供水，特别是对大坝的流入量提出了更大的限制，人们开发并使用了对冲策略。在水库运行中，对冲策略意味着在大坝中储存水资源，以减少未来的影响，而不是立即进行有益的输送。在水库缺水的情况下，对冲策略仍然被应用。在 20 世纪，供水的一般政策和标准得到了改进，这直接影响了大坝设计和运行的发展。在美国，水资源委员会的《原则和标准》（1973 年）为联邦水资源项目确立了两个同等重要的目标：（1）国家经济发展，（2）环境质量 [136]。因此，研究在考虑大坝目的的同时，还考虑了大坝设计和运行的其他方面。如今，有综合方法可用于确定大坝的体积，这些方法不仅基于预期的水库泄流，还考虑了多个标准和环境因素之间的权衡。
平衡效益与潜在负面影响
水资源开发的最优策略是社会经济发展的一个重要前提。由于对能源需求的不断增长，特别是在许多发展中国家，水坝和水库仍然是必要的设施。水坝的建设改变了环境，这可能会产生负面影响。在大多数情况下，这些影响是积极的：防洪、灌溉、供水、发电、基础设施改善、减少森林砍伐、休闲娱乐、渔业以及许多其他次要效益。一些负面影响是无法避免的：人口迁移；耕地和历史文化遗产的淹没；对特有物种和洄游鱼类生存的影响；含水层的退化；以及引发地震活动、坍塌和类似事件的可能性[11]。
一个重要的问题是如何在发展需求与环境保护之间保持平衡。最佳的环境保护需要多学科方法，涉及地质学家、土木工程师、生物学家、化学家、水文学家、水文地质学家、考古学家、社会学家等广泛领域的密切合作。目标是识别决定人类活动（如大坝建设）原因和后果的关键参数，以及其对环境的影响（如因果关系）；例如，一项近期研究探讨了大坝的冷却/增温潜在影响，开发了一种基于数据的预测和诊断工具[137]。
确定环境保护和监管程序的标准是这一过程中的重要要素[11]。在这样的大型水利工程项目的设计准备之前和期间，有必要仔细研究其对周围环境的影响，包括所有植物和动物。这也包括项目对邻国的影响。
这项研究应通过所谓的环境影响评估和风险评估来进行。除了已知的环境方面，还有社会经济方面，它影响人们的财产、传统和商业。大坝及其水库对这些问题的作用是不可否认的，包括土地淹没形成水库、人员搬迁以及对水生生物和水流的干扰[138]。过去由于忽视这类研究而面临许多问题。例如，在埃及，由于建设了阿斯旺大坝，尼罗河的沉积物被拦截，土地失去了肥沃的淤泥。此外，在纳赛尔时期，许多努比亚村庄被一个为蓄水而形成的大湖分散，他们被搬迁到阿斯旺省的北部。对于三峡大坝而言，其建设和运营导致超过一百万人口以及许多长江沿岸的城市和村庄被搬迁。
中国另一座名为溪洛渡的大坝，使约 18 万人失去了土地[138]。 即使是最近，在一些正在进行的坝建设项目中，例如埃塞俄比亚的复兴大坝，研究表明存在许多与坝建设相关的问题，例如环境方面以及对下游国家的影响[139,140]。
一个对环境和当地经济具有灾难性影响的坝例是位于伊朗西南部库尔德斯坦省北部的戈特万坝，该坝建于伊朗最大的河流卡拉ون河上，其平均年径流量为 120 亿立方米。该坝的研究始于 20 世纪 60 年代，并于 2012 年完工。这座坝高 185 米，是中东地区最高的土石坝。目前该坝装机容量为 1000 兆瓦，第二阶段还有 1000 兆瓦正在建设中。根据先前的研究，如果没有采取补救措施，其水库水中的盐度可能具有危害性甚至达到临界值，因为水库底部可能会形成过饱和层。因此，在该地点修建大坝存在争议，因为未来水库下方地层中存在丰富的岩盐。目前大坝水库中的盐度已溶解了 660 万吨盐，局部盐度已上升到 200 克/升以上，威胁到大坝下游的农业和环境[141]。
水坝设计者应从水坝事故中吸取教训。马尔帕塞水坝（法国）和瓦约ं托水坝（意大利）的案例是典型的事例，此外还有许多其他案例。马尔帕塞水坝（位于法国弗雷儒斯附近）是一座双曲拱坝。该水坝的突然溃坝（1959 年 12 月 2 日），由于建设前地质勘察存在缺陷，导致 421 人死亡。瓦约ं托水坝（意大利）是一座非常高的双曲拱坝。1963 年 10 月 9 日的夜晚，发生了一次大规模的岩崩，水浪越过水坝，非常深且快速流动的洪水导致了大量人员伤亡（超过 2000 人死亡，许多人受伤）。瓦约ं托突显了水坝设计过程中进行彻底的岩土工程勘察的必要性，特别是水库边坡稳定性分析。这一悲剧事件表明，水坝设计、运行和维护的复杂性，超出了水坝本身的安全问题。
在喀斯特地貌高度发育的地区建设大型水坝和水库尤其敏感和复杂，因为大部分水可能通过地下喀斯特通道流失。水坝对喀斯特环境的影响可能是不可预测的、迅速的、独特的。这种情况很少，甚至从未重复过。“意料之外”应始终作为喀斯特地区水坝建设的基本理念。喀斯特地区水资源系统合理规划的主要目标是尽可能将水保持在地表，以最大限度地减少负面影响并最大化正面环境影响[11]。在世界上许多喀斯特地区，干涸的水库或泄漏率不可接受的水库很常见：美国的海尔斯巴勒水坝（Hales Bar Dam）、西班牙的蒙特哈克（Montejaque）、黑山共和国的弗特拉茨（Vrtac）、伊朗的拉尔（Lar）、土耳其的梅（May）、希腊的佩德里卡（Perdika）、美国的狼溪（Wolf Creek）、土耳其的阿帕（Apa）等。一个典型的例子是西班牙的蒙特哈克水坝。
图 21. Nova Kakhovka 水电站大坝。
Nova Kakhovka 水坝位于乌克兰南部赫尔松州第聂伯河上。联合国秘书长安东尼奥·古特雷斯谴责了 Nova Kakhovka 水坝的破坏，称其为“一场巨大的人道主义、经济和环境灾难”，以及“战争可怕的人道代价的又一例证”。完好无损的水坝如图 21 所示。它建于 1956 年，位于第聂伯河上，作为 Nova Kakhovka 水电站的一部分。水坝高 30 米，长 3.2 公里，蓄水量为 180 亿立方米。它为乌克兰东南部和 2014 年被俄罗斯吞并的克里米亚半岛提供水源[142]。该水坝的水库还为扎波罗热核电站（ZNPP）六个反应堆的必要冷却提供水源，这是欧洲同类规模最大的核电站。当外部电力供应中断时，许多燃料和应急柴油发电机不得不反复使用[143]。目前尚不清楚是什么具体摧毁了水坝，但从现场播报的图像来看，似乎是一起爆炸炸毁了大片结构。
塑造未来多功能水坝
水坝影响环境与气候，并持续在相互作用中体现其影响，这种相互作用定义了水坝的功能、效率与可持续性，以及潜在的社会经济影响[144,145,146]。未来，极端天气事件（如干旱、极端温度和洪水）频率的预测增加可能威胁水坝的运行与安全，强调了对潜在影响背后机制/过程进行深入理解的需求，以及在水坝设计、施工和管理中所需必要调整的提案。气候对水坝某些特性的负面潜在影响已被强调，例如对混凝土（如其抗压强度、弹性模量和收缩变形）的影响，以及整体供水能力的变化，这主要源于温度和降水模式频率和特征的变化。 在规划、运营和管理不同类型的水坝方面，还存在其他问题，例如由于老化、损坏和/或沉积物积累导致的水坝容量变化[147]，这些问题也应在水坝的风险评估和管理中得到考虑[148]。
因此，需要重新评估潜在风险，以保障未来水坝的运营。从相反的角度来看，水坝的运营预计会对当地微气候和周边地区产生直接或间接的影响，这主要是由于该地区的热特性、辐射平衡和热平衡的变化[144]，以及由于土壤-水-植物-大气矩阵中生化过程的变化。从这些角度来看，应探索和相应调整区域或国家立法和政策，如上所述，以解决对人类和生态系统产生的 emerging issues 和 threats，重点关注基础设施管理、供水管理、水质监测以及未来洪水的预防和/或缓解，以及周边生态系统、其服务及其环境与气候足迹的影响。
近年来，水利基础设施越来越多地用于多种用途；因此，出现了"多功能水利基础设施"（MPWI）这一术语。未来，多功能水坝可能会实施，结合蓄水和供水用于灌溉、工业或人类饮用；防洪；发电和储能；航运；水调节；环境排放以及休闲娱乐。多功能水利基础设施包括所有已建成的水利系统，包括水坝、堤坝、水库以及相关的灌溉渠道和供水网络，这些系统可用于经济、社会和环境活动中的多种用途。全球有超过 8000 个大型 MPWI 系统，以及大量作为多功能设施运营的系统，尽管这些系统最初设计为单一用途[82]。
一个具有多种用途的坝的典型案例是上述提到的三峡大坝。该坝的主要目标是向世界上最大的水电站供水，并帮助控制困扰坝下游低洼地区的毁灭性洪水。凭借其装机容量（22500 兆瓦），三峡大坝每年平均发电量为 95 ± 20 太瓦时，具体取决于流域的降水量。此外，通过提供洪水调蓄空间，该坝减少了下游洪水的潜在风险，历史上这一地区一直困扰着长江平原。此外，由于坝上游的流速较慢，侵蚀程度较低，因此大量泥沙在此沉积而不是流向下游；结果，下游的泥沙含量减少[149]。
因此，该地区的环境得到了改善和保护。三峡大坝的环境流量计划可以为其他中国水坝的重新运行提供先例——中国是世界上拥有最多水坝的国家。此外，中国公司投资者在全球水电站大坝建设中已获得相当大的市场份额。 以环境目标为宗旨的高调水坝管理案例可能影响其他国家水坝的规划、设计和运营方式[150] 安装船闸旨在将年河运量从 1000 万吨增加到 1 亿吨；因此，运输成本将降低 30%至 37%。由于峡谷以航行危险而闻名，航运将变得更加安全。在坝附近安装了两套船闸，每套由五个阶段组成，通行时间约为四小时[151]。最终，供水、灌溉以及旅游和航运用途大幅增加。
在希腊，一个项目在克里特岛的阿尔米罗斯伊拉克里翁被规划、研究和建造。据假设，通过将现有大坝加高至 20-25 米，可以在阿尔米罗斯泉的总供水（流量介于 0.3 至 9.0 百万立方米/天之间）中实现咸水和淡水的完全分离。即使分离未能完全实现，为发电而创造的瀑布利用也可能收回项目的建设成本[152]。该项目还将用于灌溉和向克里特岛中部北部村庄供水。在另一项近期研究研究中，调查了在克里特岛现有水库中安装浮动光伏的可能性。根据 2018 年的数据估计，浮动面板可以覆盖该岛年电力消耗的 2.57%至 7.72%[153]。
图 22. 全球水电生产与预期功率[138]
对于欧盟（EU）国家以及世界许多地区而言，水力发电的技术可行开发潜力远大于实际产量，如图 22 所示。在许多欧盟国家，其水力发电潜力得到了 100%的利用。然而，在比较不同国家时，希腊仍几乎是最后一名。该国潜在水力发电容量的百分比估计为 65%，而其中仅有一半被利用。如图 22 所示，非洲、南美洲、中国、印度和俄罗斯的许多国家仍未充分利用其全部水力发电潜力。
当前和未来的水坝在如何公正地评判和评估这些基础设施对依赖当地社区可能带来的利益和影响方面面临挑战。一项近期研究讨论了此类项目支持者和反对者之间存在的深刻冲突，一方面凸显了在人类生命、物质生计和福祉等价值观和知识体系上存在显著重叠，另一方面则揭示了在许多情况下，以增长为导向的政府与以利润为导向的企业及声称受到不利影响（主要关注环境问题）的人们之间存在极端的权力失衡[154]。该研究得出结论，在类似情况下，为了前述实体的利益，决策过程中往往忽视民主程序和正义，从而引发重大伦理问题并阻碍变革性发展[154]。除了地方视角外，水坝可能是一个涉及不同区域、地区甚至国家的更广泛水资源管理框架的一部分，在许多情况下成为用户与政府之间的冲突根源[155,156]。
在人工智能、机器学习、地理信息系统、遥感以及无人机技术等各个领域的技术成就，可为未来水坝的决策、规划、建设、评估和管理提供有效的工具。然而，仍存在需要解决的问题和挑战。其中一些问题在最近一项关注水坝工程项目的研究中进行了分析[157]。在该研究中，技术进步与融合趋势，如虚拟云、增强现实、智能机器人以及 3D/4D 打印，在未来的研究与开发背景下得到了强调[157]。另一个例子来自韩国，包括基于实时数据和模拟模型开发的数字孪生水坝和流域管理平台，如前文所述。该平台整合了基于 GIS 的地理空间数据、人工智能技术、岩土安全评估模块，以及用于水坝和河流的高级无人机监测，以支持决策和最优、智能的水坝/水资源管理[158]。
综合来看，未来水坝的决策过程、规划、建设、运营和管理，需要科学界、政策制定者和利益相关者对复杂的坝-气候-环境-经济-社会关系有更深入的理解，包括政治倡议和先进技术的应用。这可以提供精密的坝和水管理，以及解决相关方之间潜在冲突的途径，同时在未来水坝安全可持续运营和使用的背景下，需要在技术层面、立法层面和社会经济层面进行必要的调整。
大坝修复大坝是一座需要维护、维修和修复的大型结构。如果忽视这些方面，系统就有发生故障的概率，这可能会影响公众。修复是指通过修理、更换、重建或拆除大坝来满足大坝安全标准[159]。修复的目的是通过注浆加强基础、改善排水或在坝上游安装不透水铺层。水流经易蚀或断裂的岩石可能导致水库渗漏增加。大坝的修复，根据其高度、年龄和状况，可能是一项昂贵的活动，有时需要国家支持。美国州大坝安全官员协会（ASDSO）于 2023 年发表的一项研究估计了 2003-2023 年间大坝修复的成本。根据该研究，2023 年非联邦高危险潜力大坝需要大约 341 亿美元，如果大坝发生故障或操作不当，可能会导致人员伤亡[160]。
水坝修复可以在水坝结构上或对为满足水坝运行目的而安装的设施上进行。美国的奥罗维尔水坝是水坝修复的一个例子，该水坝发生了混凝土侵蚀，并且已经进行了一些溢洪道修复。这座水坝是美国最高的水坝，在水存储方面发挥着重要作用[161]。
如上所述，伊朗是早期进行大坝建设与运营的国家之一。根据伊朗大型水坝国家委员会（IRCOLD）的网站信息，目前运行的大型水坝数量为 523 座，所有水坝的总蓄水量为 517 亿立方米[10]。其中部分水坝因年代久远，需要修复以确保持续高效运行。德兹水坝是西南伊朗扎格罗斯山脉早期建造的大型水坝之一。该水坝于 1962 年完工，水库蓄水工作始于 1962 年 12 月。该水坝的运营目的包括水力发电、下游用水补充和防洪。德兹地下发电站包含 8 台 65 兆瓦机组，总装机容量为 520 兆瓦，在 45 年的运行期间平均每年发电量为 2400 吉瓦时。因此，水力发电的高价值表明德兹水坝在电力部门发挥着重要作用。其最小和正常运行库容分别为 7.265 亿立方米和 26.985 亿立方米。 该水电站的设计泄量为 357 m²/s；然而，不幸的是，近年来高淤积率给大坝的运行带来了许多困难。主要影响之一是，目前位于淤积层下方 35 米处的大坝灌溉闸门已停用，而位于较高水位的水力发电出流也被用于灌溉。此外，水力发电取水口仅比沉积物高约 5 米，如果疏浚工作延误，水力发电/运行将面临困难[162,163,164,165]。由于德兹大坝在增加电力生产方面发挥着作用，存在一些修复方案，例如改善供需关系或延长水库寿命。正在研究的一个修复方案包括三个主要组成部分，如下所示：(a)建设并安装一座总装机容量为 720 MW 的新水电站；(b)将大坝加高 8 米；(c)建设新的底部出水口[162]。
印度喀拉拉邦的基莫尼水坝是一座由石砌和土坝组成的混合式水坝，全长 1211 米。它是一座多功能水坝，用于水力发电、饮用水供应和灌溉。基莫尼水坝于 1975 年至 1996 年间建成，首期蓄水完成于 2005 年。该水坝的蓄水能力为 179.39 亿立方米。近年来，该水坝开始出现一些问题，如严重渗漏，在石砌部分通道和下游均有观测记录。由于水流夹带的泥沙，水坝的排水孔也被堵塞。针对这些问题，提出了一些修复建议。通过地球物理调查对石砌坝进行了状态评估。建议从底部到顶部对整个石砌体进行抹浆，以减少渗漏。在石砌坝下游，添加了沙子和碎石作为填充材料，与水泥混合形成趾板排水系统。此外，建议通过修复闸门的提升/移动装置和被侵蚀的溢洪道冰碛，使损坏的溢洪道闸门恢复功能，并使用高强度混凝土进行修复[166]。
卡里巴水坝位于赞比亚和津巴布韦之间的赞比西河流域。它拥有全球最大的人工水库，容量为 1810 亿立方米。该水坝是一座双曲拱坝，建于 1956 年至 1959 年间。它是一座水力发电坝，为整个非洲南部地区提供电力。最近，该水坝需要重大修复以安全高效地继续运行。2015 年，修复计划将在未来十年内实施，同时不中断电力生产。计划于 2019 年和 2023 年分别完成消力池和溢洪道工程[167]。
当前的技术进步和数据收集进展有助于评估大坝的状态，提供关于其结构性能和运行性能以及潜在环境影响和对人类影响的可靠评估。这些评估可以支持关于大坝拆除或改造的未来决策。一项近期研究开发了一套社会和生态指标，可用于为新英格兰的众多大坝创建 GIS 数据库[168]。另一个例子是使用三维有限差分分析来确定大坝的未来蠕变和地震行为，并通过长期水准测量进行验证[169]。此外，还有水下混凝土裂缝检测技术[170]。在中国，通过创建首个泥沙沉积土地矢量数据集来评估大坝，该数据集结合了高分辨率且易于获取的 Google Earth 图像和基于对象的分类方法[147]。
后记水坝的发展表明，过去有许多经验教训可供后代利用。如今仍有许多古老的水坝在运行。早在五千多年前，已知最早的蓄水坝在爪哇为未来供水蓄水，以及已知最早的大型水坝在萨德·埃尔·卡法拉为人类防洪，其目的至今对许多现代蓄水坝仍然具有现实意义。直到现代，水坝的其他主要用途才被添加，例如水力发电。
如今，人们普遍认为，尤其是在发达国家，水坝并非仅用于灌溉和/或供水。相反，多功能水坝正被推广和建设，集供水、灌溉、防洪、发电及其他用途于一体。中国的“三峡大坝”就是一个很好的例子。另一个规模较小但同样优秀的例子是希腊中部的塔夫罗波斯大坝（普拉斯特拉湖），它促进了湖区旅游业的发展，同时也实现了发电、灌溉和饮用水供应。德国和法国也建设了类似的例子，分别利用了 100%和 97%的经济可用水电潜力。
总体而言，希腊及其他世界各地水力发电的技术可行潜力远大于实际产量。在希腊，三分之二的经济可用水电潜力尚未被利用。目前，生态组织对新水坝的建设提出了反应，以保护环境。 尽管水力发电据估计能够满足该国 65%的需求，但目前利用率不到 30%，而其他国家几乎利用了其全部水力发电潜力[171]，例如挪威。在欧盟国家中，就水力发电的使用情况而言，希腊排名最后。不幸的是，消耗的电力中只有 20%是水力发电。
水坝设计者应当借鉴以往经验，以确保可能威胁人类生命、损害生态系统可持续性、破坏环境的水坝失败/事故不再重演。一个常见的失败案例是喀斯特地貌地区的蓄水池建设，即便采取潜在的调查和密封措施，仍可能发生失败。此外，水坝的过度建设可能导致严重问题。例如伊朗的 500 座水坝，已严重影响了流域和水体。这些大多无用的结构导致了森林砍伐、损害了生态系统的生产力，并严重破坏了物理和生物环境。伊朗水坝的建设可被视为一项突出的国家活动，它加剧了荒漠化，阻碍了发展努力。最后，从直接危及人类生命成本的角度来看，水坝建设已扰乱了上游和下游的原住民社区，完全忽视了他们的知识和传统，以及伊朗许多文明的丰富文化传统和遗产[172]。
总体而言，在进行水坝建设项目的规划设计前和过程中，有必要仔细研究其对周围环境的影响，包括植物、动物以及所有影响人们财产、传统和商业的环境和社会经济方面。评估流域动植物所需充足环境流量有许多方法。同时，理解生物与环境之间的关系也至关重要，因为水量减少意味着河流生物的生存空间减少[173]。过去的经验和现状表明，必须对水坝进行维护、维修和修复。如果忽视这些方面，效率会降低，系统出现故障的可能性也会增加，从而可能影响公共安全。当前的技术成果是应对当前和未来挑战的重要工具，能够有效支持水坝的规划、运营和决策/管理，同时支持在潜在利益和影响当地社区的环境背景下对这些基础设施进行公平的判断和评估。
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