小型和农村水坝的安全与堰塞湖管理

小型和农村水坝的安全与堰塞湖管理一、前言本文提供了与人工大坝和堰塞湖相关的经验教训和建议。由于在中国，小型水坝所带来的危险更大1，因此本文侧重小型农村水坝，而不是设计建造良好的大型水坝。国际经验也表明，小型水坝往往存在高风险。因为堰塞湖是震后的特殊产物，所以本文也介绍了堰塞湖及其管理。本文介绍的国际经验教训和相关议题主要来自世界银行援助的三个项目案例研究：•古吉拉特邦2001年地震–大坝安全；•萨列兹湖风险防范项目；•亚美尼亚大坝安全项目项目简要介绍见本文附件。我们可以根据国家发改委要求，提供更多的信息。二、主要问题和经验教训人工水坝地震之后，重点应该放在应急措施上，解决人类面临的生命危险。同时，应开始制定大坝恢复计划，并随后着手实施。在古吉拉特2001年地震中（见附录1），在震后不到5个月的时间，在雨季来临之前就采取了应急措施。恢复和现代化建设花了八年时间。很多小型农村水坝溃坝的可能性远高于几个大型水库溃坝的可能性（见附录1）。在地震和洪水灾害中更是如此。下表中列出了强化土石坝抗震能力的各种防御措施（H.B.Seed,1979）。1大型水坝:库容≥1亿立方米；中型水坝：库容在1亿立方米和1000万立方米之间；小型水坝：库容≤1000万立方米堰塞湖堰塞湖的形成原因有多种，例如冰川运动、冰碛阻碍、滑坡、雪崩、喷火山口等。堰塞湖通常持续数天或数周，其生命周期主要取决于：•水流和沉淀物流•阻塞物的大小和形状•构成阻塞物的材料•通过阻塞物的渗流速度只有极少数的堰塞湖能够存在数月或数年时间，堰塞湖长期存在下去的可能性几乎没有（见附录2）。堰塞湖发生之后，首要任务是清除或部分清除阻塞物，促进河流流动。如果震后形成的堰塞湖很大，危险可能存在更长的时间，主要取决于堰塞湖的组成以及当地气候特点，因此需要研究和采取长期的解决方案。通过比较之前和之后的照片，卫星图像和遥感技术能够帮助发现最近形成的堰塞湖。另外，这些技术也能够帮助明确滑坡的特点，例如陡斜坡、滑坡体的典型形式、以及溃坝原因（岩滑、土滑、泥石流等）。通过堰塞湖地区的基本测量以及平均深度测量，可以使用实证关系来估测湖体最大流量（如果发生堰塞湖溃坝的话，例如CostaandSchuster,1988）。为了对可能遭受洪灾的下游地区进行快速评估，上述信息是至关重要的。1）充足的安全超高，以允许沉陷、崩移、断层活动2）使用不易开裂的材料来建设宽阔的过渡带3）在岸堤的中间位置使用竖井排水管4）提供充足的排水带，允许可能的水流通过裂缝处5）使用不易开裂的塑料材料构成宽阔的核心带6）在核心上游使用高级反滤带，作为止裂装置7）提供关于坝顶的详细信息，一旦发生漫顶，防止坝顶遭到侵蚀8）在邻近的接触点燃烧岸堤核心带9）找出核心带，从而实现材料饱和度的最小化10）稳定水库边缘地带，以防止其滑入水库11）如果在坝基存在断层活动的危险，需要提供专门的详细信息如果能够进入现场，由专家团队进行实地勘测是绝对必要的。实地考察能够帮助确认堰塞湖的几何形状，材料类型和可能的内部结构。应在地图上标出渗流点，并对流量进行记录。对滑坡类型和排列模式的评估是实地观察的重要组成部分，包括水源区的岩石体的类型和性质、移动特点（距离和高度）、以及移动过程中的解体等等。就最大危险因素关键因子的长期监控而言，主要应监控：•堰塞湖的水平面（一旦溃坝，水平面的上升和下降）•下游的流量监测站•雨量站在一些情况下，可能需要（数个）拍摄水坝上游的时距照相机（通常设置几分钟的时间间隔）。三、建议人工水坝在汶川地震中，有2,300多座水坝受到了影响，其中只有30座水坝为大中型水坝。受到地震影响的小型水坝是在30，40或50年前建设的，建设时没有进行合理设计，因此这些水坝的情况不佳。更加严重的是，这些水坝中的绝大部分都没有得到合理的运行、维护和监测。建议这些水坝的所有者制定大坝运行维护和监测手册，加强水坝安全管理。国际上制定了一些关于地震后水坝安全监测的指南，但大都为广义性质。每个水坝所有者需针对自己水坝的具体情况，制定单独的水坝安全监测程序。每个水坝的长期运行程序中都应该详细规定相关程序，《应急预案计划》更是如此。到目前为止，中国大部分小型水坝都没有制定应急预案。建议中国政府参考国际经验，制定针对小水坝的应急预案指南。需要针对震区的所有水坝制定综合性的风险评估办法。风险评估办法应对水库恢复和现代化建设提供优先次序指导，目的是减少全部水坝的风险水平（见附录1和3）。世界银行和中国政府已经在使用定量风险评估技术（基于风险的安全管理系统（RBPS））来对很多大坝进行组合风险评估（PRA），以便明确各种风险和补救措施，并根据风险指数来进行优先排序。风险评估不需要非常复杂。复杂程度取决于具体情况。半定量和实证方法对很多水坝来说就足够了（见附录3）。对于预防性措施，好的做法是对所有的高危险水坝采取风险评估，而且应该定期进行信息更新。应该就小型农村水坝的设计、建设、运作和现代化提供充足的技术援助。应该完成农村水坝普查，并向不同的地区／县份提供相关信息。水库水位信息是监控信息的重点。堰塞湖应该对堰塞湖发生频率较高的地区进行监控。卫星图像和遥感技术是管理这些风险的重要手段。在成功执行了应急措施之后，需要对可能长期存在的堰塞湖进行监控，并选择恰当的时间，建立预警系统。在一些情况下，要求采取一些能够减少/消除溃坝风险的结构性措施，这也是提供社会服务的机会，例如供水、休憩、水电、灌溉等（见附录2）。对于那些长期存在的堰塞湖，在其存在期间，提高处于危险中的人群的意识和为他们提供培训非常重要（见附录２）。在特殊情况下，风险评估可以作为监控和预警系统的设计和运作的强有力工具（见附录２）。对于存在时间较长的堰塞湖，应该制定类似于人工水库的应急管理预案（见附录２）。鉴于唐家山堰塞湖的安全条件和风险水平，需要进行长期监控和管理。建议中国政府在堰塞湖的上游和下游建立测量站和雨量站若干。另外，应该建立湖泊管理监控系统和应急管理预案。附录1:古吉拉特邦2001年地震——水坝安全印度次大陆的一大特点就是存在大量的用于灌溉和农村供水的土石坝。这些土石坝的规模通常较小（深度不超过30米），其建设单位在水坝工程方面经验很少，或完全没有经验。在2001年1月26日发生的布季市地震中，250座土坝被毁。沙土液化和坡身不稳导致了大量的裂缝、变形和沉陷。那些位于灾区的规模较大和工程质量较高的水坝并没有遭到重大损坏。值得庆幸的是，地震发生在雨季来临之前，当时水库大都没有储水。如果地震发生在雨季之中或雨季之后，土坝的损坏则会严重得多，而数个水库中释放出的水会导致灾难性的洪水。由于大部分水坝没有设计文件，给应急措施的制定带来了困难。从2001年1月到6月，在245个水坝上采取了应急措施。维修工程包括缝隙的填充、坡身加固、引水工程和溢洪道的维修。五座无法修复的水坝被拆除。水坝应急修复的总开支达400万美元。采取了应急措施之后，国内和国际专家组成的两个团队明确了225个水坝实施的加固措施。因为没有基本数据，进行了1.2万份土壤样品测试。所有水坝的安全水平得到了提升；然后采用提升后的地震力条件进行了稳定性分析。水坝的设计和建设都经过了第三方独立审查，还开展了研讨会和座谈会来提高现场工作人员的能力。布季地震表明，小型农村水坝溃坝的可能性很大，而这样的溃坝可能发生在很广泛的地区，因为这些地区存在数个水坝，而且其存储的水量接近大型水库。认为很多小水坝比一个或数个大型水坝更加安全的直观感觉是不正确的。另外，因为大部分农村水坝的施工单位都缺乏相关经验，而且没有对设计数据和资料进行存档，几乎无法评估其安全性。因此，可以得出这样的结论：小型水坝，尤其是农村地区，其总体地震风险可能远高于大型水坝风险。摄影：S.K.Jain教授摄影：R.Kishore博士附录2：萨列兹湖风险防范项目塔吉克斯坦的萨列兹湖形成于1911年，当时由于地震导致大规模的滑坡，将Usoy村埋葬在了600米高的Murgab河阻塞物下，导致产生了60公里长的湖泊，17立方公里的水累积在了Pamir山脉中的堰塞湖中。安全超高（漫顶发生之前的余地）大约50米。虽然已经花了多年时间研究该湖的安全性，现有数据仍然存在大量缺口和不一致处。非常明显的是，下游人口所面临的风险程度之高，让人无法接受。如果发生洪水，生活在Bartang、Pyandhz和AmuDarya河沿岸的人有可能会受到影响，受灾人口可能会达到500万。在2000年末，世界银行开始实施萨列兹湖风险防范项目。该项目的目标是就萨列兹湖洪水灾害问题提高脆弱人群的警惕性，帮助他们做好灾害防范，同时为这一复杂问题找寻长期的解决方案。该项目由如下几部分组成：•设计和安装监控系统和预警系统；•在项目的社发子项目中，修建了安全避难所，并在灾害防范项目中培训脆弱社区。•就长期解决方案进行研究。风险分析为监控系统的设计和运作提供了指导。一组专家得出的结论是，溃坝的最大可能性是与管涌现象相关的，管涌现象可能导致水坝渗流的突然增加。发生这些连锁反应的总可能性达到了6*10-5，与人工坝是具有可比性的。如下数据显示了萨列兹湖的风险水平，普遍可以接受的人工水坝曲线，以及自然风险曲线。萨列兹湖位于两者之间。即使没有结构性措施，与其它自然风险相比，萨列兹湖发生洪水的可能性是非常低的。如果采取长期结构性措施，例如降低水平面，溃坝的可能性可以下降1或2个数量级，而且该湖泊可以被用于水力发电。无论如何，考虑到风险人数，Usoy水坝都应该同其他水坝一样制定应急预案计划。在该项目中，这样的一个应急预案得以制定。附录3：亚美尼亚水坝安全项目1991年以来，亚美尼亚一直缺乏水坝维护资金，导致水坝出现诸多问题。除了缺乏维护之外，一些水坝也存在设计缺陷，例如溢洪道能力不足和易受地震影响等。一场毁灭性地震摧毁了斯皮塔克大部分地区，迫使政府对地震标准和稳定性要求进行了修改。由于标准的修改，过去能够满足安全标准的水坝不再能够达标。由于1974年Agarak水坝的溃坝，1974年Marmarik水坝的溃坝和1994年Artik水坝的溃坝，也引起了人们对水坝安全改善的关注。1994年的水库溃坝还导致两人死亡。除了四座一直未完成的水坝之外，在亚美尼亚还有83座灌溉用水坝。20世纪90年代，在世界银行的援助下，开始了一个长期的灌溉部门恢复和重组项目。作为项目的一部分，对全部87座大坝都进行了调查；在必要时，对水坝进行了改善，以便达到水坝安全标准的要求。在项目执行中，亚美尼亚的各个相关机构通过对世界银行定期访问和与国际专家定期交流，学习到了水坝安全方面的国际经验和专门知识。使用半定量方法的风险评估可以对特定事件的概率和后果进行排序。该方法被用来在加拿大和英国进行水坝安全评估，被称为“溃坝模式、影响和危险程度分析”（FMECA）。要求进行如下步骤：1）明确溃坝模式；2）对溃坝的概率进行比较性评估；3）对溃坝的后果或影响进行比较性评估。影响分数是对处于风险中的人口和潜在经济损失的综合。风险指数是总影响分数和风险分数的乘积。通过该分数可以对全部的水坝进行优先排序，以便开展补救工程。下图显示了通过风险指数衡量的水坝风险水平，也指出了通过应急预案（非结构性措施）和补救工程分别可以实现的风险降低程度。（蓝色：进行EPP和补救工程后的风险水平；红色：通过补救工程实现的风险减少；黄色：通过EPP实现的风险减少）02000400060008000100001200014000160001800020000Landjaghbiur-1V.Talin-1IrindTsilkarShenikMaralikAgarakVSasnashenShgarshikKapsVTalin-2V.KarmirKaraundshAkhurianMetsavanSpandarianDavidashenTalishKoshKechoutTolorsGetikJoghazAghakchiBrnakotKaragloukhVosketasOrsAngehakotAshnak-1AghavnadzorN.TalinG