中國水庫大壩失事統(tǒng)計及初步分析

1、.1中國水庫大壩失事統(tǒng)計與初步分析何曉燕1 王兆印1,2 黃金池1 丁留謙1(1中國水利水電科學(xué)研究院, , 100038, 2 清華大學(xué), , 100084)摘要：利用1954-2003年50年的全國潰壩統(tǒng)計資料除外，得出潰壩事故的時間空間分布規(guī)律，采用能譜分析、氣候狀態(tài)圖對潰壩事故的周期性、潰壩率差異顯著的區(qū)域進(jìn)展了分析研究，結(jié)果說明水庫潰壩事件遵從24年大周期、12年左右小周期的變化規(guī)律；在經(jīng)歷了長時間干旱后的大量降水會增加水庫平安事故的發(fā)生率。最后對我國垮壩事故原因進(jìn)展了統(tǒng)計分析，認(rèn)為導(dǎo)致我國水庫失事的主要原因是泄流能力缺乏和水庫質(zhì)量問題，對于北方水庫更是如此。而對于南方水庫而言，超標(biāo)

2、準(zhǔn)洪水亦是導(dǎo)致水庫發(fā)生平安事故的主要原因之一。關(guān)鍵詞：水庫平安, 潰壩事故, 統(tǒng)計分析1. 引言水庫大壩作為重要的水利根底設(shè)施，在水資源管理、防洪減災(zāi)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著我國經(jīng)濟(jì)開展對水資源需求的增大，其作用也將愈創(chuàng)造顯。水庫大壩在發(fā)揮重要作用的同時，因其自身平安性所導(dǎo)致的潰壩洪水風(fēng)險問題，也會給相關(guān)地區(qū)帶來潛在的平安隱憂，盡管事故發(fā)生的概率非常小，但其失事后果嚴(yán)重，破壞性大，可能造成巨大的生命、財產(chǎn)和環(huán)境損失。隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速開展，人們在對水庫依賴性增強(qiáng)的同時，又增加了對水庫大壩平安保障的需求，然而，我國水庫工程的平安狀況并不樂觀。我國一半以上水庫建成于20世紀(jì)50年代至70年

3、代，大多是在邊勘測、邊設(shè)計、邊施工中進(jìn)展的，工程標(biāo)準(zhǔn)低、施工質(zhì)量差，經(jīng)過幾十年的運行大多已處于病險狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計，1999年底全國三類水庫大壩共有30,413座，其型水庫145座，占大型水庫總數(shù)的42%；中型水庫1,118座，占中型水庫總數(shù)的42%；小型水庫29,150座，占小型水庫總數(shù)的36%。水庫大壩的平安問題已經(jīng)受到人們越來越多的關(guān)注。我國對于水庫大壩平安問題的研究最早始于50年代末60年代初，是針對三峽工程的平安問題進(jìn)展研究，但由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等多方面條件的限制，目前大壩的潰壩機(jī)理還不很清楚。本文從統(tǒng)計的角度，利用19542003年50年中中國的潰壩事故統(tǒng)計資料缺，研究了潰壩事故發(fā)生的時間

4、、空間分布規(guī)律，并對水庫潰壩事故進(jìn)展了能譜分析、氣候狀態(tài)和潰壩原因等方面的深入分析。2. 已潰水庫統(tǒng)計規(guī)律2.1 事故數(shù)據(jù)對于中國潰壩失事的統(tǒng)計先后進(jìn)展過三次1。本次研究是在第三次統(tǒng)計的根底上，又收集整理了19912003年的潰壩事故，共統(tǒng)計有19542003年50年中的潰壩事故共3481起，其型水庫2起，中型水庫123起，小型水庫3356起。統(tǒng)計的區(qū)域涉及全國除以外的31個省市自治區(qū)，暫將市的有關(guān)數(shù)據(jù)涵蓋在省，未將其單獨列出。2.2 潰壩數(shù)隨時間變化圖1和圖2給出了統(tǒng)計結(jié)果，由圖可見：1潰壩事件的發(fā)生具有明顯的三次頂峰期，分別是19591962年、19711981和19901994年；270

5、年代潰壩數(shù)量最多，按潰壩數(shù)多少進(jìn)展排序，排在前三位的依次是1973，1974和1975年，對應(yīng)潰壩數(shù)分別到達(dá)556座， 396座，291座。在統(tǒng)計區(qū)域，除、無潰壩事故發(fā)生外，全國幾乎所有省市自治區(qū)的潰壩數(shù)量最多年份都在70年代見圖2。3自1982年之后，潰壩數(shù)量明顯減少。圖1 19542003年歷年潰壩數(shù)量統(tǒng)計圖2 70年代各省市自治區(qū)潰壩數(shù)占相應(yīng)區(qū)域50年中潰壩數(shù)比例2.3 潰壩率空間分布本文將潰壩率定義為在*一確定時間已潰水庫數(shù)占相應(yīng)已建水庫總數(shù)的比例。按照統(tǒng)計，全國平均潰壩率為4.09%，超過全國平均水平值的有11個省市，位于前五位的依次是39.2%、*29.0%、28.7%、蒙26.0

6、%、21.4%。這說明，北方地區(qū)的潰壩率明顯高于南方地區(qū)。圖3為全國各省市已潰水庫數(shù)量分布圖?？梢钥闯?，在1954-2003年50年間潰壩數(shù)量超過200座的省依次為省400座，省287座，省285座，233座，因此單從潰壩絕對數(shù)量來看，潰壩事故多發(fā)區(qū)既有南方省份，又有北方省份。圖4 全國各省市自治區(qū)潰壩率分布圖3 全國各省市已潰水庫數(shù)量分布*除外注：1、已建水庫數(shù)量采用水利系統(tǒng)分管水庫數(shù)據(jù) 2、*市水庫未單列，計入*省。以潰壩率16%為界，將省市自治區(qū)，用粗實線進(jìn)展區(qū)別標(biāo)注，再將400mm年降水量線用粗虛線標(biāo)注在同一圖上見圖4?？梢钥闯?，除、之外，400mm年降水量線以北的區(qū)域及其附近區(qū)域的潰

7、壩率明顯高于我國東南部地區(qū)。、潰壩率低的主要原因：1由于這兩個省份已建水庫少，按照2003年底統(tǒng)計結(jié)果，省已建水庫僅有152座，而的已建水庫數(shù)為16座；2潰壩事故本身是低概率事件。3. 水庫平安趨勢分析3.1 能譜分析能譜分析是基于有限的觀測數(shù)據(jù)尋找其頻率成分，探詢其活動周期的一種數(shù)學(xué)處理方法，常用于信號分析。本文對潰壩數(shù)的能譜進(jìn)展了探討，潰壩數(shù)N的傅立葉變化公式為：式中：a(f)為Nt的傅立葉變換，E(f)為頻率f時能量。能譜定義為：式中：Gf代表頻率為f的能量在全部能量中所占的百分比。對19542003年期間全國潰壩數(shù)進(jìn)展快速傅立葉變換見圖5，潰壩數(shù)的主要頻率成分為0.04 、0.08，對

8、應(yīng)周期為 24 年和 12年。因此可以認(rèn)為，潰壩事故的發(fā)生具有周期性，大周期為24年，小周期為12年左右，估計與太陽黑子活動有關(guān)。圖6 潰壩數(shù)能譜密度分布圖3.2 氣候狀態(tài)分析氣候狀態(tài)圖由Heinrich Walter(1985)提出，是研究陸地植被分布和氣候關(guān)系的一個工具，該圖包含大量氣候信息，如溫度和降水的季節(jié)變化、干旱和濕潤季節(jié)的長度和強(qiáng)度等。其作圖方法如下：橫軸為月份，左縱軸為多年月均氣溫，右縱軸為多年月均降水量(mm)；根據(jù)中國的氣候特點，左右縱坐標(biāo)軸刻度按30mm月降水量與10氣溫對應(yīng)；圖頂左側(cè)為氣象站名，圖頂右側(cè)為氣象站高程，左上角顯示為測站多年平均氣溫，右上角為測站多年平均降水

9、量；月均氣溫線用實心圓點標(biāo)識，多年月平均降水量值以空心圓點標(biāo)識。利用該方法分別作出不同氣象站氣候狀態(tài)圖，選擇潰壩率最高的省與潰壩率相對較低的省進(jìn)展比較。采用的桑植、石門、南縣、沅陵、南岳8個控制氣象站和省的河曲、興縣、原平、介休、遠(yuǎn)城、侯馬10個控制氣象站的長系列降雨和氣溫資料，氣象資料主要來源于中國氣象局氣象資料中心。圖7、圖8為這兩省典型水文站的氣候狀態(tài)圖。圖7 *8站氣候狀態(tài)圖圖8 *10站氣候狀態(tài)圖根據(jù)氣候狀態(tài)圖，假設(shè)降水量曲線位于溫度線的上方，說明測區(qū)氣候偏濕潤； 假設(shè)氣溫高于0，則測站區(qū)域?qū)儆跍嘏瘽駶櫟貐^(qū)；假設(shè)溫度低于0，則測站區(qū)域?qū)儆诤涞貐^(qū)。假設(shè)溫度線位于降水量的上方，說明測區(qū)

10、氣候偏旱。在季風(fēng)氣候區(qū)，我國表現(xiàn)為雨熱同期，可能出現(xiàn)上述兩者氣候狀態(tài)的過渡類型，旱季降雨量少，溫度線位于降雨量線上方，氣候狀態(tài)表現(xiàn)為干冷；雨季降雨豐富，降雨量線分布在氣溫線的上方，氣候狀態(tài)表現(xiàn)為濕熱。這種氣候類型在我國北方表現(xiàn)得極為典型。比較、兩省的氣候狀態(tài)圖發(fā)現(xiàn)，省大局部地區(qū)在汛期降臨之前都要經(jīng)歷2個多月的干旱，而省幾乎所有區(qū)域的全年降雨量線都在氣溫線的上方，為濕熱型氣候狀態(tài)。因此，在長期干旱后降水量突然增加是水庫平安的重要影響因素。3.3 已潰大中型水庫的壩齡分布在19542003年50年中共發(fā)生125起大中型水庫垮壩事件，圖9為已潰大中型水庫的潰壩壩齡分布。可以看出：我國已潰大中型水庫中

11、超過半數(shù)是在施工期發(fā)生的。 進(jìn)一步分析其發(fā)生年代，絕大局部的施工期潰壩事故發(fā)生在“大躍進(jìn)時期，這與我國當(dāng)時特殊的時代背景有關(guān)，1980年之后，再未發(fā)生過施工期潰壩事故。水庫大壩在投入運行10年即發(fā)生潰壩事故的比例很高，在10年之后的潰壩率則相對低很多。國際大壩委員會對世界圍中國除外的潰壩事故進(jìn)展統(tǒng)計分析，也曾得出圖9 已潰大中型水庫年齡分布a建成年代不明；b施工期潰壩有類似的統(tǒng)計結(jié)論1。圖10 施工期已潰大中型水庫在不同年代的潰壩率4. 失事原因分析將垮壩失事原因分為漫壩泄洪能力缺乏和超標(biāo)準(zhǔn)洪水兩種情況、質(zhì)量問題、管理不當(dāng)、其它原因和原因不祥5類。對全國19542003年50年中已潰水庫的潰壩

12、原因進(jìn)展統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見圖11圖13。圖11 70年代各種潰壩原因?qū)е聺螖?shù)占相應(yīng)潰壩數(shù)比例圖12 泄洪能力缺乏或無溢洪道導(dǎo)致潰壩數(shù)占潰壩總數(shù)比例圖13 各種原因?qū)е聺螖?shù)占相應(yīng)區(qū)域潰壩總數(shù)比例 由統(tǒng)計數(shù)據(jù)和分析以上各圖易知，水庫潰壩具有以下主要原因：統(tǒng)計數(shù)字說明，70年代的潰壩數(shù)占19542003年50年中總潰壩數(shù)的56.4%。對70年代的已潰水庫潰壩原因進(jìn)展分析說明，泄洪能力缺乏和質(zhì)量問題是導(dǎo)致潰壩發(fā)生的主要原因。由圖12圖13可以看出，泄洪能力缺乏和質(zhì)量問題是導(dǎo)致北方水庫潰壩率高的直接原因。對全國不同省市自治區(qū)潰壩原因的分析結(jié)果說明，對于局部中原地區(qū)和南方地區(qū)的水庫，超標(biāo)準(zhǔn)洪水亦是導(dǎo)致潰

13、壩事故的主要原因之一。5. 結(jié)語通過前面的統(tǒng)計分析，可以得出以下初步看法：采用能譜分析法，確定出水庫潰壩事件遵從24年大周期、12年左右小周期的變化規(guī)律；統(tǒng)計數(shù)字說明：沿著400mm年降水量線以北及其附近區(qū)域潰壩率明顯高于該降水量線以南地區(qū)；采用氣候狀態(tài)圖對潰壩率最高的省和潰壩率低的省進(jìn)展比較分析，說明：在經(jīng)歷了長時間干旱后的大量降水會增加水庫平安事故的發(fā)生率；統(tǒng)計分析說明，我國發(fā)生垮壩失事的水庫中有96.4%是小型水庫，導(dǎo)致我國水庫失事的主要原因是泄流能力缺乏和水庫質(zhì)量問題，對于北方水庫更是如此。而對于南方水庫而言，超標(biāo)準(zhǔn)洪水亦是導(dǎo)致水庫發(fā)生平安事故的主要原因之一。 致：感原國家防汛抗旱總指揮部辦公室黃朝忠巡視員和中國水利水電科學(xué)研究院防洪減災(zāi)所昌志博士在本文寫作和資料收集方面的支持與幫助。