中國水庫大壩失事統(tǒng)計及初步分析

.-.可修編.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、潰壩率差別顯著的區(qū)域進行了分析研究，結(jié)果表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安全事故的發(fā)生率。最后對我國垮壩事故原因進行了統(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不足和水庫質(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)生安全事故的主要原因之一。關(guān)鍵詞：水庫安全,潰壩事故,統(tǒng)計分析1.引言水庫大壩作為重要的水利基礎(chǔ)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)濟發(fā)展對水資源需求的增大，其作用也將愈發(fā)明顯。水庫大壩在發(fā)揮重要作用的同時，因其自身安全性所導(dǎo)致的潰壩洪水風(fēng)險問題，也會給相關(guān)地區(qū)帶來潛在的安全隱憂，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)濟的持續(xù)快速發(fā)展，人們在對水庫依賴性增強的同時，又增加了對水庫大壩安全保障的需求，然而，我國水庫工程的安全狀況并不樂觀。我國一半以上水庫建成于20世紀(jì)50年代至70年代，大多是在"邊勘測、邊設(shè)計、邊施工"中進行的，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%。水庫大壩的安全問題已經(jīng)受到人們越來越多的關(guān)注。我國對于水庫大壩安全問題的研究最早始于50年代末60年代初，是針對三峽工程的安全問題進行研究，但由于技術(shù)、經(jīng)濟等多方面條件的限制，目前大壩的潰壩機理還不很清楚。本文從統(tǒng)計的角度，利用1954－2003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、空間分布規(guī)律，并對水庫潰壩事故進行了能譜分析、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)計先后進行過三次[1]。本次研究是在第三次統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，又收集整理了1991－2003年的潰壩事故，共統(tǒng)計有1954－2003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)生具有明顯的三次高峰期，分別是1959－1962年、1971－1981和1990－1994年；（2）70年代潰壩數(shù)量最多，按潰壩數(shù)多少進行排序，排在前三位的依次是1973，1974和1975年，對應(yīng)潰壩數(shù)分別達到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11954－2003年歷年潰壩數(shù)量統(tǒng)計圖270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)比例圖11954－2003年歷年潰壩數(shù)量統(tǒng)計圖270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某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%）、XX（29.0%）、（28.7%）、蒙（26.0%）、（21.4%）。這表明，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?？梢钥闯觯?954-2003年50年間潰壩數(shù)量超過200座的省依次為?。?00座），?。?87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（XX除外）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（XX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、XX市水庫未單列，計入XX省。以潰壩率16%為界，將省市自治區(qū)，用粗實線進行區(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）。可以看出，除、之外，400mm年降水量線以北的區(qū)域及其附近區(qū)域的潰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.水庫安全趨勢分析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)的能譜進行了探討，潰壩數(shù)N的傅立葉變化公式為：式中：a(f)為N（t）的傅立葉變換，E(f)為頻率f時能量。能譜定義為：式中：G（f）代表頻率為f的能量在全部能量中所占的百分比。對1954－2003年期間全國潰壩數(shù)進行快速傅立葉變換（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HeinrichWalter(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行比較。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7XX8站氣候狀態(tài)圖圖7XX8站氣候狀態(tài)圖圖8XX10站氣候狀態(tài)圖圖8XX10站氣候狀態(tài)圖根據(jù)氣候狀態(tài)圖，若降水量曲線位于溫度線的上方，表明測區(qū)氣候偏濕潤；若氣溫高于0℃，則測站區(qū)域?qū)儆跍嘏瘽駶櫟貐^(qū)；若溫度低于0℃，則測站區(qū)域?qū)儆诤涞貐^(qū)。若溫度線位于降水量的上方，表明測區(qū)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)，省大部分地區(qū)在汛期來臨之前都要經(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安全的重要影響因素。3.3已潰大中型水庫的壩齡分布在1954－2003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?？梢钥闯觯何覈褲⒋笾行退畮熘谐^半數(shù)是在施工期發(fā)生的。進一步分析其發(fā)生年代，絕大部分的施工期潰壩事故發(fā)生在“大躍進”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）的潰壩事故進行統(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——施工期潰壩圖10施工期已潰大中型水庫在不同年代的潰壩率圖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（泄洪能力不足和超標(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1954－2003年50年中已潰水庫的潰壩原因進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見圖11～圖13。圖1170年代各種潰壩原因?qū)е聺螖?shù)占相應(yīng)潰壩數(shù)比例圖1170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泄洪能力不足或無溢洪道導(dǎo)致潰壩數(shù)占潰壩總數(shù)比例圖12泄洪能力不足或無溢洪道導(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)字表明，70年代的潰壩數(shù)占1954－2003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行分析表明，泄洪能力不足和質(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，泄洪能力不足和質(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)果表明，對于部分中原地區(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)字表明：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行比較分析，表明：在經(jīng)歷了長時間干旱后的大量降水會增加水庫安全事故的發(fā)生率；統(tǒng)計分析表明，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不足和水庫質(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)生安全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