中國(guó)水庫(kù)大壩失事統(tǒng)計(jì)及初步分析

1、可修編.中國(guó)水庫(kù)大壩失事統(tǒng)計(jì)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(guó)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(guó)潰壩統(tǒng)計(jì)資料（除外），得出潰壩事故的時(shí)間空間分布規(guī)律，采用能譜分析、氣候狀態(tài)圖對(duì)潰壩事故的周期性、潰壩率差別顯著的區(qū)域進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明水庫(kù)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(zhǎng)時(shí)間干旱后的大量降水會(huì)增加水庫(kù)安全事故的發(fā)生率。最后對(duì)我國(guó)垮壩事故原因進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為導(dǎo)致我國(guó)水庫(kù)失事的主要原因是泄流能力不足和水庫(kù)質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)于北方水庫(kù)更是如此。而對(duì)于南方水庫(kù)而言，超標(biāo)準(zhǔn)洪水亦是導(dǎo)致

2、水庫(kù)發(fā)生安全事故的主要原因之一。關(guān)鍵詞：水庫(kù)安全,潰壩事故,統(tǒng)計(jì)分析引言水庫(kù)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(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源需求的增大，其作用也將愈發(fā)明顯。水庫(kù)大壩在發(fā)揮重要作用的同時(shí)，因其自身安全性所導(dǎo)致的潰壩洪水風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，也會(huì)給相關(guān)地區(qū)帶來(lái)潛在的安全隱憂(yōu)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(cái)產(chǎn)和環(huán)境損失。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，人們?cè)趯?duì)水庫(kù)依賴(lài)性增強(qiáng)的同時(shí)，又增加了對(duì)水庫(kù)大壩安全保障的需求，然而，我國(guó)水庫(kù)工程的安全狀況并不樂(lè)觀。我國(guó)一半以上水庫(kù)建成于20世紀(jì)50年代至70年代，大多是在邊勘測(cè)、邊設(shè)計(jì)

3、、邊施工中進(jìn)行的，工程標(biāo)準(zhǔn)低、施工質(zhì)量差，經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)行大多已處于病險(xiǎn)狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1999年底全國(guó)三類(lèi)水庫(kù)大壩共有30,413座，其型水庫(kù)145座，占大型水庫(kù)總數(shù)的42%；中型水庫(kù)1,118座，占中型水庫(kù)總數(shù)的42%；小型水庫(kù)29,150座，占小型水庫(kù)總數(shù)的36%。水庫(kù)大壩的安全問(wèn)題已經(jīng)受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。我國(guó)對(duì)于水庫(kù)大壩安全問(wèn)題的研究最早始于50年代末60年代初，是針對(duì)三峽工程的安全問(wèn)題進(jìn)行研究，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(jì)的角度，利用19542003年50年中中國(guó)的潰壩事故統(tǒng)計(jì)資料（缺），研究了潰壩事故發(fā)生的時(shí)間、空間分布規(guī)律，并對(duì)水

4、庫(kù)潰壩事故進(jìn)行了能譜分析、氣候狀態(tài)和潰壩原因等方面的深入分析。已潰水庫(kù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律事故數(shù)據(jù)對(duì)于中國(guó)潰壩失事的統(tǒng)計(jì)先后進(jìn)行過(guò)三次1。本次研究是在第三次統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，又收集整理了19912003年的潰壩事故，共統(tǒng)計(jì)有19542003年50年中的潰壩事故共3481起，其型水庫(kù)2起，中型水庫(kù)123起，小型水庫(kù)3356起。統(tǒng)計(jì)的區(qū)域涉及全國(guó)除以外的31個(gè)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(dú)列出。潰壩數(shù)隨時(shí)間變化圖1和圖2給出了統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由圖可見(jiàn)：（1）潰壩事件的發(fā)生具有明顯的三次高峰期，分別是19591962年、19711981和19901994年；（2）70年代潰壩數(shù)量最多，按潰壩數(shù)多少進(jìn)行排

5、序，排在前三位的依次是1973，1974和1975年，對(duì)應(yīng)潰壩數(shù)分別達(dá)到556座，396座，291座。在統(tǒng)計(jì)區(qū)域，除、無(wú)潰壩事故發(fā)生外，全國(guó)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(jiàn)圖2）。（3）自1982年之后，潰壩數(shù)量明顯減少。量數(shù)壩潰-111ii1ii1n1iii.H.n.n.H.n.n.111111111i|iniriiniflimriiiiilli|ifli1iiFliFliniriiriin006005o4000300200QUOZ乙tcoJ!oQyl66yl4912QylQ91oozyl6zyl4zyl2zylQzyloofiylC-圖bB一05915914591o19

6、542003年歷年潰壩數(shù)量統(tǒng)計(jì)12010080例比6040200Hp|ll|ll|l|lHH1IIIIIIII海南北江南南青海河浙云湖疆新江龍黑西寧川夏林東西建蘇南北西肅州蒙徽東西津京廣遼四寧吉廣陜福江河湖山甘貴內(nèi)安山江天北圖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)比例潰壩率空間分布本文將潰壩率定義為在某一確定時(shí)間已潰水庫(kù)數(shù)占相應(yīng)已建水庫(kù)總數(shù)的比例。按照統(tǒng)計(jì)，全國(guó)平均潰壩率為4.09%，超過(guò)全國(guó)平均水平值的有11個(gè)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(guó)各省市已

7、潰水庫(kù)數(shù)量分布圖?？梢钥闯觯?954-2003年50年間潰壩數(shù)量超過(guò)200座的省依次為?。?00座、，?。?87座、，?。?85座、，（233座、，因此單從潰壩絕對(duì)數(shù)量來(lái)看，潰壩事故多發(fā)區(qū)既有南方省份，又有北方省份。圖3全國(guó)各省市已潰水庫(kù)數(shù)量分布（XX除外）等雨量絨.圖4全國(guó)各省市自治區(qū)潰壩率分布以潰壩率16%為界，將省市自治區(qū)，用粗實(shí)線進(jìn)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(jiàn)圖4）?？梢钥磳纾?、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(guó)東南部地區(qū)。、潰壩率低的主要原因：（1）由于這兩個(gè)省份已建水庫(kù)少，按照2003年底統(tǒng)計(jì)結(jié)果，省已建水庫(kù)僅

8、有152座，而的已建水庫(kù)數(shù)為16座；（2。潰壩事故本身是低概率事件。水庫(kù)安全趨勢(shì)分析3.1能譜分析能譜分析是基于有限的觀測(cè)數(shù)據(jù)尋找其頻率成分，探詢(xún)其活動(dòng)周期的一種數(shù)學(xué)處理方法，常用于信號(hào)分析。本文對(duì)潰壩數(shù)的能譜進(jìn)行了探討，潰壩數(shù)N的傅立葉變化公式為：(f)=JN(t)ei2兀ftdtgE(f)=葺丄la(f)|2式中：a(f)為N(t)的傅立葉變換,E(f)為頻率f時(shí)能量。能譜定義為：G(fx100%EE(f丿式中：G(f)代表頻率為f的能量在全部能量中所占的百分比。對(duì)19542003年期間全國(guó)潰壩數(shù)進(jìn)行快速傅立葉變換(見(jiàn)圖5)，潰壩數(shù)的主要頻率成分為0.04、0.08，對(duì)應(yīng)周期為24年和12

9、年。因此可以認(rèn)為，潰壩事故的發(fā)生具有周期性，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)提岀，是研究陸地植被分布和氣候關(guān)系的一個(gè)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(rùn)季節(jié)的長(zhǎng)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(C),右縱軸為多年月均降水量(mm)；根據(jù)中國(guó)的氣候特點(diǎn)，左右縱坐標(biāo)軸刻度按30mm月降水量與10C氣溫對(duì)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(cè)站多年平均氣溫右上角為測(cè)站多年平均降水量；月均氣溫線用實(shí)心圓點(diǎn)標(biāo)識(shí)，多年月平均降水量值以空心圓點(diǎn)標(biāo)識(shí)。利用該方法分別作出不同

10、氣象站氣候狀態(tài)圖，選擇潰壩率最高的省與潰壩率相對(duì)較低的省進(jìn)行比較。采用的桑植、石門(mén)、南縣、沅陵、南岳8個(gè)控制氣象站和省的河曲、興縣、原平、介休、遠(yuǎn)城、侯馬10個(gè)控制氣象站的長(zhǎng)系列降雨和氣溫資料，氣象資料主要來(lái)源于中國(guó)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。Jmm240180120600-60-20mm300240180120600-60FMAMJJASONDMonth圖7JFMAMJJASONDMonthXX8站氣候狀態(tài)-20mm180120600-60JFMAMJJASONDMonth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(cè)區(qū)氣候偏濕

11、潤(rùn)；若氣溫高于0C，則測(cè)站區(qū)域?qū)儆跍嘏瘽駶?rùn)地區(qū)；若溫度低于0C，則測(cè)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(cè)區(qū)氣候偏旱。在季風(fēng)氣候區(qū)，我國(guó)表現(xiàn)為雨熱同期，可能出現(xiàn)上述兩者氣候狀態(tài)的過(guò)渡類(lèi)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(lèi)型在我國(guó)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(lái)臨之前都要經(jīng)歷2個(gè)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(zhǎng)期干旱后降水量突然增加是水庫(kù)安全的重要影響因素。已潰大中型水庫(kù)的壩齡分布在195420

12、03年50年中共發(fā)生125起大中型水庫(kù)垮壩事件，圖9為已潰大中型水庫(kù)的潰壩壩齡分布。可以看出：（1）我國(guó)已潰大中型水庫(kù)中超過(guò)半數(shù)是在施工期發(fā)生的。進(jìn)一步分析其發(fā)生年代，絕大部分的施工期潰壩事故發(fā)生在“大躍進(jìn)”時(shí)期，這與我國(guó)當(dāng)時(shí)特殊的時(shí)代背景有關(guān)，1980年之后，再未發(fā)生過(guò)施工期潰壩事故。（2）水庫(kù)大壩在投入運(yùn)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(duì)低很多。國(guó)際大壩委員會(huì)對(duì)世界圍（中國(guó)除外）的潰壩事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，也曾得出有類(lèi)似的統(tǒng)計(jì)結(jié)論1。圖10施工期已潰大中型水庫(kù)在不同年代的潰壩率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(wèn)題、管理不當(dāng)、

13、其它原因和原因不祥5類(lèi)。對(duì)全國(guó)19542003年50年中已潰水庫(kù)的潰壩原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖11-013。圖1170年代各種潰壩原因?qū)е聺螖?shù)占相應(yīng)潰壩數(shù)比例寧疆夏東建南西海肅西東南江徽林州西南蘇蒙川北遼新寧山福河廣青甘山廣云浙安吉貴陜湖江內(nèi)四湖江龍黑北河圖12泄洪能力不足或無(wú)溢洪道導(dǎo)致潰壩數(shù)占潰壩總數(shù)管理不當(dāng)其他原因圖13各種原因?qū)е聺螖?shù)占相應(yīng)區(qū)域潰壩總數(shù)比例原因不祥省黑八、超標(biāo)準(zhǔn)洪水泄洪能力不足質(zhì)量問(wèn)題由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和分析以上各圖易知，水庫(kù)潰壩具有以下主要原因：統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，70年代的潰壩數(shù)占19542003年50年中總潰壩數(shù)的56.4%。對(duì)70年代的已潰水庫(kù)潰壩原因進(jìn)行分析表明，泄洪能力

14、不足和質(zhì)量問(wèn)題是導(dǎo)致潰壩發(fā)生的主要原因。由圖12圖13可以看岀，泄洪能力不足和質(zhì)量問(wèn)題是導(dǎo)致北方水庫(kù)潰壩率高的直接原因。對(duì)全國(guó)不同省市自治區(qū)潰壩原因的分析結(jié)果表明，對(duì)于部分中原地區(qū)和南方地區(qū)的水庫(kù)，超標(biāo)準(zhǔn)洪水亦是導(dǎo)致潰壩事故的主要原因之一。結(jié)語(yǔ)通過(guò)前面的統(tǒng)計(jì)分析，可以得岀以下初步看法：采用能譜分析法，確定岀水庫(kù)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(jì)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)；（3）采用氣候狀態(tài)圖對(duì)潰壩率最高的省和潰壩率低的省進(jìn)行比較分析，表明：在經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間干旱后的大量降水會(huì)增加水庫(kù)安全事故的發(fā)生率；（4）統(tǒng)計(jì)分析表明，我國(guó)發(fā)生垮壩失事的水庫(kù)中有96.4%是小型水庫(kù)，導(dǎo)致我國(guó)水庫(kù)失事的主要原因是泄流能力不足和水庫(kù)質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)于北方水庫(kù)更是如此。而對(duì)于南方水庫(kù)而言，超標(biāo)準(zhǔn)洪水亦是導(dǎo)致水庫(kù)發(fā)生安全事故的主要原因之一。致：感原國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室黃朝忠巡視員和中國(guó)水利水電科學(xué)研究院防洪減