氣候變化對(duì)尾礦庫(kù)工程防洪安全的影響

沈樓燕

(1.武漢大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，湖北 武漢 430072;2.中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌 330002)

1 氣候變化對(duì)降水、暴雨及洪水的極值的影響

(1)全球氣候變暖導(dǎo)致極端降水事件呈頻數(shù)增多、強(qiáng)度增大趨勢(shì)

全球氣候變暖導(dǎo)致水文循環(huán)過(guò)程加快，總降水量增大的區(qū)域，其強(qiáng)降水事件有明顯增加的趨勢(shì)；即使平均總降水量減少或不變的區(qū)域，也存在著強(qiáng)降水量及其頻率增加的現(xiàn)象。[1]全球范圍內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明：在過(guò)去的40年中洪水發(fā)生的頻率呈上升趨勢(shì)。[2]美國(guó)、日本、加拿大、英國(guó)、挪威、南非、巴西以及前蘇聯(lián)等地區(qū)，降水和強(qiáng)降水長(zhǎng)期特征變化的研究成果均支持上述結(jié)論。[1]英美科學(xué)家的研究表明, 全球氣候變暖將引發(fā)更多像洪水這樣的嚴(yán)重自然災(zāi)害；研究還發(fā)現(xiàn), 由于全球溫度繼續(xù)升高, 未來(lái)洪水發(fā)生的頻率還會(huì)更高。[2]

我國(guó)自20世紀(jì)90年代以來(lái)開展的對(duì)極端降水事件變化、極值暴雨和極值洪水的研究成果表明：20世紀(jì)80年代以來(lái)，除華北外，我國(guó)暴雨極端事件出現(xiàn)頻數(shù)明顯上升、強(qiáng)度增大趨勢(shì)，華南和江南地區(qū)尤其明顯；長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水呈增加趨勢(shì)。微量降雨事件普遍減少，尤其是北方地區(qū)。以長(zhǎng)江流域?yàn)槔?1961～2000 年洪水發(fā)生頻率的上升主要由增加的夏季降雨導(dǎo)致; 受中下游降雨和個(gè)別暴雨時(shí)空分布的影響,該地區(qū)的洪水流量顯著增加, 從而加重該地區(qū)的洪澇災(zāi)害。[2]

(2)我國(guó)暴雨極值呈增高加大之勢(shì)

近20年來(lái)，全國(guó)大批雨量站的特大暴雨記錄被刷新，短歷時(shí)點(diǎn)雨量實(shí)測(cè)和調(diào)查的極值接近或達(dá)到世界最高記錄：如陜西省寬坪調(diào)查暴雨1300mm/6～7h( 1998年7月)超過(guò)了以往的世界紀(jì)錄；河南省林莊實(shí)測(cè)暴雨830.1mm/6h(1975年8月)和臺(tái)灣阿里山實(shí)測(cè)暴雨1748.5mm/24h均接近世界最高紀(jì)錄；廣東省湛江幸福農(nóng)場(chǎng)實(shí)測(cè)暴雨1146.8mm/24h( 2007年8月)是目前大陸24h實(shí)測(cè)最大值。[3]

最大點(diǎn)雨量發(fā)生年代變化：較長(zhǎng)歷時(shí)最大雨量的年代最高值均發(fā)生于20世紀(jì)60年代，而南方在90年代出現(xiàn)第二個(gè)高峰期，西部地區(qū)后期(70～90年代)明顯多于前期(50～60年代)。

長(zhǎng)歷時(shí)暴雨的年代際變化較大，60年代和90年代出現(xiàn)了2個(gè)最多站數(shù)。

(3)我國(guó)洪水極值近年呈增大趨勢(shì)

20世紀(jì)100年中,30年代、50年代、60年代、90年代為暴雨、洪水極值高發(fā)期。南部(長(zhǎng)江南部、華南及西南國(guó)際河流)發(fā)生特大洪水以60年代、90年代最頻。[1]

近年來(lái)，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)每年以10%左右的速度遞增，在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的帶動(dòng)下，鋼鐵、有色金屬和水泥等主要原材料工業(yè)擴(kuò)張迅速，隨著金屬非金屬礦山采選業(yè)的迅速發(fā)展，尾礦庫(kù)的安全問(wèn)題日益顯現(xiàn)。截至2009年9月，我國(guó)現(xiàn)有尾礦庫(kù)26000余座，[4]每年尾礦排放量約6億t，以300座/a的速度在新增尾礦庫(kù)。四等及四等以上的尾礦庫(kù)被國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局定為“重大危險(xiǎn)源”，尾礦庫(kù)防洪工程安全與否直接影響到周邊地區(qū)人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全及環(huán)境安全。全球氣候變暖對(duì)降水、暴雨和洪水的極值產(chǎn)生了一定影響，而暴雨、洪水的極值趨于增大的變化將影響我國(guó)尾礦庫(kù)工程的防洪安全，因而開展氣候變化影響尾礦庫(kù)防洪安全的相關(guān)研究很有必要。

2 極端降水事件對(duì)尾礦庫(kù)工程防洪安全的影響

(1)氣候變化對(duì)尾礦庫(kù)工程防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及運(yùn)行規(guī)程的影響

在氣候變化背景下,尾礦庫(kù)工程的設(shè)計(jì)需要考慮以下一些問(wèn)題: ①氣候變化引起尾礦庫(kù)匯流區(qū)域內(nèi)降雨和徑流的變化, 將影響匯流區(qū)域的設(shè)計(jì)暴雨和設(shè)計(jì)洪水,即影響到尾礦庫(kù)工程的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；②氣候變化和變異將可能加大極端水文氣候事件發(fā)生的頻次和強(qiáng)度, 引發(fā)超標(biāo)準(zhǔn)洪水,[2]不僅影響尾礦庫(kù)工程的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而且影響尾礦庫(kù)工程運(yùn)行規(guī)程的設(shè)計(jì)和編制；③暴雨強(qiáng)度和暴雨次數(shù)的增加, 可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生和加大泥沙沖淤?gòu)亩绊懳驳V庫(kù)工程安全和壽命。

(2)我國(guó)尾礦庫(kù)在地域上的分布特征及部分尾礦庫(kù)庫(kù)址的特殊性決定了必須重視氣候變化對(duì)尾礦庫(kù)工程防洪安全的影響

依據(jù)國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)管總局2008年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)共有尾礦庫(kù)12655座，其中，分布在江南、華南、西南地區(qū)的尾礦庫(kù)計(jì)5219座，占全國(guó)的41%，并且這些地區(qū)的尾礦庫(kù)還在以150～200座/a的速度在新增。因此，這些區(qū)域的尾礦庫(kù)尤其需要考慮極端氣候?qū)Ψ篮榘踩挠绊?。特別需要指出的是，因?yàn)闅v史的原因，我國(guó)尾礦庫(kù)下游大都為人口密集區(qū)、城鎮(zhèn)或大型工廠企業(yè)，部分尾礦庫(kù)庫(kù)址的選擇非常不合理，甚至極其危險(xiǎn)，好比是一把懸在這些廠礦及群眾頭上的達(dá)摩克利斯之劍。這種庫(kù)址極其特殊的尾礦庫(kù)，應(yīng)考慮極端洪水、暴雨事件對(duì)尾礦庫(kù)防洪安全的影響，極有必要提高尾礦庫(kù)的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)的工作特點(diǎn)及其安全重要性，也決定了必須高度重視氣候變化對(duì)尾礦庫(kù)安全排洪的影響

尾礦庫(kù)的排洪系統(tǒng)與水庫(kù)的排洪系統(tǒng)有所不同，尾礦庫(kù)的排洪系統(tǒng)不僅要安全及時(shí)地排出庫(kù)區(qū)的尾礦澄清水和洪水，而且要確保不讓尾砂從排洪系統(tǒng)泄漏——俗稱“跑渾”或 “跑黑”，即排洪不排砂。其排洪系統(tǒng)通常由進(jìn)水構(gòu)筑物和排水構(gòu)筑物兩部分組成。進(jìn)水構(gòu)筑物最大的特點(diǎn)是隨著尾礦壩不斷堆積升高，相應(yīng)向庫(kù)后延長(zhǎng)及抬升，不斷調(diào)整進(jìn)水口高程及進(jìn)水位置，以保證庫(kù)內(nèi)的澄清距離，從而不讓尾砂從排洪系統(tǒng)泄漏。當(dāng)尾礦庫(kù)使用至中、后期，排洪系統(tǒng)的大部分構(gòu)筑物都將被尾砂掩埋，上覆堆積尾砂高度少則幾十米，多則上百米。尾礦堆積壩這種獨(dú)特的筑壩工藝決定了尾礦庫(kù)的排洪系統(tǒng)對(duì)于尾礦庫(kù)的安全穩(wěn)定性具有十分重要的作用，[5]若排洪系統(tǒng)一旦出現(xiàn)排泄不順暢或排泄不力，則對(duì)尾礦庫(kù)造成的危害非常大，洪水積蓄導(dǎo)致洪水位升高，從而會(huì)導(dǎo)致漫壩潰壩、尾礦堆積壩壩坡滑坡失穩(wěn)等重大災(zāi)害。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，國(guó)內(nèi)尾礦庫(kù)病害事故中，排洪系統(tǒng)的病害事故占33.3%，洪水漫頂?shù)恼?4.4%。[6]我國(guó)有色金屬礦山因排洪系統(tǒng)失事引起災(zāi)難的幾乎占整個(gè)尾礦庫(kù)事故的50%。因此，必須高度重視氣候變化導(dǎo)致的極端降水事件對(duì)尾礦庫(kù)安全排洪的負(fù)面影響。

3 將“最大可能洪水”引進(jìn)尾礦庫(kù)工程防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域的必要性

目前，我國(guó)尾礦庫(kù)工程防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選取主要依據(jù)《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)執(zhí)行，雖說(shuō)“綜合考慮庫(kù)容、壩高、使用年限及對(duì)下游可能造成的危害等因素”[7]選取防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但主要還是依據(jù)尾礦庫(kù)的等別來(lái)確定，僅僅對(duì)于“貯存鈾礦等有放射性或有害尾礦，失事后可能對(duì)下游環(huán)境造成極其嚴(yán)重危害的尾礦庫(kù)，其防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)予以提高，必要時(shí)其后期防洪可按可能最大洪水進(jìn)行設(shè)計(jì)”。前文提到的德興市鉛鋅礦尾礦庫(kù)為例，依據(jù)其庫(kù)容、壩高可將其初定為四等庫(kù)，設(shè)計(jì)者鑒于該尾礦庫(kù)庫(kù)址的特殊性，特別將該庫(kù)的等別升高了一等，定為三等庫(kù)，依據(jù)《規(guī)范》其設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期中后期可取200～500年一遇。筆者認(rèn)為：全球氣候變暖導(dǎo)致極端降水事件的加頻，暴雨、洪水極值屢創(chuàng)記錄高值，對(duì)于失事后可能引發(fā)重大災(zāi)害的尾礦庫(kù)，其防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選取時(shí)應(yīng)當(dāng)引進(jìn)最大可能洪水(PMP)概念，以防止尾礦庫(kù)遭遇極端暴雨形成的超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)出現(xiàn)排洪不力導(dǎo)致的漫壩、潰壩事故，這個(gè)概念適用于庫(kù)址具有安全、環(huán)保方面的特殊性的所有尾礦庫(kù)，而不僅僅受限于“貯存鈾礦等有放射性或有害尾礦”的尾礦庫(kù)。據(jù)資料反映，美國(guó)尾礦庫(kù)的洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高：最低標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇洪水，大中型庫(kù)均需按最大可能洪水(PMP)或二分之一最大可能洪水進(jìn)行設(shè)計(jì)。[8]在我國(guó)，也不乏采用最大可能洪水(PMP)進(jìn)行校核設(shè)計(jì)的工程實(shí)例。例如江西銅業(yè)公司武山銅礦老尾礦庫(kù)毗鄰赤湖，赤湖是瑞昌市最大的淡水養(yǎng)殖基地，為了確保該尾礦庫(kù)的建設(shè)運(yùn)行不對(duì)赤湖淡水養(yǎng)殖基地構(gòu)成破壞，武山銅礦老尾礦庫(kù)的防、排洪系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用了最大可能暴雨進(jìn)行校核。

以德興銀山鉛鋅礦尾礦庫(kù)為例，采用不同的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的設(shè)計(jì)暴雨值相差程度見(jiàn)表1。

表1 不同洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)暴雨值比較表

從表1可以看出，若考慮最大可能洪水標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的設(shè)計(jì)暴雨值，將是常規(guī)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)(500年一遇)的2.43倍，相應(yīng)尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)的防排洪能力應(yīng)調(diào)整至原有標(biāo)準(zhǔn)的2.43倍。PMF對(duì)應(yīng)的洪水重現(xiàn)期可能大于萬(wàn)年一遇，但是有些地區(qū)也低于萬(wàn)年一遇重現(xiàn)期洪水。PMF若按美國(guó)傳統(tǒng)的方法推求，與萬(wàn)年一遇洪水之間沒(méi)有什么固定的關(guān)系，從美國(guó)東部、中部和西部隨機(jī)抽取的18座工程來(lái)看：有9座PMF小于萬(wàn)年一遇洪水，有7座的PMF大于萬(wàn)年一遇洪水，有2座的PMF與萬(wàn)年一遇洪水基率相等。[10]

4 結(jié)語(yǔ)

尾礦庫(kù)防洪工程安全與否直接影響到周邊地區(qū)人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全及環(huán)境安全。以全球變暖為主要特征的氣候變化是不爭(zhēng)的事實(shí)。氣候變化將會(huì)對(duì)尾礦庫(kù)防洪工程的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和自身安全產(chǎn)生一定的影響。因此，必須未雨綢繆，加強(qiáng)氣候變化對(duì)尾礦庫(kù)防洪工程安全影響的科學(xué)評(píng)估、減緩影響和適應(yīng)性對(duì)策等方面的研究，為保障我國(guó)尾礦庫(kù)工程安全提供科學(xué)的技術(shù)支撐。

[1] 劉九夫, 張建云, 關(guān)鐵生.20世紀(jì)我國(guó)暴雨和洪水極值的變化[J].中國(guó)水利，2008，2(2): 35-37.

[2] 賀瑞敏, 王國(guó)慶, 張建云, 劉九夫.氣候變化對(duì)大型水利工程的影響[J].中國(guó)水利，2008，2(2): 52-54, 46.

[3] 水利部水文局, 南京水利科學(xué)研究院, 中國(guó)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社, 2006: 87-110.

[4] 沈樓燕,李海港.關(guān)于尾礦庫(kù)防滲土工膜滲漏問(wèn)題的探討 [J]. 有色金屬(礦山部分),2009,(3):71-72+74.

[5] 沈樓燕. 關(guān)于尾礦庫(kù)排洪系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題探討[J].有色金屬(礦山部分),2003,(3): 38-40.

[6] 徐宏達(dá). 我國(guó)尾礦庫(kù)病害事故統(tǒng)計(jì)分析[J] 工業(yè)建筑，2001，(1)：69-71.

[7] ZBJ1-90，選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 1991.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，主編部門：中國(guó)有色金屬工業(yè)總公司.國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).14-15.

[8] 汪貽水. 美國(guó)礦山企業(yè)的尾礦管理[J]. 世界有色金屬，2008,(2): 55-58.

[9] 江西省暴雨洪水查算手冊(cè)編寫組.江西省暴雨洪水查算手冊(cè)，1986，江西省水文總站，94-98.

[10] 王國(guó)安.中國(guó)設(shè)計(jì)洪水及標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題[J].水利學(xué)報(bào)，1991,(4):68-76，78.