氣候變化下小型壩的防洪安全

［布基納法索］ A.諾波瑞

1970～1980年期間非洲薩赫勒區(qū)遭受了嚴(yán)重干旱，不但導(dǎo)致了牲畜、經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，還導(dǎo)致了饑荒。20世紀(jì)80年代以后該地區(qū)降雨有所增加，但并沒扭轉(zhuǎn)其經(jīng)濟(jì)衰退趨勢。最近10 a由于經(jīng)常發(fā)生高強(qiáng)度的日降雨量，導(dǎo)致小型土壩發(fā)生漫頂垮壩事件，這已成為政府部門、工程界、民眾面對的新挑戰(zhàn)。這些小型壩大多建造于嚴(yán)重干旱的70年代以后，對于村莊和農(nóng)村社區(qū)是非常重要的。因?yàn)楦珊导竟?jié)通常會(huì)持續(xù)達(dá)6～9個(gè)月，很多情況下這些小型水庫是他們干旱季節(jié)唯一的水源。這些水庫在雨季儲(chǔ)存水量供旱季使用，也可用于小規(guī)模的灌溉、牲畜飲水，以及包括房屋建造在內(nèi)的家庭用水。

1 雨型

布基納法索的雨量站測量和降雨量記錄約有100 a的歷史，但還不能確定20世紀(jì)70年代國內(nèi)嚴(yán)重干旱事件發(fā)生的概率值。

1.1 年降雨趨勢

瓦希古亞是布基納法索北部的一個(gè)干旱城市，而博博-迪烏拉索位于布基納法索南部的多雨區(qū)域。兩地文水站實(shí)測的降雨量資料表明，1970～2000年期間年降雨量大幅減小，自2000年代初期開始降雨量出現(xiàn)恢復(fù)跡象。由于年降雨系列太短，還是不能定性確定20世紀(jì)70年代極端干旱事件的發(fā)生頻率。

1.2 極端日降雨趨勢

隨著布基納法索及更廣闊的薩赫勒地區(qū)年降雨總量不斷減少，小時(shí)暴雨與日暴雨等短歷時(shí)暴雨事件數(shù)目在不斷增加。

統(tǒng)計(jì)該地區(qū)日降雨量超過150 mm的事件得出，這類暴雨大都持續(xù)了1～6 h，與亞洲季風(fēng)區(qū)不同的是這個(gè)地區(qū)并不是多雨地區(qū)。

2 極端降雨事件的后果

該國水庫建設(shè)始于20世紀(jì)20年代初期，后因經(jīng)歷一個(gè)長久的干旱季節(jié)，需要蓄水以滿足該地區(qū)居民在這種季節(jié)中的需要而受到鼓勵(lì)和推動(dòng)。此外，該國的水文物理現(xiàn)象受其古老的前寒武紀(jì)地質(zhì)構(gòu)造的支配，這就使調(diào)用地下水資源非常困難。

20世紀(jì)70年代的嚴(yán)重干旱進(jìn)一步加速了當(dāng)時(shí)的水庫建設(shè)?，F(xiàn)在布基納法索國內(nèi)有超過1000座小型水庫。尼日爾、貝寧、科特迪瓦北部、馬里等國家情況類似。

因?yàn)檫@些水庫集水面積大約，或通常小于100 km2，頻發(fā)的強(qiáng)暴雨事件形成高水位的洪水，其水文過程線大都非常尖瘦。最近10 a中有超過150座小型水庫遭受了大洪水，導(dǎo)致潰壩或重大破壞。

3 潰壩對經(jīng)濟(jì)的影響

布基納法索和許多薩赫勒地區(qū)國家一樣，被認(rèn)為也是世界上最貧窮國家之一，洪水事件造成的影響對這樣一個(gè)國家來說是災(zāi)難性的。這些壩的垮塌和重大破壞產(chǎn)生的主要影響有:

(1)鄉(xiāng)村、城市、河岸區(qū)域水資源受損，每座水庫年平均儲(chǔ)水量為100萬m3，150座水庫的水資源損失相當(dāng)于1.5億m3/a;

(2)很多人死亡和幾千人受傷;

(3)超過1萬人的房屋受到損害;

(4)造成隔離區(qū)域，因?yàn)檫@些壩以前常用來穿越河流，連接村莊和農(nóng)村小城鎮(zhèn);

(5)青年和兒童飽受挨餓和饑荒之苦。

4 傳統(tǒng)溢洪道的設(shè)計(jì)方法

4.1 設(shè)計(jì)洪水

這些小型壩溢洪道設(shè)計(jì)洪水是根據(jù)20世紀(jì)60年代早期提出的確定性統(tǒng)計(jì)方法確定的，20世紀(jì)80年代中期法國機(jī)構(gòu)ORSTOM(現(xiàn)在的法國發(fā)展研究院IRD)和西非水力學(xué)研究委員會(huì)(CIEH)對該方法進(jìn)行了改進(jìn)。

IRD提出的方法是基于概念性模型，可以確定10 a一遇的洪水流量及過程。公式為:

這個(gè)公式簡單易用，但精度有限。kr10(10 a一遇洪水徑流系數(shù))的確定是至關(guān)重要的?？筛鶕?jù)不同的氣候區(qū)域、年平均降雨量、地質(zhì)和土壤學(xué)特征確定有關(guān)曲線。100 a一遇的洪水徑流系數(shù)可用kr10乘以由GRADEX方法確定的一個(gè)系數(shù)進(jìn)行估算。

通常，收集到的數(shù)據(jù)為日降雨量，而日降雨量并不是用來解釋產(chǎn)生短歷時(shí)暴雨極端洪水的最佳量。該公式另一個(gè)缺點(diǎn)是，建議的曲線是根據(jù)1960年代初和1980年代進(jìn)行的研究確定的，而這個(gè)時(shí)期正好是嚴(yán)重干旱時(shí)期。

CIEH提出的是統(tǒng)計(jì)回歸法，不需流量過程就可確定10 a一遇的洪水流量，樣本回歸方程如下:

近幾年，由于頻繁發(fā)生的極端洪水事件，用來建立這些回歸方程的統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)現(xiàn)在不再適用。

IRD方法的另一個(gè)問題是計(jì)算過程較復(fù)雜，且需要有經(jīng)驗(yàn)的水文學(xué)家確定徑流系數(shù)，因?yàn)樵撓禂?shù)對徑流的產(chǎn)生和洪水形成都有很大的影響。

4.2 溢洪道設(shè)計(jì)洪水的選擇

小型水壩溢洪道通常按照100 a一遇的洪峰流量設(shè)計(jì)，這種洪峰流量與簡化的三角形單位過程線有關(guān)。通常采用大約50 cm的超高作為100 a一遇洪水水庫水位以上的安全裕度。

4.3 溢洪道的類型與位置

溢洪道可以布置在大壩的壩肩處或中部。第1個(gè)溢洪道通常是混凝土檻或砌石檻，其下游泄槽通常在紅土或巖質(zhì)土中開挖而成。第2個(gè)溢洪道通常為小型重力壩，下接與主河床連接的消力池。

由于過去并不要求評估洪水事件，這些壩的真實(shí)防洪安全度并不為人知。

4.4 現(xiàn)有方法的缺陷

現(xiàn)用水文方法沒有考慮降雨模式變化后的情況，特別是強(qiáng)暴雨(通常是幾個(gè)小時(shí)內(nèi))頻繁發(fā)生的情況。第2個(gè)缺陷則是忽略了小型壩防洪安全性的現(xiàn)場觀測。

對于單個(gè)壩體而言，按100 a一遇的洪水進(jìn)行水壩設(shè)計(jì)，其安全性應(yīng)該令人滿意。但布基納法索現(xiàn)有1000座小型水壩，若按100 a一遇的水壩溢洪道設(shè)計(jì)，實(shí)際上風(fēng)險(xiǎn)是非常高的。也就是說，這就意味著承擔(dān)每年有10座小型壩發(fā)生潰壩的風(fēng)險(xiǎn)。

5 應(yīng)對極端洪水事件的小型壩溢洪道設(shè)計(jì)

考慮到不斷發(fā)生的強(qiáng)暴雨事件導(dǎo)致每年有超過10座小型土壩失事，不能再依靠以前的老方法進(jìn)行溢洪道設(shè)計(jì)。專業(yè)人員必須回答老百姓和政府的問題:這些失事是由于壩的本性造成的?因此，必須對以往措施提出質(zhì)疑，并提出應(yīng)對新情況的新措施。

應(yīng)沿以下3個(gè)方面確立新方法:

(1)確定極端洪水;

(2)選擇溢洪道設(shè)計(jì)洪水;

(3)以低廉的費(fèi)用選擇適當(dāng)?shù)慕鉀Q辦法，保護(hù)小型壩能免遭極端洪水破壞。

5.1 極端洪水的確定

鑒于缺乏小流域的河道水位測站和水文測驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)提出2種方法:

(1)采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)方法(包括確定性的回歸、統(tǒng)計(jì)回歸和單位過程線等)確定100 a一遇的洪水。

(2)根據(jù)降雨量數(shù)據(jù)確定區(qū)域最大洪水?，F(xiàn)在很多地區(qū)有降雨實(shí)測數(shù)據(jù)并且數(shù)據(jù)質(zhì)量高。

極端洪水的洪峰流量主要與流域面積有關(guān)，可用以下公式計(jì)算:

或

為應(yīng)用該法，應(yīng)根據(jù)已有極端洪水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)系數(shù)的調(diào)整，這點(diǎn)是很重要的。然而，由于缺乏實(shí)測的極值洪水?dāng)?shù)據(jù)，使得其應(yīng)用很困難。該方法常用來評估現(xiàn)有壩安的全性，通過比較，從幾個(gè)不同壩體中辨別更危險(xiǎn)的壩。

還有另一個(gè)簡易法是確定區(qū)域歷史最大降雨量(降雨歷時(shí)與產(chǎn)生直接徑流的流域水文過程歷時(shí)相近)，并估算降雨產(chǎn)生的總徑流量，用水文過程的形狀系數(shù)推出最大洪峰流量。一般來說，用這些方法推出的洪峰流量接近或超過1000 a一遇的洪水流量。

5.2 溢洪道設(shè)計(jì)洪水的選擇

保留兩個(gè)特定的設(shè)計(jì)洪水用作分析:

(1)具有洪峰流量及過程線的溢洪道設(shè)計(jì)洪水;

(2)校核洪水，主要考慮與無水庫衰減作用的區(qū)域最大洪水相應(yīng)的洪峰流量。

通過應(yīng)用該法，可更好地理解壩的真實(shí)防洪安全性，顯著地減少小型壩失事風(fēng)險(xiǎn)。

5.3 免遭洪水破壞的溢洪道設(shè)計(jì)策略

5.3.1 建議的策略

在F.Lemperere方法的基礎(chǔ)上，組合了幾個(gè)方法，以便以低廉的成果增加小型壩防洪安全性。

假定Qi為100 a一遇的流量，Ci為泄放該流量Qi的主溢洪道的成本，Q2為超過100 a一遇流量的額外的流量，C2為采取額外措施的成本，決策目標(biāo)是使Q1C1+Q2C2盡可能低。

5.3.2 傳統(tǒng)方法

如前所述，目的在于設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)質(zhì)的溢洪道，以宣泄高達(dá)100 a一遇洪水，并增加簡單低廉的措施擴(kuò)展系統(tǒng)宣泄超額流量能力，以保障極值洪水流量的安全宣泄。

有幾種方法可達(dá)到上述目的，比較典型的方法有:

(1)帶胸墻的優(yōu)質(zhì)溢洪道;

(2)與簡化的應(yīng)急側(cè)邊溢流檻相結(jié)合的優(yōu)質(zhì)溢洪道;

(3)組合了胸墻與應(yīng)急側(cè)邊溢流檻的優(yōu)質(zhì)溢洪道，側(cè)邊溢流檻可用降低壩肩區(qū)的壩頂至約30 cm高來替代，并用土壤、混凝土、瀝青或其他廉價(jià)覆蓋物保護(hù)該壩段;

(4)對于壩高很低的壩，在某些區(qū)域用砌石或草皮來護(hù)壩坡，通過降低水舌和增加溢流段長度(導(dǎo)致水舌很薄)來降低堤壩沖刷，提高壩的防洪安全度。

6 低成本新技術(shù)

過去幾年中，出現(xiàn)了很多有助于提高小型壩防洪安全度的有效且成本低廉的新方法，其中，自潰堰和鋼琴鍵堰(簡稱PK堰)應(yīng)用較廣。

混凝土自潰堰由法國Hydrocoop協(xié)會(huì)提出，在阿爾及利亞、越南及其他地區(qū)得到過應(yīng)用?；炷磷詽⒀咴谠黾有钏萘康耐瑫r(shí)可增強(qiáng)溢洪道過流能力。

PK堰是一個(gè)成型壓塊迷宮式溢洪道，可安裝在現(xiàn)有混凝土重力溢洪道上。在薩赫勒地區(qū)，PK堰通常作為小型壩的主溢洪道。

布基納法索北部高9 m的班巴卡瑞(Bambakary)壩采用了PK堰。該地區(qū)與馬里邊界接壤，河流較大，通常要經(jīng)歷大洪水。

7 結(jié)語

日益頻繁的強(qiáng)暴雨和大洪水事件有關(guān)聯(lián)是非洲薩赫勒地區(qū)小型壩的主要威脅。水壩工程界需尋求解決辦法，以為當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)和政府提高這些重要設(shè)施的防洪安全性。財(cái)力上負(fù)擔(dān)得起的解決辦法是可以找到的。大壩工程師和ICOLD國家委員會(huì)的職責(zé)是盡力保護(hù)調(diào)用的水資源和人員安全，并保證當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)能獲得足夠的水。這是維持和發(fā)展這些國家大壩工程狀況的一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的，而且又非常重要的要求。