瑞士大壩安全、應急預案與水情警報系統

崔弘毅，薛建軍編 譯

（1.國家電力監管委員會大壩安全監察中心，浙江杭州 310014；2.中國機械設備工程股份有限公司，北京 100055）

0 引 言

瑞士對資源綜合開發利用非常重視，尤其對水能資源，已經開發了近88%的經濟可行性水電潛力。瑞士大部分的水壩項目位于阿爾卑斯山的中上部高程，水壩的類型為混凝土重力壩、拱壩、土石壩、支墩壩，其比例分別為38%、26%、35%、1%。目前，瑞士聯邦管轄下的5～285 m的大壩有217座，庫容從5萬m3到4億m3不等，壩高大于15 m有153座，大于100 m有25座，大于200 m有4座。州政府管轄的水壩153座。這些水壩85%屬水力發電工程。

瑞士的現代大壩修建始于135年前，一直到上世紀70年代進入停滯狀態。從那時候起，幾乎不再建造任何新的大壩。但實施了兩座主要拱壩的加高和一些大壩的補強加固工程。現有大壩的平均壩齡為50 a（見圖1）。一般，水電項目的許可權年限為80年，因此，對幾座稍老的水電站（主要是徑流式水電站）進行了補強加固，以使許可權繼續有效。補強加固過的水電站的預期服役年限是160年。他們必須達到現行設計標準和安全標準的要求。

現行安全標準中，除了關注壩齡外，主要關注點還有洪水和地震安全，在大多數大壩修建的年代，并沒有這些標準。長服役期限的前提是大壩和附屬建筑物的結構安全。

圖1 兩座連續運行約50年的大壩Fig.1 Two dams have been in uninterrupted use for some 50 years

根據經驗法則，只要保證科學合理的維護，大壩的服役年限可以足夠長，但沒有維護和不進行監測的大壩應另當別論，實例就是格魯吉亞272 m高的Enguri拱壩——世界上最高的拱壩，上世紀90年代早期，由于內戰和獨立期間社會動蕩而疏于維護，結果大壩安全狀況快速惡化。該實例表明，甚至對于新壩，幾年時間之內也可能變得不安全。

對于設計精良、施工質量好、維護和監測都得當的土石壩及混凝土壩，其服役年限可以輕易達到100年。但有些元件如閘門和閥門等，四五十年后就需要替換。電氣設備和電子控制單元的服役年限則短得多，其中一些元件的更換頻率和電腦一樣，因為他們技術上已經過時，無法進行維護。

文章中討論的大壩安全綜合概念主要包括四方面內容：結構安全、監測安全、運行安全和應急預案。前三方面內容已經被大家所熟知，但對應急預案則相對陌生一些，因為警報系統和人口疏散通常由軍方或民防機構控制，原因是在戰爭中，大壩可能作為襲擊目標，恐怖分子會鐘情于此類破壞力強的對象。

1 瑞士的大壩安全

1.1 大壩安全法律和行政方面情況

1877年6月22日出臺的瑞士聯邦法相關水政策中規定：“聯邦委員會將保證對現有和未來將建的大壩采取必要措施，以盡量避免由已有工程、或因維護不夠、或因戰爭因素等引起的危害或損壞。”根據該法律，制定了《大壩安全條例》。現行的《大壩安全條例》于1999年1月1日生效，是之前規則的修訂版本。大壩安全規則應用于具體大壩則是基于幾何尺度（壩高和庫容）和對下游地區的潛在破壞力（淹沒范圍）。

規范規定了大壩安全相關部門的職責，如大壩安全當局、大壩業主、大壩工程師和大壩專家。為推動現行大壩安全規則的實施，大壩安全當局發行了以下導則：

（1）適用于大壩安全規則的大壩的標準；

（2）大壩結構安全；

（3）大壩防洪安全；

（4）大壩抗震安全；

（5）大壩監測和維護。

大壩，即是指蓄水水頭超過25 m、或蓄水水頭超過15 m且庫容超過50 000 m3、或蓄水水頭超過10 m且庫容超過100 000 m3、或庫容大于500 000 m3的大壩。大壩的監管由聯邦大壩安全當局執行，其聘請了專業大壩工程師。小壩的安全則是州（省）的責任。

安全當局負責審查和批準新大壩的建造以及對現有大壩的除險加固工程。因此，大壩業主必須向當局提交工程圖紙、分析和設計報告、地質和水文調查結果等資料，以取得批復。在最終設計得到批復之前，不得動工。

施工過程中，當局會執行檢查，確認是否與批復的方案一致。所有檢查結果都將記錄在案。

大壩的首次蓄水要求得到大壩安全當局的授權。

在大壩運行過程中，當局會組織有經驗的工程師和專家監督業主的監察組織。資深工程師和專家的大壩現況和性狀評估報告將立即通報給大壩安全當局。其中，資深工程師的報告是每年提交一次，專家評估報告是每5年提交一次。

如果監測或檢查發現需要采取修補措施，則必須馬上實施。

1.2 大壩安全概念的基本要素

每個安全概念都包括兩個主要目標：減小各類風險和以最好的方式控制各類風險。為達到此目標，瑞士引進了綜合大壩安全概念，包括了以下要素：（1）結構安全；（2）大壩監測和大壩維護；（3）應急預案。

1.2.1 結構安全

要減小風險則需要對大壩進行合理的設計和良好的施工。這意味著應根據最新的技術發展情況來定期復核大壩設計（設計標準和設計理念），以保證結構安全。圖2為伊朗的Sefid Rud支墩壩，其經歷了遠超設計強度的地震。今天看來，其采用的地震設計標準和動態分析方法已經過時。

1.2.2 大壩監測和大壩維護

即使大壩設計和施工采用最先進的技術和知識，也不能完全消除風險，風險只能被減小。因此，有必要盡快對出現的任何反常性態、損傷、結構安全缺陷、新型風險等進行探測，這樣才能及時采取正確的應對措施。為達到此目的，需要對大壩進行定期檢查和定期安全評價。定期檢查的目的是監測大壩的實際性態，定期安全評價的目的則是對其長期性態進行監控，并確保其結構安全。瑞士的大壩監管系統如表1所示。各塊對大壩監管和大壩安全監測的職責如下：

圖2 伊朗Sefid Rud支墩壩的補強加固Fig.2 Repair and strengthening of Sefid Rud buttress dam in Iran

（1）業主：大壩業主需要讓大壩維持在較好的工況中，因此，業主設立了一個組織來監測和維護大壩。大壩業主的技術人員實施月度或每周的常規肉眼檢查和測量。每月都會采用人工讀數對自動記錄的測量結果進行檢查。大壩技術人員需對泄洪閘門的操作數據進行檢查，至少每年一次。觀測和測量結果會遞交給業主指定的資深工程師。

（2）資深工程師：資深工程師需檢查連貫的監測結果、對大壩進行年度檢查并在年度報告中匯編大壩性態和工況分析。該工程師通常也為大壩業主提供咨詢。

（3）專家：蓄水水頭超過40 m或蓄水水頭超過10 m且庫容超過1 000 000 m3的大型壩，指定專家每5 a對其進行一次全面安全復核。這些專家，即土木工程師和地質學家，是大壩工程界的專業人士，經大壩安全當局同意，由業主指定。

（4）大壩安全當局：大壩安全當局負責檢查資深工程師提交的年度報告及專家提交的五年評估報告。當局也進行現場檢查，觀測證實年度報告和評估報告中的建議，并確保采取必要的措施。

1.2.3 應急預案

若大壩發生明確的風險，則根據應急預案來處理。很重要的一點即是需要采取的措施已提前準備好。這些措施包括策略和應急方案。若發生潰壩事故，應確定可能洪泛區，結果應用洪水淹沒地圖的形式加以呈現。該地圖中也可以規劃洪水淹沒地區人口的疏散。更多的應急預案措施包括安裝或至少規定采用的警報設施以及確立組織保證人口疏散。應急策略劃定了三種危險水平，對每個危險水平，都制作了對應的技術、操作和應急行動計劃。

2 大壩安全、潰壩后果和減小風險的措施

如今，可能造成較嚴重破壞的工程，如大型蓄水壩、核設施等，都采用了綜合安全概念。對大壩，包括了以下幾個關鍵要素：（1）結構安全；（2）大壩安全監測；（3）運行安全和維護；（4）應急預案。通常，設計工程師主要關注結構安全，但對關鍵設施，如大型蓄水壩，其安全不僅僅是結構安全，還必須包括監測、運行、維護和應急預案等方面。瑞士大壩安全概念中沒有明確考慮運行安全，但運行安全是非常重要的，必須加以考慮。一個典型案例就是發生于2005年12月Taum Sauk抽水蓄能電站上水庫的潰壩事故。

表1 瑞士大壩監管系統Table 1:Structure of dam surveillance system in Switzerland

大壩潰決的后果包括：生命損失（應急預案的首要任務是減少生命損失）、環境損壞、洪泛區財產損失、設施損毀、電站和發電量損失、社會-經濟影響、政治影響等。

通過一系列工程和非工程措施，可以減輕這些后果。工程措施主要是關于大壩安全，即防洪安全、地震安全和現場工況。非工程措施主要包括以下方面：在正常和非正常運行條件下的水庫安全操作導則、應急行動實施、水情警報系統的應用、人員培訓、在安全相關事件中降低水位、定期安全檢查、工程支持以有效應對異常和緊急狀況、土地使用計劃（政治決策）、保險范圍、第三方責任范圍（減小經濟損失）等。非工程措施通常比工程措施更有效。

3 瑞士的應急預案

應急程序應包括如何向當局和民眾預警的計劃。

大壩業主必須提供洪水淹沒地圖，地圖中必須包括淹沒區域、能量水頭高度和洪水到達時間。

對庫容超過2 000 000 m3的大壩，在所謂的近壩區域必須安裝水情警報系統。近壩區域即是指最多兩小時內就會被洪水淹沒的區域，對應于大壩下游30 km的范圍。水情警報系統包括特定的警報器，可在大壩壩址處直接啟動，大壩業主需要對其進行維護并定期測試。在遠壩區（即剩下的洪泛區域），警報由民防通用報警器直接發出，該報警器由州政府維護。事實上，將安裝啟用新一代的報警器，既可作為水情警報，又可作為其他警報。

對洪泛區比較小的小型壩，水情警報由民防通用報警器發出。

州和市政府負責應急指令和人口疏散的計劃和準備工作。

洪水淹沒地圖一方面用于應急計劃，另一方面用于確定具體大壩的規范可操作性。洪水的強度由水深和流速的乘積決定，必須由表2給出的極限值來評定。

4 應急行動計劃

應急預案的主要目的是拯救生命。大壩業主的經濟損失及洪水淹沒區的受災損失由保險公司賠償。

應急預案（EAP）用于幫助大壩業主、運行管理者和應急官員減小由潰壩或水庫非受控型泄水引起的洪水所帶來的危害。EAP將指導責任人判定、監測、應對和緩解緊急情況，它規定了緊急情況下或影響大壩和水電站安全的非常規事件發生時“誰、做什么、時間、地點和怎么做”。應定期更新EAP，或在重要的緊急事件后更新EAP。基本上，由大壩業主負責采用安全監測、人工操作、維護、維修和補強加固等手段來維持大壩安全。

緊急情況中，大壩業主負責監測、確定合適的預警水平、發出通告、在大壩處采取應急行動、確定什么時候排除緊急狀況以及記錄所有行動。在緊急情況下，大壩業主需第一時間通知當局，當局負責對受影響居民發出警報并組織疏散。警報由特定水情預警系統發出。人口疏散計劃的實施基礎是潰壩洪水分析。通過潰壩洪水分析，可得出發生最壞潰壩事故（即忽然潰壩的）時洪水淹沒區域，另外還可得到洪水的到達時間、流速和水深。根據經驗，洪水兩小時將到達下游30 km處。

EAP包括幾個要素或任務，即：

表2 洪水危險程度的評定Table 2:Definition of danger levels of flood waves

風險分類：確定會影響安全的風險分類。風險可與自然事件或進程聯系起來（如洪水、風暴、地震、內部侵蝕等，見圖3），也可與安全方面的水電機械或電氣設備的操作聯系起來（如閘門故障、監測儀器失效等），也可與人為破壞聯系起來（如破壞、恐怖行動、戰爭等）。

圖3 影響大壩安全的自然環境引起的風險Fig.3 Hazards from natural environment affecting dams

緊急情況分類：確定一場事故、某監測儀器、某機械或電氣部分的非正常性態的嚴重程度，分為三個層次：（1）內部警報；（2）正在發展的險情；（3）緊急情況。作為判斷嚴重程度的輔助手段，可開發一個評估矩陣（可應用于多個設施，其決定于大壩特性和環境），見表3。

當發現或被告知有異常情況時，必須對以下兩種可能情況做出判斷，即是否需要外部支援和是否存在對人口、結構或環境造成不利影響的威脅。在對事故進行嚴重性分類時，其緊急程度是主要因素，可分為以下警報程度和緊急情況：

（1）大壩工作人員可管理和控制的由異常事件引起的內部警報事件。典型的內部警報事件為在收到洪水規模和可能引起危害的具體信息之前的洪水警報以及某儀器讀數異常，超過預先設定的安全限值（如測壓管水頭、排水設施排放量或結構位移）。

表3 水電站風險矩陣及要求的保護措施示例Table 3:Example of hazard matrix for hydro power plant showing hazards and required protective measures

（2）發展中的險情即觀察到的險情明顯要轉變成對大壩安全和下游人口的嚴重威脅。在這個階段，還不能確定險情是否可以得到控制。

（3）緊急險情即事故或威脅的發生明顯不能停止，但可采取行動減輕其后果，如疏散有危險的人口等。

關于事故的交流或通告可以僅限于內部，也可延伸到外部，外部則意味著與當地或州負責實施應急行動的當局的溝通。通知流程圖可表示出信息在相關組織和操作人員中的傳播順序，可幫助通告過程有條不紊地推進。事故信息僅限于內部時，必要的措施將由應急任務小組實施，其成員均為運行人員。

5 水情報警系統

瑞士65座大型壩裝有水情報警系統，第一批系統安裝于50 a前，這些系統是由軍隊推動安裝的。二次世界大戰時期，德國有幾座大壩被損壞，當時安裝這些系統的主要目的是避免類似發生在德國的災難。因此，當時考慮的主要威脅是戰爭，但近年來已發生了改變。

近年來，科技發展迅速，水情警報系統需要利用許多儀器和通訊方面的新技術。但之前安裝的警報系統沒有做出改進，洪水淹沒地區也沒有變化。但是，隨著技術的發展，其他的警報設備（報警器）可能會派上用場。

但水情警報的觸發存在一個問題，那就是許多大壩已經不由業主的工作人員對其實行24 h監控了。在偏遠的地方，冬天壩址處沒有工作人員。因此，在緊急情況下能否到達壩址處是一個物流問題。在嚴重的降雨或地震后，道路可能被封鎖等。并且，為防止發出錯誤的警報，報警器通常不是可操作的模式，即當大壩達到預先設置的警報程度時，警報器才會啟動。如果要人工啟動，則會花一些時間。僅當報警器為可操作狀態且達到了最高警報程度，即預計大壩可能要潰決時，才會發出特定的聲音信號通知水情警報。

在瑞士，區分了近壩區和遠壩區。近壩區是指洪水2 h內能到達的區域，遠壩區則是指這些區域以外的范圍。大壩業主負責近壩區的水情警報設備，遠壩區則使用普通民防報警器。所幸，目前為止，還未發生過需要疏散人口的險情。有關當局和大壩業主每年都舉行應急演練，并對儀器功能進行檢查。

很明顯，水情警報系統的存在意味著大壩業主和當局很關心大型壩下游群眾的生命財產安全，這對提升大壩業主和當局的良好形象有重要作用。

有一實例，距蘇黎世30 km處有一Sihlsee大壩，大壩潰決淹沒區的老百姓曾接到宣傳單，宣傳單上標明了洪水淹沒區域以及兩種警報器示例，以提高民眾意識。

圖4 蘇黎世地區發的宣傳單示例Fig.4 Example of a leaflet distributed in Zurich

6 結 語

對大型壩來說，應急預案和下游地區的水情警報系統都是必須的。即使大壩結構安全，也可能因自然或人為原因引起潰壩。為提高應急預案的有效性，其中必須包括下游的民眾，并且通知其在緊急狀況中該采取什么行動。瑞士第一批水情報警系統安裝于約50 a前。

對蓄水壩和徑流式水電站，應急預案是有效的大壩安全管理工具，可幫助業主和運行管理人員處理大壩和其所在環境中可能出現的不利影響因素。應急預案的組成內容包括風險定義和分類、異常工況矩陣、緊急程度分類及通知流程圖。

應急預案可促進決策制定和相關責任人之間的高效溝通，為大壩業主機構采取關鍵應急措施提供支持。

[1]Martin Wieland and Rudolf Mueller.Dam safety,emergency action plans and water alarm systems[J].International Water Power&Dam Construction,2009,1:34-38.