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遭受了嚴重干旱，不但導致了牲畜、經濟財產損失，還導致了饑荒。20世紀80年代以后該地區降雨有所增加，但并沒扭轉其經濟衰退趨勢。最近10 a由于經常發生高強度的日降雨量，導致小型土壩發生漫頂垮壩事件，這已成為政府部門、工程界、民眾面對的新挑戰。這些小型壩大多建造于嚴重干旱的70年代以后，對于村莊和農村社區是非常重要的。因為干旱季節通常會持續達6～9個月，很多情況下這些小型水庫是他們干旱季節唯一的水源。這些水庫在雨季儲存水量供旱季使用，也可用于小規模的灌溉、牲畜飲水，以及包括房屋建造在內的家庭用水。

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70年代國內嚴重干旱事件發生的概率值。

1.1 年降雨趨勢

瓦希古亞是布基納法索北部的一個干旱城市，而博博-迪烏拉索位于布基納法索南部的多雨區域。兩地文水站實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恢復跡象。由于年降雨系列太短，還是不能定性確定20世紀70年代極端干旱事件的發生頻率。

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年降雨總量不斷減少，小時暴雨與日暴雨等短歷時暴雨事件數目在不斷增加。

統計該地區日降雨量超過150 mm的事件得出，這類暴雨大都持續了1～6 h，與亞洲季風區不同的是這個地區并不是多雨地區。

2 極端降雨事件的后果

該國水庫建設始于20世紀20年代初期，后因經歷一個長久的干旱季節，需要蓄水以滿足該地區居民在這種季節中的需要而受到鼓勵和推動。此外，該國的水文物理現象受其古老的前寒武紀地質構造的支配，這就使調用地下水資源非常困難。

20世紀70年代的嚴重干旱進一步加速了當時的水庫建設。現在布基納法索國內有超過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。

因為這些水庫集水面積大約，或通常小于100 km2，頻發的強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，導致潰壩或重大破壞。

3 潰壩對經濟的影響

布基納法索和許多薩赫勒地區國家一樣，被認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國家來說是災難性的。這些壩的垮塌和重大破壞產生的主要影響有:

(1)鄉村、城市、河岸區域水資源受損，每座水庫年平均儲水量為100萬m3，150座水庫的水資源損失相當于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)造成隔離區域，因為這些壩以前常用來穿越河流，連接村莊和農村小城鎮;

(5)青年和兒童飽受挨餓和饑荒之苦。

4 傳統溢洪道的設計方法

4.1 設計洪水

這些小型壩溢洪道設計洪水是根據20世紀60年代早期提出的確定性統計方法確定的，20世紀80年代中期法國機構ORSTOM(現在的法國發展研究院IRD)和西非水力學研究委員會(CIEH)對該方法進行了改進。

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:

這個公式簡單易用，但精度有限。kr10(10 a一遇洪水徑流系數)的確定是至關重要的。可根據不同的氣候區域、年平均降雨量、地質和土壤學特征確定有關曲線。100 a一遇的洪水徑流系數可用kr10乘以由GRADEX方法確定的一個系數進行估算。

通常，收集到的數據為日降雨量，而日降雨量并不是用來解釋產生短歷時暴雨極端洪水的最佳量。該公式另一個缺點是，建議的曲線是根據1960年代初和1980年代進行的研究確定的，而這個時期正好是嚴重干旱時期。

CIEH提出的是統計回歸法，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，由于頻繁發生的極端洪水事件，用來建立這些回歸方程的統計基礎現在不再適用。

IRD方法的另一個問題是計算過程較復雜，且需要有經驗的水文學家確定徑流系數，因為該系數對徑流的產生和洪水形成都有很大的影響。

4.2 溢洪道設計洪水的選擇

小型水壩溢洪道通常按照100 a一遇的洪峰流量設計，這種洪峰流量與簡化的三角形單位過程線有關。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土中開挖而成。第2個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，這些壩的真實防洪安全度并不為人知。

4.4 現有方法的缺陷

現用水文方法沒有考慮降雨模式變化后的情況，特別是強暴雨(通常是幾個小時內)頻繁發生的情況。第2個缺陷則是忽略了小型壩防洪安全性的現場觀測。

對于單個壩體而言，按100 a一遇的洪水進行水壩設計，其安全性應該令人滿意。但布基納法索現有1000座小型水壩，若按100 a一遇的水壩溢洪道設計，實際上風險是非常高的。也就是說，這就意味著承擔每年有10座小型壩發生潰壩的風險。

5 應對極端洪水事件的小型壩溢洪道設計

考慮到不斷發生的強暴雨事件導致每年有超過10座小型土壩失事，不能再依靠以前的老方法進行溢洪道設計。專業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疑，并提出應對新情況的新措施。

應沿以下3個方面確立新方法:

(1)確定極端洪水;

(2)選擇溢洪道設計洪水;

(3)以低廉的費用選擇適當的解決辦法，保護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數據，現提出2種方法:

(1)采用現有的標準方法(包括確定性的回歸、統計回歸和單位過程線等)確定100 a一遇的洪水。

(2)根據降雨量數據確定區域最大洪水。現在很多地區有降雨實測數據并且數據質量高。

極端洪水的洪峰流量主要與流域面積有關，可用以下公式計算:

或

為應用該法，應根據已有極端洪水數據進行指數系數的調整，這點是很重要的。然而，由于缺乏實測的極值洪水數據，使得其應用很困難。該方法常用來評估現有壩安的全性，通過比較，從幾個不同壩體中辨別更危險的壩。

還有另一個簡易法是確定區域歷史最大降雨量(降雨歷時與產生直接徑流的流域水文過程歷時相近)，并估算降雨產生的總徑流量，用水文過程的形狀系數推出最大洪峰流量。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 溢洪道設計洪水的選擇

保留兩個特定的設計洪水用作分析:

(1)具有洪峰流量及過程線的溢洪道設計洪水;

(2)校核洪水，主要考慮與無水庫衰減作用的區域最大洪水相應的洪峰流量。

通過應用該法，可更好地理解壩的真實防洪安全性，顯著地減少小型壩失事風險。

5.3 免遭洪水破壞的溢洪道設計策略

5.3.1 建議的策略

在F.Lemperere方法的基礎上，組合了幾個方法，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，決策目標是使Q1C1+Q2C2盡可能低。

5.3.2 傳統方法

如前所述，目的在于設計一個優質的溢洪道，以宣泄高達100 a一遇洪水，并增加簡單低廉的措施擴展系統宣泄超額流量能力，以保障極值洪水流量的安全宣泄。

有幾種方法可達到上述目的，比較典型的方法有:

(1)帶胸墻的優質溢洪道;

(2)與簡化的應急側邊溢流檻相結合的優質溢洪道;

(3)組合了胸墻與應急側邊溢流檻的優質溢洪道，側邊溢流檻可用降低壩肩區的壩頂至約30 cm高來替代，并用土壤、混凝土、瀝青或其他廉價覆蓋物保護該壩段;

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

6 低成本新技術

過去幾年中，出現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)應用較廣。

混凝土自潰堰由法國Hydrocoop協會提出，在阿爾及利亞、越南及其他地區得到過應用。混凝土自潰堰在增加蓄水容量的同時可增強溢洪道過流能力。

PK堰是一個成型壓塊迷宮式溢洪道，可安裝在現有混凝土重力溢洪道上。在薩赫勒地區，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。該地區與馬里邊界接壤，河流較大，通常要經歷大洪水。

7 結語

日益頻繁的強暴雨和大洪水事件有關聯是非洲薩赫勒地區小型壩的主要威脅。水壩工程界需尋求解決辦法，以為當地社區和政府提高這些重要設施的防洪安全性。財力上負擔得起的解決辦法是可以找到的。大壩工程師和ICOLD國家委員會的職責是盡力保護調用的水資源和人員安全，并保證當地社區能獲得足夠的水。這是維持和發展這些國家大壩工程狀況的一項極具挑戰性的，而且又非常重要的要求。