基于大型堰塞壩數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計分析與治理措施

常雨晴，張新華，薛睿瑛

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

0 引言

近年來，隨著全球氣候的異常變化，地震、強降雨等極端自然事件頻發(fā)，這些極端自然事件極易引發(fā)滑坡、崩塌、泥石流等次生災(zāi)害，造成堰塞體堵塞河道形成堰塞湖。2000年西藏易貢發(fā)生巨大山體崩滑形成堰塞湖，造成主河道7km范圍內(nèi)林地和公路全部被淹沒，堰塞體兩個月后在泄流槽的疏導(dǎo)下發(fā)生潰決，洪峰流量達(dá)120000m3/s，沿線公路、橋梁均被沖毀[1]。2008年四川省汶川縣突發(fā)里氏8.0級大地震，地震誘發(fā)多起滑坡和巖石崩塌事件形成257個堰塞湖，據(jù)評估其規(guī)模最大的唐家山堰塞湖一旦垮塌，很有可能引發(fā)下游多個堰塞壩潰決而發(fā)生洪水鏈鎖反應(yīng)，損失不可估量[2]。2018年10、11月中國四川省甘孜州白玉縣與西藏江達(dá)縣交界處白格村接連發(fā)生兩次滑坡堵江事件，潰決洪水沖毀下游西藏、四川、云南3省境內(nèi)多處道路、耕地和房屋，下游多處橋梁被沖毀[3]。而堰塞壩災(zāi)害至今仍是一個尚未研究徹底的不可預(yù)測事件，它的形成和發(fā)育是河流系統(tǒng)與邊坡系統(tǒng)之間復(fù)雜的相互作用的結(jié)果[4]?，F(xiàn)有的堰塞壩數(shù)據(jù)庫參差不齊，多為某一次或某幾次災(zāi)害集中形成的堰塞壩案例，大型數(shù)據(jù)庫屈指可數(shù)，數(shù)據(jù)缺乏普適性，同時數(shù)據(jù)庫規(guī)模較小，年代跨度有限，地區(qū)分布不均勻，統(tǒng)計規(guī)律不具有代表性，另外近年來地震、強降雨事件誘發(fā)形成多起新的大型堰塞壩事件也有待統(tǒng)計更新。所以重新整合匯編并更新現(xiàn)有堰塞壩數(shù)據(jù)庫對建立更高精度的參數(shù)統(tǒng)計模型，進(jìn)一步探究堰塞壩統(tǒng)計規(guī)律及潰壩機理具有十分重要的意義。

本文通過案例搜集，在前人基礎(chǔ)上更新了近5年堰塞壩案例，建立了一個包含1230個歷史堰塞壩案例的大型數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計了堰塞壩的基本特征并進(jìn)一步對特征要素間的關(guān)聯(lián)性展開分析，得到了堰塞壩特征統(tǒng)計規(guī)律及堰塞壩特征要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為日后建立參數(shù)統(tǒng)計模型研究其發(fā)展規(guī)律和致災(zāi)機理打下基礎(chǔ)，最后文章基于相關(guān)統(tǒng)計規(guī)律對堰塞壩預(yù)警預(yù)防和災(zāi)后應(yīng)急處理提出了建設(shè)性建議。

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

早在20世紀(jì)70—80年代，國外便開展了大量滑坡堵江事件的調(diào)查研究工作，美國學(xué)者J.E Costa和R.L Schuster編制了世界滑坡壩目錄，匯編了來自世界各地463起滑坡壩的詳細(xì)數(shù)據(jù)[5]，隨后發(fā)表了專題文章對堰塞壩的定義、分類、特征、發(fā)育規(guī)律等進(jìn)行詳細(xì)的說明，為后人的研究奠定了很好的基礎(chǔ)[6]。2002年L.Ermini和N.Casagli[4，19]以地貌調(diào)查為基礎(chǔ)，收集了世界各地500多個堰塞壩的數(shù)據(jù)，不過其中大部分位于意大利北部和美國西部。2015年Korup闡述了過去10年堰塞壩研究進(jìn)展并針對荷蘭堰塞壩的研究建立了全球和荷蘭的堰塞壩數(shù)據(jù)庫。2020年Fan和Dufresne在前人的基礎(chǔ)上，提出了一個新的世界性數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫加入了22例火山環(huán)境中的堰塞壩案例，還對堰塞壩類型和特征分別進(jìn)行了重新定義。

我國地質(zhì)條件復(fù)雜，高山峽谷區(qū)域發(fā)育眾多，自古以來堵江滑坡事件便頻繁發(fā)生。雖然我國早在1000多年前就對滑坡堵江事件開始有所記載，但對于堰塞壩的研究相較國外起步較晚。到20世紀(jì)末，我國學(xué)者柴賀軍等人[7]才建立了國內(nèi)最早的堰塞壩數(shù)據(jù)庫，搜集了我國歷史上147例滑坡堵江事件，并對堰塞壩的特征進(jìn)行了諸多定性描述。進(jìn)入21世紀(jì)，許多學(xué)者開始對堰塞壩事件進(jìn)行系統(tǒng)研究，2006年嚴(yán)容[1]通過文獻(xiàn)檢索和歷史調(diào)研在柴賀軍等人的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步全面統(tǒng)計了我國崩滑、泥石流堵江事件，建立了包含388起堰塞壩案例的數(shù)據(jù)庫，針對堰塞壩的分布特點和發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)的研究。2008年汶川特大地震中產(chǎn)生257個堰塞壩，Cui Peng等人[2]第一時間赴災(zāi)區(qū)考察，根據(jù)現(xiàn)場觀測和遙感資料對堰塞壩清單進(jìn)行了逐一排查，完成了風(fēng)險評估并提出應(yīng)急處理措施。Fuan等[8]通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)對本次災(zāi)害產(chǎn)生的堰塞壩進(jìn)行了識別，對32個獲取到詳細(xì)數(shù)據(jù)的案例進(jìn)行了特征統(tǒng)計和危害評價。針對本次災(zāi)害中產(chǎn)生的最大規(guī)模的唐家山堰塞壩，進(jìn)行了應(yīng)急減災(zāi)措施的相關(guān)討論。2014年石振明等[9]，通過建立國內(nèi)外大型堰塞壩數(shù)據(jù)庫，提出了潰決參數(shù)快速評估模型，并采用唐家山堰塞壩潰決案例進(jìn)行了驗證。2018年年延凱等[10]通過案例匯編，建立了全球1328例堰塞壩大型數(shù)據(jù)庫，提出一種三參數(shù)快速評估方法預(yù)測壩體穩(wěn)定性。

綜上分析可知，近年來學(xué)者們在有關(guān)堰塞壩特征性質(zhì)的探究方面有了一定的研究成果，且也建立了不少堰塞壩數(shù)據(jù)庫，不過對其分析可知，現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫多為某一次災(zāi)害形成的小規(guī)模堰塞壩數(shù)據(jù)庫，年代跨度較小，大多為集中在某一時期的統(tǒng)計案例，數(shù)據(jù)缺乏普適性。此外，針對堰塞壩特征的統(tǒng)計分析也不盡完善，對堰塞壩特征間的關(guān)聯(lián)性分析不足，同時缺少對近幾年最新案例的統(tǒng)計。

2 堰塞壩數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

2.1 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

堰塞壩作為自然災(zāi)害的衍生物，分布具有很大的隨機性，其潰決往往是難以提前預(yù)測的，所以不像人工壩潰決事件一樣具有詳細(xì)的壩體數(shù)據(jù)。鑒于堰塞壩案例信息統(tǒng)計比較困難，本文通過文獻(xiàn)調(diào)研、新聞紀(jì)實、現(xiàn)場調(diào)研等多種途徑進(jìn)行資源整合，數(shù)據(jù)來源見表1。經(jīng)過初步的數(shù)據(jù)篩選后整理出了共計2562個堰塞壩案例的數(shù)據(jù)庫信息集合，對所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行同質(zhì)化處理，最終建立了一個包含1230個歷史堰塞壩案例的大型數(shù)據(jù)庫，總共涵蓋了公元后2000年來全球46個國家有所記錄的滑坡堵江及堰塞壩事件。數(shù)據(jù)庫內(nèi)容可分為堰塞壩基本情況、滑坡情況、壩體情況、堰塞湖情況、致災(zāi)情況等5個模塊，主要統(tǒng)計了堰塞壩的分布、形成和誘發(fā)因素、壩體參數(shù)、壽命、潰決參數(shù)等信息。數(shù)據(jù)庫構(gòu)建流程如圖1所示，數(shù)據(jù)庫來源見表1。

表1 數(shù)據(jù)庫來源

圖1 數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

2.2 特征統(tǒng)計

2.2.1分布特征

本文數(shù)據(jù)共統(tǒng)計到國內(nèi)外46個國家1230個堰塞壩案例數(shù)據(jù)，為研究其分布特征，對數(shù)據(jù)庫內(nèi)各個堰塞壩案例在世界各大洲的分布位置進(jìn)行統(tǒng)計，如圖2所示。由圖可知，大部分潰壩案例來自亞洲(59.2%)，比例接近六成，南美洲、大洋洲占比最少。此外，本文還對堰塞壩案例在全球和各個國家的分布情況進(jìn)行了分析，如圖3所示。從圖中可以看出案例數(shù)最多的國家是中國，占比43.3%，其余各國所占比重較少。一方面是因為我國歷史悠久，史籍記載滑坡堵江事件資料較多，另一方面我國幅員遼闊，山地和高原占陸地面積一半以上，滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，尤其是我國西南地區(qū)，山地面積較多，歷史上諸多堰塞壩事件均分布于此。

圖2 堰塞壩在全球的分布

圖3 堰塞壩在不同國家分布

2.2.2堰塞壩成因統(tǒng)計

堰塞壩根據(jù)其成因一般可分為滑坡堰塞壩、冰磧堰塞壩、崩塌堰塞壩、泥石流堰塞壩等。本文所收集的數(shù)據(jù)中具有地質(zhì)成因記載和誘發(fā)因素的案例分別有660例和887例，對堰塞壩地質(zhì)成因類型進(jìn)行統(tǒng)計分析，如圖4所示。由圖可知，絕大多數(shù)堰塞壩都是由滑坡和坍塌引起的，而泥石流、落石以及混合因素觸發(fā)的堰塞壩較少。從實際來看，一次暴雨事件或特大地震事件都可能誘發(fā)相當(dāng)多的堰塞壩，如2008年汶川地震一次性誘發(fā)了257個大大小小的堰塞湖。為此，對堰塞壩的誘發(fā)因素進(jìn)行統(tǒng)計分析，如圖5所示。由圖可知，降雨和地震誘發(fā)形成堰塞壩案例數(shù)量最多，比例高達(dá)86.5%，而融雪(4.8%)、人類活動(4.5%)、火山爆發(fā)(3.4%)、山體失穩(wěn)(0.8%)等其他誘發(fā)因素則占比較少。

圖4 堰塞壩地質(zhì)成因

圖5 堰塞壩誘發(fā)因素

2.2.3堰塞壩壩體特征統(tǒng)計

壩體堆積形態(tài)是影響壩體穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。對堰塞壩壩體參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，如圖6所示。從圖中可以看出，堰塞壩形成后壩高在40m以下和100m以上的壩體居多，分別為56.4%和17.3%，壩高最高可達(dá)1100m，壩長最長可達(dá)7000m，壩寬最寬可達(dá)14000m。由此可見，堰塞壩具有壩長和壩寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壩高的特點。堰塞壩長寬比也是影響壩體穩(wěn)定性的重要特征之一，與人工筑壩不同，堰塞壩長寬比(沿河道長度/垂直河道長度)一般較大，對其進(jìn)行統(tǒng)計分析可知，只有將近17%的堰塞壩案例(49例)長寬比小于1，而大部分堰塞壩長寬比在1～5之間(195例)，僅有10%左右堰塞壩長寬比大于5，平均長寬比為2.69，如圖7所示。

圖6 堰塞壩壩體參數(shù)

圖7 堰塞壩長寬比規(guī)律

2.2.4堰塞壩壽命特征統(tǒng)計

堰塞壩壽命通常難以預(yù)測，但由于沒有防滲及泄洪設(shè)施，所以往往壽命很短。根據(jù)歷史記載，堰塞壩一般在壩體形成后的數(shù)小時到數(shù)天、數(shù)年不等發(fā)生潰決，鮮有記載堰塞壩形成后未經(jīng)處理而永久保存的案例。本文收集到具有堰塞壩壽命的案例數(shù)有286例，如圖8所示，33.9%的堰塞壩形成后一天時間內(nèi)便發(fā)生潰決，在10天以內(nèi)發(fā)生潰決的堰塞壩達(dá)57.7%，占一半以上，85.3%的堰塞壩在形成后的1年內(nèi)潰決。結(jié)果表明，堰塞壩短時間內(nèi)發(fā)生潰決的可能性較高，因此堰塞壩形成過程中的搶險救災(zāi)措施應(yīng)著重加強對時間的預(yù)測與把控。

圖8 堰塞壩壽命

2.2.5潰決特征統(tǒng)計

現(xiàn)有記載的堰塞壩潰決方式主要有漫頂潰決、管涌潰決和邊坡失穩(wěn)3種類型，如圖9所示為本文數(shù)據(jù)庫整合分析出的堰塞壩潰決機理特征統(tǒng)計圖，從圖中可以看出，93.2%的潰決案例均是以漫頂破壞方式的，5.6%的潰決案例系管涌破壞，而小部分案例是邊坡失穩(wěn)破壞，比例僅有1.1%。由此看出堰塞壩發(fā)生漫頂潰決概率極高，在防險救災(zāi)中應(yīng)著重加強有關(guān)漫頂破壞方面的研究。另外堰塞壩潰決過程歷時很短，如圖10所示，接近80%的壩體6h內(nèi)便完成了整個潰決過程，而絕大部分潰決過程在15h完成。堰塞壩的殘存壩體仍會繼續(xù)留存在河道中。為探究堰塞壩潰決殘存比規(guī)律，本文進(jìn)一步對41例具有壩體殘存數(shù)據(jù)的潰決案例進(jìn)行了分析。如圖11所示，整體來看堰塞壩殘存比(殘存壩高/壩高)平均值為0.57，殘存比0.4～0.6之間的堰塞壩比例最高，為32%，殘存比大于0.6的比例為46%，而只有少部分(22%)堰塞壩潰決后殘存比小于0.4。這意味著，堰塞壩潰壩后，在堰塞壩址處有大量的泥沙石塊堆積，不可避免地影響到河床底部形態(tài)形態(tài)特征，對后續(xù)河流的演變及下游水生生物及生態(tài)系統(tǒng)都造成一定的影響。

圖9 堰塞壩潰決模式

圖10 堰塞壩潰決時間

圖11 堰塞壩殘存比

2.3 特征關(guān)聯(lián)性分析

2.3.1誘發(fā)因素與季節(jié)關(guān)聯(lián)性分析

由于降雨融雪、山體失穩(wěn)等因素明顯受季節(jié)影響較大，特此統(tǒng)計分析了不同誘發(fā)因素的季節(jié)分布特征，如圖12所示。本文共統(tǒng)計到470例具有誘發(fā)因素和時間數(shù)據(jù)的堰塞壩案例，總體來看堰塞壩在夏季產(chǎn)生的比例最高，為45.3%，其余季節(jié)(春季18.7%、秋季18.7%、冬季17.2%)發(fā)生堰塞壩比例較為平均。其中春季中融雪因素誘發(fā)堰塞壩比例最高，其他誘發(fā)因素(降雨、地震、人類活動、火山爆發(fā)等)均在夏季出現(xiàn)頻率最高，表明夏季是堰塞壩頻發(fā)的高危季節(jié)，而春季、秋季、冬季并沒有表現(xiàn)出顯著的季節(jié)差異性。

圖12 誘發(fā)因素與季節(jié)關(guān)聯(lián)性

2.3.2地質(zhì)成因與壽命關(guān)聯(lián)性分析

不同地質(zhì)成因產(chǎn)生滑坡體的堆積方式不盡相同，本文對數(shù)據(jù)庫中197例同時具有地質(zhì)成因和堰塞壩壽命案例進(jìn)行了統(tǒng)計分析，如圖13所示。總體來看，單一因素誘發(fā)形成的堰塞壩壽命較混合因素更短，而在單一因素對比中，坍塌誘發(fā)形成堰塞壩的壽命最長，其次為滑坡，泥石流誘發(fā)形成堰塞壩的壽命最短，說明混合誘因形成的堰塞壩相較于單一因素形成的堰塞壩結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，而單一因素中，坍塌誘發(fā)形成的堰塞壩穩(wěn)定性強于滑坡強于泥石流。

圖13 地質(zhì)成因與堰塞壩壽命關(guān)聯(lián)性

2.3.3不同誘發(fā)因素與地質(zhì)成因關(guān)聯(lián)性分析

地震、強降雨等災(zāi)害一般都是通過誘發(fā)滑坡、崩塌、落石、泥石流產(chǎn)生堰塞壩，本文對堰塞壩的誘發(fā)因素和地質(zhì)成因進(jìn)行了關(guān)聯(lián)性分析，統(tǒng)計結(jié)果如圖14所示。由圖可知，同時具有誘發(fā)因素和地質(zhì)成因數(shù)據(jù)的堰塞壩案例有514例，不同地質(zhì)成因堰塞壩的誘發(fā)因素存在明顯差異。降雨是造成泥石流型堰塞壩的主要原因，超八成的泥石流型堰塞壩是由降雨誘發(fā)的；地震是造成坍塌型、滑坡型和落石型堰塞壩的主要原因，超六成的坍塌型堰塞壩和超五成的滑坡型堰塞壩是由地震誘發(fā)的；而在混合型堰塞壩中，由降雨、地震誘發(fā)的堰塞壩數(shù)量相當(dāng)，比例均為42.9%。

圖14 誘發(fā)因素與地質(zhì)成因關(guān)聯(lián)性

3 堰塞壩防治搶險措施建議

堰塞湖一旦發(fā)生潰決，會造成巨大生命財產(chǎn)損失和河流生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重破壞，所以提前針對堰塞壩進(jìn)行防治和及時搶險十分關(guān)鍵?；谏鲜鲅呷麎翁卣鞯姆治?，提出以下防治和搶險措施，旨在對未來堰塞壩災(zāi)害處理提供可參考的意見和建議。

(1)建立完善預(yù)警預(yù)報及快速搶險機制。由上述堰塞壩潰決特征規(guī)律可知，近六成堰塞壩形成后10天內(nèi)發(fā)生潰決，應(yīng)急搶險的時間十分緊張，應(yīng)集合衛(wèi)星、遙感等多方面技術(shù)實時獲取堰塞體全方位的地理、地質(zhì)、水文氣象信息[20]。保證快速做出洪水潰決預(yù)警預(yù)報的發(fā)布，同時快速制定搶險應(yīng)急方案，及時為評估潰決洪水風(fēng)險對下游居民轉(zhuǎn)移和防護(hù)風(fēng)險的判斷提供科學(xué)決策的依據(jù)[11]。

(2)準(zhǔn)確預(yù)測洪峰流量降低風(fēng)險。堰塞湖危害主要在于洪峰流量的大小，因而準(zhǔn)確預(yù)測潰決流量和潰口演化過程是堰塞湖搶險防災(zāi)的關(guān)鍵。通過建立堰塞壩潰決洪水預(yù)測模型，準(zhǔn)確預(yù)測潰決洪峰流量，為下游居民提前轉(zhuǎn)移安置提供決策依據(jù)。

(3)合理開發(fā)和利用堰塞湖。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知大多數(shù)堰塞壩潰決為半潰情況，殘存的壩體隨著時間的推移會逐漸融合到河道系統(tǒng)中。通過合理利用和人工干預(yù)，比如將堰塞湖系統(tǒng)改善發(fā)育成階梯深潭體系，在很大程度上能減緩上游來水的勢能，減小對河道的沖刷，同時給河道生態(tài)系統(tǒng)提供更多的生物棲息地環(huán)境。

(4)以自主修復(fù)為基礎(chǔ)采取適當(dāng)生態(tài)修復(fù)措施。對于堰塞湖災(zāi)區(qū)的生態(tài)修復(fù)應(yīng)盡量在地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)可承受的范圍內(nèi)，以植被自主修復(fù)為基礎(chǔ)，選擇貼近區(qū)域植物分布的綠化物種進(jìn)行人工栽植。另外，針對岸坡破壞嚴(yán)重的區(qū)域可采用適當(dāng)?shù)墓こ檀胧热缁炷量蚋?、人造臺地等來穩(wěn)固岸坡新增土壤[13]。

4 結(jié)語

本文通過多種途徑搜集堰塞壩案例信息，建立了包含堰塞壩基本情況、滑坡情況、壩體情況、堰塞湖情況、致災(zāi)情況等5個模塊的大型堰塞壩數(shù)據(jù)庫。通過特征統(tǒng)計與關(guān)聯(lián)性分析得知，夏季是堰塞壩頻發(fā)的高危季節(jié)，混合因素形成的堰塞壩相較于單一因素形成的堰塞壩結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。本研究能夠為全面了解堰塞壩特征，研究其發(fā)展規(guī)律和致災(zāi)機理等工作提供一定參考。但堰塞壩數(shù)據(jù)庫具有一定時限性，還需進(jìn)一步關(guān)注堰塞壩災(zāi)害，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行補充。未來可基于不斷更新的堰塞壩數(shù)據(jù)庫建立更高精度的參數(shù)統(tǒng)計模型。