中国水库大坝失事统计与初步分析

中国水库大坝失事统计与初步分析何晓燕1王兆印1,2 黄金池1丁留谦1(1中国水利水电科学研究院, 北京, 100038, 2 清华大学, 北京, 100084)摘要：利用1954-2003年50年的全国溃坝统计资料（台湾除外），得出溃坝事故的时间空间分布规律，采用能谱分析、气候状态图对溃坝事故的周期性、溃坝率差别显著的区域进行了分析研究，结果表明水库溃坝事件遵从24年大周期、12年左右小周期的变化规律；在经历了长时间干旱后的大量降水会增加水库安全事故的发生率。

最后对我国垮坝事故原因进行了统计分析，认为导致我国水库失事的主要原因是泄流能力不足和水库质量问题，对于北方水库更是如此。

而对于南方水库而言，超标准洪水亦是导致水库发生安全事故的主要原因之一。

关键词：水库安全, 溃坝事故, 统计分析1. 引言水库大坝作为重要的水利基础设施，在水资源管理、防洪减灾中发挥着至关重要的作用。

随着我国经济发展对水资源需求的增大，其作用也将愈发明显。

水库大坝在发挥重要作用的同时，因其自身安全性所导致的溃坝洪水风险问题，也会给相关地区带来潜在的安全隐忧，尽管事故发生的概率非常小，但其失事后果严重，破坏性大，可能造成巨大的生命、财产和环境损失。

随着我国经济的持续快速发展，人们在对水库依赖性增强的同时，又增加了对水库大坝安全保障的需求，然而，我国水库工程的安全状况并不乐观。

我国一半以上水库建成于20世纪50年代至70年代，大多是在"边勘测、边设计、边施工"中进行的，工程标准低、施工质量差，经过几十年的运行大多已处于病险状态。

据统计，1999年底全国三类水库大坝共有30,413座，其中大型水库145座，占大型水库总数的42%；中型水库1,118座，占中型水库总数的42%；小型水库29,150座，占小型水库总数的36%。

水库大坝的安全问题已经受到人们越来越多的关注。

我国对于水库大坝安全问题的研究最早始于50年代末60年代初，是针对三峡工程的安全问题进行研究，但由于技术、经济等多方面条件的限制，目前大坝的溃坝机理还不很清楚。

本文从统计的角度，利用1954－2003年50年中中国的溃坝事故统计资料（缺台湾），研究了溃坝事故发生的时间、空间分布规律，并对水库溃坝事故进行了能谱分析、气候状态和溃坝原因等方面的深入分析。

2. 已溃水库统计规律2.1 事故数据对于中国溃坝失事的统计先后进行过三次[1]。

本次研究是在第三次统计的基础上，又收集整理了1991－2003年的溃坝事故，共统计有1954－2003年50年中的溃坝事故共3481起，其中大型水库2起，中型水库123起，小型水库3356起。

统计的区域涉及全国除台湾以外的31个省市自治区，暂将重庆市的有关数据涵盖在四川省，未将其单独列出。

2.2 溃坝数随时间变化图1和图2给出了统计结果，由图可见：（1）溃坝事件的发生具有明显的三次高峰期，分别是1959－1962年、1971－1981和1990－1994年；（2）70年代溃坝数量最多，按溃坝数多少进行排序，排在前三位的依次是1973，1974和1975年，对应溃坝数分别达到556座， 396座，291座。

在统计区域内，除西藏、上海无溃坝事故发生外，全国几乎所有省市自治区的溃坝数量最多年份都在70年代（见图2）。

（3）自1982年之后，溃坝数量明显减少。

2.3 溃坝率空间分布本文将溃坝率定义为在某一确定时间内已溃水库数占相应已建水库总数的比例。

按照统计，全国平均溃坝率为4.09%，超过全国平均水平值的有11个省市，位于前五位的依次是山西（39.2%）、新疆（29.0%）、甘肃（28.7%）、内蒙（26.0%）、宁夏（21.4%）。

这表明，北方地区的溃坝率明显高于南方地区。

图3为全国各省市已溃水库数量分布图。

可以看出，在1954-2003年50年间溃坝数量超过200座的省依次为四川省（400座），山西省（287座），湖南省（285座），云南（233座），因此单从溃坝绝对数量来看，溃坝事故多发区既有南方省份，又有北方省份。

图4 全国各省市自治区溃坝率分布以溃坝率16%为界，将省市自治区，用粗实线进行区别标注，再将400mm 年降水量线用粗虚线标注在同一图上（见图4）。

可以看出，除青海、西藏之外，400mm 年降水量线以北的区域及其附近区域的溃坝率明显高于我国东南部地区。

青海、西藏溃坝率低的主要原因：（1）由于这两个省份已建水库少，按照2003年底统计结果，青海省已建水库仅有152座，而西藏的已建水库数为16座；（2）溃坝事故本身是低概率事件。

3. 水库安全趋势分析 3.1 能谱分析能谱分析是基于有限的观测数据寻找其频率成分，探询其活动周期的一种数学处理方法，常用于信号分析。

本文对溃坝数的能谱进行了探讨，溃坝数N 的傅立叶变化公式为：()()dt e t N f a ft i ππ221⎰∞∞-=()()224f a TfE π=式中：a(f)为N （t ）的傅立叶变换，E(f)为频率f 时能量。

能谱定义为：()()()%100⨯∑=f E f E f G 式中：G （f ）代表频率为f 的能量在全部能量中所占的百分比。

对1954－2003年期间全国溃坝数进行快速傅立叶变换（见图5），溃坝数的主要频率成分为0.04 、0.08，对应周期为 24 年和 12年。

因此可以认为，溃坝事故的发生具有周期性，大周期为24年，小周期为12年左右，估计与太阳黑子活动有关。

3.2 气候状态分析气候状态图由Heinrich Walter(1985)提出，是研究陆地植被分布和气候关系的一个工图6 溃坝数能谱密度分布图具，该图包含大量气候信息，如温度和降水的季节变化、干旱和湿润季节的长度和强度等。

其作图方法如下：（1）横轴为月份，左纵轴为多年月均气温（℃），右纵轴为多年月均降水量(mm)；（2）根据中国的气候特点，左右纵坐标轴刻度按30mm月降水量与10℃气温对应；（3）图顶左侧为气象站名，图顶右侧为气象站高程，左上角显示为测站多年平均气温，右上角为测站多年平均降水量；（4）月均气温线用实心圆点标识，多年月平均降水量值以空心圆点标识。

利用该方法分别作出不同气象站气候状态图，选择溃坝率最高的山西省与溃坝率相对较低的湖南省进行比较。

采用湖南的桑植、石门、南县、沅陵、长沙、衡阳、郴州、南岳8个控制气象站和山西省的河曲、兴县、大同、原平、太原、阳泉、介休、临汾、远城、侯马10个控制气象站的长系列降雨和气温资料，气象资料主要来源于中国气象局气象资料中心。

图7、图8为这两省典型水文站的气候状态图。

根据气候状态图，若降水量曲线位于温度线的上方，表明测区气候偏湿润； 若气温高于0℃，则测站区域属于温暖湿润地区；若温度低于0℃，则测站区域属于寒冷地区。

若温度线位于降水量的上方，表明测区气候偏旱。

在季风气候区，我国表现为雨热同期，可能出现上述两者气候状态的过渡类型，旱季降雨量少，温度线位于降雨量线上方，气候状态表现为干冷；雨季降雨丰富，降雨量线分布在气温线的上方，气候状态表现为湿热。

这种气候类型在我国北方表现得极为典型。

比较山西、湖南两省的气候状态图发现，山西省大部分地区在汛期来临之前都要经历2个多月的干旱，而湖南省几乎所有区域的全年降雨量线都在气温线的上方，为湿热型气候状态。

因此，在长期干旱后降水量突然增加是水库安全的重要影响因素。

3.3 已溃大中型水库的坝龄分布在1954－2003年50年中共发生125起大中型水库垮坝事件，图9为已溃大中型水库的溃坝坝龄分布。

可以看出：102030405060ab102030年龄比例（1） 我国已溃大中型水库中超过半数是在施工期发生的。

进一步分析其发生年代，绝大部分的施工期溃坝事故发生在“大跃进”时期，这与我国当时特殊的时代背景有关，1980年之后，再未发生过施工期溃坝事故。

（2） 水库大坝在投入运行10年内即发生溃坝事故的比例很高，在10年之后的溃坝率则相对低很多。

国际大坝委员会对世界范围（中国除外）的溃坝事故进行统计分析，也曾得出有类似的统计结论[1]。

4. 失事原因分析将垮坝失事原因分为漫坝（泄洪能力不足和超标准洪水两种情况）、质量问题、管理不当、其它原因和原因不祥5类。

对全国1954－2003年50年中已溃水库的溃坝原因进行统计，统计结果见图11～图13。

由统计数据和分析以上各图易知，水库溃坝具有以下主要原因：(1)统计数字表明，70年代的溃坝数占1954－2003年50年中总溃坝数的56.4%。

对70年代的已溃水库溃坝原因进行分析表明，泄洪能力不足和质量问题是导致溃坝发生的主要原因。

(2)由图12～图13可以看出，泄洪能力不足和质量问题是导致北方水库溃坝率高的直接原因。

(3)对全国不同省市自治区溃坝原因的分析结果表明，对于部分中原地区和南方地区的水库，超标准洪水亦是导致溃坝事故的主要原因之一。

5. 结语通过前面的统计分析，可以得出以下初步看法：（1）采用能谱分析法，确定出水库溃坝事件遵从24年大周期、12年左右小周期的变化规律；（2）统计数字表明：沿着400mm年降水量线以北及其附近区域溃坝率明显高于该降水量线以南地区；（3）采用气候状态图对溃坝率最高的山西省和溃坝率低的湖南省进行比较分析，表明：在经历了长时间干旱后的大量降水会增加水库安全事故的发生率；（4）统计分析表明，我国发生垮坝失事的水库中有96.4%是小型水库，导致我国水库失事的主要原因是泄流能力不足和水库质量问题，对于北方水库更是如此。

而对于南方水库而言，超标准洪水亦是导致水库发生安全事故的主要原因之一。

致谢：感谢原国家防汛抗旱总指挥部办公室黄朝忠巡视员和中国水利水电科学研究院防洪减灾所李昌志博士在本文写作和资料收集方面的支持与帮助。

参考文献[1] 汝乃华, 牛运光. 大坝事故与安全• 土石坝(M) . 中国水利水电出版社, 1997.2.致谢：感谢原国家防汛抗旱总指挥部办公室黄朝忠巡视员和中国水利水电科学研究院防洪减灾所李昌志博士在本文写作和资料收集方面的支持与帮助。

作者简介何晓燕：女，1971年出生，在职博士生，从事水库安全、洪水管理等方面的研究；地址：北京市海淀区玉渊潭科技园，中国水利水电科学研究院防洪减灾研究所，邮编：100038；电话：（010）68781798。