第2章 水库致灾因素挖掘与致灾模式分析
2.1 概述
突发山洪极易引起库区水位骤涨骤落，以及触发库区滑坡、泥石流等多种灾害，危及水库大坝安全。而这些灾害在水库大坝自身的多种复杂环境综合作用下，易导致大坝渗漏、管涌、过大变形、坝坡滑坡失稳等险情，最终可能导致水库大坝溃决发生，危及到水库下游安全。山洪易发区水库工程与山洪灾害的关系主要体现在两个方面：一方面，水库工程是小流域山洪灾害的主要承灾体，区域性山洪极易引起库区水位骤涨骤落，以及触发库区滑坡、泥石流等严重地质灾害，同时洪峰通过大坝时，水库的“削峰”作用又可以有效降低山洪灾害对下游地区的影响，降低人员伤亡和经济财产损失，减灾意义重大；另一方面，由于分布于山洪易发区的大量中小型水库受制于特殊的地形地势、建造过程及运行维护等原因，存在不同程度的病险隐患，在遭遇极端气候条件下超标暴雨洪水、融雪洪水时，水库就有溃决风险，此时水库工程从承灾体转变为致灾体，大坝一旦溃决，更将会带来难以预估的人员伤亡及经济财产损失。此外，病险水库除险加固是近年来水利中心工作之一，经过除险加固的水库工程一般都建立了相对完善的安全监测系统，使其在山洪灾害预警与减灾过程中发挥更重要的作用。开展山洪灾害特征与水库致灾因素挖掘技术研究，对山洪易发区水库致灾模式与路径进行系统分析和识别，是水库监测与预警研究的出发点和基础。本章从山洪灾害的特征出发，分析了山洪致灾的机理，从承灾体和致灾体两种角色论述了山洪对水库的影响，挖掘了致灾因素，重点分析了我国中小型水库溃坝类型和溃决原因，进一步提出了山洪链式致灾模式。
近年来，强暴雨、强台风等一系列极端天气气候事件严重影响了经济和社会发展。以2013年为例，全国洪涝灾害致1.2亿人受灾，775人死亡、374人失踪，直接经济损失3146亿元，占当年GDP的0.55%，致120座大中型水库、1149座小型水库损坏，有6座小型水库因超标准洪水垮坝，水利设施损失446.56亿元；共有9个台风登陆我国，台风引发全国大范围强降水，致使我国遭受自2006年以来最为严重的经济损失，其中强台风“尤特”“天兔”“菲特”等造成的直接经济损失高达1082.32亿元，占当年全国洪涝灾害直接经济损失的1/3；同时，由强降雨引发局地山洪灾害致560人死亡，占洪涝灾害死亡总人数的72.3%。
我国山洪灾害的研究工作开始于20世纪80年代末。在山洪灾害的成因方面，研究者普遍认为［1－9］，造成山洪灾害的主要原因是暴雨、地形及地质构造，次要原因是人为因素。山洪灾害区划类型与自然灾害区划类型相似，但也有特殊性。在山洪灾害区域特征和区划研究方面，根据研究思路的不同，山洪灾害区划类型有所差异。20世纪90年代后，许多学者对我国山洪灾害区划和识别方法开展了研究。赵士鹏等［10］通过综合分析将我国划分为6个山洪灾害特征一致性区域，并给出了山洪灾害危险程度的排序，依次是中部区、东南区、西北区、青藏区、东部平原区和内蒙区。将我国划分为3个一级区，8个二级区。一级区是指重要经济社会区内高易发降雨区和山洪灾害高灾害区、高易发降雨区和山洪灾害中灾害区、中易发降雨区和山洪灾害高灾害区；二级区是指重要经济社会区内中易发降雨区和山洪灾害中灾害区；一般防治区为除去一级、二级区之外的防治区。张平仓等［11－15］分析了我国山洪灾害的成因和区域分异特征，从降雨、地质地貌和人类社会活动等方面分析了山洪的成因，综合分析了山洪灾害的空间和时间分布特征，提出按各种成因划分不同的类型区，对全国山洪灾害防治区进行区域划分，将全国山洪灾害防治区划分为3个一级区和12个二级区。唐川等［16］利用GIS对地形坡度、暴雨天数、河网缓冲区、标准面积洪峰流量、泥石流分布密度和洪灾历史统计6项因子进行了分析和叠合评价，完成了红河流域的山洪灾害危险评价图；以人口密度、房屋资产、耕地百分比、单位面积工农业产值作为指标进行了易损性分析，将危险评价图与易损性图进行叠加分析，完成了红河流域的山洪灾害风险区划图。管珉等［17］应用地理信息系统技术，以江西省分县小流域地理底图为基础，对影响山洪灾害形成与发展的暴雨气候、地形坡度、河网分布等因子进行分析和叠加，完成了江西省山洪灾害危险性评价图，以人口密度、GDP、耕地面积作为指标进行易损性分析，完成了江西省山洪灾害风险区划研究。张茂省等［18］分析了陕西省山洪灾害相对集中性、成片成带分布的地域特征，多期性和同期群发性的时域特征，根据山洪灾害的分布位置与强度以及承灾体的特征进行山洪灾害的三级防治区划，从北向南，将陕西省划分为18个山洪灾害重点防治区、14个次重点防治区和一般防治区。李永红［19］以陕北风沙高原和黄土高原、陕南秦巴山地为一级区划，以小流域为单元再次划分，形成陕西省山洪灾害二级区划18个区。王仁乔等［20］统计分析了湖北省历史上山洪灾害，分析了山洪灾害的时间和空间分布特征，提出了山洪灾害临界雨量综合计算方法，对山洪灾害临界雨量与不同频率的设计雨量及其他一些暴雨参数值进行综合分析，确定了湖北省山洪灾害降雨区划。黄理军等［21］分析了湖南省山洪灾害的成因，主要考虑降雨、地形地质与社会经济等3方面，根据山洪灾害的分布位置与强度以及承灾体的特征，按重点防治区、次重点防治区和一般防治区3级进行山洪灾害的防治区划。宫清华等［22］应用水文模型和GIS技术相结合的方法，绘制了广东省梅州市松岗河小流域山洪灾害易发区图，结果表明该方法能够快速有效模拟特定降雨量条件下小流域山洪淹没范围的空间信息。
针对水库灾害多种特征，大量学者分析研究了水库的致灾因素。顾淦臣［23－24］较早对板桥水库、石漫滩土坝、沟后面板砂卵石坝、美国提堂坝等土石坝失事和事故的原因进行了详细分析，得到了影响土石坝安全的主要因素，以及设计、施工、验收、运行管理环节对大坝安全的影响。刑林生［25］对1961—1998年国内发生的21起水电站大坝事故进行了回顾与分析，提出设计失误、施工隐患、运行管理的差错都会对大坝安全产生影响。马永峰等［26］对大坝坝基破坏因素进行分析，指出坝基地质缺陷或处理不当是引起坝基破坏的主要原因。汝乃华等［27］通过对国内外各种类型的土石坝事故系统分析和统计，指出土石坝失事破坏的主要原因是漫坝、质量问题、管理不当和其他原因。李宗坤［28］通过对我国水库大坝破坏统计资料整理分析，提出了对大坝结构安全造成影响的因素有地质基础情况、地震强度、超设计洪水、恶劣运行环境等。
在这些研究的基础上，针对主要影响因素，大量学者做出了更进一步的深入研究。在漫顶破坏方面，韩瑞芳［29］通过分析水库设计程序要求以及水库来水过程，得出土石坝漫顶破坏的主要影响因素有入库洪水、库容、风浪因素、泄水能力和溢洪道与闸门故障。在渗流破坏方面，牛运光［30］分析了南城子、西斋堂土石坝的坝基坝身渗漏事故，得出了地质条件差、筑坝材料差、铺盖质量差、基础处理不好是导致水库渗漏的主要原因。姜树海等［31］在众多土石坝渗流破坏原因统计分析基础上，从渗流风险的不确定性出发，得出影响土石坝渗流变形的影响因素有作用水头、降雨、土的物理力学指标、坝基与坝身土层分布和结构尺寸、施工质量等。此外，在大坝的裂缝、滑坡、失稳变形等致灾因素方面也有一些研究成果，多位学者针对土石坝裂缝的产生原因进行了分析，指出应力引起的不均匀沉降、心墙水力劈裂、岸坡坡度过陡、压实质量、含水量与固结程度等都是较为重要的因素［32－34］。古新蕊［35］从外因和内因两个方面对尾矿坝稳定性影响因素进行了分析，讨论了库水位、干滩长度、下游坡比、材料的黏聚力、内摩擦角对坝体安全系数的影响。
国外对山洪的特征和影响因素的研究开始较早，近些年来有关山洪灾害的监测、预警、灾害以及风险评估等方面的研究越来越深入。Azmeri等［36］采用加权叠加技术，通过GIS建立预警模型，提高了在没有测量设备流域的洪水预报能力，同时也分析了洪水的诱发因素，包括洪峰流量、坡度、流域形状、流梯度、筑坝、河网密度、侵蚀、边坡稳定和储层体积等。Catane等［37］研究了菲律宾阿克兰地区的山洪特征，计算了洪峰流量的差异和延迟到达时间对大坝破坏和险情的影响，对山洪风险评估的影响进行了讨论。Modrick等［38］研究了美国加利福尼亚南部山区的小流域洪水发生的变化，综合气象建模、水文和地貌要素的综合建模方法来分析山洪发生系统，将区域基础上的高空间和时间分辨率应用于山洪灾害的监测预警，研究了降水事件、降雨强度和初始土壤饱和度的不同组合情况，对山洪发生的影响。Ballesteros－Cánovas等［39］利用历史洪水活动对西班牙瓜达拉马山脉山洪特征进行了分析，研究发现山洪的降雨阈值随降水事件的季节性变化，并受到北大西洋气团的影响，研究结果有助于更好地理解与西班牙中部的水文地貌过程有关的山洪危害特征。Penna等［40］总结了欧洲山区的山体滑坡、泥石流和山洪灾害的总体情况，介绍了欧洲山区地理灾害管理系统的数据编译策略、数据库的内容，并给出了数据分析结果。Naulin等［41］提出了一种分布式水文气象预报方法，利用高空间分辨率和时间分辨率的降水估计，对无资料地区进行水文气象预报，建立的预报系统最初用于小区域检测道路淹没风险，后扩展到整个法国南部区域，包括超过2000个河流和道路交叉点的洪水事情管理服务。Tao等［42］介绍了定量山洪的灵敏度估计（QFE）、定量山洪预测（QFFs）、定量降水估计（QPEs）和定量降水预报（降雨）在三水源集水区不同地形地貌特征下的山洪预报技术，适用于短暂的山区强降雨的预报，提出空间分辨率的提高对QFE、QFFs和QPEs预报技术的发展至关重要。Ruiz－Villanueva等［43］研究了无资料或缺乏衡量流域的洪水灾害评估的不确定性（MCMC）方法，计算结果中包括无资料流域的洪水频率、严重程度、季节性和触发因素（天气气象情况），研究表明重建的数据系列可以减少不确定性。Mazzorana等［44］为了解决山洪风险评估大量的不确定性，提出了基于专家方法开展山洪灾害的风险评估分析，作为理论的补充，通过嵌入例子验证方法的适用性。Llasata等［45］对加泰罗尼亚1981年的洪水和降水演变进行了深入的分析，对219个洪水事件（主要是山洪事件）进行分级，79个是普通的，117个是非凡的，23个是灾难性的，19%的事件共造成110人伤亡，分析了降水、人口密度和经济因素的演变对山洪灾害的影响。Penna等［46］总结了欧洲地区坡面径流强降雨驱动的水文响应机制发展历程，介绍了集水区坡面径流强降水响应水文机制的概念，分析了欧洲历史上一些极端的山洪事件的径流特性；研究中提出了山洪灾害的气候设置概念，并分析了在前期饱和条件下，径流系数的分布对山洪灾害的影响。Garambois等［47］深入研究了比利牛斯山麓到奥德地区流域的洪水引发风暴的水文反应，描述了山洪引发不同时间和空间尺度的风暴；研究表明基于特定的空间和时间尺度的降雨发展，雷达监测和雨量站监测是相关的；研究发现土壤初始饱和度的增加会促进更快的流域洪水响应，约缩短3～10h；研究人员还建立了一个集成了丰富物理基础信息约束的分布式模型，并提出了流域降雨分布网络诊断指标。
综合上述研究可知，大量学者针对山洪灾害及水库大坝致灾因素进行了分析，然而由于水库大坝致灾因素复杂多样，且各种关键因素随水库大坝所处环境及自身特点不同而有所区别。针对山洪易发区水库致灾特点，还需要考虑到降雨、山洪、泥石流及大坝运行性态等多种水库致灾因素，并结合山洪易发区突发洪水的影响，实现水库致灾因素的分析研究；分析水库致灾因素，总结关键致灾因子，是水库致灾预警指标确立和建立指标体系的基础。