气候变化对尾矿库工程防洪安全的影响

沈楼燕

(1.武汉大学经济与管理学院，湖北 武汉 430072;2.中国瑞林工程技术有限公司，江西 南昌 330002)

1 气候变化对降水、暴雨及洪水的极值的影响

(1)全球气候变暖导致极端降水事件呈频数增多、强度增大趋势

全球气候变暖导致水文循环过程加快，总降水量增大的区域，其强降水事件有明显增加的趋势；即使平均总降水量减少或不变的区域，也存在着强降水量及其频率增加的现象。[1]全球范围内的观测数据表明：在过去的40年中洪水发生的频率呈上升趋势。[2]美国、日本、加拿大、英国、挪威、南非、巴西以及前苏联等地区，降水和强降水长期特征变化的研究成果均支持上述结论。[1]英美科学家的研究表明, 全球气候变暖将引发更多像洪水这样的严重自然灾害；研究还发现, 由于全球温度继续升高, 未来洪水发生的频率还会更高。[2]

我国自20世纪90年代以来开展的对极端降水事件变化、极值暴雨和极值洪水的研究成果表明：20世纪80年代以来，除华北外，我国暴雨极端事件出现频数明显上升、强度增大趋势，华南和江南地区尤其明显；长江中下游地区降水呈增加趋势。微量降雨事件普遍减少，尤其是北方地区。以长江流域为例,1961～2000 年洪水发生频率的上升主要由增加的夏季降雨导致; 受中下游降雨和个别暴雨时空分布的影响,该地区的洪水流量显著增加, 从而加重该地区的洪涝灾害。[2]

(2)我国暴雨极值呈增高加大之势

近20年来，全国大批雨量站的特大暴雨记录被刷新，短历时点雨量实测和调查的极值接近或达到世界最高记录：如陕西省宽坪调查暴雨1300mm/6～7h( 1998年7月)超过了以往的世界纪录；河南省林庄实测暴雨830.1mm/6h(1975年8月)和台湾阿里山实测暴雨1748.5mm/24h均接近世界最高纪录；广东省湛江幸福农场实测暴雨1146.8mm/24h( 2007年8月)是目前大陆24h实测最大值。[3]

最大点雨量发生年代变化：较长历时最大雨量的年代最高值均发生于20世纪60年代，而南方在90年代出现第二个高峰期，西部地区后期(70～90年代)明显多于前期(50～60年代)。

长历时暴雨的年代际变化较大，60年代和90年代出现了2个最多站数。

(3)我国洪水极值近年呈增大趋势

20世纪100年中,30年代、50年代、60年代、90年代为暴雨、洪水极值高发期。南部(长江南部、华南及西南国际河流)发生特大洪水以60年代、90年代最频。[1]

近年来，我国国民经济每年以10%左右的速度递增，在经济高速发展的带动下，钢铁、有色金属和水泥等主要原材料工业扩张迅速，随着金属非金属矿山采选业的迅速发展，尾矿库的安全问题日益显现。截至2009年9月，我国现有尾矿库26000余座，[4]每年尾矿排放量约6亿t，以300座/a的速度在新增尾矿库。四等及四等以上的尾矿库被国家安全生产监督管理总局定为“重大危险源”，尾矿库防洪工程安全与否直接影响到周边地区人民生命和财产的安全及环境安全。全球气候变暖对降水、暴雨和洪水的极值产生了一定影响，而暴雨、洪水的极值趋于增大的变化将影响我国尾矿库工程的防洪安全，因而开展气候变化影响尾矿库防洪安全的相关研究很有必要。

2 极端降水事件对尾矿库工程防洪安全的影响

(1)气候变化对尾矿库工程防洪设计标准及运行规程的影响

在气候变化背景下,尾矿库工程的设计需要考虑以下一些问题: ①气候变化引起尾矿库汇流区域内降雨和径流的变化, 将影响汇流区域的设计暴雨和设计洪水,即影响到尾矿库工程的防洪设计标准；②气候变化和变异将可能加大极端水文气候事件发生的频次和强度, 引发超标准洪水,[2]不仅影响尾矿库工程的防洪设计标准，而且影响尾矿库工程运行规程的设计和编制；③暴雨强度和暴雨次数的增加, 可能引发地质灾害的发生和加大泥沙冲淤从而影响尾矿库工程安全和寿命。

(2)我国尾矿库在地域上的分布特征及部分尾矿库库址的特殊性决定了必须重视气候变化对尾矿库工程防洪安全的影响

依据国家安全生产监管总局2008年的统计数据，我国共有尾矿库12655座，其中，分布在江南、华南、西南地区的尾矿库计5219座，占全国的41%，并且这些地区的尾矿库还在以150～200座/a的速度在新增。因此，这些区域的尾矿库尤其需要考虑极端气候对防洪安全的影响。特别需要指出的是，因为历史的原因，我国尾矿库下游大都为人口密集区、城镇或大型工厂企业，部分尾矿库库址的选择非常不合理，甚至极其危险，好比是一把悬在这些厂矿及群众头上的达摩克利斯之剑。这种库址极其特殊的尾矿库，应考虑极端洪水、暴雨事件对尾矿库防洪安全的影响，极有必要提高尾矿库的防洪设计标准。

(3)尾矿库排洪系统的工作特点及其安全重要性，也决定了必须高度重视气候变化对尾矿库安全排洪的影响

尾矿库的排洪系统与水库的排洪系统有所不同，尾矿库的排洪系统不仅要安全及时地排出库区的尾矿澄清水和洪水，而且要确保不让尾砂从排洪系统泄漏——俗称“跑浑”或 “跑黑”，即排洪不排砂。其排洪系统通常由进水构筑物和排水构筑物两部分组成。进水构筑物最大的特点是随着尾矿坝不断堆积升高，相应向库后延长及抬升，不断调整进水口高程及进水位置，以保证库内的澄清距离，从而不让尾砂从排洪系统泄漏。当尾矿库使用至中、后期，排洪系统的大部分构筑物都将被尾砂掩埋，上覆堆积尾砂高度少则几十米，多则上百米。尾矿堆积坝这种独特的筑坝工艺决定了尾矿库的排洪系统对于尾矿库的安全稳定性具有十分重要的作用，[5]若排洪系统一旦出现排泄不顺畅或排泄不力，则对尾矿库造成的危害非常大，洪水积蓄导致洪水位升高，从而会导致漫坝溃坝、尾矿堆积坝坝坡滑坡失稳等重大灾害。根据有关统计资料显示，国内尾矿库病害事故中，排洪系统的病害事故占33.3%，洪水漫顶的占44.4%。[6]我国有色金属矿山因排洪系统失事引起灾难的几乎占整个尾矿库事故的50%。因此，必须高度重视气候变化导致的极端降水事件对尾矿库安全排洪的负面影响。

3 将“最大可能洪水”引进尾矿库工程防洪设计标准领域的必要性

目前，我国尾矿库工程防洪设计标准的选取主要依据《选矿厂尾矿设施设计规范》(以下简称《规范》)执行，虽说“综合考虑库容、坝高、使用年限及对下游可能造成的危害等因素”[7]选取防洪设计标准，但主要还是依据尾矿库的等别来确定，仅仅对于“贮存铀矿等有放射性或有害尾矿，失事后可能对下游环境造成极其严重危害的尾矿库，其防洪标准应予以提高，必要时其后期防洪可按可能最大洪水进行设计”。前文提到的德兴市铅锌矿尾矿库为例，依据其库容、坝高可将其初定为四等库，设计者鉴于该尾矿库库址的特殊性，特别将该库的等别升高了一等，定为三等库，依据《规范》其设计洪水重现期中后期可取200～500年一遇。笔者认为：全球气候变暖导致极端降水事件的加频，暴雨、洪水极值屡创记录高值，对于失事后可能引发重大灾害的尾矿库，其防洪设计标准的选取时应当引进最大可能洪水(PMP)概念，以防止尾矿库遭遇极端暴雨形成的超标准洪水时出现排洪不力导致的漫坝、溃坝事故，这个概念适用于库址具有安全、环保方面的特殊性的所有尾矿库，而不仅仅受限于“贮存铀矿等有放射性或有害尾矿”的尾矿库。据资料反映，美国尾矿库的洪水设计标准高：最低标准为百年一遇洪水，大中型库均需按最大可能洪水(PMP)或二分之一最大可能洪水进行设计。[8]在我国，也不乏采用最大可能洪水(PMP)进行校核设计的工程实例。例如江西铜业公司武山铜矿老尾矿库毗邻赤湖，赤湖是瑞昌市最大的淡水养殖基地，为了确保该尾矿库的建设运行不对赤湖淡水养殖基地构成破坏，武山铜矿老尾矿库的防、排洪系统设计标准，采用了最大可能暴雨进行校核。

以德兴银山铅锌矿尾矿库为例，采用不同的防洪设计标准计算得到的设计暴雨值相差程度见表1。

表1 不同洪水设计标准的设计暴雨值比较表

从表1可以看出，若考虑最大可能洪水标准计算的设计暴雨值，将是常规设计洪水标准(500年一遇)的2.43倍，相应尾矿库排洪系统的防排洪能力应调整至原有标准的2.43倍。PMF对应的洪水重现期可能大于万年一遇，但是有些地区也低于万年一遇重现期洪水。PMF若按美国传统的方法推求，与万年一遇洪水之间没有什么固定的关系，从美国东部、中部和西部随机抽取的18座工程来看：有9座PMF小于万年一遇洪水，有7座的PMF大于万年一遇洪水，有2座的PMF与万年一遇洪水基率相等。[10]

4 结语

尾矿库防洪工程安全与否直接影响到周边地区人民生命和财产的安全及环境安全。以全球变暖为主要特征的气候变化是不争的事实。气候变化将会对尾矿库防洪工程的设计、运行和自身安全产生一定的影响。因此，必须未雨绸缪，加强气候变化对尾矿库防洪工程安全影响的科学评估、减缓影响和适应性对策等方面的研究，为保障我国尾矿库工程安全提供科学的技术支撑。

[1] 刘九夫, 张建云, 关铁生.20世纪我国暴雨和洪水极值的变化[J].中国水利，2008，2(2): 35-37.

[2] 贺瑞敏, 王国庆, 张建云, 刘九夫.气候变化对大型水利工程的影响[J].中国水利，2008，2(2): 52-54, 46.

[3] 水利部水文局, 南京水利科学研究院, 中国暴雨统计参数图集[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2006: 87-110.

[4] 沈楼燕,李海港.关于尾矿库防渗土工膜渗漏问题的探讨 [J]. 有色金属(矿山部分),2009,(3):71-72+74.

[5] 沈楼燕. 关于尾矿库排洪系统设计中的问题探讨[J].有色金属(矿山部分),2003,(3): 38-40.

[6] 徐宏达. 我国尾矿库病害事故统计分析[J] 工业建筑，2001，(1)：69-71.

[7] ZBJ1-90，选矿厂尾矿设施设计规范[S]. 1991.北京：中国计划出版社，主编部门：中国有色金属工业总公司.国家行业标准.14-15.

[8] 汪贻水. 美国矿山企业的尾矿管理[J]. 世界有色金属，2008,(2): 55-58.

[9] 江西省暴雨洪水查算手册编写组.江西省暴雨洪水查算手册，1986，江西省水文总站，94-98.

[10] 王国安.中国设计洪水及标准问题[J].水利学报，1991,(4):68-76，78.