低水头坝引发的安全问题

［美国］S.普里查德

2011年1月18日，丹维尓市议会对拆除弗吉尼亚州丹河上的布兰特利水坝进行了表决，一致通过了拆除这座具有60a历史的低水头坝的决议。这座水坝最初是为布兰特利热电厂提供水源而修建，坝高1 m，长153 m，目前已废弃。

在拆除水坝的议程中，环境问题并不是考虑的主要因素，而是2010年4月一个5岁男孩的溺水身亡。这一事件引发了对低水头坝安全措施的反思。在过去的45 a中，布兰特利水坝曾发生过4起溺水身亡事件。这些事件并不是孤立的，在美国其他低水头坝中，类似事件还发生过多起，甚至有些人将低水头坝贴上了“溺亡机器”的标签。

1 潜在危险

许多专家提醒，低水头坝麻痹了游客，使人们对其安全性产生错误认识。由于规模小，其潜在的危险性并不显现，特别是当你乘座小船或独木舟从上游来看，这种感觉特别真切。夏天，水从坝顶缓缓流过，这里是供人们消遣娱乐的好场所。然而低水头坝具有欺骗性。大坝本身并没有危险，引起问题的是其所产生的尾水水力学。

有份报告指出:当超临界水流(高速水流)流过低水头坝下游陡坡，并进入尾水渠的亚临界水流(低流速)状态时，在低水头坝下会产生水跃(水沸)。水跃通常看起来象是跃起的巨浪或是“滚筒”，是能量释放的表现形式。然后，水流向上游反流向水坝，以漩涡流的形式吸入空气、漂浮物甚至人。这些水跃的形状、大小和位置是变化的，取决于上游水流条件。

低水头坝在河水径流量大时更危险，并且对于受害者来说，那里还存在着其他潜在的危险，包括:

(1)坝坡通常是陡立的混凝土结构，这使受害者很难从这里爬上来。

(2)液压吸入的树枝及其他漂浮物对受害者是另一种危险。

(3)水温低会减少落水者的幸存时间。

(4)混合在水中的气泡使水的浮力减少了1/3，即使受害者有漂浮设备，也很难一直漂浮在水面上。

根据上述因素，结合水流条件，便可确定一个所谓的完全“溺亡机器”区域。

美国激流协会在报告中指出，低水头坝导致的溺水身亡人数占流水中溺水身亡总人数的10%。几乎所有的受害人都是经验不足的涉水者，有些人不知道水坝在哪儿，有些人知道水坝在哪儿却还是我行我素。

在美国，低水头坝已经导致了许多死亡事件的发生。许多低水头坝的设计方案使其形成的水流会牢牢地抓住涉水者和小船，使他们根本无法逃脱。来河水中游玩的人，不管是有意还是偶然来到这样的水坝，常常会被水流吞噬而溺死在水中。受害者不是不知道大坝的存在或具体位置，就是没有意识到大坝下存在的潜在危险。

1974年以来，明尼苏达州的低水头坝已经导致25人死亡，另有22人受伤或被救。这些受害者有的是乘船人，有的是独木舟撑船者，还有的是游泳者或渔民。明尼苏达国家自然资源管理部门的船舶和水域安全专家曾解释说，乘船人和独木舟撑船者之所以陷入困境，是因为在他们开始旅行之前没有足够地了解关于该河段的有关信息。从水坝下游进入水中游泳和在水中戏水的人特别容易受伤，他们完全不了解水坝真正的危险性在哪儿，尤其是小型的低水头坝，因为危险与水流的动力特性有关。

2 安全防范

清醒地认识到低水头坝的潜在危险性似乎是避免悲剧发生的关键，美国激流协会对涉水者的忠告非常明确:在坝上游上岸，从陆路绕过水坝，到坝下游安全的水域再下水。这是那些涉水者必须学习的首要内容之一，而且一定要认真对待。那些没有经验的涉水者以及没有接受过培训和辅导的人对这一点完全不知道或不理解，而那些不知情的涉水者更危险。

那么，对于那些无视警告的游人，应当在河边和水坝上游适当地设置警示标志非常必要，警告他们水坝的具体位置及其危险性。标志明显、维护良好的绕行便道也是必要的。

1999年，宾夕法尼亚环境保护部通过一项立法，要求低水头坝主们必须设立警示标志和航标。如果坝主们不安装或保持这些警示标志，将罚款250～5000美元。与此同时，未经授权擅自进入水坝禁区的人也将被罚款。在美国马里兰州，弗吉尼亚州和俄亥俄等州都有类似的法规。

确保对这些警示标志和警示公告有效地进行维护同样重要。为此要做到下面几点:

(1)经常性地检查这些警示标志是否完好无损地存在。

(2)采取预防措施减少破坏警示标志的行为发生。

(3)及时修理或更换被损坏的警示标志和航标(应有备用的警示标志和航标)。

(4)检查标志的反射性。

(5)建立报告制度，方便员工或游客报告需要修复的警示标志。

然而，这种方法并不是那么简单，实际上，要安置和维护这些警示标志和航标是不容易的，这些警示标志和航标非常昂贵，需要成千上万美元。为了醒目，这些警示标志必须安置在岸边，这就意味着它们有被洪水冲走的可能。

不幸的是，许多事故发生在高水位期或者是警示标志和航标被冲走之后不久。为防止警示标志被洪水冲走，可以将警示标志安装在上游桥上，安装在这里的警示标志很少被冲走。

在明尼苏达州，发现图片警示标志比纯语言性的警示标志更容易被游客接受，在这些图片警示标志，采用图示的方式真实地展示了水坝漩涡流产生的原理。将这些图片警示标志安装在水坝上下游，游人无论是从水坝的上游还是下游向岸上望去，都能明显地看见这些醒目的图片警示标志。自从安装这些图片警示标志后，溺水死亡事件明显地减少了。

明尼苏达州的经验表明，在水坝上游设置航标有助于减少过往船只和独木舟被水流卷入漩涡中。在过去的5 a中，那里的低水头坝没有发生过致命的溺水事件。

类似事件也发生在加拿大艾伯塔省的弓河坝。该坝1975年建成后，在接下来的7 a中有8人溺水身亡。大坝管理者采取了许多措施，包括采用不同种类的图片警示标志设置多层次的预警系统。为了缩短绕坝线路，设置了两条航标线，同时也消除了游人将船划向坝前的冲动。1982年，该地区成立了水坝安全委员会。

弓河坝的做法给其他地方的水坝主和管理者树立了一个典范。一个理想的安全措施应该和常识性的规则、强制性措施以及广泛的社团培训计划相衔接。主要包括如下几个方面:

(1)所有的乘船人都必须穿戴救生衣或救生圈。遗憾的是，只要求有救生设施是不够的，还必须有一个强制措施，确保广大民众能遵从。

(2)详细讲解在水上酗酒和吸食毒品的危险性。

(3)通告水温高或低的极端情况。一个简单的方法就是用不同颜色的旗子来表示不同的风险程度，美国许多海滩都成功地采用了这样的方法。

(4)安全警告应包括:脚易下陷的区域和在激流区中选择正确的游泳位置。另外，当决定下水时，通过水声来判断是很重要的，还需要穿着合适的服装。

最后，应把对民众的教育作为重要策略。通过媒体对民众公布所有的信息，并到学校去传授河流安全讯息。

3 设立大坝风险警示标志

大坝主们可以通过地方报纸发布安全信息，与地方水上救援队开展救生训练，进行宣传教育活动等，还可以在当地的渔具商店和游船码头发放安全手册。他还指出，仅有宣传教育和警示标志是不够的，由于低水头坝周边存在着危险，大坝管理者还必须具有水坝公共安全意识，持续不断地提醒人们有关低水头坝的危险性。

即使安全措施非常完备，但仍然避免不了悲剧的发生。至今，加拿大弓河坝已有14人溺水身亡。只要低水头坝存在，无论警示标志和航标设置的多么好，也是潜在的致命危险源。与已停止运行的弗吉尼亚布兰特利坝不同的是，弓河坝是西部引水工程中的一部分，1975年建成以来，就起着向西部灌区供水的至关重要的作用。在这里，像布兰特利坝那样拆除水坝的做法是不予以考虑的。

4 降低风险的措施

水坝可以不具危险性，对水坝的消能和防护进行专门设计可以改善坝后水流。工程师们还可以创建新的坝型来消除水坝一些不利的特性，现存的大坝也有改良的余地。

遗憾的是，多年来弓河坝已经发生了严重的溺水事件，夺去了几个人的生命。而现在为了降低水坝的危险性，该公司正筹划一项工程计划，该工程于2008年开工，计划2011年10月竣工，工程预算为1640万加元，工程项目正在按预定计划和预算实施。

该工程主要目的是使非机动船能顺利通行，在保持供水功能的同时拓宽鱼道，主要包括修建一条低水头渠道供船只通行，修建一条高水头渠道供有经验的船只通行。中隔岛将两条渠道分开，在每条渠道内设置一系列卵石结构的跌水和聚水池，二者相结合产生需要的水流条件。水坝的改造工程将包括在水坝的特定位置开凿供小船和鱼类通行的水槽，增加混凝土充填物，改变S型剖面形状来提供需要的水流条件。目前，水坝上下游水位差1.5 m。而当混凝土充填物建成后，水位差将减少到300mm以下。

因此，一个好的设计方案能够显著减少低水头坝对公众产生的危险。

低水头坝的水力特性可能对游客存在着潜在危险。在某些情况下，改建工程或拆除大坝都可以作为预防溺水死亡事件发生的解决途径。尽管如此，有效的公共信息系统有必要保持下去，以确保有效的安全设施得到维护。然而，这些并不是万无一失的。

划船和水上娱乐的人需要了解大坝的危险性，应按照警示标志和航标的提示远离危险区域。在过去的23 a里，明尼苏达州在坝区溺水死亡的人数已经减少了许多。

水坝拥有者和公众对坝区溺水事件都负有责任。如果每一个人都将安全放在首位，娱乐活动只不过是水坝能继续提供的各种功能之一。