气候变化下小型坝的防洪安全

［布基纳法索］ A.诺波瑞

1970～1980年期间非洲萨赫勒区遭受了严重干旱，不但导致了牲畜、经济财产损失，还导致了饥荒。20世纪80年代以后该地区降雨有所增加，但并没扭转其经济衰退趋势。最近10 a由于经常发生高强度的日降雨量，导致小型土坝发生漫顶垮坝事件，这已成为政府部门、工程界、民众面对的新挑战。这些小型坝大多建造于严重干旱的70年代以后，对于村庄和农村社区是非常重要的。因为干旱季节通常会持续达6～9个月，很多情况下这些小型水库是他们干旱季节唯一的水源。这些水库在雨季储存水量供旱季使用，也可用于小规模的灌溉、牲畜饮水，以及包括房屋建造在内的家庭用水。

1 雨型

布基纳法索的雨量站测量和降雨量记录约有100 a的历史，但还不能确定20世纪70年代国内严重干旱事件发生的概率值。

1.1 年降雨趋势

瓦希古亚是布基纳法索北部的一个干旱城市，而博博-迪乌拉索位于布基纳法索南部的多雨区域。两地文水站实测的降雨量资料表明，1970～2000年期间年降雨量大幅减小，自2000年代初期开始降雨量出现恢复迹象。由于年降雨系列太短，还是不能定性确定20世纪70年代极端干旱事件的发生频率。

1.2 极端日降雨趋势

随着布基纳法索及更广阔的萨赫勒地区年降雨总量不断减少，小时暴雨与日暴雨等短历时暴雨事件数目在不断增加。

统计该地区日降雨量超过150 mm的事件得出，这类暴雨大都持续了1～6 h，与亚洲季风区不同的是这个地区并不是多雨地区。

2 极端降雨事件的后果

该国水库建设始于20世纪20年代初期，后因经历一个长久的干旱季节，需要蓄水以满足该地区居民在这种季节中的需要而受到鼓励和推动。此外，该国的水文物理现象受其古老的前寒武纪地质构造的支配，这就使调用地下水资源非常困难。

20世纪70年代的严重干旱进一步加速了当时的水库建设。现在布基纳法索国内有超过1000座小型水库。尼日尔、贝宁、科特迪瓦北部、马里等国家情况类似。

因为这些水库集水面积大约，或通常小于100 km2，频发的强暴雨事件形成高水位的洪水，其水文过程线大都非常尖瘦。最近10 a中有超过150座小型水库遭受了大洪水，导致溃坝或重大破坏。

3 溃坝对经济的影响

布基纳法索和许多萨赫勒地区国家一样，被认为也是世界上最贫穷国家之一，洪水事件造成的影响对这样一个国家来说是灾难性的。这些坝的垮塌和重大破坏产生的主要影响有:

(1)乡村、城市、河岸区域水资源受损，每座水库年平均储水量为100万m3，150座水库的水资源损失相当于1.5亿m3/a;

(2)很多人死亡和几千人受伤;

(3)超过1万人的房屋受到损害;

(4)造成隔离区域，因为这些坝以前常用来穿越河流，连接村庄和农村小城镇;

(5)青年和儿童饱受挨饿和饥荒之苦。

4 传统溢洪道的设计方法

4.1 设计洪水

这些小型坝溢洪道设计洪水是根据20世纪60年代早期提出的确定性统计方法确定的，20世纪80年代中期法国机构ORSTOM(现在的法国发展研究院IRD)和西非水力学研究委员会(CIEH)对该方法进行了改进。

IRD提出的方法是基于概念性模型，可以确定10 a一遇的洪水流量及过程。公式为:

这个公式简单易用，但精度有限。kr10(10 a一遇洪水径流系数)的确定是至关重要的。可根据不同的气候区域、年平均降雨量、地质和土壤学特征确定有关曲线。100 a一遇的洪水径流系数可用kr10乘以由GRADEX方法确定的一个系数进行估算。

通常，收集到的数据为日降雨量，而日降雨量并不是用来解释产生短历时暴雨极端洪水的最佳量。该公式另一个缺点是，建议的曲线是根据1960年代初和1980年代进行的研究确定的，而这个时期正好是严重干旱时期。

CIEH提出的是统计回归法，不需流量过程就可确定10 a一遇的洪水流量，样本回归方程如下:

近几年，由于频繁发生的极端洪水事件，用来建立这些回归方程的统计基础现在不再适用。

IRD方法的另一个问题是计算过程较复杂，且需要有经验的水文学家确定径流系数，因为该系数对径流的产生和洪水形成都有很大的影响。

4.2 溢洪道设计洪水的选择

小型水坝溢洪道通常按照100 a一遇的洪峰流量设计，这种洪峰流量与简化的三角形单位过程线有关。通常采用大约50 cm的超高作为100 a一遇洪水水库水位以上的安全裕度。

4.3 溢洪道的类型与位置

溢洪道可以布置在大坝的坝肩处或中部。第1个溢洪道通常是混凝土槛或砌石槛，其下游泄槽通常在红土或岩质土中开挖而成。第2个溢洪道通常为小型重力坝，下接与主河床连接的消力池。

由于过去并不要求评估洪水事件，这些坝的真实防洪安全度并不为人知。

4.4 现有方法的缺陷

现用水文方法没有考虑降雨模式变化后的情况，特别是强暴雨(通常是几个小时内)频繁发生的情况。第2个缺陷则是忽略了小型坝防洪安全性的现场观测。

对于单个坝体而言，按100 a一遇的洪水进行水坝设计，其安全性应该令人满意。但布基纳法索现有1000座小型水坝，若按100 a一遇的水坝溢洪道设计，实际上风险是非常高的。也就是说，这就意味着承担每年有10座小型坝发生溃坝的风险。

5 应对极端洪水事件的小型坝溢洪道设计

考虑到不断发生的强暴雨事件导致每年有超过10座小型土坝失事，不能再依靠以前的老方法进行溢洪道设计。专业人员必须回答老百姓和政府的问题:这些失事是由于坝的本性造成的?因此，必须对以往措施提出质疑，并提出应对新情况的新措施。

应沿以下3个方面确立新方法:

(1)确定极端洪水;

(2)选择溢洪道设计洪水;

(3)以低廉的费用选择适当的解决办法，保护小型坝能免遭极端洪水破坏。

5.1 极端洪水的确定

鉴于缺乏小流域的河道水位测站和水文测验数据，现提出2种方法:

(1)采用现有的标准方法(包括确定性的回归、统计回归和单位过程线等)确定100 a一遇的洪水。

(2)根据降雨量数据确定区域最大洪水。现在很多地区有降雨实测数据并且数据质量高。

极端洪水的洪峰流量主要与流域面积有关，可用以下公式计算:

或

为应用该法，应根据已有极端洪水数据进行指数系数的调整，这点是很重要的。然而，由于缺乏实测的极值洪水数据，使得其应用很困难。该方法常用来评估现有坝安的全性，通过比较，从几个不同坝体中辨别更危险的坝。

还有另一个简易法是确定区域历史最大降雨量(降雨历时与产生直接径流的流域水文过程历时相近)，并估算降雨产生的总径流量，用水文过程的形状系数推出最大洪峰流量。一般来说，用这些方法推出的洪峰流量接近或超过1000 a一遇的洪水流量。

5.2 溢洪道设计洪水的选择

保留两个特定的设计洪水用作分析:

(1)具有洪峰流量及过程线的溢洪道设计洪水;

(2)校核洪水，主要考虑与无水库衰减作用的区域最大洪水相应的洪峰流量。

通过应用该法，可更好地理解坝的真实防洪安全性，显著地减少小型坝失事风险。

5.3 免遭洪水破坏的溢洪道设计策略

5.3.1 建议的策略

在F.Lemperere方法的基础上，组合了几个方法，以便以低廉的成果增加小型坝防洪安全性。

假定Qi为100 a一遇的流量，Ci为泄放该流量Qi的主溢洪道的成本，Q2为超过100 a一遇流量的额外的流量，C2为采取额外措施的成本，决策目标是使Q1C1+Q2C2尽可能低。

5.3.2 传统方法

如前所述，目的在于设计一个优质的溢洪道，以宣泄高达100 a一遇洪水，并增加简单低廉的措施扩展系统宣泄超额流量能力，以保障极值洪水流量的安全宣泄。

有几种方法可达到上述目的，比较典型的方法有:

(1)带胸墙的优质溢洪道;

(2)与简化的应急侧边溢流槛相结合的优质溢洪道;

(3)组合了胸墙与应急侧边溢流槛的优质溢洪道，侧边溢流槛可用降低坝肩区的坝顶至约30 cm高来替代，并用土壤、混凝土、沥青或其他廉价覆盖物保护该坝段;

(4)对于坝高很低的坝，在某些区域用砌石或草皮来护坝坡，通过降低水舌和增加溢流段长度(导致水舌很薄)来降低堤坝冲刷，提高坝的防洪安全度。

6 低成本新技术

过去几年中，出现了很多有助于提高小型坝防洪安全度的有效且成本低廉的新方法，其中，自溃堰和钢琴键堰(简称PK堰)应用较广。

混凝土自溃堰由法国Hydrocoop协会提出，在阿尔及利亚、越南及其他地区得到过应用。混凝土自溃堰在增加蓄水容量的同时可增强溢洪道过流能力。

PK堰是一个成型压块迷宫式溢洪道，可安装在现有混凝土重力溢洪道上。在萨赫勒地区，PK堰通常作为小型坝的主溢洪道。

布基纳法索北部高9 m的班巴卡瑞(Bambakary)坝采用了PK堰。该地区与马里边界接壤，河流较大，通常要经历大洪水。

7 结语

日益频繁的强暴雨和大洪水事件有关联是非洲萨赫勒地区小型坝的主要威胁。水坝工程界需寻求解决办法，以为当地社区和政府提高这些重要设施的防洪安全性。财力上负担得起的解决办法是可以找到的。大坝工程师和ICOLD国家委员会的职责是尽力保护调用的水资源和人员安全，并保证当地社区能获得足够的水。这是维持和发展这些国家大坝工程状况的一项极具挑战性的，而且又非常重要的要求。