塔吉克斯坦萨雷兹堰塞湖减灾工程及其发展机遇

[] A.

塔吉克斯坦萨雷兹堰塞湖减灾工程及其发展机遇

[意大利] A.帕尔米耶里等

塔吉克斯坦乌索伊坝是世界上海拔最高的堰塞坝。自1911年以来，在帕米尔山区形成了蓄水面积达17 km2的萨雷兹堰塞湖。自从萨雷兹湖形成以来，其安全性引起了广泛担忧。2004年，世界银行主导的萨雷兹湖减灾工程将该蓄水系统的风险降低到了合理范围内。然而，对该系统在今后是否能安全抵御相同震级(7.7级)的地震仍有疑虑。2015年12月，该地区发生了7.2级地震，证实了之前风险评估的有效性，并为今后合理应对地震等类似灾难性事件奠定了基础。

堰塞湖；地震；防灾减灾；塔吉克斯坦；萨雷兹湖

1911年，帕米尔地区发生里氏7.7级的地震，导致乌索伊堰塞坝形成。此后，大量坍塌堆积的岩石在后方形成了萨雷兹堰塞湖。如今的萨雷兹堰塞湖地处帕米尔地区的雪峰环抱之中，是世界上风景最美的湖泊之一。在乌索伊堰塞坝下游的巴坦(Bartang)河谷地区有人口居住，萨雷兹湖由于其形状像一条蜿蜒的长龙，因此得名“帕米尔之龙”。图1为沙雷兹湖的地理位置。

图1 沙雷兹湖地理位置示意

乌索伊堰塞坝坝高约600 m，是世界上最高的天然形成的挡水堰塞坝(见图2)。形成堰塞湖的滑坡体体积达21亿m3。相比之下，1968年的意大利瓦永特(Vajont)堰塞坝，滑坡体体积仅有3.2亿m3。滑坡堆积体虽然庞大，但由于该地区水文情势适宜，乌索伊堰塞坝能够长期保持安全稳定，这在世界堰塞坝中都很少见。

萨雷兹湖长55.8 km，湖面平均海拔3 263 m，体积约17 km3(约为日内瓦湖的一半)，湖泊水位最大周期性波动达12 m，水面和坝底的相对高度约40～50 m。通过坝体渗流和一定程度的蒸发来保证出流入流的平衡。

图2 乌索伊大坝规模对比示意

1 研究背景

在发生地震并形成乌索伊堰塞坝之后，俄罗斯科学界就立即着手研究堰塞坝的稳定问题以及堰塞湖体积增大最终溃决导致大洪灾发生的概率。值得注意的是，不只是科学家，普通大众也开展了相关的预报工作，预报结果有喜有忧。在该地区，存在数个自然形成的堰塞湖，如帕米尔地区的亚斯西库湖(Yashirkul lake)和塔吉克斯坦中部的伊斯堪德尔湖(Iskanderkul lake)，这些堰塞湖都稳定存在了较长时间。

前苏联的一些相关组织曾对萨雷兹湖地区开展了系统研究。研究了大坝结构，对萨雷兹湖和堰塞坝坝区进行了详细的地质勘探，分析了湖岸边坡的稳定性及坝体的渗透特性。

主要研究成果表明：滑坡、冲刷以及泥石流等因素都不会导致溃坝。对大坝安全造成最大威胁的是位于坝上游的大体积不稳定岩体，即右岸滑坡体。如果发生强烈地震，会导致右岸滑坡体坍塌至湖水中，引起湖水溢流坝顶，进而造成大坝溃决。

后续研究主要集中在右岸边坡，并对萨雷兹湖的边坡开展了详细研究。1986年，通过钻孔对岩体内部可能存在的深层滑坡位置进行了勘察，孔深达243 m，但是，该研究工作并未得到确定性结论。在此基础上，科学家们可以对右岸滑坡体的构成进行更详细研究，从而了解岩体构成及其体积。

2 萨雷兹湖减灾工程

随着前苏联的解体，对萨雷兹湖的监测工作陷入停滞，因此无法准确评估堰塞湖系统的实际安全性。针对这一状况，塔吉克斯坦总统于1998年呼吁国际社会提供援助以解决萨雷兹堰塞湖的安全隐患问题。

此后，在“国际减轻自然灾害十年”(the International Decade for Natural Disaster Reduction, IDNDR)组织框架下，联合国于1999年成立了一个国际特派团。该特派团召集了一批专家对萨雷兹堰塞湖及巴坦河谷作了进一步研究。

研究认为，乌索伊堰塞坝完全溃决或者部分崩塌的可能性比较小，因此也基本不会由此产生其他灾难性影响。然而，右岸岩体仍然存在坍塌的威胁，尽管失稳的可能性要小于预期，但威胁仍然存在。一个中型漫坝涌波都会影响居住在巴坦河谷地区的约7 800人口，而且还有可能延伸到前方的鲁善(Rushan)市，甚至影响到喷赤(Panj)河3个主要城镇。

研究总体结论认为，萨雷兹堰塞湖和乌索伊堰塞坝必须引起国际社会高度关注。由于风险的真实存在，国际社会必须制定出减少灾害威胁的综合策略。通过前期观测和研究结论，其后联合国特派团在萨雷兹堰塞湖的相关工作中发挥了关键的协调促进作用。

2000年，在世界银行主持下，萨雷兹湖减灾工程(LSRMP)正式立项，总预算达430万美元。同时，瑞士经济事务秘书处(Swiss Secretariat for Economic Affairs , SECO)和阿加汗发展组织(the Aga Khan Development Network, AKDN)也提供了财政支持，主要合作伙伴为民防应急部(the Ministry of Emergencies and Civil Defence)。项目主要是为受萨雷兹堰塞湖突发洪水影响的民众提前预警，并帮助其应对灾害，同时，努力寻求长期解决方案。

萨雷兹湖减灾工程解决方案如图3所示。

图3 萨雷兹湖风险减缓工程解决方案

萨雷兹湖减灾工程倾向于采用非工程措施应对突发灾害以避免造成严重后果。非工程措施包括监测、预报系统、提高居民防灾意识并做好防灾应对和准备工作。同时，为了减少各种灾害事故发生率，研究长期的工程性解决方案。

两个专家组采用事件树分析法对右岸的稳定性进行评估。专家们认为实际滑坡体体积约为0.25 km3，远小于最初估计的2.2 km3。最终计算的失稳概率为6×10-5，远大于现代已建大坝的失稳概率，但是又明显低于堰塞湖的典型失稳概率。

萨雷兹湖减灾工程于2006年完工， 包括在建立了早期预警和监测系统之后， 又对系统的操作和管理进行了3 a的协助指导工作。 实际上， 萨雷兹湖减灾工程实施后， 仍然存在以下几点不确定因素：

(1) 乌索伊相关部门使用监测和预警系统的能力；

(2) 当地居民对系统发出预警的响应能力；

(3) 堰塞坝和萨雷兹湖减灾系统对于将来可能发生的地震灾害的响应，特别是对右岸边坡失稳的响应。

对于第一点，乌索伊相关部门已经承诺密切关注堰塞坝性状特征的变化并建立相应的数据库。然而，由于系统实施以来的很长一段时间，即2015年12月7日，该地区发生里氏7.2级地震之前，未有大地震发生，所以其他两种不确定性一直存在。

3 强震考验

根据塔吉克斯坦国家地质勘察局的监测，2015年12月7日的地震震中位于萨雷兹湖左岸达夫拉特-马马达什(Davlat-Mamatdash)地区的鲁善-帕夏特断裂带(Rushan-Pshart Fault)，震源深度为30～40 km。塔吉克斯坦、吉尔吉斯斯坦、乌兹别克斯坦、阿富汗和中国均有震感(图4)。

图4 2015年萨雷兹地震等震线

值得注意的是，1911年地震震中也与鲁善-帕夏特断裂带有关，并且位于巴尔坦格(Bartang)河上游的几个村庄在这两次地震中都遭到严重损毁。

地震之后对萨雷兹湖水域的详细地质勘查表明，减灾系统对于此次地震做出了积极响应，同时也验证了右岸滑坡可以经受里氏7.2级地震而不发生失稳的结论。

地震前后在右岸滑坡拍摄的照片显示，坡体并未受到此次强震影响。而且，在堰塞湖下游沿峡谷下部地区并未发现岩体活动迹象，渗透率也没有明显增大。

此次地震证实了萨雷兹湖减灾工程中相关专家的预测。然而，此次地震仍然导致了当地民房的大量损毁，这些民房均是就地取材，施工质量较差。与1911年的地震类似，大量被损毁的村庄都靠近萨雷兹湖，包括位于巴尔坦格河谷的28个村庄。其中，损毁最为严重的是贾莫阿特-萨夫诺博(Jamoat)村，有超过400栋房屋损毁，整个帕米尔地区损毁的房屋约为1 090栋。

尽管房屋遭受了严重损毁，但无一例人员伤亡的报告。而且，当时正处寒冬，帕米尔中央地区的寒冷程度堪比西伯利亚，却没有收到灾民受冻的报告。这是因为萨雷兹湖减灾工程发挥了不可替代的作用，包括国内外团队的紧密合作、先进科技手段的成功运用。其中最关键的是，该工程发挥了积极的社会效益，保护了当地居民的人身安全。此次抗灾经验值得广泛借鉴，尤其是值得中亚地区学习参考。减灾工程的社会保障措施包括组建地方搜救队伍并进行培训，建造“安全屋”并配备应急储备物资，每6个月进行一次居民逃灾疏散演练。所有居民，包括学生在内，都知道去往最近安全屋所需的时间，不同地区在16～28 min不等。1999年以来，安全屋不时在应对当地局部灾害中发挥作用，早期预警系统也挽救过很多人的生命，但直到2015年12月7.2级强震，所有措施才得以全面大规模使用。

地震后，巴尔坦格河谷地区28个村庄的几乎所有村民都成功转移至指定安全屋内，并在此度过了8 d时间，直到第一架救援直升飞机到达灾区。一些村庄几乎90%的房屋损毁，但无一伤亡报告。救援队员抵达时，发现成百上千的灾民在帐篷里避险。在强震灾害中，灾民依靠安全屋内的各种应急物资保障安全和生活，包括暖炉、御寒衣服和毛毯等。而且，在等待救援的8～9 d里，灾民仍然可以跟当地以及中央政府取得联系，这是因为1999年在该地区安装了应急通讯系统，而且在此次地震发生前的若干年内，都对系统进行了有效维护。

此次抗震救灾经验值得广泛宣传，整个减灾系统投资并不大，但实施和执行力度强，因此能够在大灾之中成功保障灾民的生命安全。

4 后续解决方案

2015年12月的地震证实了萨雷兹湖减灾工程能够有效发挥防灾救灾作用，保障人民生命安全，因此，可以考虑今后合理开发利用萨雷兹湖，为该地区寻求新的发展机遇。通过控制并降低水位的方式可以彻底消除湖水溃决的风险。修建1座中等规模的水电站，可为萨雷兹湖的安全保障提供彻底的解决方案。图5显示了不同阶段萨雷兹湖的风险水平。

图5 萨雷兹湖风险水平示意

在萨雷兹湖风险减缓工程中，安装了早期预警系统后，萨雷兹湖的风险程度有所降低；当实施了水电项目后，风险程度可降低更多。

运行大坝安全监测项目的国际机构都认为，萨雷兹湖的残余风险基本上在可接受范围之内。

电站将把现有的萨雷兹湖作为上游水库，全部工程都建在地下(图6)。从工程性(该地区属于高烈度区)和环保性来看，该方案都是最佳选择，且不占用土地资源，无需考虑移民安置。

图6 拟建水电站纵剖面示意

从图7设计剖面图来看：在善稻湖(Lake Shandau)设置了取水点，有压隧洞、调压井和压力钢管与位于地下发电厂房的发电机组相连接，尾水隧洞将溢流引入穆尔加布(Murgab)河。整个剖面长约4 km，总水头达460 m。图7为电站布置鸟瞰图。

需要强化在萨雷兹湖和善稻湖之间的水力联系。在湖水水位下降阶段，项目可以高效运行。本阶段主要依靠涡轮给水流增压，通过优化可使这一阶段持续将近10 a。根据水位下降速率，装机容量可达220～250 MW，年发电量达2 000 GW·h。当达到目标水位后，发电机组将按照1 100 GW·h/a长期运行，同时，水电站调峰发电利用率可达50%左右。

图7 电站布局鸟瞰

水电站作为可再生能源项目，不仅可以消除灾害威胁，同时能促进经济发展，在旅游、小规模采矿业和供水等方面促进地区发展。相信经过多年的努力，萨雷兹湖及相关区域将会迎来一个安全稳定、蓬勃发展的未来。

谭峰屹郭佳译

2017-03-08

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(编辑李慧)