水利工程灾害风险预警与应急响应机制研究

张文君

周至县防汛抗旱应急中心 陕西 西安 710400

灾害风险是指因水利工程的建设和运行可能导致的不利后果的可能性，这些后果可能是突然决堤导致的洪水，也可能是过度开发导致的地下水位下降，无论其性质如何，这些风险都需要得到充分的认识和管理。为了有效地管理这些风险，预警与应急响应显得尤为重要。预警是指对于可能的灾害风险进行早期的监测和预测，从而为应急响应提供了宝贵的时间和信息，而应急响应则是指在灾害发生后迅速、有序地进行救援、恢复和重建，以减少灾害的损失和影响。这两者共同构成了现代水利工程风险管理的核心内容。

1 水利工程灾害风险的分类及特点

1.1 灾害类型及其影响

水利工程灾害包括了一系列由于自然原因或人为因素导致的对水利设施或其周边环境带来损害的事件。洪水灾害是最为常见的，由于降雨过量、雪融或河流决口造成，这种灾害可能导致低洼地区淹没、农作物受损，甚至可能造成人员伤亡，对基础设施也会造成巨大的破坏[1]。干旱灾害则是由于降水量过少或者水源供应不足造成的，它会影响农业生产、减少饮用水供应，并可能导致生态系统受到不可逆的损伤。水库溃坝是另一个严重的灾害类型，通常由于工程设计、施工或维护不当引起，可能导致大量水突然释放，造成下游地区的严重洪涝灾害。还有水土流失，这通常是由于过度开发、土地裸露或不恰当的农业活动导致，可能会破坏土地、河流和水库的质量与功能。此外，水生态破坏风险则涉及因为人类活动或其他因素导致的河流、湖泊、湿地生态系统的退化，这种灾害会影响到水生物、植被和其他生态系统服务，从而对人类社会带来间接的风险。

1.2 主要风险来源

水利工程灾害的风险来源是多种多样的，从自然因素来看，气候变化是一个重要的风险来源。随着全球气温的上升，极端气候事件的频率和强度都有所增加，如暴雨、干旱、暴风等，这些都可能对水利工程产生直接或间接的影响，地质活动，如地震、滑坡和土壤侵蚀，也可能对水利设施造成损害或威胁其稳定性[2]。工程设计与施工不当也是风险的重要来源，如果水利工程在设计时未考虑到所有潜在的风险因素，或施工中出现疏忽和错误，都可能导致工程本身存在缺陷，进而增加灾害风险。运行维护不当也会导致工程的早期老化、性能降低，从而增加发生灾害的可能性。另一方面，人类的经济活动也对水利工程带来了风险，如上游的工业排放、农业化肥和农药的过度使用等，可能导致水源污染，对水利工程的运行造成影响。同时，不合理的土地利用和城市化进程可能改变径流模式，使得某些地区的洪水风险增大。

1.3 影响因素及其特性

影响水利工程灾害的因素是多维度和复合性的，涉及自然、技术和社会等多个领域。从自然地理因素来看，地形地貌往往直接影响到水流的方向和速度，山区的陡峭地形可能导致水流快速聚集，增加山洪或滑坡的风险，而平原地带的低洼地方则容易出现积水或洪涝。土壤的性质和结构也是关键因素，透水性强的沙土可能导致地下水位上升缓慢，而粘土则可能在大雨后导致地面积水[3]。土壤的侵蚀性也与其结构和有机质含量有关，这可能影响到水库的淤积和河流的变迁。从技术和工程的角度看，材料的质量和耐久性直接影响到工程的稳定性和使用寿命，如使用劣质的混凝土或钢材可能使得工程在短时间内出现裂缝或腐蚀，增加溃坝或倒塌的风险。随着经济发展和城市化进程，许多地方为追求短期的经济利益而过度开发资源，忽视了对水资源和生态环境的保护，当地居民的知识和意识也会影响到灾害的发生和应对。例如，如果居民不了解防洪知识，可能在大雨来临时采取不当行动，增加自身的风险。

2 水利工程灾害的风险预警技术与方法

2.1 遥感技术在灾害预警中的应用

遥感技术就是通过无人装置（如卫星或无人机）从远距离收集地表信息的技术，这种技术能够实时、大范围地获取数据，对于水利工程灾害的预警具有巨大的价值。遥感技术可以用于洪水的监测与预测，通过卫星图像实时监测河流水位的变化，并评估洪水可能涌入的区域，通过分析地表的植被和土壤湿度，遥感还可以帮助预测可能的滑坡和山洪地点。对于干旱的监测，遥感技术可以帮助确定受影响的区域范围，分析土壤湿度和植被健康状况，预测干旱可能发展的趋势和持续时间[4]。对于水库安全监测，遥感还可以实时监控水库的水位、水质和周围的地形变化，及时发现潜在的危险。以2019年在某地发生的洪水事件为例，在雨季来临前，通过遥感技术发现了该地区的部分河流上游地区土壤湿度较高，同时这些地区的植被覆盖较少，意味着雨水将很快汇入河流，增加下游洪水的风险。遥感技术还显示了下游某些地段的地势较低，更容易受到洪水侵袭。基于这些数据，当地政府迅速启动了应急预案，进行了河道疏通，同时进行了群众疏散，有效地减少了洪水带来的损失。

2.2 气象与气候模型预测

气象与气候模型预测为水利工程灾害预警提供了一个科学、前瞻性的方法，这些模型利用大量的气象数据、数学方程和高级算法，预测未来的天气和气候变化，从而为水利工程提供关键的信息。通过模拟降雨量、蒸发和径流等水文过程，气象模型可以提供河流的流量预测，为水库调度和洪水控制提供决策依据，这样即使在强降雨事件前，水利管理部门也能够提前释放水库库容，准备迎接可能的洪峰，从而避免或减少溃坝和洪水灾害的风险。对于干旱管理，它们可以预测数月乃至数年的降雨和蒸发趋势，从而提供关于水源供应的长期预测，基于这些预测，水利部门可以提前制定节水措施，如调整水价、限制用水或启动备用水源，确保在干旱期间维持稳定的供水[5]。再者，这些模型还有助于土壤湿度和植被状况的预测，进而预警滑坡、土壤侵蚀和其他与水关联的灾害。例如，预测即将到来的大雨可能导致某个已经饱和的斜坡滑动，当地政府可以采取预防措施，如搭建支撑或疏散居民。

2.3 地理信息系统与灾害风险评估

地理信息系统（GIS）是一个用于捕获、存储、分析和管理空间数据的计算机系统，它使得多种空间数据的综合和交叉分析成为可能，从而更好地理解和评估与水利工程相关的灾害风险。GIS可以用于识别和评估潜在的洪水风险区，通过将河流、水库、地形和土壤数据层叠加在一起，并结合气象数据，GIS可以预测在特定的降雨事件中可能被淹没的区域，以及可能的淹水深度，这有助于城市规划，确保关键设施和居住区不处于高风险区。其次，结合土壤湿度、植被覆盖和气候数据，GIS可以创建干旱敏感性图，帮助决策者确定哪些地区在干旱期间最容易受到影响，从而进行适当的水资源管理和配给。此外，GIS可以对滑坡和土壤侵蚀风险进行评估，通过分析地形、土壤类型和降雨模式，它能够识别那些在强降雨事件后可能导致滑坡的斜坡，或者识别那些容易受到土壤侵蚀影响的区域。更为重要的是，GIS允许决策者进行“情景分析”。例如，模拟不同的水库管理策略对洪水扩散的影响，或评估不同的土地利用策略对干旱敏感性的影响。

2.4 数学模型与模拟方法

数学模型和模拟方法为决策者提供了一个量化、可预测的框架，用于理解复杂的水文、水力和环境过程，从而更有效地预防和应对可能的灾害。水文模型是评估洪水和干旱风险的基础，通过对降雨、径流、蒸发和地下水流的模拟，这些模型可以预测河流和水库的水位变化，为洪水控制和水资源分配提供关键数据。例如，SWAT（土壤水评估工具）和HEC-HMS是两种广泛使用的模型，它们可以模拟不同气候和土地使用条件下的水文过程。对于水利工程结构的设计和评估，水力模型是不可或缺的，这些模型模拟水流通过水坝、渠道和其他水利结构的行为，帮助工程师确定结构的尺寸、形状和材料。

3 水利工程灾害的应急响应机制

3.1 灾害响应流程与决策

水利工程灾害响应流程和决策是对潜在和已发生的灾害进行及时、有效应对的关键，这一流程通常从灾害的识别开始，然后经过一系列的评估、决策、实施和后续评估步骤，确保最大限度地减少灾害的影响。当监测系统检测到可能的灾害迹象时，如水位上升或异常气候变化，响应流程启动。接下来，评估团队会立即收集和分析所有相关信息，如预期的降雨量、河流或水库的预测水位以及可能受影响的区域和人口。基于这些信息，决策者会制定一系列的应急措施，如启动水坝泄洪、加强堤坝巡查、预先疏散潜在受影响的居民或发布公共警告，这些决策需要在非常短的时间内做出，并要考虑到所有可能的后果和不确定性。实施阶段是行动的时候，这需要与各个相关部门和机构协调，确保所有措施得以有效执行。灾害过后会进行后续评估，总结经验，优化流程和策略。以四川汶川地震为例，由于地震导致的山体滑坡阻塞了许多河流，形成了数十个“堰塞湖”，堰塞湖的突发溃坝将对下游居民和设施造成巨大的水淹灾害。地震后相关部门立即启动了应急响应机制，评估堰塞湖的风险，部署军队和工程师对堰塞湖进行治理，同时疏散可能受影响的下游居民，这一系列迅速、有组织的响应措施成功避免了更大规模的次生灾害。

3.2 应急资源调配与管理

水利工程灾害的应急响应机制中，应急资源包括物资、人力和设备，有效的资源调配能够确保关键资源及时、正确地被送达最需要的地方，从而最大程度地减少灾害的损失。当灾害发生时，相关部门首先要进行快速的现场评估，确定受影响的区域、人口以及所需的应急资源。随后资源管理中心会根据现有的资源库存、预期的需求以及交通状况等因素，制定资源调配计划。在资源调配过程中，要确保优先考虑到受灾最为严重、急需救援的地区，同时还要考虑到资源的持续供应，确保长期应对灾害。对于前线的应急队伍，他们需要与后方的资源管理中心保持密切沟通，及时上报实际需求，以及资源使用、分配的情况。这样可以确保资源使用的高效性，避免资源浪费。以湖北省的严重洪水为例，在洪水爆发后，大量的救援物资和人力需要迅速调度到受灾严重的地区，由于路面受损，许多地方的交通受到严重影响。此时，相关部门利用无人机对受灾地区进行空中侦察，了解真实的交通状况，并为地面救援队伍提供准确的导航。同时，后方的资源管理中心根据前线反馈的需求，通过多种方式，如陆路、航空和水路，将食物、饮用水、药品、帐篷等救援物资快速送达受灾地区。

3.3 灾后恢复与重建策略

水利工程灾害的后果常常是长期的，并可能对受影响的社区造成深远的影响，灾后恢复与重建策略不仅要迅速地恢复基础设施和提供基本服务，还要确保重建的工程能够抵御未来的灾害，实现更为持久和可持续的发展。在实施灾后恢复和重建时，需要进行全面的损失评估，确定受损的水利设施的程度、影响的地区和居民，以及相关的经济损失，基于这些数据制定出有优先级的恢复和重建计划，确保资源有效地用于最为关键的项目。除了物理设施的修复，灾后的社会经济恢复也非常关键，这包括为受影响的人口提供临时住所、工作机会和心理健康支持。以2004年印度洋大海啸为例，海啸对印度、斯里兰卡、泰国和印度尼西亚等国的沿海地区造成了巨大的破坏。在灾后的恢复和重建中，各国政府与国际组织合作，进行了大规模的重建工作，重建受损的堤坝、渔港和其他水利设施时，新的设计采取了更高的标准，确保能够抵御未来可能的灾害。此外，为了减少未来的风险，部分低洼地区的居民被重新安置到较高的地方，各国还建立了早期预警系统，用于及时预警类似的海啸事件。

3.4 跨部门与跨地区的协作与协调

在应对水利工程灾害时，由于其广泛的影响和复杂的因素，常常涉及到跨部门与跨地区的协作与协调。为了有效地管理和减少灾害风险，各个相关的部门和地区需要共同努力，确保资源的有效配置、信息的及时共享和行动的统一协调。跨部门与跨地区的协作与协调首先需要建立一个中央协调机制，负责组织、指导和监督各个部门和地区的行动，还需要建立一个高效的信息共享系统，确保各方在第一时间获取到准确、及时的信息。为了确保资源的有效利用，各部门和地区需要制定统一的标准和程序，对于资源的调配、人员的培训和设备的采购进行统一管理，并定期进行联合演练，检验协作与协调的效果，发现并解决存在的问题。以2016年长江流域洪水为例，这次洪水涉及多个省份，对于多个城市和农村地区造成了严重的影响。为了有效地应对这次洪水，政府启动了国家级的应急响应机制，组织各个相关的部门和地区进行协作与协调，通过这一中央协调机制，确保了物资的迅速调配、信息的及时共享和行动的统一协调，各地区也与邻近的省份进行了紧密的合作，共同抵御洪水的威胁。

4 总结

综上所述，随着人类社会的不断进步和技术的日益发展，水利工程已从简单的满足基本需求转向更为复杂的多目标管理和综合利用。在此过程中，灾害风险的识别、预警、应急响应和管理显得至关重要。正如本文所探讨的，面对潜在的风险不仅需要具备先进的技术和科学的方法，还需要一个完善的制度框架，借助现代技术人们能够更为精确地识别和评估风险，及时做出决策。任何技术和策略都需要建立在持续地研究和实践基础上，只有这样才能在应对未来的挑战时更为从容和自信。