氣候變化對尾礦庫工程防洪安全的影響

沈樓燕

(1.武漢大學經濟與管理學院，湖北 武漢 430072;2.中國瑞林工程技術有限公司，江西 南昌 330002)

1 氣候變化對降水、暴雨及洪水的極值的影響

(1)全球氣候變暖導致極端降水事件呈頻數增多、強度增大趨勢

全球氣候變暖導致水文循環過程加快，總降水量增大的區域，其強降水事件有明顯增加的趨勢；即使平均總降水量減少或不變的區域，也存在著強降水量及其頻率增加的現象。[1]全球范圍內的觀測數據表明：在過去的40年中洪水發生的頻率呈上升趨勢。[2]美國、日本、加拿大、英國、挪威、南非、巴西以及前蘇聯等地區，降水和強降水長期特征變化的研究成果均支持上述結論。[1]英美科學家的研究表明, 全球氣候變暖將引發更多像洪水這樣的嚴重自然災害；研究還發現, 由于全球溫度繼續升高, 未來洪水發生的頻率還會更高。[2]

我國自20世紀90年代以來開展的對極端降水事件變化、極值暴雨和極值洪水的研究成果表明：20世紀80年代以來，除華北外，我國暴雨極端事件出現頻數明顯上升、強度增大趨勢，華南和江南地區尤其明顯；長江中下游地區降水呈增加趨勢。微量降雨事件普遍減少，尤其是北方地區。以長江流域為例,1961～2000 年洪水發生頻率的上升主要由增加的夏季降雨導致; 受中下游降雨和個別暴雨時空分布的影響,該地區的洪水流量顯著增加, 從而加重該地區的洪澇災害。[2]

(2)我國暴雨極值呈增高加大之勢

近20年來，全國大批雨量站的特大暴雨記錄被刷新，短歷時點雨量實測和調查的極值接近或達到世界最高記錄：如陜西省寬坪調查暴雨1300mm/6～7h( 1998年7月)超過了以往的世界紀錄；河南省林莊實測暴雨830.1mm/6h(1975年8月)和臺灣阿里山實測暴雨1748.5mm/24h均接近世界最高紀錄；廣東省湛江幸福農場實測暴雨1146.8mm/24h( 2007年8月)是目前大陸24h實測最大值。[3]

最大點雨量發生年代變化：較長歷時最大雨量的年代最高值均發生于20世紀60年代，而南方在90年代出現第二個高峰期，西部地區后期(70～90年代)明顯多于前期(50～60年代)。

長歷時暴雨的年代際變化較大，60年代和90年代出現了2個最多站數。

(3)我國洪水極值近年呈增大趨勢

20世紀100年中,30年代、50年代、60年代、90年代為暴雨、洪水極值高發期。南部(長江南部、華南及西南國際河流)發生特大洪水以60年代、90年代最頻。[1]

近年來，我國國民經濟每年以10%左右的速度遞增，在經濟高速發展的帶動下，鋼鐵、有色金屬和水泥等主要原材料工業擴張迅速，隨著金屬非金屬礦山采選業的迅速發展，尾礦庫的安全問題日益顯現。截至2009年9月，我國現有尾礦庫26000余座，[4]每年尾礦排放量約6億t，以300座/a的速度在新增尾礦庫。四等及四等以上的尾礦庫被國家安全生產監督管理總局定為“重大危險源”，尾礦庫防洪工程安全與否直接影響到周邊地區人民生命和財產的安全及環境安全。全球氣候變暖對降水、暴雨和洪水的極值產生了一定影響，而暴雨、洪水的極值趨于增大的變化將影響我國尾礦庫工程的防洪安全，因而開展氣候變化影響尾礦庫防洪安全的相關研究很有必要。

2 極端降水事件對尾礦庫工程防洪安全的影響

(1)氣候變化對尾礦庫工程防洪設計標準及運行規程的影響

在氣候變化背景下,尾礦庫工程的設計需要考慮以下一些問題: ①氣候變化引起尾礦庫匯流區域內降雨和徑流的變化, 將影響匯流區域的設計暴雨和設計洪水,即影響到尾礦庫工程的防洪設計標準；②氣候變化和變異將可能加大極端水文氣候事件發生的頻次和強度, 引發超標準洪水,[2]不僅影響尾礦庫工程的防洪設計標準，而且影響尾礦庫工程運行規程的設計和編制；③暴雨強度和暴雨次數的增加, 可能引發地質災害的發生和加大泥沙沖淤從而影響尾礦庫工程安全和壽命。

(2)我國尾礦庫在地域上的分布特征及部分尾礦庫庫址的特殊性決定了必須重視氣候變化對尾礦庫工程防洪安全的影響

依據國家安全生產監管總局2008年的統計數據，我國共有尾礦庫12655座，其中，分布在江南、華南、西南地區的尾礦庫計5219座，占全國的41%，并且這些地區的尾礦庫還在以150～200座/a的速度在新增。因此，這些區域的尾礦庫尤其需要考慮極端氣候對防洪安全的影響。特別需要指出的是，因為歷史的原因，我國尾礦庫下游大都為人口密集區、城鎮或大型工廠企業，部分尾礦庫庫址的選擇非常不合理，甚至極其危險，好比是一把懸在這些廠礦及群眾頭上的達摩克利斯之劍。這種庫址極其特殊的尾礦庫，應考慮極端洪水、暴雨事件對尾礦庫防洪安全的影響，極有必要提高尾礦庫的防洪設計標準。

(3)尾礦庫排洪系統的工作特點及其安全重要性，也決定了必須高度重視氣候變化對尾礦庫安全排洪的影響

尾礦庫的排洪系統與水庫的排洪系統有所不同，尾礦庫的排洪系統不僅要安全及時地排出庫區的尾礦澄清水和洪水，而且要確保不讓尾砂從排洪系統泄漏——俗稱“跑渾”或 “跑黑”，即排洪不排砂。其排洪系統通常由進水構筑物和排水構筑物兩部分組成。進水構筑物最大的特點是隨著尾礦壩不斷堆積升高，相應向庫后延長及抬升，不斷調整進水口高程及進水位置，以保證庫內的澄清距離，從而不讓尾砂從排洪系統泄漏。當尾礦庫使用至中、后期，排洪系統的大部分構筑物都將被尾砂掩埋，上覆堆積尾砂高度少則幾十米，多則上百米。尾礦堆積壩這種獨特的筑壩工藝決定了尾礦庫的排洪系統對于尾礦庫的安全穩定性具有十分重要的作用，[5]若排洪系統一旦出現排泄不順暢或排泄不力，則對尾礦庫造成的危害非常大，洪水積蓄導致洪水位升高，從而會導致漫壩潰壩、尾礦堆積壩壩坡滑坡失穩等重大災害。根據有關統計資料顯示，國內尾礦庫病害事故中，排洪系統的病害事故占33.3%，洪水漫頂的占44.4%。[6]我國有色金屬礦山因排洪系統失事引起災難的幾乎占整個尾礦庫事故的50%。因此，必須高度重視氣候變化導致的極端降水事件對尾礦庫安全排洪的負面影響。

3 將“最大可能洪水”引進尾礦庫工程防洪設計標準領域的必要性

目前，我國尾礦庫工程防洪設計標準的選取主要依據《選礦廠尾礦設施設計規范》(以下簡稱《規范》)執行，雖說“綜合考慮庫容、壩高、使用年限及對下游可能造成的危害等因素”[7]選取防洪設計標準，但主要還是依據尾礦庫的等別來確定，僅僅對于“貯存鈾礦等有放射性或有害尾礦，失事后可能對下游環境造成極其嚴重危害的尾礦庫，其防洪標準應予以提高，必要時其后期防洪可按可能最大洪水進行設計”。前文提到的德興市鉛鋅礦尾礦庫為例，依據其庫容、壩高可將其初定為四等庫，設計者鑒于該尾礦庫庫址的特殊性，特別將該庫的等別升高了一等，定為三等庫，依據《規范》其設計洪水重現期中后期可取200～500年一遇。筆者認為：全球氣候變暖導致極端降水事件的加頻，暴雨、洪水極值屢創記錄高值，對于失事后可能引發重大災害的尾礦庫，其防洪設計標準的選取時應當引進最大可能洪水(PMP)概念，以防止尾礦庫遭遇極端暴雨形成的超標準洪水時出現排洪不力導致的漫壩、潰壩事故，這個概念適用于庫址具有安全、環保方面的特殊性的所有尾礦庫，而不僅僅受限于“貯存鈾礦等有放射性或有害尾礦”的尾礦庫。據資料反映，美國尾礦庫的洪水設計標準高：最低標準為百年一遇洪水，大中型庫均需按最大可能洪水(PMP)或二分之一最大可能洪水進行設計。[8]在我國，也不乏采用最大可能洪水(PMP)進行校核設計的工程實例。例如江西銅業公司武山銅礦老尾礦庫毗鄰赤湖，赤湖是瑞昌市最大的淡水養殖基地，為了確保該尾礦庫的建設運行不對赤湖淡水養殖基地構成破壞，武山銅礦老尾礦庫的防、排洪系統設計標準，采用了最大可能暴雨進行校核。

以德興銀山鉛鋅礦尾礦庫為例，采用不同的防洪設計標準計算得到的設計暴雨值相差程度見表1。

表1 不同洪水設計標準的設計暴雨值比較表

從表1可以看出，若考慮最大可能洪水標準計算的設計暴雨值，將是常規設計洪水標準(500年一遇)的2.43倍，相應尾礦庫排洪系統的防排洪能力應調整至原有標準的2.43倍。PMF對應的洪水重現期可能大于萬年一遇，但是有些地區也低于萬年一遇重現期洪水。PMF若按美國傳統的方法推求，與萬年一遇洪水之間沒有什么固定的關系，從美國東部、中部和西部隨機抽取的18座工程來看：有9座PMF小于萬年一遇洪水，有7座的PMF大于萬年一遇洪水，有2座的PMF與萬年一遇洪水基率相等。[10]

4 結語

尾礦庫防洪工程安全與否直接影響到周邊地區人民生命和財產的安全及環境安全。以全球變暖為主要特征的氣候變化是不爭的事實。氣候變化將會對尾礦庫防洪工程的設計、運行和自身安全產生一定的影響。因此，必須未雨綢繆，加強氣候變化對尾礦庫防洪工程安全影響的科學評估、減緩影響和適應性對策等方面的研究，為保障我國尾礦庫工程安全提供科學的技術支撐。

[1] 劉九夫, 張建云, 關鐵生.20世紀我國暴雨和洪水極值的變化[J].中國水利，2008，2(2): 35-37.

[2] 賀瑞敏, 王國慶, 張建云, 劉九夫.氣候變化對大型水利工程的影響[J].中國水利，2008，2(2): 52-54, 46.

[3] 水利部水文局, 南京水利科學研究院, 中國暴雨統計參數圖集[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2006: 87-110.

[4] 沈樓燕,李海港.關于尾礦庫防滲土工膜滲漏問題的探討 [J]. 有色金屬(礦山部分),2009,(3):71-72+74.

[5] 沈樓燕. 關于尾礦庫排洪系統設計中的問題探討[J].有色金屬(礦山部分),2003,(3): 38-40.

[6] 徐宏達. 我國尾礦庫病害事故統計分析[J] 工業建筑，2001，(1)：69-71.

[7] ZBJ1-90，選礦廠尾礦設施設計規范[S]. 1991.北京：中國計劃出版社，主編部門：中國有色金屬工業總公司.國家行業標準.14-15.

[8] 汪貽水. 美國礦山企業的尾礦管理[J]. 世界有色金屬，2008,(2): 55-58.

[9] 江西省暴雨洪水查算手冊編寫組.江西省暴雨洪水查算手冊，1986，江西省水文總站，94-98.

[10] 王國安.中國設計洪水及標準問題[J].水利學報，1991,(4):68-76，78.