中國與瑞士大壩安全監控機制比較及啟示

馬福恒,胡 江,葉 偉

(1.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210029;2.水利部大壩安全管理中心,江蘇 南京 210029； 3.南京水利科學研究院大壩安全與管理研究所,江蘇 南京 210029)

根據2010—2012年水利普查結果[1],我國有9.8萬座水庫,數量居世界首位。在社會發展、氣候變化、壩齡增長等背景下,如何進一步提高水庫大壩安全管理水平,充分發揮水庫功能,確保水庫安全,已成為我國水庫管理領域十分現實和非常緊迫的問題。工程實踐表明,通過對水庫大壩進行現場檢查和儀器監測,實時整編和分析監測資料,可及時發現水庫大壩的異常,預測大壩的未來安全性態和發展趨勢。因此，應定期依據監測資料分析和評價大壩狀態,控制大壩運行,防止災害的發生[2-4]。

瑞士十分重視大壩安全,1877年政府便出臺了《瑞士聯邦水利工程督察法》。1957年,關于大壩安全的條例頒布,確立了大壩安全理念及目標。經過多年的實踐,瑞士已形成了職責明確、實用高效的大壩安全監控模式。瑞士的大壩安全監控模式處于國際領先水平,至今保持全國無一例潰壩的驕人紀錄,是國際大壩安全管理的楷模。為了學習借鑒瑞士水庫大壩運行管理理念、方法,提高我國水庫運行管理水平,中國水利部與瑞士聯邦能源署(SFOE)、環境署(FOEN)和合作發展署(SDC)于2009年啟動了為期5年(2009—2014年)的“中瑞大壩安全加固項目”,該項目旨在通過借鑒瑞士在大壩安全監控方面積累的先進方法、經驗、信息及技術,提高中國大壩安全管理水平。

本文簡要歸納了瑞士的大壩安全法規和安全管理模式,深入剖析了瑞士的大壩安全監控機制;總結分析了我國水庫大壩的安全管理機制和安全監控體系;在此基礎上,對比分析了兩國水庫大壩安全監控機制的異同,提出了瑞士大壩安全管理和監控經驗對我國水庫大壩安全監控的啟示,以及進一步完善我國水庫大壩安全監控體系的建議。

圖1 瑞士大壩安全管理理念示意圖

1 瑞士大壩安全監控機制

1.1 大壩安全管理法規體系及理念

1.1.1 大壩安全管理法規體系

瑞士大壩業主組成明確,83%的大型水庫和大部分小型水庫業主為股份公司,個人、州政府或市鎮政府參股;其余小部分以社會效益為主的大壩的業主由州政府或市鎮政府擔任[5]。SFOE負責全瑞士大壩安全監管工作,制定法規制度和技術標準,直接監管大型壩，以及間接監管小型壩;州政府監管機構直接監管小型壩,同時接受SFOE監督和指導[6]。

瑞士大壩管理法律法規和技術標準分4級,即《瑞士聯邦憲法》《瑞士大壩法》《瑞士大壩條例》和技術指南?！度鹗柯摪顟椃ā芬髮ㄖ锝踩贫纫源_保安全?！度鹗看髩畏ā访鞔_了大壩建設與管理、大壩應急管理、大壩建設管理與法律保護、刑事裁定與法律保護等內容。《瑞士大壩條例》是為執行《瑞士大壩法》所做的具體規定。技術指南主要包括特殊危險標準及結構安全、地震安全、防洪安全、監控維護和應急計劃等指南。

1.1.2 大壩安全管理理念

大壩安全管理的目標是減小風險和控制殘余風險[7-9]。為實現這一目標,瑞士從3個方面開展工作。

a. 結構安全。監管機構在建設前期審核施工計劃,建設過程中全程監督施工,批準同意水庫初次蓄水,確保結構安全,為運行期提供基礎。

b. 安全監控。在大壩整個生命周期,業主開展儀器監測、巡視檢查和設施檢測,及時發現缺陷和異常險情,避免險情,并定期向監管機構提交安全報告。監管機構監管業主,使其開展的監控符合法律規定與大壩安全的需要,并要求其采取合適的措施保證大壩安全。

c. 應急計劃。《瑞士大壩條例》規定每座大壩都應制訂應急預案,預防和控制殘余風險,且一旦發生突發事件,能調用一切措施避免危及人員、財產和環境安全。瑞士大壩安全管理理念如圖1所示。

1.2 大壩安全監控

1.2.1 大壩安全監控的任務

大壩安全監控內容主要包括:①檢查水庫、壩體、壩基及附屬設施的狀況;②測試泄、輸水建筑物的機電設備及水位預警預報設施;③監測環境、壩基及大壩性態。

《結構安全指南》中提出了大壩安全監控的基本流程,如圖2所示。通過檢查、測試形成監測信息,評價監測信息的合理性和有效性,形成大壩年度檢查報告及年度安全報告,以了解大壩的行為、狀態及適用性;在此基礎上,做出采取專門措施、維護或加固等決策,達到饋控大壩風險的目的。

圖2 瑞士大壩安全監控流程

大壩安全監控的基本任務為:①運行管理人員負責檢查監測設施的有效性和監測數據的可靠性,填寫值班日志,并有效管理監測數據;②業主負責持續監控大壩安全,評估大壩安全狀況;③無論大壩安全狀況是否正常,業主都應定期向監管機構匯報監控結果;④資深工程師確認、簽署監測數據,分析和評估大壩安全狀況,每年至少向監管機構提交1次大壩安全檢查報告;⑤至少每5年1次向監管機構提交由土木或地質專業的獨立專家編制并簽名的大壩安全報告。

1.2.2 安全監控組織體系

大壩安全監控是一個系統的監測到饋控的過程,是瑞士大壩安全管理的重要基礎。如圖3所示,《瑞士大壩條例》提出了4個層次的大壩安全監控組織體系,分別為運行管理人員(L1層大壩運行管理人員)、資深工程師(L2層工程師)、專家工程師(L3層專家)和監管機構(L4層監管機構)。通過立體式的4級監控制度,實現大壩安全的有效監控。

圖3 瑞士大壩安全監控體系

從圖3可看出,通過L1層大壩運行管理人員的連續檢查、監測與測試、L2層工程師每年的監測評估、L3層專家每5年1次的深入的安全評估、L4層監管機構的監督管理及各層人員間的互動交流,安全監控體系持續地運轉執行。在這一監控體系中,每個層次的人員都有明確的分工和職責,并強調相互間的溝通,以便于發現問題及時處理。其中,L2層工程師處于承上啟下的位置,是掌握大壩信息和辨識大壩安全狀態的關鍵。

a. L1層大壩運行管理人員。L1層大壩運行管理人員按L2層工程師規定的頻次開展全面的現場檢查和儀器監測,及時整理整編數據;測試并維護安全設備及監測設施。L1層大壩運行管理人員是大壩安全監控的“耳目”,能覺察問題、發現問題和及時報告問題,在大壩監控工作中至關重要,是大壩安全監控的基礎。L1層大壩運行管理人員由業主聘請,但要征得L2層工程師的同意,并接受L2層工程師的培訓指導,以熟知大壩的設計承載力、潰壩模式和潰壩誘因等。L1層大壩運行管理人員需熟知設備性能,需判斷觀測數據的可靠性,如有異常即刻復測。自動化監測數據需人工比對、確定無誤后上報。

b. L2層工程師。L2層工程師培訓和指導L1層大壩運行管理人員,并檢查人員資格;每年至少開展1次全面的現場檢查,分析當年監測結果,編寫大壩年度檢查報告與安全報告,報告大壩安全狀況;為L3層專家的5年定期評估提供基礎資料;制訂運行維護方案。大壩安全年度報告是L2層工程師的重要工作,包含了當年大壩運行和監測情況、大壩和設備維護情況、大壩監測數據及其變化規律、大壩安全狀況的結論和意見等內容,并重點關注大壩退化和異?，F象。L2層工程師是大壩安全狀況的跟蹤者,是L1層大壩運行管理人員的指導者,也是L3層專家和L4層監管機構工作依據的提供者。L2層工程師必須有5～10年的工作經驗,由業主委派,可為業主機構的人員,也可為聘請的專業人員,但需監管機構認可同意。L2層工程師持續服務于一座大壩,跟蹤大壩狀況變化。一座大壩的L2工程師可為一人或多人,同一資深工程師可為一座或多座大壩提供服務。

c. L3層專家。對壩高H≥40 m或H≥10 m、庫容V≥100萬m3的大壩應設置L3層專家。L3層專家基于安全監測、現場檢查、放水測試等數據,每5年開展1次深入的大壩安全評估,綜合分析評估大壩和設施安全狀況、提出維修加固或專題研究等措施建議。一般地,一座大壩的L3層專家至少應有結構和地質工程師各1名。前者全面負責大壩、壩基的安全性態及發展趨勢分析,結構穩定性評估,防洪安全性、抗震安全性復核,以及異常情況時處置措施的提出等。后者負責壩基、壩肩、庫岸地質演變的評估、水文地質條件和水質分析等。L3層專家是連接L2層和L4層的橋梁,是大壩安全和整個安全監控體系的技術咨詢專家。L3層專家應具備大壩設計和建設等經歷,有10年以上的工作經驗,并擔任過L2層工程師。L3層專家由業主聘請,但獨立于業主,且需監管機構確認。SFOE審核L3層專家的資質,全瑞士僅有30名L3層專家。每個L3層專家組建團隊,并對團隊成果負責。

d. L4層監管機構。L4層監管機構對L1、L2、L3層進行監督管理,確保安全監控的程序和提交的文件符合要求,審查年度報告及安全評估報告,確認大壩安全狀況;制、修訂大壩安全指南,監督有關機構的運行。出于安全考慮,監管機構必要時可令業主放空水庫或降低庫水位。SFOE是瑞士大壩安全監管的最高機構,負責其直屬管理的222座大壩的直接監管及其他大壩的間接監管工作。SFOE的L4層工程師僅有7人。

2 中國大壩安全監控機制

2.1 大壩安全管理法規體系及理念

2.1.1 大壩安全管理法規體系

在我國,水庫是國有資產,業主是政府,實行分級負責的管理體制,各級水行政主管部門組建管理單位,進行水庫大壩安全管理,但政府同時還承擔水庫大壩的安全監管職責。近年來,水庫所有權趨于多元化,分屬水利、電力、建設、農業等不同部門。為此,大壩安全監管逐漸形成了水行政主管部門會同相關部門監管的制度。

1981年改革開放以來,以《中華人民共和國水法》《中華人民共和國防洪法》等國家法律為基礎,以《水庫大壩安全管理條例》《中華人民共和國防汛條例》等行政法規為核心,部門規章、規范性文件和技術標準配套,形成了一套適合我國國情的大壩安全管理的法規與標準體系。其中,部門規章以《水庫大壩注冊登記辦法》、《水庫大壩安全鑒定辦法》、《水庫降等與報廢管理辦法》等為代表,正逐步完善。20世紀90年代以來,陸續頒布了SL 258—2017《水庫大壩安全評價導則》、SL 55l—2012《土石壩安全監測技術規范》、SL 601—2013《混凝土壩安全監測技術規范》、SL 210—2015《土石壩養護修理規程》、SL 230—2015《混凝土壩養護修理規程》、SL 605—2013《水庫降等與報廢標準》、SL 530—2012《大壩安全監測儀器檢驗測試規程》、SL 621—2013《水庫大壩安全監測儀器報廢標準》等技術標準,正在編制《大壩安全監測系統鑒定技術規范》《大壩安全監測數據庫表結構與標識符》等技術標準,大壩安全相關的技術標準體系仍在不斷建設中。

2.1.2 大壩安全管理理念

進入21世紀以來,我國提出了大壩安全管理的新理念,包括工程措施與非工程措施相結合、水庫大壩工程系統的風險管理等。風險管理被提上日程,表明我國水庫大壩的安全管理已進入一個更高層次的發展階段[10]。

2.2 大壩安全監控

2.2.1 大壩安全監控內容

大壩安全監控內容主要包括:①根據工程規模、等級,布設安全監測儀器,開展現場檢查和儀器監測;②及時整編整理監測數據,隨時掌握大壩安全狀況,發現異常現象時,立即報告主管部門,并及時采取措施;③堅持大壩的日常維養,保證大壩和閘門啟閉設備完好。

2.2.2 安全監控組織體系

a. 一線運行操作維護人員。一線運行操作維護人員相當于瑞士L1層大壩運行管理人員。一線運行操作維護人員依據規范開展現場檢查和儀器監測,做好監測設施的檢查、維護和更新工作;定期整編監測資料;定期開展金屬結構和啟閉設備的檢查、修護。特殊情況時,應加強巡視檢查及重點部位的監測。日常安全監測及監測數據整編分析過程中發現異常時,應分析原因,及時上報主管部門。

b. 專業工程師。專業工程師相當于瑞士L2層工程師。專業工程師指導一線人員,并在每年汛前、汛后,按規定的檢查程序對大壩進行全面的現場檢查;審閱大壩安全監測和運行維護記錄等;提出大壩安全年度檢查報告。特殊情況時,開展應急檢查。

c. 專業機構。專業機構相當于瑞士L3層專家。H≥15 m或V≥100萬m3水庫的大壩,實行定期安全鑒定制度。首次鑒定應在竣工驗收后5年內進行,以后應每隔6～10年進行1次。運行中遭遇特大洪水、強震或出現異?，F象時,應組織專門的安全鑒定，如聘請有資質的專業機構對大壩安全狀況進行分析評價,提出安全評價報告。監管機構組織專家評審評價報告,提出鑒定意見,最終確定大壩安全級別,并提出管理要求。

d. 水行政主管部門。有管轄權的水行政主管部門執行監督職能,相當于瑞士L4層監管機構。各級監管機構對大壩進行不定期抽查,如督查、不定期安全抽查等。

3 中瑞大壩安全監控機制的對比

3.1 基本情況

a. 中瑞兩國水庫功能不同。我國水庫社會責任重,絕大多數水庫修建的目的是防洪、灌溉、供水等社會效益,政府承擔業主的角色,運行維護經費依靠財政,一些經濟落后地區無力負擔公益性水庫運行維護經費,出現了公益性水庫無人管理的局面。瑞士絕大部分水庫的功能主要為經濟效益,且效益較好,可將業主管理和政府監管分離。

b. 中瑞兩國水庫大壩復雜程度不同。兩國大壩數量、壩型分類、壩高分布都存在很大差異：①大壩數量。我國有9.8萬座水庫,瑞士大壩總數僅1 200座。②壩型分類。我國水庫大壩包括了各類壩型,而瑞士則主要是拱壩、重力壩和土壩。③壩高分布。我國水庫大壩壩高在300 m及其以下都有分布,增大了管理難度。

c. 中瑞兩國歷史經歷不同。兩國水庫建設和管理的歷史均較長,建壩高峰期都為1950—1970年,但在管理制度上歷史經歷差異很大。瑞士早在1957年就已制定了《瑞士大壩條例》。我國第一部專門針對大壩安全的法規為1991年頒布實施的《水庫大壩安全管理條例》。

d. 中瑞兩國發展程度不同。瑞士是高度發達國家,大壩的建設和管理遵循市場運作規律。我國還處于發展階段,提高大壩安全管理整體水平有賴于外部環境的進一步完善。

3.2 安全管理理念

瑞士大壩安全管理的目標是控制殘余風險,既重視安全,又關注風險。我國大壩安全管理也正在向風險管理轉變,但由于起步晚,還存在諸多問題,如仍根據大壩等級和規模而非潰壩后果開展安全監測,監測資料整編不及時,這些都還未體現出風險管理的理念[11-12]。

3.3 安全監控組織體系

我國大壩安全監管實行中央、省、市、縣、鄉鎮分級監管且上級指導下級的模式,這與瑞士實行的聯邦、州、市(鎮)分級監管模式相似,但我國的監管層級較多,這是由我國地域遼闊、大壩數量眾多的特點決定的。

瑞士重視L1層大壩運行管理人員的培訓,使其熟知大壩的功能和作用、結構的不足之處和安全隱患;強化L1層大壩運行管理人員的管理,定期檢查安全監測的原始數據、監測日志和儀器設備的維養記錄;強調L1層的人工校測而非無人值守。相對而言,我國一線運行操作維護人員責任意識還不夠強,過于依賴自動化監測,不能及時整編分析監測數據。

在瑞士,L2層工程師負責組織L1層大壩運行管理人員開展工作,并編制和報送年度報告,作用十分重要。在我國,一線運行操作維護人員和專業工程師一起工作,若專業工程師能很好發揮作用,比瑞士的模式更好。但是,由于責任落實不到位,一線運行操作維護人員和專業工程師主動工作和履職的風氣尚未形成,也很少建立與專業機構的長期聯系。眾多面廣量大的小型水庫無專業人員,大壩安全監控力度明顯不足。

瑞士的5年評估報告主要基于各年度的安全監測、放水測試及年度安全報告等完成,安全評估結論無安全級別分類。我國暫無年度報告制度,對現場檢查重視程度不足、安全監測資料分析工作深度有待加強。

總體而言,瑞士的大壩安全監控體系職責明確、實用高效。我國已組建管理單位的大壩安全監控模式與瑞士相似,在整體架構上沒有本質區別,但實際效果相比瑞士還存在一定差距。

4 瑞士經驗對中國大壩安全監控機制的啟示

a. 增強主動安全監控意識。激發一線運行操作維護人員和專業工程師的責任心,始終保持警覺,積極主動開展大壩安全監控。由專業工程師有效組織安全監測工作,在大壩全生命周期過程中,根據大壩安全狀態調整監測頻次;判斷是否需要完善和更新儀器設備,必要時尋求專業機構的幫助。

b. 創新大壩安全管理模式。經濟效益較好、維養經費渠道穩定、管理隊伍素質較高的水庫大壩,可完全借鑒瑞士的成熟模式,加強崗位管理,明確崗位職責;引進專業咨詢機構,建立起政府監督、業主負責、專業咨詢機構參與、各層次人員密切互動的安全管理模式,促進大壩安全監控機制的良性循環。

c. 完善大壩安全監管體系。增設年度報告制度,重視現場檢查與人工監測,力求規范嚴謹。大型和有條件的中型水庫配備資深工程師;條件不足的中型和小型水庫可按片區配備有資質的專業機構或資深工程師,分片集中開展安全監測和年度報告編制工作。完善安全評價方式,加強觀測設施可靠性評價,以及對安全監測數據的分析;現狀調查階段提出需要重點復核的專題,將現有的大壩安全評價由多且繁變為少而精;拓展專業機構職責,明確專業機構的跟蹤機制;推進評價專家負責制。

d. 提出放水測試制度。相關制度中明確泄、輸水建筑物的金屬結構和機電設備測試工作,結合泄、輸水建筑物實際運行情況,提出工況要求、測試內容、報告要求、免檢條件等測試要求。

e. 引入物聯網、大數據等先進技術。引入智能化的物聯網技術,結合傳統現場檢查方法,全面感知大壩運行情況,通過大數據、云計算等系統分析大壩可能存在的質量安全、運行調度等安全隱患,結合創新的大壩安全管理模式,加強小型水庫安全監控[13-15]。

5 結 語

瑞士的大壩安全管理重視各級人員的專業資質和工作能力,強調監控人員的動態管理;監測系統實用可靠、維護到位,發揮了大壩安全“耳目”的作用;依據現場檢查、安全監測和放水測試成果,實現了大壩安全狀態的準確評估。我國已建立的大壩安全監控體系與瑞士相似,但實際效果相差甚遠,眾多面廣量大的小型水庫無專業技術人員,安全管理力度不足;管理單位內部分工不清,主動監控意識尚未形成。為此,可借鑒瑞士大壩安全監控的成熟模式,增強主動安全監控意識,創新大壩安全管理模式,完善大壩安全監管體系。

瑞士安全監控按照庫容、壩高對大壩進行規模分類,體現風險概念;我國大壩安全監測工作依據大壩的規模和等級開展,有一定的片面性,不能充分體現風險管理概念,造成了安全監測、管理設施配備與大壩風險程度不匹配的問題。因此,應結合庫容、壩高,建立以風險管理理念為基礎的安全監測、檢查測試、安全評價和運行維護等安全監控體系,同時,還可引入物聯網等先進技術,提升量多面廣小型水庫的安全監控水平。