水利工程災害風險預警與應急響應機制研究

張文君

周至縣防汛抗旱應急中心 陜西 西安 710400

災害風險是指因水利工程的建設和運行可能導致的不利后果的可能性，這些后果可能是突然決堤導致的洪水，也可能是過度開發導致的地下水位下降，無論其性質如何，這些風險都需要得到充分的認識和管理。為了有效地管理這些風險，預警與應急響應顯得尤為重要。預警是指對于可能的災害風險進行早期的監測和預測，從而為應急響應提供了寶貴的時間和信息，而應急響應則是指在災害發生后迅速、有序地進行救援、恢復和重建，以減少災害的損失和影響。這兩者共同構成了現代水利工程風險管理的核心內容。

1 水利工程災害風險的分類及特點

1.1 災害類型及其影響

水利工程災害包括了一系列由于自然原因或人為因素導致的對水利設施或其周邊環境帶來損害的事件。洪水災害是最為常見的，由于降雨過量、雪融或河流決口造成，這種災害可能導致低洼地區淹沒、農作物受損，甚至可能造成人員傷亡，對基礎設施也會造成巨大的破壞[1]。干旱災害則是由于降水量過少或者水源供應不足造成的，它會影響農業生產、減少飲用水供應，并可能導致生態系統受到不可逆的損傷。水庫潰壩是另一個嚴重的災害類型，通常由于工程設計、施工或維護不當引起，可能導致大量水突然釋放，造成下游地區的嚴重洪澇災害。還有水土流失，這通常是由于過度開發、土地裸露或不恰當的農業活動導致，可能會破壞土地、河流和水庫的質量與功能。此外，水生態破壞風險則涉及因為人類活動或其他因素導致的河流、湖泊、濕地生態系統的退化，這種災害會影響到水生物、植被和其他生態系統服務，從而對人類社會帶來間接的風險。

1.2 主要風險來源

水利工程災害的風險來源是多種多樣的，從自然因素來看，氣候變化是一個重要的風險來源。隨著全球氣溫的上升，極端氣候事件的頻率和強度都有所增加，如暴雨、干旱、暴風等，這些都可能對水利工程產生直接或間接的影響，地質活動，如地震、滑坡和土壤侵蝕，也可能對水利設施造成損害或威脅其穩定性[2]。工程設計與施工不當也是風險的重要來源，如果水利工程在設計時未考慮到所有潛在的風險因素，或施工中出現疏忽和錯誤，都可能導致工程本身存在缺陷，進而增加災害風險。運行維護不當也會導致工程的早期老化、性能降低，從而增加發生災害的可能性。另一方面，人類的經濟活動也對水利工程帶來了風險，如上游的工業排放、農業化肥和農藥的過度使用等，可能導致水源污染，對水利工程的運行造成影響。同時，不合理的土地利用和城市化進程可能改變徑流模式，使得某些地區的洪水風險增大。

1.3 影響因素及其特性

影響水利工程災害的因素是多維度和復合性的，涉及自然、技術和社會等多個領域。從自然地理因素來看，地形地貌往往直接影響到水流的方向和速度，山區的陡峭地形可能導致水流快速聚集，增加山洪或滑坡的風險，而平原地帶的低洼地方則容易出現積水或洪澇。土壤的性質和結構也是關鍵因素，透水性強的沙土可能導致地下水位上升緩慢，而粘土則可能在大雨后導致地面積水[3]。土壤的侵蝕性也與其結構和有機質含量有關，這可能影響到水庫的淤積和河流的變遷。從技術和工程的角度看，材料的質量和耐久性直接影響到工程的穩定性和使用壽命，如使用劣質的混凝土或鋼材可能使得工程在短時間內出現裂縫或腐蝕，增加潰壩或倒塌的風險。隨著經濟發展和城市化進程，許多地方為追求短期的經濟利益而過度開發資源，忽視了對水資源和生態環境的保護，當地居民的知識和意識也會影響到災害的發生和應對。例如，如果居民不了解防洪知識，可能在大雨來臨時采取不當行動，增加自身的風險。

2 水利工程災害的風險預警技術與方法

2.1 遙感技術在災害預警中的應用

遙感技術就是通過無人裝置（如衛星或無人機）從遠距離收集地表信息的技術，這種技術能夠實時、大范圍地獲取數據，對于水利工程災害的預警具有巨大的價值。遙感技術可以用于洪水的監測與預測，通過衛星圖像實時監測河流水位的變化，并評估洪水可能涌入的區域，通過分析地表的植被和土壤濕度，遙感還可以幫助預測可能的滑坡和山洪地點。對于干旱的監測，遙感技術可以幫助確定受影響的區域范圍，分析土壤濕度和植被健康狀況，預測干旱可能發展的趨勢和持續時間[4]。對于水庫安全監測，遙感還可以實時監控水庫的水位、水質和周圍的地形變化，及時發現潛在的危險。以2019年在某地發生的洪水事件為例，在雨季來臨前，通過遙感技術發現了該地區的部分河流上游地區土壤濕度較高，同時這些地區的植被覆蓋較少，意味著雨水將很快匯入河流，增加下游洪水的風險。遙感技術還顯示了下游某些地段的地勢較低，更容易受到洪水侵襲。基于這些數據，當地政府迅速啟動了應急預案，進行了河道疏通，同時進行了群眾疏散，有效地減少了洪水帶來的損失。

2.2 氣象與氣候模型預測

氣象與氣候模型預測為水利工程災害預警提供了一個科學、前瞻性的方法，這些模型利用大量的氣象數據、數學方程和高級算法，預測未來的天氣和氣候變化，從而為水利工程提供關鍵的信息。通過模擬降雨量、蒸發和徑流等水文過程，氣象模型可以提供河流的流量預測，為水庫調度和洪水控制提供決策依據，這樣即使在強降雨事件前，水利管理部門也能夠提前釋放水庫庫容，準備迎接可能的洪峰，從而避免或減少潰壩和洪水災害的風險。對于干旱管理，它們可以預測數月乃至數年的降雨和蒸發趨勢，從而提供關于水源供應的長期預測，基于這些預測，水利部門可以提前制定節水措施，如調整水價、限制用水或啟動備用水源，確保在干旱期間維持穩定的供水[5]。再者，這些模型還有助于土壤濕度和植被狀況的預測，進而預警滑坡、土壤侵蝕和其他與水關聯的災害。例如，預測即將到來的大雨可能導致某個已經飽和的斜坡滑動，當地政府可以采取預防措施，如搭建支撐或疏散居民。

2.3 地理信息系統與災害風險評估

地理信息系統（GIS）是一個用于捕獲、存儲、分析和管理空間數據的計算機系統，它使得多種空間數據的綜合和交叉分析成為可能，從而更好地理解和評估與水利工程相關的災害風險。GIS可以用于識別和評估潛在的洪水風險區，通過將河流、水庫、地形和土壤數據層疊加在一起，并結合氣象數據，GIS可以預測在特定的降雨事件中可能被淹沒的區域，以及可能的淹水深度，這有助于城市規劃，確保關鍵設施和居住區不處于高風險區。其次，結合土壤濕度、植被覆蓋和氣候數據，GIS可以創建干旱敏感性圖，幫助決策者確定哪些地區在干旱期間最容易受到影響，從而進行適當的水資源管理和配給。此外，GIS可以對滑坡和土壤侵蝕風險進行評估，通過分析地形、土壤類型和降雨模式，它能夠識別那些在強降雨事件后可能導致滑坡的斜坡，或者識別那些容易受到土壤侵蝕影響的區域。更為重要的是，GIS允許決策者進行“情景分析”。例如，模擬不同的水庫管理策略對洪水擴散的影響，或評估不同的土地利用策略對干旱敏感性的影響。

2.4 數學模型與模擬方法

數學模型和模擬方法為決策者提供了一個量化、可預測的框架，用于理解復雜的水文、水力和環境過程，從而更有效地預防和應對可能的災害。水文模型是評估洪水和干旱風險的基礎，通過對降雨、徑流、蒸發和地下水流的模擬，這些模型可以預測河流和水庫的水位變化，為洪水控制和水資源分配提供關鍵數據。例如，SWAT（土壤水評估工具）和HEC-HMS是兩種廣泛使用的模型，它們可以模擬不同氣候和土地使用條件下的水文過程。對于水利工程結構的設計和評估，水力模型是不可或缺的，這些模型模擬水流通過水壩、渠道和其他水利結構的行為，幫助工程師確定結構的尺寸、形狀和材料。

3 水利工程災害的應急響應機制

3.1 災害響應流程與決策

水利工程災害響應流程和決策是對潛在和已發生的災害進行及時、有效應對的關鍵，這一流程通常從災害的識別開始，然后經過一系列的評估、決策、實施和后續評估步驟，確保最大限度地減少災害的影響。當監測系統檢測到可能的災害跡象時，如水位上升或異常氣候變化，響應流程啟動。接下來，評估團隊會立即收集和分析所有相關信息，如預期的降雨量、河流或水庫的預測水位以及可能受影響的區域和人口。基于這些信息，決策者會制定一系列的應急措施，如啟動水壩泄洪、加強堤壩巡查、預先疏散潛在受影響的居民或發布公共警告，這些決策需要在非常短的時間內做出，并要考慮到所有可能的后果和不確定性。實施階段是行動的時候，這需要與各個相關部門和機構協調，確保所有措施得以有效執行。災害過后會進行后續評估，總結經驗，優化流程和策略。以四川汶川地震為例，由于地震導致的山體滑坡阻塞了許多河流，形成了數十個“堰塞湖”，堰塞湖的突發潰壩將對下游居民和設施造成巨大的水淹災害。地震后相關部門立即啟動了應急響應機制，評估堰塞湖的風險，部署軍隊和工程師對堰塞湖進行治理，同時疏散可能受影響的下游居民，這一系列迅速、有組織的響應措施成功避免了更大規模的次生災害。

3.2 應急資源調配與管理

水利工程災害的應急響應機制中，應急資源包括物資、人力和設備，有效的資源調配能夠確保關鍵資源及時、正確地被送達最需要的地方，從而最大程度地減少災害的損失。當災害發生時，相關部門首先要進行快速的現場評估，確定受影響的區域、人口以及所需的應急資源。隨后資源管理中心會根據現有的資源庫存、預期的需求以及交通狀況等因素，制定資源調配計劃。在資源調配過程中，要確保優先考慮到受災最為嚴重、急需救援的地區，同時還要考慮到資源的持續供應，確保長期應對災害。對于前線的應急隊伍，他們需要與后方的資源管理中心保持密切溝通，及時上報實際需求，以及資源使用、分配的情況。這樣可以確保資源使用的高效性，避免資源浪費。以湖北省的嚴重洪水為例，在洪水爆發后，大量的救援物資和人力需要迅速調度到受災嚴重的地區，由于路面受損，許多地方的交通受到嚴重影響。此時，相關部門利用無人機對受災地區進行空中偵察，了解真實的交通狀況，并為地面救援隊伍提供準確的導航。同時，后方的資源管理中心根據前線反饋的需求，通過多種方式，如陸路、航空和水路，將食物、飲用水、藥品、帳篷等救援物資快速送達受災地區。

3.3 災后恢復與重建策略

水利工程災害的后果常常是長期的，并可能對受影響的社區造成深遠的影響，災后恢復與重建策略不僅要迅速地恢復基礎設施和提供基本服務，還要確保重建的工程能夠抵御未來的災害，實現更為持久和可持續的發展。在實施災后恢復和重建時，需要進行全面的損失評估，確定受損的水利設施的程度、影響的地區和居民，以及相關的經濟損失，基于這些數據制定出有優先級的恢復和重建計劃，確保資源有效地用于最為關鍵的項目。除了物理設施的修復，災后的社會經濟恢復也非常關鍵，這包括為受影響的人口提供臨時住所、工作機會和心理健康支持。以2004年印度洋大海嘯為例，海嘯對印度、斯里蘭卡、泰國和印度尼西亞等國的沿海地區造成了巨大的破壞。在災后的恢復和重建中，各國政府與國際組織合作，進行了大規模的重建工作，重建受損的堤壩、漁港和其他水利設施時，新的設計采取了更高的標準，確保能夠抵御未來可能的災害。此外，為了減少未來的風險，部分低洼地區的居民被重新安置到較高的地方，各國還建立了早期預警系統，用于及時預警類似的海嘯事件。

3.4 跨部門與跨地區的協作與協調

在應對水利工程災害時，由于其廣泛的影響和復雜的因素，常常涉及到跨部門與跨地區的協作與協調。為了有效地管理和減少災害風險，各個相關的部門和地區需要共同努力，確保資源的有效配置、信息的及時共享和行動的統一協調。跨部門與跨地區的協作與協調首先需要建立一個中央協調機制，負責組織、指導和監督各個部門和地區的行動，還需要建立一個高效的信息共享系統，確保各方在第一時間獲取到準確、及時的信息。為了確保資源的有效利用，各部門和地區需要制定統一的標準和程序，對于資源的調配、人員的培訓和設備的采購進行統一管理，并定期進行聯合演練，檢驗協作與協調的效果，發現并解決存在的問題。以2016年長江流域洪水為例，這次洪水涉及多個省份，對于多個城市和農村地區造成了嚴重的影響。為了有效地應對這次洪水，政府啟動了國家級的應急響應機制，組織各個相關的部門和地區進行協作與協調，通過這一中央協調機制，確保了物資的迅速調配、信息的及時共享和行動的統一協調，各地區也與鄰近的省份進行了緊密的合作，共同抵御洪水的威脅。

4 總結

綜上所述，隨著人類社會的不斷進步和技術的日益發展，水利工程已從簡單的滿足基本需求轉向更為復雜的多目標管理和綜合利用。在此過程中，災害風險的識別、預警、應急響應和管理顯得至關重要。正如本文所探討的，面對潛在的風險不僅需要具備先進的技術和科學的方法，還需要一個完善的制度框架，借助現代技術人們能夠更為精確地識別和評估風險，及時做出決策。任何技術和策略都需要建立在持續地研究和實踐基礎上，只有這樣才能在應對未來的挑戰時更為從容和自信。