基于大型堰塞壩數據庫的統計分析與治理措施

常雨晴，張新華，薛睿瑛

(1.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.太原理工大學，山西 太原 030024)

0 引言

近年來，隨著全球氣候的異常變化，地震、強降雨等極端自然事件頻發，這些極端自然事件極易引發滑坡、崩塌、泥石流等次生災害，造成堰塞體堵塞河道形成堰塞湖。2000年西藏易貢發生巨大山體崩滑形成堰塞湖，造成主河道7km范圍內林地和公路全部被淹沒，堰塞體兩個月后在泄流槽的疏導下發生潰決，洪峰流量達120000m3/s，沿線公路、橋梁均被沖毀[1]。2008年四川省汶川縣突發里氏8.0級大地震，地震誘發多起滑坡和巖石崩塌事件形成257個堰塞湖，據評估其規模最大的唐家山堰塞湖一旦垮塌，很有可能引發下游多個堰塞壩潰決而發生洪水鏈鎖反應，損失不可估量[2]。2018年10、11月中國四川省甘孜州白玉縣與西藏江達縣交界處白格村接連發生兩次滑坡堵江事件，潰決洪水沖毀下游西藏、四川、云南3省境內多處道路、耕地和房屋，下游多處橋梁被沖毀[3]。而堰塞壩災害至今仍是一個尚未研究徹底的不可預測事件，它的形成和發育是河流系統與邊坡系統之間復雜的相互作用的結果[4]。現有的堰塞壩數據庫參差不齊，多為某一次或某幾次災害集中形成的堰塞壩案例，大型數據庫屈指可數，數據缺乏普適性，同時數據庫規模較小，年代跨度有限，地區分布不均勻，統計規律不具有代表性，另外近年來地震、強降雨事件誘發形成多起新的大型堰塞壩事件也有待統計更新。所以重新整合匯編并更新現有堰塞壩數據庫對建立更高精度的參數統計模型，進一步探究堰塞壩統計規律及潰壩機理具有十分重要的意義。

本文通過案例搜集，在前人基礎上更新了近5年堰塞壩案例，建立了一個包含1230個歷史堰塞壩案例的大型數據庫，統計了堰塞壩的基本特征并進一步對特征要素間的關聯性展開分析，得到了堰塞壩特征統計規律及堰塞壩特征要素之間的關聯關系，為日后建立參數統計模型研究其發展規律和致災機理打下基礎，最后文章基于相關統計規律對堰塞壩預警預防和災后應急處理提出了建設性建議。

1 國內外研究進展

早在20世紀70—80年代，國外便開展了大量滑坡堵江事件的調查研究工作，美國學者J.E Costa和R.L Schuster編制了世界滑坡壩目錄，匯編了來自世界各地463起滑坡壩的詳細數據[5]，隨后發表了專題文章對堰塞壩的定義、分類、特征、發育規律等進行詳細的說明，為后人的研究奠定了很好的基礎[6]。2002年L.Ermini和N.Casagli[4，19]以地貌調查為基礎，收集了世界各地500多個堰塞壩的數據，不過其中大部分位于意大利北部和美國西部。2015年Korup闡述了過去10年堰塞壩研究進展并針對荷蘭堰塞壩的研究建立了全球和荷蘭的堰塞壩數據庫。2020年Fan和Dufresne在前人的基礎上，提出了一個新的世界性數據庫，該數據庫加入了22例火山環境中的堰塞壩案例，還對堰塞壩類型和特征分別進行了重新定義。

我國地質條件復雜，高山峽谷區域發育眾多，自古以來堵江滑坡事件便頻繁發生。雖然我國早在1000多年前就對滑坡堵江事件開始有所記載，但對于堰塞壩的研究相較國外起步較晚。到20世紀末，我國學者柴賀軍等人[7]才建立了國內最早的堰塞壩數據庫，搜集了我國歷史上147例滑坡堵江事件，并對堰塞壩的特征進行了諸多定性描述。進入21世紀，許多學者開始對堰塞壩事件進行系統研究，2006年嚴容[1]通過文獻檢索和歷史調研在柴賀軍等人的基礎上，進一步全面統計了我國崩滑、泥石流堵江事件，建立了包含388起堰塞壩案例的數據庫，針對堰塞壩的分布特點和發育規律進行了詳細的研究。2008年汶川特大地震中產生257個堰塞壩，Cui Peng等人[2]第一時間赴災區考察，根據現場觀測和遙感資料對堰塞壩清單進行了逐一排查，完成了風險評估并提出應急處理措施。Fuan等[8]通過衛星數據對本次災害產生的堰塞壩進行了識別，對32個獲取到詳細數據的案例進行了特征統計和危害評價。針對本次災害中產生的最大規模的唐家山堰塞壩，進行了應急減災措施的相關討論。2014年石振明等[9]，通過建立國內外大型堰塞壩數據庫，提出了潰決參數快速評估模型，并采用唐家山堰塞壩潰決案例進行了驗證。2018年年延凱等[10]通過案例匯編，建立了全球1328例堰塞壩大型數據庫，提出一種三參數快速評估方法預測壩體穩定性。

綜上分析可知，近年來學者們在有關堰塞壩特征性質的探究方面有了一定的研究成果，且也建立了不少堰塞壩數據庫，不過對其分析可知，現有數據庫多為某一次災害形成的小規模堰塞壩數據庫，年代跨度較小，大多為集中在某一時期的統計案例，數據缺乏普適性。此外，針對堰塞壩特征的統計分析也不盡完善，對堰塞壩特征間的關聯性分析不足，同時缺少對近幾年最新案例的統計。

2 堰塞壩數據庫構建

2.1 數據庫構建

堰塞壩作為自然災害的衍生物，分布具有很大的隨機性，其潰決往往是難以提前預測的，所以不像人工壩潰決事件一樣具有詳細的壩體數據。鑒于堰塞壩案例信息統計比較困難，本文通過文獻調研、新聞紀實、現場調研等多種途徑進行資源整合，數據來源見表1。經過初步的數據篩選后整理出了共計2562個堰塞壩案例的數據庫信息集合，對所有數據信息進行同質化處理，最終建立了一個包含1230個歷史堰塞壩案例的大型數據庫，總共涵蓋了公元后2000年來全球46個國家有所記錄的滑坡堵江及堰塞壩事件。數據庫內容可分為堰塞壩基本情況、滑坡情況、壩體情況、堰塞湖情況、致災情況等5個模塊，主要統計了堰塞壩的分布、形成和誘發因素、壩體參數、壽命、潰決參數等信息。數據庫構建流程如圖1所示，數據庫來源見表1。

表1 數據庫來源

圖1 數據庫架構

2.2 特征統計

2.2.1分布特征

本文數據共統計到國內外46個國家1230個堰塞壩案例數據，為研究其分布特征，對數據庫內各個堰塞壩案例在世界各大洲的分布位置進行統計，如圖2所示。由圖可知，大部分潰壩案例來自亞洲(59.2%)，比例接近六成，南美洲、大洋洲占比最少。此外，本文還對堰塞壩案例在全球和各個國家的分布情況進行了分析，如圖3所示。從圖中可以看出案例數最多的國家是中國，占比43.3%，其余各國所占比重較少。一方面是因為我國歷史悠久，史籍記載滑坡堵江事件資料較多，另一方面我國幅員遼闊，山地和高原占陸地面積一半以上，滑坡、崩塌、泥石流等地質災害頻發，尤其是我國西南地區，山地面積較多，歷史上諸多堰塞壩事件均分布于此。

圖2 堰塞壩在全球的分布

圖3 堰塞壩在不同國家分布

2.2.2堰塞壩成因統計

堰塞壩根據其成因一般可分為滑坡堰塞壩、冰磧堰塞壩、崩塌堰塞壩、泥石流堰塞壩等。本文所收集的數據中具有地質成因記載和誘發因素的案例分別有660例和887例，對堰塞壩地質成因類型進行統計分析，如圖4所示。由圖可知，絕大多數堰塞壩都是由滑坡和坍塌引起的，而泥石流、落石以及混合因素觸發的堰塞壩較少。從實際來看，一次暴雨事件或特大地震事件都可能誘發相當多的堰塞壩，如2008年汶川地震一次性誘發了257個大大小小的堰塞湖。為此，對堰塞壩的誘發因素進行統計分析，如圖5所示。由圖可知，降雨和地震誘發形成堰塞壩案例數量最多，比例高達86.5%，而融雪(4.8%)、人類活動(4.5%)、火山爆發(3.4%)、山體失穩(0.8%)等其他誘發因素則占比較少。

圖4 堰塞壩地質成因

圖5 堰塞壩誘發因素

2.2.3堰塞壩壩體特征統計

壩體堆積形態是影響壩體穩定性的關鍵參數。對堰塞壩壩體參數進行統計分析，如圖6所示。從圖中可以看出，堰塞壩形成后壩高在40m以下和100m以上的壩體居多，分別為56.4%和17.3%，壩高最高可達1100m，壩長最長可達7000m，壩寬最寬可達14000m。由此可見，堰塞壩具有壩長和壩寬遠遠大于壩高的特點。堰塞壩長寬比也是影響壩體穩定性的重要特征之一，與人工筑壩不同，堰塞壩長寬比(沿河道長度/垂直河道長度)一般較大，對其進行統計分析可知，只有將近17%的堰塞壩案例(49例)長寬比小于1，而大部分堰塞壩長寬比在1～5之間(195例)，僅有10%左右堰塞壩長寬比大于5，平均長寬比為2.69，如圖7所示。

圖6 堰塞壩壩體參數

圖7 堰塞壩長寬比規律

2.2.4堰塞壩壽命特征統計

堰塞壩壽命通常難以預測，但由于沒有防滲及泄洪設施，所以往往壽命很短。根據歷史記載，堰塞壩一般在壩體形成后的數小時到數天、數年不等發生潰決，鮮有記載堰塞壩形成后未經處理而永久保存的案例。本文收集到具有堰塞壩壽命的案例數有286例，如圖8所示，33.9%的堰塞壩形成后一天時間內便發生潰決，在10天以內發生潰決的堰塞壩達57.7%，占一半以上，85.3%的堰塞壩在形成后的1年內潰決。結果表明，堰塞壩短時間內發生潰決的可能性較高，因此堰塞壩形成過程中的搶險救災措施應著重加強對時間的預測與把控。

圖8 堰塞壩壽命

2.2.5潰決特征統計

現有記載的堰塞壩潰決方式主要有漫頂潰決、管涌潰決和邊坡失穩3種類型，如圖9所示為本文數據庫整合分析出的堰塞壩潰決機理特征統計圖，從圖中可以看出，93.2%的潰決案例均是以漫頂破壞方式的，5.6%的潰決案例系管涌破壞，而小部分案例是邊坡失穩破壞，比例僅有1.1%。由此看出堰塞壩發生漫頂潰決概率極高，在防險救災中應著重加強有關漫頂破壞方面的研究。另外堰塞壩潰決過程歷時很短，如圖10所示，接近80%的壩體6h內便完成了整個潰決過程，而絕大部分潰決過程在15h完成。堰塞壩的殘存壩體仍會繼續留存在河道中。為探究堰塞壩潰決殘存比規律，本文進一步對41例具有壩體殘存數據的潰決案例進行了分析。如圖11所示，整體來看堰塞壩殘存比(殘存壩高/壩高)平均值為0.57，殘存比0.4～0.6之間的堰塞壩比例最高，為32%，殘存比大于0.6的比例為46%，而只有少部分(22%)堰塞壩潰決后殘存比小于0.4。這意味著，堰塞壩潰壩后，在堰塞壩址處有大量的泥沙石塊堆積，不可避免地影響到河床底部形態形態特征，對后續河流的演變及下游水生生物及生態系統都造成一定的影響。

圖9 堰塞壩潰決模式

圖10 堰塞壩潰決時間

圖11 堰塞壩殘存比

2.3 特征關聯性分析

2.3.1誘發因素與季節關聯性分析

由于降雨融雪、山體失穩等因素明顯受季節影響較大，特此統計分析了不同誘發因素的季節分布特征，如圖12所示。本文共統計到470例具有誘發因素和時間數據的堰塞壩案例，總體來看堰塞壩在夏季產生的比例最高，為45.3%，其余季節(春季18.7%、秋季18.7%、冬季17.2%)發生堰塞壩比例較為平均。其中春季中融雪因素誘發堰塞壩比例最高，其他誘發因素(降雨、地震、人類活動、火山爆發等)均在夏季出現頻率最高，表明夏季是堰塞壩頻發的高危季節，而春季、秋季、冬季并沒有表現出顯著的季節差異性。

圖12 誘發因素與季節關聯性

2.3.2地質成因與壽命關聯性分析

不同地質成因產生滑坡體的堆積方式不盡相同，本文對數據庫中197例同時具有地質成因和堰塞壩壽命案例進行了統計分析，如圖13所示?？傮w來看，單一因素誘發形成的堰塞壩壽命較混合因素更短，而在單一因素對比中，坍塌誘發形成堰塞壩的壽命最長，其次為滑坡，泥石流誘發形成堰塞壩的壽命最短，說明混合誘因形成的堰塞壩相較于單一因素形成的堰塞壩結構更加穩定，而單一因素中，坍塌誘發形成的堰塞壩穩定性強于滑坡強于泥石流。

圖13 地質成因與堰塞壩壽命關聯性

2.3.3不同誘發因素與地質成因關聯性分析

地震、強降雨等災害一般都是通過誘發滑坡、崩塌、落石、泥石流產生堰塞壩，本文對堰塞壩的誘發因素和地質成因進行了關聯性分析，統計結果如圖14所示。由圖可知，同時具有誘發因素和地質成因數據的堰塞壩案例有514例，不同地質成因堰塞壩的誘發因素存在明顯差異。降雨是造成泥石流型堰塞壩的主要原因，超八成的泥石流型堰塞壩是由降雨誘發的；地震是造成坍塌型、滑坡型和落石型堰塞壩的主要原因，超六成的坍塌型堰塞壩和超五成的滑坡型堰塞壩是由地震誘發的；而在混合型堰塞壩中，由降雨、地震誘發的堰塞壩數量相當，比例均為42.9%。

圖14 誘發因素與地質成因關聯性

3 堰塞壩防治搶險措施建議

堰塞湖一旦發生潰決，會造成巨大生命財產損失和河流生態系統的嚴重破壞，所以提前針對堰塞壩進行防治和及時搶險十分關鍵?；谏鲜鲅呷麎翁卣鞯姆治?，提出以下防治和搶險措施，旨在對未來堰塞壩災害處理提供可參考的意見和建議。

(1)建立完善預警預報及快速搶險機制。由上述堰塞壩潰決特征規律可知，近六成堰塞壩形成后10天內發生潰決，應急搶險的時間十分緊張，應集合衛星、遙感等多方面技術實時獲取堰塞體全方位的地理、地質、水文氣象信息[20]。保證快速做出洪水潰決預警預報的發布，同時快速制定搶險應急方案，及時為評估潰決洪水風險對下游居民轉移和防護風險的判斷提供科學決策的依據[11]。

(2)準確預測洪峰流量降低風險。堰塞湖危害主要在于洪峰流量的大小，因而準確預測潰決流量和潰口演化過程是堰塞湖搶險防災的關鍵。通過建立堰塞壩潰決洪水預測模型，準確預測潰決洪峰流量，為下游居民提前轉移安置提供決策依據。

(3)合理開發和利用堰塞湖。根據統計結果可知大多數堰塞壩潰決為半潰情況，殘存的壩體隨著時間的推移會逐漸融合到河道系統中。通過合理利用和人工干預，比如將堰塞湖系統改善發育成階梯深潭體系，在很大程度上能減緩上游來水的勢能，減小對河道的沖刷，同時給河道生態系統提供更多的生物棲息地環境。

(4)以自主修復為基礎采取適當生態修復措施。對于堰塞湖災區的生態修復應盡量在地區生態系統可承受的范圍內，以植被自主修復為基礎，選擇貼近區域植物分布的綠化物種進行人工栽植。另外，針對岸坡破壞嚴重的區域可采用適當的工程措施，比如混凝土框格、人造臺地等來穩固岸坡新增土壤[13]。

4 結語

本文通過多種途徑搜集堰塞壩案例信息，建立了包含堰塞壩基本情況、滑坡情況、壩體情況、堰塞湖情況、致災情況等5個模塊的大型堰塞壩數據庫。通過特征統計與關聯性分析得知，夏季是堰塞壩頻發的高危季節，混合因素形成的堰塞壩相較于單一因素形成的堰塞壩結構更加穩定。本研究能夠為全面了解堰塞壩特征，研究其發展規律和致災機理等工作提供一定參考。但堰塞壩數據庫具有一定時限性，還需進一步關注堰塞壩災害，對數據庫進行補充。未來可基于不斷更新的堰塞壩數據庫建立更高精度的參數統計模型。