沈樓燕

(1.武漢大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，湖北 武漢 430072;2.中國瑞林工程技術(shù)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(dǎo)致極端降水事件呈頻數(shù)增多、強(qiáng)度增大趨勢

全球氣候變暖導(dǎo)致水文循環(huán)過程加快，總降水量增大的區(qū)域，其強(qiáng)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(qū)域，也存在著強(qiáng)降水量及其頻率增加的現(xiàn)象。[1]全球范圍內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)表明：在過去的40年中洪水發(fā)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(lián)等地區(qū)，降水和強(qiáng)降水長期特征變化的研究成果均支持上述結(jié)論。[1]英美科學(xué)家的研究表明, 全球氣候變暖將引發(fā)更多像洪水這樣的嚴(yán)重自然災(zāi)害；研究還發(fā)現(xiàn), 由于全球溫度繼續(xù)升高, 未來洪水發(fā)生的頻率還會更高。[2]

我國自20世紀(jì)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(jì)80年代以來，除華北外，我國暴雨極端事件出現(xiàn)頻數(shù)明顯上升、強(qiáng)度增大趨勢，華南和江南地區(qū)尤其明顯；長江中下游地區(qū)降水呈增加趨勢。微量降雨事件普遍減少，尤其是北方地區(qū)。以長江流域?yàn)槔?1961～2000 年洪水發(fā)生頻率的上升主要由增加的夏季降雨導(dǎo)致; 受中下游降雨和個別暴雨時空分布的影響,該地區(qū)的洪水流量顯著增加, 從而加重該地區(qū)的洪澇災(zāi)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(diǎn)雨量實(shí)測和調(diào)查的極值接近或達(dá)到世界最高記錄：如陜西省寬坪調(diào)查暴雨1300mm/6～7h( 1998年7月)超過了以往的世界紀(jì)錄；河南省林莊實(shí)測暴雨830.1mm/6h(1975年8月)和臺灣阿里山實(shí)測暴雨1748.5mm/24h均接近世界最高紀(jì)錄；廣東省湛江幸福農(nóng)場實(shí)測暴雨1146.8mm/24h( 2007年8月)是目前大陸24h實(shí)測最大值。[3]

最大點(diǎn)雨量發(fā)生年代變化：較長歷時最大雨量的年代最高值均發(fā)生于20世紀(jì)60年代，而南方在90年代出現(xiàn)第二個高峰期，西部地區(qū)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(xiàn)了2個最多站數(shù)。

(3)我國洪水極值近年呈增大趨勢

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

近年來，我國國民經(jīng)濟(jì)每年以10%左右的速度遞增，在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的帶動下，鋼鐵、有色金屬和水泥等主要原材料工業(yè)擴(kuò)張迅速，隨著金屬非金屬礦山采選業(yè)的迅速發(fā)展，尾礦庫的安全問題日益顯現(xiàn)。截至2009年9月，我國現(xiàn)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(chǎn)監(jiān)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(qū)人民生命和財產(chǎn)的安全及環(huán)境安全。全球氣候變暖對降水、暴雨和洪水的極值產(chǎn)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(guān)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及運(yùn)行規(guī)程的影響

在氣候變化背景下,尾礦庫工程的設(shè)計需要考慮以下一些問題: ①氣候變化引起尾礦庫匯流區(qū)域內(nèi)降雨和徑流的變化, 將影響匯流區(qū)域的設(shè)計暴雨和設(shè)計洪水,即影響到尾礦庫工程的防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；②氣候變化和變異將可能加大極端水文氣候事件發(fā)生的頻次和強(qiáng)度, 引發(fā)超標(biāo)準(zhǔn)洪水,[2]不僅影響尾礦庫工程的防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，而且影響尾礦庫工程運(yùn)行規(guī)程的設(shè)計和編制；③暴雨強(qiáng)度和暴雨次數(shù)的增加, 可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)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(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)管總局2008年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國共有尾礦庫12655座，其中，分布在江南、華南、西南地區(qū)的尾礦庫計5219座，占全國的41%，并且這些地區(qū)的尾礦庫還在以150～200座/a的速度在新增。因此，這些區(qū)域的尾礦庫尤其需要考慮極端氣候?qū)Ψ篮榘踩挠绊憽Ｌ貏e需要指出的是，因?yàn)闅v史的原因，我國尾礦庫下游大都為人口密集區(qū)、城鎮(zhèn)或大型工廠企業(yè)，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(dá)摩克利斯之劍。這種庫址極其特殊的尾礦庫，應(yīng)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

(3)尾礦庫排洪系統(tǒng)的工作特點(diǎn)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(tǒng)與水庫的排洪系統(tǒng)有所不同，尾礦庫的排洪系統(tǒng)不僅要安全及時地排出庫區(qū)的尾礦澄清水和洪水，而且要確保不讓尾砂從排洪系統(tǒng)泄漏——俗稱“跑渾”或 “跑黑”，即排洪不排砂。其排洪系統(tǒng)通常由進(jìn)水構(gòu)筑物和排水構(gòu)筑物兩部分組成。進(jìn)水構(gòu)筑物最大的特點(diǎn)是隨著尾礦壩不斷堆積升高，相應(yīng)向庫后延長及抬升，不斷調(diào)整進(jìn)水口高程及進(jìn)水位置，以保證庫內(nèi)的澄清距離，從而不讓尾砂從排洪系統(tǒng)泄漏。當(dāng)尾礦庫使用至中、后期，排洪系統(tǒng)的大部分構(gòu)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(dú)特的筑壩工藝決定了尾礦庫的排洪系統(tǒng)對于尾礦庫的安全穩(wěn)定性具有十分重要的作用，[5]若排洪系統(tǒng)一旦出現(xiàn)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(dǎo)致洪水位升高，從而會導(dǎo)致漫壩潰壩、尾礦堆積壩壩坡滑坡失穩(wěn)等重大災(zāi)害。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料顯示，國內(nèi)尾礦庫病害事故中，排洪系統(tǒng)的病害事故占33.3%，洪水漫頂?shù)恼?4.4%。[6]我國有色金屬礦山因排洪系統(tǒng)失事引起災(zāi)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(dǎo)致的極端降水事件對尾礦庫安全排洪的負(fù)面影響。

3 將“最大可能洪水”引進(jìn)尾礦庫工程防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域的必要性

目前，我國尾礦庫工程防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的選取主要依據(jù)《選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)執(zhí)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，但主要還是依據(jù)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(huán)境造成極其嚴(yán)重危害的尾礦庫，其防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)予以提高，必要時其后期防洪可按可能最大洪水進(jìn)行設(shè)計”。前文提到的德興市鉛鋅礦尾礦庫為例，依據(jù)其庫容、壩高可將其初定為四等庫，設(shè)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(jù)《規(guī)范》其設(shè)計洪水重現(xiàn)期中后期可取200～500年一遇。筆者認(rèn)為：全球氣候變暖導(dǎo)致極端降水事件的加頻，暴雨、洪水極值屢創(chuàng)記錄高值，對于失事后可能引發(fā)重大災(zāi)害的尾礦庫，其防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的選取時應(yīng)當(dāng)引進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)洪水時出現(xiàn)排洪不力導(dǎo)致的漫壩、潰壩事故，這個概念適用于庫址具有安全、環(huán)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(jù)資料反映，美國尾礦庫的洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)高：最低標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行設(shè)計。[8]在我國，也不乏采用最大可能洪水(PMP)進(jìn)行校核設(shè)計的工程實(shí)例。例如江西銅業(yè)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(yǎng)殖基地，為了確保該尾礦庫的建設(shè)運(yùn)行不對赤湖淡水養(yǎng)殖基地構(gòu)成破壞，武山銅礦老尾礦庫的防、排洪系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，采用了最大可能暴雨進(jìn)行校核。

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

表1 不同洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計暴雨值比較表

從表1可以看出，若考慮最大可能洪水標(biāo)準(zhǔn)計算的設(shè)計暴雨值，將是常規(guī)設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)(500年一遇)的2.43倍，相應(yīng)尾礦庫排洪系統(tǒng)的防排洪能力應(yīng)調(diào)整至原有標(biāo)準(zhǔn)的2.43倍。PMF對應(yīng)的洪水重現(xiàn)期可能大于萬年一遇，但是有些地區(qū)也低于萬年一遇重現(xiàn)期洪水。PMF若按美國傳統(tǒng)的方法推求，與萬年一遇洪水之間沒有什么固定的關(guān)系，從美國東部、中部和西部隨機(jī)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(jié)語

尾礦庫防洪工程安全與否直接影響到周邊地區(qū)人民生命和財產(chǎn)的安全及環(huán)境安全。以全球變暖為主要特征的氣候變化是不爭的事實(shí)。氣候變化將會對尾礦庫防洪工程的設(shè)計、運(yùn)行和自身安全產(chǎn)生一定的影響。因此，必須未雨綢繆，加強(qiáng)氣候變化對尾礦庫防洪工程安全影響的科學(xué)評估、減緩影響和適應(yīng)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(xué)的技術(shù)支撐。

[1] 劉九夫, 張建云, 關(guān)鐵生.20世紀(jì)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(xué)研究院, 中國暴雨統(tǒng)計參數(shù)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(guān)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(guān)于尾礦庫排洪系統(tǒng)設(shè)計中的問題探討[J].有色金屬(礦山部分),2003,(3): 38-40.

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

[7] ZBJ1-90，選礦廠尾礦設(shè)施設(shè)計規(guī)范[S]. 1991.北京：中國計劃出版社，主編部門：中國有色金屬工業(yè)總公司.國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).14-15.

[8] 汪貽水. 美國礦山企業(yè)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(shè)計洪水及標(biāo)準(zhǔn)問題[J].水利學(xué)報，1991,(4):68-76，78.