美國連續潰壩(漫壩)給我們帶來怎樣的警示

由于持續降雨,密歇根州Tittabawassee河上發生梯級水電站連續潰壩(漫壩)。美國當地時間5月19日19:30左右,Edenville大壩漫壩并潰決,下泄洪水于20:49又沖垮下游Sanford大壩,迫使密歇根州中部約1萬人撤離。另據外媒報道,Edenville大壩上游的Smallwood大壩也發生漫壩,具體時間不詳。根據美國有線新聞網CNN當地時間5月20日17時左右報道,潰壩洪峰已經過去,目前暫無人員傷亡報道。
前日,我們于事故發生的第一時間報道相關情況(突發!美國密歇根州連潰兩壩 上萬人緊急撤離),隨著當地媒體報道與披露資料的不斷增多,我們嘗試著進一步廓清這次重大事故的種種疑團,并探討它為我國大壩安全監督管理帶來的警示。

事故大壩和流域概況

密歇根州Tittabawassee河修建有4座水電站大壩,從上游依次為Secord、Smallwood、Edenville和Sanford,工程主要任務均是發電。上述四座水電站均修建于1924年,至今已服役96年,現由Boyce Hydro公司負責運營。
Tittabawassee河梯級水電站位置示意圖

Secord大壩位于格拉德溫縣,距格拉德溫市東北約13.7km、米德蘭市上游約67.6km,是此次事件中唯一幸免的大壩。

Smallwood大壩位于米德蘭市上游約54.7km處。該壩建于1924年,主體結構由混凝土溢洪道和發電廠房組成。壩頂高程214.8m。2000年,堤壩上游側加固了防滲樁墻。在正常蓄水位214.8m的情況下,水庫蓄水面積約為2.02k㎡。大壩總長度約為313.9m,混凝土溢洪道和發電廠房約為22.9m。

Edenville大壩位于米德蘭郡和格拉德溫郡之間。大壩由兩部分組成,一部分壩段在Tobacco河上,另一部分在Tittabawassee河上,裝機4.8MW,壩體為土壩,兩側均設有混凝土溢洪道。壩頂高程216.3m,大壩總長度1.9km,壩高16.6m,每條溢洪道長度約21.3m。在正常蓄水位205.98m時,水庫蓄水面積約為9.3k㎡,水庫庫容約4933.9萬m3,按照我國定義,是一座中型水庫。從潰壩現場視頻看,此次大壩潰決位置位于左側壩段。
Sanford大壩位于Edenville大壩下游約11.3km處,壩長600m,大壩高7.9m,安裝有3臺發電機組,總容量3.3MW。大壩有6孔溢洪閘,由液壓啟閉閘門控制。漫頂潰決位置始于緊鄰溢洪道的壩體位置。

Smallwood大壩布置及漫壩情況圖

Edenville大壩布置及潰決圖

Sanford大壩布置及潰決圖

據美國國家氣象局消息,5月17日和18日,當地降雨量達100~180mm,Tittabawassee河在19日上午進入大洪水期。

應急響應情況

據了解,潰壩影響地區的應急部門具有較完備的各標準洪水和潰壩洪水風險圖。
5月19日全天,美國國家氣象局向Tittabawassee河流域不斷發布洪水警報,敦促民眾撤離。米德蘭市位于Tittabawassee河畔,人口數量約為4.3萬。當地政府通過手機即時通訊工具、網站等及時發布了潰壩信息,約1萬人進行了撤離。密歇根州州長19日晚間宣布進入緊急狀態,并呼吁受影響地區數以千計的民眾前往親友家中或緊急避難所?!霸诮酉聛淼?2至15小時內,米德蘭市中心可能會被9英尺(2.74m)深的洪水淹沒”。
從事故后的現場圖片看,潰壩洪水經過米蘭德郡后,繼續向下游演進,經弗里蘭,并由貝城匯入休倫湖。
潰壩下游河段下游有一家著名企業陶氏化學的總部,包含三家大型化工廠區,據當地政府估計,米徳蘭化工基地將有一半區域被淹沒,目前還暫時不清楚洪水可能對化工廠造成的影響,并且未來對下游和休倫湖生態的影響也還不能確定。潰壩洪水發生后,陶氏化學公司表示,已啟動緊急行動,包括安全關閉仍在生產塑料和其他化工產品的區域。

潰壩原因分析

從已有信息源和潰壩位置衛星圖像推測,導致潰壩主要因素是持續降雨、大壩泄流能力不足、大壩運行維護不到位。
持續降雨。美國國家氣象局對該地區的降雨過程做出了較準確的洪水預報,最大洪水來臨時段與Edenville潰決時段幾乎重合。關于此次洪水是否超過大壩設計標準,尚缺乏數據支撐。
大壩泄流能力不足。有關報道稱,外界此前就已開始擔憂上述幾座大壩的安全狀況。其中Edenville大壩由于長期未解決溢洪道泄流能力不足問題,屬高風險大壩,2018年被密歇根州評定為不合格的狀態,且由于Boyce Hydro公司存在違規問題,被聯邦能源監管委員會(FERC,Federal Energy Regulatory Commission)吊銷了運營許可證。此后,Edenville大壩的管理權被密歇根州環境、大湖和能源管理局接管。從FERC于2018年9月10日起生效的Edenville大壩許可吊銷文件看,該水庫不具備應付可能最大洪水(PMF)的下泄能力,實際泄洪能力僅能達到要求值的50%??梢酝茰y,由于泄洪能力不足,即使遭遇設計標準內洪水,Edenville大壩亦有漫頂潰決的可能,其潰壩洪水下泄又造成了下游Sanford大壩的潰決。

大壩運行維護不到位。Edenville和Sanford大壩都是運行近100年的大壩。Edenville需要更大的溢洪道以及更好的保護措施,以防漫頂損壞。但遺憾的是,因維修成本較高,業主沒有及時進行溢流到擴建。Sanford雖然通過了當時的評估,但也因為近100年的運行歷史讓人對其質量產生了擔憂。事件發生前,包括這兩座大壩在內的數座大壩正在公開招標改擴建,都因種種原因沒有企業愿意競標,直至發生潰壩事故。


當地水電站大壩管理現狀審示

聯邦能源監管委員會表示,自2004年以來,他們一直在敦促Boyce Hydro公司對大壩進行升級改造,使其能夠抵擋預期可能發生的大洪水。經前期評估,Edenville大壩需要更大的溢洪道以及更好的保護措施,以防漫頂損壞。但因維修成本較高,業主沒有及時擴大其溢流能力。
事實上,Edenville大壩被要求提高泄洪能力的文件記錄最早甚至可以上溯到1999年1月。

而在此后的20余年中,大壩業主雖然由Wolverine Power Corporation變更為Boyce Hydro(2004年),他們與大壩監管機構“打太極”方式一直未變——通過各種泄洪能力專門論證拖延整改,水庫的泄流能力也一直未能本質提升。即使2018年大壩發電許可被吊銷,大壩業主也僅將大壩列入待出售狀態,而沒有采取任何有針對性的處置措施,最終釀成此次大壩潰事件,嚴重威脅了下游地區的公共安全。

從上述情況看,這與2017年美國加州奧利維爾大壩溢洪道事故有著同樣“診而不治”的原因,反映了美國在大壩安全監督管理機制上存在缺陷。


教訓和啟示

近年來,國內外已經發生多起水電站大壩嚴重事故。今年5月,烏茲別克斯坦Sardoba大壩潰壩,造成4人死亡、1人失蹤、56人受傷,附近7萬多人被疏散;去年7月,我國汶川地區因為強降雨和泥石流,龍潭水電站(小水電)發生泄洪設施淤堵漫壩,太平驛水電站因下游堰塞湖被淹沒。上述事故和災害為我國大壩安全監督管理工作敲響了警鐘,針對當前面臨的新形勢和新任務,對我們有以下警示:
一、必須進一步強化大壩安全意識,時刻謹記大壩運行安全事關公眾生命和財產安全,不能有絲毫的懈怠。水電站的運行管理單位要始終把大壩安全放在第一位,嚴格按照國家法律法規和技術標準規定,健全管理體系、落實安全責任,保證工程建設質量、規范運行維護工作,確保水電站大壩運行安全。
二、在全球極端氣象情況和地震頻發的自然條件下,需謹慎設計度汛方案,充分考慮設計洪水發生改變,或者原有設計泄洪泄流能力未達到設計要求,或者調度泄洪通道受阻等原因可能造成的工程防洪隱患,明確對工程進度及相關度汛措施的要求和留有余地。同時,還應特別關注閘門、啟閉機等泄洪設施的金屬結構和機電設備的運行情況,保證在需要時能及時啟閉運行。
三、大壩運行管理單位要重視并做好風險分級管控和隱患排查治理,落實安全經費,及時徹底解決檢查發現的安全問題。持續降雨是本次多座大壩失事的誘因,而Edenville大壩泄流能力不足和運行維護不到位可能是此次水庫連續潰決的主因,這暴露了其安全管理體系的重大缺陷,“診而不治”,多年來對監管單位的連續警告置若罔聞,最終釀成了此次大壩潰決事件。
四、大壩運行單位要加強現場應急能力建設,提升應急演練水平,積極應用各類現代化技術手段,進一步提高災害風險監測預報預警能力。尤其在汛期,要立足于嚴防潰壩、漫壩等重大險情,壓實防汛責任、落實防汛措施,加強汛期應急處置,有效應對各種突發天氣情況。進一步建立完善上下游、干支流各水電站業主之間的信息共享共用技術途徑和工作機制,確保響應的聯動、協調。要按照有關規定和技術標準開展大壩下游潰壩洪水分析、繪制洪水風險圖,為可能發生的洪水災害應急搶險和救援提前做好準備。
五、關注大壩老化問題。Tittabawassee河部分大壩潰決,只是密歇根州大壩老化問題的一個縮影,密歇根州大約有2600座大壩,其中三分之二的大壩已經超齡服役,在未來五年內,密歇根州大約80%的水壩將超過50年的使用年限。對于老壩,更應當加強安全檢查,定期開展全方位的安全評估,在風險可控的情況下確保安全運行。


作者:楊彥龍、彭之辰、杜德進、崔何亮
資料收集:吳雙