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极端天气气候事件对大坝的致灾影响分析（王珊 梁彬锐 王占军）
来源：中国农村水利水电
摘要：我国是受极端天气气候事件影响最严重的国家之一，又是世界坝工大国，研究极端天气气候事件对大坝的致灾影响对大坝安全至关重要。基于台风、极端降水、高温和干旱的分布特征和灾害特征，初步分析了不同类型极端天气气候事件对大坝的影响机制，对科学应对极端天气气候对大坝的致灾影响具有重要的意义。
关键词：台风；极端降水；高温；干旱；大坝
中图分类号：TV64 文献标识码：A 文章编号：（2013）01-0102-03
An Analysis of the Effect of Extreme Weather Events on Dams
WANG Shan1，LIANG Bin-rui 2，WANG Zhan-jun2
Abstract：China is one of the countries severely affected by extreme weather events．Doing research on the effect of extreme weather events on dams is essential for the safety of dams．Based on distribution and characteristics of typhoon，extreme precipitation，high temperature and drought，this paper analyzes the effect of different types of extreme weather events on dam influence mechanism．It is a great help to the scientific response to extreme weather and climate on disaster-causing effects of dams．
Key words：typhoon；extreme precipitation；high temperature；drought；dam；disaster-causing
全球气候变暖背景下，台风、强降雨、极端温度和干旱等极端天气气候事件频发。近50a来，我国主要极端事件的频率和强度出现了加强的趋势，特别是20世纪90年以来，我国多次发生极端事件（包括流域性大洪水和大范围干旱），给经济社会发展带来了重大损失［1］。截止2009年底，全国已建成各类水库大坝87 151座［2］，这些水库在国民经济发展和生态环境改善等方面发挥了巨大的作用。但由于材料性能、施工质量等因素，随时间推移，大坝存在老化、病变和裂缝等问题。这些缺陷或隐患若遇极端事件，严重的将会导致大坝溃决等灾难性事故［3，4］，如受1975年3号台风影响引发的特大暴雨，造成了包括板桥、石漫滩等数十座水库漫顶垮坝事件；1978年丰乐水库地区出现长期高温干旱，致使坝体出现多条裂缝；2006年重庆市遭遇百年一遇的特大干旱，造成全市约1 200座水库大坝因干旱开裂。本文将从台风、极端降雨、极端温度和干旱等方面阐述了极端天气气候对大坝的致灾影响，这对大坝减灾防灾具有重要的意义。
1 极端天气气候事件
极端事件是指某一特定时期内发生在统计分布之外的罕见事件，通常分布在统计曲线两侧各5％的范围内。极端事件的特性［5］主要可作如下概括：①罕见性；②极端性；③不确定性；④后果的严重与复杂性；⑤时间分布：各类极端事件的时间跨度有短有长，可能为单一事件也可为延续性事件，可分为急剧型（即迅速开始，整个过程短而剧烈，如台风）和长期频发型（即持续较长的一段时期或频繁发生，如干旱）。
极端天气气候事件实质上是由某种气象要素或变量引发的、当其正负异常超出一定阈值，发生于一定区域和时段上的气候极值，其结果可能导致某种灾害事件发生，如洪水、强降雨、干旱等。目前，国际上在气候极值变化研究中最多采用阈值，超过阈值的值被认为是极值。联合国政府间气候变化专业委员会（IPCC）借助于概率统计知识对极端气候事件作了明确的定义［6，7］，根据此定义，极端气候事件为一相对性概念，可能随着时间地点退化为一般气候事件。其中还对“罕见（rare）”作了量化解释：根据观测的概率密度函数，极端气候事件发生概率不大于10％。
设某一指标Z服从一定的概率分布，如图1所示，当某一事件E 发生时，根据图示Z 的分布曲线得到其概率不大于某一百分数a，如5％（根据具体情况综合考虑各种因素确定）时，必然有Z≤Ze-或Z≥Ze+，则事件E 即为此概率水平a 下的极端事件，即：P（Z≤Ze-）≤a或P（Z≥Ze+）≤a。
根据该定义，大坝工程中的极端天气气候事件主要包括台风、极端降水、极端温度和干旱等，自身发生的概率相对较小，而导致结构建筑物破坏的可能性极大，其对大坝工程脆弱性产生的影响主要体现在：①作用代表值的突然增大；②多个作用的耦合产生更为严重的安全性和耐久性等问题，对工程产生更为不利的影响。
图1 极端事件示意图
图2 台风登陆数逐年分布
根据该定义，大坝工程中的极端天气气候事件主要包括台风、极端降水、极端温度和干旱等，自身发生的概率相对较小，而导致结构建筑物破坏的可能性极大，其对大坝工程脆弱性产生的影响主要体现在：①作用代表值的突然增大；②多个作用的耦合产生更为严重的安全性和耐久性等问题，对工程产生更为不利的影响。
2 极端天气气候事件的致灾影响
2．1 台风对大坝的致灾影响
台风是地球上破坏性最大的气象灾害之一。台风移近和登陆时常伴有狂风、强降雨、风暴潮等，危及生命财产及水利工程安全。我国东临台风发生频率最高的海域-热带西北太平洋和南海，是世界上遭受台风危害最严重的国家之一。
2．1．1 分布特征
我国东南沿海是台风登陆最频繁区域之一。根据近66年（年）资料［8］，共有493个台风登陆我国，平均每年7．5个。台风登陆数逐年分布如图2所示，其中登陆最多的年份是1974年16个。
台风影响我国的区域范围广，空间分布大致沿海多、内陆少，东南多、西北少，从滇黔南部，经湘鄂豫西部和陕北、内蒙古中东部，到黑龙江中部一线以东广大地区为台风所及范围，占全国总面积31％。多数台风只影响沿海地区，登陆次数较多的省份有广东、海南、台湾、福建、浙江等，个别台风可深入内陆。
2．1．2 灾害特征
台风灾害在近岸表现为风、浪与风暴潮结合引起的灾害；在内陆则表现为由暴雨引起的洪水和诱发的滑坡、塌方及泥石流等灾害。根据国内外学者对暴雨的分析和研究，最强的暴雨常由台风或与台风有关的天气系统造成。台风经过地区一般产生150～300mm降雨，少数台风能产生1 000mm以上特大暴雨。中国近海15个省市中，11个省市最大雨量的影响系统是台风。全国7次日降水量超过1 000mm的极端暴雨其中6次由台风引起，如1975年3号台风（Nina）在河南境内造成特大暴雨，最大中心为189．5mm／h、1 005．0mm／d，5d过程雨量为1 631．0mm。
2．1．3 致灾影响机制
台风及其致灾因子（尤其是强降雨和风暴潮）对大坝的作用效应表现为突变荷载和冲击荷载。台风引起的强降雨直接导致库水位急剧上涨。对于大坝而言，相当于受到突然加荷过程；台风引起的巨大浪涌冲击力往往也比设计荷载大很多且多为突变动荷载，大坝在瞬态超强作用下极易造成结构性态疲劳损伤，引发裂缝、渗漏、滑坡等问题。除上述直接作用外，台风引起的特大暴雨还可能诱发水库地质环境脆弱区的崩塌、滑坡和泥石流等，也可能携带库区植被堵塞输泄水建筑物等，从而威胁大坝安全。
另外，台风影响下的强降雨，由于其成因、每年出现概率、水汽条件、强度、历时等特性与其他天气系统形成的暴雨有所不同，因此，台风暴雨与其他天气系统的极端降水在季节变化、多年变化、地区分布及其产生洪水的特性等方面都有所不同。尤其是产生洪水特征方面，由于台风暴雨降雨总历时较短，降雨面积较小，洪水过程线往往比同流域锋面雨洪水更为尖瘦。据浙江南部4个流量站的对比分析，台风洪水的洪量与同站同洪峰流量相应的非台风洪水的洪量相比，平均偏小约20％～30％，亦即相同流量时台风洪水形成的洪峰流量要比非台风洪水的洪峰流量大的多。这也使得台风所带来的暴雨对大坝影响更为显著。
2．2 极端降水对大坝的致灾影响
作为极端事件之一的极端降水事件，尽管发生次数很少，但其强度大，会对自然环境和人们生活造成严重影响，特别是持续时间长的极端降水更易造成大范围严重洪涝，引发泥石流等灾害。中国地处东亚季风区，水汽充足，是暴雨（极端降水）多发区，受其影响严重。如我国长江中下游地区梅雨和台风季节降雨十分集中，暴雨极端事件频发。自20世纪80年代以来，华南、江南地区暴雨极端事件还有日数增多、强度增大的趋势。
2．2．1 分布特征［9］
（1）平均极端降水日数。我国平均极端降水日数的多发地区主要位于35°N以南，新疆西北部以及东北大部也是次大值中心，其中以西南地区最为频发，每年发生极端降水事件的时间平均在8d以上。
（2）频数分布。根据年全国不同持续时间的极端降水事件统计，持续1d、持续2d、持续3d和持续4d的极端降水事件分别占发生总频次的90．18％、8．65％、0．99％和0．18％，说明极端降水事件以低持续性（持续1d）为主，这种特征与中国降水的季节变化关系密切。
（3）极端降水的平均强度。强度是衡量极端降水的另一要素，强度越大越可能造成灾害。极端降水强度在中国东南部强于西北部，与年降水总量关系密切。强度大的极端降水主要位于江淮以南地区，且持续时间越长的极端降水强度越强，特别是在中国东部地区，因此更可能造成洪涝灾害。
（4）季节分布。从季节分布上看，极端降水主要都集中在5-9月份的雨季，在年全国不同持续时间的极端降水事件统计中，该时期极端降水事件频数占总频次的比例高达85．47％，这主要是受中国降水季节变化特征的影响。
2．2．2 灾害特征
我国极端降水发生频率和强度具有增加的趋势，强暴雨表现为雨量集中、强度大、易造成突发洪水，以及由此引发的山崩滑坡、山洪等灾害。由于极端降水引发的洪水“突发”来势迅猛，难以准确预测，而更显其危害性。短历时小面积的暴雨造成突发性洪水灾情严重，且常伴有泥石流等灾害发生。这些灾害影响严重且难以预测，因此极端降水造成的突发洪水可能取代主河道洪水的危害，对人民生命财产的影响越来越大。
2．2．3 致灾影响机制
暴雨极值是大型水利工程设计洪水重要依据之一。我国的《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-2006）强调要注意收集本地区及邻近地区的特大暴雨资料，设计成果要与暴雨记录作比较，以检查设计数据是否安全可靠。对于某些缺乏流量资料的地区，由雨量推求设计洪水的方法也可为设计提供依据。因此，暴雨极值的研究对于水利工程的规划设计和安全运行具有重大意义。
传统降水量的概率预测通常是采用年最大值取样法，将年极值要素序列在一定适线准则下确定其线型，如Gumbel、Weibull、Pearson-Ⅲ，在此基础上外延，推算多年一遇设计参数。需要指出的是，最强的极端降水常常由台风或与台风有关的天气系统造成，而台风形成的暴雨与其他天气系统形成的极端降水在季节变化、多年变化、地区分布及其产生洪水的特性等方面都有所不同，这些差异对设计洪水计算和可能最大洪水估算均有明显影响，是确定暴雨极值时应该综合考虑的方面。
2．3 极端温度和干旱对大坝的致灾影响
近50年来已观测到了极端温度的大范围变化，冷昼、冷夜和霜冻已变得稀少，而热昼、热夜和热浪变得更为频繁［10］。因此，本文主要研究高温和干旱对大坝的致灾影响。但是极端低温事件对大坝的影响也不容忽视，如西溪水库大坝2010年遭遇低温，造成8，9号坝段基岩裂隙开度有所张开，出现渗流异常现象［11］。
在全球气候变暖的背景下，干旱和高温都是降水量显著偏少的现象，两者虽有差异和区别，但又有紧密的内在联系。干旱常是高温热浪的背景，当高温天气频繁发生，大气降水量就会明显减少，高温又加快了水分蒸发的速度，从而加重干旱的严重程度。高温干旱对全球变暖的响应表现更为突出和敏感，已成为气候变化研究中的重点和热点问题之一，对人类生存、社会活动、经济发展、水资源、生态环境等造成严重威胁。
2．3．1 分布特征
（1）空间分布。根据高温出现的特点，我国可分为四大高温热浪区域：华北高温区、西北高温区、长江中下游高温区、华南高温区［6］。
（2）时间变化［5，12，13］。华北地区高温天气主要集中出现在6-8月份，近35年来华北地区高温和闷热天气时间有增多趋势；华东地区高温主要集中在7、8月，华东地区从80年代后期开始，高温日数也有明显增多趋势；华中、华南和西南地区主要集中在7、8月，华中地区高温天气从1994年以后年平均维持在24d以上，华南地区高温天气在20世纪90年代以后有明显增多趋势，西南地区高温天气在70年代末至80年代有所下降，90年代又有回升，但较60年代和70年代偏少。
2．3．2 灾害特征
干旱具有发生频率高、持续时间长、影响范围广、程度严重、后延影响大等特点。干旱是最严重的气象灾害，也是重大自然灾害之一，是世界上广为分布的自然灾害，全世界有120多个国家受到不同程度的干旱威胁。高温往往和干旱相伴出现，持续高温少雨，极易造成干旱。总体上讲，干旱的危害无论在发生频率、持续时间、影响范围、严重程度、后延影响等方面均超过高温热浪的危害。但大量研究资料表明，在我国大部分地区，夏季月平均气温与降水量呈反相关关系，温度高就意味着降水少。高温天气日数增多，促使平均气温上升，导致地表蒸发量增加，夏季高温酷暑天气伴随着干旱很可能会发生，或使干旱持续维持。
2．3．3 致灾影响机制
温度变化对坝体材料的强度、变形等性能均有影响，尤其是对于混凝土坝影响较大。在高温作用下混凝土性能的变化主要是由于混凝土中水分的蒸发、骨料与水泥材料性质的变化及骨料与砂浆之间黏结力的变化而引起的。若大坝处于夏季高温、蒸发量大、风速大等不利气候条件下，易造成混凝土表面失水干裂，裂缝的存在和扩展会导致坝体渗漏、混凝土碳化、持久性降低等。同时，混凝土材料的抗压强度、弹性模量、徐变变形、收缩变形等材料性能在高温干旱情况下都会发生改变，影响不容忽视。高温干旱也可能引起土石坝裂缝，其后再遇强降雨，极易造成大坝坝坡失稳。
极端天气气候事件所引起的一系气候灾害已对我国的大坝安全产生了一定的影响。本文基于台风、极端降水、高温和干旱的分布特征和灾害特征，初步分析了不同类型极端天气气候事件对大坝的影响机制。
在全球气候变化背景下，极端天气气候事件发生的频次和强度增加，因此需要加强极端天气气候事件对大坝安全影响的科学评估以及减缓致灾影响和适应性对策等方面的研究，为确保大坝安全提供科技支撑。
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作者简介：王珊（1977-），女，工程师，研究方向为大坝安全。
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