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塔吉克斯坦薩雷茲堰塞湖減災(zāi)工程及其發(fā)展機遇

[意大利] A.帕爾米耶里等

塔吉克斯坦烏索伊壩是世界上海拔最高的堰塞壩。自1911年以來，在帕米爾山區(qū)形成了蓄水面積達(dá)17 km2的薩雷茲堰塞湖。自從薩雷茲湖形成以來，其安全性引起了廣泛擔(dān)憂。2004年，世界銀行主導(dǎo)的薩雷茲湖減災(zāi)工程將該蓄水系統(tǒng)的風(fēng)險降低到了合理范圍內(nèi)。然而，對該系統(tǒng)在今后是否能安全抵御相同震級(7.7級)的地震仍有疑慮。2015年12月，該地區(qū)發(fā)生了7.2級地震，證實了之前風(fēng)險評估的有效性，并為今后合理應(yīng)對地震等類似災(zāi)難性事件奠定了基礎(chǔ)。

堰塞湖；地震；防災(zāi)減災(zāi)；塔吉克斯坦；薩雷茲湖

1911年，帕米爾地區(qū)發(fā)生里氏7.7級的地震，導(dǎo)致烏索伊堰塞壩形成。此后，大量坍塌堆積的巖石在后方形成了薩雷茲堰塞湖。如今的薩雷茲堰塞湖地處帕米爾地區(qū)的雪峰環(huán)抱之中，是世界上風(fēng)景最美的湖泊之一。在烏索伊堰塞壩下游的巴坦(Bartang)河谷地區(qū)有人口居住，薩雷茲湖由于其形狀像一條蜿蜒的長龍，因此得名“帕米爾之龍”。圖1為沙雷茲湖的地理位置。

圖1 沙雷茲湖地理位置示意

烏索伊堰塞壩壩高約600 m，是世界上最高的天然形成的擋水堰塞壩(見圖2)。形成堰塞湖的滑坡體體積達(dá)21億m3。相比之下，1968年的意大利瓦永特(Vajont)堰塞壩，滑坡體體積僅有3.2億m3?；露逊e體雖然龐大，但由于該地區(qū)水文情勢適宜，烏索伊堰塞壩能夠長期保持安全穩(wěn)定，這在世界堰塞壩中都很少見。

薩雷茲湖長55.8 km，湖面平均海拔3 263 m，體積約17 km3(約為日內(nèi)瓦湖的一半)，湖泊水位最大周期性波動達(dá)12 m，水面和壩底的相對高度約40～50 m。通過壩體滲流和一定程度的蒸發(fā)來保證出流入流的平衡。

圖2 烏索伊大壩規(guī)模對比示意

1 研究背景

在發(fā)生地震并形成烏索伊堰塞壩之后，俄羅斯科學(xué)界就立即著手研究堰塞壩的穩(wěn)定問題以及堰塞湖體積增大最終潰決導(dǎo)致大洪災(zāi)發(fā)生的概率。值得注意的是，不只是科學(xué)家，普通大眾也開展了相關(guān)的預(yù)報工作，預(yù)報結(jié)果有喜有憂。在該地區(qū)，存在數(shù)個自然形成的堰塞湖，如帕米爾地區(qū)的亞斯西庫湖(Yashirkul lake)和塔吉克斯坦中部的伊斯堪德爾湖(Iskanderkul lake)，這些堰塞湖都穩(wěn)定存在了較長時間。

前蘇聯(lián)的一些相關(guān)組織曾對薩雷茲湖地區(qū)開展了系統(tǒng)研究。研究了大壩結(jié)構(gòu)，對薩雷茲湖和堰塞壩壩區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)勘探，分析了湖岸邊坡的穩(wěn)定性及壩體的滲透特性。

主要研究成果表明：滑坡、沖刷以及泥石流等因素都不會導(dǎo)致潰壩。對大壩安全造成最大威脅的是位于壩上游的大體積不穩(wěn)定巖體，即右岸滑坡體。如果發(fā)生強烈地震，會導(dǎo)致右岸滑坡體坍塌至湖水中，引起湖水溢流壩頂，進(jìn)而造成大壩潰決。

后續(xù)研究主要集中在右岸邊坡，并對薩雷茲湖的邊坡開展了詳細(xì)研究。1986年，通過鉆孔對巖體內(nèi)部可能存在的深層滑坡位置進(jìn)行了勘察，孔深達(dá)243 m，但是，該研究工作并未得到確定性結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，科學(xué)家們可以對右岸滑坡體的構(gòu)成進(jìn)行更詳細(xì)研究，從而了解巖體構(gòu)成及其體積。

2 薩雷茲湖減災(zāi)工程

隨著前蘇聯(lián)的解體，對薩雷茲湖的監(jiān)測工作陷入停滯，因此無法準(zhǔn)確評估堰塞湖系統(tǒng)的實際安全性。針對這一狀況，塔吉克斯坦總統(tǒng)于1998年呼吁國際社會提供援助以解決薩雷茲堰塞湖的安全隱患問題。

此后，在“國際減輕自然災(zāi)害十年”(the International Decade for Natural Disaster Reduction, IDNDR)組織框架下，聯(lián)合國于1999年成立了一個國際特派團。該特派團召集了一批專家對薩雷茲堰塞湖及巴坦河谷作了進(jìn)一步研究。

研究認(rèn)為，烏索伊堰塞壩完全潰決或者部分崩塌的可能性比較小，因此也基本不會由此產(chǎn)生其他災(zāi)難性影響。然而，右岸巖體仍然存在坍塌的威脅，盡管失穩(wěn)的可能性要小于預(yù)期，但威脅仍然存在。一個中型漫壩涌波都會影響居住在巴坦河谷地區(qū)的約7 800人口，而且還有可能延伸到前方的魯善(Rushan)市，甚至影響到噴赤(Panj)河3個主要城鎮(zhèn)。

研究總體結(jié)論認(rèn)為，薩雷茲堰塞湖和烏索伊堰塞壩必須引起國際社會高度關(guān)注。由于風(fēng)險的真實存在，國際社會必須制定出減少災(zāi)害威脅的綜合策略。通過前期觀測和研究結(jié)論，其后聯(lián)合國特派團在薩雷茲堰塞湖的相關(guān)工作中發(fā)揮了關(guān)鍵的協(xié)調(diào)促進(jìn)作用。

2000年，在世界銀行主持下，薩雷茲湖減災(zāi)工程(LSRMP)正式立項，總預(yù)算達(dá)430萬美元。同時，瑞士經(jīng)濟事務(wù)秘書處(Swiss Secretariat for Economic Affairs , SECO)和阿加汗發(fā)展組織(the Aga Khan Development Network, AKDN)也提供了財政支持，主要合作伙伴為民防應(yīng)急部(the Ministry of Emergencies and Civil Defence)。項目主要是為受薩雷茲堰塞湖突發(fā)洪水影響的民眾提前預(yù)警，并幫助其應(yīng)對災(zāi)害，同時，努力尋求長期解決方案。

薩雷茲湖減災(zāi)工程解決方案如圖3所示。

圖3 薩雷茲湖風(fēng)險減緩工程解決方案

薩雷茲湖減災(zāi)工程傾向于采用非工程措施應(yīng)對突發(fā)災(zāi)害以避免造成嚴(yán)重后果。非工程措施包括監(jiān)測、預(yù)報系統(tǒng)、提高居民防災(zāi)意識并做好防災(zāi)應(yīng)對和準(zhǔn)備工作。同時，為了減少各種災(zāi)害事故發(fā)生率，研究長期的工程性解決方案。

兩個專家組采用事件樹分析法對右岸的穩(wěn)定性進(jìn)行評估。專家們認(rèn)為實際滑坡體體積約為0.25 km3，遠(yuǎn)小于最初估計的2.2 km3。最終計算的失穩(wěn)概率為6×10-5，遠(yuǎn)大于現(xiàn)代已建大壩的失穩(wěn)概率，但是又明顯低于堰塞湖的典型失穩(wěn)概率。

薩雷茲湖減災(zāi)工程于2006年完工， 包括在建立了早期預(yù)警和監(jiān)測系統(tǒng)之后， 又對系統(tǒng)的操作和管理進(jìn)行了3 a的協(xié)助指導(dǎo)工作。 實際上， 薩雷茲湖減災(zāi)工程實施后， 仍然存在以下幾點不確定因素：

(1) 烏索伊相關(guān)部門使用監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)的能力；

(2) 當(dāng)?shù)鼐用駥ο到y(tǒng)發(fā)出預(yù)警的響應(yīng)能力；

(3) 堰塞壩和薩雷茲湖減災(zāi)系統(tǒng)對于將來可能發(fā)生的地震災(zāi)害的響應(yīng)，特別是對右岸邊坡失穩(wěn)的響應(yīng)。

對于第一點，烏索伊相關(guān)部門已經(jīng)承諾密切關(guān)注堰塞壩性狀特征的變化并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。然而，由于系統(tǒng)實施以來的很長一段時間，即2015年12月7日，該地區(qū)發(fā)生里氏7.2級地震之前，未有大地震發(fā)生，所以其他兩種不確定性一直存在。

3 強震考驗

根據(jù)塔吉克斯坦國家地質(zhì)勘察局的監(jiān)測，2015年12月7日的地震震中位于薩雷茲湖左岸達(dá)夫拉特-馬馬達(dá)什(Davlat-Mamatdash)地區(qū)的魯善-帕夏特斷裂帶(Rushan-Pshart Fault)，震源深度為30～40 km。塔吉克斯坦、吉爾吉斯斯坦、烏茲別克斯坦、阿富汗和中國均有震感(圖4)。

圖4 2015年薩雷茲地震等震線

值得注意的是，1911年地震震中也與魯善-帕夏特斷裂帶有關(guān)，并且位于巴爾坦格(Bartang)河上游的幾個村莊在這兩次地震中都遭到嚴(yán)重?fù)p毀。

地震之后對薩雷茲湖水域的詳細(xì)地質(zhì)勘查表明，減災(zāi)系統(tǒng)對于此次地震做出了積極響應(yīng)，同時也驗證了右岸滑坡可以經(jīng)受里氏7.2級地震而不發(fā)生失穩(wěn)的結(jié)論。

地震前后在右岸滑坡拍攝的照片顯示，坡體并未受到此次強震影響。而且，在堰塞湖下游沿峽谷下部地區(qū)并未發(fā)現(xiàn)巖體活動跡象，滲透率也沒有明顯增大。

此次地震證實了薩雷茲湖減災(zāi)工程中相關(guān)專家的預(yù)測。然而，此次地震仍然導(dǎo)致了當(dāng)?shù)孛穹康拇罅繐p毀，這些民房均是就地取材，施工質(zhì)量較差。與1911年的地震類似，大量被損毀的村莊都靠近薩雷茲湖，包括位于巴爾坦格河谷的28個村莊。其中，損毀最為嚴(yán)重的是賈莫阿特-薩夫諾博(Jamoat)村，有超過400棟房屋損毀，整個帕米爾地區(qū)損毀的房屋約為1 090棟。

盡管房屋遭受了嚴(yán)重?fù)p毀，但無一例人員傷亡的報告。而且，當(dāng)時正處寒冬，帕米爾中央地區(qū)的寒冷程度堪比西伯利亞，卻沒有收到災(zāi)民受凍的報告。這是因為薩雷茲湖減災(zāi)工程發(fā)揮了不可替代的作用，包括國內(nèi)外團隊的緊密合作、先進(jìn)科技手段的成功運用。其中最關(guān)鍵的是，該工程發(fā)揮了積極的社會效益，保護(hù)了當(dāng)?shù)鼐用竦娜松戆踩?。此次抗?zāi)經(jīng)驗值得廣泛借鑒，尤其是值得中亞地區(qū)學(xué)習(xí)參考。減災(zāi)工程的社會保障措施包括組建地方搜救隊伍并進(jìn)行培訓(xùn)，建造“安全屋”并配備應(yīng)急儲備物資，每6個月進(jìn)行一次居民逃災(zāi)疏散演練。所有居民，包括學(xué)生在內(nèi)，都知道去往最近安全屋所需的時間，不同地區(qū)在16～28 min不等。1999年以來，安全屋不時在應(yīng)對當(dāng)?shù)鼐植繛?zāi)害中發(fā)揮作用，早期預(yù)警系統(tǒng)也挽救過很多人的生命，但直到2015年12月7.2級強震，所有措施才得以全面大規(guī)模使用。

地震后，巴爾坦格河谷地區(qū)28個村莊的幾乎所有村民都成功轉(zhuǎn)移至指定安全屋內(nèi)，并在此度過了8 d時間，直到第一架救援直升飛機到達(dá)災(zāi)區(qū)。一些村莊幾乎90%的房屋損毀，但無一傷亡報告。救援隊員抵達(dá)時，發(fā)現(xiàn)成百上千的災(zāi)民在帳篷里避險。在強震災(zāi)害中，災(zāi)民依靠安全屋內(nèi)的各種應(yīng)急物資保障安全和生活，包括暖爐、御寒衣服和毛毯等。而且，在等待救援的8～9 d里，災(zāi)民仍然可以跟當(dāng)?shù)匾约爸醒胝〉寐?lián)系，這是因為1999年在該地區(qū)安裝了應(yīng)急通訊系統(tǒng)，而且在此次地震發(fā)生前的若干年內(nèi)，都對系統(tǒng)進(jìn)行了有效維護(hù)。

此次抗震救災(zāi)經(jīng)驗值得廣泛宣傳，整個減災(zāi)系統(tǒng)投資并不大，但實施和執(zhí)行力度強，因此能夠在大災(zāi)之中成功保障災(zāi)民的生命安全。

4 后續(xù)解決方案

2015年12月的地震證實了薩雷茲湖減災(zāi)工程能夠有效發(fā)揮防災(zāi)救災(zāi)作用，保障人民生命安全，因此，可以考慮今后合理開發(fā)利用薩雷茲湖，為該地區(qū)尋求新的發(fā)展機遇。通過控制并降低水位的方式可以徹底消除湖水潰決的風(fēng)險。修建1座中等規(guī)模的水電站，可為薩雷茲湖的安全保障提供徹底的解決方案。圖5顯示了不同階段薩雷茲湖的風(fēng)險水平。

圖5 薩雷茲湖風(fēng)險水平示意

在薩雷茲湖風(fēng)險減緩工程中，安裝了早期預(yù)警系統(tǒng)后，薩雷茲湖的風(fēng)險程度有所降低；當(dāng)實施了水電項目后，風(fēng)險程度可降低更多。

運行大壩安全監(jiān)測項目的國際機構(gòu)都認(rèn)為，薩雷茲湖的殘余風(fēng)險基本上在可接受范圍之內(nèi)。

電站將把現(xiàn)有的薩雷茲湖作為上游水庫，全部工程都建在地下(圖6)。從工程性(該地區(qū)屬于高烈度區(qū))和環(huán)保性來看，該方案都是最佳選擇，且不占用土地資源，無需考慮移民安置。

圖6 擬建水電站縱剖面示意

從圖7設(shè)計剖面圖來看：在善稻湖(Lake Shandau)設(shè)置了取水點，有壓隧洞、調(diào)壓井和壓力鋼管與位于地下發(fā)電廠房的發(fā)電機組相連接，尾水隧洞將溢流引入穆爾加布(Murgab)河。整個剖面長約4 km，總水頭達(dá)460 m。圖7為電站布置鳥瞰圖。

需要強化在薩雷茲湖和善稻湖之間的水力聯(lián)系。在湖水水位下降階段，項目可以高效運行。本階段主要依靠渦輪給水流增壓，通過優(yōu)化可使這一階段持續(xù)將近10 a。根據(jù)水位下降速率，裝機容量可達(dá)220～250 MW，年發(fā)電量達(dá)2 000 GW·h。當(dāng)達(dá)到目標(biāo)水位后，發(fā)電機組將按照1 100 GW·h/a長期運行，同時，水電站調(diào)峰發(fā)電利用率可達(dá)50%左右。

圖7 電站布局鳥瞰

水電站作為可再生能源項目，不僅可以消除災(zāi)害威脅，同時能促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)展，在旅游、小規(guī)模采礦業(yè)和供水等方面促進(jìn)地區(qū)發(fā)展。相信經(jīng)過多年的努力，薩雷茲湖及相關(guān)區(qū)域?qū)瓉硪粋€安全穩(wěn)定、蓬勃發(fā)展的未來。

譚峰屹郭佳譯

2017-03-08

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(編輯李慧)