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美国伊登维尔大坝和桑福德大坝事故及教训

陈 阳 刘志文

(应急管理部信息研究院,北京市朝阳区,100029)

摘 要 2020年5月美国密歇根州伊登维尔大坝和桑福德大坝决堤引发洪水,作者简要介绍了此次大坝事故的基本经过,按时间线梳理了事故发生后当地以及州立和联邦两级政府的应对措施。从异常气候、设施本身缺陷及大坝监管3个方面分析了溃坝发生的主要原因。在此基础上,总结了事故教训,提出了进一步完善我国堤坝管理及应急管理的发展建议。

关键词 美国 大坝决堤 洪水 堤坝管理 应急管理

1 事故基本情况

1.1 事故经过

2020年5月19日,由于连续的降雨水位不断上涨,导致美国密歇根州伊登维尔大坝决堤,大量的水随即流向下游的桑福德湖,桑福德大坝被淹没,大坝坝顶溢流,在波西维尔决堤,提塔巴瓦西河水位暴涨,沿河多处泛滥,米德兰县发生严重洪灾,约10000人被疏散。这场洪水沿着米德兰县而下,蔓延至萨吉诺县,如图1所示。

图1 大坝及洪水地形

因为桑福德大坝阻隔了洪峰一段时间,且密歇根州中部是平原地貌,水流漫开导致流速降低,下游的居民及时得到了信息并提前疏散,洪水没有造成任何伤亡,但这场洪水对当地的新型冠状病毒疾病COVID-19的防控构成了重大的挑战。洪水没过米德兰县的陶氏化学公司(Dow Chemical Co.),淹入了厂内的废水池,并可能冲走河流下游戴奥辛污染场址的沉积物,触发环境污染风险。

1.2 洪水及大坝概况

2020年5月19日晚9点,提塔巴瓦西河水位达9.31 m。5月20日晚上,提塔巴瓦西河水位达到10.67 m,洪峰超过了1986年洪水的历史最高水位,但没有达到预期的11.58 m。提塔巴瓦西河流经的市区包括桑福德、米德兰和萨吉诺,河流上有伊登维尔和桑福德2个水力发电站,干流全长116.5 km,流域面积6400 km2。本次受溃决洪水影响的密歇根州米德兰县位于桑福德大坝下游约9.7 km处。

1.2.1 伊登维尔大坝

伊登维尔大坝于1924年建成,横跨密歇根州米德兰县附近的提塔巴瓦西河和特巴卡河2条河流。大坝由2个坝段组成,右侧坝段在特巴卡河上,左侧坝段在提塔巴瓦西河上,坝体为土坝,两侧均设有混凝土溢洪道,其水库被称为威克瑟姆湖。水库坝高约16.6 m,坝顶高程682.8 m,在正常蓄水位为675.8 m时,库容约4933.9万m3,相当于我国的中型水库。水库大坝总长度1.9 km,每条溢洪道长度约21.3 m。从溃坝现场视频资料看,此次大坝溃决位置位于左侧坝段。

伊登维尔大坝2018年被密歇根州评定为状态不合格的大坝,美国联邦能源监管委员会撤销了博伊斯水电有限责任公司的发电许可、终止了水坝合同,其供电许可资格被取消,公司转而求助所在的密歇根州政府(在联邦和州两级体制下,如果联邦政府拒绝授予许可证但州同意接管,则电厂可以继续运行,但不能接入联邦电网)。此后,密歇根州环境、大湖和能源管理局(Michigan Department of Environment, Great Lakes and Energy)于同年接管了这座已有96年历史的大坝,并且检测后认为大坝可以运行,但溢洪道确实存在问题,仍由博伊斯水电公司(Boyce Hydro LLC)负责运营。

1.2.2 桑福德大坝

桑福德大坝位于伊登维尔大坝下游11.3 km处,建成于1925年,位于提塔巴瓦西河干流之上,坝高约11 m,坝顶长度481.3 m,溢洪道宽度42.36 m,由6孔液压启闭闸门控制,如图2所示,其水库被称为桑福德湖。

桑福德水库同样由博伊斯水电公司运营。在洪水发生之前状况良好,2座大坝都在出售过程中。5月21日,桑福德大坝边缘出现了一个洞,导致湖水自由流出。但该大坝仍然屹立不倒,大量水冲刷土堤顶部,但大坝本身的混凝土结构仍然存在。

图2 水流过桑福德大坝顶部时的情景

2 政府应对措施

2.1 米德兰县当地部门措施

米德兰县中心调度所(Midland County Central Dispatch)2020年5月19日凌晨0:22发出警报,伊登维尔大坝即将决堤,通知伊登维尔镇居民以及住在桑福德湖和威克瑟姆湖附近的居民立即撤离,前往避难所。

5月19日早晨,米德兰县当地的紧急救援人员前往伊登维尔大坝附近的住户,挨家挨户提醒他们水位正在上涨,需要及时撤离,疏散行动囊括的区域包括伊登维尔、桑福德以及米德兰县的部分地区,约3500户共计约10000人。居民们撤离到桑福德的梅里迪安初中和科尔曼的科尔曼社区高中设立的紧急避难所。

5月19日上午6∶50,米德兰县应急管理部门确定伊登维尔和桑福德大坝的建筑结构是完好的,但大坝已经无法控制或调节流经溢洪道的水流。

5月19日下午18∶00,伊登维尔大坝的一段河堤因无法承受上涨的水位而坍塌,米德兰县911紧急部门发布紧急洪水警报,通知民众伊登维尔大坝已经决口。随后,米德兰县应急管理部门证实,伊登维尔大坝溃坝导致大量水流进桑福德湖,洪水漫过了桑福德大坝的土堤。在淹没桑福德大坝之后,河水沿着提塔巴瓦西河向南涌向米德兰县区。

5月19日晚19∶00左右,米德兰县911紧急部门再次发出警告,另一处大坝——桑福德大坝即将坍塌。

2.2 密歇根州州政府措施

2020年5月19日晚,密歇根州长格雷琴·惠特梅尔在22∶00召开的新闻发布会上发布了紧急声明,宣布米德兰县进入紧急状态,全面启动应急响应机制,同时敦促疏散区居民立即撤离,前往全州各地的避难所避难。惠特梅尔表示在大坝决堤后已派遣国民警卫队前去救援。州立警察局(Michigan State Police)和州应急管理和国土安全部门(Emergency Management and Homeland Security Division)的地区协调员也已赶赴现场,帮助居民撤离,为当地紧急行动中心提供支持。州紧急行动中心(State Emergency Operations Center)也已全面启动,并与州和地方官员以及私营部门合作,确保满足任何资源需求。5月19日晚已经有军队到达米德兰县。

5月20日上午,州长惠特梅尔坐直升机巡视了提塔巴瓦西河沿岸的洪灾区。随后举行了新闻发布会,发表关于米德兰地区洪灾的讲话。她表示,决口水坝显现问题已有一段时间,州政府将调查2座水坝的运营者,尽一切可能运用追索权,将对相关责任人采取一切可能的法律手段进行严肃处理,并建议此类关键基础设施不应掌握在私营公司手中。

5月20日,州长惠特梅尔请求美国联邦政府援助。

2.3 联邦政府措施

伊登维尔大坝决口之后,美国国家气象局(National Weather Service)发布山洪警报。2020年5月20日上午,惠特梅尔的援助请求得到美国总统唐纳德·特朗普回应。原本计划在5月21日参观密州福特汽车公司汽车厂的美国总统特朗普在社交媒体推特上表示了对洪水应对的支持,希望听从地方官员指挥,联邦应急管理署和美国军方已经调遣救灾小组前往受灾地区提供支援。

5月20日,联邦能源管制委员会命令博伊斯水电公司进行第三方调查,查找决口原因。

5月21日,美国总统特朗普批准了受洪水影响地区的紧急声明,联邦将开始援助州和地方的应急响应。

3 溃坝原因分析

密歇根州环境、大湖和能源管理局新闻发言人认为,最近的大规模降雨和洪水,加上数十年来该大坝的维修不利,很可能是导致此次溃坝的主要原因。

3.1 气候变化导致降雨量高于往年

2020年5月以来,密歇根州提塔巴瓦西河流域地区的降雨量约是往年的2.5倍。据美国国家气象局消息,密歇根州中部从5月17日开始下大雨,5月17-18日当地降雨量达100~180 mm,提塔巴瓦西河在5月19日上午进入大洪水期,当天上午10∶15水位达到8.6 m,最大洪水来临时段与伊登维尔大坝溃决时段几乎重合。大量的径流推高了河流的水位,5月20日下午,提塔巴瓦西河水位达到最高值10.6 m,比当地洪水水位高出3.3 m。该地区曾在1986年下过一场被称为密歇根州“现代史上最严重自然灾害”的倾盆大雨,水位高点达到10.3 m。

3.2 投资不足导致基础设施维修不利

美国联邦能源监管委员会(Federal Energy Regulatory Commission)的记录显示,早在20世纪90年代末,伊登维尔大坝溢洪道的泄洪能力就被认为存在问题。自2004年以来,他们一直在敦促博伊斯水力发电公司对大坝进行升级改造,使其能够抵挡可能发生的大洪水。经前期评估,未经改造的伊登维尔大坝只具备处理预期50%的洪水的能力,它需要更大的溢洪道以及更好的保护措施,以防漫顶损坏。但遗憾的是,因维修成本较高,业主没有及时扩大其溢流能力。2006年来,州政府下令修复大坝,但因负担不起大坝升级修缮费用也未采取行动。

除了伊登维尔大坝,密歇根州的其他大坝整体陈旧过时,经济衰退导致其在维护和维修方面的投资不足。美国土木工程师协会发布的密歇根州大坝2018年报告称,尽管自2009年以来,密歇根州各地拆除了许多破旧水坝,大坝的等级被提高到C级,但该州2/3的水坝仍超过了其50年设计寿命,因年久失修无法抵御大规模洪水。报告指出,该州平均每年约发生2次大坝垮塌,不过之前由于工程规模较小,没有对公共安全产生威胁。在接下来的5年里,密歇根州80%的大坝将超过50年的使用寿命。密歇根州大约有271座大坝建成于1900年之前,超过50年设计寿命2倍多。21世纪基础设施委员会表示,每年需要多增加40亿美元来维护密歇根州的基础设施[1]

3.3 人员不足导致大坝安全监管不力

(1)人员编制和资金不足。密歇根环境、大湖和能源管理局大坝安全部门共有3名职工,包括1名主管和2名环境工程师(Dan DeVaun和Luke Trumble),负责密歇根州83个县的大坝检查和大坝外部顾问的检查报告审查工作,该部门2018年的所有预算为397215美元[2]

密歇根州大坝安全官员协会的技术顾问表示,密歇根州大坝安全部门人员编制低于全美平均水平。2002年、2010年和2018年,密歇根州大坝安全部门工作人员人数如图3所示。该协会称,密歇根州在大坝安全方面的投入也少于美国其他大多数州。美国每个大坝的平均安全监管费用约为695美元/a,其中密歇根州在每座大坝上的支出约为374美元/a,低于平均水平。且美国各州平均每座高危大坝的安全监管支出为4697美元/a,密歇根州为4460美元/a,密歇根州大坝安全国家预算如图4所示。

图3 密歇根州大坝安全部门工作人员人数

图4 密歇根州大坝安全国家预算

(2)大部分大坝归私人所有,财务能力有限,且难以统一强制管理。据密歇根州环境、大湖和能源管理局资料,密歇根州有2523座水坝,包括北部的小护堤到米德兰县溃堤的伊登维尔和桑福德等大型水坝。其中,1061座受密歇根州监管,92座受联邦机构监管,大约有1370座小型水坝无人监管[3]。在受监管的水坝中,803座为私有,350座为公有。很多水坝所有者是在购买某处房产时附带了水坝,不一定知道自己拥有一个水坝。这种情况导致大坝的运营、维护和检查受到财务限制。大部分大坝所有者未能到期进行维护或没有能力进行大规模维修,很多大坝处于年久失修的状态。工程师和大坝建设人员一般只能通过信件、电话或会议的方式要求大坝所有者制定维修计划并予以执行,而不能手执法院命令强制业主维修大坝。

密歇根州规定每隔3~5年检查一次大坝,溃坝造成伤亡或重大财产损失的潜在风险越大,检查周期就越短。但绝大多数情况下,是水坝所有者自己通过合同顾问完成检查,然后将检查结果送往密歇根州环境、大湖和能源管理局大坝安全部门。密歇根州大坝安全部门的一名工程师表示,每年要审查200~300份外部顾问的大坝检查报告,并亲自对州或地方政府所有的水坝进行20~40次检查。密歇根州向美国陆军工程兵团(U.S. Army Corps of Engineers)提交的报告数据显示,该州2018年仅收到了82%高危水坝的检查报告,比2017年低了13个百分点。美国土木工程师协会(The American Society of Civil Engineers)密歇根分会前会长吉姆·赫加蒂表示,密歇根州大坝的关键问题在于对潜在风险需要加强执法力度。

4 事故教训

自20世纪90年代以来,密歇根州大坝溃坝率大幅下降,但每隔一段时间就会发生类似的大坝溃堤事故。米德兰洪水灾害凸显了密歇根大坝的老化濒危现状、政府财政能力有限以及执法人员对此无能为力的事实。

米德兰伊登维尔大坝部分溃决只是密歇根州大坝老化问题的一个缩影。2018年,密歇根州有19座状况不佳的高危大坝,在美联社举办的45个州和波多黎各大坝质量评定中,位居第20位。而密歇根州大坝溃坝也不是美国基础设施老化问题的第一个“警钟”。2015年,美国卡罗来纳州有数十座大坝坍塌;2017年,位于费瑟河上的全美最高水坝——奥罗维尔水坝出现部分故障,导致数千名居民被疏散;2019年,内布拉斯加州的斯宾塞大坝决堤迫使居民撤离。美国的大部分基础设施建成已久,面临老化问题,美国国家大坝安全官员协会(Association of State Dam Safety Officials)预计,全美有超过2000座高危险水坝状况不佳。

美国密歇根州这次大坝溃堤事件对我国堤坝管理以及应急管理工作都是一个警示,全球气候变化带来了严重和频繁的洪水,这些灾难并非只发生在一个地区,全球各地的社区都受到影响,建议我国从以下几个方面加强堤坝风险管理。

(1)加大堤坝修复加固投资,降低堤坝安全风险。据2017年全国水利发展统计公报,我国现有水库98795座[4],但我国水库大多兴建于20世纪50-70年代,占已建水库的81.8%[5],且由于历史原因,相当数量的水库大坝存在着不同程度的安全隐患[6]。另外,我国防洪标准普遍不高,堤坝工程也面临与密歇根州大坝类似的问题,经常遇到20年一遇、50年一遇特大洪水,堤坝建设时空跨度大,遗留隐患较多[7]。堤坝管护费用主要以政府财政资金为主,除险加固经费不足。随着全球各地极端气候频发,台风及暴雨引发的洪水不断,必须注重基础设施投资,尽可能降低堤坝安全风险,尤其是年代比较久远的水利工程以及位置偏僻或管理薄弱的小型水库(据统计,小型水库占我国各地水库总数量的80%以上[8]),同时不能够放松对堤坝新建和旧堤坝修复加固等工程的监管力度,严格管控工程质量。

(2)加强堤坝管理立法,提高相关安全标准。我国虽已构建相对完善的堤坝风险管理法律法规,但对于堤坝的安全标准、风险水平、保护区经济补偿、保险制度等都没有制度化、法制化,且缺乏系统性[9]。我国现行的水库大坝相关一系列法律法规和技术标准,除了《水库大坝安全管理条例》在2018年进行过修订外,《水库大坝安全鉴定办法》《小型水库安全管理办法》《水库大坝安全评价导则》等颁布的时间都比较久远了,有必要进一步加强堤坝相关立法和修订工作,提高水库大坝的安全标准,构建能够应用于当下实际形势和应对具有更强破坏程度灾害的大坝安全法规与技术标准体系。

(3)加强堤坝数据库建设,提高堤坝风险管理水平。我国堤坝存在重建轻管的问题,信息化建设程度不高。堤坝数据库是堤坝安全评估的决策工具,建议进一步加强堤坝信息化建设,实现对堤坝数据的动态维护和更新,保持数据的一致性和实用性,通过数据库实现堤坝的快速查询、检索和准确空间定位等功能,使有安全隐患的大坝和堤防及时除险加固,提高我国堤坝的风险管理水平,为决策部门提供高水平的决策支持。

(4)加强灾害预警系统建设,完善基层预警信息发布。我国灾害监测预警及信息发布能力仍存在局地性和突发性气象灾害监测预警能力不够强、信息快速发布传播机制不完善、预警信息覆盖存在“盲区”等问题。建议进一步加强基层的灾害监测预警及信息发布系统建设,及早发现灾害险情,及时发布预警,尽可能减少人员伤亡和财产损失。

参考文献:

[1] Michigan Section of the American Society of Civil Engineers. 2018 Report Card for Michigan's Infrastructure.[ER/OL].https://www.infrastructureusa.org / 2018-report-card-michigans-infrastructure /, 2018.

[2] Dam Safety Performance Report.[ER/OL].https: // damsafety.org / content / mich-igan-program-performance-report, 2018.

[3] Michigan Department of Environment, Great Lakes and Energy. Edenville Dam Failure. [DB/OL]. https://www.michigan.gov / egle / 0,9429,7-135-3313-529696--,00.html, 2020.

[4] 谭界雄,李星,杨光,等.新时期我国水库大坝安全管理若干思考[J].水利水电快报,2020,41(1):55-61.

[5] 张建云,杨正华,蒋金平.我国水库大坝病险及溃决规律分析[J].中国科学:技术科学,2017,47(12):1313-1320.

[6] 杨启贵,高大水.我国病险水库加固技术现状及展望[J].人民长江,2011,42(12):6-11.

[7] 刘高峰,龚艳冰,王慧敏,等.国外堤防风险管理现状及对我国的启示[J].长江科学院院报,2019,36(10):53-58.

[8] 林斌斌.小型水库标准化管理的对策探析[J].智能城市,2020,6(06):203-204.

[9] 谢亚娟. 洪水风险评估中多源信息融合及不确定性建模研究[D].武汉:华中科技大学,2012.

Edenville Dam and Sanford Dam accidents in the United States and warnings for China-

Chen Yang, Liu Zhiwen

(Information Institute of the Ministry of Emergency Management of the PRC, Chaoyang, Beijing 100029, China)

Abstract The Edenville Dam and Sanford Dam in Michigan of the United States broke causing flood in May 2020. The authors briefly introduced basic process of the dam accidents, sorted out local, state and federal governments' response after the accident according to the timeline, and analyzed main causes of the dam failure from abnormal climate, defects of facilities and dam supervision. On this basis, the lessons from the accidents were summarized, and further improvement suggestions of dam management and emergency management in China were put forward.

Key words the United States, dam burst, flood, dam management, emergency management

中图分类号 TV6

文献标识码 A

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引用格式:陈阳,刘志文. 美国伊登维尔大坝和桑福德大坝事故及教训[J].中国煤炭,2020,46 (7): 113-117.

Chen Yang, Liu Zhiwen. Edenville Dam and Sanford Dam accidents in the United States and warnings for China[J]. China Coal, 2020,46 (7): 113-117.

作者简介:陈阳(1990-),女,汉族,湖南娄底人,工程师,硕士,从事国内外应急管理和安全生产相关信息搜集和分析研究。E-mail:chenyangbeijing@163.com。

(责任编辑 张 梦)