水电建设的结果有助于减轻地质灾害

中国水力发电工程学会 中国大坝协会 中国水利水电科学研究院

金沙江畔安边镇 摄影/陈业青

水库地震问题引人关注

现行的水电建设技术，不仅可以让水电站抵御较大的地震，而且，科学进行的水电建设还能够减轻地质灾害的危害。

社会各界有关地震和地质灾害高发区水坝、水电站建设的某些争论，由来已久。汶川大地震发生之后，社会各界对地震高发区的水电安全给予极大的关注。国家发展和改革委员会也委托水电水利规划总院，对震区的水电站震损情况进行了细致的调查。根据调查震后水电站的实际情况，很多事实足以说明现行的水电建设技术，不仅可以让水电站抵御较大的地震，而且，科学进行的水电建设还能够减轻地质灾害的危害。

关于大坝引发地震的问题，也是人们关注的话题之一。我们应该承认水库蓄水以后确实会引起一些地震的发生。水库诱发地震也分为两种情况，一种是在原本没有地震断裂带的地区，由于水坝的建设以后形成水库，水库蓄水改变了原来的地应力分布，从而产生了局部地震。这种情况比较普遍，但是，由于水库增加的水体重量通常是均匀的分布在一块较大的面积之上。这种情况就好像是在地表面盖上一床被子，不会产生很大的应力集中的情况，很难出现使库区的地下岩层发生断裂的强烈地震现象。所以，仅仅由水库蓄水引发的地应力改变所产生的地震，一般都非常微弱，大多数都是人们难以察觉的微震（这类的地震一般不作为水库诱发地震考虑）。

辩证地看，水坝触发地震不仅不是坏事，反而可能是好事。因为地震的强度取决于地下能量的积累，如果由于某种原因使地震的能量提前释放，一般来说，会起到把大地震分解成多个小地震的作用。

因水库蓄水而诱使坝区、水库库盆或近岸范围内发生的地震，叫做水库诱发地震。其实，严格地说，用“触发”更为准确，所以地震界更倾向于用“水库触发地震”一词。

根据精确定位的水库诱发地震的震中资料证明，震中位置均分布在坝区、水库库盆及近岸地段范围内，距库边线一般不超过3～5千米，最远10千米。坝区和库盆及其周边岩体中，有活动性断裂构造或者现代岩溶作用发育，断裂带或岩溶管道系统与库水有直接的水力联系，蓄水前有可靠的历史和现代地震记载，水库蓄水后就会诱发地震。按工程地质条件来分类，水库诱发地震具有不同的成因类型，主要有岩溶塌陷型和断层破裂型。其他类型的诱发地震震级很小，不会对大坝和周围环境造成危害，因此一般不作过多的研究。

水库养鱼在环保与增收的夹缝中游弋摄影/王绪波

由于水库蓄水地区原来就是地震区，有明显的地震断裂带存在，原有的地应力积累就已经孕育着地震的发生，由于水库蓄水打破了原有的平衡，导致了地震的延迟或者提前发生。这种情况下发生的地震，危害程度主要取决于原有的地震能量。水坝蓄水只是触发地震，而不是造成地震。辩证地看，水坝触发地震不仅不是坏事，反而可能是好事。因为地震的强度取决于地下能量的积累，如果由于某种原因使地震的能量提前释放，一般来说，会起到把大地震分解成多个小地震的作用。各国的实际观测情况也是如此，很多水库建成以后都会引发地震，但是这些地震往往都是震级很小，次数频繁。根据世界各国的记载并得到国内外地震、地质专家普遍承认的水库诱发地震约70～80起。绝大多数水库诱发地震的震级小于里氏5级，属于弱震或微震；较强的水库诱发地震不到总数的20%，其中5.0～5.9级的中等强度地震仅为十几例，6.0～6.5级强度地震仅6例。目前世界上已记录到的最大的水库诱发地震为6.5级，1967年12月发生在印度柯依纳水库。

迄今为止，全球只有两例水库诱发地震对大坝局部地段造成损害，一个是我国的新丰江水库(6.1级)，一个是印度的柯依纳水库，坝址处地震强度均为8度；经抗震加固后，至今都在安全运行。也就是说，迄今为止，世界上尚未发生因水库诱发地震而造成大坝失事的实例。

有关水库地震的机理分析

造成构造地震的能量主要来自地壳板块间水平方向相互运动的受阻而产生的应变和应力。然而水库的水荷载力是垂直的。所以，水库蓄水荷载作用对地震的影响极为有限，除非该地区具有溶洞可能会坍塌。

地震问题可以从两个方面考虑：一是地震对大坝安全性的影响，二是大坝建成蓄水以后诱发地震的问题。按工程地质条件来分类，水库诱发地震具有不同的成因类型，主要有岩溶塌陷型和断层破裂型。岩溶塌陷型水库诱发地震最常见，多为弱震或中强震。断层破裂型水库诱发地震发生的概率虽然较低，但有可能诱发中强震或强震。我国的新丰江水库和印度的柯依纳水库的诱发地震都属于这种类型。我们以容易产生强震的断层地震为例，分析一下水库诱发地震有助于减轻地震强度的机理。

水库蓄水之后为什么经常会诱发或者触发地震呢？通常认为，水库地震的一个因素是水库水体的重量，会改变地壳的受力状态，引起地应力的调整（可称为荷载作用）。另一个因素是水库蓄水后，通过基岩中的裂隙，产生了向地下高压注水的效果，从而改变了地壳基岩局部的应变极限，或者说改变了原来板块之间的摩擦力，使得地震的能量提前释放出来了（可以称为渗透作用）。

水库蓄水后荷载作用的特点：水是液体，不可能单独保存在地面上，必须要有库岸。而构成库岸的山体的比量一定会比水更高。所以，水库中水荷载的这种特性决定了，它是消除周围山体应力集中的均衡荷载。有利于改善地壳的受力状态。

造成构造地震的能量主要来自地壳板块间水平方向相互运动的受阻而产生的应变和应力。然而水库的水荷载力是垂直的。所以，水库蓄水荷载作用对地震的影响极为有限，除非该地区具有溶洞可能会坍塌。因为水库水荷载对构造地震的影响较小，所以，尽管水库蓄水后的水荷载必然会存在，但对地震的作用却非常有限。例如，一座城市坐落在一个地方之后，肯定有大量的人群和建筑都不断地堆积在城市所在的地面上，不能否认当地的地壳受力肯定要大幅度的增加。然而，几乎从来没有人会担心城市化的地方会因为受力过重而诱发地震。这说明单纯的垂直荷载的变化对地震的影响非常小（见图）。

地壳板块间运动方向示意图

根据上图所示，不管是走滑断层，还是逆冲断层，一旦遭受水体的浸润（润滑）之后，都会降低摩擦力。

加拿大蒙特利尔大学工学院嵇少丞教授，在表达岩层与地震关系的科普知识的时候，通俗地总结出地震有“强岩强震、弱岩弱震、软岩无震”的特点。显然，强岩、弱岩和软岩的根本区别也就是在于应变极限和板块间摩擦力的大小不同。然而，凡是在水库诱发地震的区域内，由于高压水体的浸润，一定会降低板块间的摩擦力，甚至还可能会有使强岩变弱，弱岩变软的效果。所以，由水库蓄水后通过渗流作用触发的地震，一般都会使该地区原来所积蓄的地震能量提前释放，同时也应该会有助于减小该地区地震强度的作用。

水库渗透作用的特点是：未必会存在，但可能作用巨大。水库蓄水后，产生渗透作用需要有以下条件：

1、库区蓄水的范围内具有孕育着地震能量的地震（断层）。

2、断层形成了透水的通道，蓄水后产生对断层高压注水的效果。

3、不管是走滑断层，还是逆冲断层，一旦遭受水压力的浸润（润滑）之后，都会降低摩擦力。

因此，水库诱发地震，一定是提前释放地震能量，在某种程度上具有减小地震强度的作用。

4、水库的渗透作用不会是无限的。由于地下的岩层将会不可避免地随着深度的增加而增高温度。所以，在地下十公里以下的岩层温度通常都会达到摄氏250到400度。这不仅使得该处岩石的塑性大幅增加，使得渗水通道变形受阻。而且，水也不再是普通的液体。因此，原来在弹性理论下所有关于水库诱发地震的分析和机理都已经失去了意义。

向家坝水电站工地右岸基坑车流摄影/高峰

1967年美国丹佛市因为大量废水高压注入地下，引发了长达数年的一系列地震。这说明即使没有库水压力的变化，仅仅通过高压注水的渗透作用，也有可能触发地震。在美国地质调查局的网站，专家曾经对用高压注水的方法触发地震以减小地震的提问做出过回答，肯定向地下注入高压液体可以导致地震的提早发生。

破坏性的水库地震的能量只能来自天然地震，而且量极有限

水库蓄水的荷载作用对地壳的影响极为有限，只能制造极小的地震；但是，蓄水构成的高压注水的渗透作用，可能会改变天然地震的控制条件，触发出较大的地震。

所有的具有破坏性的水库地震的能量，一定是来自于天然的地壳变化运动。水库蓄水的荷载作用对地壳的影响极为有限，只能制造极小的地震；但是，蓄水构成的高压注水的渗透作用，可能会改变天然地震的控制条件，触发出较大的地震。

然而，特大地震的能量来自地壳深部运动。无论水库的荷载作用还是渗透作用都不可能会对其产生影响。目前已经记录的水库地震，一般都在地下5公里以内，最多不超过10公里。而世界上已经发生的8级以上的特大地震，其震源深度还没有少于10公里的。也可以说，在地壳的浅层不可能积蓄到8级地震的能量。因此，由水库触发的地震一定不会是特大地震。目前全球已经记录到的最大的水库地震为6.5级。

怎样理解一些无震区的水库蓄水后发震的现象？如果在水库修建前，该地区的周围应变极限较低，所以该地区地震的能量，总是要选择周围薄弱的环节释放出去。因此，该地区基本上不会发生地震。但是，水库蓄水之后，该地区的应变极限可能已经下降到了比周围地区更低的水平，因此，原来经常在周围地区的释放的地震能量，可能变成经常在水库地区出现了。所以，水库蓄水后，某个原来无震地区频繁发震的现象也是有可能出现的。不过，如果从全局来看，只要我们承认具有破坏力的地震的能量主要是来自地壳运动的结果，我们就不能否认水库蓄水后减小了地壳的应变极限，是好事情。总之，总体上会有利于地震能量的释放，减小地震的危害。

怎样理解水库蓄水后地震增强的现象？由于水库蓄水后，使得应变极限或者断层摩擦力突然降低，因而使得原来正在积蓄中的地震能量有了一个集中释放期。所以，尽管很多水库刚刚蓄水后的一段时间内会出现“水库诱发的地震频度和强度均高于当地正常水平”的情况，但是，随着时间的推移，该地区的地震频度和强度都会逐渐地下降，最后不仅要恢复到正常水平，而且，若干年之后，最终还有可能低于该地区原来的正常水平。

我国新丰江水库地震后的历史记录就显示出这一特性。新丰江水库将天然地震的能量释放后，无论再怎么样的蓄水都不再发生地震（见下图）。

采用技术手段可以解决好水坝的抗震问题

现代技术既然可以在东京、洛杉矶这些地震高发区放心地建设高楼大厦，就根本用不着担心我们建设水坝的抗震技术和能力。

在我国西南地震高发区，建设高坝大库不存在难以逾越的技术障碍。

地震对人类的威胁确实很大。地震对大型水坝的安全性影响一直是水利水电工作者关注的主要问题之一。工程的抗震能力也是我国水利水电工程中的一个重要分支，我国研究水利水电技术的专门机构——中国水利水电科学研究院内设有专门的抗震研究中心，在水利水电工程规划设计方面，国家已经制订了一系列的工程抗震设计规范，每个工程都必须严格遵守，每个工程的修建都必须达到这方面的技术标准。所以，关于地震对大坝安全性的影响，也不必过分地担心。就人类现有对地震的研究水平来看，人们总能够通过已有的地震资料分析和地质勘探，让准备修建的坝址避开强烈的地震断裂带。同时，通过对坝址的地基处理和坝型选择，也可以大大降低地震对大坝工程的危害。

新丰江水库蓄水及地震之间的关系

针对社会各界对我国西南地震高发地区的水电开发表示的担心，我国水坝抗震问题专家，中国水利水电科学研究院抗震研究中心的陈厚群院士在联合国水电与可持续发展研讨会上宣讲了他的研究成果。他指出：为在我国西部开发丰富的水能资源并进行脱贫致富，在高地震区进行高坝大库的建设是难以避免的。同时他还通过对各种坝型中抗震性能最差的高拱坝的深入研究，得出结论说：在中国水电的发展中，对高拱坝的抗震安全，并不存在难以逾越的技术障碍。实际上，这一结论公众也应该非常容易理解。现代人类在城市中建筑的很多高楼大厦，从结构复杂性上来说要比水坝的抗震难度大得多。现代技术既然可以在东京、洛杉矶这些地震高发区放心地建设高楼大厦，就根本用不着担心我们建设水坝的抗震技术和能力。就现有的工程技术水准而言，只要正确地认识到了地震的强度和活动规律，人们完全可以采用相应技术手段解决水坝的抗震问题。

汶川大地震后，我们水电站震损调查发现，所有工程处理过的边坡没有一处发生滑坡等次生灾害。不仅水电工程是这样，在北川县城原来认为非常危险，经过加固处理的边坡，也同样在地震中没有滑坡。而原来认为比较稳定的没有处理一些边坡的滑坡，反倒造成了巨大的伤亡。可见边坡的人工处理，作用有多大。

2008年5月12日，就在距离紫坪铺水库17公里的汶川，确实发生了比反坝宣传多次警告说的“后果不堪设想的”松潘大地震还要大得多的8级特大地震。然而，被他们点名警告的“四川岷江上的紫坪铺水库高坝”，不仅没有发生任何“不堪设想的后果”。而且，还在地震中立了大功。

例如，紫坪铺水库形成的宽阔水面，为地震后陆上道路严重塌方和空中通道气候受阻的救灾提供了可靠的水路保障；震后不几天（5月17日）紫坪铺水电站就率先恢复发电，为灾区的抢险救灾提供了巨大的帮助；不仅如此，水库的11亿库容，成为当时危机四伏的众多堰塞湖的最后屏障，保障着整个成都平原免受堰塞湖溃决的洪水威胁。

尤其让人感到欣慰的是，紫坪铺这种成功抵御特大地震的现象，并不是偶然的。而是这次所有处在强地震区域内的水坝、水电站，都不负众望的经受住了特大地震的严峻考验。除了紫坪铺是一座高面板堆石坝之外，震中地区的沙牌水电站是一座132米高的混凝土高拱坝、碧口水电站是一座101米高的土石坝、宝珠寺水电站是一座132米高的混凝土重力坝。事实证明：我国现行的水坝、水电站的设计规范是科学的，施工是可靠的，所建设的水库、大坝和水电站是安全的。

水库地震只是提前释放了地震能量

水库蓄水的结果，要么对原有的自然地震没有太大的影响，要么会提前释放了正在孕育中浅层地震的能量，从客观上避免了更大地震的发生。即使水库蓄水触发了较大的地震，也应该是具有减小该地区原有地震震级的作用的好事情。

新归州俨然伫立在库区河岸边，居民们正用江水安宁地浣洗衣物。 摄影/陈文

对于水库触发地震而言，虽然我们还没有能力主动地、有意识地去向地震断层高压注水，但是，人造水库的蓄水却有可能在某种程度上，有意无意地起到用高压注水触发地震的作用，提前释放浅层地震的能量，减小震级。

水库蓄水的结果，要么对原有的自然地震没有太大的影响，要么会提前释放了正在孕育中浅层地震的能量，从客观上避免了更大地震的发生。即使水库蓄水触发了较大的地震，也应该是具有减小该地区原有地震震级作用的好事情。遗憾的是我们现在还没有能力，利用水库触发地震（即高压注水）的办法，主动地减小自然地震的灾害。

上个世纪70年代，地震科学界曾经有过多次用高压注水主动触发地震的方法，进行“控制地震”的尝试，但是，最后因为我们对地下断层的判断不够准确，注水的效果不明显，很难达到预期的效果而逐渐放弃。现在的水库蓄水实际上就是一种不需要额外花费的“控制地震”试验。不管它能否达到触发地震的效果，都是一件有好处的事情。此外，加拿大蒙特利尔大学工学院嵇少丞教授，在表达岩层与地震关系的科普知识的时候，精辟地总结出地震有“强岩强震，弱岩弱震，软岩无震”的特点。我们是否也可以认为，凡是在水库诱发地震的区域内，由于高压水体的浸润，可能会有强岩变弱，弱岩变软的效果。所以，水库的蓄水对于地震来说，要么没有发生作用，要么会有助于减小该地区地震强度的作用。

总之，从科学的态度出发，我们现在不仅不应该盲目否定和恐惧水库触发地震，而且还应该更加关注如何去掌握和控制水库触发地震，争取早一天实现有意识地利用水库触发地震的办法，降低自然地震灾害的目标。例如，我们2005年建成蓄水的紫坪铺水库，根据当地地震监测的数据已经表明，建成前后地震的频率和强度几乎没有发生太大的变化。这说明紫坪铺水库的蓄水，几乎没能构成对水库的断层高压注水的情况。

假设当初紫坪铺水库恰巧具备了向地下断层高压注水的条件，那么很可能会在2006年该水库蓄水达到最高峰之后，就陆续触发出穿过其水库的龙门山中央断裂带的一系列浅层地震，肯定会让当地地震的部分能量提前得到释放。如果真的那样的话，当时也可能会造成一定的人员财产伤亡。但是，它已经提前释放了龙门山中央断裂带地震的部分能量。然而，现在很不幸，就因为当年紫坪铺水库没有能把龙门山的浅层地震触发，所以，2008年“5.12”深层的特大地震爆发时，浅层地震的能量必然会同时释放，以至于造成了我们惨痛的损失。

在地震高发区科学的水电建设具有减灾作用

我们要加紧研究探讨，尽快掌握和控制水库触发地震，争取实现有意识地利用水库触发浅层地震的办法，降低自然地震灾害对人类社会的破坏程度。

处在地震带上的北川县在地震中遭受了灭顶之灾，大部分县城被滑坡体掩埋。北川是整个汶川大地震中遭受人员和财产损失最严重的地方。由于该地区的地质情况极为不稳定，不仅该县城已经在地震后决定易地重建，而且，社会各界纷纷指出早就不应该在这种地质灾害极为严重的危险地区建设人口密集的县城。其实，我国这种城市建在危险的滑坡体上的情况还有很多。

由此可见，在某地震灾害高发地区建设水电站反倒可以减轻地震的损失。一方面水坝比普通的公民建筑物有更高的抗震能力；另一方面水库淹没区域的人口财产密度肯定要比城镇低得多。所以，利用水电建设的移民搬迁，转移一些地质危险度较高的城镇，是我们可以借鉴的减轻地震灾害的成功方式。

处在这次汶川大地震震中地区经受了严峻考验的紫坪铺水库，在地震之后那些当年因为修水库而搬迁出的紫坪铺的村民，曾自发地组织起来专门到紫坪铺水电站对水电建设者表示感谢。因为，他们知道如果不是几年以前紫坪浦水库的建设，让他们搬迁到了别处，这次大地震肯定是在劫难逃。

因此，水库地震问题的关键，主要还是保证水坝的安全性，不让它产生次生灾害。一方面我们在水坝建设上一定要坚持科学的态度，严格执行国家标准、规范，保证各种水坝的安全。另一方面，从科学的态度出发，我们没有必要过分地担忧水库触发地震。因为，水库触发的地震并不是水库制造的地震。而且，自然界中地震的能量总是要释放的。即使没有被水库提前触发出来，也不一定是好事情，今后肯定会有更大的自然地震发生。

我们应该加紧研究探讨，尽快掌握和控制水库触发地震，争取实现有意识地利用水库触发浅层地震的办法，降低自然地震灾害对人类社会的破坏程度。

一、我国现有的科技水平，不仅可以保证水坝建设的安全性，而且，科学地建设水坝还会有助于降低西南地区地质灾害的威胁。

二、水库触发地震的破坏性能量，完全来自于天然的地震。建造水库不是制造了地震，而是有可能触发浅层的地震。但是，提前释放浅层地震的能量，有助于减少地震灾害的破坏程度。

三、开发建设水电在技术上没有不可逾越的障碍，然而，在思想和观念上，到底是采取迷信敬畏的态度回避自然灾害，还是选择科学发展的方法主动降低西南地区的地质灾害，则要取决于我们决策者的智慧。