瑞士大坝安全、应急预案与水情警报系统

崔弘毅，薛建军编 译

（1.国家电力监管委员会大坝安全监察中心，浙江杭州 310014；2.中国机械设备工程股份有限公司，北京 100055）

0 引 言

瑞士对资源综合开发利用非常重视，尤其对水能资源，已经开发了近88%的经济可行性水电潜力。瑞士大部分的水坝项目位于阿尔卑斯山的中上部高程，水坝的类型为混凝土重力坝、拱坝、土石坝、支墩坝，其比例分别为38%、26%、35%、1%。目前，瑞士联邦管辖下的5～285 m的大坝有217座，库容从5万m3到4亿m3不等，坝高大于15 m有153座，大于100 m有25座，大于200 m有4座。州政府管辖的水坝153座。这些水坝85%属水力发电工程。

瑞士的现代大坝修建始于135年前，一直到上世纪70年代进入停滞状态。从那时候起，几乎不再建造任何新的大坝。但实施了两座主要拱坝的加高和一些大坝的补强加固工程。现有大坝的平均坝龄为50 a（见图1）。一般，水电项目的许可权年限为80年，因此，对几座稍老的水电站（主要是径流式水电站）进行了补强加固，以使许可权继续有效。补强加固过的水电站的预期服役年限是160年。他们必须达到现行设计标准和安全标准的要求。

现行安全标准中，除了关注坝龄外，主要关注点还有洪水和地震安全，在大多数大坝修建的年代，并没有这些标准。长服役期限的前提是大坝和附属建筑物的结构安全。

图1 两座连续运行约50年的大坝Fig.1 Two dams have been in uninterrupted use for some 50 years

根据经验法则，只要保证科学合理的维护，大坝的服役年限可以足够长，但没有维护和不进行监测的大坝应另当别论，实例就是格鲁吉亚272 m高的Enguri拱坝——世界上最高的拱坝，上世纪90年代早期，由于内战和独立期间社会动荡而疏于维护，结果大坝安全状况快速恶化。该实例表明，甚至对于新坝，几年时间之内也可能变得不安全。

对于设计精良、施工质量好、维护和监测都得当的土石坝及混凝土坝，其服役年限可以轻易达到100年。但有些元件如闸门和阀门等，四五十年后就需要替换。电气设备和电子控制单元的服役年限则短得多，其中一些元件的更换频率和电脑一样，因为他们技术上已经过时，无法进行维护。

文章中讨论的大坝安全综合概念主要包括四方面内容：结构安全、监测安全、运行安全和应急预案。前三方面内容已经被大家所熟知，但对应急预案则相对陌生一些，因为警报系统和人口疏散通常由军方或民防机构控制，原因是在战争中，大坝可能作为袭击目标，恐怖分子会钟情于此类破坏力强的对象。

1 瑞士的大坝安全

1.1 大坝安全法律和行政方面情况

1877年6月22日出台的瑞士联邦法相关水政策中规定：“联邦委员会将保证对现有和未来将建的大坝采取必要措施，以尽量避免由已有工程、或因维护不够、或因战争因素等引起的危害或损坏。”根据该法律，制定了《大坝安全条例》。现行的《大坝安全条例》于1999年1月1日生效，是之前规则的修订版本。大坝安全规则应用于具体大坝则是基于几何尺度（坝高和库容）和对下游地区的潜在破坏力（淹没范围）。

规范规定了大坝安全相关部门的职责，如大坝安全当局、大坝业主、大坝工程师和大坝专家。为推动现行大坝安全规则的实施，大坝安全当局发行了以下导则：

（1）适用于大坝安全规则的大坝的标准；

（2）大坝结构安全；

（3）大坝防洪安全；

（4）大坝抗震安全；

（5）大坝监测和维护。

大坝，即是指蓄水水头超过25 m、或蓄水水头超过15 m且库容超过50 000 m3、或蓄水水头超过10 m且库容超过100 000 m3、或库容大于500 000 m3的大坝。大坝的监管由联邦大坝安全当局执行，其聘请了专业大坝工程师。小坝的安全则是州（省）的责任。

安全当局负责审查和批准新大坝的建造以及对现有大坝的除险加固工程。因此，大坝业主必须向当局提交工程图纸、分析和设计报告、地质和水文调查结果等资料，以取得批复。在最终设计得到批复之前，不得动工。

施工过程中，当局会执行检查，确认是否与批复的方案一致。所有检查结果都将记录在案。

大坝的首次蓄水要求得到大坝安全当局的授权。

在大坝运行过程中，当局会组织有经验的工程师和专家监督业主的监察组织。资深工程师和专家的大坝现况和性状评估报告将立即通报给大坝安全当局。其中，资深工程师的报告是每年提交一次，专家评估报告是每5年提交一次。

如果监测或检查发现需要采取修补措施，则必须马上实施。

1.2 大坝安全概念的基本要素

每个安全概念都包括两个主要目标：减小各类风险和以最好的方式控制各类风险。为达到此目标，瑞士引进了综合大坝安全概念，包括了以下要素：（1）结构安全；（2）大坝监测和大坝维护；（3）应急预案。

1.2.1 结构安全

要减小风险则需要对大坝进行合理的设计和良好的施工。这意味着应根据最新的技术发展情况来定期复核大坝设计（设计标准和设计理念），以保证结构安全。图2为伊朗的Sefid Rud支墩坝，其经历了远超设计强度的地震。今天看来，其采用的地震设计标准和动态分析方法已经过时。

1.2.2 大坝监测和大坝维护

即使大坝设计和施工采用最先进的技术和知识，也不能完全消除风险，风险只能被减小。因此，有必要尽快对出现的任何反常性态、损伤、结构安全缺陷、新型风险等进行探测，这样才能及时采取正确的应对措施。为达到此目的，需要对大坝进行定期检查和定期安全评价。定期检查的目的是监测大坝的实际性态，定期安全评价的目的则是对其长期性态进行监控，并确保其结构安全。瑞士的大坝监管系统如表1所示。各块对大坝监管和大坝安全监测的职责如下：

图2 伊朗Sefid Rud支墩坝的补强加固Fig.2 Repair and strengthening of Sefid Rud buttress dam in Iran

（1）业主：大坝业主需要让大坝维持在较好的工况中，因此，业主设立了一个组织来监测和维护大坝。大坝业主的技术人员实施月度或每周的常规肉眼检查和测量。每月都会采用人工读数对自动记录的测量结果进行检查。大坝技术人员需对泄洪闸门的操作数据进行检查，至少每年一次。观测和测量结果会递交给业主指定的资深工程师。

（2）资深工程师：资深工程师需检查连贯的监测结果、对大坝进行年度检查并在年度报告中汇编大坝性态和工况分析。该工程师通常也为大坝业主提供咨询。

（3）专家：蓄水水头超过40 m或蓄水水头超过10 m且库容超过1 000 000 m3的大型坝，指定专家每5 a对其进行一次全面安全复核。这些专家，即土木工程师和地质学家，是大坝工程界的专业人士，经大坝安全当局同意，由业主指定。

（4）大坝安全当局：大坝安全当局负责检查资深工程师提交的年度报告及专家提交的五年评估报告。当局也进行现场检查，观测证实年度报告和评估报告中的建议，并确保采取必要的措施。

1.2.3 应急预案

若大坝发生明确的风险，则根据应急预案来处理。很重要的一点即是需要采取的措施已提前准备好。这些措施包括策略和应急方案。若发生溃坝事故，应确定可能洪泛区，结果应用洪水淹没地图的形式加以呈现。该地图中也可以规划洪水淹没地区人口的疏散。更多的应急预案措施包括安装或至少规定采用的警报设施以及确立组织保证人口疏散。应急策略划定了三种危险水平，对每个危险水平，都制作了对应的技术、操作和应急行动计划。

2 大坝安全、溃坝后果和减小风险的措施

如今，可能造成较严重破坏的工程，如大型蓄水坝、核设施等，都采用了综合安全概念。对大坝，包括了以下几个关键要素：（1）结构安全；（2）大坝安全监测；（3）运行安全和维护；（4）应急预案。通常，设计工程师主要关注结构安全，但对关键设施，如大型蓄水坝，其安全不仅仅是结构安全，还必须包括监测、运行、维护和应急预案等方面。瑞士大坝安全概念中没有明确考虑运行安全，但运行安全是非常重要的，必须加以考虑。一个典型案例就是发生于2005年12月Taum Sauk抽水蓄能电站上水库的溃坝事故。

表1 瑞士大坝监管系统Table 1:Structure of dam surveillance system in Switzerland

大坝溃决的后果包括：生命损失（应急预案的首要任务是减少生命损失）、环境损坏、洪泛区财产损失、设施损毁、电站和发电量损失、社会-经济影响、政治影响等。

通过一系列工程和非工程措施，可以减轻这些后果。工程措施主要是关于大坝安全，即防洪安全、地震安全和现场工况。非工程措施主要包括以下方面：在正常和非正常运行条件下的水库安全操作导则、应急行动实施、水情警报系统的应用、人员培训、在安全相关事件中降低水位、定期安全检查、工程支持以有效应对异常和紧急状况、土地使用计划（政治决策）、保险范围、第三方责任范围（减小经济损失）等。非工程措施通常比工程措施更有效。

3 瑞士的应急预案

应急程序应包括如何向当局和民众预警的计划。

大坝业主必须提供洪水淹没地图，地图中必须包括淹没区域、能量水头高度和洪水到达时间。

对库容超过2 000 000 m3的大坝，在所谓的近坝区域必须安装水情警报系统。近坝区域即是指最多两小时内就会被洪水淹没的区域，对应于大坝下游30 km的范围。水情警报系统包括特定的警报器，可在大坝坝址处直接启动，大坝业主需要对其进行维护并定期测试。在远坝区（即剩下的洪泛区域），警报由民防通用报警器直接发出，该报警器由州政府维护。事实上，将安装启用新一代的报警器，既可作为水情警报，又可作为其他警报。

对洪泛区比较小的小型坝，水情警报由民防通用报警器发出。

州和市政府负责应急指令和人口疏散的计划和准备工作。

洪水淹没地图一方面用于应急计划，另一方面用于确定具体大坝的规范可操作性。洪水的强度由水深和流速的乘积决定，必须由表2给出的极限值来评定。

4 应急行动计划

应急预案的主要目的是拯救生命。大坝业主的经济损失及洪水淹没区的受灾损失由保险公司赔偿。

应急预案（EAP）用于帮助大坝业主、运行管理者和应急官员减小由溃坝或水库非受控型泄水引起的洪水所带来的危害。EAP将指导责任人判定、监测、应对和缓解紧急情况，它规定了紧急情况下或影响大坝和水电站安全的非常规事件发生时“谁、做什么、时间、地点和怎么做”。应定期更新EAP，或在重要的紧急事件后更新EAP。基本上，由大坝业主负责采用安全监测、人工操作、维护、维修和补强加固等手段来维持大坝安全。

紧急情况中，大坝业主负责监测、确定合适的预警水平、发出通告、在大坝处采取应急行动、确定什么时候排除紧急状况以及记录所有行动。在紧急情况下，大坝业主需第一时间通知当局，当局负责对受影响居民发出警报并组织疏散。警报由特定水情预警系统发出。人口疏散计划的实施基础是溃坝洪水分析。通过溃坝洪水分析，可得出发生最坏溃坝事故（即忽然溃坝的）时洪水淹没区域，另外还可得到洪水的到达时间、流速和水深。根据经验，洪水两小时将到达下游30 km处。

EAP包括几个要素或任务，即：

表2 洪水危险程度的评定Table 2:Definition of danger levels of flood waves

风险分类：确定会影响安全的风险分类。风险可与自然事件或进程联系起来（如洪水、风暴、地震、内部侵蚀等，见图3），也可与安全方面的水电机械或电气设备的操作联系起来（如闸门故障、监测仪器失效等），也可与人为破坏联系起来（如破坏、恐怖行动、战争等）。

图3 影响大坝安全的自然环境引起的风险Fig.3 Hazards from natural environment affecting dams

紧急情况分类：确定一场事故、某监测仪器、某机械或电气部分的非正常性态的严重程度，分为三个层次：（1）内部警报；（2）正在发展的险情；（3）紧急情况。作为判断严重程度的辅助手段，可开发一个评估矩阵（可应用于多个设施，其决定于大坝特性和环境），见表3。

当发现或被告知有异常情况时，必须对以下两种可能情况做出判断，即是否需要外部支援和是否存在对人口、结构或环境造成不利影响的威胁。在对事故进行严重性分类时，其紧急程度是主要因素，可分为以下警报程度和紧急情况：

（1）大坝工作人员可管理和控制的由异常事件引起的内部警报事件。典型的内部警报事件为在收到洪水规模和可能引起危害的具体信息之前的洪水警报以及某仪器读数异常，超过预先设定的安全限值（如测压管水头、排水设施排放量或结构位移）。

表3 水电站风险矩阵及要求的保护措施示例Table 3:Example of hazard matrix for hydro power plant showing hazards and required protective measures

（2）发展中的险情即观察到的险情明显要转变成对大坝安全和下游人口的严重威胁。在这个阶段，还不能确定险情是否可以得到控制。

（3）紧急险情即事故或威胁的发生明显不能停止，但可采取行动减轻其后果，如疏散有危险的人口等。

关于事故的交流或通告可以仅限于内部，也可延伸到外部，外部则意味着与当地或州负责实施应急行动的当局的沟通。通知流程图可表示出信息在相关组织和操作人员中的传播顺序，可帮助通告过程有条不紊地推进。事故信息仅限于内部时，必要的措施将由应急任务小组实施，其成员均为运行人员。

5 水情报警系统

瑞士65座大型坝装有水情报警系统，第一批系统安装于50 a前，这些系统是由军队推动安装的。二次世界大战时期，德国有几座大坝被损坏，当时安装这些系统的主要目的是避免类似发生在德国的灾难。因此，当时考虑的主要威胁是战争，但近年来已发生了改变。

近年来，科技发展迅速，水情警报系统需要利用许多仪器和通讯方面的新技术。但之前安装的警报系统没有做出改进，洪水淹没地区也没有变化。但是，随着技术的发展，其他的警报设备（报警器）可能会派上用场。

但水情警报的触发存在一个问题，那就是许多大坝已经不由业主的工作人员对其实行24 h监控了。在偏远的地方，冬天坝址处没有工作人员。因此，在紧急情况下能否到达坝址处是一个物流问题。在严重的降雨或地震后，道路可能被封锁等。并且，为防止发出错误的警报，报警器通常不是可操作的模式，即当大坝达到预先设置的警报程度时，警报器才会启动。如果要人工启动，则会花一些时间。仅当报警器为可操作状态且达到了最高警报程度，即预计大坝可能要溃决时，才会发出特定的声音信号通知水情警报。

在瑞士，区分了近坝区和远坝区。近坝区是指洪水2 h内能到达的区域，远坝区则是指这些区域以外的范围。大坝业主负责近坝区的水情警报设备，远坝区则使用普通民防报警器。所幸，目前为止，还未发生过需要疏散人口的险情。有关当局和大坝业主每年都举行应急演练，并对仪器功能进行检查。

很明显，水情警报系统的存在意味着大坝业主和当局很关心大型坝下游群众的生命财产安全，这对提升大坝业主和当局的良好形象有重要作用。

有一实例，距苏黎世30 km处有一Sihlsee大坝，大坝溃决淹没区的老百姓曾接到宣传单，宣传单上标明了洪水淹没区域以及两种警报器示例，以提高民众意识。

图4 苏黎世地区发的宣传单示例Fig.4 Example of a leaflet distributed in Zurich

6 结 语

对大型坝来说，应急预案和下游地区的水情警报系统都是必须的。即使大坝结构安全，也可能因自然或人为原因引起溃坝。为提高应急预案的有效性，其中必须包括下游的民众，并且通知其在紧急状况中该采取什么行动。瑞士第一批水情报警系统安装于约50 a前。

对蓄水坝和径流式水电站，应急预案是有效的大坝安全管理工具，可帮助业主和运行管理人员处理大坝和其所在环境中可能出现的不利影响因素。应急预案的组成内容包括风险定义和分类、异常工况矩阵、紧急程度分类及通知流程图。

应急预案可促进决策制定和相关责任人之间的高效沟通，为大坝业主机构采取关键应急措施提供支持。

[1]Martin Wieland and Rudolf Mueller.Dam safety,emergency action plans and water alarm systems[J].International Water Power&Dam Construction,2009,1:34-38.