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尾矿坝沉积滩顶至设计洪水位的高差(大型水库可能引发的地质灾害)

尾矿坝沉积滩顶至设计洪水位的高差(大型水库可能引发的地质灾害) 气候变化对尾矿库工程防洪安全的影响

一、气候变化对降水、暴雨及洪水的极值的影响

(1)全球变暖导致极端降水事件的频率和强度有增加的趋势。

在全球变暖导致水文循环加快、总降水量增加的地区,强降水事件有明显增加的趋势;即使在平均总降水量减少或保持不变的地区,也存在强降水现象,且其频率增加。全球观测数据显示,在过去40年里,洪水发生的频率一直在增加。在美国、日本、加拿大、英国、挪威、南非、巴西和前苏联,降水和强降水长期特征的研究成果都支持上述结论。英国和美国科学家的研究表明,全球变暖将导致更严重的自然灾害,如洪水;研究还发现,随着全球气温持续上升,未来洪水发生的频率会更高。

20世纪90年代以来我国极端降水事件、极端暴雨和极端洪水的研究成果表明,20世纪80年代以来,除华北地区外,我国极端暴雨发生的频率和强度明显增加,尤其是华南和江南地区。长江中下游的降水在增加。微降雨事件普遍减少,尤其是在北部地区。以长江流域为例,1961-2000年洪水频率增加主要是夏季降雨量增加所致;受中下游降雨和个别暴雨分布空的影响,该地区洪水流量明显增加,加重了该地区的洪涝灾害。

(2)中国暴雨极值在增加。

近20年来,我国大量雨量站的暴雨记录被刷新,实测和调查的短历时雨量极值接近或达到世界最高记录:如陕西宽平暴雨(1998年7月1300 mm/6 ~ 7 h)超过了以前的世界记录;河南庄琳830.lmm/6h(1975年8月)和台湾阿里山(1748.5毫米/24小时)的实测暴雨接近世界最高纪录。广东湛江幸福农场实测暴雨1146.8mm/24h(2007年8月),是目前mainland China最大暴雨。

最大点雨量有一个年代变化:长时间最大雨量的最高值出现在60年代,第二个峰值出现在南方的90年代,西部地区后期(70-90年代)明显多于前期(50-60年代)。

长暴雨的年代际变化较大,在20世纪60年代和90年代出现了两个最大值站。

(3)近年来中国洪水极值有增加的趋势。

20世纪最后100年,30、50、60、90年代是暴雨洪水的高峰期。在南方(长江以南、华南和西南国际河流),最频繁的洪水发生在20世纪60年代和90年代。

近年来,中国的国民经济每年增长10%左右。在经济快速发展的带动下,钢铁、有色金属、水泥等主要原材料行业快速扩张。随着金属非金属矿山采选业的快速发展,尾矿库的安全问题日益突出。截至2009年9月,全国共有尾矿库26000余座,年尾矿排放量约6亿吨,每年新增尾矿库300座。四级及以上尾矿库被国家安监总局定为“重大危险源”,尾矿库防洪工程安全直接影响周边地区人民生命财产安全和环境安全。全球变暖对降水、暴雨和洪水极值有一定影响,暴雨和洪水极值有增加的趋势,这将影响我国尾矿坝工程的防洪安全。因此,有必要开展气候变化对尾矿坝防洪安全影响的相关研究。

二。极端降水事件对尾矿库工程防洪安全的影响

(一)气候变化对尾矿库工程防洪设计标准和运行程序的影响

在气候变化背景下,尾矿库工程设计需要考虑以下问题:①气候变化引起的尾矿库汇流区降雨、径流的变化,会影响汇流区的设计暴雨和设计洪水,即尾矿库工程的防洪设计标准;②气候变化和变异将可能增加极端水文和气候事件的频率和强度,导致超标准洪水,不仅影响尾矿库工程的防洪设计标准,而且影响尾矿库工程运行规程的设计和编制;③暴雨强度和暴雨频率的增加可能引发地质灾害,增加泥沙冲淤,从而影响尾矿库工程的安全和寿命。

(2)我国尾矿库的地理分布特点和部分尾矿库的特殊性,决定了必须重视气候变化对尾矿库防洪安全的影响。

根据国家安监总局2008年的统计数据,全国共有12655座尾矿库,其中5219座分布在南方、华南和西南地区,占全国的41%,而且这些地区的尾矿库数量还在以150 ~ 200座/a的速度增加,因此,这些地区的尾矿库尤其需要考虑极端天气对防洪安全的影响。特别是由于历史原因,我国下游尾矿库大多是人口密集区、城镇或大型厂矿企业,有些尾矿库的选址非常不合理,甚至是极其危险的,这就像一把达摩克利斯之剑悬在这些厂矿和群众的头上。应考虑极端洪水和暴雨事件对储存场地极其特殊的尾矿库防洪安全的影响,提高尾矿库防洪设计标准极为必要。

(3)尾矿库泄洪系统的工作特点和安全重要性也决定了我们必须高度重视气候变化对尾矿库泄洪安全的影响。

尾矿库的排洪系统不同于水库。尾矿库排洪系统既要安全及时地排出库区尾矿的澄清水和洪水,又要保证尾矿不从排洪系统中漏出——俗称“泥跑”或“黑跑”,即排洪不排砂。其排洪系统通常由取水构筑物和排水构筑物两部分组成。进水口建筑物的最大特点是随着尾矿坝不断堆积和上升,相应地向水库后方延伸和上升,并不断调整进水口高程和进水口位置,以确保水库内的澄清距离,从而防止尾矿从泄洪系统中泄漏。尾矿库在中后期使用时,泄洪系统的大部分构筑物都会被尾矿掩埋,上覆堆积的尾矿高度从几十米到上百米不等。尾矿堆积坝这一独特的筑坝技术,决定了尾矿库排洪系统对尾矿库的安全稳定起着非常重要的作用。如果排洪系统不能顺利泄流或不能有效泄流,将对尾矿库造成极大危害,洪水堆积导致洪水位上升,进而引发尾矿库溃坝、溃坝、滑坡等重大灾害。据有关统计,在国内尾矿库病害事故中,排洪系统的病害事故占33.3%,洪水漫顶占44.4%。在我国,近50%的尾矿库事故是由有色金属矿山泄洪系统事故引起的。因此,必须高度重视气候变化引发的极端降水事件对尾矿库安全泄洪的负面影响。

第三,将“最大可能洪水”引入尾矿库工程防洪设计标准领域的必要性。

目前,我国尾矿库防洪设计标准的选择主要依据《选矿厂尾矿设施设计规范》(以下简称《规范》)。防洪设计标准虽然是“综合考虑库容、坝高、使用年限、对下游可能造成的危害等因素”选定的,但主要是根据尾矿库的分类来确定的。只有对于含有放射性或有害尾矿的尾矿库,如铀矿床,事故发生后可能对下游环境造成极其严重的危害,其防洪。以德兴铅锌矿尾矿库为例,根据库容和坝高,可初步定为四级水库。鉴于尾矿库位置的特殊性,设计者特意将其分类提升为三级水库,根据规范,其设计洪水重现期为中后期200 ~ 500年一遇。作者认为,全球变暖导致极端降水事件发生的频率越来越高,暴雨洪水极值屡创新高。对于事故后可能造成重大灾害的尾矿库,应在其防洪设计标准的选择中引入最大可能洪水(PMP)的概念,防止尾矿库遭遇极端暴雨引发的超标准洪水时,因泄洪不力而发生溢流和溃坝事故。这一概念适用于所有具有特殊安全和环境保护的尾矿库,而不仅仅是有限的。资料显示,美国尾矿库的洪水设计标准较高:最低标准为百年一遇洪水,大中型水库要求按最大可能洪水(PMP)或最大可能洪水的一半设计。在中国,也有许多工程实例采用最大可能洪水(PMP)进行校核设计。如江西铜业公司武山铜矿老尾矿库紧邻瑞昌市最大的淡水养殖基地赤湖。为确保尾矿库的建设和运行不会对赤湖淡水养殖基地造成破坏,武山铜矿防洪排水系统设计标准采用了最大可能暴雨校核。

以德兴银山铅锌矿尾矿库为例,不同防洪设计标准计算的设计暴雨值差异程度见表1。

表1不同洪水设计标准的设计暴雨值比较

洪水重现期

模数系数kp

设计暴雨值H24P(mm)

注:德兴市

200年一次

2.68

348.4

Cv=0.43

500年一遇

3.01

319.3

Cs=3.5cv

一万年一次

4.05

526.5

H24 = 130mm毫米

PMF(万年不止一次)

7.31

950毫米

从表1可以看出,如果考虑最大可能洪水标准计算的设计暴雨值是常规设计洪水标准(500年一遇)的2.43倍,则相应尾矿库排水系统的防洪排涝能力应调整为原标准的2.43倍。PMF对应的洪水重现期可能大于一万年一遇,但部分地区也低于一万年一遇。如果按照美国传统方法计算PMF,与十年一遇的洪水没有固定关系。从美国东部、中部和西部随机选取的18个项目中,有9个PMF小于十年一遇洪水,7个PMF大于十年一遇洪水,2个PMF等于十年一遇洪水的基准率。

四。结论。

尾矿库防洪工程安全与否,直接影响到周边地区人民的生命财产安全和环境安全。以全球变暖为特征的气候变化是不争的事实。气候变化会对尾矿库防洪工程的设计、运行和自身安全产生一定的影响。因此,有必要未雨绸缪,加强气候变化对尾矿库防洪工程安全影响的科学评估,研究减缓影响和适应对策,为我国尾矿库工程安全提供科技支撑。

 
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