美国大坝漫顶概率的历史演变趋势及其风险评估研究

本研究针对美国老化大坝在气候变化背景下日益增加的漫顶风险，通过分析33座大坝50年的水位数据，采用广义极值分布(GEV)模型进行滚动窗口频率分析。研究发现关键漫顶概率(低、中、高)的大坝数量呈上升趋势，其中6座高风险大坝邻近人口密集区。该研究为美国大坝安全管理提供了非平稳水文条件下的风险评估新范式。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，水文极端事件频发给水利基础设施带来严峻挑战。美国现有超过92,000座大坝中，约17%被列为"高危害性"，其潜在溃坝风险可能造成巨大生命财产损失。近年来Oroville大坝(2017)、Edenville和Sanford大坝(2020)等系列事故，以及2024年飓风Helene引发的Lake Lure大坝漫顶事件，不断敲响大坝安全警钟。更令人担忧的是，美国土木工程师协会(ASCE)最新评估报告将大坝安全等级定为D+，显示基础设施老化与设计标准滞后问题日益突出。在此背景下，爱荷华大学(University of Iowa)和加州大学欧文分校(University of California, Irvine)的研究团队开展了一项开创性研究，系统评估了美国大坝漫顶概率的历史演变趋势。

研究人员选取美国陆军工程兵团(USACE)和垦务局(USBR)管理的33座具有50年以上公开水位记录的大坝作为研究对象。这些大坝中94%属于高危害等级，91%符合国际大坝委员会(ICOLD)定义的大型大坝标准。研究采用创新的"更新平稳频率分析"方法，通过拟合广义极值分布(GEV)对1973-2022年间21个滚动30年窗口的年最大水位序列进行分析，计算超过坝顶高度的年概率。为验证数据适用性，研究首先应用Bartels秩检验确保水位序列的随机性，并通过Kolmogorov-Smirnov检验评估GEV分布的拟合优度。根据联邦应急管理局(FEMA)标准，将漫顶概率划分为四个等级：极低(<0.01%)、低(0.01-0.1%)、中(0.1-1%)和高(≥1%)。

研究结果揭示了三个重要发现。首先，时间趋势分析显示关键漫顶概率大坝数量显著增加。从1973-2002到1991-2020窗口期，极低概率大坝比例从62%降至45%，而低、中概率大坝分别从10%、17%上升至22%。Mann-Kendall趋势检验证实这一变化具有统计显著性(p<0.05)。其次，空间分布分析发现南方大平原地区(德克萨斯和堪萨斯)大坝风险最高。11座大坝在超过半数研究窗口期处于关键概率状态，其中Belton、Canyon等6座大坝在最近窗口期(1993-2022)仍保持高风险。这些大坝均被列为高危害等级，且邻近Waco(14万人口)、New Braunfels(9.9万人口)等城市。最后，趋势分析识别出Kanopolis和Milford两座大坝的漫顶概率呈现显著上升趋势(p<0.05)，均位于南方大平原气候区——该区域以极端天气频发著称。

研究团队通过深入讨论指出，这一发现与南方大平原地区降水增加的研究相呼应。德克萨斯州冬季降水(1895-2006)和堪萨斯州极端降水(1979-2021)均已被证实存在显著上升趋势。虽然研究未直接建立降水与漫顶概率的因果关系，但时空一致性暗示气候变化可能是驱动因素。值得注意的是，年最大水位本身多数未显示显著趋势，说明传统水位监测可能低估风险，而结合坝高的概率分析能更敏感捕捉安全隐患。

这项发表在《Nature Communications》的研究具有多重重要意义。方法论上，建立的滚动窗口GEV分析框架为基础设施风险评估提供了新工具；实践层面，识别的6座高风险大坝为优先加固对象；政策意义上，研究结果支持ASCE关于美国需1850亿美元大坝改造投资的建议。研究也指出局限性，如30年窗口期带来的不确定性，以及未考虑入库流量、淤积等因素。未来研究可结合水动力模型评估具体溃坝后果，为风险管理提供更完整依据。该成果不仅对美国大坝安全具有直接指导价值，其分析框架也可推广至全球面临类似挑战的地区。