LLID-OT 1.0：美国河堤漫顶事件综合数据集助力风险评估新突破

《Scientific Data》：A comprehensive dataset of riverine levee overtopping events for advancing risk assessment

本刊推荐：为解决河堤漫顶（Overtopping）这一最主要溃堤模式缺乏详细现场数据的难题，研究人员开展了“河堤加载与事件数据集-漫顶”（LLID-OT）主题研究。他们历时15年，汇编了美国487起河堤漫顶事件的综合数据集，包含水力加载、土工特性、几何尺寸及溃口尺寸等关键参数。该数据集揭示了溃口特征与土壤类型、漫顶深度/持续时间及堤坝几何形状等因素间的关联，为数据驱动和物理基础模型（physics-based models）的开发与校准提供了宝贵资源，显著推进了堤坝风险评估、设计及洪水管理。

　　

在全球气候变化和极端天气事件频发的背景下，洪水风险日益加剧。作为世界上最主要的防洪基础设施，土堤（Earthen levee）保护着全球近10%的人口和大量资产。然而，这些看似坚固的屏障并非无懈可击，其中，漫顶（Overtopping）被公认为导致堤坝溃决的最普遍机制。历史上，从美国到欧洲，多次特大洪水事件中都发生了大范围的堤坝漫顶溃决，造成了灾难性后果。尽管其重要性不言而喻，但由于缺乏系统、详细的现场观测数据，我们对于堤坝在真实洪水条件下如何从漫顶发展到最终溃决的复杂过程，理解仍然有限。现有的模型多基于实验室或小尺度试验，其边界条件和参数范围往往与真实的、千变万化的野外情况存在差距，限制了其在实战中的应用。这种数据匮乏的状况，严重制约了精准风险评估模型的发展，也影响了防洪决策和基础设施韧性提升策略的制定。

为了填补这一关键空白，一项名为“河堤加载与事件数据集-漫顶”（Levee Loading and Incident Dataset-Overtopping, LLID-OT）版本1.0的研究应运而生，其相关论文发表于《Scientific Data》期刊。这项研究由Stefan Flynn、Farshid Vahedifard和David Schaaf合作完成，旨在创建一个全面、可靠且易于获取的堤坝漫顶事件数据库，为科学研究和工程实践提供坚实的数据基础。

研究人员开展了一项长达15年的数据收集与整理工作。他们主要从美国陆军工程师兵团（U.S. Army Corps of Engineers, USACE）的建设文档、防洪抢险报告、灾后修复记录、河流测站信息以及国家堤坝数据库（National Levee Database, NLD）等公开资源中挖掘数据。此外，还辅以航拍影像分析，并在某些情况下，通过目击者叙述或个人访谈来核实或细化关键事件（如溃口发生的确切时间）的时间点。所有收集到的数据都经过了严格的质量控制，包括交叉验证来源、手动逐项录入以避免认知偏差，并剔除不完整或描述不清的记录，最终形成了包含487起美国河堤漫顶事件的LLID-OT v1.0数据集。该数据集涵盖了堤坝系统与事件信息、几何数据、岩土数据和水力数据四大类参数。

堤坝系统与事件数据

这部分数据提供了每个堤坝段（Levee segment）及其所属事件的基本背景信息。通过整合NLD等来源的数据，研究人员记录了堤坝段名称、NLD识别号、建设年份、建设实体（联邦或非联邦）、受保护区域面积（km²）以及区域内的发展特征（城市、农村或混合）。对于每个漫顶事件，则记录了事件发生年份以及是否发生溃决的二元指标。事件的水力加载时间通过河流测站数据确认，而溃口时间则尽可能通过防洪记录和存档媒体报道进行细化。

几何数据

几何参数详细描述了堤坝的物理尺寸和溃口形态。数据包括堤顶宽度、临水侧（Riverside）和背水侧（Landside）坡度比、堤身高度（从背水侧坡脚到堤顶的垂直距离）、地基表层厚度，以及溃口的上部宽度、底部宽度和最大深度。这些数据来源于项目规划图、竣工图、检查报告、比例航拍影像以及LST或NLD数据库，并尽可能通过多源交叉验证确保准确性。

岩土数据

岩土参数是理解堤坝抗侵蚀能力的关键。LLID-OT v1.0包含了基于统一土壤分类系统（Unified Soil Classification System, USCS）的堤身和地基材料的定性描述及估计或已知的分类。这些数据主要来自项目特定的岩土工程勘察和LST筛查。通过引入USCS分类，数据集能够更精细地定义影响侵蚀敏感性的参数，从而深化对土壤可蚀性（Erodibility）与漫顶过程中溃口发展之间关系的理解。

水力数据

水力参数通过有针对性的评估和分析得出，旨在量化洪水对堤坝的加载过程。关键参数包括：从水力加载开始（水位超过背水侧坡脚）到发生漫顶的时间间隔、漫顶深度、漫顶总持续时间、漫顶至溃决的估计时间（如适用）、漫顶开始后水文过程线（Hydrograph）回落至堤高三分之二所需的时间，以及总的水力加载持续时间（从漫顶开始到水位降至坡脚以下）。这些参数有助于表征堤坝饱和过程、洪水发展速率以及有效侵蚀期。

通过对LLID-OT数据集的分析，研究人员得出了一系列重要结论，验证了其数据的可靠性并揭示了有价值的规律。

先前数据库用于模型开发

一个早期版本的LLID-OT数据集曾被用于开发一个数据驱动的筛查工具，该工具基于五个分类输入变量来预测河堤因漫顶而发生溃决的概率，其回测（Hindcasting）准确率达到了约73%。这证明了该数据在支持预测建模方面的实用性。LLID-OT v1.0通过纳入更多变量、更高分辨率的数据和更广泛的事件覆盖范围，旨在促进对溃决过程更精细和稳健的估计。

侵蚀特性

LLID-OT v1.0的一个关键优势在于包含了详细的溃口尺寸数据，这使得分析全局侵蚀趋势成为可能。研究人员利用最终溃口宽度估算了全局侵蚀速率（E），并通过比较由细粒土（Fine-grained soils）和粗粒土（Coarse-grained soils）建造的堤坝的侵蚀速率，发现粗粒土的侵蚀速率倾向于高于细粒土，且两者的数值范围跨越了几个数量级。这些趋势与先前实验室和野外研究的结果一致，从而验证了数据集所反映的物理关系。LLID-OT中的全局侵蚀速率与已发表的受控研究中的报告值具有可比性，尽管最大侵蚀速率通常更高，但数量级范围和土壤类型依赖性差异是一致的，特别是考虑到侵蚀过程固有的变异性时。此外，按土壤类型分类的溃口宽度分析显示，由细粒土建造的堤坝其溃口宽度通常小于400米，而超过此阈值的溃口仅发生在粗粒土堤坝中，这进一步强化了已知的侵蚀敏感性差异。

国家堤坝数据库的代表性

为了评估LLID-OT相对于美国更广泛堤坝库存的代表性，研究人员将其与NLD在两个分类变量上进行了比较：堤坝建设实体（联邦与非联邦）和建设年份。比较结果显示，LLID-OT数据集（70%非联邦，30%联邦）与NLD报告的比例（约75%非联邦，25%联邦）高度吻合。建设年份的分布也总体一致，尽管LLID-OT略微偏向于较老的堤坝，这很可能是因为研究聚焦于历史漫顶事件，而老堤坝往往缺乏现代设计标准，因此更容易发生漫顶。这种时间上的偏差在 extrapolating（外推）结果时需要加以考虑，但也凸显了记录老旧基础设施性能的迫切需要。

综上所述，LLID-OT版本1.0数据集是堤坝工程和洪水风险管理领域一项重要的基础性工作。它系统地整理和验证了历史上河堤漫顶事件的关键参数，为理解和预测堤坝在洪水作用下的行为提供了宝贵的实证基础。该数据集不仅支持从结构尺度到区域尺度的多尺度风险分析，其揭示的土壤侵蚀规律和溃口发展特征也为改进现有模型、开发新模型提供了关键依据。在气候变化导致洪水风险加剧的背景下，LLID-OT作为一份详实的“历史病历”，对于评估未来气候情景下堤坝系统的韧性、制定更具前瞻性的防洪策略以及提升关键基础设施的整体安全性具有深远的意义。尽管数据集存在一定的局限性（如部分时间点精度不足、地基条件为估计值等），但其通过严格的质量控制确保了核心数据的可靠性，并明确指出了未来的改进方向（如加入淹没后果数据、扩展水文气象参数等），为后续研究奠定了坚实的基础。