从历史争论到定量归因：基于ArcGIS、HEC-HMS与HEC-RAS的1889年South Fork Dam溃坝多因素工程分析

《Heliyon》：The 1889 failure of the South Fork Dam: An engineering analysis

　　

一个多世纪以来，1889年South Fork Dam失事的原因一直受到推测和争论。对竣工坝体的改造，包括移除用于控制出流的管道、在溢洪道上修建桥梁、在桥底加装鱼栅以及降低坝顶，曾被假设为促成因素。失事后不久成立的委员会认为，该坝自服役之初就注定失效。近期调查对历史叙事提出质疑，但利用当前分析工具全部能力的已发表研究仍然稀少。本研究目标是对每个被认定为可能促成该坝失事的因素进行定量评估。其动机是将历史记录解释并转译到当代技术分析框架中，在现代语境下重新审视过去事件，从而使主要教训得到铭记和重视。研究人员应用当前工程工具，包括地理空间（ArcGIS）、水文（HEC-HMS）和水力学（HEC-RAS）应用，并结合历史出版物和证词，重现1889年5月31日与该坝相关的条件，随后评估各因素对坝体失事的作用。结果表明，在汇水流域估计平均降雨6.43 in（163 mm）后，该坝失事；峰值入流约为6070 ft³/s（172 m³/s），并使坝顶最低点溢流最高达0.6 ft（0.2 m）。桥和鱼栅均被判断未在坝顶溢流中发挥有意义作用。研究人员考虑了坝西南侧提出的辅助溢洪道，但只有在按现有溢洪道尺寸镜像建设时，才能防止溢流。如果管道存在且运行，它们只能以很小余量防止坝顶溢流，且仅在降雨前充分提前完全开启时才行。坝顶降低是对竣工坝体最具影响的改造。重建坝顶最低点估计比原始高程低3.1 ft（0.9 m），几乎确保该坝在1889年风暴下失事。除作为历史事件技术分析的案例研究外，本研究还强调坝及附属工程必须作为系统来考虑和管理。研究结果提供了一个示例：退化、相互依赖的部件在与特定运行条件（流域和降雨）联系时，可使整体系统性能降至安全运行阈值以下。更具实际和当前相关性的是，这些结果重申了可靠安全计划和严格监督可能影响坝体性能的改造的价值，尤其是对具有高危险潜能的坝，无论其所有权、位置或年龄。

1889年5月31日South Fork Dam（南叉坝）失事引发Johnstown Flood，至少2208人死亡，是美国有记录以来最致命山洪。一个多世纪以来，失事原因存在推测和争论。失事后成立的委员会认为该坝自服役之初即注定失效；近期研究对历史叙事提出质疑，但利用现代分析工具全部能力的已发表研究仍少。历史上被提出的可能因素包括移除控制出流的泄水管道、在溢洪道上建木桥、桥底加装鱼栅、降低坝顶以及溢洪道宽度不足。研究动机是在现代语境下重审过去事件，将历史记录转译到当代技术分析框架，使主要教训得到铭记。当前美国大量高危险土石坝（earthfill embankment dams）和私营坝的检查监督不足，使该历史案例仍具现实意义。研究人员以定量评估各潜在因素贡献为目标，应用现代工程工具重建1889年5月31日条件，并评估各因素对坝体失事的作用。结论是：坝顶降低是最具影响的改造，几乎确保该坝在1889年风暴下溢流失事；桥和鱼栅无实质作用；若泄水管道存在并提前充分开启可勉强防止溢流；若按Morris规定的总溢洪道宽度建成，则即使有South Fork Fishing and Hunting Club（“Club”）时期改造也可能不溢流。意义在于将坝及附属设施视为系统，说明部件退化可导致阈值失效，并重申高危险坝安全计划与改造监督的重要性。

主要关键技术方法（≤250字）：研究人员使用ArcGIS Pro（地理信息系统平台）处理LiDAR（激光雷达）数字地形模型、土壤和土地覆盖数据，重建Lake Conemaugh流域及1889年土地覆盖，估算径流曲线数（CN）和汇流时间（t_c）；用HEC-RAS（River Analysis System，河流分析系统）v6.6模拟溢洪道、桥梁/鱼栅、泄水沟和假设辅助溢洪道的水力性能；用HEC-HMS（Hydrologic Modeling System，水文建模系统）v4.13结合Clark单位线、修正Puls演算等模拟入流、湖面和坝体响应；以历史出版物、委员会测量和John G. Parke, Jr.证词（部分由National Park Service保存）进行标定和验证。无实验样本队列。

3.1 Base scenario modeling（基准情景模拟）：通过HEC-HMS校准CN至名义值77%、峰值降雨强度时间00:30，模拟溢流时间为11:30，最大湖面1610.3 ft，峰值入流6070 ft³/s，与Parke观测估计点总体吻合。

3.2 Sluice pipe removal（泄水管道移除）：通过情景模拟发现，若管道在31日08:00全开，仍会溢流，最大湖面仅低0.3 ft，溢流延迟约0.75 h，历时由7.5 h降至5.0 h；若30日中午提前全开，可将湖面降至1603.3 ft，风暴最大湖面1609.5 ft，低于最低坝顶0.2 ft。

3.3 Timber bridge and fish guard（木桥和鱼栅）：通过对比情景发现，无桥/无鱼栅、有桥无鱼栅与基准（桥加40%阻塞鱼栅）的湖面过程几乎无差别，峰值均约1610.3 ft，溢流时间相差15 min内；100%阻塞鱼栅情景影响较大，但历史证词否定该情形。

3.4 Southwestern abutment（西南坝肩）：通过HEC-RAS/HEC-HMS模拟发现，将西南坝肩清至1608.8 ft无帮助；即使挖至1606.8 ft基岩，对湖面影响也不显著；若按Morris要求总溢洪道宽度150 ft建设，相当于西南侧近双溢洪道，湖面仅1609.1 ft，低于最低坝顶0.6 ft，可能使坝在Club改造后仍幸存。

3.5 Crest lowering（坝顶降低）：通过对比原始坝顶高程1612.8 ft发现，基准最大湖面1610.6 ft，低于原坝顶2.2 ft；若坝顶低点仅高1 ft即可不溢流；无泄水沟且鱼栅全堵也只增0.5 ft，低于原坝顶1.7 ft；若坝顶未降低，500年一遇24 h降雨7.4 in不溢流，1000年一遇8.4 in、入流约10600 ft³/s仅溢流0.1 ft且不足2 h。

讨论部分指出，水文、水力、几何和历史证词均存在不确定性；CN和峰值降雨时间依据湖面估计优化，桥/鱼栅情景差异小，溢洪道重建降低水力不确定性，最低坝顶高程为主要几何不确定性但未改变总体判断；Parke证词是失事前18 h湖面和入流推断的关键。与Coleman et al.相比，本研究的峰值入流约低1000 ft³/s，归因于溢洪道流量估算方法差异；委员会估计10000 ft³/s偏高，部分因湖面/面积和溢洪道流量高估。研究把South Fork Dam视为阈值失效系统：各部件退化集体使系统在原本可安全承受的荷载下失效。研究结论部分翻译：本研究调查历史上提出的导致South Fork Dam因溢流及1889年5月31日Johnstown Flood失事的因素。潜在原因包括溢洪道桥建设、泄水管道移除、坝顶降低和重塑、溢洪道尺寸不足。结果表明，尽管建成溢洪道容量仅约规定一半，原建坝不会被30—31日风暴溢流；桥和鱼栅不宜增设但未显著降低性能；即使移除而非修复管道也不会使原建坝溢流；降低坝顶极大降低溢流前可承受荷载，几乎确保失事；管道可防止改造坝溢流，但仅在降雨开始前充分提前全开时；若原建即提供规定溢洪道容量，则即使有Club改造也可不溢流。该结果与Coleman et al.一致而与委员会结论不同：原建坝有足够蓄水和泄流能力，改造坝没有。该区分对历史解释和当代坝安全实践均重要。South Fork Dam可作为阈值失效案例，说明退化、相互依赖部件可降低整体系统性能；现代高危险土石坝仍需可靠检查、监督和资源保障以预防类似失败。