引言

2012年8月4—6日，受“苏拉”台风登陆后形成的倒槽和华北冷空气的共同影响，湖北多地出现较强降水，降水中心位于鄂西北，造成较为严重的洪涝灾害。据湖北省民政部门统计，截至当年8月7日10时，此次暴雨洪涝灾害造成襄阳、十堰、咸宁、宜昌、荆州等地18个县(市、区) 107.25万人受灾，直接经济损失23.17亿元(叶丽梅等，2018)。强降水造成河水陡涨、水库泄洪、局部山体滑坡以及十堰、襄阳多条杆线倒塌和变电站进水，当年8月6日500 kV十樊一回输电线路#170塔发生倒塌(以下简称“8·6”倒塔事故)。倒塔原因是什么，整个灾害发生过程涉及哪些重要环节，灾害过程各环节能否定量描述，这些问题都需要通过灾情调查才能详细了解。通常，气象灾害调查方法包括实地调查法、卫星遥感解译法、固定视频观测提取技术以及其他多渠道资料调查方法。其中，实地调查法获取的是离散、不连续现场信息。其他多渠道的资料调查，一是来源专业部门，如民政部门、水利部门、农业部门、电力部门等；二是来源于媒体、公众信息等，通过对相关数据进行甄别、分析，统一管理，并加以应用。气象灾害论证方法包括机理分析法、灾害标识物(DI)类比法、基于灾害链的综合分析法等。其中，机理分析法主要通过分析气象灾害致灾机理，建立或应用相应的物理模型，计算模拟灾害的发生发展过程，并结合现场调查结果，对模型参数进行调整，给出较合理的分析判断结论；DI类比法则是利用调查的痕迹与DI进行类比，得出相应的分析结论，此法在风灾论证中使用较多(张小玲等，2016；郑永光等，2016；赵慧霞等，2016；许小峰，2017)；基于灾害链的综合分析法，主要是分析气象灾害链各环节，并结合现场调查资料、遥感资料和其他信息资料，对受灾强度和灾害损失及成因进行综合分析论证。

本文主要采用现场调查与资料调查相结合的方法对“8·6”倒塔事故及灾害过程进行分析；在此基础上，将数理统计法、机理分析法、模拟法等获得的结果，与调查结果相互补充、印证，以期获得较全面的灾害发生发展过程场景，确定灾害特点与致灾方式等，探讨除铁塔本身结构之外的致灾因素，为防灾减灾及后期铁塔选址、洪水风险管理、制定灾害响应机制等提供有价值的参考数据。

1 灾害调查结果与分析

调查方法、调查内容的选择均需依据调查目的确定。“8·6”倒塔事故的调查选择从灾害现场调查入手，分析致灾的直接原因，再与资料调查相结合，追溯事故的发生发展过程。

1.1 现场调查与分析 1.1.1 现场调查

十堰变—襄樊变500 kV输电线路#170塔(以下简称170号塔)位于谷城县北河潭口水库坝址下游左岸约733 m处，于2012年8月6日凌晨05∶04 (北京时，下同)左右被拦腰折倒，折倒部位堵存了大量的树木(约4 m³，树干胸径约800~1 200 mm)，重约数吨(图 1a)。经清理后发现，该塔最靠近溢洪道的塔腿主材屈服破坏，从而整个铁塔受力体系遭破坏，最终整塔屈服倾倒(图 1b)。170号塔倾倒的同时引发该铁塔跨河档靠河流上游侧一根边导线和一根地线断裂，相邻的169号塔两地线支架被拉弯，同时河流对岸171号塔旁的田埂被洪水冲跨。在此事故发生时，河道内有大量的漂浮物，水库下游的谷城县城关通往石花镇的下新店大桥左岸栏杆被卷挟大量漂浮物的洪水冲垮(图 1c)。

此次洪水过程造成北河漫堤，致使谷城县三分之二区域被淹，9个乡镇受灾较重。根据现场踏勘资料绘制“8·6”倒塔事故范围内洪水淹没区分布详见图 2。

1.1.2 结果分析

上述倾倒的170号塔是直线塔，其四角塔基的材料使用Q235(A3F)钢，抗弯强度为215 N·mm^-2。直线塔通常可承受垂直荷载，但不耐承受水平荷载。同时170号塔属空间桁架结构，常规下具有较通畅的过水能力。对现场调查结果分析可知，造成倒塔的直接原因是塔前大量的堆积物使170号塔最靠近溢洪道的塔腿主材遭受大量漂流树木撞击，且越积越多，增大了铁塔迎水面积，从而导致洪水冲击力急剧增大，巨大的洪水冲击力和大量漂流树木的撞击力导致倒塔。为了进一步分析倒塔原因，开展以下追溯性调查: (1) 追踪大量堆积物来源，即分析洪水路径以及路径上的地面状况；(2) 追踪左岸受冲击力增大的原因；(3) 分析洪水异常程度；(4) 追踪异常洪水产生的原因，即触发事故的强降水时空变化特征。

1.2 资料调查与分析

根据追溯性调查分析需要，进行以下资料调查与分析。

1.2.1 倒塔位置周围状况

调查了解170号塔所处的地理位置及其周围环境是分析倒塔原因的基础。调查内容包括倒塔点周围的地形、河网、植被情况。本次调查资料范围包括灾害发生区鄂西北和灾害发生地谷城县域，范围较大的鄂西北地区采用1:25万DEM数据资料，谷城县域则采用1:5万DEM数据；土地利用栅格数据的分辨率为30 m。

谷城县境内除汉水(界河)外，有大小河流100余条。南河和北河是谷城县的两大水系，南河在谷城县境内流程52.5 km，最宽约1 500 m，最狭40 m。北河流域上游位于山区，河道比降大，地形复杂，潭口水库是北河流域唯一的水库。北河的河源(观音堂)至潭口水库的河道比降为3.3‰，潭口水库至河口(安家岗)为1‰。170号塔所处位置地势较低，位于上游多条水系的交汇处，故170号塔不仅易受当地强降水影响，还受上游来水影响(图 3a)。

谷城县土地利用类型以林地为主，林地所处位置海拔高、地形复杂，多位于高山区，占全县国土面积的74%，主要分布在潭口水库上游地区(图 3b)。这些树木可能成为洪水路径上堆积物的重要来源。

1.2.2 水文情况

“8·6”倒塔事故调查涉及水文的内容包括倒塔灾害发生流域(北河流域)与相邻流域南河的水位、流量情况，水文站位置、历史资料，水库基本工况(韩宁夫，1984)等，在此基础上进行极值推算。

(1) 北河与南河流域。北河发源于湖北省房县东北的三里沟，境内流程42 km，河床平均宽70 m，最宽约1 000 m，最狭30 m，来水总量约4 130×10⁴ m³。北河流域左右岸均为混凝土堤防，高6 m。线路(堤防)为30 a一遇防洪设计标准(裴海燕等，2012)。北河水文站位于谷城潭口水库上游约23 km处，该站建于2001年，集水面积1 160 km²。2012年8月6日08∶18出现最大流量3 310 m³·s^-1，为建站以来最大流量值，致灾时段8月6日05∶30—06∶30最大流量2 680 m³·s^-1。南河流域谷城水文站位于南河河口9 km处的谷城县城关镇。图 4给出2012年8月3—8日南河流域白水峪、北河流域沙河区域气象站逐时降水量与谷城、北河水文站水位变化。比较南河和北河流域的现峰时刻可知，北河流域早于南河，但均在降水峰值出现10 h后。

(2) 北河水文站最大洪峰流量重现期推算。由于北河流域水文站年最大流量序列资料不足10 a，不能直接计算最大洪峰流量频率。故使用南河谷城水文站(集水面积5 781 km²)历史资料，采用水文比拟法(程遥和郭艺，2018)推算北河站设计洪水成果。谷城水文站设计洪水成果来自2010汉江新集水电站可研报告，按照面积比的2/3次方(胡辉和陈泽锋，2019)推算出北河站设计洪水成果见表 1。北河水文站2012年8月6日实测最大洪峰流量3 310 m³·s^-1的重现期大致为500~1 000 a一遇，“8·6”倒塔事故时段洪峰流量2 680 m³·s^-1的重现期大致为200~500 a。

(3) 潭口水库。潭口水库于1958年4月动工，1964年3月竣工受益，是一座以防洪、灌溉、城镇供水为主兼顾水力发电、水产养殖等多种经营的中型水库。水库位于薤山脚下，距谷城县城30 km。水库拦截汉江支流的北河中游，控制流域面积608 km²，年均来水量2.35×10⁸ m³，水库总库容、有效库容、死库容分别为5 181×10⁴、2 730×10⁴、190×10⁴ m³。水库正常蓄水位、设计洪水位、核校洪水位分别为139.00、145.07、148.57 m，死水位118 m (夏清炳等，2017)，潭口水库特征及水位示意图见图 5，其中底图来源于中国水利百科全书(徐乾清，2006)。

潭口水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水隧洞等建筑物组成，大坝由主坝和两座副坝组成。主坝长265 m，最大坝高46.5 m，坝顶高程149 m，防洪墙顶高程149.7 m。溢洪道为开敝式溢洪道，宽约116.8 m，堰顶高程139 m，最大泄洪能力6 240 m³·s^-1。调查显示，溢洪道原宽度为76 m，为提高溢洪道泄洪能力，2011年对溢洪道进行了改造，拆除2扇弧形闸门且再向左岸山体延伸，共拓宽40.8 m，使溢洪道从原来的76 m宽扩至116.8 m。

2012年8月5—6日，潭口水库水位从5日08时的135.63 m涨至6日06时10分的146.30 m，22 h陡涨超过10 m，超设计洪水位1.23 m；最大入库流量4 589 m³·s^-1，约为300 a一遇；最大出库流量4 050 m³·s^-1。

分析上述调查结果表明，2011年溢洪道改造增加了溢洪道过水断面，提高了溢洪道的泄洪能力，但同时增加了库区下游的防洪压力，增加了本线路设计170号塔的洪水暴露度。

1.2.3 降水情况

降水资料包括历史资料和灾害发生时段内的降水情况。资料范围包括气候特征相似的鄂西北整个区域。

(1) 调查资料。包括: 鄂西北范围内256个乡镇自动站2012年8月4日20时—8月6日20时逐时雨量；鄂西北14个国家气象站1961—2012年逐年1、2 d最大降水量以及2012年8月4—6日逐日降水量(20—20时)。

(2) 降水重现期推算。2012年8月4—6日(20—20时)鄂西大部地区出现强降水，中心位于丹江口南部、房县东北部、谷城西南部、保康北部和十堰城区东南部，中心最大值(458 mm)出现在丹江口孤山村，次大值(413.2 mm)出现在谷城白水峪(图 6)。

由于区域自动气象站资料年代较短，无法直接对降水量频率进行估算，故采用区域频率分析法(陈元芳等，2001；2012)，将鄂西北作为一个区域，以其范围内国家级自动站气象资料为基础，建立长年代资料序列。利用耿贝尔极值方法计算鄂西北国家气象站降水频率，得出鄂西北1、2 d的降水量频率。将此次过程区域自动气象站降水量与之比较，北河流域上游2 d最大降水量出现在房县站(Q2503)，降水量为287.1 mm，南河流域白水峪站(Q3402) 413.2 mm降水量超过百年一遇(叶丽梅等，2018)。潭口水库附近有3个分布较均匀的区域自动站(Q3409、Q3410、Q3412)，采用算术平均法求面雨量，面雨量值为102 mm。

综上分析表明，“8·6”倒塔事故最初的触发因子是2012年8月4—6日谷城潭口水库库区强降水过程(以下简称“12·8”暴雨洪涝过程)。由于此次暴雨洪涝过程持续时间短、强度大、造峰速度快，导致库区洪水暴涨。2011年因溢洪道改造，致使本应从溢洪道右岸漫坝流出的漂浮物，其出流方式发生改变，使之向左岸倾泄。

2 对造成倒塔事故的洪涝灾害过程的反演模拟 2.1 不同情境下的洪涝淹没模拟

本文应用武汉区域气候中心与中国地质大学(武汉)联合开发的暴雨洪涝淹没模型(章国材，2012)，分别对不考虑和考虑外洪两种情境对“12·8”暴雨洪涝过程进行淹没区域论证。该模型为二维水动力模型，自2010年以来广泛应用于洪水演进模拟、洪水动态风险评估、洪涝风险区划等方面的研究，其相关应用结果表明，该模型适用于湖北省洪涝模拟研究(章国材，2012；李兰等，2013a；叶丽梅等, 2016a, 2016b；李兰等，2017；汪涛和叶丽梅，2018)。

2.1.1 不考虑上游来水影响的暴雨洪涝淹没

由于“12·8”暴雨洪涝过程雨量超过致灾临界气象条件，仅考虑当地降水量影响，应用暴雨洪涝淹没模型，使用谷城范围内区域气象站2012年8月5日04时—6日04时逐时降水数据模拟暴雨洪涝过程，其结果见图 7。从中看到，主要淹没区位于河道两岸的低洼区，其淹没水深大部在0.5~3.0 m，而铁塔的淹没水深小于5 cm。这表明不考虑外围洪水，当地强降水对铁塔造成的淹没影响较小。

2.1.2 考虑上游来水影响的暴雨洪涝淹没

8月4—6日谷城境内山洪暴发，河流、水库、山塘水位陡涨，位于潭口水库上游的北河水文站最大洪峰流量的重现期超500 a一遇，潭口水库入库洪峰流量为300 a一遇。潭口水库库区水位由5日08∶00的135.63 m涨至6日06∶10的146.30 m，以潭口水库最大出库流量4 050 m³·s^-1作为输入数据，利用暴雨洪涝淹没模型对其漫坝泄洪造成的洪水淹没演进过程进行模拟。为了更好地跟踪洪水淹没路径，模型设置间隔0.6 min输出一次淹没水深数据，模拟时长共1 h。

(1) 洪水淹没空间分布。从不同时次淹没的水深空间分布形态看，淹没范围随时间变化而加大，在淹没2.4 min前，淹没水深大多在0.2~2.0 m之间；2.4 min后，淹没水深大多在2.0 m以上(图 8)。从淹没演进路径看，洪水从潭口大坝向170号塔及两侧蔓延，泄洪后4.2 min到达该铁塔。与现场调查淹没范围对比分析可知，模拟的淹没区域与现场调查的淹没区域(图 1)较为一致。

(2) 洪水淹没演进。为了更好地跟踪“12·8”暴雨洪涝过程170号铁塔的洪水淹没演变，提取该铁塔周围各淹没时长(时间分辨率为0.6 min，共100个时次) 的淹没水深值(图 9)。从中看到，洪水在潭口水库泄洪后4.2 min到达铁塔，此时铁塔淹没水深为0.082 m。此后，随着淹没时间推移，铁塔淹没水深不断加深，当淹没时长达到1 h (第100个输出结果数据)，铁塔淹没水深高达5.9 m。

利用GIS工具，计算得到“12·8”暴雨洪涝过程不同淹没时刻的淹没水深段的面积见表 2。总体看，随着淹没演进，各水深段淹没面积不断扩大，但不同水深段淹没面积增长速度不一，其中高水位段(≥3 m)淹没面积增长速度最快。≥3 m的淹没水深段1 h淹没面积增大了211.89 hm²而其余水深段淹没面积增大40.31~81.08 hm²。故当洪水暴发时，高水深段的淹没范围扩大较快。

(3) 洪水卷挟物路径分析。考虑到谷城县土地利用类型以林地为主，本文利用GIS工具，将“12·8”暴雨洪涝过程林地数据和淹没水深分布数据进行叠加分析，得到林地淹没水深分布图(图略)。北河上游至潭口水库两岸林地的洪水淹没水深在3 m以上，即当北河上游地区发生山洪，河堤漫坝，洪水冲垮河道两岸的树木，洪水携带树木漂浮物顺着洪水路径向下游飘去，对下游的170号铁塔有撞击破坏的作用，导致整塔屈服倾倒。

2.2 致灾过程动态变化分析

“12·8”暴雨洪涝灾害呈现灾害链特征，致灾因子具有多重性和复杂性，包括降水、洪水和卷挟物致灾。应用暴雨洪涝灾害风险普查、旱涝灾情土壤饱和阈值法成果(李兰等，2013b)，结合170号塔倒塔受灾时的雨量、流量，绘制出此次灾害过程调查结果的示意图(图 10)。

从图 10中可见，“8.6”倒塔事故与“12·8”暴雨洪涝灾害初始致灾因子均为强降水，当强降水发生到一定的阈值时，地面形成渍涝，鄂西北降水量为75 mm (叶丽梅等，2018)；当降水强度持续增大时，引发了山洪、中小河流洪水，本案例调查的降水量和流量阈值分别为185 mm和2 470 m³·s^-1；随着降水量以及流量的逐渐加大，便出现河网漫顶、溃口，水库开始泄洪，在摧毁洪水路径上承灾体的同时，也造成承灾体随水流移动，引发树木、草皮、建筑构件等“承灾体流”，而这些“承灾体流”对河道上的泄洪系统造成严重威胁，当遇到河道拐弯处、河流交叉处时，这些体积硕大的物质产生堆积，并被巨大的水流冲击到岸上，对沿岸建筑产生破坏。

3 总结与讨论

本文采取现场调查、资料调查与数理统计相结合的方法，对2012年8月6日引发输电线路上谷城170号铁塔倒塌事故与暴雨洪涝影响进行了调查与分析论证，其主要结论如下：

(1) 采用从灾害现场入手的由果及因的调查分析方法，梳理了170号铁塔倒塌的致灾成因。此次倒塔事故呈现明显的灾害链式传递特征，170号塔受损的直接原因是塔前形成巨大堆积物，而诱发此次事故的致灾因子首先是强降水及其引发的超百年一遇的北河洪水，洪水的巨大冲击力使行洪路径上的树木、房屋、桥梁等承灾体受损，成为随洪水一起向下游流动的卷挟物，洪水携带的卷挟物在塔前堆积并遭受其撞击，最终导致倒塔。

(2) 从可监测、可预报的最初诱发因子强降水入手，由因及果对灾害发生过程进行模拟论证表明，淹没水深大部在0.2~2.0 m之间，北河上游至潭口水库两岸林地洪水淹没水深在3 m以上，洪水在潭口水库泄洪后4.2 min到达铁塔，1 h后铁塔的淹水深达5.9 m；模拟的淹没区域随时间不断扩大，与现场调查的淹没区域基本一致。

(3) 潭口水库溢洪道左岸被拓宽导致铁塔相对于洪水风险的暴露度发生变化，加剧了铁塔受洪水的影响程度。当铁塔等重要输变电设备周围环境发生变化时，需要对铁塔等重要输变电设备重新进行风险评估。

(4) 随洪水而至的卷挟物直接致灾是本次调查获得的一个重要认识，而在分析过程中，也看到除类似本案例直接在塔前堆积致灾外，卷挟物可能堵塞河、库排洪系统，从而对中小河流、山洪等的流量、峰现时间估算产生影响。因此，定量评估洪水路径上卷挟物致灾风险，不仅是电网洪涝灾害风险预警评估中产生的新问题，也是开展暴雨灾害调查、风险评估与预警不容忽略的问题。