打赢抗洪战争,究竟有多难?

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  出品:科普中国

  制作:星球研究所

  监制:中国科学院计算机网络信息中心


  △本文由科普中国科普融创 x 星球研究所联合发布

  2020年入汛以来,大气环游异常,长江流域和黄河上游地区降水偏多,多省发生较大洪水,超过5400万人次受灾,一场人与水的战争正在进行。


  △洪水环绕南京八卦洲|7月18日,长江南京段洪水创历史新高,全市启动一级响应。八卦洲是长江中的一个岛,现已被洪水围困。图源:VCG

  年轻的战士们冲上堤防,火热的青春在泥浆和洪水中涌动,混合着土黄色的救生衣红,成为这个夏季最让人安心的色彩。


  △守卫堤防的武警官兵|迷彩绿,救生衣红,泥浆黄,组合出洪水季里令人心安的色彩。图源:人民视觉

  然而,每每看到年轻的战士们在泥水里奔波,在烈日下被晒得爆皮,不免令人心疼。都2020年了,为什么抗洪还是这么难?还需要我们的战士如此辛苦?


  △江西鄱阳县昌洲乡西河的决堤现场|抗洪难,低等级堤防抗洪更难。图源:人民视觉

  我们面对的究竟是怎样一个敌人?

  它强大而且狡诈,从两条战线向我们发起进攻。正面战场上,动辄造成大水漫堤之势,一遍遍冲击我军阵地;还会派出大量的特种部队,执行机动性极强的破坏袭扰,一不留神便会里应外合突破堤防,令人防不胜防。

  不断飙升的水位是河堤的死敌。

  别小看河堤顶底之间的几米或十几米落差,它足以让越过堤面的洪水快速流动,在土堤斜坡上快速冲刷出小坑、陡坎


  △洪水漫溢大堤|洪水越堤的冲刷会产生巨大的破坏。注意图中河堤已经开始出现坑洼。图源:视觉中国

  继续发展下去,小坑和陡坎会连成冲沟,洪水汹涌而出,很快就会撕开堤防[1-4]。


  △从漫堤到决堤的过程|漫堤以后,水流首先冲出陡坎和小坑,随后连接扩大成冲沟,发生溯源侵蚀,向后切开大堤,最终决口。图源:文献[3]

  7月17日,湖北恩施遭受特大暴雨袭击,清江水位剧烈上升,城区范围内的堤防一度遭遇漫堤险情


  △湖北恩施清江发生短暂漫堤|受暴雨和上游水库紧急泄洪影响,清江水位暴涨,7月17日下午一度漫过河堤,淹进了清江水岸社区,许多汽车被淹。图源:人民视觉

  幸运的是,城区河堤的表面大都经过硬化改造,仅持续数小时的漫堤水流未产生明显破坏。但如果是土堤遭遇漫堤,后果可能会十分严重。


  △洪水漫溢引起的决口和冲刷|漫溢对土坝下游一侧造成了强烈冲刷,最终引起决口。该事件发生于1977的美国宾夕法尼亚州。图源:文献[38]

  正面进攻的洪水固然危险,但只要做好水情监测,组织上游水库群拦截洪峰、动员力量加高堤防、必要时合理调用分蓄洪区,保证堤比水高,这样的险情完全可以人为化解。

  用泥土、沙袋等材料构建临时小堤,即子堤,就是有效化解漫堤风险的一种手段。


  △空军官兵抢筑子堤|7月13日中午,在江西九江的江洲镇,空军官兵抢修子堤,抵御漫堤。江州镇位于长江的一个江心岛上,今年汛期呼吁在外游子回乡抗洪,一度名声大噪。图源:人民视觉

  1998年洪水期间,湖北的各类河堤及湖堤上,一共修筑子堤1147km,其中723km直接挡水,挡水率63.03%

  放眼整个长江中下游,3578km水位超警的长江大堤上,一共修筑子堤830km,其中350km直接挡水,挡水率42.17%[5-7]。

  然而,子堤对于水下的敌人却无能为力。波浪和暗流在迎水坡冲刷堤身,在缺少防护(如碎石护坡、混凝土护坡)的堤段,长时间的冲刷很容易掏空大堤,形成崩岸险情[8-9]。

  人们可以投掷一些消减水流的材料,从碎石到树枝,甚至是稻草堆和防水布,都可以减轻冲刷。


  △官兵使用稻草堆消减波浪|7月18日,天气预报显示洪湖湖区有6级大风。为防止风浪越堤及冲刷堤防,战士们在迎水一侧设置稻草堆,堤面构建子堤,以减轻风浪影响。图源:人民视觉

  崩岸会直接破坏大堤结构,需要立刻用沙袋和石料加固,必要时还要打木桩加固。


  △处置崩岸险情|2016年07月21日,江西鄱阳双港镇张家圩大堤发生崩岸险情,官兵们正在紧急处置。图中可见迎水一侧有近乎垂直的崩塌面。图源:人民视觉

  总的来说,人们在抗洪的正面战场处于被动的位置,而且这些防御手段多数无法通过机械完成

  被长期浸泡的大堤十分松软,在规模较小的河堤投入重型机械可能损坏堤身,一般仅能用小型机械在大堤上搬运物资、装填沙袋。在搭建子堤时,仍需要投入大量人力。


  △农用车运输沙土,战士搭建子堤|使用沙袋装填沙土搭建子堤,防渗和稳定效果优于直接堆土,并且在堆放时也有注意事项,所以机械现在还难以取代人力。图源:人民视觉

  除了要投入重兵外,还要进行24小时不间断的巡视,才能在第一时间发现现险情并加以处置。但这样就足够了吗?

  远远不够,因为洪水真正的杀手锏,从来不在正面战场。

  孙子兵法云,“凡战者,以正合,以奇胜”。水位攀升造成的漫堤、风浪、崩岸险情从不屑于隐蔽自己,是为“正”;人们修建子堤和及时护岸就能经常打成平手,是为“合”。更大的凶险,来自洪水的“奇招”:渗流


  △堤防中典型的两种渗流破坏|发生在堤身的渗水/漏水洞,和发生在地基的管涌,是河堤的两大类渗流险情,十分危险。底图:文献[10]

  在世界各地,人们普遍使用泥沙和石料堆筑河堤,本质上是将无数泥沙颗粒堆积起来,颗粒间充斥着无数微小孔隙,使河堤天然具有渗水性

  洪水季节,水逐渐渗入泥沙孔隙,在堤内缓缓渗流。时间一久,整个河堤都被渗流浸湿后,大堤背水一侧自然会出现渗水。



  △高水位浸泡堤身时的浸润区变化图|在长时间高水位浸泡下,大堤逐渐被浸透,最终在背水坡产生渗水。制图:云舞空城&郑伯容/星球科学评论

  如果渗水量小、流速缓慢、水质清澈,意味着没有堤内泥沙被带出,大堤内部未发生冲刷破坏,做好排水和监视,准备临时反滤体即可。


  △官兵在大堤背水侧修筑用碎石和沙包修筑临时反滤体|反滤体可以阻止渗水带走泥沙,保护大堤结构。渗出的清水则通过水沟排走。图源:东部战区微信公众号

  如果渗水量很大,则说明大堤已经被浸透,机械强度会显著降低。此时,如果河堤的设计本身不够合理、具有潜在结构损伤(如蚁穴、裂缝等)、有超重机械在堤顶作业时,就很容易在河堤背水侧产生滑坡、脱坡险情。



  △渗流引起的拦河坝滑坡|年5月20日,美国密歇根州Edenville土坝在被长期浸泡后,因渗流剧烈引发滑坡,最终导致溃坝,下游多处城镇受灾。该坝建于1925年,是没有防渗设计的均质土坝,技术上早已落后。图源:Lynn Coleman / MLive / Earther,文献[11-12]

  好在这类险情与崩岸类似,比较容易发现,及时加固也可以排除险情


  △堤防背水面发生滑坡险情|7月17日,安徽安庆怀宁县凉亭乡三鸦寺湖堤背水侧发生滑坡,官兵们紧急处置,避免了溃决。图源:人民视觉

  当渗流逐渐变强,泥沙也会被带出,清水变成浑水。此时,堤身开始自背水侧向迎水侧产生空洞,如不及时排除,会很快形成贯通堤身的漏水洞,大堤被冲开只需要很短的时间。


  △漏水洞引起决堤的实验|在这个实验里,由于河堤的规模很小,从a到e只用了13分钟。在实际河堤里时间会长一些,但仍属于“较短时间”的范畴。图源:文献[3]

  比浑水渗流更隐蔽、更危险的险情,则是发生在地下的管涌。它不仅与高水位长期浸泡有关,还与河岸的地质条件有关

  以长江在湖北境内的荆江段为例,江岸的地层由若干强透水层(砂层)弱透水层(泥层)混杂组成,它是自然演化的结果,但也正是这样的地质结构,使河水能够在地下通过透水层向堤后渗透,直接造成了管涌风险。


  △剧烈涌出浑水的管涌险情|管涌时,大量地下泥沙随浑水流出,逐渐掏空地下,造成大堤失稳滑塌,容易形成决堤。图源:央视新闻直播间

  还记得中学物理书上的U形管吗?连通U形管两端的水面,总是趋向于达到一样的高度。只要大堤外的水体保持高位,地下又存在较强的透水层时,就相当于构成了一个巨型的“U形管”,洪水就一定会有从地下透水层向上涌出的趋势


  △管涌破坏堤防的过程示意图|管涌时,大量地下泥沙随浑水流出,进而掏空地下,造成大堤失稳垮塌,引起决堤。透水层一般指砂层,而不透水层指泥层或黏土层。底图:文献[13]

  而覆盖在砂层上的泥土,就像阻挡两侧水位变平的那个闸门,压制着水流从地下涌出。当这种压制一旦被冲破,管涌会和漏水洞一样首先流出清水,逐渐变成浑水,进而掏空地下泥沙,使大堤失去支撑而垮塌[14-17]。


  △官兵们处置管涌险情|7月16日,江西九江永修县,武警官兵正在运用反滤围堤排除堤脚的管涌险情。图源:人民视觉

  可以说,管涌是一种因河堤而生,以毁灭河堤而终的专属现象。它们往往会成群出现,造成大段河堤变形、沉陷、垮塌,在很短的时间内引发决口,是最凶险的一种险情,堪称“大堤杀手”。


  △管涌群掏空地基示意图|成群出现的管涌隐蔽性强,破坏性大,防不胜防。图源:文献[18-19]

  1998年,长江中下游地区的大小堤防发生较大险情1702处,其中有872处都是管涌,占总数51.2%;长江干堤发生较大险情698次,其中管涌366次,占总数52.4%;在具有溃决风险的34处重大险情里,有19处都是管涌或管涌群,占总数57.8%[5-7, 14]。

  在那年的洪水中,失控的管涌也曾造成一些重大的决堤事件,如湖北咸宁市嘉鱼县簰(pái)洲湾的决堤由管涌群引起,高建成等19名解放军官兵不幸牺牲[20-22]。

  九江决堤也由强烈管涌引起。由于人们排险失败,管涌不断掏空大堤的地基,叠加一些其他的质量缺陷,最终在发现管涌的40分钟后,大堤开始塌陷变形,引起防洪墙决口,随后便彻底溃堤[23-24]。


  △1998年九江决堤后的沉船堵口现场|除了因偷工减料被痛骂做豆腐渣工程外,九江大堤决口的主要原因是管涌控制失败。图源:视觉中国

  更麻烦的是,管涌行踪不定,出现位置受地下砂层的分布规律控制,虽然常以堤脚50米以内的区域为主,但也可以出现在向外延伸数百米的位置。农田、沟渠、水塘、湖泊甚至建筑地下室等环境,都可能产生管涌,没有明确的规律。


  △出现在水塘里的管涌|官兵们组成人链,传递沙包构筑反滤围堰。后方田埂上的官兵背后,可以隐约看到远处的河堤。图源:人民视觉

  于是,复杂地形下的人力巡视,成为了抗洪战斗中的关键环节。人们不仅要巡视堤身寻找渗水,还要在堤脚向外延伸几百米的范围里寻找管涌,然后快速机动到险情位置加以处置。


  △巡堤人员正在河堤背水侧巡视|这样的巡视,可以及时发现潜在的漏洞、滑坡、塌陷及管涌危害。但管涌的发生部位,并不局限在堤身和堤坡底部,还需要加大巡查范围。图源:人民视觉

  一些物探设备也开始用于河堤探伤和日常检查,帮助人们快速、准确地发现潜在侵蚀通道。


  △运用探地雷达检查河堤|7月29日,安徽地矿局技术人员运用物探手段巡查河堤,可以在险情发生前就检测到河堤内部是否发生破坏,先敌制胜。但这种办法对场地存在一定要求。图源:人民视觉

  一旦发现漏水洞和管涌险情,处置它们是很有技术含量的工作。人们需要根据“排水保泥”[25-29]的原则进行操作,快速搭建具有特定结构的反滤体,让清水能够正常流出,泥沙却得到保留,从而维持河堤或地基的结构稳定。



  △反滤围堰压制管涌示意图|沙袋垒起的反滤围堰内,应自下而上充填一定厚度的粗砂、碎石和大石块,这样可以压制泥沙涌出,保护地基安全。反滤围堰也可用于堤身漏水洞的排险,位置不同,但原理是一样的。制图:云舞空城&郑伯容/星球科学评论

  而对于漏水洞,它的进水点位于迎水坡的堤身,比管涌更浅。如果条件合适,还可试着派潜水员堵住漏洞,快速消除险情。但是,潜水员有被漏水洞吸入的危险


  △潜水员探寻漏水洞的洞口|横穿大堤的涵闸、管线、建筑与泥土的接触部位,容易发生浑水渗流。图为潜水员寻找一处涵闸接触漏水的进水口。图源:人民视觉

  总之,抗洪军民既要做到全天候不间断巡视,又要做到在复杂地形下保持机动,及时进行技术排险。因此,即便到了2020年,抗洪仍然是一项高度依赖人力的困难工作,而且中外皆然


  △美军士兵在密苏里河的大堤背后排除管涌|世界多国都投入军队进行抗洪救灾工作,而构建反滤围堰的方法也是全球通用。图源:美国国防部,Dvidshub.net,公共领域

  尽管人们早就有了充足的机械设备参与抗洪抢险,但它们更多时候只能在特定场合下作为辅助。只有高度灵活的人,才能克服地形的障碍,采用灵活机动的运动战,运用技术手段反制洪水的特种部队。



  △用火神山雷神山的精神抢修围堤|7月27日,安徽阜阳市颍上县姜唐湖蓄洪区戴家湖堤段,由涵闸破损引起直径约10米的强烈管涌。指挥部调集200多台挖掘机和推土机挖田取土,用60个小时修建起大型围堤(图中覆盖白色防水布的新堤),化解险情。图源:人民视觉

  更难的是,这种情况在未来数十年里都不会有根本变化,除非研制出高度智能的机器人来取代人类士兵,才能完成各种需要现场应变的工作。

  然而,守好抗洪的两个战场仍不能高枕无忧,因为与洪水的斗争并不仅仅发生在汛期。想要用最小的代价战胜洪水,还要在平时下很多功夫。

  古今中外,抗洪一直是一项需要密集人力资源的战斗。但科技的力量该如何体现呢?答案就蕴藏在平战结合里。

  每年汛期之后都是河堤整修的高潮期,新的技术和理念会逐渐运用到这些年代久远的河堤里。加固护坡、加高堤身、增设排水结构、增加反滤结构等工程手段逐步用上,防洪能力就这样逐年升级。


  △汛期来临前整修大堤|今年5月,武汉市武昌区八铺街堤完成了历时两个月的整修,提高了防洪能力。图源:人民视觉

  而对于不利的堤身质量和地质条件,人们也学会修建很深的地下防渗墙,为渗流制造阻碍,显著增大形成渗水洞和管涌所需的时间。

  2014年起,湖北省启动第三轮荆江大堤大规模整治工程,直到2019年才完工。其中,在监利市的一处江堤修筑了85米深,相当于20层楼的超级防渗墙,是国内规模最大的同类工程[30-31]。

  类似的大规模维护,每隔几年都会进行一次,我们的大堤早已不像22年前那般脆弱



  △荆江南岸大堤防渗墙示意图|防渗墙可以深入地下,在大堤填土和地下透水层中减缓渗水速率。它的作用并非杜绝渗水和管涌险情,而是将它们出现的时间推迟。如果等到洪水退去也不产生险情,大堤就安全了。制图:王申雯/星球科学评论

  也不要忘记各种大中小型水库的作用。在生态环境可以承受的范围内,更多的水库可以增加蓄洪空间,甚至将洪水转变为用来发电和灌溉的水资源,使可能带来灾难的自然现象也能为人们带来利好[32-33]。


  △只开启了三个泄洪道的三峡大坝|三峡大坝有23个泄洪道,通过控制开启数量来调节泄洪流量,可以起到很好的蓄洪削峰效果。在刚刚通过三峡的长江第三次洪峰里,三峡削减了36.7%的洪峰流量。图源:人民视觉

  此外,得益于生态保护宣传教育的持续,人们对于新型人水关系的接受度也变得更高。在乡村,人们将更多的农田、水塘和圩垸还给江湖,偿还过去填湖造田的历史旧账,给洪水更大的行洪空间



  △武汉梁子湖炸堤退垸|2016年,在洪水压力下,湖北省对第二大湖泊梁子湖中的一处圩垸堤防实施爆破拆除,实现退垸还湖。图源:荆楚网,资料[34]

  还有默默提供科学、技术支撑的专业队伍。很难想象,如果没有众多气象、水利、土木、工程地质、电力等领域工作人员年复一年的默默付出,我们现在还能从容地应对每一场洪水。


  △电力工作者在抗洪一线保障用电安全|抗洪斗争的胜利,离不开千千万万平凡岗位上的普通人。图源:人民视觉

  抗洪,就是和平年代的人民战争。每一个抗洪胜利的背后,其实都是整个国家过去几十年各种工作集合而成的综合国力

  我们相信,只要在平时充分运用现代科技维护堤防、兴修水利、改善人水关系,再加上人民子弟兵和干部群众在战时表现出来的英勇无畏和顽强拼搏,还有各行各业普通人用70年建设起来的综合国力进行保障,未来的抗洪斗争一定会比现在更容易取得胜利。


  △军民齐上阵,夺取抗洪最后胜利|用人民战争的力量战胜洪水,这也是一种中国特色。图源:人民视觉

  末了,回到最初的那个问题:抗洪到底有多难?

  它很难,非常难。它不仅是整日与泥浆为伴,与强大狡诈的敌人多线作战,还要承受烈日和蚊虫的考验,更会透支人的体能和精力,有时还伴随着流血牺牲。

  但它一定会变得更加简单,因为一线抗洪军民们的背后,还站立着14亿默默付出的中国人。

  1998年,一句铿锵有力的宣言响彻长江大堤,曾经鼓舞了无数抗洪军民的士气。今天,不妨继续用这句宣言,将人们抗击2020年洪水的斗志烧得更旺——

  “任何的困难,都压不倒我们!”

  “中国人民,是不可战胜的!”

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