打赢抗洪战争,究竟有多难?

  打赢抗洪战争,究竟有多难?

  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。

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  <>洪水环绕南京八卦洲|718,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,混合着土的救生衣红,成为这个夏季最让人安心的色彩。

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  <>守卫堤防的官兵|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?

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  <>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,执行机动性极强的袭扰,一不留神便会里应外合突破堤防,令人防不胜防。

  <>正面战场:漫堤的大水

  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。

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  <>洪水漫溢大堤|洪水越堤的冲刷会产生巨大的。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]

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  <>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]

  717,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

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  <>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,717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。但如果是<>土堤遭遇漫堤,后果可能会十分严重。

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  <>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。

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  <>空军官兵抢筑子堤|713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,甚至是稻堆和防水布,都可以减轻冲刷。

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  <>官兵使用稻堆消减波浪|718,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。

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  <>处置崩岸险情|20160721,江西鄱阳双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。

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  <>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,因为洪水正的手锏,从来不在正面战场。

  <>特种作战:渗流的浑水

  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。

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  <>堤防中典型的两种渗流|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。

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  <>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amp;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,做好排水和监视,准备临时反滤体即可。

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  <>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、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。

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  <>渗流引起的拦河坝滑坡|520,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,较容易发现,<>及时加固也可以排除险情。

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  <>堤防背水面发生滑坡险情|717,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。

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  <>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ae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]

  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)和弱透水层(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。

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  <>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。

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  <>管涌堤防的过程示意图|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粘土层。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]

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  <>官兵们处置管涌险情|716,江西九江永修县,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“<>大堤手”。

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  <>管涌群掏空地基示意图|成群出现的管涌隐蔽性强,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)洲的决堤由管涌群引起,高建成等19名官兵不幸牺牲[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]

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  <>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。

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  <>出现在水塘里的管涌|官兵们组链,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。

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  <>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常检查,帮助人们快速、准确地发现潜在侵蚀通道。

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  <>运用探地雷达检查河堤|729,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,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。

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  <>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amp;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,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。

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  <>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。

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  <>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:,Dvidshu.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。

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  <>用火神山雷神山的精神抢修围堤|727,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。

  <>平战结合:人民的战争

  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,

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  <>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。

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  <>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]

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  <>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。

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  <>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。

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  <>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现在更容易取得胜利。

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  <>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。它不仅是整与泥浆为伴,与强大狡诈的敌人多线作战,还要承受烈和蚊虫的考验,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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