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。

　　<>洪水环绕南京八卦洲|7月18，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。

　　<>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？

　　<>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。

　　<>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]。

　　<>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，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。

　　<>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。

　　<>空军官兵抢筑子堤|7月13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。

　　<>官兵使用稻堆消减波浪|7月18，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。

　　<>处置崩岸险情|2016年07月21，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。

　　<>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。

　　<>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。

　　<>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。

　　<>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。

　　<>渗流引起的拦河坝滑坡|年5月20，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。

　　<>堤防背水面发生滑坡险情|7月17，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]

　　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。

　　<>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]。

　　<>官兵们处置管涌险情|7月16，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”。

　　<>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]。

　　<>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。

　　<>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。

　　<>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。

　　<>运用探地雷达检查河堤|7月29，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。

　　<>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。

　　<>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：，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。

　　<>用火神山雷神山的精神抢修围堤|7月27，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，

　　<>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。

　　<>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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