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从北京721暴雨成灾看我国的水利水电工程建设
作者:管理员    发布于:2014-03-07 16:10:52    文字:【】【】【

北京721暴雨所造成的巨大灾难,让人们痛心疾首。悲痛之余人们不禁要问,在无情的天灾面前,我们究竟应该怎么办?  
   
其实,结论应该很清楚,在北京的暴雨过后,很多媒体都一再赞扬英国、法国、德国、日本等发达国家的城市地下排水、储水系统,如何如何的完善,以至于突降暴雨不仅不是什么灾难,反而是他们补充水资源的大好时机。可见科学发展是人类抵御自然灾害的唯一有效手段。  
   
事实上,在防洪减灾方面我们与发达国家的差距,绝不仅仅在于城市的排水、储水系统,而是全方位的。例如,我国的水利工程的建设就与国外发达国家存在着巨大的差距。别的国家不好直接比较,但是,美国的国土面积和水资源总量与我国基本相当,而美国的水利工程水库蓄水能力却比我国高出一倍。也就是说同样的暴雨,如果下在了美国,可能只是增加了水库的蓄水量,而下到了我们中国,则往往不能不泄洪。否则,就有可能让水库漫顶、垮坝,造成更严重的灾害。众所周知,为了控制洪水不让它造成灾害,我国的三峡每年汛期都要多次泄洪,而在美国的胡佛水库大坝,建设80年来只泄过一次洪。其根本原因就是我们国家的水库蓄水能力不足,还没有办法把洪水储存起来。这就是我们与国外发达国家在水利工程建设方面的差距。  
   
然而,有差距并不可怕,可怕的是我们现在很多人不仅认识不到这种差距,反而对水利工程的科学的减灾作用产生了相反的概念。在721暴雨灾害过后,有传言说是因为河北易县的紫荆关水库溃坝,才造成北京的这次灾害的。还有人说是因为某水库附近建高尔夫球场影响泄洪等等。我觉得对于这些传言,我们不必过于认真。否则,不仅对我们今后的防洪减灾没有多少益处,反而会让我们背离了科学发展的减灾方向。  
 
 紫荆关是否真的发生了垮坝事故,我并不知道,但是,我觉得这个问题本身并不太重要。一方面,国家对水库水电站的防洪监管是非产严格的,如果真的有某个水电站的水库,因为管理不当而发生垮坝,一定会受到严厉的惩罚。另一方面,从紫荆关水库的拒马河水系的构成上看,造成北京721特大灾害的成因,不会与紫荆关水库的垮坝与否,有多大的关系。据新闻报道,北京的最大灾难发生在京港澳高速出境方向17.5公里处,那里与拒马河相距甚远。  
  
 还有,根据网上搜索到的一些资料和从谷歌地图上的查看,这个小水电站是一个引水式的电站,主要依靠管道引水发电,水库的蓄水量非常非常小,即使真的发生了垮坝,影响的范围也恐怕是有限的。而真正造成北京这次暴雨成灾的最重要原因,则是众多山区里还缺乏必要的完善的水利设施。缺乏足够的和安全的蓄水能力,无法调节突然降临的暴雨洪水。  
  
 据我所知,我国很多山区为了防止泥石流等地质灾害,都在山谷里建设了不少简易的拦挡坝。这些拦挡坝确实能阻挡住或者减小一般的暴雨和洪水以及所产生的小型地质灾害。但是,在特大灾害来临之际,这些拦挡坝往往都会出现垮塌,从而失去作用。为什么很多山区要建这样简易的拦挡坝?就是因为目前我国的水利工程的建设,还远远不能满足防洪减灾的需要。只能采用一些简易的、不大可靠的防灾措施。然而,如果发生灾害子后,我们不去反思我们的水利设施建设的落后,反而抓住某个可能出了问题的水库大造水利工程造成了灾害的舆论的话,那么我们怎么可能让我国的防灾减灾工作走上科学发展的正确的方向呢?  
   
 关于某水库附近建高尔夫球场影响泄洪的说法,也不够科学。众所周知,高尔夫球场不可能是什么高大的建筑物,除非有人用围堰把整个高尔夫球场围了起来。否则,我想象不出来,一个高尔夫球场怎么可能会影响行洪呢?一般来说,某地如果建有一个空旷的高尔夫球场存在,无论是对那里的行洪还是分洪,都应该是有好处的。有人对高尔夫球场的建设有意见可以理解,但是,完全没有必要借着灾害的发生对其进行否定。  
   
  此外,还有网友注意到:水灾往往伴随山洪、泥石流的发生,因此,非常关注水利工程与地质灾害的关系。我觉得水利工程至少能从两方面减少地质灾害,一个是水利工程本身就是要治理洪水泛滥,洪水治理住了,地质灾害自然机会减少。另一方面,很多水利工程往往可以同时用来发电,水力发电的本质就是提取和利用河流的能量。然而,消能才是减少地质灾害的关键。关于消能与地质减灾之间的关系我们做过一个专门的科普宣传片,大家可以观看该片,了解其中的科学道理。    科普动画: http://www.hydropower.org.cn/zt/sdkf_dzjz/  科普动画:《地质减灾的关键在于消能》(唱词)    同学们!大家都知道,减少滑坡、崩岸和泥石流等地质灾害是我们人类所面临的重要课题,然而,恐怕很少有人注意到,治理地质减灾的关键却在于消能  

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 一、天然的消能结构是河流稳定的尼克点   

 河流周围的地质灾害,主要包括山体崩塌、滑坡、和泥石流等。崩塌是陡峭山坡上的岩石、破碎山体和坡积物,在振动或降雨等外力的触发下,沿陡坡散落的现象;滑坡是岩石或坡积物的整体,在外力或降雨作用下,沿着一个或者数个滑动面,从山上滑下的现象;泥石流是固体碎屑在水流的激发下,进入水流沿着沟谷的流动现象。触发这些地质灾害的,往往是地震或者暴雨,而形成这些地质灾害的前提条件,是河流的长期冲刷、下切所造成的滑坡势能,以及造成地球板块剧烈运动的大地震。   
  由于青藏高原的不断抬升,我国西南地区多数河流的坡降都在增加。在产生了极其丰富的水能资源的同时,也使得我国西南地区的河床都在下切。河床下切后增加了两岸的坡度,形成了深切的V形河谷。当河流的边岸被深切,陡峭到了一定程度之后,在地震或暴雨的激发下,就有可能发生崩塌和滑坡。此外,发生洪水时,如果有大量坡积物和碎石,带进山溪沟谷,就会形成泥石流。   
  大型滑坡和泥石流往往能堵塞河流,形成堰塞湖。各种各样堰塞湖的不断出现、消亡,构成了自然界中千姿百态河流、山川和湖泊。不过堰塞湖-特别是堰塞湖群,一旦稳定下来,发育成为河流的尼克点(即:河床纵剖面上急剧变陡的点)。就能形成天然的河床消能结构,可以极大的降低河流的继续下切,最终减少新的崩塌和滑坡灾害。如果打个比方说,一条正在往下深切的河谷,就象地球表面的一道伤口,而稳定的堰塞湖和尼克点结构,就是地球自愈所结的痂。所以,天然的消能结构,是河流稳定的关键。   
  二、山谷中的消能减灾问题:   
  当河流持续的侵蚀下切河床,将以溯源的方式向上游及各级支流的沟谷发展。引起上游支流和山谷的边坡变陡,诱发边坡失稳,并加剧整个流域的土壤侵蚀。以至于在汛期暴雨的作用下,很容易产生崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害。此外,河床侵蚀下切还常常破坏沿河公路路基、冲毁桥梁、降低地下水水位以及破坏两岸的植被。植被的破坏,又将会造成更严重的冲刷和侵蚀。形成地质灾害频发的恶性循环。   
  山区沟谷中的水流,往往会随着季节和气候变化。这种流量的变化,可能会非常之大。最大与最小流量比值,常常可达几百倍甚至上千倍。高山峡谷产生地质灾害的机理,主要是由于山洪的巨大能量,对沟床和山体的侵蚀所造成的。当沟谷遭到山洪的侵蚀下切后,两侧边坡会因失稳,而崩塌或滑坡。一旦滑坡体滑入山洪,与水混合,就会变成破坏力强大的泥石流。因此,要防治山洪所造成的泥石流地质灾害,关键的因素之一是要消能。只有把山洪的能量控制住,不让它再继续下切沟谷,就可以减少,甚至杜绝地质灾害的发生。   
  传统的泥石流工程防治方式,主要包括建设拦挡坝、排导槽等等。人们在实践中已经自觉不自觉地利用到了消能的结构。例如,这个排导曹中,就有大量的消力砍,用来消耗泥石流的能量。但是,目前绝大多数的拦挡坝,还没有考虑到如何消能的问题。这些未考虑消能的拦挡坝,对中小型泥石流的拦挡,一般都是有效的。但是,当遭遇到特大泥石流时,不仅可能拦挡不住,而且还有可能由于冲毁拦挡坝,将以往所拦挡的沙石一并释放出来,造成更大的危害。   
  针对干旱河谷和5.12大地震震区,发生特大泥石流的潜在的高风险性,清华大学水利系在云南、四川、甘肃等地分别进行了,利用人工阶梯-深潭消能结构防治泥石流的野外试验。并取得了良好的试验效果。以文家沟为例。   
  文家沟位于5.12地震重灾区四川省绵竹市清平乡境内,是绵远河的一条支沟,震前的情况是:沟道总长2.9Km,流域面积7.8Km2。相对高差超过1500米。所在区域处于四川著名的鹿头山暴雨中心区,多年平均降雨量1514mm,多年24小时最大降雨量平均值160mm,最大日降雨量496.5mm,每小时最大降雨量49.8mm   
  5.12地震引发了文家沟大滑坡,碎屑堆积体体积达到8160万立方。原来的文家沟,沟谷被滑坡体填埋,将沟底填高20~180米不等。2008年地震后的降雨,多次导致泥石流发生。同时在滑坡堆积体上,冲刷下切形成了新的水系。新生沟道非常不稳定,沟道比降大,中上游的坡度达到20°24°。两侧岸坡陡峭,一般都在40~50°,最大达到80°。沟底稍被淘刷。就会出现崩塌。一般小雨全部渗流,大雨则引发泥石流。新生的文家沟是在滑坡体上淘刷切割而成的,主沟汇水面积4.5平方公里、长1.8公里;下切最深50米。   
  200956月间,清华大学水利系在新生的文家沟上游段,构筑了33级,总长450米的人工阶梯深潭系统。之所以选择新生沟谷的上游试验,一方面是要从源头将泥石流发生的可能性抑制在萌芽状态,另一方面,是由于上游的沟床比降最大,边坡坡度也是最大的,是山洪水能量最集中的区域,结构消能的效率也最高。   
  2009717日文家沟的降雨量达90.9毫米,超过发生严重泥石流的2008年的最大日降雨量。在文家沟所处的清平乡境内,未治理的其它沟谷几乎都爆发了泥石流。多处阻断公路和河流,造成很大损失。当地很多群众的出行,不得不靠渡船。而经清华大学治理后的文家沟,则始终保持平安。只有局部的小规模泥石流发生,没有造成任何生命财产损失。试验结果证明:人工阶梯深潭完全可以有效地消耗洪水能量,减少泥石流的发生,并大大降低泥石流的规模和破坏力。   
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遗憾的是,2010年初,文家沟获得国家970万元震后次生灾害防治资金后。决定在文家沟内建设20座拦挡坝以及排导槽,用常规的方法防治泥石流。原来清华大学所构筑的阶梯深潭系统被完全破坏。所有的巨石被炸开,用作建设拦挡坝的材料。这不仅使得沟道原有的消能功能丧失,而且沟床的阻力也减小,对山洪和泥石流只能拦挡,而不能消能。2010年拦挡坝竣工后不久,一场98.5毫米的降雨,就引发了大约450万立方米的特大泥石流,不仅20座坝完全溃毁,而且还造成7人死亡、7人失踪的重大生命财产损失。   
  这两次完全不同的治理效果充分说明:只拦挡而不消能的办法,不仅不能减少地质灾害,反而会有积蓄能量,把小的灾害汇聚成大灾害的相反作用。   
 传统的拦挡坝为什么不能抵御大规模泥石流呢?原因在于一般拦挡坝未设计消能结构,山洪和水流的能量不仅很少被削减,而且拦挡坝还有某种积蓄能量的作用。拦挡一定的泥石流后,坝体上游受到的压力会急剧增加。在降雨强度较大的情况下,水流造成沟床侵蚀和下切,最终一定会使拦挡坝基础的下游侧被掏空,造成拦挡坝的溃决。   
  拦挡坝难以抵御大泥石流的例子,也发生在20108月的舟曲,那里在5.12震前和震后,均修建过拦挡坝。然而,由于没有考虑到消能,拦挡坝突然溃决,对泥石流的控制,不仅没有起到预想的拦挡作用,反而让平时所拦蓄的泥沙,增加了泥石流的规模。形成了震惊中外的舟曲8.8特大泥石流灾害。   
  其实,用阶梯深潭结构进行消能减灾的方式,完全是一种向大自然学习的结果。从大量的野外观测中,我们可以发现,任何稳定的天然峡谷所具有的抗山洪能力,一般都在于,天然河谷中有自然形成的阶梯深潭消能结构。   
  如金沙江虎跳峡的堰塞体就是天然发育良好的阶梯深潭结构,。巨大的石块抵抗了水流的冲刷,消耗了水流能量,水流势能急降213 m。虎跳峡已经成为金沙江最重要的尼克点,假如这个尼克点被破坏,虎跳峡上游数百公里的河道将会急剧下切,产生大量的崩塌和滑坡。   
  阶梯深潭结构的消能减灾原理是:洪水流过每一级阶梯都会发生水跃,从1-3米高的阶梯跌入下游深潭,水流的大部分能量消耗在跌水和水跃中。阶梯深潭结构,造成极大的水流阻力,使得流速减小、水深增加、沟床稳定。阶梯深潭系统,不仅保护沟床不再下切,而且通常还会导致小幅度的淤积。使得两岸沟坡不再变陡,甚至略微变缓;坡上的滑坡碎堆积物也可以保持稳定;沟里能够形成水流,而不是泥石流。阶梯深潭结构也创造了不同河床底质、不同流速、不同深浅的水生生物栖息地和产卵地,有利于保持较高的生物多样性。   
  通过野外实验和测量发现,具有阶梯深潭结构的河流的底栖无脊椎动物的物种数量,比条件下,但无阶梯深潭的河段高3倍。而单位面积生物量则高10倍。所以,采用人工阶梯深潭结构的消能方式,防止山谷中的泥石流,不仅地质减灾的效果显著,同时由于岸坡的稳定,有益于周围植被的恢复生长和水生生物环境的改善,往往具有非常好的生态效果。   
  三、河流的消能减灾与水电开发   
  我国西南山区的河流蕴藏着极大的水流能量,同时也存在着极大的地质灾害隐患。水电开发建设的坝群,类似于天然河流中稳定后的堰塞坝群,对于降低滑坡势能、减少地质灾害将是非常有利的。   
  地质减灾的核心是消能,发育良好的天然阶梯深潭结构,能够自然的消能。所以,它能稳定河床,避免地质灾害。而水力发电的作用,则是通过驱动水轮机把水能转化为电能,同样也能起到消能减灾的作用。水力发电不仅达到了河流消能的目的,而且还能变害为利,让水能服务于人类社会。人类利用水能发电的技术,已经达到了比较高的水平。目前,高效率的水轮发电机,可以把96%以上的河水能量,转化为电能。如此高的能量转化率,在人类所发明的各种机械中,绝对是凤毛麟角。所以,水电站的消能效率是非常高的。   
  不过,当洪水期的水库泄洪时,河水不能通过水轮机被转化为电能,这时则需要通过大坝上的特殊结构,进行结构消能。通过多年的科研和反复的实践,现在水坝建设常用的结构消能有:射流消能、水跃消能、阶梯消能和孔板消能等多种成熟的结构消能方式。另外,对于那些没有发电功能的小水坝和泥石流拦挡坝,设计必要的消能结构,也是保障坝体安全的前提。   
  除此之外,水电站水库建成蓄水后,一般都会有一个地质灾害的集中释放期。当一座水库新建成蓄水以后,水位的上升对原有的山体边坡产生了侵蚀的作用。边坡被水浸泡后,土壤当中的空隙水压力增加。当水库突然泄水导致水位急剧下降时,土壤中的孔隙水压力来不及变化,而边坡外部的静水压力突然丧失,土体内外的压力不平衡,常常容易导致不稳定的边坡失稳,产生滑坡。   
  不过,发生这种情况的前提,是需要边坡本身就具备产生滑坡的地质和地形条件。所以,现代水库的建造和初期蓄水所产生的滑坡地质灾害,非但不是水库制造出了滑坡,而且还是为原有不稳定的地质滑坡体,提供一个集中释放的机会。因为,即使我们不修建水库,这个潜在的滑坡体也总有一天会爆发。例如,在受到地震晃动的影响,或者遭遇连续的强降雨的情况下,只要这个边坡吸收了足够的水分,也同样能造成孔隙水的压力增加,产生滑坡。   
  总而言之,水库的建造和蓄水通常可以为原有不稳定的地质滑坡体,提供一个集中释放的机会。这些不稳定的地质滑坡体,一旦在蓄水期被释放之后,今后再遭遇到任何暴雨或地震都很难再发生地质灾害。这种在水库蓄水的初期,通过严密的监测,让潜在的滑坡体在不长的时间内都释放出来的减灾方式,可以被看成是水电建设的减灾免疫   
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经过水库多次蓄水的免疫考验后,水库库岸再次发生地质灾害的可能性非常低。例如,在汶川大地震发生时,距震中仅十几公里的坝高132米的沙牌水电站,大坝后的水库库岸,完好无损,而大坝前的自然边坡,滑坡、崩岸的现象则非常严重,惨不忍睹。这就是因为沙牌水电站建成以后,水库的多次蓄水,已经把那里潜在的地质滑坡体都释放掉了。即使再遇到大地震或者大暴雨,也很少有发生滑坡的可能。可见,水电建设的最佳地质减灾效果,一般会出现在水库建成蓄水几年之后,并且将能长期的发挥作用。   

  最后,我们需要强调的是:消能是减少地质灾害的最根本措施,这种科学理念,亟待普及和推广。而水力发电就是一个把河流水能转化为电能和消能的过程。有效的消能,不仅是保障水坝结构安全的最重要手段,而且还是减少河流沿岸地质灾害的最重要的措施之一。不过,我们还应该说明的是,虽然梯级水电站的消能,无疑将会有利于减少远期的地质灾害,但是,在建坝期间和运用的初期,如不采取必要的防范措施,也有可能会因为工程活动的扰动,而增加地质灾害。因此,只有科学的水电开发,才能真正起到减少地质灾害的作用。  

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