科普動畫：《地質減災的關鍵在於消能》

　　同學們！大家都知道，減少滑坡、崩岸和泥石流等地質災害是我們人類所麵臨的重要課題，然而，恐怕很少有人注意到，治理地質減災的關鍵卻在於"消能"。

　　一、天然的消能結構是河流穩定的尼克點

　　河流周圍的地質災害，主要包括山體崩塌、滑坡、和泥石流等。崩塌是陡峭山坡上的岩石、破碎山體和坡積物，在振動或降雨等外力的觸發下，沿陡坡散落的現象；滑坡是岩石或坡積物的整體，在外力或降雨作用下，沿著一個或者數個滑動麵，從山上滑下的現象；泥石流是固體碎屑在水流的激發下，進入水流沿著溝穀的流動現象。觸發這些地質災害的，往往是地震或者暴雨，而形成這些地質災害的前提條件，是河流的長期衝刷、下切所造成的滑坡勢能，以及造成地球板塊劇烈運動的大地震。

　　由於青藏高原的不斷抬升，我國西南地區多數河流的坡降都在增加。在產生了極其豐富的水能資源的同時，也使得我國西南地區的河床都在下切。河床下切後增加了兩岸的坡度，形成了深切的V形河穀。當河流的邊岸被深切，陡峭到了一定程度之後，在地震或暴雨的激發下，就有可能發生崩塌和滑坡。此外，發生洪水時，如果有大量坡積物和碎石，帶進山溪溝穀，就會形成泥石流。

　　大型滑坡和泥石流往往能堵塞河流，形成堰塞湖。各種各樣堰塞湖的不斷出現、消亡，構成了自然界中千姿百態河流、山川和湖泊。不過堰塞湖-特別是堰塞湖群，一旦穩定下來，發育成為河流的尼克點（即：河床縱剖麵上急劇變陡的點）。就能形成天然的河床消能結構，可以極大的降低河流的繼續下切，最終減少新的崩塌和滑坡災害。如果打個比方說，一條正在往下深切的河穀，就象地球表麵的一道傷口，而穩定的堰塞湖和尼克點結構，就是地球自愈所結的痂。所以，天然的消能結構，是河流穩定的關鍵。

　　二、山穀中的消能減災問題：

　　當河流持續的侵蝕下切河床，將以溯源的方式向上遊及各級支流的溝穀發展。引起上遊支流和山穀的邊坡變陡，誘發邊坡失穩，並加劇整個流域的土壤侵蝕。以至於在汛期暴雨的作用下，很容易產生崩塌、滑坡和泥石流等地質災害。此外，河床侵蝕下切還常常破壞沿河公路路基、衝毀橋梁、降低地下水水位以及破壞兩岸的植被。植被的破壞，又將會造成更嚴重的衝刷和侵蝕。形成地質災害頻發的惡性循環。

　　山區溝穀中的水流，往往會隨著季節和氣候變化。這種流量的變化，可能會非常之大。最大與最小流量比值，常常可達幾百倍甚至上千倍。高山峽穀產生地質災害的機理，主要是由於山洪的巨大能量，對溝床和山體的侵蝕所造成的。當溝穀遭到山洪的侵蝕下切後，兩側邊坡會因失穩，而崩塌或滑坡。一旦滑坡體滑入山洪，與水混合，就會變成破壞力強大的泥石流。因此，要防治山洪所造成的泥石流地質災害，關鍵的因素之一是要消能。隻有把山洪的能量控製住，不讓它再繼續下切溝穀，就可以減少，甚至杜絕地質災害的發生。

　　傳統的泥石流工程防治方式，主要包括建設攔擋壩、排導槽等等。人們在實踐中已經自覺不自覺地利用到了消能的結構。例如，這個排導曹中，就有大量的消力砍，用來消耗泥石流的能量。但是，目前絕大多數的攔擋壩，還沒有考慮到如何消能的問題。這些未考慮消能的攔擋壩，對中小型泥石流的攔擋，一般都是有效的。但是，當遭遇到特大泥石流時，不僅可能攔擋不住，而且還有可能由於衝毀攔擋壩，將以往所攔擋的沙石一並釋放出來，造成更大的危害。

　　針對幹旱河穀和5.12大地震震區，發生特大泥石流的潛在的高風險性，清華大學水利係在雲南、四川、甘肅等地分別進行了，利用"人工階梯-深潭"消能結構防治泥石流的野外試驗。並取得了良好的試驗效果。以文家溝為例。

　　文家溝位於5.12地震重災區四川省綿竹市清平鄉境內，是綿遠河的一條支溝，震前的情況是：溝道總長2.9Km，流域麵積7.8Km2。相對高差超過1500米。所在區域處於四川著名的鹿頭山暴雨中心區，多年平均降雨量1514mm，多年24小時最大降雨量平均值160mm，最大日降雨量496.5mm，每小時最大降雨量49.8mm。

　　5.12地震引發了文家溝大滑坡，碎屑堆積體體積達到8160萬立方。原來的文家溝，溝穀被滑坡體填埋，將溝底填高20~180米不等。2008年地震後的降雨，多次導致泥石流發生。同時在滑坡堆積體上，衝刷下切形成了新的水係。新生溝道非常不穩定，溝道比降大，中上遊的坡度達到20°到24°。兩側岸坡陡峭，一般都在40~50°，最大達到80°。溝底稍被淘刷。就會出現崩塌。一般小雨全部滲流，大雨則引發泥石流。新生的文家溝是在滑坡體上淘刷切割而成的，主溝彙水麵積4.5平方公裏、長1.8公裏；下切最深50米。

　　2009年5至6月間，清華大學水利係在新生的文家溝上遊段，構築了33級，總長450米的人工階梯深潭係統。之所以選擇新生溝穀的上遊試驗，一方麵是要從源頭將泥石流發生的可能性抑製在萌芽狀態，另一方麵，是由於上遊的溝床比降最大，邊坡坡度也是最大的，是山洪水能量最集中的區域，結構消能的效率也最高。

　　2009年7月17日文家溝的降雨量達90.9毫米，超過發生嚴重泥石流的2008年的最大日降雨量。在文家溝所處的清平鄉境內，未治理的其它溝穀幾乎都爆發了泥石流。多處阻斷公路和河流，造成很大損失。當地很多群眾的出行，不得不靠渡船。而經清華大學治理後的文家溝，則始終保持平安。隻有局部的小規模泥石流發生，沒有造成任何生命財產損失。試驗結果證明：人工階梯深潭完全可以有效地消耗洪水能量，減少泥石流的發生，並大大降低泥石流的規模和破壞力。

　　遺憾的是，2010年初，文家溝獲得國家970萬元震後次生災害防治資金後。決定在文家溝內建設20座攔擋壩以及排導槽，用常規的方法防治泥石流。原來清華大學所構築的階梯深潭係統被完全破壞。所有的巨石被炸開，用作建設攔擋壩的材料。這不僅使得溝道原有的消能功能喪失，而且溝床的阻力也減小，對山洪和泥石流隻能攔擋，而不能消能。2010年攔擋壩竣工後不久，一場98.5毫米的降雨，就引發了大約450萬立方米的特大泥石流，不僅20座壩完全潰毀，而且還造成7人死亡、7人失蹤的重大生命財產損失。

　　這兩次完全不同的治理效果充分說明：隻攔擋而不消能的辦法，不僅不能減少地質災害，反而會有積蓄能量，把小的災害彙聚成大災害的相反作用。

　　傳統的攔擋壩為什麼不能抵禦大規模泥石流呢？原因在於一般攔擋壩未設計消能結構，山洪和水流的能量不僅很少被削減，而且攔擋壩還有某種積蓄能量的作用。攔擋一定的泥石流後，壩體上遊受到的壓力會急劇增加。在降雨強度較大的情況下，水流造成溝床侵蝕和下切，最終一定會使攔擋壩基礎的下遊側被掏空，造成攔擋壩的潰決。

　　攔擋壩難以抵禦大泥石流的例子，也發生在2010年8月的舟曲，那裏在5.12震前和震後，均修建過攔擋壩。然而，由於沒有考慮到消能，攔擋壩突然潰決，對泥石流的控製，不僅沒有起到預想的攔擋作用，反而讓平時所攔蓄的泥沙，增加了泥石流的規模。形成了震驚中外的舟曲8.8特大泥石流災害。

　　其實，用階梯深潭結構進行消能減災的方式，完全是一種向大自然學習的結果。從大量的野外觀測中，我們可以發現，任何穩定的天然峽穀所具有的抗山洪能力，一般都在於，天然河穀中有自然形成的"階梯深潭"消能結構。

　　如金沙江虎跳峽的堰塞體就是天然發育良好的階梯深潭結構,。巨大的石塊抵抗了水流的衝刷，消耗了水流能量，水流勢能急降213 m。虎跳峽已經成為金沙江最重要的尼克點，假如這個尼克點被破壞，虎跳峽上遊數百公裏的河道將會急劇下切,產生大量的崩塌和滑坡。

　　階梯深潭結構的消能減災原理是：洪水流過每一級階梯都會發生水躍，從1-3米高的階梯跌入下遊深潭，水流的大部分能量消耗在跌水和水躍中。階梯深潭結構，造成極大的水流阻力，使得流速減小、水深增加、溝床穩定。階梯深潭係統，不僅保護溝床不再下切，而且通常還會導致小幅度的淤積。使得兩岸溝坡不再變陡，甚至略微變緩；坡上的滑坡碎堆積物也可以保持穩定；溝裏能夠形成水流，而不是泥石流。階梯深潭結構也創造了不同河床底質、不同流速、不同深淺的水生生物棲息地和產卵地，有利於保持較高的生物多樣性。

　　通過野外實驗和測量發現，具有階梯深潭結構的河流的底棲無脊椎動物的物種數量，比條件下，但無階梯深潭的河段高3倍。而單位麵積生物量則高10倍。所以，采用人工階梯深潭結構的消能方式，防止山穀中的泥石流，不僅地質減災的效果顯著，同時由於岸坡的穩定，有益於周圍植被的恢複生長和水生生物環境的改善，往往具有非常好的生態效果。

　　三、河流的消能減災與水電開發

　　我國西南山區的河流蘊藏著極大的水流能量，同時也存在著極大的地質災害隱患。水電開發建設的壩群，類似於天然河流中穩定後的堰塞壩群，對於降低滑坡勢能、減少地質災害將是非常有利的。

　　地質減災的核心是消能，發育良好的天然階梯深潭結構，能夠自然的消能。所以，它能穩定河床，避免地質災害。而水力發電的作用，則是通過驅動水輪機把水能轉化為電能，同樣也能起到消能減災的作用。水力發電不僅達到了河流消能的目的，而且還能變害為利，讓水能服務於人類社會。人類利用水能發電的技術，已經達到了比較高的水平。目前，高效率的水輪發電機，可以把96%以上的河水能量，轉化為電能。如此高的能量轉化率，在人類所發明的各種機械中，絕對是鳳毛麟角。所以，水電站的消能效率是非常高的。

　　不過，當洪水期的水庫泄洪時，河水不能通過水輪機被轉化為電能，這時則需要通過大壩上的特殊結構，進行結構消能。通過多年的科研和反複的實踐，現在水壩建設常用的結構消能有：射流消能、水躍消能、階梯消能和孔板消能等多種成熟的結構消能方式。另外，對於那些沒有發電功能的小水壩和泥石流攔擋壩，設計必要的消能結構，也是保障壩體安全的前提。

　　除此之外，水電站水庫建成蓄水後，一般都會有一個地質災害的集中釋放期。當一座水庫新建成蓄水以後，水位的上升對原有的山體邊坡產生了侵蝕的作用。邊坡被水浸泡後，土壤當中的空隙水壓力增加。當水庫突然泄水導致水位急劇下降時，土壤中的孔隙水壓力來不及變化，而邊坡外部的靜水壓力突然喪失，土體內外的壓力不平衡，常常容易導致不穩定的邊坡失穩，產生滑坡。

　　不過，發生這種情況的前提，是需要邊坡本身就具備產生滑坡的地質和地形條件。所以，現代水庫的建造和初期蓄水所產生的滑坡地質災害，非但不是水庫製造出了滑坡，而且還是為原有不穩定的地質滑坡體，提供一個集中釋放的機會。因為，即使我們不修建水庫，這個潛在的滑坡體也總有一天會爆發。例如，在受到地震晃動的影響，或者遭遇連續的強降雨的情況下，隻要這個邊坡吸收了足夠的水分，也同樣能造成孔隙水的壓力增加，產生滑坡。

　　總而言之，水庫的建造和蓄水通常可以為原有不穩定的地質滑坡體，提供一個集中釋放的機會。這些不穩定的地質滑坡體，一旦在蓄水期被釋放之後，今後再遭遇到任何暴雨或地震都很難再發生地質災害。這種在水庫蓄水的初期，通過嚴密的監測，讓潛在的滑坡體在不長的時間內都釋放出來的減災方式，可以被看成是188體育官網app 的減災"免疫"。

　　經過水庫多次蓄水的"免疫"考驗後，水庫庫岸再次發生地質災害的可能性非常低。例如，在汶川大地震發生時，距震中僅十幾公裏的壩高132米的沙牌水電站，大壩後的水庫庫岸，完好無損，而大壩前的自然邊坡，滑坡、崩岸的現象則非常嚴重，慘不忍睹。這就是因為沙牌水電站建成以後，水庫的多次蓄水，已經把那裏潛在的地質滑坡體都釋放掉了。即使再遇到大地震或者大暴雨，也很少有發生滑坡的可能。可見，188體育官網app 的最佳地質減災效果，一般會出現在水庫建成蓄水幾年之後，並且將能長期的發揮作用。

　　最後，我們需要強調的是：消能是減少地質災害的最根本措施，這種科學理念，亟待普及和推廣。而水力發電就是一個把河流水能轉化為電能和消能的過程。有效的消能，不僅是保障水壩結構安全的最重要手段，而且還是減少河流沿岸地質災害的最重要的措施之一。不過，我們還應該說明的是，雖然梯級水電站的消能，無疑將會有利於減少遠期的地質災害，但是，在建壩期間和運用的初期，如不采取必要的防範措施，也有可能會因為工程活動的擾動，而增加地質災害。因此，隻有科學的水電開發，才能真正起到減少地質災害的作用。