文/水博

　　北京721暴雨所造成的巨大災難，讓人們痛心疾首。悲痛之餘人們不禁要問，在無情的天災麵前，我們究竟應該怎麼辦？

　　其實，結論應該很清楚，在北京的暴雨過後，很多媒體都一再讚揚英國、法國、德國、日本等發達國家的城市地下排水、儲水係統，如何如何的完善，以至於突降暴雨不僅不是什麼災難，反而是他們補充水資源的大好時機。可見科學發展是人類抵禦自然災害的唯一有效手段。

　　事實上，在防洪減災方麵我們與發達國家的差距，絕不僅僅在於城市的排水、儲水係統，而是全方位的。例如，我國的水利工程的建設就與國外發達國家存在著巨大的差距。別的國家不好直接比較，但是，美國的國土麵積和水資源總量與我國基本相當，而美國的水利工程水庫蓄水能力卻比我國高出一倍。也就是說同樣的暴雨，如果下在了美國，可能隻是增加了水庫的蓄水量，而下到了我們中國，則往往不能不泄洪。否則，就有可能讓水庫漫頂、垮壩，造成更嚴重的災害。眾所周知，為了控製洪水不讓它造成災害，我國的三峽每年汛期都要多次泄洪，而在美國的胡佛水庫大壩，建設80年來隻泄過一次洪。其根本原因就是我們國家的水庫蓄水能力不足，還沒有辦法把洪水儲存起來。這就是我們與國外發達國家在水利工程建設方麵的差距。

　　然而，有差距並不可怕，可怕的是我們現在很多人不僅認識不到這種差距，反而對水利工程的科學的減災作用產生了相反的概念。在721暴雨災害過後，有傳言說是因為河北易縣的紫荊關水庫潰壩，才造成北京的這次災害的。還有人說是因為某“水庫附近建高爾夫球場影響泄洪”等等。我覺得對於這些傳言，我們不必過於認真。否則，不僅對我們今後的防洪減災沒有多少益處，反而會讓我們背離了科學發展的減災方向。

　　紫荊關是否真的發生了垮壩事故，我並不知道，但是，我覺得這個問題本身並不太重要。一方麵，國家對水庫水電站的防洪監管是非產嚴格的，如果真的有某個水電站的水庫，因為管理不當而發生垮壩，一定會受到嚴厲的懲罰。另一方麵，從紫荊關水庫的拒馬河水係的構成上看，造成北京721特大災害的成因，不會與紫荊關水庫的垮壩與否，有多大的關係。據新聞報道，北京的最大災難發生在京港澳高速出境方向17.5公裏處，那裏與拒馬河相距甚遠。

　　還有，根據網上搜索到的一些資料和從穀歌地圖上的查看，這個小水電站是一個引水式的電站，主要依靠管道引水發電，水庫的蓄水量非常非常小，即使真的發生了垮壩，影響的範圍也恐怕是有限的。而真正造成北京這次暴雨成災的最重要原因，則是眾多山區裏還缺乏必要的完善的水利設施。缺乏足夠的和安全的蓄水能力，無法調節突然降臨的暴雨洪水。

　　據我所知，我國很多山區為了防止泥石流等地質災害，都在山穀裏建設了不少簡易的攔擋壩。這些攔擋壩確實能阻擋住或者減小一般的暴雨和洪水以及所產生的小型地質災害。但是，在特大災害來臨之際，這些攔擋壩往往都會出現垮塌，從而失去作用。為什麼很多山區要建這樣簡易的攔擋壩？就是因為目前我國的水利工程的建設，還遠遠不能滿足防洪減災的需要。隻能采用一些簡易的、不大可靠的防災措施。然而，如果發生災害子後，我們不去反思我們的水利設施建設的落後，反而抓住某個可能出了問題的水庫大造“水利工程造成了災害”的輿論的話，那麼我們怎麼可能讓我國的防災減災工作走上科學發展的正確的方向呢？

　　關於某“水庫附近建高爾夫球場影響泄洪”的說法，也不夠科學。眾所周知，高爾夫球場不可能是什麼高大的建築物，除非有人用圍堰把整個高爾夫球場圍了起來。否則，我想象不出來，一個高爾夫球場怎麼可能會影響行洪呢？一般來說，某地如果建有一個空曠的高爾夫球場存在，無論是對那裏的行洪還是分洪，都應該是有好處的。有人對高爾夫球場的建設有意見可以理解，但是，完全沒有必要借著災害的發生對其進行否定。

　　此外，還有網友注意到：水災往往伴隨山洪、泥石流的發生，因此，非常關注水利工程與地質災害的關係。我覺得水利工程至少能從兩方麵減少地質災害，一個是水利工程本身就是要治理洪水泛濫，洪水治理住了，地質災害自然機會減少。另一方麵，很多水利工程往往可以同時用來發電，水力發電的本質就是提取和利用河流的能量。然而，消能才是減少地質災害的關鍵。關於消能與地質減災之間的關係我們做過一個專門的科普宣傳片，大家可以觀看該片，了解其中的科學道理。

　　科普動畫：　//www.trellya.com/info/shownews.asp?newsid=6048

　　科普動畫：《地質減災的關鍵在於消能》（唱詞）

　　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。