[科普中國]-打贏抗洪戰(zhàn)爭，究竟有多難？

本文由科普中國科普融創(chuàng) x 星球研究所聯(lián)合發(fā)布

2020年入汛以來，大氣環(huán)游異常，長江流域和黃河上游地區(qū)降水偏多，多省發(fā)生較大洪水，超過5400萬人次受災，一場人與水的戰(zhàn)爭正在進行。

洪水環(huán)繞南京八卦洲|7月18日，長江南京段洪水創(chuàng)歷史新高，全市啟動一級響應。八卦洲是長江中的一個島，現(xiàn)已被洪水圍困。圖源：VCG

年輕的戰(zhàn)士們沖上堤防，火熱的青春在泥漿和洪水中涌動，混合著土黃色的救生衣紅，成為這個夏季最讓人安心的色彩。

守衛(wèi)堤防的武警官兵|迷彩綠，救生衣紅，泥漿黃，組合出洪水季里令人心安的色彩。圖源：人民視覺

然而，每每看到年輕的戰(zhàn)士們在泥水里奔波，在烈日下被曬得爆皮，不免令人心疼。都2020年了，為什么抗洪還是這么難？還需要我們的戰(zhàn)士如此辛苦？

江西鄱陽縣昌洲鄉(xiāng)西河的決堤現(xiàn)場|抗洪難，低等級堤防抗洪更難。圖源：人民視覺

我們面對的究竟是怎樣一個敵人？

它強大而且狡詐，從兩條戰(zhàn)線向我們發(fā)起進攻。正面戰(zhàn)場上，動輒造成大水漫堤之勢，一遍遍沖擊我軍陣地；還會派出大量的特種部隊，執(zhí)行機動性極強的破壞襲擾，一不留神便會里應外合突破堤防，令人防不勝防。

正面戰(zhàn)場：漫堤的大水

不斷飆升的水位是河堤的死敵。

別小看河堤頂?shù)字g的幾米或十幾米落差，它足以讓越過堤面的洪水快速流動，在土堤斜坡上快速沖刷出小坑、陡坎。

洪水漫溢大堤|洪水越堤的沖刷會產生巨大的破壞。注意圖中河堤已經開始出現(xiàn)坑洼。圖源：視覺中國

繼續(xù)發(fā)展下去，小坑和陡坎會連成沖溝，洪水洶涌而出，很快就會撕開堤防[1-4]。

從漫堤到決堤的過程|漫堤以后，水流首先沖出陡坎和小坑，隨后連接擴大成沖溝，發(fā)生溯源侵蝕，向后切開大堤，最終決口。圖源：文獻[3]

7月17日，湖北恩施遭受特大暴雨襲擊，清江水位劇烈上升，城區(qū)范圍內的堤防一度遭遇漫堤險情。

**湖北恩施清江發(fā)生短暫漫堤|**受暴雨和上游水庫緊急泄洪影響，清江水位暴漲，7月17日下午一度漫過河堤，淹進了清江水岸社區(qū)，許多汽車被淹。圖源：人民視覺

幸運的是，城區(qū)河堤的表面大都經過硬化改造，僅持續(xù)數(shù)小時的漫堤水流未產生明顯破壞。但如果是土堤遭遇漫堤，后果可能會十分嚴重。

洪水漫溢引起的決口和沖刷|漫溢對土壩下游一側造成了強烈沖刷，最終引起決口。該事件發(fā)生于1977的美國賓夕法尼亞州。圖源：文獻[38]

正面進攻的洪水固然危險，但只要做好水情監(jiān)測，組織上游水庫群攔截洪峰、動員力量加高堤防、必要時合理調用分蓄洪區(qū)，保證堤比水高，這樣的險情完全可以人為化解。

用泥土、沙袋等材料構建臨時小堤，即子堤，就是有效化解漫堤風險的一種手段。

空軍官兵搶筑子堤|7月13日中午，在江西九江的江洲鎮(zhèn)，空軍官兵搶修子堤，抵御漫堤。江州鎮(zhèn)位于長江的一個江心島上，今年汛期呼吁在外游子回鄉(xiāng)抗洪，一度名聲大噪。圖源：人民視覺

1998年洪水期間，湖北的各類河堤及湖堤上，一共修筑子堤1147km，其中723km直接擋水，擋水率63.03%。

放眼整個長江中下游，3578km水位超警的長江大堤上，一共修筑子堤830km，其中350km直接擋水，擋水率****42.17%[5-7]。

然而，子堤對于水下的敵人卻無能為力。波浪和暗流在迎水坡沖刷堤身，在缺少防護（如碎石護坡、混凝土護坡）的堤段，長時間的沖刷很容易掏空大堤，形成崩岸險情[8-9]。

人們可以投擲一些消減水流的材料，從碎石到樹枝，甚至是稻草堆和防水布，都可以減輕沖刷。

官兵使用稻草堆消減波浪|7月18日，天氣預報顯示洪湖湖區(qū)有6級大風。為防止風浪越堤及沖刷堤防，戰(zhàn)士們在迎水一側設置稻草堆，堤面構建子堤，以減輕風浪影響。圖源：人民視覺

崩岸會直接破壞大堤結構，需要立刻用沙袋和石料加固，必要時還要打木樁加固。

處置崩岸險情|2016年07月21日，江西鄱陽雙港鎮(zhèn)張家圩大堤發(fā)生崩岸險情，官兵們正在緊急處置。圖中可見迎水一側有近乎垂直的崩塌面。圖源：人民視覺

總的來說，人們在抗洪的正面戰(zhàn)場處于被動的位置，而且這些防御手段多數(shù)無法通過機械完成。

被長期浸泡的大堤十分松軟，在規(guī)模較小的河堤投入重型機械可能損壞堤身，一般僅能用小型機械在大堤上搬運物資、裝填沙袋。在搭建子堤時，仍需要投入大量人力。

農用車運輸沙土，戰(zhàn)士搭建子堤|使用沙袋裝填沙土搭建子堤，防滲和穩(wěn)定效果優(yōu)于直接堆土，并且在堆放時也有注意事項，所以機械現(xiàn)在還難以取代人力。圖源：人民視覺

除了要投入重兵外，還要進行24小時不間斷的巡視，才能在第一時間發(fā)現(xiàn)現(xiàn)險情并加以處置。但這樣就足夠了嗎？

遠遠不夠，因為洪水真正的殺手锏，從來不在正面戰(zhàn)場。

特種作戰(zhàn)：滲流的渾水

孫子兵法云，“凡戰(zhàn)者，以正合，以奇勝”。水位攀升造成的漫堤、風浪、崩岸險情從不屑于隱蔽自己，是為“正”；人們修建子堤和及時護岸就能經常打成平手，是為“合”。更大的兇險，來自洪水的“奇招”：滲流。

堤防中典型的兩種滲流破壞|發(fā)生在堤身的滲水/漏水洞，和發(fā)生在地基的管涌，是河堤的兩大類滲流險情，十分危險。底圖：文獻[10]

在世界各地，人們普遍使用泥沙和石料堆筑河堤，本質上是將無數(shù)泥沙顆粒堆積起來，顆粒間充斥著無數(shù)微小孔隙，使河堤天然具有滲水性。

洪水季節(jié)，水逐漸滲入泥沙孔隙，在堤內緩緩滲流。時間一久，整個河堤都被滲流浸濕后，大堤背水一側自然會出現(xiàn)滲水。

高水位浸泡堤身時的浸潤區(qū)變化圖|在長時間高水位浸泡下，大堤逐漸被浸透，最終在背水坡產生滲水。制圖：云舞空城&鄭伯容/星球科學評論

**如果滲水量小、流速緩慢、水質清澈，**意味著沒有堤內泥沙被帶出，大堤內部未發(fā)生沖刷破壞，做好排水和監(jiān)視，準備臨時反濾體即可。

**官兵在大堤背水側修筑用碎石和沙包修筑臨時反濾體|**反濾體可以阻止?jié)B水帶走泥沙，保護大堤結構。滲出的清水則通過水溝排走。圖源：東部戰(zhàn)區(qū)微信公眾號

如果滲水量很大，則說明大堤已經被浸透，機械強度會顯著降低。此時，如果河堤的設計本身不夠合理、具有潛在結構損傷（如蟻穴、裂縫等）、有超重機械在堤頂作業(yè)時，就很容易在河堤背水側產生滑坡、脫坡險情。

滲流引起的攔河壩滑坡|年5月20日，美國密歇根州Edenville土壩在被長期浸泡后，因滲流劇烈引發(fā)滑坡，最終導致潰壩，下游多處城鎮(zhèn)受災。該壩建于1925年，是沒有防滲設計的均質土壩，技術上早已落后。圖源：Lynn Coleman / MLive / Earther，文獻[11-12]

好在這類險情與崩岸類似，比較容易發(fā)現(xiàn)，及時加固也可以排除險情。

堤防背水面發(fā)生滑坡險情|7月17日，安徽安慶懷寧縣涼亭鄉(xiāng)三鴉寺湖堤背水側發(fā)生滑坡，官兵們緊急處置，避免了潰決。圖源：人民視覺

當滲流逐漸變強，泥沙也會被帶出，清水變成渾水。此時，堤身開始自背水側向迎水側產生空洞，如不及時排除，會很快形成貫通堤身的漏水洞，大堤被沖開只需要很短的時間。

漏水洞引起決堤的實驗|在這個實驗里，由于河堤的規(guī)模很小，從a到e只用了13分鐘。在實際河堤里時間會長一些，但仍屬于“較短時間”的范疇。圖源：文獻[3]

比渾水滲流更隱蔽、更危險的險情，則是發(fā)生在地下的管涌。它不僅與高水位長期浸泡有關，還與河岸的地質條件有關。

以長江在湖北境內的荊江段為例，江岸的地層由若干**強透水層（砂層）和弱透水層（泥層）**混雜組成，它是自然演化的結果，但也正是這樣的地質結構，使河水能夠在地下通過透水層向堤后滲透，直接造成了管涌風險。

劇烈涌出渾水的管涌險情|管涌時，大量地下泥沙隨渾水流出，逐漸掏空地下，造成大堤失穩(wěn)滑塌，容易形成決堤。圖源：央視新聞直播間

**還記得中學物理書上的U形管嗎？連通U形管兩端的水面，總是趨向于達到一樣的高度。**只要大堤外的水體保持高位，地下又存在較強的透水層時，就相當于構成了一個巨型的“U形管”，洪水就一定會有從地下透水層向上涌出的趨勢。

管涌破壞堤防的過程示意圖|管涌時，大量地下泥沙隨渾水流出，進而掏空地下，造成大堤失穩(wěn)垮塌，引起決堤。透水層一般指砂層，而不透水層指泥層或粘土層。底圖：文獻[13]

而覆蓋在砂層上的泥土，就像阻擋兩側水位變平的那個閘門，壓制著水流從地下涌出。當這種壓制一旦被沖破，管涌會和漏水洞一樣首先流出清水，逐漸變成渾水，進而掏空地下泥沙，使大堤失去支撐而垮塌[14-17]。

官兵們處置管涌險情|7月16日，江西九江永修縣，武警官兵正在運用反濾圍堤排除堤腳的管涌險情。圖源：人民視覺

可以說，管涌是一種因河堤而生，以毀滅河堤而終的專屬現(xiàn)象。它們往往會成群出現(xiàn)，造成大段河堤變形、沉陷、垮塌，在很短的時間內引發(fā)決口，是最兇險的一種險情，堪稱“大堤殺手”。

管涌群掏空地基示意圖|成群出現(xiàn)的管涌隱蔽性強，破壞性大，防不勝防。圖源：文獻[18-19]

1998年，長江中下游地區(qū)的大小堤防發(fā)生較大險情1702處，其中有872處都是管涌，占總數(shù)51.2%；長江干堤發(fā)生較大險情698次，其中管涌366次，占總數(shù)52.4%；在具有潰決風險的34處重大險情里，有19處都是管涌或管涌群，占總數(shù)****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決堤事件，**如湖北咸寧市嘉魚縣簰（pái）洲灣的決堤由管涌群引起，高建成等19名解放軍官兵不幸犧牲[20-22]。

九江決堤也由強烈管涌引起。由于人們排險失敗，管涌不斷掏空大堤的地基，疊加一些其他的質量缺陷，最終在發(fā)現(xiàn)管涌的40分鐘后，大堤開始塌陷變形，引起防洪墻決口，隨后便徹底潰堤[23-24]。

**1998年九江決堤后的沉船堵口現(xiàn)場|**除了因偷工減料被痛罵做豆腐渣工程外，九江大堤決口的主要原因是管涌控制失敗。圖源：視覺中國

更麻煩的是，管涌行蹤不定，出現(xiàn)位置受地下砂層的分布規(guī)律控制，雖然常以堤腳50米以內的區(qū)域為主，但也可以出現(xiàn)在向外延伸數(shù)百米的位置。農田、溝渠、水塘、湖泊甚至建筑地下室等環(huán)境，都可能產生管涌，沒有明確的規(guī)律。

出現(xiàn)在水塘里的管涌|官兵們組成人鏈，傳遞沙包構筑反濾圍堰。后方田埂上的官兵背后，可以隱約看到遠處的河堤。圖源：人民視覺

于是，復雜地形下的人力巡視，成為了抗洪戰(zhàn)斗中的關鍵環(huán)節(jié)。人們不僅要巡視堤身尋找滲水，還要在堤腳向外延伸幾百米的范圍里尋找管涌，然后快速機動到險情位置加以處置。

巡堤人員正在河堤背水側巡視|這樣的巡視，可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的漏洞、滑坡、塌陷及管涌危害。但管涌的發(fā)生部位，并不局限在堤身和堤坡底部，還需要加大巡查范圍。圖源：人民視覺

一些物探設備也開始用于河堤探傷和日常檢查，幫助人們快速、準確地發(fā)現(xiàn)潛在侵蝕通道。

運用探地雷達檢查河堤|7月29日，安徽地礦局技術人員運用物探手段巡查河堤，可以在險情發(fā)生前就檢測到河堤內部是否發(fā)生破壞，先敵制勝。但這種辦法對場地存在一定要求。圖源：人民視覺

一旦發(fā)現(xiàn)漏水洞和管涌險情，處置它們是很有技術含量的工作。人們需要根據(jù)“排水保泥”[25-29]的原則進行操作，**快速搭建具有特定結構的反濾體，**讓清水能夠正常流出，泥沙卻得到保留，從而維持河堤或地基的結構穩(wěn)定。

反濾圍堰壓制管涌示意圖|沙袋壘起的反濾圍堰內，應自下而上充填一定厚度的粗砂、碎石和大石塊，這樣可以壓制泥沙涌出，保護地基安全。反濾圍堰也可用于堤身漏水洞的排險，位置不同，但原理是一樣的。制圖：云舞空城&鄭伯容/星球科學評論

而對于漏水洞，它的進水點位于迎水坡的堤身，比管涌更淺。如果條件合適，還可試著派潛水員堵住漏洞，快速消除險情。但是，潛水員有被漏水洞吸入的危險。

潛水員探尋漏水洞的洞口|橫穿大堤的涵閘、管線、建筑與泥土的接觸部位，容易發(fā)生渾水滲流。圖為潛水員尋找一處涵閘接觸漏水的進水口。圖源：人民視覺

總之，抗洪軍民既要做到全天候不間斷巡視，又要做到在復雜地形下保持機動，及時進行技術排險。因此，即便到了2020年，抗洪仍然是一項高度依賴人力的困難工作，而且中外皆然。

美軍士兵在密蘇里河的大堤背后排除管涌|世界多國都投入軍隊進行抗洪救災工作，而構建反濾圍堰的方法也是全球通用。圖源：美國國防部，Dvidshub.net，公共領域

盡管人們早就有了充足的機械設備參與抗洪搶險，但它們更多時候只能在特定場合下作為輔助。只有高度靈活的人，才能克服地形的障礙，采用靈活機動的運動戰(zhàn)，運用技術手段反制洪水的特種部隊。

用火神山雷神山的精神搶修圍堤|7月27日，安徽阜陽市潁上縣姜唐湖蓄洪區(qū)戴家湖堤段，由涵閘破損引起直徑約10米的強烈管涌。指揮部調集200多臺挖掘機和推土機挖田取土，用60個小時修建起大型圍堤（圖中覆蓋白色防水布的新堤），化解險情。圖源：人民視覺

更難的是，這種情況在未來數(shù)十年里都不會有根本變化，除非研制出高度智能的機器人來取代人類士兵，才能完成各種需要現(xiàn)場應變的工作。

然而，守好抗洪的兩個戰(zhàn)場仍不能高枕無憂，因為與洪水的斗爭并不僅僅發(fā)生在汛期。想要用最小的代價戰(zhàn)勝洪水，還要在平時下很多功夫。

平戰(zhàn)結合：人民的戰(zhàn)爭

古今中外，抗洪一直是一項需要密集人力資源的戰(zhàn)斗。但科技的力量該如何體現(xiàn)呢？答案就蘊藏在平戰(zhàn)結合里。

每年汛期之后都是河堤整修的高潮期，新的技術和理念會逐漸運用到這些年代久遠的河堤里。加固護坡、加高堤身、增設排水結構、增加反濾結構等工程手段逐步用上，防洪能力就這樣逐年升級，

汛期來臨前整修大堤|今年5月，武漢市武昌區(qū)八鋪街堤完成了歷時兩個月的整修，提高了防洪能力。圖源：人民視覺

而對于不利的堤身質量和地質條件，人們也學會修建很深的地下防滲墻，為滲流制造阻礙，顯著增大形成滲水洞和管涌所需的時間。

2014年起，湖北省啟動第三輪荊江大堤大規(guī)模整治工程，直到2019年才完工。其中，在監(jiān)利市的一處江堤**修筑了85米深，相當于20層樓的超級防滲墻，**是國內規(guī)模最大的同類工程[30-31]。

類似的大規(guī)模維護，每隔幾年都會進行一次，我們的大堤早已不像22年前那般脆弱。

荊江南岸大堤防滲墻示意圖|防滲墻可以深入地下，在大堤填土和地下透水層中減緩滲水速率。它的作用并非杜絕滲水和管涌險情，而是將它們出現(xiàn)的時間推遲。如果等到洪水退去也不產生險情，大堤就安全了。制圖：王申雯/星球科學評論

也不要忘記各種大中小型水庫的作用。在生態(tài)環(huán)境可以承受的范圍內，更多的水庫可以增加蓄洪空間，甚至將洪水轉變?yōu)橛脕戆l(fā)電和灌溉的水資源，使可能帶來災難的自然現(xiàn)象也能為人們帶來利好[32-33]。

只開啟了三個泄洪道的三峽大壩|三峽大壩有23個泄洪道，通過控制開啟數(shù)量來調節(jié)泄洪流量，可以起到很好的蓄洪削峰效果。在剛剛通過三峽的長江第三次洪峰里，三峽削減了36.7%的洪峰流量。圖源：人民視覺

此外，得益于生態(tài)保護宣傳教育的持續(xù)，人們對于新型人水關系的接受度也變得更高。在鄉(xiāng)村，人們將更多的農田、水塘和圩垸還給江湖，償還過去填湖造田的歷史舊賬，給洪水更大的行洪空間。

武漢梁子湖炸堤退垸|2016年，在洪水壓力下，湖北省對第二大湖泊梁子湖中的一處圩垸堤防實施爆破拆除，實現(xiàn)退垸還湖。圖源：荊楚網，資料[34]

還有默默提供科學、技術支撐的專業(yè)隊伍。很難想象，如果沒有眾多氣象、水利、土木、工程地質、電力等領域工作人員年復一年的默默付出，我們現(xiàn)在還能從容地應對每一場洪水。

電力工作者在抗洪一線保障用電安全|抗洪斗爭的勝利，離不開千千萬萬平凡崗位上的普通人。圖源：人民視覺

抗洪，就是和平年代的人民戰(zhàn)爭。每一個抗洪勝利的背后，其實都是整個國家過去幾十年各種工作集合而成的綜合國力。

我們相信，只要在平時充分運用現(xiàn)代科技維護堤防、興修水利、改善人水關系，再加上人民子弟兵和干部群眾在戰(zhàn)時表現(xiàn)出來的英勇無畏和頑強拼搏，還有各行各業(yè)普通人用70年建設起來的綜合國力進行保障，未來的抗洪斗爭一定會比現(xiàn)在更容易取得勝利。

軍民齊上陣，奪取抗洪最后勝利|用人民戰(zhàn)爭的力量戰(zhàn)勝洪水，這也是一種中國特色。圖源：人民視覺

末了，回到最初的那個問題：抗洪到底有多難？

它很難，非常難。它不僅是整日與泥漿為伴，與強大狡詐的敵人多線作戰(zhàn)，還要承受烈日和蚊蟲的考驗，更會透支人的體能和精力，有時還伴隨著流血犧牲。

但它一定會變得更加簡單，因為一線抗洪軍民們的背后，還站立著14億默默付出的中國人。

1998年，一句鏗鏘有力的宣言響徹長江大堤，曾經鼓舞了無數(shù)抗洪軍民的士氣。今天，不妨繼續(xù)用這句宣言，將人們抗擊2020年洪水的斗志燒得更旺——

“任何的困難，都壓不倒我們！”

“中國人民，是不可戰(zhàn)勝的！”

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