消能是防洪减灾的关键
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇消能是防洪减灾的关键范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
王兆印，中国首批博士学位获得者，清华大学教授、国际泥沙研究培训中心顾问委员会主席、国际期刊International Journal of Sediment Research主编、国际水利学会（IAHR）副主席及环境水利学分会主席、联合国教科文组织国际泥沙项目专家指导委员会成员、世界泥沙研究学会（WASER）副主席，兼职多所国际大学外聘教授。2011年获得汉斯・阿尔伯特・爱因斯坦奖，这是首位大陆籍华人获此殊荣。
破坏自然消能结构导致山洪灾害
近年来，我国山洪灾害频频发生，造成了巨额经济损失和大量人员伤亡。例如，2012年7月21日北京发生有记录以来最大暴雨，房山、门头沟、怀柔、密云、平谷暴发罕见的山洪，造成79人死亡和近百亿元的经济损失。这次山洪来势异常迅猛，虽然洪水总量不大，但是拒马河瞬时流量达到2580立方米每秒（紫荆关水文站），是1963年以来最大洪水流量。2013年7月10日，四川汶川、茂县、理县、卧龙等地区发生1937年以来最强降雨，岷江流域许多山区河流暴发特大山洪，造成大量人员死亡和巨额经济损失，还引发许多滑坡泥石流灾害。这次灾害中，仅都江堰的中兴镇五里坡滑坡就造成43人遇难和118人失踪。
数千年来，人类一直与洪水灾害斗争，已经拥有了丰富的斗争经验。随着现代经济的迅猛发展和机械化设备的大量使用，人类已经具备了改造河流的能力。但是，为什么洪水灾害还会造成这么大的人员死亡和破坏呢？主要有两个原因：一是人口增加和旅游业的快速发展，使许多洪水风险区被开发成居民点和建设基础设施；二是为修建桥梁、公路、水利设施和娱乐设施需要采集建筑材料，而这些建筑材料大量取用了河道里的石块，破坏了河流长期发育的自然消能结构。更有甚者，有人想当然地认为光滑的人工渠道具有更高的排洪能力，就把许多河流渠化，使得具有自然消能结构的河道被人工渠道所替代。当山洪的水流能量不能及时消减，其流速越快、破坏力就愈大，最终冲毁河岸、下切河床，引发崩塌滑坡和泥石流，使河流改道淹没村镇和道路。
在自然条件下，山洪冲刷河床时河流会自动发育一些结构来抗拒水流的冲刷，消减水流能量，阻止河床下切并使其逐渐稳定。这些结构是河床自然形成的消能结构。由于自然消能作用，一般没有受到人类干扰的山区河流在洪水中仍然能保持相当的稳定性，很少造成灾害。所谓消能是水流位能和动能转化为湍流能和热能的过程。山区河流如果没有消能结构，能量会沿程逐渐增加，直到足以破坏河床和河岸。一般河床消能结构由大石块构成，这些石块在不同频率洪水作用下不断地调整位置，最终形成最稳定并且最有效消减水能的相互嵌合的结构。这些结构具有一定的形状和相应的消能强度。常见的河床消能结构有阶梯―深潭结构、肋状结构、岸石结构、火焰石结构和石簇群结构等。图1展示了四川邓池沟的阶梯―深潭结构，图2为康定瓦斯沟的火焰石结构，其中瓦斯沟的水流已从上游引到大渡河边的发电厂，所以从引水处到大渡河的河床直接暴露。阶梯―深潭系统是最普遍最重要的自然结构。该结构可以消减水流60%～90%能量，使水流不能冲刷河床，可减少灾害，改善生态。
2013年7月，汶川羌峰寨文化保护中心的刘阳打电话给我，说早先反对羌峰沟渠化却无能阻止，现在羌峰沟遭受洪水侵蚀严重。我们赶到羌峰沟，看到渠化的羌峰沟已经被洪水冲毁，见图3。2011年前羌峰沟发育了很好的阶梯―深潭结构，由于结构有很强的消能作用，洪水速度慢，破坏力小，羌峰沟在罕见洪水中都能保持稳定，见图4。2011年修建都汶高速公路，为提高两岸支流排洪能力，把羌峰沟中大石块构成的消能结构炸毁并改建成浆砌石的渠道。由于消能率减小，当年洪水就把渠道冲毁了。施工队只好把沟墙沟床改建成由半米厚混凝土构成的光滑人工渠道，并对村民们说任何洪水都不会冲毁这样坚固的渠道。然而，建成仅仅一年半，洪水便裹挟石块高速冲击渠道墙脚，撕裂了混凝土沟墙，洪水冲出渠道，冲毁沟边一家房舍，造成一家4口3人死亡的惨剧。
目前防洪的主导思想是让洪水快速通过，水位愈低愈安全，不考虑如何消减水流能量。对于平原冲积河流这种防洪思想基本是正确的。因为平原河流河床坡降很低，例如黄河下游河床坡降大约为万分之一，长江下游只有万分之零点三，所以洪水能量较低，只能裹挟淤泥和沙。但是对于山区河流，河床坡降比平原河流大几十倍到几百倍，洪水能量非常大，可以推动大卵石甚至几十吨的巨石。如果不消能，那么山洪能量足以冲毁一切建筑物。如果没有人类的干扰，河流自然发育相适配的消能结构，能够保持相当的稳定。
但是，人们在山区建设中有意无意地破坏了消能结构，改变了河流自身能量与消能相互适配的状况，因而造成灾害。例如，岷江修建公路和其他基础设施，把河床上阻挡水流的石块打碎，用作建筑材料。公路和桥梁建设者认为，河床上大石块阻水，导致水位抬高，威胁桥梁公路，所以把石块清除，甚至改用光滑混凝土抹面改造河床。岷江河床上起着重要消能作用的石块被清除后，水流能量不断增大，淘刷河岸引发滑坡泥石流，堰塞河道使洪水突然改变流向，淹没村镇，见图5。为了保护大桥人们把石亭江自然河床改造成混凝土抹面的河床，由于水流经过时不能消能，沿途能量激增，水流撕裂河床河岸、冲刷下切6米多，见图6。
河流治理要做能量概算
山区河流的开发和治理工程都不可避免地改变了河流的能量分配和消能率分布。从河流综合管理的角度，考虑河流利用、消能减灾和生态保护，一定要做河流的能量概算。所谓河流能量概算就是对河流的水能分布和消能率分布有一个宏观的对比并对两者之间的适配进行评价。水流通过一个河段时，如果水流所获得能量大于各种阻力消能，将使水头沿程增加并以水流动能（速度）或者相对位能（相对高度）形式储存。如果水头不能得到消减，最终会导致河床河岸的破坏。河流治理工程要考虑使河段消能强度达到或超过水流获得势能才能保证防洪安全。
在河流能量概算中，有三个能量概念很重要：
（1）获得势能。一条河流里水流运行单位距离从重力势能里获得的能量为获得势能。
（2）消能率。水流单位距离由于肤面摩擦、搬运泥沙卵石以及河床结构消能而消减的能量为消能率。山区河流里，肤面摩擦相对于结构消能和输沙消能很小，可以忽略。但是平原冲积河流没有河床结构，输沙耗能也小，肤面摩擦是消能的重要组成。
（3）水头。水头是可以利用（如发电）或造成边界破坏和灾害的水能，包括流速水头和位能水头，位能水头是相对于河段平均河床纵剖面线的水能。如果获得势能大于消能率，水头沿程积累增加，增加到一定程度如果不能利用就必须消减。
山区河流建坝，水库里河床结构被淹没，推移质输沙停止在上游，消能率比获得势能小得多，水头沿程增加，到坝址水头增加到最大。水头通过发电厂大部分转化为电能，剩余部分通过大坝消能结构消减。大坝消能方式包括水跃、阶梯、射流等，只有足够的人工消能结构才能保护大坝安全。稳定下来的堰塞坝与水电大坝相似，只是全部水能都要通过自然消能结构消减。堰塞坝消能段比人工大坝消能段长得多，有很高的消能率，可以快速消减有效水头。堰塞坝上游水流只能维持携带细小泥沙，常常形成宽阔的以沙和淤泥为河床质的辫状河型。从细观上讲，堰塞坝消能段的消能率也不是均匀分布的。消能段一般都是具有大石块组成的阶梯―深潭结构的陡坡河段。阶梯之间有一定的间距，阶梯之间消能率较小。但是，在阶梯上和深潭里，水能通过跌水和水跃迅速消减。
许多山区河流河床坡降大，山洪来临时水流能量很大、破坏力很强。在自然条件下大部分河段发育了消能结构。在这样的河流里建设渠化工程，就会破坏消能结构，在相当长的河段里消能率小于获得势能，水头始终不断增加，最后超过渠道临界破坏值，就会冲溃边界导致灾难。大约270年前，清朝的主要铜产地在云南小江流域。为了运输滇铜，人们在金沙江岸上开辟栈道，人背马驼，长距离搬运，异常艰辛。云贵总督张允随建议开辟金沙江航道，用船只从小江口运输滇铜到宜宾。这项议案得到乾隆皇帝的大力支持，张允随炸碎江中礁石，清除大石块，在金沙江下游形成了比较平顺的航道。但是，他们万万没有想到，清除礁石和石块大大减小了消能率，使得水头沿程逐渐积累增大。高强度水流冲刷河岸导致岸坡崩塌和滑坡，堵塞航道激起涌浪掀翻船只。最后，运输滇铜的金沙江航道仅仅运行了半年就被迫关闭了。
河流治理中要保护消能结构以保持较高的消能率。我们在北京2012年“7・21”暴雨洪水发生后第二天就进山测量，发现一些保存消能结构的小河基本保存了原来的地貌和生态。而大多渠化后形成的光滑沟床的小河被山洪冲毁。如果河流开发治理必须改变河床河岸，那么人工边界的消能率必须与自然条件下的差不多。我在欧洲和北非曾看到，人们采取在渠化河岸表面粘贴大石块的方法提高消能率，使高速水流不能近岸，使水流能量不能逐步积累冲毁河床、河岸。我的课题组在云南吊嘎河和四川地震区文家沟建设人工阶梯―深潭系统，就大大增强了消能率，基本控制了水流下切和河岸冲刷，显著减少了崩塌滑坡和泥石流灾害。
“串糖葫芦”梯级开发有利于消能减灾
中国西南河流水能大，灾害性强，同时开发利用价值高。水电开发将水能转化为电能，洪水期多余能量可通过大坝消能结构消减。把西南河流致灾能量转化为电能既能发展经济又可减少灾害。但是高坝大库减灾作用小，生态影响大，有的情况下大坝下游清水冲刷引发的灾害也很严重。例如三峡大坝泄放清水冲刷使下游河床下切了十几米，导致长江与洞庭湖的水沙交换显著下降，对生态环境造成很大的影响。另外，我国西南河流引水式发电很普遍，这对生态的破坏是致命的。由于发电时引水坝到发电厂之间的河段基本没有水流，因此大部分水生物种就不能生存。
我国在西南河流上建设中型坝群，水库一个连接一个，平面上看就像“串糖葫芦”，见图7所示。“串糖葫芦”在开发水电的同时可以控制水流下切减少洪水灾害。河流变成一个个水库，水头通过大坝变成电力，从一个水库泄放的清水很快流入下游库区，不会对河床河岸造成冲刷。从整个河段看，河流形成的侵蚀基准面整体抬升，大大减小了崩塌滑坡势能，因而具有很好的减灾效果。长江流域生态比黄河流域好得多，主要原因就是长江与无数湖泊相互连通，形成了复杂的水生栖息地。从平面上看，长江中下游就像长藤结瓜，洪湖、洞庭湖、梁子湖、鄱阳湖等通江湖泊就像是长江藤上结的瓜，这样的江湖连通体系具有很高的栖息地多样性，适合不同生物生存，因而具有很高的生物多样性。西南河流两岸都是高山，不能形成 “长藤结瓜”。通过建设中型坝群可以形成 “串糖葫芦”，也具有较高的生物栖息地多样性。不同的物种或一个物种的不同生命阶段可以选择深水缓流的近坝库区，或者具有中等深度沙质河床的中部库区，或者水库之间的卵石激流河段。所以，在生态本底值不高的高山峡谷河流里，例如怒江，采用“串糖葫芦”式开发后生物多样性可以明显提高。原来适宜高山峡谷浅水湍急河流栖息地的生物群会被适应水库和深水栖息地的物种群替代，有些上下游迁徙的物种会消失。但是，“串糖葫芦”开发怒江这样的高山峡谷河流对生态的正面影响大于负面影响。
冲积河流防洪也要考虑消能
冲积河流是指泥沙沉积平原上的河流。在没有人类干扰的远古时代，河流从山区带来泥沙在下游沉积。河水在沉积平原上流淌，水流集中处冲刷变深，两边流速较慢、泥沙沉积使河岸变高，年复一年逐渐形成了深深的河槽和高高的河堤。随着人类社会的发展，所有的冲积河流大堤都被加强或改造了。冲积河流河床平顺坡降一致，获得势能与消能率相等，没有水头的积累和释放。一般说来，冲积河流能量小，自然边界的肤面摩擦和沙质推移质运动足以消减，所以不用人工结构消能。
冲积河流具有主槽和滩地的复式断面，自然条件下水流有一个极限流速。低流量时河水在主槽里流动，流速随着流量增加而增快。当流量达到平滩流量时，流速达到极限。超过平滩流量后流量进一步增加不能使流速再增快，河道通过增加河宽和过流断面面积来容纳增加的流量。从水流能量和消能率的角度看：超过平滩流量时水流的获得势能已经达到河槽的最大消能率，只能通过河滩边界的消能率来平衡增加的能量。图8显示东北辉发河五道沟站流速和流量的关系。流量小于500 立方米每秒时，流速随流量迅速提高，但是当流量大于1000 立方米每秒后，流速保持不变。实际上流量达到3000 立方米每秒的流速与流量1000 立方米每秒的流速都为1.7米每秒左右。不同的冲积河流极限流速不同，但是都在3米每秒以下。
冲积河流的边界是由泥沙组成的，当水流速度（或水流动能）很大时，河流边界会受到破坏。在洪水长期作用下自然形成复式河道断面，超过平滩流量河宽显著增大，使得水流速度维持在临界破坏值（极限流速）之下。近年来，人类开发河流占用滩地缩窄河道，使河流大洪水不能借助增加滩地边界消能来达到能量平衡，因而水流超过极限流速导致河床下切和河岸崩塌。
随着经济发展的需求，占用部分河滩地有时不可避免。在这种情况下必须考虑加以人工结构消能才能保证防洪安全。例如，建设碎石堰、丁坝群都可以提高消能率，更为简单的是在滩地上种植稀树林，增加单位面积滩地边界消能率。这样，就能使水流速度仍然保持在极限流速之下。由于河宽和流速都不能增加，因此洪峰流量的增加只能通过抬高水位来吸纳。所以，洪水水位会比较高，就必须抬高防洪大堤。决策者应该有清醒的认识，那就是洪水超过极限流速远比高水位更危险，那种让洪水低位高速通过的思想是错误的。因此，增加消能措施是开发利用河滩地的必备条件。