童潛明:從2020年長江全域洪災對中下遊防洪的戰略分析

2020-12-11 騰訊網

三峽水庫2003年運行後至今發生了2009年、2010年、2016年、2017年、2018年、2020年的大洪水和特大洪水。2020年之前的大洪水通過三峽水庫統籌安排「攔、分、蓄、滯、排」等措施,實現了對洪峰的攔洪、削峰、錯峰,有效地避免了上遊洪水與中下遊洪水的洪峰疊加給沿岸人民造成的災難,三峽水庫的防洪效益得到了充分的證明。2020年長江全流域的洪災,雖然現在還沒有結朿,但可以肯定是三峽水庫運行後最嚴重的洪災。現在看來,洪災雖然給長江流域,特別是下遊造成了很大的損失,但是是可控的。所不同的是之前的歷史上任何一次特大洪水總是處於風口浪尖的中遊地區的荊江和洞庭湖,這一次相對下遊就沒有那麼緊張了,國人最關注的是鄱陽湖及其以下地區。

為什麼2020年長江中遊洪災被緩解而長江下遊洪災很嚴重?又應該有怎樣的防洪戰略對待長江中下遊的洪災?

1、長江中、下遊洪災的發生和消災的自然原因

長江流域水的大量和一時集中是形成洪水的自然條件

一是降水量大,年均降水深1067mm,遠遠超過全國的650mm和亞洲的740mm。

二是降水的地區分布不均,全流域年降水深>1600mm有四川盆地、大巴山、湖南和江西;

三是有暴雨,日降水量>50mm為暴雨,100~200mm為大暴雨,暴雨區集中分布在江西、四川盆地、湘西北、鄂西南、大巴山和大別山;

四是降水年內集中,60~80%降水量集中在5~8月。

因此上述四點,可在短期內(汛期)有大量降水集中而成為洪水。

具有洪水難入海發生洪災的構造地形條件

陳國達院士等將我國的構造地形分為第一、二構造隆升帶和第一、二構造沉降帶,由構造地形造成了我國的階梯地形。

中國的階梯地形

長江發源於亞洲腹地的高、中山區,即第一、二級階梯,海拔高程3500~5000m到500~2000m;

中遊處於第二沉降帶河湖平原區,即第三段階梯海拔高程<100~25m;

下遊進入第一隆起帶的低山丘陵區,海拔高程200~500m。

如此整個長江流域處於高、低、次高這一構造地形背景中,而且在現代及將來一段地質年代裡這種高、低、次高的構造地形還有加劇的趨勢。

長江流域地形剖面示意圖

長江流域的這種高、低、次高地形特徵,形成了長江水面的比降由上遊到下遊呈數量級次的降低:上遊比降很大,大於0.2‰;中遊比降迅速變小:荊江段為0.0557‰~0.0360‰,城陵磯至湖口段為0.0216‰;下遊比降更小:湖口至安慶為0.0213‰,安慶至南京為0.0188‰~0.0144‰,南京以下只有0.0097‰。因此長江的這種水面比降,一旦有洪水就可從上遊直瀉中遊,之後難以入海就形成了中下遊地區洪水「易進難洩」或「易吞難吐」的局面,於是就造成了長江流域中下遊地區的洪災,首當其衝之地則是在中遊荊江和洞庭湖。

「調蓄洩洪自然體系」破解洪災

自然界是公平的,既然造成了洪災的自然條件,也就會共生破解洪災之自然條件。就如一位法國地理學者考究了長江中、下遊流域的地理環境之後,感嘆的那樣:「上帝給了中國一條舉世無雙的大江及與之相配套的兩岸湖泊,從而使她不像恆河、印度河、尼羅河那樣有更多更嚴重的水患」。

相配套的兩岸湖泊是雲夢澤、洞庭湖、彭蠡澤、鄱陽湖、太湖、洪澤湖、巢湖,以及無以數計的大大小小的湖泊。這些湖泊就是容納洪水的空間場所,即裝過量洪水的「水袋子」。

在長江中遊最著名的「水袋子」就是荊江南北兩岸的洞庭湖和雲夢澤,在相當長的歷史時期內輪流「坐莊」,而每次都是湖容更大的那一個,義不容辭地承載來自荊江的洪泛,從而破解了一次次的洪災,維繫了長江中遊生態環境的良性發展。為此我曾將一江兩湖降解洪災的組合稱為「調蓄洩洪自然體系」。

雲夢澤與洞庭湖在春秋時期(左)、南北朝時期(右)

雲夢澤與洞庭湖在南宋時期(左)、明清時期(右)

在長江下遊進入江西境內有彭蠡澤與鄱陽湖這兩個「水袋子」構成的另一個一江兩湖的「調蓄洩洪自然體系」。

荊江與雲夢澤、洞庭湖和長江與彭蠡澤與鄱陽湖的「調蓄洩洪自然體系」

彭蠡澤在司馬遷的《史記·封禪書》中有所記載,說漢武帝元封五年(公元前106年)南巡:「浮江,自尋陽出樅陽,過彭蠡」。漢時尋陽在今湖北黃梅西南,樅陽即今安徽樅陽,均在長江北岸。可見古彭蠡澤為江水所匯,其範圍東西綿延近一百公裡,南北寬度約二十公裡,與長江南岸的鄱陽湖隔江相對。在今天,江北的這片湖群自西向東依次被稱作龍感湖、龍湖、大官湖、黃湖、泊湖等。

儘管自然的降水和地形條件在長江中、下遊會發生洪災,可也是自然使兩岸的湖泊構成了「調蓄洩洪自然體系」,從而使長江中下遊的生態平衡發展,成為世界文明發源地。

2、長江中下遊洪災頻發的人為原因

「調蓄洩洪自然體系」的關鍵是必須有一個較大的湖作為「水袋子」裝過剩洪水,才能調蓄洪水。但是後來一江兩湖組合的「調蓄洩洪自然體系」不再是由自然作用主宰,而大大加入了人為作用。

荊江與雲夢澤、洞庭湖「調蓄洩洪自然體系」的人為破壞

由於荊江「北岸穴口盡堵」,「大水袋子」的雲夢澤退出「調蓄洩洪自然體系」,僅由「南岸四口分流」的「小水袋子」洞庭湖來承擔。而且因長江泥沙擠入湖容日益萎縮,加之在泥沙淤成的洲灘上造田,洞庭湖面臨消亡危運,一個時期「雲夢澤的今天就是洞庭湖的明天」成了湖南研究洞庭湖的主流認識。因此「調蓄洩洪自然體系」破壞,荊江和洞庭湖區洪災頻發。如何解決洪災問題,採取了兩大舉措:一是加高加固堤防,洞庭湖從漢文帝時圍樊陂造堤到現在,造了多少次堤,加起來的堤有多長,恐怕是一個無法搞清的天文數字。可是堤對防洪確實起了很大作用,有些田垸用「固若金湯」形容並不為過。二是在荊江段,主要是下荊江段「裁彎取直」,原本是要加快洩洪速度防止洪災,可事與願違,雖然減少入湖泥沙增加湖容有利防洪,卻把那些本是淤積在洞庭湖的泥沙搬運到城陵礬以下河段,水利學家李義天稱「泥沙搬家」。這一搬家堵住了洪水出口,故1998年洪水沒1954年大,城陵礬水位卻比1954年高,反而加重了洪災。

長江與彭蠡澤和鄱陽湖組合的「調蓄洩洪自然體系」彭蠡澤消亡

彭蠡澤湖面成為今天從武穴至安慶的江岸平原。人們在這塊古彭蠡澤衝積平原的土地上,耕讀漁樵、繁衍生息,把古彭蠡大地建設成了今日的魚米之鄉,彭蠡澤也就消亡了,使長江與彭蠡澤和鄱陽湖組合的「調蓄洩洪自然體系」不復存在,也就不可避免地頻發洪災。

3、2020年洪災對今後防洪戰略的啟示

順應自然才能消減洪災

解決長江中、下遊流域的洪災,只能順應自然恢復「調蓄洩洪自然體系」。三峽水庫就是順應自然規律的偉大工程,它就是一個「一江兩湖調蓄洩洪自然體系」中的「大水袋子」,就是昔日的雲夢澤「大水袋子」「搬家」到長江上遊。對於長江中下遊來說,就是「拒敵於千裡之外」。三峽水庫庫容是393億立方米,洞庭湖湖容是它的50%多一點,鄱陽湖是它的66.2%。現在無法估算雲夢澤的「澤容」,但三峽水庫相當於兩個洞庭湖,它足可以擔當昔日雲夢澤「大水袋子」的大任。恢復了「調蓄洩洪自然體系」,運行以後包括2020年的洪災,事實已經證明能夠保障長江中遊的生態平衡良性發展。

三峽水庫距洪水於千裡之外

三峽大壩穩於巫山不可摧毀

2020年洪災是很嚴重的,近半個月來,網絡的熱點已從新冠肺炎轉移到防控洪災了,提出了三峽大壩能抗拒洪水衝擊的問題,這個問題除了別有用心者心懷不軌外,也確有人擔心,可是這種擔心毫無必要。

我國有句成語叫「穩如泰山」,多形容高大建築物的堅固,不可摧毀,也形容人在緊急情況下的鎮定、堅強,從容不迫,臨危不懼。藉此成語之意,以「穩如巫山」說明三峽大壩的不可摧毀。

建三峽水庫是孫中山先生首先提出來的,在建庫之前,集中外工程地質專家,第一項任務是選壩址,通過100年努力選了現三角坪壩址。

壩址基巖為花崗巖,一是巖石堅硬,結構均一,力學強度高:

飽和抗壓強度高達100兆帕,即可抗相當於1萬米的水柱壓力;

巖石透水性微弱,單位吸水量小於0.01升/秒,這在國內外的壩址巖石中是很少見的。

二是所處的黃稜背鈄構造,基底巖石中無活動性斷層,沒有孕育中強地震的發震構造。因此三峽大壩壩址是一個穩定性很高的剛性地塊,用目前世界最先進的工藝用了1600多萬立方混凝土和鋼材澆注的混凝土重力壩與巫山結合一體,穩如巫山。同時壩體壩內配有77個孔,按不同高度依次稱溢流表孔、洩洪深孔和導流底孔。

如此建成的三峽大壩怎麼可能被洪水衝垮!

恢復江西長江兩岸彭蠡澤和鄱陽湖「調蓄洩洪自然體系」的可能性

2020年的洪水主要肆虐在鄱陽湖及其以下長江流域,防洪的重心轉移到了長江下遊,要消減洪災就要順應自然恢復長江與彭蠡澤、鄱陽湖「調蓄洩洪自然體系」。如果要像建設一個水庫那樣來替代彭蠡澤,從自然條件講是不大可能的。但是可以根據自然條件,在鄱陽湖水系和長江北岸發源於大別山的水系建設大、中、小的水庫系統,「集毛成裘」在豐水期對洪峰削峰、錯峰和攔洪,在枯水期抗旱是一個重要選擇。在這次抗災中,水利部組織了以三峽水庫為核心的41座水庫對削峰、錯峰起了很大作用。

水文學及水資源學家王浩院士認為:汛期防洪壓力主要來源於一個國家水庫的蓄水能力。比如,表示一個國家水庫蓄水能力與河川徑流量之比的庫容係數,歐洲國家通常是0.9以上,美國是0.66,而我們中國目前還不足0.3。水庫蓄水能力不足的直接後果就是我們要在主汛期不斷的抗洪搶險,而在非汛期伏旱天則面臨供水不足的困境。我國近年來在西南地區還是修建了不少世界級大壩,然而,由於這些水庫大壩大部分修建於峽谷地帶,雖然具有較強的發電能力,但水庫庫容並不大。比如,雖然三峽水庫在水電站領域位於世界前列,但其有效防洪庫容(221.5億m )的全球排名卻在20以後。長江流域年徑流量為9513億m ,遠遠大於三峽水庫的有效防洪庫容。因此,三峽水庫在主汛期應對洪水的方法是削峰填谷,卻沒有攔截全部洪水的能力,在汛期仍然需要洩洪。就自然角度來講,黃河流域年徑流量約為580億m ,與長江流域相比規模相差甚遠。就水利工程庫容來看,黃河中上遊從龍羊峽到小浪底,目前已基本建成的水利工程有效庫容達450億m ,黃河流域有效庫容與黃河年徑流總量的比值為0.775,因而能夠很好地防禦黃河洪水,但長江三峽有效庫容與長江年徑流總量的比值僅為0.023,從數據上則不難看出三峽水庫的防洪攔蓄壓力。

借鑑國外和囯內黃河抗洪災的經驗,順應自然解決長江中下遊的洪災問題,大小江河修建水庫提高庫容係數是非常重要的選擇。

按「庫容係數」的概念調整退田還湖和洩洪區的建設

2020年洪災不少人將退田還湖和洩洪區的建設又提到了很重要的議事日程上,這是對的。實際上退田還的湖和洩洪區就是修建「平原水庫」,其蓄水能力與長江徑流量之比對長江的庫容係數有多大貢獻,是需要慎重研究的。這些「平原水庫」不是切斷河床的永久性水庫,可說是活動性水庫,有點「養兵千日,用在一時」的味道,問題是如何科學合理地對待千日的養兵,這就需要人類的智慧了,如何在大、特大洪災時容納洪水,而一般洪災時仍為垸田。要建設具有協助解決長江中下流洪災特點的平原水庫建多少?如何建設也需要研究。

總之要解決長江中下遊洪災的任何戰略舉措必須遵循自然規律,這是2020年這一場還沒有結朿的嚴重洪災給我們的教訓和啟示。

(作者單位:湖南地質研究院)

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