消能是防洪減災的關鍵

王兆印，中國首批博士學位獲得者，清華大學教授、國際泥沙研究培訓中心顧問委員會主席、國際期刊International Journal of Sediment Research主編、國際水利學會（IAHR）副主席及環境水利學分會主席、聯合國教科文組織國際泥沙項目專家指導委員會成員、世界泥沙研究學會（WASER）副主席，兼職多所國際大學外聘教授。2011年獲得漢斯·阿爾伯特·愛因斯坦獎，這是首位大陸籍華人獲此殊榮。

破壞自然消能結構導致山洪災害

近年來，我國山洪災害頻頻發生，造成了巨額經濟損失和大量人員傷亡。例如，2012年7月21日北京發生有記錄以來最大暴雨，房山、門頭溝、懷柔、密云、平谷暴發罕見的山洪，造成79人死亡和近百億元的經濟損失。這次山洪來勢異常迅猛，雖然洪水總量不大，但是拒馬河瞬時流量達到2580立方米每秒（紫荊關水文站），是1963年以來最大洪水流量。2013年7月10日，四川汶川、茂縣、理縣、臥龍等地區發生1937年以來最強降雨，岷江流域許多山區河流暴發特大山洪，造成大量人員死亡和巨額經濟損失，還引發許多滑坡泥石流災害。這次災害中，僅都江堰的中興鎮五里坡滑坡就造成43人遇難和118人失蹤。

數千年來，人類一直與洪水災害斗爭，已經擁有了豐富的斗爭經驗。隨著現代經濟的迅猛發展和機械化設備的大量使用，人類已經具備了改造河流的能力。但是，為什么洪水災害還會造成這么大的人員死亡和破壞呢？主要有兩個原因：一是人口增加和旅游業的快速發展，使許多洪水風險區被開發成居民點和建設基礎設施；二是為修建橋梁、公路、水利設施和娛樂設施需要采集建筑材料，而這些建筑材料大量取用了河道里的石塊，破壞了河流長期發育的自然消能結構。更有甚者，有人想當然地認為光滑的人工渠道具有更高的排洪能力，就把許多河流渠化，使得具有自然消能結構的河道被人工渠道所替代。當山洪的水流能量不能及時消減，其流速越快、破壞力就愈大，最終沖毀河岸、下切河床，引發崩塌滑坡和泥石流，使河流改道淹沒村鎮和道路。

在自然條件下，山洪沖刷河床時河流會自動發育一些結構來抗拒水流的沖刷，消減水流能量，阻止河床下切并使其逐漸穩定。這些結構是河床自然形成的消能結構。由于自然消能作用，一般沒有受到人類干擾的山區河流在洪水中仍然能保持相當的穩定性，很少造成災害。所謂消能是水流位能和動能轉化為湍流能和熱能的過程。山區河流如果沒有消能結構，能量會沿程逐漸增加，直到足以破壞河床和河岸。一般河床消能結構由大石塊構成，這些石塊在不同頻率洪水作用下不斷地調整位置，最終形成最穩定并且最有效消減水能的相互嵌合的結構。這些結構具有一定的形狀和相應的消能強度。常見的河床消能結構有階梯—深潭結構、肋狀結構、岸石結構、火焰石結構和石簇群結構等。圖1展示了四川鄧池溝的階梯—深潭結構，圖2為康定瓦斯溝的火焰石結構，其中瓦斯溝的水流已從上游引到大渡河邊的發電廠，所以從引水處到大渡河的河床直接暴露。階梯—深潭系統是最普遍最重要的自然結構。該結構可以消減水流60%～90%能量，使水流不能沖刷河床，可減少災害，改善生態。

2013年7月，汶川羌峰寨文化保護中心的劉陽打電話給我，說早先反對羌峰溝渠化卻無能阻止，現在羌峰溝遭受洪水侵蝕嚴重。我們趕到羌峰溝，看到渠化的羌峰溝已經被洪水沖毀，見圖3。2011年前羌峰溝發育了很好的階梯—深潭結構，由于結構有很強的消能作用，洪水速度慢，破壞力小，羌峰溝在罕見洪水中都能保持穩定，見圖4。2011年修建都汶高速公路，為提高兩岸支流排洪能力，把羌峰溝中大石塊構成的消能結構炸毀并改建成漿砌石的渠道。由于消能率減小，當年洪水就把渠道沖毀了。施工隊只好把溝墻溝床改建成由半米厚混凝土構成的光滑人工渠道，并對村民們說任何洪水都不會沖毀這樣堅固的渠道。然而，建成僅僅一年半，洪水便裹挾石塊高速沖擊渠道墻腳，撕裂了混凝土溝墻，洪水沖出渠道，沖毀溝邊一家房舍，造成一家4口3人死亡的慘劇。

目前防洪的主導思想是讓洪水快速通過，水位愈低愈安全，不考慮如何消減水流能量。對于平原沖積河流這種防洪思想基本是正確的。因為平原河流河床坡降很低，例如黃河下游河床坡降大約為萬分之一，長江下游只有萬分之零點三，所以洪水能量較低，只能裹挾淤泥和沙。但是對于山區河流，河床坡降比平原河流大幾十倍到幾百倍，洪水能量非常大，可以推動大卵石甚至幾十噸的巨石。如果不消能，那么山洪能量足以沖毀一切建筑物。如果沒有人類的干擾，河流自然發育相適配的消能結構，能夠保持相當的穩定。

但是，人們在山區建設中有意無意地破壞了消能結構，改變了河流自身能量與消能相互適配的狀況，因而造成災害。例如，岷江修建公路和其他基礎設施，把河床上阻擋水流的石塊打碎，用作建筑材料。公路和橋梁建設者認為，河床上大石塊阻水，導致水位抬高，威脅橋梁公路，所以把石塊清除，甚至改用光滑混凝土抹面改造河床。岷江河床上起著重要消能作用的石塊被清除后，水流能量不斷增大，淘刷河岸引發滑坡泥石流，堰塞河道使洪水突然改變流向，淹沒村鎮，見圖5。為了保護大橋人們把石亭江自然河床改造成混凝土抹面的河床，由于水流經過時不能消能，沿途能量激增，水流撕裂河床河岸、沖刷下切6米多，見圖6。

河流治理要做能量概算

山區河流的開發和治理工程都不可避免地改變了河流的能量分配和消能率分布。從河流綜合管理的角度，考慮河流利用、消能減災和生態保護，一定要做河流的能量概算。所謂河流能量概算就是對河流的水能分布和消能率分布有一個宏觀的對比并對兩者之間的適配進行評價。水流通過一個河段時，如果水流所獲得能量大于各種阻力消能，將使水頭沿程增加并以水流動能（速度）或者相對位能（相對高度）形式儲存。如果水頭不能得到消減，最終會導致河床河岸的破壞。河流治理工程要考慮使河段消能強度達到或超過水流獲得勢能才能保證防洪安全。

在河流能量概算中，有三個能量概念很重要：

（1）獲得勢能。一條河流里水流運行單位距離從重力勢能里獲得的能量為獲得勢能。

（2）消能率。水流單位距離由于膚面摩擦、搬運泥沙卵石以及河床結構消能而消減的能量為消能率。山區河流里，膚面摩擦相對于結構消能和輸沙消能很小，可以忽略。但是平原沖積河流沒有河床結構，輸沙耗能也小，膚面摩擦是消能的重要組成。

（3）水頭。水頭是可以利用（如發電）或造成邊界破壞和災害的水能，包括流速水頭和位能水頭，位能水頭是相對于河段平均河床縱剖面線的水體位能。如果獲得勢能大于消能率，水頭沿程積累增加，增加到一定程度如果不能利用就必須消減。

山區河流建壩，水庫里河床結構被淹沒，推移質輸沙停止在上游，消能率比獲得勢能小得多，水頭沿程增加，到壩址水頭增加到最大。水頭通過發電廠大部分轉化為電能，剩余部分通過大壩消能結構消減。大壩消能方式包括水躍、階梯、射流等，只有足夠的人工消能結構才能保護大壩安全。穩定下來的堰塞壩與水電大壩相似，只是全部水能都要通過自然消能結構消減。堰塞壩消能段比人工大壩消能段長得多，有很高的消能率，可以快速消減有效水頭。堰塞壩上游水流只能維持攜帶細小泥沙，常常形成寬闊的以沙和淤泥為河床質的辮狀河型。從細觀上講，堰塞壩消能段的消能率也不是均勻分布的。消能段一般都是具有大石塊組成的階梯—深潭結構的陡坡河段。階梯之間有一定的間距，階梯之間消能率較小。但是，在階梯上和深潭里，水能通過跌水和水躍迅速消減。

許多山區河流河床坡降大，山洪來臨時水流能量很大、破壞力很強。在自然條件下大部分河段發育了消能結構。在這樣的河流里建設渠化工程，就會破壞消能結構，在相當長的河段里消能率小于獲得勢能，水頭始終不斷增加，最后超過渠道臨界破壞值，就會沖潰邊界導致災難。大約270年前，清朝的主要銅產地在云南小江流域。為了運輸滇銅，人們在金沙江岸上開辟棧道，人背馬駝，長距離搬運，異常艱辛。云貴總督張允隨建議開辟金沙江航道，用船只從小江口運輸滇銅到宜賓。這項議案得到乾隆皇帝的大力支持，張允隨炸碎江中礁石，清除大石塊，在金沙江下游形成了比較平順的航道。但是，他們萬萬沒有想到，清除礁石和石塊大大減小了消能率，使得水頭沿程逐漸積累增大。高強度水流沖刷河岸導致岸坡崩塌和滑坡，堵塞航道激起涌浪掀翻船只。最后，運輸滇銅的金沙江航道僅僅運行了半年就被迫關閉了。

河流治理中要保護消能結構以保持較高的消能率。我們在北京2012年“7·21”暴雨洪水發生后第二天就進山測量，發現一些保存消能結構的小河基本保存了原來的地貌和生態。而大多渠化后形成的光滑溝床的小河被山洪沖毀。如果河流開發治理必須改變河床河岸，那么人工邊界的消能率必須與自然條件下的差不多。我在歐洲和北非曾看到，人們采取在渠化河岸表面粘貼大石塊的方法提高消能率，使高速水流不能近岸，使水流能量不能逐步積累沖毀河床、河岸。我的課題組在云南吊嘎河和四川地震區文家溝建設人工階梯—深潭系統，就大大增強了消能率，基本控制了水流下切和河岸沖刷，顯著減少了崩塌滑坡和泥石流災害。

“串糖葫蘆”梯級開發有利于消能減災

中國西南河流水能大，災害性強，同時開發利用價值高。水電開發將水能轉化為電能，洪水期多余能量可通過大壩消能結構消減。把西南河流致災能量轉化為電能既能發展經濟又可減少災害。但是高壩大庫減災作用小，生態影響大，有的情況下大壩下游清水沖刷引發的災害也很嚴重。例如三峽大壩泄放清水沖刷使下游河床下切了十幾米，導致長江與洞庭湖的水沙交換顯著下降，對生態環境造成很大的影響。另外，我國西南河流引水式發電很普遍，這對生態的破壞是致命的。由于發電時引水壩到發電廠之間的河段基本沒有水流，因此大部分水生物種就不能生存。

我國在西南河流上建設中型壩群，水庫一個連接一個，平面上看就像“串糖葫蘆”，見圖7所示。“串糖葫蘆”在開發水電的同時可以控制水流下切減少洪水災害。河流變成一個個水庫，水頭通過大壩變成電力，從一個水庫泄放的清水很快流入下游庫區，不會對河床河岸造成沖刷。從整個河段看，河流形成的侵蝕基準面整體抬升，大大減小了崩塌滑坡勢能，因而具有很好的減災效果。長江流域生態比黃河流域好得多，主要原因就是長江與無數湖泊相互連通，形成了復雜的水生棲息地。從平面上看，長江中下游就像長藤結瓜，洪湖、洞庭湖、梁子湖、鄱陽湖等通江湖泊就像是長江藤上結的瓜，這樣的江湖連通體系具有很高的棲息地多樣性，適合不同生物生存，因而具有很高的生物多樣性。西南河流兩岸都是高山，不能形成 “長藤結瓜”。通過建設中型壩群可以形成 “串糖葫蘆”，也具有較高的生物棲息地多樣性。不同的物種或一個物種的不同生命階段可以選擇深水緩流的近壩庫區，或者具有中等深度沙質河床的中部庫區，或者水庫之間的卵石激流河段。所以，在生態本底值不高的高山峽谷河流里，例如怒江，采用“串糖葫蘆”式開發后生物多樣性可以明顯提高。原來適宜高山峽谷淺水湍急河流棲息地的生物群會被適應水庫和深水棲息地的物種群替代，有些上下游遷徙的物種會消失。但是，“串糖葫蘆”開發怒江這樣的高山峽谷河流對生態的正面影響大于負面影響。

沖積河流防洪也要考慮消能

沖積河流是指泥沙沉積平原上的河流。在沒有人類干擾的遠古時代，河流從山區帶來泥沙在下游沉積。河水在沉積平原上流淌，水流集中處沖刷變深，兩邊流速較慢、泥沙沉積使河岸變高，年復一年逐漸形成了深深的河槽和高高的河堤。隨著人類社會的發展，所有的沖積河流大堤都被加強或改造了。沖積河流河床平順坡降一致，獲得勢能與消能率相等，沒有水頭的積累和釋放。一般說來，沖積河流能量小，自然邊界的膚面摩擦和沙質推移質運動足以消減，所以不用人工結構消能。

沖積河流具有主槽和灘地的復式斷面，自然條件下水流有一個極限流速。低流量時河水在主槽里流動，流速隨著流量增加而增快。當流量達到平灘流量時，流速達到極限。超過平灘流量后流量進一步增加不能使流速再增快，河道通過增加河寬和過流斷面面積來容納增加的流量。從水流能量和消能率的角度看：超過平灘流量時水流的獲得勢能已經達到河槽的最大消能率，只能通過河灘邊界的消能率來平衡增加的能量。圖8顯示東北輝發河五道溝站流速和流量的關系。流量小于500 立方米每秒時，流速隨流量迅速提高，但是當流量大于1000 立方米每秒后，流速保持不變。實際上流量達到3000 立方米每秒的流速與流量1000 立方米每秒的流速都為1.7米每秒左右。不同的沖積河流極限流速不同，但是都在3米每秒以下。

沖積河流的邊界是由泥沙組成的，當水流速度（或水流動能）很大時，河流邊界會受到破壞。在洪水長期作用下自然形成復式河道斷面，超過平灘流量河寬顯著增大，使得水流速度維持在臨界破壞值（極限流速）之下。近年來，人類開發河流占用灘地縮窄河道，使河流大洪水不能借助增加灘地邊界消能來達到能量平衡，因而水流超過極限流速導致河床下切和河岸崩塌。

隨著經濟發展的需求，占用部分河灘地有時不可避免。在這種情況下必須考慮加以人工結構消能才能保證防洪安全。例如，建設碎石堰、丁壩群都可以提高消能率，更為簡單的是在灘地上種植稀樹林，增加單位面積灘地邊界消能率。這樣，就能使水流速度仍然保持在極限流速之下。由于河寬和流速都不能增加，因此洪峰流量的增加只能通過抬高水位來吸納。所以，洪水水位會比較高，就必須抬高防洪大堤。決策者應該有清醒的認識，那就是洪水超過極限流速遠比高水位更危險，那種讓洪水低位高速通過的思想是錯誤的。因此，增加消能措施是開發利用河灘地的必備條件。