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科普中国科普融创 x 星球研究所

联合发布

2020年入汛以来，大气环流异常，长江流域和黄河上游地区降水偏多，多省发生较大洪水，超过5400万人次受灾， 一场人与水的战争正在进行。 

洪水环绕南京八卦洲  | 7月18日，长江南京段洪水创历史新高，全市启动一级响应。八卦洲是长江中的一个岛，现已被洪水围困。图源@人民视觉

年轻的战士们冲上堤防，火热的青春在泥浆和洪水中涌动，混合着土黄色的救生衣红，成为这个夏季最让人安心的色彩。

守卫堤防的武警官兵  | 迷彩绿，救生衣红，泥浆黄，组合出洪水季里令人心安的色彩。图源@人民视觉

然而，每每看到年轻的战士们在泥水里奔波，在烈日下被晒得爆皮，不免令人心疼。都2020年了， 为什么 抗洪还是这么难？还需要我们的战士如此辛苦？

江西鄱阳县昌洲乡西河的决堤现场   | 抗洪难，低等级堤防抗洪更难。图源 @人民视觉

我们面对的究竟是怎样一个敌人？

它强大而且狡诈，从两条战线向我们发起进攻。 正面战场 上 ， 动辄造成大水漫堤之势， 一遍遍冲击我军阵地； 还会派出大量的 特种部队， 执行机动性极强的破坏袭扰，一不留神便会里应外合突破堤防，令人防不胜防。

 01 

正面战场：漫堤的大水

不 断飙升的水位是河堤的死敌。

别小看河堤顶底之间的几米或十几米落差，它足以让越过堤面的洪水快速流动，在土堤斜坡上快速冲刷出 小坑、陡坎。

洪水漫溢大堤  | 洪水越堤的冲刷会产生巨大的破坏。注意图中河堤已经开始出现坑洼。图源@视觉中国

继续发展下去，小坑和陡坎会连成 冲沟 ，洪水汹涌而出， 很快就会撕开堤防 [ 1-4] 。

从漫堤到决堤的过程  | 漫堤以后，水流首先冲出陡坎和小坑，随后连接扩大成冲沟，发生溯源侵蚀，向后切开大堤，最终决口。图源@文献[3]

7月17日，湖北恩施遭受特大暴雨袭击，清江水位剧烈上升，城区范围内的堤防 一度遭遇漫堤险情 。

湖北恩施清江发生短暂漫堤  | 受暴雨和上游水库紧急泄洪影响，清江水位暴涨，7月17日下午一度漫过河堤，淹进了清江水岸社区，许多汽车被淹。图源@人民视觉

幸运的是，城区河堤的表面大都经过硬化改造，仅持续数小时的漫堤水流未产生明显破坏。 但如果是 土堤 遭遇漫堤，后果可能会十分严重。

洪水漫溢引起的决口和冲刷  | 漫溢对土质水坝下游一侧造成了强烈冲刷，最终引起决口。该事件发生于1977的美国宾夕法尼亚州。图源@文献[38]

正面进攻的洪水固然危险，但只要做好水情监测，组织上游水库群拦截洪峰、 动员 力量加高堤防、 必要时合理调用分蓄洪区 ，保证堤比水高，这样的险情完全可以人为化解。

用泥土、沙袋等材料构建 临时小堤 ，即 子堤 ，就是有效化解漫堤风险的一种手段。

空军官兵抢筑子堤  | 7月13日中午，在江西九江的江洲镇，空军官兵抢修子堤，抵御漫堤。江州镇位于长江的一个江心岛上，今年汛期呼吁在外游子回乡抗洪，一度名声大噪。图源@人民视觉

1998年洪水期间，湖北的各类河堤及湖堤上，一共修筑子堤1147km， 其中723km直接挡水，挡水率63.03% 。

放眼整个长江中下游，3578km水位超警的长江大堤上，一共修筑子堤830km， 其中 350km直接挡水 ，挡水率42.17% [5-7] 。

然而，子堤对于水下的敌人却无能为力。波浪和暗流在迎水坡冲刷堤身，在缺少防护（如碎石护坡、混凝土护坡）的堤段，长时间的冲刷很容易掏空大堤，形成 崩岸险情 [8-9] 。

人们可以投掷一些消减水流的材料，从碎石到树枝，甚至是稻草堆和防水布，都可以减轻冲刷。

官兵使用稻草堆消减波浪  | 7月18日，天气预报显示洪湖湖区有6级大风。为防止风浪越堤及冲刷堤防，战士们在迎水一侧设置稻草堆，堤面构建子堤，以减轻风浪影响。图源@人民视觉

崩岸会直接破坏大堤结构，需要立刻用沙袋和石料加固，必要时还要打木桩加固。

处置崩岸险情  | 2016年07月21日，江西鄱阳双港镇张家圩（wéi）大堤发生崩岸险情，官兵们正在紧急处置。图中可见迎水一侧有近乎垂直的崩塌面。图源@人民视觉

总的来说，人们在抗洪的正面战场处于被动的位置， 而且这些防御手段多数无法通过机械完成。

被长期浸泡的大堤十分松软， 在规模较小的河堤 投入重型机械可能损坏堤身 ，一般仅能用小型机械在大堤上搬运物资、装填沙袋。在搭建子堤时，仍需要投入大量人力。

农用车运输沙土，战士搭建子堤  | 使用沙袋装填沙土搭建子堤，防渗和稳定效果优于直接堆土，并且在堆放时也有注意事项，所以机械现在还难以取代人力。图源@人民视觉

除了要投入重兵外，还要进行24小时不间断的巡视，才能在第一时间发现险情并加以处置。但这样就足够了吗？

远远不够，因为 洪水真正的杀手锏，从来不在正面战场。

 02 

特种作战：渗流的浑水

孙 子兵法云，“ 凡战者，以正合，以奇胜 ”。水位攀升造成的漫堤、风浪、崩岸险情从不屑于隐蔽自己，是为“正”；人们修建子堤和及时护岸就能经常打成平手，是为“合”。更大的凶险，来自洪水的“奇招”： 渗流 。

堤防中典型的两种渗流破坏  | 发生在堤身的渗水/漏水洞，和发生在地基的管涌，是河堤的两大类渗流险情，十分危险。底图@文献[10]

在世界各地，人们普遍使用泥沙和石料堆筑河堤，本质上是将无数泥沙颗粒堆积起来，颗粒间充斥着无数微小孔隙， 使 河堤天然具有渗水性。

洪水季节，水逐渐渗入泥沙孔隙，在堤内缓缓 渗流。时间一久， 整个河堤都被渗流浸湿后，大堤背水一侧自然会出现渗水。

高水位浸泡堤身时的河堤渗水示意图  | 在长时间高水位浸泡下，大堤逐渐被浸透，最终在背水坡下部产生渗水。制图@云舞空城&郑伯容/星球科学评论

如果渗水量小、流速缓慢、水质清澈 ，意味着没有堤内泥沙被带出，大堤内部未发生冲刷破坏，做好排水和监视，准备临时反滤体即可。

官兵在大堤背水侧用碎石和沙包修筑临时反滤体  | 反滤体可以阻止渗水带走泥沙，保护大堤结构。渗出的清水则通过水沟排走。图源@东部战区微信公众号

如果渗水量很大，则说明大堤已经被浸透，机械强度会显著降低。此时，如果河堤的设计本身不够合理、具有潜在结构损伤（如蚁穴、裂缝等）、 有超重机械在堤顶作业时 ，就很容易在河堤背水侧产生 滑坡、脱坡 险情。

渗流引起的拦河坝滑坡  | 今年5月20日，美国密歇根州 Edenville 土坝在被长期浸泡后，因渗流剧烈引发滑坡，最终导致溃坝，下游多处城镇受灾。该坝建于1925年，是 没有防渗设计的 均质土坝，技术上早已落后 。 图源@Lynn Coleman / MLive / Earther，文献 [11-12]

好在这类险情与崩岸类似，比较容易发现， 及时加固也可以排除险情 。

堤防 背水面 发生滑坡险情   | 7月17日，安徽安庆怀宁县凉亭乡三鸦寺湖堤背水侧发生滑坡，官兵们紧急处置，避免了溃决 。图源@ 人民视觉

当渗流逐渐变强， 泥沙也会被带出 ，清水变成浑水。此时，堤身开始 自背水侧向迎水侧产生空洞 ，如不及时排除，会很快形成贯通堤身的 漏水洞 ，大堤被冲开只需要很短的时间。

漏水洞引起决堤的实验  | 在这个实验里，由于河堤的规模很小，从a到e只用了13分钟。在实际河堤里时间会长一些，但仍属于“较短时间”的范畴。图源@文献[3]

比浑水渗流更隐蔽、更危险的险情，则是发生在地下的 管涌 。它不仅与高水位长期浸泡有关， 还与河岸的地质条件有关 。

以长江在湖北境内的荆江段为例，江岸的地层由若干 强透水层（砂层） 和 弱透水层（泥层） 混杂组成，它是自然演化的结果，但也正是这样的地质结构，使河水能够在地下通过透水层向堤后渗透，直接造成了管涌风险。

剧烈涌出浑水的管涌险情  | 管涌时，大量地下泥沙随浑水流出，逐渐掏空地下，造成大堤失稳滑塌，容易形成决堤。图源@央视新闻直播间

还记得中学物理书上的U形管吗？连通U形管两端的水面，总是趋向于达到一样的高度。 只要大堤外的水体保持高位，地下又存在较强的透水层时，就相当于构成了一个巨型的“U形管”， 洪水就一定会有从地下透水层向上涌出的趋势。

管涌破坏堤防的过程示意图  | 管涌时，大量地下泥沙随浑水流出，进而掏空地下，造成大堤失稳垮塌，引起决堤。透水层一般指砂层，而不透水层指泥层或粘土层。底图@文献[13]

而覆盖在砂层上的泥土，就像阻挡两侧水位变平的那个闸门， 压制着水流从地下涌出 。当这种压制一旦被冲破，管涌会和漏水洞一样首先流出清水，逐渐变成浑水，进而掏空地下泥沙，使大堤失去支撑而垮塌 [14-17] 。

官兵们处置管涌险情  | 7月16日，江西九江永修县，武警官兵正在运用反滤围堤排除堤脚的管涌险情。图源@人民视觉

可以说， 管涌是一种因河堤而生，以毁灭河堤而终的专属现象。 它们往往会成群出现， 造成大段河堤变形、沉陷、垮塌，在很短的时间内引发决口，是最凶险的一种险情，堪称“ 大堤杀手 ”。

管涌群掏空地基示意图  | 成群出现的管涌隐蔽性强，破坏性大，防不胜防。文献[18-19]

1998年，长江中下游地区的大小堤防发生较大险情1702处，其中有872处都是管涌， 占总数51.2% ；长江干堤发生较大险情698次，其中管涌366次， 占总数52.4% ；在具有溃决风险的34处重大险情里 ，有19处都 是管涌或管涌群， 占总数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决堤事件 ，如湖北咸宁市嘉鱼县簰（pái）洲湾的决堤由管涌群引起，高建成等19名解放军官兵不幸牺牲 [20-22] 。

九江决堤也由强烈管涌引起。由于人们排险失败，管涌不断掏空大堤的地基，叠加一些其他的质量缺陷， 最终在发现管涌的40分钟后，大堤开始塌陷变形，引起防洪墙决口，随后便彻底溃堤 [23-24] 。

1998年九江决堤后的沉船堵口现场  | 除了因偷工减料被痛骂做豆腐渣工程外，九江大堤决口的主要原因是管涌控制失败。在堵口现场，人们一共凿沉了8条满载砂石的驳船来减缓水势。图源@视觉中国

更麻烦的是 ，管涌行踪不定， 出现位置受地下砂层的分布规律控制，虽然常以堤脚50米以内的区域为主，但也可以出现在数百米以外的位置 [14] 。 农田、沟渠、水塘、湖泊甚至建筑地下室等环境 ，都可能产生管涌，没有明确的规律。

出现在水塘里的管涌  | 官兵们组成人链，传递沙包构筑反滤围堰。后方田埂上的官兵背后，可以隐约看到远处的河堤。图源@人民视觉

于是， 复杂地形下的人力巡视 ，成为了抗洪战斗中的关键环节。人们不仅要巡视堤身寻找渗水，还要在堤脚向外延伸几百米的范围里寻找管涌，然后快速机动到险情位置加以处置。

巡堤人员正在河堤背水侧巡视  | 这样的巡视，可以及时发现潜在的漏洞、滑坡、塌陷及管涌危害。但管涌的发生部位，并不局限在堤身和堤坡底部，还需要加大巡查范围。图源@人民视觉

一些物探设备也开始用于河堤探伤和日常检查，帮助人们快速、准确地发现潜在侵蚀通道。

运用探地雷达检查河堤  | 7月29日，安徽地矿局技术人员运用物探手段巡查河堤，可以在险情发生前就检测到河堤内部是否发生破坏，先敌制胜。但这种办法对场地存在一定要求。图源@人民视觉

一旦发现漏水洞和管涌险情，处置它们是 很有技术含量 的工作。人们需要根据 “ 排水保泥 ” [25-29] 的原则进行操作 ， 快速 搭建具有特定结构的 反滤体 ，让清水能够正常流出，泥沙却得到保留，从而维持河堤或地基的结构稳定。

反滤围堰压制管涌示意图  | 沙袋垒起的反滤围堰内，应自下而上充填一定厚度的粗砂、碎石和大石块，这样可以压制泥沙涌出，保护地基安全。反滤围堰也可用于堤身漏水洞的排险，位置不同，但原理是一样的。制图@云舞空城&郑伯容/星球科学评论

而对于漏水洞，它的进水点位于迎水坡的堤身，比管涌更浅。如果条件合适，还可试着派潜水员堵住漏洞，快速消除险情。但是， 潜水员有被漏水洞吸入的危险 。

潜水员探寻漏水洞的洞口  | 横穿大堤的涵闸、管线、建筑与泥土的接触部位，容易发生浑水渗流。图为潜水员寻找一处涵闸接触漏水的进水口。图源@人民视觉

总之，抗洪军民既要做到 全天候不间断巡视 ，又要做到在 复杂地形下保持机动 ，及时进行 技术排险 。因此，即便到了2020年， 抗洪仍然是一项高度依赖人力的困难工作，而且中外皆然。

美军士兵在密苏里河的大堤背后排除管涌  | 世界多国都投入军队进行抗洪救灾工作，而构建反滤围堰的方法也是全球通用。图源@美国国防部，Dvidshub.net，公共领域

尽管人们早就有了充足的机械设备参与抗洪抢险，但它们更多时候只能在特定场合下作为辅助。 只有高度灵活的人，才能克服地形的障碍，采用灵活机动的运动战，运用技术手段反制洪水的特种部队。

用火神山雷神山的精神抢修围堤  | 7月27日，安徽阜阳市颍上县姜唐湖蓄洪区戴家湖堤段，由涵闸破损引起直径约10米的强烈管涌。指挥部特事特办，调集200多台挖掘机和推土机，挖田取土，用60个小时修建起大型围堤（图中覆盖白色防水布的新堤），化解险情。图源@人民视觉

更难的是 ，这种情况在未来数十年里都不会有根本变化，除非研制出高度智能的机器人来取代人类士兵，才能完成各种需要现场应变的工作。

然而，守好抗洪的两个战场仍不能高枕无忧，因为与洪水的斗争并不仅仅发生在汛期。想要用最小的代价战胜洪水，还要在平时下很多功夫。

 03 

平战结合：人民的战争

古 今中外，抗洪一直是一项需要密集人力资源的战斗。但科技的力量该如何体现呢？答案就蕴藏在平战结合里。

每年汛期之后都是河堤整修的高潮期，新的技术和理念会逐渐运用到这些年代久远的河堤里。加固护坡、加高堤身、增设排水结构、增加反滤结构等工程手段逐步用上，防洪能力就这样逐年升级。

汛期来临前整修大堤  | 今年5月，武汉市武昌区八铺街堤完成了历时两个月的整修，提高了防洪能力。图源@人民视觉

而对于不利的堤身质量和地质条件，人们也学会修建很深的地下防渗墙，为渗流制造阻碍， 显著增大 形成渗水洞和管涌所需的时间。

2014年起，湖北省启动第三轮荆江大堤大规模整治工程，直到2019年才完工。其中，在 监利市的一处江堤 修筑了85米深，相当于20层楼的超级防渗墙， 是国内规模最大的同类工程 [30-31] 。

类似的大规模维护，每隔几年都会进行一次， 我们的大堤早已不像22年前那般脆弱。

荆江南岸大堤防渗墙示意图  | 防渗墙可以深入地下，在大堤填土和地下透水层中减缓渗水速率。它的作用并非杜绝渗水和管涌险情，而是将它们出现的时间推迟。如果等到洪水退去也不产生险情，大堤就安全了。制图@王申雯/星球科学评论

也不要忘记各种 大中小型水库 的作用。在生态环境可以承受的范围内，更多的水库可以增加蓄洪空间，甚至将洪水转变为用来发电和灌溉的水资源，使可能带来灾难的自然现象也能为人们带来利好 [32-33] 。

只开启了三个泄洪道的三峡大坝  | 三峡大坝有23个泄洪道，通过控制开启数量来调节下泄流量。在刚刚通过三峡的长江第三次洪峰里，三峡削减了36.7%的洪峰流量。图源@人民视觉

此外，得益于生态保护宣传教育的持续，人们对于 新型 人水关系 的接受度也变得更高，开始 将更多的农田、水塘和圩垸还给江湖，偿还过去填湖造田的历史旧账， 给洪水更大的行洪空间 。

武汉梁子湖炸堤退垸  | 2016年，在洪水压力下，湖北省对第二大湖泊梁子湖中的一处圩垸（yuàn）堤防实施爆破拆除，实现退垸还湖。图源@荆楚网，资料[34]

还有默默提供科学、技术支撑的专业队伍 。很难想象，如果没有众多气象、水利、土木、工程地质、电力等领域工作人员年复一年的默默付出，我们现在还能从容地应对每一场洪水。

电力工作者在抗洪一线保障用电安全  | 抗洪斗争的胜利，离不开千千万万平凡岗位上的普通人。图源@人民视觉

抗洪，就是和平年代的人民战争。 每一个抗洪胜利的背后，其实都是整个国家过去几十年各种工作集合而成的 综合国力 。

我们相信，只要在 平时 充分运用现代科技维护堤防、兴修水利、改善人水关系，再加上人民子弟兵和干部群众在 战时 表现出来的英勇无畏和顽强拼搏，还有各行各业普通人用70年建设起来的 综合国力 进行保障，未来的抗洪斗争一定会比现在更容易取得胜利。

军民齐上阵，夺取抗洪最后胜利  | 用人民战争的力量战胜洪水，这也是一种中国特色。图源@人民视觉

末了，回到最初的那个问题：抗洪到底有多难？

它很难，非常难。它不仅是整日与泥浆为伴，与强大狡诈的敌人多线作战，还要承受烈日和蚊虫的考验，更会透支人的体能和精力，有时还伴随着流血牺牲。

但它一定会变得更加简单 ，因为一线抗洪军民们的背后，还站立着14亿默默付出的中国人。

1998年，一句铿锵有力的宣言响彻长江大堤，曾经鼓舞了无数抗洪军民的士气。 今天，不妨继续用这句宣言，将人们抗击2020年洪水的斗志烧得更旺——

“任何的困难，都压不倒我们！”

“中国人民，是不可战胜的！”

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