“人-水-地”和谐的治水理念
——以江汉平原防洪减灾为例

2010-09-05 12:44方应波李长安易文芳胡建团
长江科学院院报 2010年3期
关键词:蓄洪区洪水长江

方应波,李长安,易文芳,汪 微,胡建团

(1.中国地质大学地球科学学院,武汉 430074;2.湛江师范学院附属中学,广东湛江 524048;3.教育部三峡地质灾害研究中心,武汉 430074;4.华中师范大学城市与环境科学学院,武汉 430079)

“人-水-地”和谐的治水理念
——以江汉平原防洪减灾为例

方应波1,2,李长安1,3,易文芳1,汪 微4,胡建团1

(1.中国地质大学地球科学学院,武汉 430074;2.湛江师范学院附属中学,广东湛江 524048;3.教育部三峡地质灾害研究中心,武汉 430074;4.华中师范大学城市与环境科学学院,武汉 430079)

从狭义和广义两个角度对“人-水-地”和谐的治水理念进行了概述;结合江汉平原防洪减灾的实际,分别从我国国情、江河治理的基础、洪水发生的原因3个方面阐述了“人-水-地”和谐是实现科学治水的需要。基于新的治水理念,对“人-水-地”和谐思想在防洪减灾中的应用进行了探讨,提出治水的关键是协调人类活动与洪水储蓄的空间关系,治水的前提是查明流域地质环境与水文演化规律。

“人-水-地”和谐;江汉平原;防洪

1 “人-水-地”和谐治水理念的提出

纵观人类对洪水的认识,可分为3个阶段:①人惧水阶段,表现为躲避洪水(Flood escape),躲避洪水是人水和谐的雏形,该阶段人类改变自然的能力低下,只能消极地适应洪水,采取避让之策;②人水对抗阶段,表现为抗拒洪水(Keep the flood away),单纯依靠工程措施抵御洪水侵犯,但此阶段人与自然相对抗的治水模式,已开始受到质疑;③人水和谐阶段,表现为给洪水让路(Give the flood way),即在现有土地面积的基础上协调人类活动与洪水储蓄的空间,适当给洪水以出路。由于巨大的人口压力和发展中国家的特点,我们难以像地广人稀的美国那样采取回避洪水风险的措施。在洪水高风险中谋生存、求发展是我国不可避免的国情[1,2]。

以上各阶段的治水思想及策略只强调人对水态度的转变,而弱化地学基础及水文环境对洪水发生的影响。“98”洪水后,地学界开始关注洪水发生的地质环境。张人权,梁杏[3]等以洞庭湖区防洪减灾为例阐述了地质环境系统的概念与特征;刘国纬[4]以长江中游洪水为例,阐述了长江中游治理的地学基础;李长安[5-9]教授在多年从事长江中游主要水患区环境地质调查的基础上,认识到地质与水文环境对洪涝灾害的控制作用。他认为仅“就水论水”是存在局限性的,防洪减灾应该坚持“人-水-地”和谐基本原则,在充分认识洪水发生的地质环境和水文环境的基础上,协调洪水(Flood harmonization)才是治水的正确出路。因此“人-水-地”和谐理念是人水和谐思想在防洪减灾领域的拓展和延伸。

2 “人-水-地”和谐理念的理论概述

2.1 “人-水-地”的关系概述

根据李长安教授的表述,“人”、“水”、“地”的内涵,可以从狭义和广义2个角度分析。从狭义的角度考虑,“人”与“水”共处于有限的“地”之中,随着人口不断增长,人类需要更多的生存与发展空间,于是,“人”占据了过多的“地”,挤占了“水”的活动空间,这是洪灾发展的根源。到了现在,“人”重新将“地”完全退回给“水”,恢复到自然状态,是不可能、也是不必要的;然而,“人”必须给“水”以必要的“地”作为活动空间,从而达到“人”与“水”在有限的“地”中能够最大程度地和谐共处。

从广义的角度考虑,“人”是指“人类的生活、生产活动与防洪工程活动”,“地”是指“影响洪水态势的各种地质作用”,如构造沉降、构造隆升、泥沙冲淤、危及堤防与岸坡安全的地质作用(管涌、崩塌)等。“水”是指“河床演化特征及河流的水动力条件”,包括河型特征、岸带类型、岸线演变规律、水利工程对河床泥沙冲淤的影响、流域径流特征、洪峰特征等一系列影响水利工程科学性的水文作用。人类的生活、生产活动与防洪工程活动,必须考虑各种地质作用及水文环境的影响,顺应地质、水文环境,与“水”、“地”相和谐。

2.2 “人-水-地”互动模式

人、水、地是人类与自然环境相互作用的子系统,人类活动(围湖造田、围滩建垸、兴修堤防)通过系统内水、地各种因素相互作用联系,不同程度地作用于环境状态及过程,诱发、影响或控制了环境的各种渐变与突变,如不合理的围湖造田造成湖容损失,分蓄洪水调节作用减弱;堤防约束洪水、形成地上河,泄洪不畅;不合理的坡耕引起严重的水土流失,加重了洪旱灾害;乱砍滥伐使林区涵养水源、保持水土的能力下降。自然环境状态的渐变与突变(驱动力)也通过水、地之间的相互联系反作用于人类活动(响应——防洪活动),在一定程度上影响人类活动的方式与轨迹(退——还洪水以空间,治——协调洪水)(图1)。在“人-水-地”相互作用的过程中人是主导因素,具有主观能动性,是水、地关系的调控者,水与地是人类调控的直接内容和对象,同时也是制约人类活动方式与轨迹的客观规律。人们根据自己的意愿以各种方式不同程度地作用于河流(平滩行洪、退田还湖、开垸放淤、退耕还林、河湖治理、建分蓄洪区、兴建水库、加固堤防、开辟分流河道),这种作用正与日俱增。然而,河流的地质环境及水文环境(制约因素)不以人的意志为转移,违背自然规律的江河治理行为必然要遭到河流的报复[4,8,9]。

图1 “人-水-地”互动模式Fig.1 Interactivemodel ofman-water-land

3 “人-水-地”和谐的治水理念适合国情

江汉平原人多地少,早就没有洪患区的概念。所谓的滩区、行洪区、蓄洪区、滞洪区等,也都是指有人居住、被堤围护的地区。在洪水高风险中谋生存、求发展是历史留下的现实,是我国不可回避的国情。据不完全统计,荆江段河漫滩共有民垸84个,总面积为4 895.95 km2。其中大于100 km2有19个,面积3 492.04 km2。荆江分洪区在1954年分洪前,经过移民,分洪区人口仅16.4万,平均密度178.5人/km2;1986年42.78万人,平均密度464人/km2。目前,分洪区内人口已达55万余人,密度达600人/km2,是分洪前的3倍多。由于巨大的人口压力,我们难以像地广人稀的美国那样使“人群远离洪水”,不断增长的人口仍需要占用相当多的洪泛平原。虽然中国、日本两国同在洪水风险中求发展,日本占土地总面积10%的洪水威胁区集中了全国人口的50%和资产的70%。但是日本的综合治水是建立在高投入、高技术的基础之上,而我国的江河治理尚不具备这样的条件[2,6,10]。

在巨大的人口与粮食需求的压力下,在经济与社会发展水平的约束之下,我国不可能完全放弃高风险区的开发与利用。在未来相当一段时间内,以工程手段加强江河治理的工程措施依然是我国治理洪水的主要手段。因此,“人-水-地”和谐的防洪思路适合中国的国情。

4 “人-水-地”和谐是实现科学治水的需要

4.1 地质与水文环境是江河治理的基础

4.1.1 堤防建设需考虑地质稳定性

长江中游干堤大都建在具二元结构的全新世冲积层之上,且大部分江段的河漫滩相(亚黏土和黏土)都已被切穿,江水已与两岸平原地下水呈连通状态,在堤内堤外水位差的压力作用下,江水必然通过河床相(砂层)透水层向堤内渗透,一旦遇到相对薄弱的地方就会刺穿上覆河漫滩层,形成管涌,这是影响大堤安全的主要隐患。同时该区地下隐伏一系列第四纪活动断裂,且江汉-洞庭盆地边缘地震烈度较高,使堤防的工程稳定性变得复杂[11]。

4.1.2 分蓄洪区,退垸需考虑地面沉降

荆江两岸的地面沉降存在着明显的差异。如荆江分洪区,属弱隆升区,地势相对高亢,地面高程32~39 m,比江北(沉降区)地面(高程25~29 m)高4~8 m。尽管构造运动的年差异运动量很小,但其累积结果是不可忽视的,分洪区建立50年以来,其量值至少在1 m以上。同时,随着分洪区的使用,泥沙的淤积,还会不断地人为加高江南地面[6]。

洞庭盆地处于新华夏第二沉降带,由于洪道和湖泊内淤积的速率远大于沉降的速率,使洪道、湖泊地势因淤积逐年抬高,而民垸内地势沉降却因得不到淤积补偿而逐年降低,久而久之,洪道、湖泊形成了今天的“悬湖”、“悬河”景观,成为洞庭盆地洪涝灾害的重要原因[8]。因此,退田还湖、退垸还湖应该考虑构造沉降的差异性。

4.1.3 江河治理要充分考虑河道演化过程和规律

关于长江中游的地质环境研究指出[5,9,12,13],在桐柏-大别山的新构造运动和科氏力的共同作用下,主河道总体南迁。对比先秦与明清的河道,可以看出十分明显的向南迁移,或者说向右侧摆动。鄂州至武穴,长江两侧均为山地,摆动受到限制;鄂州以上,长江发育于广阔的江汉-洞庭平原,南迁幅度很大。武穴至安庆以西,长江发育于宽度近40 km的宽谷中,南迁幅度次之;安庆以东,长江河谷宽度为10~20 km;河道南迁与边界综合影响的结果,在此范围内形成一系列鹅头形汊道,主河道总体南迁趋势是不可逆转的。李长安教授在从事河道岸线变化的调查研究中指出[7],蜿蜒河段为一个相对完整的河流系统,其演化具有连锁性;分汊河段因矶头分隔成一系列相对独立的子系统,相对于节点以外的岸线是独立变化的,一般不会连锁变化;蜿蜒性河道的护岸整治应着眼于整个系统,分汊河道可以矶头为界分段治理。因此在江河治理中应该充分重视主河道演化过程以及河岸类型,实现科学决策。

4.2 “人-水-地”不良耦合是洪灾发生的原因

4.2.1 构造地貌、水文环境是洪灾发生的背景

从地学基础看,长江中游处于东亚新华夏第二构造沉降带的南部,地势低洼,其东侧为大别山和东南丘陵构成的新华夏第一构造隆起带,西侧为大巴山、武陵山、雪峰山等构成的新华夏第二构造隆起带。这一构造地貌特征,使第二构造隆起带的大巴山、武陵山、雪峰山等山脉的东麓成为东亚夏季风的迎风坡,是我国最大的暴雨区。另一方面,第一构造隆起带妨碍洪水向东排泄,因此在东西两侧第一和第二构造隆起带的挟持下,使中游洪水处于易吞难吐的境地。并且,长江1 800×103km2的流域面积,有约1 500×103km2汇水区的洪水通过多条水系注入江汉平原。在自然状态下,洪水是由多条河道流经江汉平原的。随着水文网归并,仅有一条长江显然是难以容纳的。由此可见,特定的构造地貌环境及其与水文环境的共同作用是形成中游严峻洪水形势的背景[4,10]。

4.2.2 构造沉降是灾害发生的根本原因

长江中游以江汉-洞庭盆地为主,这是一个长期处于强烈构造沉降的地区,第四纪河-湖相堆积层的厚度约300 m,其东缘(下游)为大别山田家镇隆起。这样的地质环境使该段河道呈现出与其上下游极不协调的老年期地貌特点:河床坡降和水面坡降小,河道蜿蜒,流速缓慢。导致长江上游来沙大量沉积,河湖淤塞,行洪不畅[5]。

据最近3年的GPS监测结果表明,江汉平原构造沉降速率平均为10.7 mm/a;洞庭湖平原构造沉降速率平均为12.2 mm/a。构造沉降是江湖演变的控制因素:江汉-洞庭湖平原是长江中游构造沉降最为强烈的地区,构成了江汉-洞庭强烈沉降带,其掀斜式构造沉降对本区江湖演变具有重要的控制作用,主要表现在云梦泽消亡,荆江南迁,洞庭湖扩大。江湖关系的演变,导致洪灾加剧,构造沉降也是水患形成的控制因素:构造沉降区,地势低洼,易于发生洪涝,构造沉降愈是强烈的地区,水患便愈严重;构造沉降导致堤防高程降低、洪水位与堤内地面高差增大;构造沉降与泥沙淤积对比关系影响通江湖泊调洪能力,当泥沙淤积量大于构造沉降量时,湖域和湖容将持续减少,调洪能力降低;构造沉降与泥沙淤积对比关系影响河道泄洪能力,当泥沙淤积量大于构造沉降时,河道容量减少,泄洪能力降低,同等来洪量时洪水位抬升[4,9]。

4.2.3 人类活动与自然不良耦合是洪灾发生的直接原因

张人权、梁杏等教授[3]以洞庭湖区地质演变与洪涝灾害的关系为例,探讨了地质环境系统的概念与特征。他认为地质环境系统是指在一定范围内,地质环境对人类经济技术活动作出共同响应的有机整体。地质环境系统任一组分的改变,都打破原有的平衡状态,使各子系统及其相互作用变化,从而改变系统的整体行为与功能。洪水溃堤成灾,正是系统力图恢复其固有的构造沉降泥沙淤积动态平衡所做的努力。汤建中教授[12]从地理学的角度分析了长江中下游洪涝灾害认知,他认为人类的活动从根本上扭曲了河流的自然发育过程,迫使河流迅速老化,从一条与自然力基本相适应的河流演变成一条桀骜不驯、洪涝灾害频繁的河流。

在常态下,水沙互动对河流纵、横剖面的塑造并未起到重要作用。洪水,尤其是特大洪水,作为一种非常态自然灾害,是一种超常的自然力,挟带大量泥沙的滔滔洪水,以其巨大的能量和充沛的物质,重塑所到之处的河床、边坡、岸滩,因此汛期洪水是塑造河床的主要动力。其次,在自然状态下洪水与泛滥如影随形,河床的淤积与天然堤、漫滩等的淤积同步进行,因此,河床底部的淤高速度与天然堤、河漫滩的淤高速度同步,使河流横剖面始终处于均衡发育状态,河床难以老化。再次,在自然状态下,构造沉降、泥沙淤积及气候变化决定着河湖演变格局,构造沉降与沉积补偿这一对内外营力处于动平衡状态[3,12-14]。构造沉降、洪水刷槽、洪水泛滥分沙与泥沙淤积相互作用,大堤内外通过洪水进行物质与能量交换,最终实现了河床冲淤平衡,避免出现地上河(图2)。

人类活动主要表现为围湖造田、围滩建垸、修筑堤防,其结果是使江汉平原自然演化过程中断,堤内外形成两种不同的演化方式(图3)。围湖造田、围滩建垸、修筑堤防打破了原有的构造沉降、泥沙淤积的平衡,从而产生一系列变化:堤内垸地,由于围湖围滩,洪水失去分沙的机会,泥沙补给中断,在构造沉降的大背景下,垸田高程持续降低;堤外水域,因修筑堤防使长江泥沙全部封堵在河床内,河床淤积加快,提前进入“老年期”,同时河床洪水不断升高。垸地与河床洪水位之间的势差不断增加,洪灾随之不断加剧。洪水溃堤成灾,正是自然系统力图恢复构造沉降、泥沙淤积两者间动态平衡的结果。

图2 水-地耦合下的河流环境演化Fig.2 The river environ-ment evolution of water-land coup ling

图3 “人-水-地”耦合下的河流环境演化Fig.3 The river environ-ment evolution ofman-water-land coup ling

5 “人-水-地”和谐思想在防洪减灾中的应用

按照“人-水-地”和谐的治水理论,作者认为“协调人类活动与洪水的空间”是科学治水的核心;“查明流域地质环境与水文环境演化规律”是科学治水的前提。

5.1 协调人类活动与洪水的空间关系

协调人类活动与洪水的空间是指在已知洪水风险的前提下,合理分配“人”和“水”的空间,其最终目的是实现人与洪水互不侵犯、各得其所。协调人水关系包括确定合理的堤防高度、合理的湖泊容积、合理的分蓄洪区空间、洪泛区内合理的土地利用方式和人口密度4个方面,各要点如下:

(1)堤防宜固不宜高[11,15]。清代治黄名臣吴大微早就提出“守堤不如守滩,固岸胜于筑堤”,滩、堤犹如唇齿,滩给冲了,大堤的安全就难保;其次,堤防都是经过很长时间逐渐形成的,过去的堤防质量千差万别,地质条件复杂。根基不稳,加高堤防反而放大了溃堤的风险;再次,我们所说的100年一遇洪水就自然灾害而言属于小概率事件,减灾应该以非工程措施为主,以意外保险的方式减轻小概率事件的损失值得借鉴。

(2)划定区域湖泊预警线。湖泊是过量洪水储蓄的场所,特别是通江湖泊,随江水涨跌自然调蓄。所谓湖泊“预警线”是指根据湖泊水面率(湖泊水面率指湖泊面积与湖泊集水区域面积的比值,比值越大,发育越好,说明湖泊调蓄能力越强。根据沿江各省市经验,湖泊水面率在8%~12%之间较好[16])确定的区域湖泊面积,即湖泊积水区的湖泊面积小于总积水区面积的8%~12%时,应予以警告。湖泊预警线也是决定退田(垸)还湖在哪退、退多少的依据。

(3)分蓄洪区建设落到实处。分蓄洪区是弥补原河漫滩的蓄洪空间,河漫滩原本为洪水行洪的场所,但现在的河漫滩已经成为人类活动的场所,人口财富集中,全部恢复河漫滩的原态是不可能、也是不必要的。然而,“人”必须给“水”以必要的“地”作为蓄洪空间,因此分蓄洪区应运而生。科学分蓄洪区容积的确定以洪水量级、主河道过水能力、通江湖泊蓄水量共同决定,同时分蓄洪区容积还需考虑上下游、左右岸的来水量及泄洪能力。分蓄洪区建设落到实处包括两各方面:一为加大硬件投入,我国分蓄洪区建设存在工程设施数量少、标准低,因此应该加大对分洪区资金的倾斜力度;二为加强管理,人口众多且防患意识薄弱,土地高度开发却缺乏防洪措施,分洪损失高却缺乏保险补偿制度等是分蓄洪区面临的一系列管理问题[17]。1998年荆江分蓄洪区曾实施3次人口大转移,但碍于区内社会经济发展情况,最终未能实施计划分洪。

(4)规范洪泛区内人类行为。洪泛区地面高程与高河漫滩接近,分布范围取决于洪水漫溢的范围。洪泛区地势平坦、土质肥沃且水资源丰富,吸引人类由“择高地而居”到“逐水草而居”[18]。洪水对社会经济危害的程度与人口分布和经济发展水平密切相关,因此合理规范洪泛区人类活动行为方式,控制洪泛区人口和财产的无序增长,对于减轻洪水的潜在损失极为关键。关于控制洪泛区人口和财产增长,我国尚未提出议案,建议在区域洪水风险的基础上,进行洪泛区适度人口研究。关于洪泛区土地利用方式应因地制宜,李长安教授[11]提出的“挖泥还湖”、“变分蓄洪垦殖区”为“分蓄洪垦殖养殖区”等思想,对规划洪泛区土地利用具有指导意义。

5.2 查明流域地质环境与水文环境演化规律

流域地质环境与水文环境既是洪水发生的基础,也是江河治理的依据。它们是自然界固有的客观规律,制约人类的生产活动与防洪工程活动。因此查明流域地质环境和水文环境的演化规律,使人类防洪活动顺应地质环境和水文环境,实现“人”、“水”、“地”相和谐,直接影响着防洪活动的科学性。建议从以下方面加强流域环境地质调查:

(1)洪水蓄泄环境。洪水蓄泄环境是指洪水生成、汇集与排泄环境[4],它是由流域特定构造环境和地貌共同形成的。流域蓄泄环境调查包括构造背景、地貌特征、沉积环境、堤防地质条件。以江汉平原为例,桐柏-大别山的构造隆升导致长江水系在江汉平原的弯曲,主河道不断南迁,江汉平原沉积中心不断南迁,湖泊的范围逐且湖盆不断南迁[19];荆江河道两岸的河漫滩和阶地地貌单元的古河道、牛轭湖、溃口扇、冲刷坑(槽)等隐伏地貌,威胁着堤防安全;江汉-洞庭盆地差异构造沉降控制水患的形成与发展;第四纪活动断裂、江汉-洞庭盆地内地震分布、长江中游干堤岩性组成、结构等地质条件是加固堤防的基础。

(2)河道演化规律。河道演化受沿程地质、地貌控制,并在水沙动力因子作用下形成,不同河段的地质地貌条件不同,因而各河段发育的主要控制因素与机理也不同。认识河道演化规律及演化趋势对防洪、河岸规划具有重要意义。河道演化规律研究包括河道类型、河道迁移规律、河道岸线调查三方面。以荆江为例,就河床类型而言,上荆江河段的河岸抗冲能力也较强,洲滩朝纵向延伸,呈现顺直分汊河道的特点,下荆江河段的河岸物质抗冲能力差,河道迂回曲折,属典型的蜿蜒性河道;从河道迁移规律看,荆江的主泓向南偏移,制约着河道内沙洲分布和影响下荆江河曲的发展[4];从河道岸线看,汊道河段岸线变化强烈且易发生岸崩,鹅头形分汊河段演变具周期性[20]。因此河岸治理应根据不同河段的河道类型及岸线规律,区别治理。

(3)洪水发生的时间分布规律与水文特性。洪水发生具有周期性,对洪水及降水进行预测可为分洪区人口财产转移争取时间。洪水水文特征包括水流特征、洪峰特征,其中水流特征中水流的冲蚀作用、横向环流的掏蚀作用、水位的波动变化均易导致岸崩[20],因此崩岸治理应该了解各河段水流特征。洪峰特征不仅能反映洪水大小,而且能较准确地反映洪水风险程度,可以为洪水警报系统和防洪指挥、调度系统提供依据,特别是为分蓄洪区的启用方案提供决策。

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(编辑:周晓雁)

Harmonious Relationship among M an,Water and Land in W ater Control——A Case Study of Flood Control Disaster Reduction in Jianghan Plain

FANG Ying-bo1,LIChang-an1,2,YIWen-fang1,WANGWei3,HU Jian-tuan1
(1.Faculty of Earth Science,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China;2.Zhanjiang Normal University Middle School,Zhanjiang 524048,China;3.Urban and Environment Sciences College,Central China Normal University,Wuhan 430079,China)

The flood control conceptwhich is a harmonious relationship amongman,water and land was summarized from both a narrow and a broad perspective.In combination with the reality of flood prevention disaster reduction in Jianghan plain,thewater control conceptof the harmonious relationship amongman,water and land was expounded from our national condition,the bases of harnessing rivers and flood occurrence causes.On the basis of the new flood control concept,itwas discussed that the concept of the harmonious relationship amongman,water and land was applied in flood control and disaster reduction,the key is to coordinate people’s activities and the flood space,the precondition of flood control is to find out basin’s geo-environment and hydrological evolution regularity.

harmony ofman;water and land;Jianghan Plain; flood prevention

TV87

A

2009-03-02;

2009-04-22

项目资助:湖北水利科技项目(HBSHLKJ2007Y005)

方应波(1981-),男,湖北孝感人,硕士,主要从事流域资源环境评价与管理研究,(电话)027-61302987(电子信箱)fangyingbo@yahoo.com.cn。

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