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丁留谦:山地城镇交通建设的山洪灾害问题和建议

2015-09-01 11:06 来源:中国城市规划网

编者按:

2015年8月13-14日,第四届山地城镇可持续发展专家论坛在新疆伊宁成功召开,本次论坛主题为“一带一路战略与山地城镇交通规划建设”。水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心主任、中国水利水电科学研究院防洪抗旱减灾研究所所长、《中国防汛抗旱》杂志主编丁留谦出席论坛,并作了题为《山地城镇交通建设的山洪灾害问题和建议》的大会学术报告。丁留谦教授系统介绍了我国山洪灾害的基本情况和水利部门正在进行的一系列防治工作,从交通设施所面临山洪灾害的特点、类型和成因三个方面,精辟阐述了未来防治的重点难点,并就山地城镇交通建设的山洪灾害防治提出了具体建议。他强调,交通基础设施建设是“一带一路”构想中“五通”建设内容的重要组成部分,应在科技研发、预警预报、设施运行、灾害抢险的全过程中加强多部门的协作,为“一带一路”战略的顺利实施创造条件、奠定基础。

丁留谦 水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心主任、中国水利水电科学研究院防洪抗旱减灾研究所 所长、《中国防汛抗旱》杂志 主编

一、我国山洪灾害及防治的基本情况

首先,给各位汇报一下水利部门这几年关于山洪灾害防治正在做的工作和建设的项目。我们国家受三级台地地形以及季风气候的控制,雨季降雨时空分布严重不均,山洪灾害在我国主要发生在东部季风区,尤其是5到9月份,以及多年平均降雨大于400毫米这一条线的区域。我国山洪灾害防治区的面积将近490万平方公里,超过总的国土面积的一半。在这些防治区内,小于200平方公里的小流域有3万多条,其中易发山洪的有19000多条,涉及到包括新疆建设兵团在内的30个省级、320个地级、2058个县级行政区的24669个乡镇、304598个行政村,涉及总人口将近6亿,其中重点防治区面积110万平方公里,重点防治区里有7671万人受到山洪的直接威胁。我国的山洪灾害具有点多、面广、量大的特征,据统计,建国以来山洪死亡占因洪死亡总人数的70%左右,2003年以来,暴雨山洪的频次和强度有所增加,山洪死亡占因洪死亡人数的比例居高不下,大概在67%到88%之间,已经成为防洪减灾的一个突出问题和薄弱环节。

山洪灾害有诸多严重的后果,它导致人员伤亡的比例比较大,冲塌房屋、淹没城镇,使人民群众的财产遭到严重的损失,它还会冲毁农田,造成农业大量减产,对水利、交通、电力、通讯等基础设施的破坏力也非常大,有时候暴雨山洪导致一些小塘坝溃决,更会带来灭顶之灾。同时,山洪灾害也往往会改变河流形态和自然环境。

暴雨山洪灾害的防御特点,要从形成灾害的几个方面来认识。首先,从降雨来讲,山区内由于水气循环的影响比较大,成雨条件变化快,雨量往往很大,局地强降雨突发性很强,尤其是在东亚季风区,降雨的季节性很明显,降雨高度集中。其次,在山洪方面,表现为山高、坡陡、沟床比降大,从而导致汇流快、流速高、突发性强,洪水陡涨陡落,破坏性大。同时,山洪往往夹带很多泥沙石块,进一步加大了它的破坏力,同时还造成淤埋,破坏非常严重。第三,从防御的角度,目前的问题一是降雨精细化准确预报比较难,这是一个世界性的难题,二是山丘区往往缺少系列的水文资料,给我们确定预警指标带来了很大的难度,山洪从产流到成灾、从降雨到成灾的时间比较短,导致洪水预警预报的预见期非常短,从而导致准确的预警难度非常大,及时避灾、救援、整体防御工作的难度非常大。最后,在灾害方面,表现为突发性非常强,成灾很快,灾害程度比较高,往往导致群死群伤事件。

面对我国严重的山洪灾害问题,2006年,水利、国土等几个部委联合编制了我国第一部《全国山洪灾害防治规划》。2013年,发改委又委托我们编制了三位一体的规划,其中包括山洪灾害的规划,同年由水利部、财政部联合印发了从2013到2015的《全国山洪灾害防治项目实施方案》,建设内容主要包括以下方面:

第一,山洪灾害调查评价,总投资56亿,在对山洪灾害地区的暴雨特点进行研究的基础上,对暴雨造成的山洪进行评价,根据山洪不同的降雨频率,对应得出山洪威胁区,在这个基础上,对不同威胁区的社会经济情况进行调查评价;第二,非工程措施建设,包括2058个县,先后投资214个亿,主要做的工作一是监测预警系统的建设,二是群策群防体系建设,监测预警系统主要包括自动水温监测站点、计算机网络、山洪的预警平台等;第三,重点山洪沟防洪治理,防治区里山洪沟很多,这次挑了1600多条沟,1条沟大概投入1千万,主要的工作一是修堤防,提高防洪标准,还有就是进行护坡、清淤、撇洪工程建设,从而保护沿河的重要目标,包括城镇和一些重要的企业;第四,搬迁避让,主要是对经常遭灾、有条件实施搬迁的地方实施搬迁避让工程;第五,水土保持,主要是增加水土涵养能力,减小山洪的危害。

山洪灾害调查评价

非工程措施建设中包含的重要一项就是山洪灾害调查评价,山洪灾害由致灾因子、孕灾环境、承灾体三个部分叠加产生。在致灾因子方面,山洪灾害调查评价主要着重设计暴雨的分析计算:一是暴雨历时,主要是根据每一个可能受灾点的流域汇流时间,结合历史上的暴雨情况确定暴雨的历时;二是暴雨的雨型确定,在 20年、50年、100年的不同暴雨频率下的雨型确定;三是根据暴雨图集、各地的水文手册和典型降雨来确定降雨的时程分配。

在前面这一项工作的基础上,又进行洪水的水文计算分析:一是调查河道的汇流条件,如断面、比降、桥涵、塘坝这些工程的分布;二是通过DEM配合遥感影像,对每个乡村、每个水文站点的小流域进行划分,包括这个小流域的几何参数提取;三是结合国土二调的土壤类型和土壤植被成果,提取了各个小流域的下渗及产流参数。

在承灾体方面,一是调查居住地,包括自然村、行政村、乡镇、县的人口、房屋、财产等的数量、位置及其它特征;二是调查包括水利、交通、厂矿等基础设施和重要的厂矿企业。

在暴雨跟水文计算分析的基础上,最后我们还产出了一个成果,就是涉及暴雨的分析预算成果。首先要进行历史洪水的调查,调查历史上洪水影响的范围和受灾的情况,然后进行净雨分析,包括净雨的时程分配、回流时间,还要分析洪水频率、暴雨频率。另外,在洪水计算分析的基础上,对危险区进行划分,包括高危、中危、低危的危险区的划分,对洪水的要素,包括洪量、峰量以及涨退的历时进行计算,计算的方法包括传统的推理公式、单位线、经验公式等方法。

结合这一项目,我们新研究开发了一个半分布式的流域水域模型。在前面这些工作的基础上,对综合致灾因子、孕灾环境、承灾体情况进行分析评价,首先是对沿河不同的村落防洪能力或防洪现状进行评价,在此基础上确定不同村的临界雨量值,结合洪水分析,根据当地的地形来确定避险点及路线。最后,得到沿山洪沟不同危险区的分布图,并综合危险区所涉及的社会经济情况,对防治区进行危险的风险分区。这项调查评价对于将来交通设施的设计,尤其是穿河、沿河、道桥设计,会有一些借鉴作用。

结合全国山洪灾害的调查评价,水利部最终要汇总形成一个数据量非常庞大的“全国山洪灾害调查评价数据管理和服务系统”,以5到10平方公里的小流域作为一个计算单元,把水库、水闸、水文站、村镇作为小流域的节点,提取了小流域的面积、周长、形心点高程、出口点高程、形状系数、最长汇流路径长度及比降、河段长度及比降、坡面糙率及下沉特性。同时,与行政区划(居民地)、监测站点、水利工程建立了关联关系,统一编码,并建立了小流域整体的空间拓扑关系。另外,还提取了不同时段、不同雨强的标准化单位线,主要用于汇流分析,同时建立起小流域综合的管理系统。

全国国土面积有960万平方公里,我们小流域提取的面积有860多万平方公里,其中山丘区的面积674万,平原地区190万,提取小流域53万多个,平均面积16平方公里。在此基础上,我们又进行了分类,比如小于10平方公里的、10到20平方公里的、20到30平方公里的、30到40平方公里的、40到50平方公里的以及大于50平方公里的。同时,对小流域的坡度从2到6度、6到25度、25度到45度、大于45度也进行了分类,便于或者准确用于后面的小流域的产洪流分析计算。我们研究了一个小流域的标准化单位线和分布式的模型,并选择了三个比较有代表性的流域进行模型验证,通过验证发现,准确程度跟实际测的暴雨洪水过程还是非常吻合的。

结合工程建设,我们建立了一个“国家山洪灾害监测预警及服务系统”,首先是硬件输入,各个地方、各个流域水文监测的数据,通过水利专网传到国家这个平台,国家在我们中国水科院建立了一个64节点的运算12.9万亿次的高性能计算服务机群,提供水利专网对水利系统的服务,以后我们想利用这个网络,向非水利的、有需求的其他部门,提供社会化的服务。这个系统主要通过实时接收和及时处理水雨情数据及一些气象降雨的预告数据,依靠我们高性能的计算机群,实现全国各条山洪沟的山洪实时连续模拟,并进行山洪的预报、预警以及山洪可能造成灾害的评估--这依赖于前面提到的庞大的调查评价的数据库,从而向水利、交通等其他行业和社会公众提供小流域山洪的实时雨势雨情、预报预警和灾害评估等信息。

非工程措施建设

一系列非工程措施建设也在山洪灾害防治中发挥着重要作用。首先是建设自动监测的站点,包括自动雨量站4.5万个、水位站1.7万个、图像、视频站1.2万个、山洪灾害监测站4.5万个,总数量全国大概10万个,基本上达到100平方公里1个,在山洪灾害的重点区域,可能比这个还密集。随着时间序列的延长,这些站点对我们今后的监测预警,以及将来山洪沟小流域的历史水文资料的获取是非常有帮助的。其次,每个县建立了一个监测预警平台,根据降雨,根据临界雨量分析成果进行预警。另外,建立了省、地、县、乡网络和视频系统,而在群测群防体系当中,有简易的雨量报警器31万多个,基本上每个行政村就有一个,主要是考虑到在极端灾害的时候,公网通讯往往不通,这个时候就让当地的群众,根据当地的降雨情况进行自防自救。此外,还有简易水位站7万多个、无线预警广播23万套、手摇报警器41万多个等。同时,编制完善了县、乡、村防御预案60多万件,制作了警示牌、宣传栏100多万块,为每个老百姓发放了明白卡,并在这几年不断进行培训演练。最后,还在32个地级、30个省级和国家层面建立了山洪灾害监测预警的信息管理系统。

以上是这几年水利系统在实施全国山洪灾害防治建设项目的一个情况,给大家做一个简要的汇报,以便对“一带一路”交通设施的建设,尤其是涉及山洪的地区有所借鉴。

二、交通设施的山洪灾害类型和成因

1.灾害特点

山地河流暴雨洪水突发性很强、陡涨陡落、泥沙含量和流速都非常高,冲刷、冲击破坏力都很大,同时由于携带大量的泥沙,淤埋灾害也比较严重。山地城镇铁路公路,往往要跨越或者濒临众多河流,遭受的山洪灾害是极为严重的。1991年,宝成、宝天、阳安三线发生了空前的山洪灾害,这也是我国铁路历史上山洪对铁路造成危害的一个重大事件。

2.灾害类型

交通设施山洪灾害包括四种灾害类型。第一是路基破坏,包括冲刷、浸泡还有一些个别的地方大的风浪,造成一些浪口。路基破坏首先包括顺向山洪的冲刷,冲毁铁路、公路路基,其次河道凹岸山洪顶冲破坏也非常强烈,还有山洪漫过道路,从而冲毁路基,山洪还可冲毁穿路涵洞,进一步导致道路的破坏,另外是洪水浸泡,以及由此引起的路基沉降,还有一些沿着河段、山洪沟的,由于退水过快引起的退水滑坡。第二是桥梁被冲毁,包括桥基被洪水冲毁,引桥、桥头被山洪冲毁,另外就是漂浮物堵塞,这在山洪沟里非常普遍。第三是冲淹涵洞,携带泥石流的山洪进入山洞,淤埋涵洞设施。第四是淹没道路。

3.灾害成因

从暴雨山洪方面来分析道路交通的灾害,主要有以下几个方面的灾害成因:

第一,防洪标准不够或发生超标准山洪。一是原来的防洪标准偏低,尤其是以前修的路,鉴于当时的社会经济条件,标准可能偏低一些,交通设施的防洪标准应该根据社会经济情况适时进行一些调整,尤其是特别难以到达的地方和一旦发生山洪灾害及时恢复交通非常难的地方,要适当地提高防洪标准;二是由于水文系列观测资料不够,降雨、产汇流和设计洪水的成果偏小,或者是取值偏小;三是人类活动导致防洪标准的降低,包括植被的破坏、土地利用的调整、河道侵占等,人类活动改变了下垫面及河流条件,使产流增加、汇流加快,洪峰流量和水位升高,导致交通设施防洪标准的降低;四是气侯变化导致的极端强降雨,使洪水超过原设计标准;五是个别的极端事件,包括山塘、水库、尾矿库溃决等突发事件。

第二,交通设施本身的防护能力不够。一是对山洪的冲刷、冲击破坏力考虑不够,包括坡面、河床、岸坡等与洪水相互作用的破坏;二是设计上的缺陷,比如设计的过洪能力不够、没考虑漂浮物的阻塞程度、一些工程结构和防护设计中设计不到位的地方;三是施工缺陷,在各类工程中非常普遍、难以避免,我们在水利上有一个体会,有时候搞的太细的设计反而干不好,所以一定要结合各个工程的特点,结合机械化施工,让它方便施工;四是人为的破坏,比如河道采砂,这是非常头疼的一个问题,因为背后有巨大的经济利益,河道采砂尤其是桥梁附近的采砂,不但改变了河道的形态,而且对桥梁的威胁是非常大的,又比如工程建设交通设施的一些破坏,这在实际案例中也不少。

第三,预警预报和应急处置能力不够。这一点主要基于减灾的角度,前面两个原因主要基于损毁的角度。这个原因主要表现在一是降雨的定时、定量、定点的精细化预报水平还偏低;二是水文观测设施可能还偏少,因为山洪主要是威胁点,而上游是一条线,往往上游的交通部门的监测设施很不够,这就要利用整个水文监测体系作为补充;三是暴雨山洪的预警预报能力不够;四是专业化抢险能力不够;五是多部门协调联动机制不强,交通、防汛等各部门的协作都要加强。

三、山地城镇交通建设山洪灾害防治建议

交通基础设施建设是“一带一路”构想中“五通”建设内容的重要组成部分,也是基础设施投资的重要方面,主要涉及我国18个省区,包括1115个山洪灾害的防治县,应该说“一带一路”建设中,在交通设施建设方面,山洪灾害防治任务还是非常艰巨的。

1.加强多部门协作,实现资源共享

交通设施山洪灾害主要涉及气象、水利、国土等部门,部门之间各有分工,应加强各部门之间的协作,发挥各自的优势,实现资源的共享,为更好地解决交通设施山洪灾害防治问题创造条件、奠定基础。可以共享的资源包括各个部门长期的观测资料、水利部门山洪灾害调查评价分析的成果。国土部门的调查评价工作比水利部门开始得更早,他们在地质灾害调查方面有很多成果可供交通、设计使用,另外还可以共享监测系统、预警预报系统、抢险专业队伍和物资储备等。在应对灾害当中,发挥各部门的优势可以提前预警灾害,把灾害后果降到最低程度。

2.加强联合科技攻关,解决有关的科技难题

一是气侯变化背景下山地极端强降雨的估计,目前我们的降雨模型里,关于地形地貌方面的考虑还不够精细,需要结合气侯变化和地形地貌,通过多尺度耦合的降雨数值分析模式来解决;二是缺乏水文系列资料的山丘区山洪的设计计算方法,包括设计暴雨的选择、遥感数据支持下的半分布式水文模型以及建设野外的山洪小流域的产洪流试验基地;三是建筑物抗洪能力的设计,考虑山洪与建筑物、地基、基础以及河床等的相互作用、破坏机理和设计计算方法;四是交通设施建设的防洪影响评价,评价道路桥梁的建设对洪水本身以及洪水对交通道路设施的双向影响,水利部门现在正在进行水源的红线划定工作,我认为在防洪方面更应该有红线,比如城市在山丘区的建设,在结合功能、社会经济情况进行布局的同时要考虑洪水影响;五是山洪实时预报预警及灾害快速评估关键技术,主要是对不同时段的预警雨量进行研究,利用半分布式中小河流产汇流水文预报模型进行预报预警,同时根据预报成果,对淹没的范围以及影响进行快速评估,以便快速做出指挥决策。

3.建设专门的高水平的预报预警、影响快速评估和调度决策支持系统

因为预见期比较长、不同级别的河流比较多,应该说大江大河的洪水预报很不错,走在了国际的前列,但是在中小河流和山洪方面,至少水利部到现在还没有对中小河流和山洪沟进行洪水的预报预警。目前,各地正在建设河流监测预报系统,现阶段山洪灾害主要是基于临界雨量的预警,下一步要结合全国的山洪沟的洪水预报预警系统,来提高我们对山洪灾害的防御和预警的水平。同时,气象、水利、交通等几个部门要通力合作,建设基于短临精细降雨预报和降雨实时观测的中小河流山洪预报预警和影响快速评估系统、以及结合交通建设的调度决策支持系统。

气象雷达短临降雨监测预报很有潜力,目前我们24小时的降雨预报,尤其是受小气候和局部地形影响的降雨的预报很不准,雷达监测主要是增加预见期,便于提前采取行动。另外,充分利用水利系统的水文监测系统,以及我们正在建设的山洪预报预警服务系统、影响快速评估系统和山洪地质灾害评价数据库等系统,对我们今后的规划设计阶段还是值得借鉴的。

4.加强与防汛专业抢险队伍、物资储备单位的协调机制

万一出了灾害,防汛部门的抢险力量、物资储备可以为交通设施所用。

(根据速记整理,未经专家审阅)

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