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孔洞一:与洪共存|德国防洪经验:如何科学认知和管理洪水

作者: 孔洞一,德国波恩大学地理研究所博士生、中德营造文化学会会长 发布日期:2020-08-24
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洪水是如何产生的?

1)自然视角的洪水是一种客观现象水体循环示意图(略)

地球是由冰川、山脉、丘陵、平原、湖泊及海洋等构成的复杂生态系统。洪水是复杂的水陆循环过程中的一种“客观现象”。

如上图所示:降水、蒸发和径流三个自然过程是地球水体循环最基本的环节。它们不仅调节着全球性的大气水分输送、地表水和地下水循环等多种形式的水量贮蓄平衡,也造成了旧大陆(如高原、山地)与新生陆地(平原、河谷)之间的土壤和物质输送。在这个过程中,形成了湖泊、河道和冲积扇平原等用于水体循环输送的地表径流通道和储存空间。

在大部分时间里,这些水体循环的各个环节都维持着较为稳定的平衡,然而在一些年份(如厄尔尼诺),由密集降雨引发地表径流暴增,使得地表水体输送的各个环节超越平时的负荷,从而产生“洪水”。

2)人类视角的洪水是一种自然灾难

由水陆循环引导的地球生态系统造就了丰富多样的生境。其中最适宜人类生存的地区,往往是位于河流中下游的平原和开阔地带。人类万年以来的文明史,无不发源于大河的中下游流域。而随着科技和文明的进步,人类视角中的宜居栖息地在不断扩张。当发生洪水现象时,人类便遭受着一次又一次的打击。洪水变成了对人类造成危害最大的自然灾害之一。

从这个意义上讲:自然视角的洪水与人类宜居地区的需求,似乎是一个不可调和的矛盾。

3)洪水的危害

由于人类在原本的“洪泛区”不断建设,并干预了自然水陆水体循环过程,使得“洪水”灾害频繁发生。洪灾通常会发生在海岸平地和河盆。由于这些地方地势较低,若大雨持续,河水便会上涨,淹盖河岸两旁的土地,造成洪灾。

中国主要的河流,如长江、黄河、汉江、珠江等,沿河地区洪灾十分严重。欧洲的德国和荷兰亦经常受莱茵河泛滥的影响。洪水的直接危害包括人员伤亡、建筑毁坏(如大楼、桥梁、下水道系统、公路、运河)以及基础设施损坏,还有可能严重污染水源,淹没田地等。 

人类活动对于洪水的影响

虽然洪水是一种客观的自然现象,但人类的干预对于洪水的产生,起着负面的恶化作用。总的来讲,主要分以下几个方面:自然过程和人类活动对洪水的影响示意图。

1)全球气候变暖与集中降雨

人类进入工业化时代以来,化石能源成为最主要的能量来源,导致了二氧化碳及温室气体排放的与日俱增。这就加速了地球气温升高,致使冰川融化加速,蒸腾作用加剧,也加剧了整体水陆间的水循环。具体体现在降雨量增加、大雨频繁以及洪涝分布不均。

以德国为例,德国西部地区平均降水为650-1500毫米,低山脉地区只有450-650毫米。相比20世纪初,德国的年平均降雨量约增加了9%。

2)地表渗透与建成区

自然界的不同地表层都有一定的水分渗透能力。如林地、草甸/草地和农田的吸水率都很高,而建成区的地面基本上没有吸收水分的能力。随着人类城镇和建设面积的扩展,越来越多的自然地表被建成区所覆盖,造成了降雨无法下渗,而形成聚集的洪水。根据《中国城市建设统计年鉴》和《城乡建设统计公报》数据显示,在2005年到2015年间,中国的城镇化造成建成区面积的年均增长率为6.3%,城市建成区大约增长了 60%以上。不同地表的下渗率对比图(略)

3)河道改造与湖泊萎缩

另外,人类建设对于河道和湖泊的干预也是前所未有的。

那些具备自然蓄水和泄洪功能的河道被人工砌筑了硬质底面和驳岸,大大降低了其自然渗透能力。人们通过拦河坝、防洪堤等设施来调节控制洪水,并把河道改造为通航航道。越来越多的城镇建设在洪泛区地带。

19世纪至今,德国的莱茵河河道全段都被人工改造过,中下游洪泛区减少了60%以上。另外,湖泊也被大面积地围湖造田。

中国的鄱阳湖是长江中下游最重要的蓄水调洪大湖。但人类为了粮食产量,不断对其进行围湖造田,造成了湖区面积不断缩小。泥沙淤积、围湖造田以及破坏湿地生境等人类行为,使其蓄水能力不断减弱。人类改造河道的历史发展示意图(略)

除此之外,人类还在进行侵占湿地、砍伐树木等自然干预行为,都导致了洪水持续增强的趋势。

洪水危机管理模型

既然洪水是不可避免的,那么人类在洪水面前只能探索防控和管理机制。洪水控制是一个复杂庞大的系统。目前,德国的洪水危机管理由15个环节组成。其中1-8是防控阶段;9-12是洪水过境阶段;12-15是事后评估和重建阶段。可以看出,预防阶段占据了重要部分,强调提早对洪水进行分洪和风险管理,以减少洪水造成的整体破坏。德国的洪水管理模型图。

洪水防控措施

基于以上对洪水的理解和管理模型,德国有很多洪水防控的具体办法。以下列举一些城镇规划与管理方面的措施:

1)水位监控与洪泛区规划德国洪泛区分布图(略)

德国水文气象局支持建立了一个遍布全国范围的水文监测数据库Hochwasserportal,公众可以随时查询水位数据和洪水预警信息。同时,根据监测信息,在德国范围内划分出了洪水威胁区域,其中又划分了洪泛区洪水和山洪洪水危险区等具体的预警区域。

例如,2002年数据显示,易北河中部的低地草甸区域的洪水威胁系数介于50%-90%之间,而德国中部图林根山区的系数则在10%以下。 

每个地区也都有专类的洪泛区规划,例如,莱茵河中下游的波恩市总体规划中就明确划分了洪泛区。在洪泛区内禁止建造建筑设施,平时作为开放空间使用,承担着泄洪与改善区域生态功能的作用。

2)河道与堤防规划莱茵河自然河道恢复实景图(略)

在对过去一百多年的河道改造进行反思和发展后,德国对河道规划有了新的概念和定义。根据德国《水资源和联邦水道法》(第8节第1款和第12节第7款)规定,河道改造需要避免对水体自然生态和水文特征产生影响,在一百年一遇的防洪堤内,可以修建泄洪和储水的开放空间。因此,基于运输功能的传统河道建设受到了限制,取而代之的是在河道内部和河岸附近恢复自然生态功能的景观建设。

于是,河滩、湿地、河心岛等景观被重新规划设计出来,一方面保障了主航道的运输功能,另一方面也增加和恢复了原有自然河道的储水和泄洪功能,以及更加丰富的生态功能。可以将草地或森林,乃至农田划入此类用地内,在行洪期充当泄洪功能,而平时依然保留原本的土地类型,实行再自然化(Renaturierung)的处理,恢复其自然的滨水生境和水分渗透性,从而增加其蓄水和泄洪能力。这样的河道规划策略,协调了经济功能与生态功能之间的矛盾,也把水运线路变成生物栖息地。

3)防洪建筑设计德国防洪建筑设计示意图(略)

在建筑设计方面,德国也有着专门的防洪标准。

如上图,为了应对洪水,建筑设计的一层必须高出室外地平面50公分以上,入口处也需要铺设50公分的台阶。在建筑地下层和外墙接地侧,必须铺设密封防水层。地下室要预埋抽水泵与室外连通,地下室的隔间也需要有密封防水门。地下室的电器开关和插座都需要安装在高处。总控的电暖控制设备不允许安装在地下室,而是安装在顶层。

4)社区分流与小流域分流规划社区雨水分流示意图(略)。

所谓的“去中心化”就是让降雨区域各个部分就地吸收存储雨水,防止其往汇水中心聚集的策略。可以在各个社区的小地块开敞空间内,设计出可以储水和下渗的景观设施。其中渗透装置一般包括:地膜层,用于吸收表层水分;渗流管,用于引导水分到下层;以及渗透层,一般用卵石填充用来引导水分渗透入下层土壤。也有屋顶花园的设计,利用预制透水混凝土板和渗透装置,起到雨水存储的功能。

“去中心化”也应用于建成区之外的其他用地。一般是根据小流域来划分区域。在一个小流域内部,降雨首先在一段时间内停留和汇集于地表,当超过了其渗透率时,就会形成径流,通过地表水直接流入河流和湖泊。因此,就需要提升小流域内的地表下渗系数。可以在区域内大面积植树造林,或者在较小的河流上创建洪泛区和恢复河岸林地等,都是非常有效的措施。这样一来,小流域通过自身的雨水吸收而缓解了径流溢出的压力,从而降低了干流的洪水风险。

5)农林用地与绿地分流(略)。

由于农林用地和绿地的下渗系数较高,也广泛分布于洪泛区周围,所以经常被用来作为洪水分流的区域。农林用地作为泄洪分流用地的意义非常重要,其不仅有泄洪分水的功能,更有遏制土壤侵蚀和水土流失,让被雨水携带的养分和土壤物质存留在土地上的意义。

另外,一些河岸附近的农林用地,也往往有非常好的景观意义。德绍-沃利茨园林王国的总平面图,图片来源:Kulturstiftung Dessau-Wörlitz2002年洪水中的德绍-沃利茨园林王国。

例如,德国易北河中下游的德绍-沃利茨园林王国(Gartenreich Dessau-Wörlitz)就是一块距易北河主河道不到1公里的公园绿地。其中有19世纪建设的花园建筑,周围的农田也和易北河的河岸堤坝融为一体,形成风景优美的“园林王国”。这里还被联合国教科文组织评为世界文化遗产。其评语中,就有“融合了园林艺术、农林和水利防洪功能为一体”的综合性文化遗产。在建成后的两百年时间里,这里一直承担着泄洪和水利调节功能,特别是在2002年的易北河大洪水中,其泄洪能力再一次得到了检验。

小结

综上所述,洪水是一种被人类活动强化了的自然现象。人类在与其共生共存的过程中积累了丰富的经验,在如今科技水平和改造自然能力飞速发展的阶段,更需要对洪水的本质和危害有科学的认知。并在此基础上采取科学应对办法,才能使人类与洪水长期共存下去。

参考文献:

【1】IKSR, "Atlas zur Überschwemmungsgefährdung und möglichen Schäden bei Extremhochwasser am Rhein", Koblenz 2001

【2】谭其骧,张修桂。鄱阳湖演变的历史过程,复旦学报:社会科学版,1982-02-007

【3】唐国华,胡振鹏。气候变化背景下鄱阳湖流域历史水旱灾害变化特征。《长江流域资源与环境》 2017年08期

【4】Hochwasserrisikomanagementplanung NRW Bezirksregierung Köln Kommunensteckbrief Bonn Dezember 2015 

【5】Bundeswasserstraßengesetz (WaStrG)

【6】Johannes Kollmann: Warum Renaturierung? In: Renaturierungsökologie. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2019,

【7】Hochwasserschutzfibel, BMVBS 2010/2013

【8】Umweltbundesamt. HOCHWASSER VERSTEHEN, ERKENNEN, HANDELN! Bonn, 2011.

【9】Gesellschaft der Freunde des Dessau-Wörlitzer Gartenreiches e.V.

来源:澎湃新闻网,https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_8381135 发表时间:2020年8月24日