长江中下游55洪灾的环境地质原因

长江中下游55洪灾的环境地质原因

一、生态系统失衡长江上游，尤其是沿河两岸，是中国的工业发达地区。东部沿海地带与横贯东西的长江沿岸形成了“T”形经济发展区,是国家进行重点规划和开发的两条重要轴线。利用长江“黄金水道”建设沿江经济走廊,实现资源、技术的优势互补,对于加快我国经济发展具有全局性意义。长江既有其独特地理优势,同时又需要防洪工程予以约束。今年夏季,长江继1954年后再次发生全流域性特大洪水灾害,使沿江防洪工程,尤其是中游干流堤防经受了历史上最为严峻的考验。此次洪水流量较1954年小,但其威胁更大,洪水的致灾能力更强。已有的调查分析资料显示,40余年来日益严重的自然生态系统失衡是洪灾加剧的重要原因之一。滥伐森林,植被破坏,地表裸露,使吸纳、涵养水份的作用丧失,地表径流加大。同时造成水土流失,大量泥沙流入江河湖泊,使河床抬高湖面缩小,蓄排洪能力大大降低。而围湖造田,占用河道同样破坏了生态环境,降低了排洪能力。另一方面,沿江城市不合理开发地下水及其它矿产资源引发的地面沉降使地面标高又受损失,地势低平或低洼地区外洪内涝更趋恶化。显然,环境地质问题是此次洪灾加剧原因的一个不容忽视和回避的重要方面。本文根据现有资料,对长江中下游的水土流失、江湖淤积、地面沉降等环境地质问题作一初步分析,并阐述其对防洪工程的影响。二、长江中下游水文条件与地质条件1.丰水年、年际变化长江中下游地处温暖湿润的季风气候区,夏季湿热、冬季干寒,年平均气温为15～20℃。年降水量大于1000mm,雨量主要集中在6～8月份,约占全年降水总量的43%。长江中下游段有许多支流汇入。由于流域面积大,地形复杂,流域内各地区的气候特征有较大差异。各区降雨集中期:赣水为2～3月,湘、川、汉水为8～9月,长江下游则有梅雨和台风雨双峰降雨特征。因此,长江干流全年水量丰沛、流量稳定,其多年平均流量的离差系数值在中游汉口站和下游大通站分别为0.14和0.15,是我国也是世界各大河流中离差值最小者。在大通站,最小流量4620m3/s(1979-1-31),最大流量926000m3/s(1954-08-01),多年平均为28800m3/s。近百年水文资料显示,长江中下游干流丰水年出现的规律性较强。平均15～16a出现一次连续丰水年,但无明显的长周期变化;少水年的出现除15～16a的周期外,自30～40年代以来,频率有增高趋势。这可能与气候、人类活动和环境变化有关。如丹江口水库建成后,每年汉水下泄水量减少100亿m3。今年长江洪水流量要小于1954年,但雨量集中,先后有8次洪峰接踵而至,高水位持续50余d不退,而1954年仅维持20余d。与长江洪灾几乎同时发生的嫩江、松花江洪水泛滥,该流域10d内的降雨量竟超过以往1a的降水总量。长江泥沙来源于干流和各支流。由于各支流水情、沙情不同,因此输沙情况复杂。总体上,输沙量自上游向下游递增,而含沙量则递减。输沙量的年变化与径流年变化大体一致。在中游(汉口以上)大多数年份沙峰较洪峰稍早,而下游一般沙峰晚于洪峰。这表明中游和下游河流淤积规律有所不同。2.新发现的下蜀土盆地长江中下游位于我国华北地台与扬子地台的接壤带附近,新构造运动比较强烈,最明显的表现为:东大别山和皖南山地的上升,沿江地堑系的发育,郯庐、茅山—江南、襄广等断裂带的活动。长江武汉—广济段,受襄广断裂带控制,河谷沿其断裂及其旁侧的斜断层发育。这段河谷总的来说很窄,岩岸较长,呈构造谷形态。自广济至镇江,长江发育在沿江新生代地堑系中,依次流经望江盆地和无为盆地,附近还在芜湖盆地。这些盆地均呈NE向长条形,为箕形盆地。其北西侧均有一条新构造推覆断层,自NW向SE推覆。盆地沉降中心偏北西侧,南东侧第四纪覆盖层渐薄。广济—大通段,长江沿望江盆地东南边缘发育;大通—南京段,沿无为盆地东南边缘发育。因此右岸岩岸较多,左岸基本上是土岸。长江在这一段的突然拐弯,均受江南推覆构造和繁昌—芜湖推覆构造的斜断层控制。许多沿江矶的形成均与这些近南北向的斜断层有关。长江中下游是晚更新世以后才被贯通起来形成的一条比较年轻的河谷。在此之前,江汉、望江和无为等盆地均为一些内陆盆地。长江东流并贯通成一条大河,可从其纵剖面上找到痕迹。下蜀土阶地可能并非全由长江造成,在长江贯通之前或已广布于苏、皖南部的下蜀土台面。当时下蜀土以风成为主,有的则经山坡流水和小河流水作用的改造。长江贯通时,其水位与此台面相差不大,从而改造了沿江的下蜀土堆积,造成现在的沿江下蜀土阶地。因此,长江中下游的形成和发展,带有叠置谷的性质。长江中下游河床甚宽,河水深度汉口—武穴段平均约18.5m,武穴—东流段13.6m,东流—获港段17.5m,获港—南京段20.4m。沿江具有较厚的覆盖层,一般松散堆积层厚度约30m,自大通以下厚度逐渐加大。长江中下游沿江覆盖层具有二元结构特征,上部为粘性土,下部为砂性土。河床底部除个别地段外,均为松散的现代堆积和推移质物质。三、长江中下游环境地质问题长江中下游主要存在水土流失、淤积、崩岸、地面沉降等环境地质问题,现简述如下。1.泥沙主要来源研究长江泥沙来源及其输沙量的变化,可以分析水土流失情况。有关学者研究了1953～1985年长江干支流输沙量变化,自50年代初至60年代末,长江汉口以下含沙量和输沙量呈明显增高趋势。1969年输沙量陡减,其后又明显地逐渐增高。1969年输沙量和含沙量陡减原因,主要是由于丹江口水库的蓄水运行。据汉水仙桃站资料,1972～1977年比1955～1965年输沙量减少了0.6×108t/a,而同期大通站输沙量差值为0.7×108t/a。剔除水利工程的影响,下游输沙量的增长速度几乎每隔15a,输沙量增长1×108t/a,即增长20～25%。长江中下游输沙主要来自上游。上游来沙量占泥沙总量的87%。沿江丘陵坡地水土流失是重要泥沙来源。如汉口以下含沙量虽有变化,但悬沙级配变化不大,说明淤积的粗颗粒物质主要来源于沿江丘陵。长江中下游输沙量增加,还与洞庭湖“四口”淤塞,使长江泥沙向洞庭湖回灌量锐减有关。除此之外,中下游沿江丘陵山地自身日益严重的水土流失也是输沙量增长的重要原因。如大别山区的巴河1969～1985年平均输沙量为1958～1968年的2.8倍。这种变化完全是由于水土流失的加剧造成的。沿江其它地区水土流失均有不同程度的加剧。这种大面积水土流失趋势在短期内可能不会有较大改善。2.泥沙倒灌沉积特征据有关统计资料,武汉～南京沿江除鄱阳湖和巢湖以外的61个中小型湖泊,其50年代中期的总面积为3749.2km2,到80年代中期为2487.9km2。即因淤积和围垦,湖海面积缩小了1261.3km2,大约是50年代湖泊总面积的1/3,其中因长江泥沙倒灌造成的淤积面积为455.9km2。长江泥沙倒灌淤积主要发生在50～60年代,随着沿江闸坝的修建,70年代以来,泥沙倒灌淤积速度减缓,而因迳流不畅等原因湖泊富营养化而发生的退化逐渐强烈。如石臼、固城、南漪三湖即主要因湖泊退化和在此基础上的围垦,面积缩小了254.9km2。在湖泊倒灌淤积的同时,长江江道滩地也不断淤长。与湖泊倒灌淤积不同的是,长江滩地淤长速度前慢、后快,特别是1970年以后,淤长较快。长江各河段淤长速度见表1。由表可知:武汉—南京各河段,淤积面积均大于蚀退面积。近30a来武汉—南京长江河道平均缩窄了103m。淤积强度与支流汇入、河流纵坡以及潮的影响有关,还与人工护岸与导流等工程有关。总体上看,下游淤积稍强于上游,盆地中河段的淤积稍强于盆地连接河段。综合湖泊和江道的淤积,粗略计算30a内武汉—南京长江泥沙的总淤积量为770.6×106t,平均每年淤积25.7×106t。为便于与水文测验资料对比,计算30a内武汉—大通长江泥沙总淤积量为616.9×106t,平均每年20.6×106t,约为大通站年均输沙量的4%。3.崩岸的立地条崩崩岸是长江中下游沿江相当普通的地质灾害。据1986～1988a遥感调查,从武汉至南京划子口约1470km的江岸,近年来正在发展的崩岸段达398.5km,若不计江心洲的崩岸,两岸崩岸段总长323km,约占江岸总长的22%。30a来,崩蚀总面积达89.1km2。崩岸分条崩与窝崩两类。条崩是由于长江流水冲涮坡脚(有时兼有地下水作用)形成的平等于岸边的条形崩坍或坐落,每次崩坍规模不大,但发生频繁。窝崩是直径为几十米,多至百余米,甚至400～500m的围椅形崩坍,具突发性,崩蚀纵深可达百余米,这类崩岸往往造成巨大的灾害。崩岸的发生、发展除了与河岸的抗冲涮性有关外,在河漫滩区,主要与河流主流线,特别是高水位期主流线的动态有密切关系。(1)南京府里底物由此岸线逐渐后退。30a来,许多条崩段岸线后退了几百米,如南京幕府山江边崩退最宽处达500m。这种崩岸往往危及堤坝,如怀宁马店附近因条崩,岸线后退,迫使30多a内3次易地新筑堤坝,大堤后退了350m。(2)变化的河岸中,窝崩发生在期e因此它发生的地点往往在主流线顶冲点的下游、挑流节点的下游或主流线不稳定而有急剧变化的河岸。窝崩一般发生在汛期,即高水位期。因此它与高水位期主流线的状态有密切关系。它向河岸纵深发展的趋势不明显。发生过窝崩的地方,有可能以后在原位置继续发展,扩大窝崩的范围;也有可能被淤积起来,以后以另一点为中心,发生新的窝崩。(3)崩岸发生严重这时越靠近条崩段,崩窝的直径越小,但强度较大。某些主流线急剧转弯的地方,主流线动态变化剧烈,条崩和窝崩交替发生,这时崩岸往往很严重。如安庆上游的官洲,27a内在5km长的岸段崩蚀了12km2土地,毁坏农田18000亩,一切村镇和闸坝均毁入江中。崩岸最严重的1a,岸线最多后退了540m。(4)有大量岸段发生的岸崩将继续沿空其特性对长江中下游各河段崩岸趋势预测,在过去已发生过强烈崩岸的河岸如南京的大胜关、黄天荡(西坝头)等10多个岸段,已趋于稳定,在今后几十a内将不会出现大的岸崩;有些岸段如怀宁马店等河段将继续发生崩岸;有的岸段如望江县老虎口上游,因为80年代东流段主流线由玉带洲南改到棉花洲北汊,在一个时期内将不断发生较强烈的岸崩;有些岸段如燕子矶下游,由于燕子矶的挑流,今后20多a内将处于大水年崩、小水年淤的情势。4.荆江河曲沉陷盆地地形空间前已述及,长江中下游新构造运动较为活跃,且以沉陷为主要倾向,具体表现为:第四纪以来沙市、耦池、沔阳一带沉降中心松散沉积物最大厚度为160m左右;江汉平原河流溺谷广布,地表阶地较少,广泛发育的是河漫滩冲积平原,丘陵区可见长江Ⅰ、Ⅱ级阶地;荆江河曲十分发育,曲折系数上荆江为1.67～1.70,下荆江为2.01～3.57。这种自由河曲是典型的沉陷盆地地貌景观;现代地形形变测量依然在沉降,大约在盆地范围内平均下沉2～4mm/a。除上述的基底构造沉降以外,沿江地区抽汲地下水或对其它地下矿产资源的开发利用也会造成地面沉降。长江中游大部份地区虽未进行地面沉降监测,但从地质条件及城市发展情况分析,不难得出这一结论。长江下游地面沉降则明显得多,近年来苏锡常地区成为新的沉降中心。也使1991年太湖流域发生百年一遇水灾时,较1954年有更大的经济损失。四、环境地质问题对防洪工程的影响1.江堤及下游工程地质问题长江中下游防洪干堤总长约3800km,其中重点确保段300km。沿江许多城市,因港口运行、城市建设和防洪需要,沿江岸修筑了牢固的护岸工程。如南京下关和浦口港、武汉的码头和防洪大堤以及九江、安庆、芜湖等城市的护岸工程等。这些工程起着“节点”作用,对长江河势的稳定十分重要。沿江防洪大堤在武汉—南京段中以安徽的同马大堤(长175.8km)、无为大堤(长113.6km)规模最大,其次还有湖北的黄广大堤(15.2km)。这些大堤堤顶均高出1954年洪水位,一般提高5～8m。中游段还有重点设防的荆江大堤(182km)和洪湖江堤等。堤坝多有护坡,特别在易发生崩岸的地段采用了抛石、沉排、沉笼以及丁坝、砌石、混凝土板等各种不同的护坡形式。大堤的修筑对稳定河势有着重要的作用。但这些提坝的稳固程度远不如大城市的护岸工程,所以它们在一定程度上虽稳定了河势,但却不具备绝对的挟制河势的功能。长江中游提防虽经多年加固,但本身依然存在着一些严重问题:一是由于江堤大都修筑在第四纪冲积物之上,堤基工程地质稳定性不良造成堤基渗漏;二是大堤许多堤段长江迎流顶冲严重,江岸崩塌剧烈,影响堤防安全;三是堤防本身修建程度不一,存在许多隐患。长江防洪的关键河段在荆江,荆江要害在河湾,而河湾问题看堤基。管涌是堤基失稳的主要原因,由于中游段粘土层太薄,河床内外砂层沟通,故在高水位下险情不断,这是由该段二元地质结构所决定的。所谓二元地质结构是指第四纪地层具有上部为粘性土、下部为砂性土两层结构,粘性土与砂性土的厚度与埋深及其与长江水面位置关系将直接决定防洪工程基础的稳定。粘性土层过薄、砂性土层埋深过浅对于堤基均是不良的。二元结构地层受长江河道演变影响,在空间展布上具有不同特点,如枝城以上和武汉至广济地段工程地质条件较好,坝基稳定;而沙市至石首(上荆江)、石首至监利(下荆江)工程地质条件不良,坝基稳定性差,是防洪设施中须重点关注的地段。“上荆江”河段,发育于江汉盆地的古冲积平原上,河道以微弯河型为主,间有分汊。河流主泓线左右不定,在沙市河湾深泓线紧逼大堤。河床两岸第四系发育,总厚度为105～148m。“下荆江”河段,发育于元古界变质岩和燕山期花岗岩组成的坚硬基岩区的北侧,为蜿蜒型河道。河床平面挪动大,挪幅一般可达20km,最大处下车弯河曲所有挪幅可达45km。堤基为全新世沉积,上部以粘壤土为主,厚度一般为5～10m,局部地段缺失。下部为细砂层、粉细砂层,厚度一般为20～30m,最大达40m,是典型的二元结构的松散沉积层。此二元结构由于上部粘性土层厚度较薄,隔绝江水的作用不大,相反下部的砂性土层厚度较大,与长江具有水力联系,在长时间高水位浸泡下,建筑在上面的堤坝便可能因渗涌和管渗而有失稳危险。2.同流量水位抬高与堤基稳定性的关系长江沿岸地区的水土流失,必然要导致江湖淤积。沿江淤积将使长江河床容量减小,蓄水排洪能力下降,直接造成讯期洪水位显著抬升,且延长洪峰持续时间,对防洪带来极为不利的影响。由于滩地淤积,河床宽度缩窄,河底被涮深。因此在平、枯水位期,长江同流量水位变化不大。但到汛期,长江下游流量大于50,000m3/s时,同流量水位明显地逐年增高。这种现象在60年代以前尚不明显,1970年以后15a间,大通站长江50,000、55,000和60,000m3/s流量的同流量水位分别增高了1.1m、1.0m和0.6m。粗略计算在彭泽、怀宁马店、获港、下关等河道较窄处,60,000m3/s的同流量水位抬高将大于1m。这就意味着许多河段按1954年9.26万m3/s防洪标准设计修筑的江堤,只能允许7万m3/s的洪水通过。而长江洪峰流量达6～7万m3/s的机率是很高的。自1960～1985年,大通站洪峰流量达到7万的就有2次,达到6万以上的有13次,平均2年1次。正因如此,每年沿江防洪抢险任务十分紧张,常有险情发生。沿江湖后,特别是湖口的淤积,使湖泊调蓄洪水能力降低了1/3以上,这也是使洪峰抬高,高水位持续时间长的重要原因。由于汛期水位抬高,高水位持续时间长,堤坝稳定性便受到威胁。这种威胁包括两方面:一是部分坝脚受冲涮崩坍影响;更大的威胁是潜蚀管涌。长江沿岸现代河漫滩沙堤相冲积层多为粉细砂,堤外水头抬高,高水位持续时间又长,使相当多的堤基和堤体的渗透比降接近临界比降。当堤体或堤基有缺陷时,极易发生潜蚀。1983年南京龙潭的江堤溃决即是由于此原因造成的,累计这类堤基占江堤总长约40%。随着淤积的发展,汛期同流量水位将继续抬高,如果到2010年三峡工程不能投入运行的话,中下游防洪大堤的许多堤段将不得不加高3～4m。这将不仅仅是单纯的增加土石方的问题,还必然带来防渗和堤基处理等一系列问题,其中仅淤泥土堤基就将达150km。加高和处理3800km江堤本身将是一项浩大的工程。此外,沿江几乎所有的水闸和部分码头将因水位抬高而改建;沿江排涝和部分城镇的排水将更为困难。3.水动力作用与水利工程崩岸段(水流冲刷段)是防洪的重点守护段,在主流顶冲或贴岸部位,如果河岸土质不好,往往发生强烈冲刷,导致临水河岸滑崩或倒崩等重大险情,给防洪造成严重威胁。在水流动力轴线离开岸边的河段,岸边流速大为降低,只有静水作用占主导地位。对于淤积段不能认为是安全段,因为在流量改变时,水流动力轴线发生大水趋直、小水弯的变化,甚至可发生裁弯、切滩的演变。水动力因素是静水作用和动水作用综合作用的结果,它是影响防洪诸因素中第一位的、最主动的因素,而动水作用的影响则更为突出。对冲积平原河流而言,主流顶冲贴岸流动部位一般淘刷强烈,可能形成崩岸等严重险情;静水作用是通过堤身、堤基的土质条件发挥作用,静水头越大就更容易促使险情的发展。堤外滩宽属边界条件,滩宽越窄,边界条件越差,水动力作用发挥的越充分,险情就越多。历史上的河道变迁与堤防变迁是相应的,后期修筑在前期古河道上的堤防均为地基不良地段。据以上分析可知,荆江河段大小弯道发育充分,根据弯道水流的基本特征,主流往往稳定在弯道凹岸,因此在弯道的凹岸最易出险。4.城市地区的地面沉降问题由前所述,长江中游防洪段处于新构造沉降地区,年沉降速率为2～4mm/a,这将使堤防的防洪设计标准降低。除自然因素外,开采地下水或其它地下矿产资源也会导致地区性的地面下沉,这与开采区的具体实际有关,因而很易造成差异性沉降,既降低防洪工程的抗洪标准,又可导致堤防因不均匀沉降而产生开裂。堤外地势低平或低洼地区则因地面沉降将使个洪内涝更趋恶化,遭灾可能及致灾烈度显著提高。长江三角洲城市地区因普遍存在地面沉降问题,在1991年100a一遇洪水面前,外洪内涝,损失惨重,教训是很深刻的。上海市区防汛墙建国后迄今的四次加高改建,已有资料证实