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争分夺秒 科学助力决战堰塞湖

中国教育装备采购网2008-06-24 04:04围观197次我要分享

  “尊敬的王教授、张教授:请接受我发自内心深处的谢意——非常谢谢您们!我们安县肖家桥堰塞湖已于6月6日中午13时13分开始泄流,一切顺利!整个过程完全按照您们设计的方案和实验的各种工况实现。下午19时46分堰口趋于稳定。共成功泄三分之二库容,水位下降28米,险情已除!我们成功了!”

  成功了!肖家桥,这座险情仅次于唐家山的地震堰塞湖成功泄流除险。虽然坝上没有手机信号,安县水务局总工程师胡良喜还是按捺不住喜悦与激动,第一时间写好了短信。6月7日清晨他们一下山,远在北京的清华水利系教授王光谦、张红武就收到了喜讯。

  6月7日当天,清华水利系李丹勋副教授带领李铁键、刘帆、王皓等3名学生赶到肖家桥,考察泄流后的堰塞体形态。此前,他们和其他师生刚刚在王光谦教授的指导下,完成了肖家桥抢险的全面技术支持工作,同时计算完成了唐家山堰塞湖的19期来水预报。还来不及与胡良喜分享胜利的喜悦,他们就迅速投入到现场测量和泄流后的安全评估工作中。此外,由于险情更大的唐家山堰塞湖已经开始溢流,他们此行还有另一个重要任务,就是根据肖家桥泄流的情况完善相关模型,为唐家山堰塞湖抢险提供计算支持。

  未雨绸缪 数字流域模型蓄势待发

  战斗在大半个月前就已打响。5月19日,科技部基础研究司紧急组织召开汶川特大地震发生机理香山科学会议。作为会议3位主席之一,清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室(以下简称“重点实验室”)主任王光谦教授就病险水库和堰塞湖等水利工程问题做了介绍。此时,他已经意识到地震形成的30多处堰塞湖可能成为重要的次生灾害。

  进入5月下旬,随着降雨增多,堰塞湖水位迅速上涨。不断加重的险情牵动着千里之外清华水利系师生的心,他们很清楚,科学决策和方案制定需要计算支持,而这正是他们可以发挥专业特长的用武之地。5月23日晚,重点实验室师生紧急组建了计算组,王皓、高洁、林森斌等学生开始提取整个堰塞湖区域的河网和河道断面,准备利用7年前开始自主开发的数字流域模型进行相关计算。

  5月24日,清华大学水利系承担了国家自然科学基金委紧急启动的唐家山应急项目。在中科院遥感所、国家测绘局和水利部水文局等单位的密切配合下,师生们取得了必要的数据资料,开始着手进行整个区域内的模型计算,重点是堰塞湖来水预报、一旦溃决后下游风险预报和导流槽泄流时的水流冲刷过程预报。事实证明,这是三项至关重要的计算预报。

  肖家桥抢险:提供全面技术支持

  5月26日,应水利部邀请,清华大学王光谦、张红武、杨强、于玉贞4位老师赶赴四川灾区。经协调,由他们配合四川省水利水电勘测设计研究院,对肖家桥堰塞湖抢险工程进行全面技术支持。28日在安县水务局抗震救灾指挥部迎接他们的胡良喜总工急切地说,已经接到命令,次日早8点前必须拿出整个下游的溃坝撤离方案。王光谦一行马上通知校内计算组准备方案,同时动身到现场考察比对。

  尽管已经做好了心理准备,但当老师们徒步来到这个位于安县茶坪乡的高危堰塞湖现场时,眼前的景象还是令他们震惊了:河道右岸大山整体移位,大部分山体滑坡到茶坪河内,在河床上形成一道长272米、宽198米、高67.3米的天然堤坝,200多万立方米的堆积体阻塞了整个河道。没有想像中的巨石,地震瞬间巨大的自然力把石头震碎成小而均匀的石块。值得庆幸的是,堰塞湖坝体下游有个90度的弯道,一旦溃坝,水流会被迎面的山体挡住,这就大大降低了溃坝造成的危险。

  下午2点返回安县水务局抗震救灾指挥部后,4位老师与当地的水利工程师们一起制定应急方案。根据现场考察情况,张红武等老师提出了从稳定山体处开槽泄洪的导流施工方案。王光谦立即发短信给后方计算组,要求除原有1/3溃、1/2溃和全溃的3种方案外,再增加1/5溃和1/10溃两个风险相对较小的方案。在对风险进行全面评估的基础上,提出堰塞湖应急除险的“快、报、低、保”的四字方针。“快”即快监测、快出方案、快采取措施、快施工;“报”即科学预警、预报;“低”即尽量降低泄流槽槽底高程;“保”即保安全、保交通、保社会稳定。

  根据初步计算结果和下游风险分析,几位老师一致认为,可以提前预警,但原拟撤退的数万人不必提前撤。后来在肖家桥堰塞湖的泄流过程中,安县做到了不撤一人。

  经过紧张计算和反复修正,5月28日晚10点,5个应急方案全部传到安县。次日,安县政府根据清华师生提供的方案下发了红头文件。

  6月2日,应水利部和四川省水利厅邀请,清华大学抗震救灾专家组两位年逾古稀的院士——水工抗震专家张楚汉、工程地质专家王思敬一行也赶到了四川。在王光谦和土水学院副院长李庆斌的陪同下,两位院士对肖家桥堰塞湖现场进行了考察。此时,施工人员已经挖出一条长350米、宽40米、深25米的导流明槽,降低坝高18米。看到施工结果完全符合预想方案,老师们更放心了。

  6月6日,肖家桥堰塞湖在进行试验性导流时提前顺利泄洪。胡良喜告诉参与计算的师生,后方计算结果与当地的历史洪水资料几乎吻合。

  助阵唐家山:院士咨询,实时预报

  6月3日下午,两位院士一行又来到位于绵阳的唐家山堰塞湖应急处置指挥部,与水利部部长陈雷、副部长矫勇、水利部总工程师刘宁,长江水利委员会主任、副总指挥蔡其华,工程设计大师徐麟祥等指挥部全体负责人进行了两个多小时的认真讨论。

  听取情况介绍后,两位院士强调,要坚持以人为本,科学抢险。就具体工程而言,科学抢险应充分把握上游水文情况、堰体组成、一旦泄洪溃坝后下游水位流量等情况以及通讯、预警预报系统这四个最重要的环节。

  根据相关资料和计算,两位院士对泄流过程和结果也进行了分析预测,回京后又撰写了详细的书面意见。张楚汉院士明确提出:人命关天,撤离方案应当做最坏打算;但在全部溃决、1/2溃决和1/3溃决三种方案中,最有可能的还是1/3溃决方案,要争取实现最好的结果。

  陈雷部长等认真听取了专家们的咨询意见,代表水利部对清华大学和两位院士给予工程的高度关注和高水平的咨询意见表示感谢。事实上,正是按两位院士的意见,米-26直升机在6月8日吊运了8台钻机钻探唐家山堰塞湖坝体,以查明坝体构造,制订合理方案。

  正当两位院士一行与水利部负责人紧急会商之时,应水利部前方领导小组水文专业组的要求,清华水利系师生将最新一期的唐家山上游来水预报发到了绵阳指挥部。这是专门针对震区情况改进了数字流域模型的计算精度后,发出的第一份来水预报。来水预报根据天气预报计算降雨后的入库流量和达到740米高程的具体时间,以供前方会商时参考。通俗地说,它主要用来解答当时普通民众最迫切关心的问题:唐家山究竟什么时候会过流?从5月31日~6月6日,清华水利系师生共完成了19期来水预报,预测过流时间为6月6日~7日。果然,6月7日清晨7点08分,蓄积已久的唐家山堰塞湖水开始通过泄流槽下泄溢流。

  溢流之后,师生们立即转入最大溃口流量的预报计算,随着时间变化和开挖渠道的发展状况,实时预报泄流的最大流量。这一数字将直接影响到溃坝方案的选择:唐家山下游绵阳堤防的防洪标准是13000立方米/秒,如果最大流量小于这一数值,绵阳城基本就是安全的。

  计算最大流量的“主力任务”,交给了当时已随李丹勋老师奔赴绵阳的2004级本科生刘帆。今年下半年才能开始读研的刘帆之所以能承担这一重要任务,还有一段故事:计算任务布置完后,博士生王皓、高洁带着刘帆找到了王光谦,原来这位来自四川德阳、奶奶就是绵阳人的小伙子,已经根据电视上报道的数据,自己开始进行唐家山堰塞湖的有关计算了。王光谦为学生的主动精神所感动,刘帆就这样加入了计算组。在溃坝洪水和溃口发展模型的改进过程中,他基本上隔一天才睡一次觉,发挥了重要作用。

  决战唐家山:惊心动魄的一天

  唐家山堰塞湖溢流的头两天,由于水头还不高、水流冲刷能力较弱,流量并不太大。6月10日清晨6点多,刚睡了一两个小时的刘帆收到女友的短信,告知唐家山流量开始增大。刘帆一个激灵跳下床,冲出门去叫醒了隔壁的师兄,马上开始进行实时预报工作。由于技术系统自动报讯的数据每半小时才更新一次,对做预报来说太慢了,他们就打开电视,根据绵阳电视台实时发布的洪水警戒数据做计算。

  10日早上8点多,唐家山堰塞湖水位已经超过740米高程2.8米,险情升级。随着水流不断加速,实测和预报的水情数据也源源不断地发回北京:

  “王老师,现在唐家山泄流量约1000立方米/秒,水位742.8米。”

  “9点流量1200立方米/秒,水位742.18米。”

  “9点半流量1700立方米/秒,水位742.17米。”

  “10点流量2190立方米/秒,水位740.51米。”

  “10点20,北川站流量4400立方米/秒……北川流量修正到5220立方米/秒。”

  ……

  预报流量涨得太快,学生们心里开始打鼓了:照这样的势头发展下去岂不很恐怖?他们愈加谨慎,边预报边校正,放慢了报告速度。2000、3000、4000、5000立方米/秒……在几个重要节点上,预报都与实际数字基本吻合,这才让他们坚定了信心。

  紧张的何止是学生。在这个唐家山除险的决定性日子里,前方水情的每一次变化都牵动着千万人的心弦。张楚汉院士已经记不清,这天他与身在一线的72岁清华校友、原水利部长江水利委员会设计院总工程师徐麟祥通了多少次电话。上午10点,张楚汉向王光谦转达了前方的紧急请求,希望能尽快将计算数据发过去。问题很明确:最大流量会达到多少?会不会超过13000立方米/秒?

  11点10分,王光谦将学生的预报数据转发到正在会商的前方:“我们估计,按现在的涨势,11点半泄流量可能涨到9000立方米/秒。”9000立方米/秒,这是水利系师生最终预报的最大流量,小于绵阳的堤防标准,绵阳应无恙。

  实际泄流过程中,唐家山堰塞湖流量在11点半达到7200立方米/秒的最大值,随后逐渐稳定回落。

  下午1点,徐麟祥向母校师生发回了前方的最新水情:“13时水位回落到730.48米,流量5310立方米/秒。口门宽132米,水深8.5米。”

  “行了!”张楚汉终于放下了一直悬着的心。一个“见识”过7000多立方米/秒流量的溢洪道,在四五千的流量面前当然不易再溃决,张院士判断泄流即将成功。一直紧张工作着的水利系师生们也知道,最大的险情基本上度过了。

  这一天,唐家山堰塞湖除险工作取得决定性胜利,而且实际分流效果是原来的设计方案和专家分析的各种可能性里最理想的一种。

  为清华人感动:不畏艰险的教授队伍

  在这场争分夺秒、跨越京蜀的堰塞湖抢险战中,清华大学水利系参与师生之众、工作成绩之著、感人故事之多,其实远不止本文提到的这些。张建民、金峰、王恩志老师作为水利部抗震救灾专家组成员,除赴现场考察和评估病险水库外,还就堰塞湖的总体抢险方案提出过重要建议;钟德钰等老师参与了后方计算;王兴奎、江春波老师除赴现场考察和评估病险水库外,还安排并指导学生参与了计算预报;博士生李铁键、张成6月6日论文答辩,只在5日晚稍做准备,其余时间都在紧张计算。负责统筹学生计算的李铁键在答辩完成的当天下午就奔赴绵阳……

  在肖家桥堰塞湖现场,老师们不顾不断掉落的山石,走在队伍最前列。两位院士在坝顶遭遇4.3级余震时,依然坚持察看水情。负责抢通道路的湖北省交通厅副厅长张学锋感动地说,从没见过这样勇往直前的教授队伍。张楚汉院士却说,对清华人来说,这是正常的。

  围绕堰塞湖的后续问题,清华水利系师生还将进行一系列现场考察和研究。据李庆斌教授介绍,重点实验室准备进行一项关于堰塞湖形成机理与对策的系统研究,既为地震灾区服务,也为自己的科研创新搭建一座平台。

  “在目前的技术条件下,很多计算只有我们能做,所以我们责无旁贷要做好。”王光谦如是说。

来源:清华大学

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