下沉的感觉:如何改进洪水防护? [幻灯片]

有一件事是肯定的,无论沿着密西西比河等主要水道修建多少基础设施,它们都会定期收回居住在其河岸社区所占据的领土


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降雨持续不断(过去一个月一直在下),降雨量打破纪录,遍布密西西比河中部和俄亥俄河流域,导致两条水道及其支流膨胀。当一些居民撤离,其他人等待关于他们是否必须逃离的消息时,美国陆军工程兵团正在考虑其日益有限的选择,以控制一场已经冲走房屋和农田的重大灾难。

这些选择中的大多数取决于水量以及水对沿密西西比河修建的堤坝、防水堤和溢洪道等人造基础设施造成的压力持续时间。

本周早些时候,工程兵团部分开启了路易斯安那州的邦尼卡雷溢洪道,以减少流向新奥尔良的水量。据工程兵团称,到周五结束时,总共将开启 264 个溢洪道闸口(共 350 个),工程兵团计划根据需要开启更多闸口。他们还在考虑最早在本周末开启位于巴吞鲁日附近的摩根扎溢洪道的 125 个闸口中的一部分——这是 38 年来的首次——将来自中西部和俄亥俄河的密西西比河洪水改道至阿查法拉亚河三角洲,据《泰晤士报-皮卡云报》报道。如果摩根扎溢洪道即使部分开启,阿查法拉亚盆地的数千户房屋以及农场、野生动物保护区和一个小型炼油厂将面临洪水风险,以防止洪水袭击人口稠密的路易斯安那州首府巴吞鲁日和新奥尔良。

除了暴雨之外,当前的洪水状况还可以追溯到许多因素,包括随着时间的推移,沿着密西西比河及其支流的松散土壤上堆积的浅层防洪屏障缩小了它们的通道。这导致更多的水更快地通过更狭窄的空间,从而给该地区的堤坝带来更大的压力。

为了更好地了解密西西比河沿岸岌岌可危的局势,以及未来如何缓解此类洪水,《大众科学》采访了J. 大卫·罗杰斯,他是密苏里科技大学的工程学教授,也为工程兵团教授防洪课程。罗杰斯认为,洪水是不可避免的,但可以通过精心设计和建造的防洪屏障、主要水体沿岸的适当土地管理以及更好地了解洪水的工作原理来减轻洪水的影响。

[以下是采访的编辑稿。]


密西西比河沿岸的社区(特别是孟菲斯、维克斯堡、巴吞鲁日、新奥尔良)面临的局势有多严重?
预计的流量应在密西西比河及其支流 [MR&T] 防洪工程的设计能力范围内,该工程由陆军工程兵团于 1931 年至 1980 年间建造。这并不意味着不会发生任何堤坝溃坝或其他问题,但它应该在设计能力范围内处理它。

当密西西比河威胁要淹没河岸时,堤坝和其他人为调节水位的措施通常会成为问题。此类洪水是沿河生活不可避免的事实,还是有可能保护所有随着时间推移在河边涌现的社区?
我们可能已经将河流的活跃洪泛区堤坝化得太多了;在许多情况下,接近历史洪泛区的 90%。我们可能不应该堤坝化超过 75%,因为靠近低流量河道的堤坝 (pdf) [旨在集中流量并增加低流量期间的河道流速和深度] 最容易出现地基问题,原因是地下水渗流通过渗透性材料。洪水是不可避免的,我们需要 1000 年的水文记录才能准确估计 100 年重现期洪水。我们大约有 160 年的记录,因此其中涉及很多猜测。

沿水道是否有某些区域更适合建造堤坝,还是任何居住在主要水道沿岸的社区都应使用堤坝系统保护自己的经验法则?
我们不应该建造旨在保护靠近低流量河道的高价值资产的堤坝,而没有针对地下水渗流的实质性“深度设计”保护措施 (jpg)。这包括 泥浆防渗墙板桩截水墙、排水沟 (pdf) 和大量的抗渗承压井 (pdf)。我们建造的堤坝越靠近低流量河道,堤坝下方的地基材料就越渗透。实际上,所有非漫顶引起的堤坝破坏都是由于沿着旧河道和死水潭的地下水渗流引起的,这些河道和死水潭的渗透性增加。低流量河道越远,地基往往变得越来越不渗透。因此,如果我们希望获得坚固耐用的保护系统,保护堤坝实际上应该后退相当一段距离,远离低流量河道。这意味着将更多的自然洪泛区还给河流——即将“河流份额”从洪泛区的 8% 到 10% 增加到 20% 到 25% 左右。退离河道的堤坝也往往包含更多的粘土,这提供了更高的土壤粘聚力,这对于堤坝在漫顶后生存的能力至关重要。

开启堤坝的目的是什么——例如,像陆军工程兵团 5 月 2 日在密苏里州鸟点堤坝所做的那样,使用炸药
这是一个与第一中尉赫伯特·D·沃格尔在密西西比州维克斯堡的工程兵团水道实验站设计和监控的物理模型一起制定的方案,时间是在 1931 年初。这个想法并不新鲜——自美国内战以来,炸药已被多次用于实现截流。格兰特将军在 1863 年维克斯堡围城战期间使用这些炸药切断了一条旁路河道。当然,在 1927 年密西西比河大洪水中,新奥尔良以下地区进行了九次不同的堤坝爆破。[鸟点堤坝方案最初设想使用装满炸药的驳船,但在 1993 年洪水之后,工程兵团安装了嵌入式管道炸药,其设计更加可靠和精密,以最大限度地减少意外损坏。当我们使用炸药“开启”堤坝时,它仅旨在在 100 年内使用一次,最多两次。整个想法是为了省钱,与建造数百万美元的导流洪水流量控制结构相比,例如在邦尼卡雷、摩根扎老河建造的那些。这些是非常昂贵的结构,预计每个世纪可能会使用 10 次,比“熔断塞堤坝” [比相邻堤坝低,旨在在压力过大时被奔流的水冲垮。按照设计,无需炸药即可移除这些堤坝] 使用得更加频繁。

什么是溢洪道?在新奥尔良开启一些溢洪道会对那里的洪水产生什么影响?溢洪道最好放在哪里?
溢洪道只是一个“流量控制结构”,通过它可以安全地将多余的洪水从河流中转移出去或绕过水坝。它们有两种类型。第一种是可控溢洪道,它采用可移动的闸门来调节排放的流量。所有水坝都建造有溢洪道,绝大多数工程水坝还配备了 泄水建筑物,本质上是管道,允许将湖泊水位维持在任何所需水平,并且可以将水库水位降至溢洪道堰顶水位以下,以便在超常径流年份(如 2011 年)提供 蓄洪

第二种溢洪道类型是无控制堰或堰顶溢洪道,例如许多水坝使用的那种,一旦湖泊水位达到溢洪道的堰顶高度,通过溢洪道的总水量就无法控制。在我看来,沿密西西比河等主要河流现代洪泛区采用土堤的每个大型围垦区都应配备可以在堤坝被漫顶和破坏之前开启的溢洪道。这些相同的保护区也应在其远端下游端配备泄水建筑物,以安全地排放通过其溢洪道进入保护盆地的任何洪水。如果我们增加这两件事,我们将防止大量不必要的洪水破坏,因为我们将给多余的水一个“储存”的地方。
 
目前的情况与 2005 年夏季卡特里娜飓风袭击新奥尔良及周边地区的风暴潮相比如何?
这就像将苹果与橙子进行比较:没有太多共同点,但两者都是圆形的——在这种情况下,两者都是湿的。飓风带来了一整套不同的问题,几乎瞬间就给保护结构带来了负荷,而持续时间流量周期(上升和下降)以及洪水总量是需要数周或数月仔细观察和紧急缓解的三个主要变量。管理一场大洪水要困难得多。最糟糕的放松警惕的时间是在洪水开始消退之后,因为那时大多数破坏都会发生,原因是持续高流量期间堤坝中积聚的孔隙水压力迅速下降。

为什么陆军工程兵团在维克斯堡使用高密度聚乙烯 [HDPE]?在亚祖后方堤坝的背面使用它有什么意义?
HDPE 片材只是一种廉价的防水膜,可以与沙袋和小推土机一起使用,通过推土来在现有堤坝顶部创建临时“凸起”,以将其有效高度提高三到六英尺[一到两米]。自 1993 年洪水以来,它们的使用越来越多,并取得了相当大的成功——并非 100% 成功,可能只有 55%。洪水消退后,它们必须由当地地区移除——没有联邦援助。联邦紧急事务管理局通常支付其在抗洪期间的初始部署费用。

沿密西西比河建造堤坝如何影响河流的路径?
我们收回的自然洪泛区比我们可能应该收回的要多,因为渗漏是一种看不见的现象,需要时间。渗漏通过堤坝下方地基的水量越多,发生内部侵蚀的机会就越大,俗称“水力管涌”。因此,这些看不见的管道存在的时间越长,它们就变得越具侵蚀性,最终导致堤坝决堤。在许多情况下,这些决堤不会在首次注意到渗漏和 流沙 后五年、十年甚至二十年才发生。

总的来说,密西西比河沿岸的堤坝系统使沿河社区更安全地免受洪水侵袭,还是加剧了问题?
这取决于你看哪里。当然,从整个 MR&T 系统的宏伟角度来看,就对格林维尔、密西西比州周围的棉花田等当时正在耕种的地区造成的洪水威胁而言,它比 1927 年安全得多。但是,对于孟菲斯等高价值地区以及工程基础设施跨越河流的地方(例如桥梁),我们已经非常严重地限制了河道,为此我们后来付出了惨重的代价。洪水路径规划中最大的挑战之一是流量状态的转移。密西西比河在穿过圣路易斯市中心时已被缩小到只有 3,000 英尺[900 米]宽,而在工程兵团介入之前,自然低流量河道大约为 5,000 英尺[1,500 米]宽。当您挤压人口稠密的城市中心附近的河道时,结果通常是 回流涡流冲刷问题,发生在这些构造的上游和下游的流量过渡区。并且,您提高了您最希望保护的地区的洪水深度。您必须在某个地方“储存”多余的洪水。最大的争论总是关于其他地方将在哪里。

土堤还在建造吗,还是它们在很大程度上已被新技术取代?有哪些替代方案——例如土壤加固?
土堤仍在建造,因为它们便宜,而不是因为它们好。美国的平均堤坝比平均水坝的失效可能性高 10,000 倍。这不是专家意见的问题。这只是精算数字。我们可以通过工程化来提高堤坝的生存能力——几乎没有堤坝是“工程化”的,就其本身而言——这意味着检查它们各自的地基条件并相应地设计堤坝,而不是采用一刀切的心态,这在卡特里娜飓风之前一直是常态。如果存在这样做的意愿,可以采取各种工程措施来使堤坝更具弹性和生存能力。

话虽如此,由于严重且普遍的地基沉降和低土壤强度,在密西西比河-阿查法拉亚河三角洲建造坚固的堤坝非常困难。当您堆积三英尺[一米]的泥土开始建造堤坝时,由于承载能力极低,它会沉降约两英尺半。在这些条件下,我们需要开发比简单地像内战期间那样堆积泥土更具成本效益的方法和技术。这包括使用粘土作为粘合剂。卡特里娜飓风之前,新奥尔良的堤坝中没有使用粘土,因此它们的堤坝内没有任何土壤粘聚力[使它们在被漫顶后更容易受到侵蚀]。

在将堤坝更多地作为能量耗散系统而不是仅仅用作屏障进行建造方面取得了哪些进展?
我一直是能量耗散系统的倡导者之一,因为这是沿海工程师开发的用于设计弹性防波堤系统的系统类型。它可以很容易地应用于飓风和海啸的保护结构,飓风和海啸是比百年一遇的洪水容易的工程问题,因为它们的持续时间非常短。即使在最大的飓风中,您也只需要在漫顶后生存六到八个小时。
什么是“绿色”堤坝?
这是我创造的一个术语,用来描述一种新型的防护屏障系统,该系统将采用木本植被作为关键的防御组件,以及一系列低重量的加筋土护堤,这些护堤将被精心设计以增强休闲机会——例如远足、自行车和划船路径——并能够经受住最大飓风的漫顶。

观看陆军工程兵团开启邦尼卡雷溢洪道和炸毁鸟点溢洪道一部分的幻灯片。

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