爭分奪秒 科學(xué)助力決戰(zhàn)堰塞湖
清華水利系師生為肖家橋堰塞湖搶險提供全面技術(shù)支持，為唐家山堰塞湖搶險提供水文預(yù)報和決策咨詢
● 新聞中心記者 程 曦
“尊敬的王教授、張教授：請接受我發(fā)自內(nèi)心深處的謝意——非常謝謝您們！我們安縣肖家橋堰塞湖已于6月6日中午13時13分開始泄流，一切順利！整個過程完全按照您們設(shè)計的方案和實驗的各種工況實現(xiàn)。下午19時46分堰口趨于穩(wěn)定。共成功泄三分之二庫容，水位下降28米，險情已除！我們成功了！”
成功了！肖家橋，這座險情僅次于唐家山的地震堰塞湖成功泄流除險。雖然壩上沒有手機(jī)信號，安縣水務(wù)局總工程師胡良喜還是按捺不住喜悅與激動，第一時間寫好了短信。6月7日清晨他們一下山，遠(yuǎn)在北京的清華水利系教授王光謙、張紅武就收到了喜訊。
6月7日當(dāng)天，清華水利系李丹勛副教授帶領(lǐng)李鐵鍵、劉帆、王皓等3名學(xué)生趕到肖家橋，考察泄流后的堰塞體形態(tài)。此前，他們和其他師生剛剛在王光謙教授的指導(dǎo)下，完成了肖家橋搶險的全面技術(shù)支持工作，同時計算完成了唐家山堰塞湖的19期來水預(yù)報。還來不及與胡良喜分享勝利的喜悅，他們就迅速投入到現(xiàn)場測量和泄流后的安全評估工作中。此外，由于險情更大的唐家山堰塞湖已經(jīng)開始溢流，他們此行還有另一個重要任務(wù)，就是根據(jù)肖家橋泄流的情況完善相關(guān)模型，為唐家山堰塞湖搶險提供計算支持。
未雨綢繆 數(shù)字流域模型蓄勢待發(fā)
戰(zhàn)斗在大半個月前就已打響。5月19日，科技部基礎(chǔ)研究司緊急組織召開汶川特大地震發(fā)生機(jī)理香山科學(xué)會議。作為會議3位主席之一，清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室（以下簡稱“重點實驗室”）主任王光謙教授就病險水庫和堰塞湖等水利工程問題做了介紹。此時，他已經(jīng)意識到地震形成的30多處堰塞湖可能成為重要的次生災(zāi)害。
進(jìn)入5月下旬，隨著降雨增多，堰塞湖水位迅速上漲。不斷加重的險情牽動著千里之外清華水利系師生的心，他們很清楚，科學(xué)決策和方案制定需要計算支持，而這正是他們可以發(fā)揮專業(yè)特長的用武之地。5月23日晚，重點實驗室?guī)熒o急組建了計算組，王皓、高潔、林森斌等學(xué)生開始提取整個堰塞湖區(qū)域的河網(wǎng)和河道斷面，準(zhǔn)備利用7年前開始自主開發(fā)的數(shù)字流域模型進(jìn)行相關(guān)計算。
5月24日，清華大學(xué)水利系承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金委緊急啟動的唐家山應(yīng)急項目。在中科院遙感所、國家測繪局和水利部水文局等單位的密切配合下，師生們?nèi)〉昧吮匾臄?shù)據(jù)資料，開始著手進(jìn)行整個區(qū)域內(nèi)的模型計算，重點是堰塞湖來水預(yù)報、一旦潰決后下游風(fēng)險預(yù)報和導(dǎo)流槽泄流時的水流沖刷過程預(yù)報。事實證明，這是三項至關(guān)重要的計算預(yù)報。
肖家橋搶險：提供全面技術(shù)支持
5月26日，應(yīng)水利部邀請，清華大學(xué)王光謙、張紅武、楊強(qiáng)、于玉貞4位老師趕赴四川災(zāi)區(qū)。經(jīng)協(xié)調(diào)，由他們配合四川省水利水電勘測設(shè)計研究院，對肖家橋堰塞湖搶險工程進(jìn)行全面技術(shù)支持。28日在安縣水務(wù)局抗震救災(zāi)指揮部迎接他們的胡良喜總工急切地說，已經(jīng)接到命令，次日早8點前必須拿出整個下游的潰壩撤離方案。王光謙一行馬上通知校內(nèi)計算組準(zhǔn)備方案，同時動身到現(xiàn)場考察比對。
盡管已經(jīng)做好了心理準(zhǔn)備，但當(dāng)老師們徒步來到這個位于安縣茶坪鄉(xiāng)的高危堰塞湖現(xiàn)場時，眼前的景象還是令他們震驚了：河道右岸大山整體移位，大部分山體滑坡到茶坪河內(nèi)，在河床上形成一道長272米、寬198米、高67.3米的天然堤壩，200多萬立方米的堆積體阻塞了整個河道。沒有想像中的巨石，地震瞬間巨大的自然力把石頭震碎成小而均勻的石塊。值得慶幸的是，堰塞湖壩體下游有個90度的彎道，一旦潰壩，水流會被迎面的山體擋住，這就大大降低了潰壩造成的危險。
下午2點返回安縣水務(wù)局抗震救災(zāi)指揮部后，4位老師與當(dāng)?shù)氐乃こ處焸円黄鹬贫☉?yīng)急方案。根據(jù)現(xiàn)場考察情況，張紅武等老師提出了從穩(wěn)定山體處開槽泄洪的導(dǎo)流施工方案。王光謙立即發(fā)短信給后方計算組，要求除原有1/3潰、1/2潰和全潰的3種方案外，再增加1/5潰和1/10潰兩個風(fēng)險相對較小的方案。在對風(fēng)險進(jìn)行全面評估的基礎(chǔ)上，提出堰塞湖應(yīng)急除險的“快、報、低、保”的四字方針。“快”即快監(jiān)測、快出方案、快采取措施、快施工；“報”即科學(xué)預(yù)警、預(yù)報；“低”即盡量降低泄流槽槽底高程；“保”即保安全、保交通、保社會穩(wěn)定。
根據(jù)初步計算結(jié)果和下游風(fēng)險分析，幾位老師一致認(rèn)為，可以提前預(yù)警，但原擬撤退的數(shù)萬人不必提前撤。后來在肖家橋堰塞湖的泄流過程中，安縣做到了不撤一人。
經(jīng)過緊張計算和反復(fù)修正，5月28日晚10點，5個應(yīng)急方案全部傳到安縣。次日，安縣政府根據(jù)清華師生提供的方案下發(fā)了紅頭文件。
6月2日，應(yīng)水利部和四川省水利廳邀請，清華大學(xué)抗震救災(zāi)專家組兩位年逾古稀的院士——水工抗震專家張楚漢、工程地質(zhì)專家王思敬一行也趕到了四川。在王光謙和土水學(xué)院副院長李慶斌的陪同下，兩位院士對肖家橋堰塞湖現(xiàn)場進(jìn)行了考察。此時，施工人員已經(jīng)挖出一條長350米、寬40米、深25米的導(dǎo)流明槽，降低壩高18米。看到施工結(jié)果完全符合預(yù)想方案，老師們更放心了。
6月6日，肖家橋堰塞湖在進(jìn)行試驗性導(dǎo)流時提前順利泄洪。胡良喜告訴參與計算的師生，后方計算結(jié)果與當(dāng)?shù)氐臍v史洪水資料幾乎吻合。
助陣唐家山：院士咨詢，實時預(yù)報
6月3日下午，兩位院士一行又來到位于綿陽的唐家山堰塞湖應(yīng)急處置指揮部，與水利部部長陳雷、副部長矯勇、水利部總工程師劉寧，長江水利委員會主任、副總指揮蔡其華，工程設(shè)計大師徐麟祥等指揮部全體負(fù)責(zé)人進(jìn)行了兩個多小時的認(rèn)真討論。
聽取情況介紹后，兩位院士強(qiáng)調(diào)，要堅持以人為本，科學(xué)搶險。就具體工程而言，科學(xué)搶險應(yīng)充分把握上游水文情況、堰體組成、一旦泄洪潰壩后下游水位流量等情況以及通訊、預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)這四個最重要的環(huán)節(jié)。
根據(jù)相關(guān)資料和計算，兩位院士對泄流過程和結(jié)果也進(jìn)行了分析預(yù)測，回京后又撰寫了詳細(xì)的書面意見。張楚漢院士明確提出：人命關(guān)天，撤離方案應(yīng)當(dāng)做最壞打算；但在全部潰決、1/2潰決和1/3潰決三種方案中，最有可能的還是1/3潰決方案，要爭取實現(xiàn)最好的結(jié)果。
陳雷部長等認(rèn)真聽取了專家們的咨詢意見，代表水利部對清華大學(xué)和兩位院士給予工程的高度關(guān)注和高水平的咨詢意見表示感謝。事實上，正是按兩位院士的意見，米-26直升機(jī)在6月8日吊運了8臺鉆機(jī)鉆探唐家山堰塞湖壩體，以查明壩體構(gòu)造，制訂合理方案。
正當(dāng)兩位院士一行與水利部負(fù)責(zé)人緊急會商之時，應(yīng)水利部前方領(lǐng)導(dǎo)小組水文專業(yè)組的要求，清華水利系師生將最新一期的唐家山上游來水預(yù)報發(fā)到了綿陽指揮部。這是專門針對震區(qū)情況改進(jìn)了數(shù)字流域模型的計算精度后，發(fā)出的第一份來水預(yù)報。來水預(yù)報根據(jù)天氣預(yù)報計算降雨后的入庫流量和達(dá)到740米高程的具體時間，以供前方會商時參考。通俗地說，它主要用來解答當(dāng)時普通民眾最迫切關(guān)心的問題：唐家山究竟什么時候會過流？從5月31日～6月6日，清華水利系師生共完成了19期來水預(yù)報，預(yù)測過流時間為6月6日～7日。果然，6月7日清晨7點08分，蓄積已久的唐家山堰塞湖水開始通過泄流槽下泄溢流。
溢流之后，師生們立即轉(zhuǎn)入最大潰口流量的預(yù)報計算，隨著時間變化和開挖渠道的發(fā)展?fàn)顩r，實時預(yù)報泄流的最大流量。這一數(shù)字將直接影響到潰壩方案的選擇：唐家山下游綿陽堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)是13000立方米/秒，如果最大流量小于這一數(shù)值，綿陽城基本就是安全的。
計算最大流量的“主力任務(wù)”，交給了當(dāng)時已隨李丹勛老師奔赴綿陽的2004級本科生劉帆。今年下半年才能開始讀研的劉帆之所以能承擔(dān)這一重要任務(wù)，還有一段故事：計算任務(wù)布置完后，博士生王皓、高潔帶著劉帆找到了王光謙，原來這位來自四川德陽、奶奶就是綿陽人的小伙子，已經(jīng)根據(jù)電視上報道的數(shù)據(jù)，自己開始進(jìn)行唐家山堰塞湖的有關(guān)計算了。王光謙為學(xué)生的主動精神所感動，劉帆就這樣加入了計算組。在潰壩洪水和潰口發(fā)展模型的改進(jìn)過程中，他基本上隔一天才睡一次覺，發(fā)揮了重要作用。
決戰(zhàn)唐家山：驚心動魄的一天
唐家山堰塞湖溢流的頭兩天，由于水頭還不高、水流沖刷能力較弱，流量并不太大。6月10日清晨6點多，剛睡了一兩個小時的劉帆收到女友的短信，告知唐家山流量開始增大。劉帆一個激靈跳下床，沖出門去叫醒了隔壁的師兄，馬上開始進(jìn)行實時預(yù)報工作。由于技術(shù)系統(tǒng)自動報訊的數(shù)據(jù)每半小時才更新一次，對做預(yù)報來說太慢了，他們就打開電視，根據(jù)綿陽電視臺實時發(fā)布的洪水警戒數(shù)據(jù)做計算。
10日早上8點多，唐家山堰塞湖水位已經(jīng)超過740米高程2.8米，險情升級。隨著水流不斷加速，實測和預(yù)報的水情數(shù)據(jù)也源源不斷地發(fā)回北京：
“王老師，現(xiàn)在唐家山泄流量約1000立方米/秒，水位742.8米。”
“9點流量1200立方米/秒，水位742.18米。”
“9點半流量1700立方米/秒，水位742.17米。”
“10點流量2190立方米/秒，水位740.51米。”
“10點20，北川站流量4400立方米/秒……北川流量修正到5220立方米/秒。”
……
預(yù)報流量漲得太快，學(xué)生們心里開始打鼓了：照這樣的勢頭發(fā)展下去豈不很恐怖？他們愈加謹(jǐn)慎，邊預(yù)報邊校正，放慢了報告速度。2000、3000、4000、5000立方米/秒……在幾個重要節(jié)點上，預(yù)報都與實際數(shù)字基本吻合，這才讓他們堅定了信心。
緊張的何止是學(xué)生。在這個唐家山除險的決定性日子里，前方水情的每一次變化都牽動著千萬人的心弦。張楚漢院士已經(jīng)記不清，這天他與身在一線的72歲清華校友、原水利部長江水利委員會設(shè)計院總工程師徐麟祥通了多少次電話。上午10點，張楚漢向王光謙轉(zhuǎn)達(dá)了前方的緊急請求，希望能盡快將計算數(shù)據(jù)發(fā)過去。問題很明確：最大流量會達(dá)到多少？會不會超過13000立方米/秒？
11點10分，王光謙將學(xué)生的預(yù)報數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到正在會商的前方：“我們估計，按現(xiàn)在的漲勢，11點半泄流量可能漲到9000立方米/秒。”9000立方米/秒，這是水利系師生最終預(yù)報的最大流量，小于綿陽的堤防標(biāo)準(zhǔn)，綿陽應(yīng)無恙。
實際泄流過程中，唐家山堰塞湖流量在11點半達(dá)到7200立方米/秒的最大值，隨后逐漸穩(wěn)定回落。
下午1點，徐麟祥向母校師生發(fā)回了前方的最新水情：“13時水位回落到730.48米，流量5310立方米/秒。口門寬132米，水深8.5米。”
“行了！”張楚漢終于放下了一直懸著的心。一個“見識”過7000多立方米/秒流量的溢洪道，在四五千的流量面前當(dāng)然不易再潰決，張院士判斷泄流即將成功。一直緊張工作著的水利系師生們也知道，最大的險情基本上度過了。
這一天，唐家山堰塞湖除險工作取得決定性勝利，而且實際分流效果是原來的設(shè)計方案和專家分析的各種可能性里最理想的一種。
為清華人感動：不畏艱險的教授隊伍
在這場爭分奪秒、跨越京蜀的堰塞湖搶險戰(zhàn)中，清華大學(xué)水利系參與師生之眾、工作成績之著、感人故事之多，其實遠(yuǎn)不止本文提到的這些。張建民、金峰、王恩志老師作為水利部抗震救災(zāi)專家組成員，除赴現(xiàn)場考察和評估病險水庫外，還就堰塞湖的總體搶險方案提出過重要建議；鐘德鈺等老師參與了后方計算；王興奎、江春波老師除赴現(xiàn)場考察和評估病險水庫外，還安排并指導(dǎo)學(xué)生參與了計算預(yù)報；博士生李鐵鍵、張成6月6日論文答辯，只在5日晚稍做準(zhǔn)備，其余時間都在緊張計算。負(fù)責(zé)統(tǒng)籌學(xué)生計算的李鐵鍵在答辯完成的當(dāng)天下午就奔赴綿陽……
在肖家橋堰塞湖現(xiàn)場，老師們不顧不斷掉落的山石，走在隊伍最前列。兩位院士在壩頂遭遇4.3級余震時，依然堅持察看水情。負(fù)責(zé)搶通道路的湖北省交通廳副廳長張學(xué)鋒感動地說，從沒見過這樣勇往直前的教授隊伍。張楚漢院士卻說，對清華人來說，這是正常的。
圍繞堰塞湖的后續(xù)問題，清華水利系師生還將進(jìn)行一系列現(xiàn)場考察和研究。據(jù)李慶斌教授介紹，重點實驗室準(zhǔn)備進(jìn)行一項關(guān)于堰塞湖形成機(jī)理與對策的系統(tǒng)研究，既為地震災(zāi)區(qū)服務(wù)，也為自己的科研創(chuàng)新搭建一座平臺。
“在目前的技術(shù)條件下，很多計算只有我們能做，所以我們責(zé)無旁貸要做好。”王光謙如是說。
