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洪水的形成和危害

 天德元宝 2012-04-04
 洪水的形成和危害

水是地球上最有用的资源之一。我们都要饮水、用水洗澡、洗衣和做饭。大部分时间,水是非常温和而友善的。但是,如果水量足够大,被我们用来漱口刷牙的相同物质就会冲翻汽车、毁坏房屋,甚至造成伤亡。仅仅在最近一百年中,洪水就夺去了人类数百万条生命,超过了其他任何天气现象。

2001年春季的强降雨淹没了美国爱荷华州的达文波特。在洪水退去之前,当地居民只能乘坐小船在城里四处活动。
美国联邦应急管理局新闻图片
2001年春季的强降雨淹没了美国爱荷华州的达文波特。在洪水退去之前,当地居民只能乘坐小船在城里四处活动。


洪水的形成和危害

在本文中,我们将了解是什么如此迅速地改变了水的性格,并了解洪水暴发时所发生的状况。我们还将探讨洪水的负面影响和一些有利因素,并将审视人工建筑如何控制洪水,或者在某些情况下,又是如何导致洪水泛滥的

若要了解洪水的形成过程,您必须了解地球上的水是如何运动的。几百万年以来,地球上的总水量基本上保持不变(尽管某些时候水量的分布变化相当大)。每天都会有少量的水蒸发到高空中,在那里强烈的紫外线会将水分子分解,但同时也会因火山活动而有新的水从地球内部喷发出来。总的来说,水的产生和消失保持着微妙的平衡。

美国密苏里州农场遭受洪灾
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美国密苏里州农场遭受洪灾。1993年春夏的强降雨在整个美国中西部引发了洪水,联邦政府宣布这次洪水导致九个州的500个郡县成为了重灾区。

在任何时候,水都有多种不同的存在形式。它可以是液态,如海洋、江河和降雨;也可以是固态,如南北两极的冰川;或者是气态,如空气中看不到的水蒸气。随着风流推动着水在地球上四处运动,它会从一种形态变成另一种形态。风流由太阳的加热活动生成。太阳给地球赤道周围地区带来的热量要比更远的南北两地多,这就导致了地球表面的温差。在较暖和的区域,热空气向大气上层运动,这会导致较冷的空气下降,以填补空出来的空间。在较冷的区域,冷空气下沉,这会导致较暖和的空气流入,以填补空出来的空间。而地球自转则打破了这种循环,因此地球周围会形成多个较小的气流循环。

由于这些气流循环的带动,地球的水源也会按照其自身的循环方式运动。当太阳使海洋变热时,海洋表面液态的水就会蒸发,成为空气中的水蒸气。太阳又使空气(包括水蒸气和所有其他空气成分)变热,因此它又会上升到大气层,并随着风流一起运动。随着此水蒸气的上升,它会再次逐渐冷却,凝结成液态的小水滴(或固态冰晶)。这些小水滴聚集在一起就形成了。如果云移动到较冷的环境中,这些小水滴上就会凝结更多的水。如果按照这种方式聚集了足够的水,这些小水滴会变得很重,以致从天空落下来,这就形成了降水(包括雨、雪、雨夹雪或冰雹)。一些降水将汇集到巨大的地下水库中,但大部分降水都会流入江河、溪流,最终汇入海洋,从而将水带回起点。

地球的水源也会按照其自身的循环方式运动

总体来说,大气中风流的变化一般不大。在一年中的某些特定时候,风流会以特定的路线吹过地球。从而,特定的地理位置通常每年都会有相同类型的气候状况。但是以每天来看,天气变化就非常难以预测了。风流和降水受到许多因素的影响,其中主要是地理位置和周边的气候条件。大量因素以无数种方式组合之后就形成了各种各样的天气。有时候,这些因素以某种方式相互影响,在某一地区聚集了非同一般的降水量。例如,各种条件的组合有时候会形成飓风,这会给飓风所到之处带来大量降雨。如果一场飓风在某个地区长时间逗留,或者多场飓风恰好同时经过某个地区,那么陆地上就要承受远比往常多得多的降水。

因为水道是经过长时间形成的,所以它们的水量一般是与该地区正常聚集的水量相适应。当水量突然大量增加时,正常的水道就会泛滥,水将会向附近的地区漫延开来。当水量达到一个最基本的水平时,就会形成洪水——陆地上某个地区出现水大量聚集的现象。

1927年,密西西比河洪水泛滥,淹没了沿岸许多城市。
美国国家海洋和大气局供图
1927年,密西西比河洪水泛滥,淹没了沿岸许多城市。

连续几场暴风雨会带来大量的降水,这也是导致洪水暴发的最常见的原因,但也有其他一些原因。在下一部分中,我们将了解洪水开始暴发的一些方式,以及决定洪水规模的一些因素。

在上一部分中,我们谈到当某个地区聚集了非同一般的降水量时就会引发洪水。洪水暴发的方式可能有很多种,并且洪水泛滥时会发生各种各样的事件。

1993年,密西西比河暴发了严重的洪灾,洪水水位超过了主要大桥的高度
美国联邦应急管理局新闻图片
1993年,密西西比河暴发了严重的洪灾,洪水水位超过了主要大桥的高度,例如发生在伊利诺伊州昆西市的这一幕。

大多数人都熟悉的洪水类型是某个地区在相当短的时期内遭受异乎寻常的大量暴雨的情况。在这种情况下,负责将降水汇入海洋的河流完全被冲毁了。不同季节的气温变化也会导致不同的气象模式。例如,冬季海洋上空的空气可能比陆地上空的空气暖和,这会导致风从陆地吹向海洋。但是到夏季,陆地上空的空气会变热,超过了海洋上空的空气温度。这导致风流逆转,因此风会将更多的水从海洋带到陆地。这样的季风系统也会导致某一地区一段时间内出现强降雨现象,这与一年中的其他气候状况完全不同。有些地区,融化的雪水也可能会加剧洪水的强度。

最有名的季节性洪水可能要数埃及每年一度的尼罗河泛滥了。古埃及时期,夏季尼罗河源头的季风雨会导致水道向外绵延很远的距离。在这种情况下,洪水不再是灾难,而是上天的恩赐。漫延的洪水会在沿河两岸沉积下肥沃的淤泥,一旦洪水退去,这些地方就会成为良田。这正是埃及沙漠能够成为文明发源地的一个主要因素。现在,尼罗河上游修建了水坝,用来拦截夏季的降雨,然后在一年中根据情况补给水源。这延长了作物的种植期,因此埃及的农民可以常年种植农作物。

在1993年洪水期间,美国密苏里州圣吉纳维夫的志愿者们填充沙袋,修建临时防洪堤
美国联邦应急管理局新闻图片
在1993年洪水期间,美国密苏里州圣吉纳维夫的志愿者们填充沙袋,修建临时防洪堤。

另一个常见的暴发洪水的原因是反常的潮汐活动。与平常相比,潮汐会将海洋的范围向内陆延伸很多。这可能是由特殊的风模式引起的。风流会推动海水向反常的方向流动。此外它也可能是由海啸导致的,而海啸是地壳运动在海洋中激起的滔天巨浪。

洪水还可能发生在水坝崩溃的情况下。我们修建水坝是为了按照我们自己的意图来改变河水的流量。一般来说,水坝将河水汇集到巨大的水库中,这样我们就可以决定增加或减少河水流量的时间,而不是让大自然来决定。工程师们建造的水坝预计都经得住可能汇集的任何水量。但是,有时候汇集的水量会超出工程师们的预计,这时水坝结构就会因承受不住压力而崩溃。当水坝崩溃时,顷刻之间会流出大量的水,所引发的强大“水墙”将席卷大地。1889年,美国宾夕法尼亚州的约翰斯敦市就遭受了这样一场特大水灾。在洪水到来之前,市民们曾收到警报,但许多人对警报置之不理,认为这是杞人忧天。当汹涌的水墙袭来时,仅仅几分钟内就有2,000多人丧生。

1889年遭受特大水灾后的宾夕法尼亚州约翰斯敦市商业中心
美国国家海洋和大气局 (NOAA) 供图
1889年遭受特大水灾后的宾夕法尼亚州约翰斯敦市商业中心
美国国家海洋大气管理局供图
1889年遭受特大水灾后的宾夕法尼亚州约翰斯敦市商业中心。除冲毁了约翰斯敦市之外,大水还冲毁了“下游”包括华盛顿特区在内的许多城镇。
洪水的破坏程度不仅仅取决于一定时期内聚集的水量,而且还取决于陆地排解洪水的能力。正如我们所看到的,其中一个因素是某地区河流的大小。而且,同样重要的因素还有陆地的吸收能力。下雨时,土壤会变成一种海绵体。当陆地水量饱和时——这就是说,它已经不能再吸收水分了——聚集起来的任何超乎常规的水都必定会作为径流流走。

 

与其他物质相比,有些物质十分容易饱和。若要弄清楚这个道理,只需提桶水到外面,尝试浸湿不同的地表即可。森林中部的土壤是优质的海绵体。你可以连续将几桶水倒在上面,它都会立刻将水吸收掉。岩石则不具有这样的吸水性——它看起来几乎不能吸收任何水分。硬质粘土的吸水性介于二者之间。通常,耕种过农作物的土壤比未开垦的土壤吸水性差,因此农场地区可能比自然地区更容易遭受洪灾。

吸水性最差的一种表面是水泥地。在下一部分中,我们将了解水泥地、柏油路和其他人工建筑影响洪水的方式。
 
在上一部分中,我们看到洪水的强度是由某个区域内聚集的水量和地表性质决定的。随着文明的扩张,人类已经在许多方面改变了地表形态。在西方世界,一个最显著的改变就是地表大面积被柏油和水泥所覆盖。显然,这些表面都不是最好的海绵体:几乎所有聚集的雨水都会成为径流。在没有良好排水系统的工业化地区,地表无法排解大量降雨,最终可能会引发严重的洪水。

密苏里州圣吉纳维夫遭受洪水的街道
美国联邦应急管理局新闻图片
密苏里州圣吉纳维夫遭受洪水的街道。这个小城镇是1993年夏季受洪水严重摧毁的众多中西部城市之一。

一些城市,例如洛杉矶,修建了水泥泄洪通道来防止此类问题的发生。当雨量增大时,雨水会流入这些通道,顺着通道迂回出城市,流到能更好地吸收雨水的地方。然而,这类排水系统也可能会将洪水引到远处的下游地区。当某个地区地表被水泥和柏油覆盖了之后,基本上就切断了地球表面的部分自然海绵体,因此剩下的海绵体就需要排解更多的水。

防洪堤也会导致类似问题。防洪堤是指沿着河堤修建的巨大围墙,用来防止河水溢出。这些建筑扩充了河流的自然堤岸,以便增加泄洪能力。但是在它们有效控制一个地区洪水的同时,却往往给下游没有防洪堤的地区带来更严重的问题。于是下游区域将遭受所有的洪水,这会进一步扩大河流的泛滥。防洪堤的另一个危险是它们可能会崩溃,就像水坝一样。一旦发生垮堤,短时间内会有大量的洪水冲向大地。这种状况所引发的洪水可能是最危险的。

在控制海岸线涨潮方面,人类还没有多少成功经验可谈。由于潮水的侵蚀,这些区域的过多水量对人造建筑特别具有破坏性。控制潮水侵蚀的一个方法是在水陆相连之处修筑护栏和围墙。这可以将波浪的力量控制在海湾里,从而使其不再侵蚀海滩。但是这些建筑也会干扰海滩的形成过程。当人类阻挡了潮水向海岸移动时,海洋则无法舒展,而我们也不能享受到美丽的海滩了。

美国马里兰州为降低海滩侵蚀而修筑的防浪堤坝
美国国家海洋大气管理局供图
美国马里兰州为降低海滩侵蚀而修筑的防浪堤坝

护栏和围墙的另一个问题是它们的能力有限。从根本上来说,海滩一直改变着环境,而海洋那不可阻挡的力量将塑造一切。这是大自然赋予它们的天性,注定要受到波浪动态作用而不断侵蚀和迁移。洪水就是此过程中经常发生的一部分,并且无论人类怎样努力,它们都很可能继续发生着。

许多内陆地区也存在着同样的问题。虽然表面上看来河流是非常稳定的地貌特征,但实际上它是活跃的动态实体。一些大江大河尤其如此,例如美国的密西西比河以及中国的长江、黄河。经年累月,这些水道不断扩展,显著地改变轨迹,甚至会更改流向。因此,河流两岸附近的陆地非常容易受到洪水的影响。

1927年特大洪水期间,密西西比河上一段被冲断的防洪堤
美国国家海洋大气管理局供图
1927年特大洪水期间,密西西比河上一段被冲断的防洪堤

但是,同时河流也是推动人类文明发展的自然动力。在其他许多方面,河流为人类提供持续不断的水源、肥沃的土壤和便利的运输方式。在水位低时,人类可以沿着河岸建造一切,并享受着河流带来的恩惠。而到某个时候,河流出现改道,沿着洪泛平原建造建筑物的人们才蓦然发现,原来他们一直生活在不安全的土地上。如果这些区域到处都布满了建筑,那么洪水带来的破坏将是毁灭性的。

在下一部分中,我们将探讨不同类型的洪水危害,了解普通的水如何能够产生巨大的破坏力。

洪水造成的最严重的破坏莫过于家破人亡、流离失所,而这些主要是由纯粹的流水力量导致的。在洪水中,15厘米高的水流就可以将人冲倒,60多厘米高的水流所产生的力量则足以冲走汽车。即使水量再大,这可能看起来也非常令人惊讶,水竟然能具有如此大的威力。不要忘了,我们能够在海洋里顺畅地游泳,而不会被冲得东倒西歪,是因为海洋是由大量不断移动的潮水形成的。而且在大多数情况下,流动的江河也不足以将人冲倒。但为什么洪水的作用会如此不同呢?

1972年美国南达科塔州瑞拉皮德市爆发山洪时被冲积到一起的汽车
美国国家海洋大气管理局供图
1972年美国南达科塔州瑞拉皮德市爆发山洪时被冲积到一起的汽车。
洪水之所以比普通的河流或平静的海洋更加危险,是因为它们能够施加更强大的压力。这是由于洪水期间水量分布存在的巨大差异造成的。在洪水中,一片区域内汇集了大量的水,而另一片区域内则基本上没有水。水是相当重的,因此它为了“找到自身平衡”会飞快得移动。区域之间的水量差异越大,流水移动的力量就越大。但是在特定的时候,水看起来并没有那么深,而且似乎看起来也没有什么危险——而直到灾难发生时,人们才追悔莫及。在洪水中丧生的人有将近一半都是因为试图开车冲过急流而造成的。海洋中的水远远多于洪水的水量,但海水之所以不会将我们冲倒,是因为海水的水量分布相当均匀——平静海洋中的水不会急于寻找自身的平衡。

1997年美国加利福尼亚阿尔博加发生洪水时被冲到下游的房屋
美国国家海洋大气管理局供图
1997年美国加利福尼亚阿尔博加发生洪水时被冲到下游的房屋

最危险的洪水是山洪暴发,它们是由突然、急剧汇集的水量导致的。山洪暴发可以在水量开始汇集(无论是过多降雨还是其他原因)后不久就袭击附近地区。因此很多时候,人们根本看不到它们的到来。由于一个地区内聚集了大量的水,山洪暴发时的急流往往在流动时带有巨大的冲击力,能够冲走行人、汽车甚至房屋。当大暴雨将大量雨水瞬间倾泻在山上时,暴发的山洪会极具破坏性。水流以惊人的速度奔向山谷,所到之处都毁于一旦。

美国历史上最严重的一次山洪暴发是1976年发生在科罗拉多州大汤姆逊峡谷(Big Thompson Canyon)的山洪。在不到五个小时的时间内,暴雨在附近地区倾泻的雨水超过该地区一年的普通降水量。大汤姆逊河通常很窄,流速缓慢,突然爆发的强大洪流以每秒882,000升的流量冲向峡谷。当时,有几千名露营者正聚集在峡谷中庆祝科罗拉多州成立一百周年。洪水暴发得如此之快,以致根本没有时间发布警报。当山洪袭来时,几百人受了伤,有139人丧生。

1977年美国乔治亚州发生洪水时被冲积在一起的拖车、汽车和电线杆
美国国家海洋大气管理局供图
1977年美国乔治亚州发生洪水时被冲积在一起的拖车、汽车和电线杆
较低程度的灾难性损坏只是潮湿。大多数建筑物都能防雨,但它们并不是密不透水的。如果水位涨到一定高度,水就会渗入屋子,浸湿所有物品。但在大多数情况下,主要的破坏因素不是水本身,而是水中夹带的泥浆。当水流过地面时,会卷入大量垃圾。洪水过后,水位降低,最终一切都会变干,但是淤泥和碎片仍会附着在四周。

1966年,由一场暴风雨引起的大洪水席卷了阿尔诺河(Arno),这条河流流经意大利佛罗伦萨市。佛罗伦萨这座小城是世界艺术之都,在那次洪水中惨遭洪水、泥浆和粘土的蹂躏。除人员伤亡和建筑物损坏外,这座城市的艺术收藏品也遭到了巨大的破坏。小城内陆下室和平房中存储的所有物品几乎都被涂满了泥浆和粘土。经过多年的工作,科学家们和艺术历史学家们已经使大部分受损的古代文物恢复到了良好状态。

在1975年美国马里兰州罗克维尔山洪暴发中,救援工作人员正在洪水上游对抗急流
美国国家海洋大气管理局供图
在1975年美国马里兰州罗克维尔山洪暴发中,救援工作人员正在洪水上游对抗急流。

洪水带来的另一种危害是疾病传播。当洪水流经某个地区时,它会夹带各种化学制品和废品,导致灾区卫生状况极度恶化。从根本上来讲,洪水中所有的人和物都像是在一个大汤锅中漂浮着。虽然这些条件通常并不会产生疾病,但是它们却非常有利于疾病的传播(大多数疾病在水中要比在空气中更易于传播)。如果您处于洪灾区,那么在洪水期间务必只饮用瓶装水或开水,并遵守其他卫生原则,做到这几点非常重要。

我们永远都不能阻止洪水的发生,它是我们大气的复杂气候系统中无法避免的因素。但是,我们可以通过修建先进的水坝、防洪堤和排水系统,努力将洪水带来的危害降到最低。但是避免遭受洪灾的最好方法可能还是完全撤出易于暴发洪水的地区。如同许多自然现象一样,面对洪水最明智的反应可能就是避让和疏导。


 
 

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