作者:杨晨 来源:中国科学报 发布时间:2024/4/19 10:00:34
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泥石流“天然博物馆”里建起世界级科研实验平台

 

四月中旬,云南东川变得热闹起来。

一年一度的中国·东川泥石流国际汽车越野赛开赛在即。当地酒店里,全国各地的越野爱好者陆续入住,炫酷的越野车在后院一字排开。

东川地处小江断裂带,雨季泥石流活动频繁,流域内形成了大面积的泥石流冲击滩。避开雨季,冲击滩成了冒险者的乐园。他们飙车、涉水、抢滩,享受速度与激情。二十年来,利用独特的地质地貌,东川打造出一张专属文旅名片。

但在上个世纪,东川谈泥石流“色变”,因为每年泥石流爆发期对居民的生活生产带来极大威胁。

如今之所以能化“灾害危机”为“文旅商机”,离不开中国科学院成都山地灾害与环境研究所(以下简称成都山地所)科研团队的努力。过去六十余年里,他们扎根东川,观测、研究、防治泥石流,为山地灾害的防范治理提供了科学支撑。

为了更好揭示这一自然规律,解决更多实际问题,4月中旬,一座世界级的科学装置:“山地灾害大尺度动力学模拟实验平台”在东川正式运行,继续提升国际山地灾害研究水平。

泥石流滩地上,车手们与自己展开较量,科研人员们也向科学高峰发起挑战。

山地灾害大尺度动力学模拟实验平台。杨晨摄


何为世界级?

位于东川的蒋家沟,是小江流域的一级支沟,其以三千米长,千余米宽的泥石流冲击滩而闻名。每年沟内泥石流爆发的次数多、规模大,又被称为“世界泥石流天然博物馆”。

从沟旁的山腰往下俯视,无人不惊叹自然的鬼斧神工:两边绵延的山峰如被刀刮过,裸露出光滑破碎的岩体,多了几分凌厉和严峻;沟底,灰白的河滩如张大口,向远处吞噬,气势汹汹,显得一旁的绿田更静谧、温婉。

中国科学院东川泥石流观测研究站(以下简称东川站)和山地灾害大尺度动力学模拟实验平台驻扎于蒋家沟内,背靠大海草山,位于大凹子沟右侧。

之所以将实验平台选址于此,主要是基于科学装置的空间展布、地质安全、交通便利以及经济可行等方面的考虑。“靠近天然泥石流沟,也便于取用‘原滋原味’的泥石流颗粒物质进行实验。”该实验平台项目负责人周公旦说。

东川站临滩而建,实验平台则顺山脊而凿。整个装置由顶部平台(料箱、储料平台、控制室和顶部蓄水池)、泄槽和出口护坦组成,最显眼的,莫过于长约150米的泄槽。其净宽6米,槽深4至5米,泄槽底坡采用两个坡度,上段32°,下段16°。

“泄槽开凿方式、上述各部分的参数,都是为了服务实验目标,模拟更为真实的场景,经过严格论证和计算而得出的。”东川站行政副站长钟卫介绍,实验中,研究人员于顶部开闸投放物料,模拟泥石流发生发展过程。“目前设计的泄槽长度,能保证‘泥石流’在运动过程中有充分发展的空间,方便我们进行观测。”

除了泥石流,平台还能实现滑坡、山洪、堰塞湖等山地灾害(链)的模拟。而模拟实验的目的,就是为了把灾害的形成-起动过程和运动机理了解得更清楚。

泄槽32°斜坡区域主要用来观察研究灾害形成过程,在16°斜坡区域,研究人员则关注灾害的运动过程。与泄槽出口相接的约2500平米水平护坦平台,可进行山地灾害堆积和冲击力相关的研究,尤其防灾工程和产品的安全测试。

相较于国内外现有的泥石流动力学模拟实验装置,该实验平台在实验规模和运动距离等方面,都实现了数量级的提升。

同国际上同类型装置相比,该实验平台兼具大规模和可重复性、实验可控性等优势,并拥有三个“最”:全世界山地灾害物理模拟规模最大、自动化监测程度最高、系统数据采集同步性最佳的国际先进的实验平台。

物理模拟规模,即平台料箱可投放的最大容量为500立方米。而从投放物料到完成实验所花费的时间,也不过两分钟左右。但期间动力学过程信息,能被泄槽内声、光、电、磁、热为一体的多维多场多频次监测系统快速、精准“捕捉”。

周公旦介绍,泄槽从上至下被分为了三个观测断面,每个断面都有声、光、电、磁、热融合的技术。“其中有分布了9组设备,每一组从左、中、右三个方位布设了摄像头、高速相机,泄槽底部的混凝土底板下还埋有感应模块。”在水平护坦面下,也安装有5组基底传感器。

同步采集的数据都会汇集到顶部的数据采集室。装置内安设的分布式光纤传感器,能实现毫秒级误差的传感速度。

无人机视角下的东川站和实验平台。钟卫摄

不变的初心

为何要建这样一个实验平台?

周公旦提到,2005年《科学》杂志曾梳理了全世界125个最具挑战性的科学问题,其中就包括了湍流动力学和颗粒材料运动学。该问题刚好又与山地灾害息息相关,因为山地灾害体本身就是最复杂的颗粒材料。“泥石流的湍流动力学,又是动力学研究重要方向。可以说,我们的研究瞄准了国际前沿科学问题。”

而颗粒材料的动力学研究里,最核心的就是多相介质运动的尺度效应,以往室内实验室小尺度物理模拟实验的结果并不能揭示自然界大规模、大尺度自然原型物理力学动力演变的规律。

“因此我们急需升级科技设施装备和实验平台,以更好支撑基础研究。”他说,揭示自然界规律,是他们一直未变的初心。

的确,从1961年东川站建站以来,几代科学家就一直践行着这样的初心使命。每年5至9月,蒋家沟泥石流爆发的危险期,研究者化身逆行者,长期驻守台站,“雨季必进山,进山要钻沟,钻沟须蹚水,蹚水更久留”。

曾在站上工作了16年的陈顺理对此颇有发言权,他担任过副站长,与多任站长一起搭过班。陈顺理介绍,泥石流发生时,站上的工作以测量、观测、采样、记录为主。测量的数据包括流速、流量、泥位高度等,雷达测速、浮漂、超声波泥位计等为主要的测量工具。

缺少自动化的设备,研究人员自然会付出更多时间和经历,有时在太阳暴晒的滩地一站就是半天,凄风冷雨的夏天一守就是一夜。

停电的时候,半自动的取样装置无法工作,工作人员就得拎着铁皮桶,到沟里取泥石流流动中的活样。“负责取样的人腰间得系一根绳子,由岸上的人拽着。”陈顺理回忆,1989年,因泥石流冲击力太大,一位科研人员弯下身取样时,被桶拖倒,差点卷入沟中,在场的人都吓出一身冷汗。

成都山地所依托东川站,基于多年观测研究,积累了泥石流上、中、下游各个形成发展过程以及河床堆积演变的观测数据。如今,这个数据库已累计达到300多个GB,平均每年有700余名科学家前来申请使用。

掌握一手数据后,研究人员会进行分析并做模拟实验,探究山地灾害形成机理与动力过程。但野外小型实验稳定性和重复性不够强,室内实验装置条件受限,所以他们萌生了构建大型泥石流野外模型实验场的想法。

早在2002年,这个想法就已经形成了初步计划。但很长时间内,囿于经济条件、土地手续等一系列因素,相关项目的推进一直心有余而力不足。

终于,2015年山地灾害大尺度动力学模拟实验平台的建设被提上日程。该实验平台由中国科学院部署,成都山地所、香港科技大学、中国电建集团联合研发,设计使用寿命为三十年。

历经八年的筹备、设计、施工、安装以及调试,实验平台于2023年12月试运行,并于今年4月正式运行。多年心愿,终得实现。

东川站研究人员取样现场老照片。陈顺理供图

“顶天立地”

“实验平台建成后,我们不仅发表文章,更要解决问题。”在4月关于防灾减灾的战略咨询会上,中国科学院院士崔鹏以东川站老站长的身份,对今后的研究工作提出既要“顶天”又要“立地”的要求。

“顶天”,即利用好这一世界级的实验平台,做前沿性的研究;“立地”,即一切研究工作要以解决实际问题为最终导向。

回溯过去东川站的科研工作,也是与实际需求相结合的过程。科研人员与东川地方政府合作,指导开展泥石流综合研究防治工作。他们将多年泥石流观测、实验和研究得出的经验,设计出了多种防治工程及其技术手段,提出“稳、拦、排”的综合治理措施,开创了“工程治理与生物治理相结合、治理与开发相结合”的泥石流防治“东川模式”。

“具体措施,可概括为固土稳坡、拦沙蓄泥、束水攻沙、垦荒开田。”陈顺理介绍,尤其在泥石流的下游,建立了以"东川槽"命名的泥石流排导槽,有效地把泥石流逐步引向危害小的地区,达到综合治理的目的。

有了这些措施,灾害威胁降低,荒滩变了良田,甚至衍生出文旅新业态。

而未来,在模拟实验重器的加持下,“东川模式”又会有哪些发展?

“可以明确的是,我们能通过新建的实验平台,对山地灾害进行近原型比尺的模拟,有助于尽快摸清其影响因素和内在规律。”成都山地所副所长陈晓清指出,利用实验平台对防灾减灾工程和产品进行测试,建立规范相应的安全技术标准也很重要。“让我们的防治工作做到有的放矢,心中有数。”

关于未来,陈晓清表示新一代科研工作者应围绕生态文明建设,按照“绿色可持续”且“更具韧性”的理念进行探索,实现过程并不能只是新技术手段的简单拼凑。“以前在各种条件都紧张的情况下,老先生们通过几十年的实践,摸索总结了一套‘东川模式’,打下基础。现在我们依靠大实验平台,也许会在更短的时间内,收获一套新的‘东川模式’。”

探索的同时更要看清形势。当今,全球气候变化对防灾减灾工作带来的挑战仍然存在。陈晓清说,泥石流的治理只能顺势而为,不能逆势而动。

他强调,做防灾减灾工作,一定要有一个清楚的认识:防灾减灾不是最终目的,其只是保证生产生活安全的一个基础。“当有了这个基础,我们的发展才有保障。”

 
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