文 ｜ 《中國科學報》 記者 楊晨

四月下旬，雲南東川變得熱鬧起來。

一年一度的中國·東川泥石流國際汽車越野賽開賽在即。當地酒店裡，全國各地的越野愛好者陸續入住，炫酷的越野車一字排開。

東川地處小江斷裂帶，雨季泥石流活動頻繁，流域内形成了大面積的泥石流沖擊灘。避開雨季，沖擊灘就成了冒險者的樂園。20年來，利用獨特的地質地貌，東川打造出一張專屬的文旅名片。

但在上世紀，東川談泥石流“色變”，因為每年的泥石流暴發對居民的生活生産構成了極大威脅。

如今之是以能化“災害危機”為“文旅商機”，離不開中國科學院成都山地災害與環境研究所（以下簡稱成都山地所）科研團隊的努力。過去60餘年裡，他們紮根東川，觀測、研究、防治泥石流，為山地災害的防範治理提供了科學支撐。

為更好揭示自然規律、解決更多實際問題，今年4月，一座世界級的科學裝置——“山地災害大尺度動力學模拟實驗平台”在東川正式運作。

泥石流灘地上，車手們與自己展開較量，科研人員們也向科學高峰發起挑戰。

山地災害大尺度動力學模拟實驗平台。楊晨/攝

何為世界級？

位于東川的蔣家溝，是小江流域的一級支溝，以3000米長、千餘米寬的泥石流沖擊灘而聞名。每年溝内泥石流暴發的次數多、規模大，被稱為“世界泥石流天然博物館”。

從溝旁的山腰往下俯視，無人不驚歎大自然的鬼斧神工：兩邊綿延的山峰如被刀刮過，裸露出光滑破碎的岩體；溝底，灰白的河灘如一張大口欲吞噬遠方，氣勢洶洶，反襯得一旁的綠田更靜谧、溫婉。

中國科學院東川泥石流觀測研究站（以下簡稱東川站）和山地災害大尺度動力學模拟實驗平台駐紮于蔣家溝内，背靠大海草山，位于大凹子溝右側。

實驗平台之是以選址于此，主要是出于科學裝置的空間展布、地質安全、交通便利以及經濟可行等方面的考慮。“靠近天然泥石流溝，便于取用‘原汁原味’的泥石流顆粒物質進行實驗。”該實驗平台項目負責人周公旦說。

東川站臨灘而建，實驗平台則順山脊而鑿。整個裝置由頂部平台（料箱、儲料平台、控制室和頂部蓄水池）、洩槽和出口護坦組成，最顯眼的莫過于長約150米的洩槽。其淨寬6米、槽深4至5米，洩槽底坡采用兩個坡度，上段32°、下段16°。

“洩槽開鑿方式、上述各部分的參數，都是為了服務實驗目标、模拟更為真實的場景，經嚴格論證和計算而得出的。”東川站行政副站長鐘衛介紹，實驗中，研究人員于頂部開閘投放物料，模拟泥石流發生發展過程。“目前設計的洩槽長度，能保證泥石流在運動過程中有充分發展的空間，友善進行觀測。”

除了泥石流，實驗平台還能實作滑坡、山洪、堰塞湖等山地災害（鍊）的模拟。而模拟實驗的目的，是把災害的形成-起動過程和運動機理了解得更清楚。

洩槽32°斜坡區域主要用于觀察研究災害形成過程；在16°斜坡區域，研究人員則關注災害的運動過程。與洩槽出口相接的約2500平方米的水準護坦平台，可進行與山地災害堆積和沖擊力相關的研究，尤其是防災減災工程和産品的安全測試。

相較于國内外現有的泥石流動力學模拟實驗裝置，該實驗平台在實驗規模和運動距離等方面都實作了數量級的提升。

同國際上同類型裝置相比，該實驗平台兼具大規模、實驗可重複、實驗可控等優勢，并擁有3個“最”——全世界山地災害實體模拟規模最大、自動化監測程度最高、系統資料采集同步性最佳。

實體模拟規模，即平台料箱可投放的最大容量為500立方米。而從投放物料到完成實驗所花費的時間，不過兩分鐘左右。其間動力學過程資訊，能被洩槽内集聲、光、電、磁、熱為一體的多元多場多頻次監測系統快速、精準捕捉。

周公旦介紹，洩槽從上至下被分為3個觀測斷面，每個斷面都有聲、光、電、磁、熱融合的技術。“其中分布了9組裝置，每一組從左、中、右3個方位布設了攝像頭、高速相機，洩槽底部的混凝土底闆下還埋有感應子產品。”在水準護坦面下，也安裝有5組基底傳感器。

同步采集的資料會彙集到頂部的資料采集室。裝置内安設的分布式光纖傳感器，能實作毫秒級誤差的傳感速度。

無人機視角下的實驗平台。鐘衛/攝

不變的初心

為何要建這樣一個實驗平台？

周公旦提到，2005年《科學》曾梳理了全世界125個最具挑戰性的科學問題，其中包括湍流動力學和顆粒材料運動學。該問題剛好與山地災害息息相關，因為山地災害體本身就是最複雜的顆粒材料。“泥石流的湍流動力學又是動力學研究的重要方向。可以說，我們的研究瞄準了國際前沿科學問題。”

而顆粒材料的運動學研究中，最核心的就是多相媒體運動的尺度效應，以往室内實驗室小尺度實體模拟實驗的結果并不能揭示自然界大規模、大尺度自然原型實體力學動力演變的規律。

“是以，我們急需更新科技設施裝備和實驗平台，以更好支撐基礎研究。”他說，揭示自然界規律，是他們一直未變的初心。

的确，從1961年東川站建站以來，幾代科學家就一直踐行着這樣的初心使命。每年5至9月，蔣家溝泥石流暴發的危險期，研究者成為逆行者，長期駐守台站，“雨季必進山，進山要鑽溝，鑽溝須蹚水，蹚水更久留”。

曾在站上工作16年的陳順理對此頗有發言權，他擔任過副站長，與多任站長一起搭過班。陳順理介紹，泥石流發生時，站上的工作以測量、觀測、采樣、記錄為主。測量的資料包括流速、流量、泥位高度等，以雷達測速、浮漂、超音波泥位計等為主要的測量工具。

缺少自動化的裝置，研究人員自然會付出更多時間和精力，有時在太陽暴曬的灘地一站就是半天，有時在電閃雷鳴的夏夜一守就是一夜。

停電時，半自動的取樣裝置無法工作，從業人員就得拎着鐵皮桶，到溝裡取泥石流的活樣。“負責取樣的人腰間得系一條繩子，由岸上的人拽着。”陳順理回憶，1989年，因泥石流沖擊力太大，一位科研人員彎下身取樣時，被桶拖倒，差點卷入溝中，在場的人都吓出一身冷汗。

依托東川站，成都山地所基于多年觀測研究，積累了泥石流上、中、下遊各個形成發展過程以及河床堆積演變的觀測資料。如今，這個資料庫已累計達到300多個GB，平均每年有700餘人次申請使用。

掌握一手資料後，研究人員會分析并進行模拟實驗，探究山地災害形成機理與動力過程。但野外小型實驗穩定性和重複性不夠，而室内實驗裝置條件受限，是以他們萌生了建構大型泥石流野外模型實驗場的想法。

早在2002年，這個想法就已經形成了初步計劃。但很長時間内，囿于經濟條件、土地手續等一系列因素，相關項目的推進一直心有餘而力不足。

2015年，山地災害大尺度動力學模拟實驗平台的建設終于被提上日程。該實驗平台由中國科學院部署，成都山地所、香港科技大學、中國電力建設集團聯合研發，設計使用壽命為30年。

曆經8年的籌備、設計、施工、安裝以及調試，實驗平台于2023年12月試運作，并于今年4月正式運作。多年心願，終得實作。

東川站研究人員取樣現場老照片。陳順理供圖

“頂天立地”

“實驗平台建成後，我們不僅要發表文章，更要解決問題。”在4月關于防災減災的戰略咨詢會上，中國科學院院士崔鵬以東川站老站長的身份，對今後的研究工作提出既要“頂天”又要“立地”的要求。

“頂天”，即利用好這一世界級的實驗平台，做前沿的研究；“立地”，即一切研究工作要以解決實際問題為最終導向。

過去東川站的科研工作，也是與實際需求相結合的過程。科研人員與東川地方政府合作，指導開展泥石流綜合研究防治工作。他們基于多年泥石流觀測、實驗和研究得出的經驗，設計出多種防治工程及技術手段，提出了“穩、攔、排”的綜合治理措施，開創了“工程治理與生物治理相結合、治理與開發相結合”的泥石流防治“東川模式”。

“具體措施可概括為固土穩坡、攔沙蓄泥、束水攻沙、墾荒開田。”陳順理介紹，尤其在泥石流的下遊，建立了以“東川槽”命名的泥石流排導槽，有效地将泥石流逐漸引向危害小的地區，達到綜合治理的目的。

有了這些措施，災害威脅降低，荒灘變了良田，甚至衍生出文旅新業态。

未來，在模拟實驗重器的加持下，“東川模式”會有哪些發展？

“可以明确的是，我們通過建立的實驗平台對山地災害進行近原型比尺的模拟，有助于盡快摸清其影響因素和内在規律。”成都山地所副所長陳曉清指出，利用實驗平台對防災減災工程和産品進行測試，建立相應的安全技術标準也很重要。“讓我們的防治工作有的放矢、心中有數。”

陳曉清表示，新一代科研工作者應圍繞生态文明建設，按照“綠色可持續”且“更具韌性”的理念進行探索。“以前在各種條件都有限的情況下，前輩們通過幾十年的實踐摸索總結出一套‘東川模式’，打下了基礎。現在我們依靠實驗平台，也許會在更短的時間内，收獲一套新的‘東川模式’。”