廿年磨一剑 今朝斩“泥龙”
 
 作者:张双虎   发表时间:2006-12-04   摘自:科学时报


  国家自然科学基金历来大力资助服务于社会重大需要的基础研究。在其支持下,我国科研人员持续研究泥石流学科,帮助国家重大工程建设力缚“泥龙”。

  作为一个泥石流多发国家,泥石流广泛发育于占我国陆地面积约三分之二的山区,全国1500 个县具有泥石流发生的条件,平均每年发生数百处泥石流,多者达数千处,给人民生命财产和工程建设造成巨大损失,每年约有1000人在泥石流滑坡灾害中死亡和失踪,成为近年来我国人员死亡和失踪最多的自然灾害。中国西部地区更是泥石流分布密集、活动强烈的地区。

  中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所(简称山地所)研究员崔鹏说:“我国泥石流学科是一个正在发展中的边缘学科。20年来,在国家自然科学基金等项目的支持下,山地所三代泥石流研究者不懈努力,走过了一条从对泥石流现象本身认识的基础积累,到泥石流基本规律的理论提升,再到减灾技术方法的不断发展,进而服务于国家重大工程建设和社会减灾需求的道路。”

  成灾规律研究服务西部道路建设

  1981年7月,四川全境遭遇百年不遇的特大暴雨。

  7月9日凌晨1时许,四川省甘洛县成昆铁路上大渡河的一条支流利子依达沟突发大规模泥石流,长125米的利子依达铁路大桥1号、2号桥墩被汹涌的泥石流冲毁,两孔桥梁连同桥墩一道被折断。1时46分,由格里坪开往成都的442次列车驶过紧连断桥的奶奶包隧道。在离断桥70米时,司机在暴雨中发现险情,立即采取紧急制动措施。但巨大的惯性仍使两台机车、行李邮政车、11号硬座车厢坠入河中。事故造成车上360多人死亡,中断行车15天。这是中国铁路史上一次空前惨烈的灾害。

  成昆铁路穿越地质构造复杂的横断山区,通过367条泥石流沟,不仅在建设过程中遭受多次泥石流灾害,冲毁大量的筑路材料和设备,造成164人死亡;而且在1970年7月1日通车后,连年遭受泥石流袭击,截至上世纪80年代末,先后淤埋车站7个、颠覆列车3次、冲毁桥梁2座,中断行车55次,断道1200多小时,死亡370余人。

  在我国西部山区,人类活动主要集中在河谷地带,交通干线沿河谷展布,与大量泥石流交汇,常常遭到泥石流等灾害的危害,形成“一处断道、全线瘫痪”的局面。交通问题制约山区经济和社会发展的瓶颈作用尤其突出。另外,在道路工程设计和修建过程中,如果对灾害和潜在灾害的认识不清、处理不当,也会产生很多灾害。

  面对中国大量的山区灾害和大规模的山区交通干线建设,在认识道路成灾规律的基础上,提出减灾理论和技术,就可以为道路建设工程减灾提供理论和技术支撑,保障工程建设和道路运营安全。针对这一国家道路工程减灾需求,2002年国家自然科学基金西部环境和生态重大研究计划支持崔鹏研究团队开展“西部山区重大道路工程与环境的相互作用机制”研究。

  研究小组选择川藏公路改扩建工程、既有线路成昆铁路和拟建的西攀高速公路等3条泥石流和滑坡密集的线路作为典型研究路段。川藏公路横穿横断山区,跨越高山峡谷,道路所经过的帕隆藏布(雅鲁藏布江的一级支流)河谷在271.4公里长的路段内,有泥石流沟125条、滑波63处,是川藏公路灾害最集中的地方,灾害类型齐全、危害方式多样。研究人员在该段主要进行了道路工程与环境相互作用机制,以及道路成灾规律的研究。并通过总结成昆铁路修建时对泥石流灾害处理的经验和教训,进行道路工程减灾反馈设计原理研究。

  他们通过这些研究,掌握了道路沿线灾害的分布和活动规律,探明了灾害对道路的危害特点,建立了典型路段灾害数据库;然后有的放矢地在道路选线、设计和施工过程中,把环境和各种不稳定因素考虑进去,提出了山区道路工程与环境协调的环境选线五项原则,并在新建线路西攀高速上得到应用;提出了隧道工程与水环境协调反馈设计理论,以及依据应变控制的边坡反馈设计理论,形成了较为系统的道路减灾技术,可以从线路规划、设计和施工三个层面有效地减轻道路灾害。

  2004年程尊兰研究员获得自然科学基金“西藏东南部泥石流堵塞坝的形成和危害范围”研究,对受泥石流堵江影响的河谷线道路避灾定线和灾害防治进行了较为系统的研究,进一步补充了山区道路减灾的理论和技术体系。

  灾害危险定量分区助力山区城镇减灾

  山区城镇往往是西部区域性的经济、政治中心,同时也是人口聚居地和交通枢纽。受山区空间所限,我国绝大多数的山区城镇坐落在洪积扇和泥石流的冲积扇上。这些都是容易发生泥石流的地方,也就是说,绝大多数的城镇都处于泥石流的危险区内,如果没有科学合理的防灾减灾措施,会造成大量的人员伤亡和财产损失。据统计,我国目前受泥石流威胁和危害的山区城镇有1000多座,其中县级以上城镇131座。

  由于经济密度和人口密度大,城镇一旦发生泥石流灾害,损失非常严重,因此城镇减灾有更高的要求。对城镇泥石流治理通常采用综合防治措施,即在流域上游进行水土保持,在沟谷中段采取拦挡措施进行固沟拦沙,在下游采用停淤场或排导槽进行停淤和排导。这些工程的防御能力和使用寿命都是有限的,山区城镇减灾还必须进行危险性分区,根据危害灾害和危险等级采取相应的防护措施,才能保障城镇的安全。特别是在我国加快城市化进程,国家大力发展中小城镇建设的时期,更需要把危险范围划定和危险性区划作为山区城镇规划和建设的基本依据。

  针对国家山区城镇建设和减灾的需求,国家自然基金委员会支持韦方强研究员开展“基于数值模拟和GIS的泥石流动量分区”研究。通过该项研究,改进了现有的泥石流二相流运动模型,进行了泥石流扇形地运动数值模拟,提出依据泥石流泥深、流速和动量的泥石流危险性分区指标,建立了基于GIS(地理信息系统)的泥石流危险性动量分区方法,使得动量分区结果具有明显的物理意义,能够直接应用于山区城镇规划和减灾。

  课题组张宇博士开展了山区不同结构类型民用建筑对泥石流冲击的动态响应机理研究,这对于泥石流危险区内建筑物的抗灾设计和防护设计具有指导作用。

  主动减灾技术建立风景名胜区减灾模式

  我国有国家级风景名胜区近200处,加上省级风景名胜区约有700多处。随着社会经济的发展,生态旅游成为时尚,很多风景名胜区的旅游业成为地方经济的支柱。这些风景区绝大多数位于山区,具备泥石流形成的条件,一旦发生泥石流,往往堵塞交通、破坏景点和生态,造成严重的人员伤亡和财产损失,还严重影响到旅游业的发展。风景区泥石流的治理不同于其他泥石流治理,不仅要控制灾害,避免人员伤亡,减轻财产损失,而且更重要的是要保护生态和景观,使得减灾工程与景观在美学上协调、统一。因此,风景名胜区泥石流治理成为一个新的急迫课题。

  在国家自然科学基金“九寨沟自然保护区生态环境及其保护研究”、“九寨沟自然保护区遥感调查系列图研究”和“泥石流预测预报水量指标的实验研究”等项目的支持下,唐邦兴、柳素清和崔鹏等研究人员对九寨沟景观生态的形成和演变、本底条件的基本规律、生态环境及保护措施、泥石流形成条件与活动规律等进行了深入研究;同时,在对该流域的地质、地貌、水文、气象、土壤、植被、土地利用、山地灾害分布等进行实地调查基础上,编制了全流域的一套系列图。以树正支沟为模拟原型,开展了泥石流起动条件和起动机理的研究,建立了泥石流起动的数学模型,进一步提出了基于泥石流起动理论的主动减灾新技术,获得了国家发明专利。进而研究了泥石流与生态环境的关系,利用生态环境的天然恢复能力和减灾的生态屏障作用,采用治灾工程与景观协调的设计方法,形成了风景名胜区泥石流防治模式和技术方法。

  研究人员在这些理论和技术的指导下,对九寨沟内有危害和潜在危害的14条泥石流沟进行了综合治理,取得了成功。九寨沟泥石流综合治理,有效地减少了泥石流对自然景观的破坏,保护了景观资源的完整性及其美学价值,为九寨沟旅游业的可持续发展奠定了基础。该项成果获得了2003年四川省的科技进步一等奖。

  机理探索支撑灾害预报平台建设

  泥石流预测预报是泥石流防灾的重要手段之一,对于泥石流灾害量大面广和尚处于经济发展时期的中国来说,经济、实用的泥石流预测预报显得尤为重要。但是,要准确地对泥石流进行预报,必须弄清泥石流的形成机理。

  国家自然科学基金委员会非常重视泥石流形成机理这一学科前沿和难点问题的研究,先后通过杰出青年科学基金“泥石流预测预报基础理论研究”和青年基金“阵流的时空特征与泥石流系统动力学”、“泥石流源区汇流机理研究”、 “泥石流源区饱和砾石土的有效强度变化研究”和“黏粒含量对泥石流源区砾石土强度变化的影响”等项目,支持崔鹏研究员、李泳副研究员、陈晓清博士和陈宁生研究员等一批青年科研人员开展泥石流形成学方面的基础研究。通过这些研究,在泥石流起动模式和力学机理、源区土体物理力学性质及其破坏过程、滑坡转化泥石流机理、饱和土破坏条件、泥石流流域演化与分级形成模型等方面取得了进展,提出了基于泥石流源区土体特征参数变化、泥石流形成与汇流计算的分布式泥石流预报方法。

  在此基础上,韦方强研究员等进一步研究雨—地耦合作用,针对气象预报产品的雨量指标提出了滑坡泥石流预报模型,初步建立了云贵川渝滑坡泥石流实时滚动预报系统。该系统在中央气象台经历了两年的试运行,取得了较好的预报效果,已经通过国家气象局组织的验收,即将投入运行。

  前瞻性研究为重大工程减灾提供基础

  西南地区水电资源蕴藏量占全国总量的70%以上,是我国规划水电基地的重心,其中金沙江下游的乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝4个电站的装机容量为3860万千瓦,相当于两个三峡电站。而金沙江下游也是整个长江流域水土流失最为严重的区域,生态系统脆弱,生态退化普遍,泥石流、滑坡活动强烈,灾害严重,是对重大水电工程建设和安全运行的严重威胁。

  2000年国家自然科学基金委员会支持崔鹏研究员的团队开展“泥石流与主河交汇作用机制”研究,在泥石流与主河相互作用和泥石流对河流泥沙影响方面开展前瞻性、探索性研究。项目组通过4年的努力,在泥石流的系统性特征、泥石流入汇主河的动力过程和物理机理、泥石流作用下山区河流河床演变规律、实验测试手段和计算方法等方面取得了进展,为进一步分析、评估泥石流对水电工程的影响,开发水电工程泥沙控制和泥石流减灾技术打下了良好的基础。

  今后20年将是国家在长江上游进行水电工程梯级开发的高峰期。在基金项目研究成果的基础上,2006年9月中国科学院知识创新工程项目支持研究团队继续开展“泥石流与环境相互作用机制及水建工程减灾关键技术”研究。其目标是:在基础理论研究的基础上,进一步研发水电工程泥沙控制和泥石流防治的技术,通过生态措施和岩土工程措施的有效配置,最大限度地将泥沙控制在沟谷中,减少泥沙进入库区,延长水库使用寿命,同时也保障山区重大工程建设和运营的安全,为国家重大工程建设服务。

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