台站简介

 

1.1台站历史及定位

东川站始建于1961年,在中国科学院兰州冰川冻土研究所和中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所以及其他相关产、学、研单位三代人几十年的艰苦奋斗和努力下,1988年成为中国科学院首批5个野外开放台站之一,1991年经检查评比荣获中国科学院优秀台站(1991经国家有关部委和中国科学院的检查评议获第一名),2000年进入国家重点野外观测站(试点站)。进入试点站后,在科技部大力支持的基础上,2002年又获得了中国科学院野外台站基础设施和仪器设备建设项目支持,东川站的观测、实验和研究能力得到了显著提高,办公和生活条件得到了进一步改善。2006年通过科技部的全面验收,正式成为国家重点野外台站。

东川站的区域和类型代表性:

东川站座落于我国金沙江典型的干热河谷区-小江流域(金沙江一级支流)。小江流域生态脆弱、山地灾害频发,是长江上游生态文明建设的关键区域(1.1)。东川站观测区域聚焦小江流域泥石流爆发最频繁的蒋家沟,研究辐射小江流域及西南山区

1泥石流最为发育的区域

东川站所在的小江流域位于云贵高原北部,是金沙江的一级支流,全长138.9公里,流域面积3043.45平方公里。小江深大断裂带从这一区域穿过,地震活动频繁,地质构造活跃,地质环境脆弱。小江流域为我国乃至世界典型暴雨泥石流区,发育有107条不同类型的泥石流沟(图1.2),每年雨季都有数十条沟暴发泥石流,对铁路、公路、重要城镇、矿区、农田以及水利设施等造成严重的危害和威胁,被国内外专家誉为泥石流天然博物馆,是泥石流研究与防治的理想基地,吸引着中外科学家来此研究

1.1 东川站地理位置


1.2 小江流域泥石流沟分布

蒋家沟是小江流域内最具代表性的一条泥石流沟,流域面积48.6平方公里,主沟长13.9公里,海拔1042~3269米。区域内沟蚀、崩塌、滑坡发育,可松散固体物质储量极丰富,地形陡峻,降雨充沛(年降雨量为700-1200mm),并集中于雨季(6-9月),导致泥石流频繁发生,屡屡成灾,仅1919-1968年的50年间,就曾7次堵断小江(最长的一次达6个月之久)。据观测,平均每年发生泥石流15场左右,最多的一年达28场(如此高频率的泥石流,属国内外罕见);泥石流大多为阵流,一场泥石流有几十阵至几百阵,历时3-4小时,甚至数十小时;最大流量2820立方米/秒(相当于小江洪峰流量的5倍),最大流速15/秒,最大泥深5.5米,最高容重2.37/立方米,最大输沙率6079/秒,最多一次固体径流总量约200万立方米。国外类似的野外观测站如美国的圣海伦和日本的烧岳山是火山灰泥石流的代表,而欧洲的阿尔卑斯山则是冰雪泥石流的代表,蒋家沟泥石流属于世界典型的暴雨泥石流。蒋家沟泥石流流态多样,过程完整,类型齐全,是世界上难得的天然泥石流观测实验研究最理想的基地。保持长序列的泥石流野外观测研究是引领国际泥石流学科发展方向、体现习总书记关于我国灾害防治从被动救灾向主动防灾减灾转变要求的必需。

2)干热河谷生态极度脆弱区

干旱河谷是我国典型的生态脆弱带之一,是西南山区一种特殊的地理区域和气候类型,也是我国生态系统退化的典型区域之一。其范围包括金沙江、雅砻江、大渡河、岷江等干支流和怒江、澜沧江、元江等江河中下游沿岸江河面以上一定范围的干旱、半干旱河谷地带,总面积1.2 万平方公里。主要分布于云南和四川两省的元江、怒江、金沙江和澜沧江四大江河的河谷地带,涉及元江流域12个县、怒江流域6 个县、金沙江流域20 个县、澜沧江流域5 个县,贵州和广西亦有少量分布。干热河谷是干旱河谷的重要组成部分(约占40%),是与周边地区湿润、半湿润等景观不相协调的、引人注目的、独特的生态景观,以纵向岭谷横断山脉中段三江并流区,即约北纬2830度间的怒江、澜沧江和金沙江峡谷段的干热河谷较为典型。小江流域是金沙江干热河谷地区的典型代表。这里荒漠化严重,水土流失剧烈,生态环境极为脆弱,致使我国著名铜都东川至今仍是国家级贫困区。水土流失面积达1.58万平方公里,其中35%以上为水土流失强烈区,主要由泥石流所造成。小江中下游泥石流沟年入江的泥沙达几千万吨,下游河床年淤积2050cm,大量泥沙涌入金沙江(据估算每年约4000万吨),对长江中上游水能资源梯级开发及长江防洪等构成重大隐患。因此,小江流域亦是荒漠化和水土流失综合治理,退化生态环境恢复重建试验示范研究的理想场所。研究和治理小江是实践习总书记关于建设长江上游生态屏障、维护国家生态安全要求的关键。

3)重大工程影响区

东川站位于我国正在建设的第二大水电站-白鹤滩水电站的库区,距离第四大水电站-乌东德水电站约50公里。东川站所在区域泥石流异常活跃,将大量泥沙输入小江,造成小江大部分河段河床以10-30厘米/年的速度抬升,东川支线铁路多段被淤埋,迫使铁路改线重建。根据东川站的观测数据,小江泥石流输沙量有日趋增加趋势,例如小江流域最典型的蒋家沟其输沙量从上世纪六、七十年代的360万立方米/年,增加到八、九十年代的600万立方米/年。大量的泥沙进入金沙江后,对金沙江向家坝、溪洛渡、白鹤滩三个梯级水电工程乃至三峡工程构成极大威胁。同时,小江大量的泥沙在入金沙江口处大量淤积挤占金沙江河道,并在上下游皆形成险滩,严重影响金沙江航道。另外,众多泥石流在暴发时经常造成堵江、形成灾害链,给小江及金沙江都造成极大的威胁。因此,东川站开展泥石流输沙和河床演变等地貌学综合观测研究,定量评价泥石流输沙对河流和水电工程的影响,控制金沙江下游泥沙输移,保障金沙江下游梯级水电开发乃至于三峡工程的长期运行等方面都具有重要的地域优势

综上所述,东川站位于资源、环境、灾害三者问题非常集中的西南山区,生态环境和地质环境脆弱,山地灾害影响巨大,生态环境保护、经济发展和公共安全矛盾非常尖锐,具有开展山地灾害-水文-生态综合观测实验研究的自然条件和区位优势

东川站的定位是:面向国家重大工程和地震灾区的减灾需求,以西南山区为主要研究区,针对泥石流灾变全过程以及与环境互馈中的关键科学问题,研究泥石流形成机理、动力学模型、物质输移和地貌响应以及异常地质事件和极端气候下的发育规律和成灾机制,探索泥石流岩土和生态工程综合调控原理和优化措施,发展可靠的泥石流风险评估、监测、预警报技术。满足国家重大工程安全和区域减灾的急切需求,为山区人口与公共安全以及社会经济可持续发展提供强有力的科学技术支撑。

东川站自建站以来,在动力地貌过程与区域规律、泥石流运动学与动力学、泥石流体物理力学与流变特性、泥石流发育对气候系统变化的响应、泥石流灾害预测与防治工程、生态脆弱区(干热河谷)水土保持等方面,都取得了国际同行所认同的先进水平成果。

东川站是目前国际上观测历史最长、观测项目最全、观测实验设备和基础设施最完善的泥石流观测研究站。东川站成立以来,最长观测数据系列达50余年,奠定了我国的泥石流学科基础,在泥石流减灾理论和技术方面创立了针对不同对象的泥石流综合减灾模式,为我国泥石流减灾做出了难以替代的突出贡献。

国际上突出的泥石流研究成果大多得到东川站长序列观测资料的支撑。几乎世界范围内从事泥石流研究的知名学者,都有过小江流域和东川站的泥石流考察、观测、实验研究的经历。国际上著名的泥石流专家如美国的 Scott教授、Major教授,瑞士的Rickmann教授、日本的高桥保教授、新西兰的Davis教授等20多位泥石流研究领域顶级科学家多次在东川站进行观测研究并应用东川站资料支撑相关研究成果。

1.2建设发展目标与主要任务

东川站2020-2025发展的总体构想:在东川站现有对泥石流观测试验和研究的基础条件上,基于现代实验测量和信息技术的发展,建立以地表灾害-水文过程-生态环境观测和实验研究为核心的山地综合观测体系科学地把流域山地灾害过程研究置于干热河谷山地生态环境变化及其对区域/全球环境变化影响与响应的整体研究中,遵循流域多过程综合集成的研究方法,以山地表层动力地貌过程为核心,探索山地灾害形成-运动过程中物质能量转化迁移规律及其灾变机理与生态环境效应,发展一门基于现代科学技术的山地灾害科学理论体系(图1.3),进而为山地减灾、生态文明、社会可持续发展服务。


1.3 山地灾害-水文过程及观测集成研究框架

东川站2020-2025年发展的总体目标为:面向山区社会减灾、重大工程安全及生态文明的国家需求,以泥石流、滑坡、崩塌滚石、山洪等山地灾害为研究对象,以坡面水土物质快速运移与能量转化过程及其干热河谷退化生态系统恢复为核心,通过区域规律分析与过程研究相结合、室内外动力学模型实验与野外现场观测相结合、理论探索与技术研发(包括示范推广)相结合的综合集成研究,认识干热河谷生态演变和山地灾害形成、运动、演化、成灾的动力机制,研发灾害预测、预防与综合治理关键技术,为我国山地灾害防治、国家重大工程安全保障、生态文明建设和山区可持续发展提供理论依据和技术支撑。

东川站2020-2025年主要任务是在传统单一的泥石流观测内容的基础上,增加与山地灾害相关的生态环境观测、水文过程观测、缓变性灾害过程观测,增强山地灾害体与新型防治结构体相互作用的实验研究,将东川站建成一个山地灾害-水文过程-生态环境综合观测实验基地和新型防治技术推广基地,把蒋家沟变成一个小流域生态-水文-灾害-防治全过程的天然实验室,进而建立一个集观测、实验、数据为一体的开放研究平台和国际一流的人才交流基地。最终实现四个科学目标:

1)揭示生态演变土壤侵蚀崩塌、滑坡泥石流高含沙洪水(主河)的灾害链过程与机理

随着山地灾害研究的深入,人们越来越认识到土壤侵蚀、山洪、泥石流、滑坡、堰塞湖等山地灾害和地表过程不是单一孤立的过程,而是相互影响、互为因果的。把一个统一的连续过程割裂成单一的坡面、细沟、冲沟、主沟来研究,不能完全反映山地灾害的内在机理。以流域为完整单元开展气象、水文、生态、灾害等的综合观测是当前的发展方向。山地灾害链作为一个复杂灾害系统,其灾情累积放大过程研究需要综合分析灾害链系统中各要素间关系。基于东川站在蒋家沟流域及小江开展的各项观测研究揭示流域生态演变-土壤侵蚀-崩塌、滑坡-泥石流-堵江-溃决-高含沙洪水(主河)的灾害链过程与机理。

2)明确山地表层物质迁移和能量传输过程中缓变性灾害到突发性灾害的临界条件以及微观过程到宏观效应的跨尺度耦合机制

土壤侵蚀、土体变形直至失稳破坏(滑坡-碎屑流),进而与地表径流掺混形成山洪、泥石流;沟道或者山区河流被滑坡-碎屑流、泥石流堵塞形成堰塞坝,后续受上游逐渐抬升的水位影响下的渗流破坏和漫顶溃决等灾害链过程是缓变性灾害到突发性灾害的转化过程。明确其临界转化条件和机理,是现场应急处置复杂灾害链事件的关键。滑坡、泥石流、土壤侵蚀和山洪等山地表层动力过程与土地利用/土地覆盖变化的累积,已经从局地扩展到区域(乃至全球),又进一步加剧了区域(乃至全球)范围的环境变化。山地灾害的时间和空间尺度一般局限在一个小流域的范围,而环境变化的时间和空间尺度往往涉及大的地理单元。所以,山地灾害观测的进一步发展不可避免地涉及微观过程到宏观效应的跨尺度耦合。

3)建立可预报的山地灾害分布式水文模型

国内外均开展了大量的泥石流预报研究工作, 但泥石流预报仍处于初级阶段, 在技术和方法上均不成熟,尚未形成完整的技术体系。为了逐步建立完整的泥石流预报技术体系,规范泥石流预报业务化程式, 提高泥石流预报水平, 基于东川站泥石流及降雨观测,利用降水监测和预报的现代技术,建立可预报的山地灾害分布式水文模型及不同时空尺度的泥石流预报技术体系,以满足不同尺度的泥石流减灾需求。

4)研发新型监测预警和综合防治技术

国大部分山区地质环境脆弱、地形条件复杂、局地气候效应显著,泥石流灾害隐蔽性强、早期识别困难。群测群防为主的模式难以满足复杂山区泥石流防灾需求。以降雨指标为主的群专结合的监测预警模式还存在设备可靠性差、信息传递不及时和误报率高等问题。基于蒋家沟及小江流域泥石流观测研究成果,围绕泥石流起动机理及演进过程的转换条件、复杂山区泥石流物源估算和判识、泥石流智能监测预警技术设备、多网融合数据传输和泥石流图像识别、监测预警技术设备集成等关键科学技术问题,深入研究泥石流起动机理、泥石流流域演化规律等,建立基于起动和演进过程的监测预警理论方法,研发多级多指标泥石流智能监测预警技术、多网融合数据传输技术、泥石流图像采集和自主识别技术;最后系统集成这些技术设备,形成泥石流监测预警成套技术装备,建立精细化泥石流监测预警系统平台。

5 修建、维护、运行好大科学装置-“山地灾害大尺度动力学模拟实验平台,开展工程体对泥石流调控研究,为泥石流防治规范编制提供科学支撑,提升我国山地灾害防治水平

建设一个大尺度的山地灾害动力学模拟实验平台,成为全世界最大规模的自动化全过程监测山地灾害动力学过程的实验装置,可开展大规模山地灾害动力学模拟实验,将有效的解决滑坡和泥石流起动-运动-堆积(以及和防治工程结构体的相互作用)全过程的物理模拟的尺度效应和相似性问题,揭示防治工程对泥石流等山地灾害的调控机理,将显著的提升我国山地灾害研究的水平,使东川站的国际泥石流研究基地地位得到进一步巩固和加强,引领学科发展。依托这个大尺度山地灾害动力学模拟实验平台,有望解决当前学科发展中的一些关键科学问题:(a)揭示灾害体超强流动性机理,如泥石流颗粒分选、碎屑流(包括雪崩、滚石)气浪效应、动床侵蚀和规模放大等;(b) 揭示防治工程体对山地灾害的调控机理,研发新型山地灾害综合防控技术和结构,切实提升防治技术的科学化、定量化水平,引领防灾减灾学科发展,更好地服务国家和一带一路重大工程建设,推动中国山地灾害研究达到国际先进甚至领先水平。

 

1.3领域方向与研究内容

东川站的领域方向为地球物理与自然灾害研究。目前虽然山地灾害学科框架现在已经逐渐形成,在方法、理论和技术上形成了一套较完整的体系。但是,在山地灾害形成机理与演化过程、监测预警与预测预报技术、综合减灾原理与技术学科方向上仍然存在一些尚待解决的关键科学问题,比如缓变性和突发性灾害链生机理和转化临界条件、高可靠性的山地灾害预警方法、大规模灾害事件关键动力过程、生态演变过程及对灾害的抑制作用、以及生物防治技术的定量评估等。因此,针对山地灾害学科中这些关键的科学问题,通过在蒋家沟及小江区域开展山地灾害-水文过程-生态环境的综合观测,重点在以下三个领域方向开展系列研究:

1)山地灾害形成机理与演化过程:山区小流域水-土-生相互作用机理与泥石流形成和汇流过程;小流域洪水产汇流机理和模型;浅层滑坡形成动力过程;山地灾害运动、输沙、堵江机理与山区河流演变规律;山地灾害链生过程与临界条件。

2)山地灾害监测预警与预测预报:山地灾害监测方法与技术;山地灾害预测理论与方法;山地灾害预报模型和预报判据;山地灾害预警临界阈值与预警技术。

3)山地灾害综合减灾原理与技术:泥石流防治的土木工程和生态工程优化配置;山地灾害链防治理论与技术;水土流失(沟蚀崩塌)防治技术;干热河谷退化生态系统恢复技术;气候变化条件下山地灾害活动趋势与危险性评估;山地灾害风险分析和风险管理。