不畏道阻且长 守护山地安全

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不畏道阻且长 守护山地安全

作者：暂无

来源：《科学中国人》 2018年第16期



作为一个山地大国，山洪、泥石流、滑坡、堰塞湖等山地灾害严重阻碍着我国山区的建设与发展，成为山区安全保障的一块心病。2008年汶川地震后山地灾害一次又一次地上演给人们敲响了科学防御的警钟，使人们痛定思痛，山区防灾减灾已经成为我国必须高度重视的问题。

民之所望，士之所担。以己之长，择世所需。有这样一群科学家，在每一个山地灾害发生的现场，都会看到他们的身影。他们把实验室建在了泥石流的源头、堰塞湖的坝上、滑坡体的脚下，他们把科研论文写在湍急汹涌的洪流之中，写在力挽狂澜的拦砂坝上，把科技成果应用在保障国民安全的建设之中。36岁的中国科学院·水利部成都山地灾害与环境研究所（简称“成都山地所”）研究员周公旦，正是这些在泥石和洪水里，在寂寞和危险里坚持科研、砥砺前行的山地灾害研究者中的一员。

他曾掷地有声地说过：“或许我们不一定能亲手从废墟里救出多少人，但通过加强山地灾害的相关研究，我们用加倍的付出和科学的方法可以降低山地灾害的影响，让更多的人避免遭受山地灾害的威胁，这是我们作为科研人员不可推卸的责任与担当。”

“山地灾害学科是用来解决实际问题的”

10年前，汶川地震发生的时候，周公旦还在香港读博士。自小在江南农村的小桥流水环境里长大的他，直言在上大学之前甚至没有见过真正意义上的高山，更没有想到以后会去从事山地灾害的研究工作。不过阴差阳错，学习土木工程的周公旦本科毕业之后前往香港科技大学继续深造，师从国际土力学与岩土工程学会主席吴宏伟教授。在导师的启蒙下，他开始从事泥石流动力学方面的研究，也就此与山地灾害研究结下了不解之缘。

“香港是个国际大都市，山地面积比较多，人口非常密集，即使很小规模的滑坡或者泥石流也会对社会造成巨大的冲击和影响。”周公旦解释道，“所以香港非常重视山地灾害的防治，研究水平比较高。”香港科技大学开明、自由、国际化的学风以及吴宏伟教授精益求精、严谨踏实的治学态度都对年轻的周公旦产生了深远的影响。“说‘脱胎换骨’也不为过吧！”周公旦回忆起当年的求学经历时评价道。也正是在这个时期，他确定下了以此领域为终身奋斗的方向。

2010年，周公旦博士毕业，关于未来的去向，有多个选择摆在他的面前，包括出国深造、留在香港继续发展、在北上广深这样的大城市里找一份高薪的工作，但是他为自己选择的落脚点是——偏居西南一隅的成都山地所。很多人不理解他的选择，他自己却有着内心最清晰的认识：山地灾害学科最终是要用来解决实际问题的。中国的山地灾害大多发生在西南地区，这个区域既承载着不可替代的生态服务与屏障功能，又为国家经济社会发展提供着巨量的能源。由于地质环境复杂而脆弱，人口和重要城镇、基础设施相对集中，西南地区受山地灾害的威胁非常大，这给科研工作者提出了一系列紧迫性的难题。而成都山地所是中国历史最悠久、也是在泥石流研究方面最出色的国立研究所，其研究成果直接面向于我国西部广大的城镇、道路、大型工程的山地灾害防治和重大应急减灾工作中去。

“我内心深处其实一直有一种学以致用的情怀，所以感觉在这里终于有了用武之地。”在周公旦的眼中，成都山地所是一个英雄的集体，是一个大师云集的地方。50多年来承担并完成了千余项国家和地方重大科研项目，解决了国家在山区建设和社会发展中的一系列重大科学问题。这里涌现出中国第一个“从泥石流里走出来的院士”崔鹏研究员，以及一批立足实践、为


国为民坚守在山地灾害研究第一线的专家学者们，在大家的共同努力下，结合国家的重大需求，取得了一系列世界领先的成果。

“只有知道风险是怎么形成的，才能更好地做到防控”

纵观中国历史，山区近100年来经历了战乱、盲目森林砍伐、过度垦荒、无序建设，使生态环境遭到严重破坏，山地生态系统服务功能锐减，导致泥石流、滑坡等山地灾害频发，区域危险性增加，如果不充分重视这方面的科学研究，将给我国山区可持续发展带来巨大的影响。关注山地发展，在新时代面前，这是一个充满挑战的大命题。“山地灾害是应用性很强的学科，不能只写写论文就算了。”崔鹏院士常教导周公旦说，“国家真正遇到山地灾害问题时，如果我们拿不出解决办法，就是作为科研人员的失职！”这些年，每次出现大的灾害险情，周公旦都要和同事们尽快出发奔赴一线，多次在第一时间深入地震、泥石流灾区，获取第一手资料，

开展各种研究和灾害风险评估，为灾害防治提供专业意见，为后期的理论研究积累第一手数据。

“面对灾害，只有知道风险是怎么形成的，才能更好地减轻和避免风险。”周公旦如是说，这些年来他也做了大量相关的研究工作。周公旦介绍，包括泥石流、滑坡—碎屑流、崩塌等山地灾害都是由大量松散的颗粒物质和颗粒间流体所组成的多相介质，其中颗粒间的接触力学行为往往是决定山地灾害体稳定性、流动性、致灾性的关键。认识灾害过程中的颗粒流本质特性，将为山地灾害的预测和风险分析以及沟道地貌演化的研究奠定坚实的基础。

关于颗粒流的研究，在国际上是公认的难点和热点。2005年Science杂志把颗粒材料运动学列为125个最具挑战性科学难题之一，2014年中国科学院把它列为6个基础与前沿领域之一。近年来甚至引起了很多诺贝尔物理学奖获得者的兴趣，他们认为这一领域将会形成一个新的学科，而且这个新的学科会颠覆我们对于经典力学的传统认识。年轻的周公旦也参与到这项国际竞争激烈的研究中去，他在国内首次运用颗粒物质流动力学的基本理论并结合量纲分析的数学方法，有效地分析了我国在云南昆明东川50多年的泥石流观察数据，合理地解释了泥石流流态随颗粒物质之间复杂的相互作用的变化规律，科学地区分了阵性流和连续流，并进一步探索了泥石流沟道局部地形、地貌对颗粒物质输移率的影响。他基于离散元的方法，成功地开展了高速远程的滑坡—碎屑流、泥石流的三维数值模拟研究，全面提升了对这些复杂的地球物理流体运动机理的认识。尤其是他的研究工作还进一步揭示了滑坡—碎屑流、泥石流颗粒分选的机理，精准刻画了灾害体失稳—流动—堆积的演进路径和致灾范围，为此类重大地质灾害的风险分析、防治工程的设计和优化提供了理论基础，产生了显著的社会和经济效益，获得了研究领域内专家的高度评价和一致肯定，认为他的研究成果“是新颖的也是振奋人心的”。

如今，周公旦的研究从注重减少灾害的损失开始转向注重预防，从对灾害的单一治理到综合治理，从灾害救助转变为风险防控，方式不断地发生着变化，但是目标始终如一。“举个例子吧。”周公旦说，“以前如果想在山区建一座拦砂坝，建在什么位置最佳？到底能挡多大规模的泥石流？拦砂坝调控的效果如何？下游到底有多大范围受到保护？面对这些问题，包括很多工程师在内都还处于‘拍脑袋’的经验主义状态，因为这之前没有形成科学依据，没有做到工程设计的科学化。”

5年前，崔鹏院士意识到了这个问题的重要性，成都山地所承担起了中国科学院重点部署项目关于研发山地灾害全过程数值模拟平台的任务。周公旦被任命为该平台研发任务负责人之一。他说：“如果有了这个数值模拟平台，就可以基于山区真实沟道地形，在任意位置把工程体放一放、调一调，结合泥石流和工程体相互作用过程的数值模拟，可以很直观地演示出工程体系对流域泥石流的调控效果，进而明确这些工程体到底能抵抗多少年一遇的泥石流，到底能发挥多大的防范作用，做到心中有数。再也不用‘拍脑袋’做决策了。”不过，周公旦同时感叹道，“这也是一块极其难啃的骨头！之前没有做过类似的研发工作，没有任何先例可以参考，一切都是从零开始，难度非常巨大。”




在崔鹏院士的带领下，周公旦和同事们扛起了这一份重担。他联合了20多名和他同样年轻的科研人员组成项目团队，这其中包含了山地灾害动力学、气象学、岩土工程学、水力学、计算数学、软件工程学等多个学科的精英。大家一起联合攻关，克服了种种科学难题，硬生生地从无到有开辟出了一条道路，研发出了全世界第一套能够实现山地灾害全过程正演的数值模拟平台，得到了国内外专家的高度评价。

“将老一辈科学家的精神和成果传承下去”

山地灾害研究并非一门显学。在国际上，成系统性的科研开展也是相当艰难的，而在国内更是一条“冷板凳”，我国几代山地灾害研究者都是在摸索中步履维艰地前进。时至今日，周公旦经历过了数不清多少次的危险考验。落石、崩塌、山洪、泥石流、余震……几乎每一名山地灾害研究者遇到过的危险他都经历过了。但这一切在他看来只算得上是工作中的家常便饭，无法让他退缩。“我们所遇到的困难和老一辈科学家相比根本算不得什么。我们今天有车、有电脑、有无人机、有遥感监测，而老一辈科学家几乎都是靠步行、设备靠肩扛，他们所面对的危险比现在高出数倍。”周公旦感慨道，“可就是靠他们的手脚并用，靠他们最原始的科研方式，为我们的山地灾害研究趟出了一条坚实的道路！”

未来的路，任重道远。“生态文明建设”“长江经济带发展战略”“乡村振兴战略”“一带一路”等国家重大战略和倡议都与山地灾害、山地环境、山区发展研究领域关联紧密。周公旦要做的工作还有许多，在有效服务我国重大工程安全的同时，还担负着将山地灾害防治的

“中国经验”“中国方案”“中国模式”在“一带一路”沿线国家落地开花、传播开来的重任。山路泥泞，道阻且长。周公旦和他成都山地所的同事们凭着“乌蒙磅礴走泥丸”的乐观精神，继续前行。科

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