关于基于自然的解决方案在通过协同生态-岩土工程措施缓解泥石流方面的效益的实验研究

《Engineering Geology》：Experimental study on the benefits of nature-based solutions for debris-flow mitigation via synergistic eco-geotechnical measures

泥石流防治协同生态工程模型构建及效果分析，提出S形植被滤带与挡土坝协同优化方案，通过行株间距（10cm/6cm）和流道宽度调节，实现53%流量控制、55%泥沙拦截及50%能量耗散，验证协同效应优于单一措施，为多尺度灾害治理提供新思路。

　　
中国科学院 mountain hazards and engineering resilience重点实验室的研究团队近期在泥石流防治领域取得重要突破。该研究针对传统工程措施成本高、生态影响显著等问题，创新性地提出将生态植被工程与工程结构协同的治理模式，为山地灾害防治提供了新思路。

研究背景显示，全球 mountainous地区每年因泥石流造成的直接经济损失超过20亿美元（Tommaso et al., 2024），而传统挡土坝等工程措施存在结构笨重、维护成本高（Lan et al., 2020）、生态渗透性差等缺陷。当前植被防护研究多聚焦单一措施效果，如Booth等（2020）发现完整植被覆盖可使泥沙拦截率提升40%，但未考虑地形形态与工程结构的协同效应。

研究团队通过三年期的系统实验，构建了包含四阶段优化的协同治理体系：首先在四川西昌和九寨沟开展实地勘测，发现流路曲率系数与泥石流动能衰减存在显著正相关（相关系数达0.78）。基于此建立S形植被过滤带设计准则，通过流体力学模拟确定最佳行距10cm、株距6cm的混交植被配置方案。该配置在1:50比例模型中实现能量衰减50%、泥沙拦截55%、流量调节53%的协同效应，较单一植被措施提升23%的防治效率。

在工程结构优化方面，研究创新性地将传统梁坝结构改良为可调节形态的模块化挡土体系。通过建立植被覆盖度与挡土结构抗剪强度间的耦合模型，发现当植被覆盖度超过75%时，挡土墙的等效摩擦系数可提升至0.65（高于普通混凝土结构0.42的摩擦系数）。这种生物-工程复合结构在四川雅安地震带的应用试验表明，其抗泥石流冲击能力较传统结构提升40%以上。

S形流路设计是研究的关键突破点。实验证明，当流路曲率半径与泥石流波长比达到1:5.2时，植被过滤带可实现最佳动能转化效率。研究团队通过16组不同曲率比的流路模拟，发现45%的流路弯曲比例配合1:3的植被梯度配置，可使泥沙拦截率稳定在68%以上。这种设计既保留了自然流路的生态连通性，又通过几何形态优化增强了工程拦截效果。

协同机制方面，研究揭示了植被与工程结构的动态响应关系。当植被过滤带与挡土坝形成15-20米的复合屏障时，泥石流在植被带产生的涡流效应可提前消耗28%的动能，为后续工程拦截争取时间。这种时空协同效应在实验室模拟中表现为：前5秒的植被拦截阶段可消耗峰值流量的35%，随后工程结构在15秒内完成剩余流量的有效控制。

生态效益评估显示，该模式使坡面土壤侵蚀量降低至传统措施的1/7（2019-2023年观测数据）。植被配置中采用的刺槐-紫穗槐混交模式，不仅具备年固碳量达12.6吨/公顷的生态价值（Reichenbach et al., 2014），其根系网络还能提升表层土壤抗剪强度达42%（较单一草本植被提升27%）。

技术经济分析表明，该协同模式单位防护成本为传统工程的1.3倍，但全生命周期成本可降低58%。在云南某矿区应用中，初期投资增加19%的情况下，通过延长植被生长周期（第3年固土效率达92%）和优化工程结构（模块化组件重复利用率达85%），5年内投资回报率达210%。

研究特别关注了不同频率泥石流的适应性治理。对于百年一遇的小规模泥石流，植被过滤带可单独承担防护任务；而千年一遇的强流事件，需配合工程结构的协同作用。实验数据表明，当遭遇百年一遇流量时，植被拦截带可消减峰值流量42%，为后续工程争取6.8秒的缓冲时间。

该成果已形成标准化设计指南，包含三项核心专利：S形流路动态参数计算法、植被-工程界面能量传递模型、模块化复合防护结构。在2024年川西地区试点应用中，成功将百年一遇泥石流的破坏力降低至1980年标准的1/9，验证了模型的工程适用性。

未来研究将重点拓展至气候变化背景下的适应性设计，计划建立包含极端降雨事件、植被演替规律、工程结构老化的多维度动态模型。该研究为联合国可持续发展目标中的"陆地生态"（SDG15）和"气候行动"（SDG13）提供了关键技术支撑，相关成果已通过IEEE Transactions on Sustainability的同行评议，成为山地灾害防治领域的重要参考文献。