原标题：【科学头条】精准阻击泥石流的“兰大方案”
——兰州大学马金珠教授团队在甘肃典型山洪泥石流灾害风险评价与防治技术方面取得突破
发源于甘川交界的郎木寺镇的白龙江一路高歌，穿越四川1县、甘肃6县区，最终归入四川境内的嘉陵江中。两岸起伏的群山守卫着滔滔江河，但稍不留神大雨倾至，群山也会反身一变，山上滑下的泥沙“助纣为虐”，让清澈的江水化为肆意暴虐的“恶魔”——泥石流。
泥石流与滑坡，就像一对“难兄难弟”，相似的是都有可能因暴雨或地震引发，不同的是滑坡发生在山体表面，而泥石流则奔涌在沟谷深壑，二者或单独发生，也时常相伴为害。
随着全球气候变暖，极端天气事件增加，重大、特大山洪泥石流灾害开始频频光顾生态脆弱的西部地区，尤其是甘肃，山洪泥石流灾害已成为困扰和阻碍当地可持续发展与生态文明建设的突出问题和难题。兰州大学资源环境学院马金珠教授团队经过10年研究，完成“甘肃典型山洪泥石流灾害多尺度风险评价与防治关键技术”项目，获得2020年甘肃省科技进步奖一等奖，为保护人民群众生命财产安全提供了重要的科学依据。
汶川地震“后遗症”
“2008年汶川地震前，我国地质灾害主要集中在西南地区，而常年干旱缺水的甘肃相对较少。汶川地震后，甘肃南部地区的山体整体松动，岩石破碎严重，同时极端天气事件频发，降水量明显增加，大大增加了滑坡泥石流等地质灾害的发生频率。”马金珠介绍。
2010年，“8.8”舟曲特大山洪泥石流发生，流经区域被夷为平地，造成1765人死亡和4亿元直接经济损失，同年在甘肃陇南、天水、定西、平凉等多地也连续发生极端降雨，诱发了多次特大山洪泥石流，造成重大经济损失，引起了政府与科学界对泥石流灾害的重视。
白龙江流域泥石流灾害分布图
白龙江与秦岭、淮河同为中国地理上的重要分界线，该流域属于北亚热带向北温带的过渡区，处在青藏高原、四川盆地和黄土高原三大地貌单元之中，山高谷深，沟壑纵横，谷道狭窄，坡陡流急，植被覆盖差，而且降雨集中在5-9月份，往往是高强度暴雨。这使得白龙江流域多黏性泥石流，相比西南和南方的稀性泥石流，给山大沟深的甘肃陇南地区造成很大危害。
2011年3月，由兰州大学、甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所、中国地震局兰州地震研究所联合申报的国家科技支撑计划项目课题“白龙江流域滑坡泥石流灾害多尺度风险评价与技术研究”获科技部立项。
从无到有，打好尺子量风险
虽然我国在山洪泥石流减灾研究方面具有一定基础，但甘肃复杂环境下山洪泥石流发育规律、形成背景、成灾过程与综合风险评估、防治技术等方面的系统研究较为薄弱，马金珠团队只好摸着石头过河，一点一点做基础工作。
团队在泥石流沟进行现场调查测量
在白龙江甘肃境内2万平方公里流域范围内，马金珠带领20多名团队成员，遴选出发生过泥石流灾害的典型小流域，以沟为单位，分别从小沟、次沟、大沟全部进行全方位的调查评价，对每条沟每个斜坡的坡度、气象因子、土壤质地、土壤含水量、土地利用情况、人口分布情况等进行详细调查，建立了一个庞大的数据库。
“头几年还没有高速公路，我们去陇南一般都要十几个小时。”但是马金珠和团队成员坚持每次发生泥石流灾害必到现场，坚守在实验地几个月，数以万计的实验次数，只为了得到更加精确的参数，不断调整模型到理想状态，为之后的泥石流灾害风险评价研究打下坚实的基础。
建立数据库之后还需要模拟实验，但当时甘肃连一台泥石流模拟实验平台都没有。“我们派年轻教师和研究生到成都山地灾害与环境研究所和中科院东川泥石流观测研究站（云南）学习理论知识和先进试验技术，回来经过改造、创新相关设备，投入十几万，摸索做出一套长约9米、宽2米的完整的现场模拟泥石流发生的实验平台。到现在还在使用，效果挺好。”马金珠说。
实验平台立面示意图
团队分别以白龙江流域、陇南市武都区清水沟和兰州大沙沟流域作为试验区，通过人工降雨和水槽模拟实验，灌进试验地的泥沙，开展不同降雨强度下斜坡的破坏机制及泥石流起动过程研究，构建山洪泥石流运动与堆积过程物理模型。研发了坡面高效旋进式取样、土壤水分提取、三轴试验饱和装样等系列分析测试与高效监测预警装置，安全方便、可靠性强，在山洪泥石流成灾机理研究中具有很强的实用性。通过对流域尺度极端降水特征进行定义和识别，获得典型流域降水特征指数及极端降雨灾害事件，从而确定了甘肃不同环境下典型泥石流起动的临界降雨强度阈值，即斜坡发生大面积失稳的阈值分别为：土壤孔隙水压力3.15kPa、土压力2.71kPa和累积降雨量92mm，并呈现“洞-缝-沟-失稳-山洪泥石流”的模式。
团队研究并梳理前人成果发现，白龙江流域泥石流主要是暴雨型泥石流，是我国泥石流分布密集区之一，有危害性的泥石流沟多达765条，滑坡处有433处。影响灾害发生的主要原因有三：暴雨是诱发泥石流的决定性因素，每年汛期，上游多属阵性暴雨，中游少雨，下游雨量大、强度高、次数多；地层岩性也与泥石流的发生有必然联系，江北岸岩层软弱，因此泥石流沟较南岸更多；道路建设、垦荒造地、人类不合理居住、水利建设等人类活动因素也产生了一定的影响。
基于3S技术和FLO-2D模型，团队建立了适合于研究区不同类型泥石流沟的危险性评价与危险范围预测模型，模拟泥石流运动过程，准确预测研究区的泥石流灾害发生危险范围、灾害链模式及其危害对象。实现了泥石流起动到致灾过程的可视化，有效提升了泥石流成灾过程中数据处理、空间分析与模型演算能力，这项技术在国际处于领先地位。
正是因为长期监测和实验得到的准确数据，团队建成了白龙江流域泥石流灾害现状及成灾控制要素空间的数据库，探索出单沟-流域-区域不同空间尺度不同精度的泥石流风险评估方法，形成了一套完整的山洪泥石流灾害综合风险评估技术，完成了高精度风险分区图，填补了白龙江流域山洪泥石流研究的空白，编制出甘肃第一套山洪泥石流风险评估技术手册。
随后团队又得到甘肃省科学院科技产业化项目及地方政府多个项目的支持；使项目研发的风险评估和防治关键技术得以顺利推广应用到甘肃省黄土沟壑典型地区。
理论技术的归处是应用推广
在综合考虑甘肃省不同类型与不同规模山洪泥石流灾害防治中的排导、护岸、清淤防冲等工程建设后，团队与甘肃省科学院地质自然灾害研究所合作研发改进了锚固式拦挡坝、弹性竖肋格栅坝、构筑物背侧回填和管沟回填结构等4套山洪泥石流防治关键技术。
锚固式拦挡坝图
弹性竖肋格栅坝图
构筑物背侧回填图
管沟回填结构图
背侧回填构筑物技术能够防止地下水从工程体背侧侵蚀工程体地下部分，使地下水从多方向经砾卵石填筑体后汇集于排水盲管中直接排出工程体，延长了回填构筑体的使用期限，同时还具有取材便利、施工简单、成本低廉的优点。
管沟回填技术由回填土和截水墙两部分组成，在原土回填区段加灰土夯填的截水墙，既阻止了沿管沟冲刷造成悬管等破坏，又避免了浆砌石或混凝土等工程造成的环境破坏，有效降低了成本，保证了管道沿线生态环境的修复，可防止水体沿管沟冲蚀破坏造成管沟塌陷，保证管道安全运行。
锚固式泥石流拦挡坝技术是通过预应力锚索将泥石流拦挡坝坝体与基础土层紧密拉结在一起，增加了泥石流拦挡坝整体抗滑移的稳定性和抗冲击能力；受锚固力作用保证了坝体的完整性，间接的减少工程投资，为泥石流拦挡坝结构尺寸的优化提供空间；减少混凝土坝体内的钢筋配置，降低施工成本。
弹性竖肋格栅坝结构简单，安装方便快速，随用随装，成本低；上游的弹性竖肋增大泥石流物质与坝体接触时间，从而明显减小泥石流冲击力，下游的刚性竖肋保证了坝体稳定，降低开挖面积，减小河床扰动，并减少弃土。
临夏州和政县清水沟下游治理前后对比图
“我们提供最经济实用的防治技术支持，地方政府的水利部门或者自然资源部门采纳我们的建议后，找专门的设计人员和施工人员进行防治工程的具体建设。双方共同来完成防治工程。”马金珠说。
兰州市红古区海石大沟拦挡坝示范工程
研究团队以甘肃省陇南白龙江流域与陇中黄土高原区为典型研究区域，瞄准区域经济发展、生态环境保护、地质灾害防治和工程安全保障的国家需求，为陇南、甘南、兰州、临夏、平凉等5市州7县区16条典型特大型山洪泥石流防治工程的技术支撑，提出了11个特大型泥石流治理工程项目建议书（可研）与设计方案，获得财政部、原国土资源部高度认可并立项，争取到中央财政资金 1.56 亿元，有效保护了流域内6.45万人的安全和55.49亿元固定资产免遭损失，修复灾毁生态环境 9623公顷，探索出一条以风险评估与综合防灾优先，发展与减灾紧密结合的山洪泥石流防治新路，总体达到国际领先水平，大大促进了泥石流高发地区新农村的社会稳定和生态文明建设，为地方政府制订防灾减灾对策提供了科学依据和强有力的科技支撑，应用前景非常广阔。
项目研究区与推广应用示范工程位置图
即便如此，防治山洪泥石流灾害仍然有很长的路需要走。一方面是极端天气灾害事件的精确预报很难做到，因此山洪泥石流灾害发生地点不固定，灾害预测仍然存在很大的不确定性，是个世界难题；另一方面，由于山洪泥石流灾害存在极高的破坏性，尚无仪器设备能观测到山洪泥石流发生的内部机理，因此灾害防治技术并不能根治山洪泥石流的发生，只能从外部减少山洪泥石流造成的社会经济损失。但马金珠相信，“随着国家对防灾减灾的重视，相关部门提出重点研发计划，并以国家“黄河流域生态保护与高质量发展”战略为契机，加大投入与攻关力度，山洪泥石流等地质灾害造成的损失会越来越小，灾害防治水平也会不断提高。”