西南民族村寨防灾综合技术研究构想与成果展望

熊 峰，吴 潇*，柳金峰，宋 飞，刘宜丰，陈猷鹏，周政旭

(1.四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610065；2.中国科学院·水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；3.四川大学 化学学院，四川 成都 610065；4.中国建筑西南设计研究院有限公司，四川 成都 610041；5.重庆大学 环境与生态学院，重庆 400044；6.清华大学 建筑学院，北京 100084)

中国的西南地区（川、渝、滇、贵、藏、桂）幅员辽阔，面积达257.82×104km2，约占全国陆地总面积的27%；人口总数2.51×108，占全国的17.92%，其中少数民族人口超过5 800×104人，约占全国少数民族人口总数的60%，涵盖36个世居少数民族[1]，是中国少数民族分布最为集中的区域。区内地形复杂，山地、丘陵和高海拔地区面积占比达到90.22%，地质灾害与地震频发，2010—2019年地质灾害发生次数占全国的29.43%，死亡、失踪人数占47.14%，直接经济损失占比43.91%；5级及以上地震发生次数占全国的40.23%，其中2010—2017年直接经济损失占全国的70.79%，死亡、受伤及失踪人数占97.29%[2]。西南地区是中国经济欠发达和贫困人口集中的区域，2019年地区国内生产总值仅占全国的13.47%，区内人均可支配收入均低于全国平均值[1]。

西南地区分布着众多少数民族村寨，仅列入全国传统村落名录的就有2 424个，占全国6 819个村寨的35.5%[3]，具有突出的文化、历史价值。大量村寨位于地质构造活动强烈地带，地质灾害及地震风险高（图1）[4]；村寨传统竹木建筑居多，火灾隐患大（图2）[5]；村寨民居住宅以自建为主，缺乏规范的设计施工，结构抗震性能差（图3）[6]；同时，村寨环境基础设施建设滞后，污水、垃圾无序排放，人居环境趋向恶化；村寨建设管理无序，空间规划落后，居民居住品质不高，民族特色破坏严重。因此，西南民族村寨灾害安全隐患高、人居环境问题突出，亟需开展灾害综合防控和宜居性能改善研究，以提高村民生活品质，促进村寨绿色发展。

图1 四川汶川泥石流灾害（2013）[4]Fig.1 Debris flow disaster in Wenchuan，Sichuan（2013）[4]

图2 云南翁丁佤族村寨火灾（2021）[5]Fig.2 Fire of the Wa nationality village in Wengding，Yunnan（2021）[5]

图3 四川九寨沟地震传统民居垮塌（2017）[6]Fig.3 Collapse of traditional houses caused by earthquake in Jiuzhaigou，Sichuan（2017）[6]

作者以西南民族村寨整体人居环境为对象，基于灾害破坏特征及人居环境建造特性，研发适应西南村寨的低成本、分散式、生态型、智能化的灾害综合防控技术，和本土化、适应性的宜居性能集成改善技术，构建西南民族村寨综合防灾和人居环境改善成套技术体系，并在典型区域开展应用示范。全面提升西南民族村寨的灾害防范化解能力，系统改善人居环境质量，保护民族特色及风貌，维护民族团结与社会稳定，落实加快形成西部大开发新格局、推动西部地区高质量发展战略。

1 国内外村寨防灾研究现状

为建设安全宜居的西南民族村寨，项目将围绕地质灾害与火灾防控、民居结构抗震安全、村寨环境治理、空间优化与宜居性能提升等方面开展技术研究，致力于村寨人居环境品质的整体提升。目前针对村寨上述问题，国内外学者开展了地质灾害防治、防火建材研发、民居抗震技术、农村环境治理和民居性能改善等方面的研究，总体思路是因地制宜，结合本地特点，形成系列技术，趋势是向智能型、生态型等方向发展。但是，现有的这些技术对西南民族村寨的针对性和适应性均显不足，其成本高、对环境影响大、适合集中居住区的大规模应用。同时，在民居居住舒适性能改善上通用性的单项技术多，缺乏集成性解决方案。

1.1 地质灾害防控方面

针对村寨地质灾害防控，国内外的研究表明，监测预警和工程治理是主要手段[7-10]。目前，群专结合的地灾监测预警体系已基本形成，但在西南山区民族村寨的应用尚存在监测可靠性差、数据通讯延时等问题，造成预警准确率低，误报现象频发；村寨居民应急避难和临灾响应水平低，防救灾缺乏有效管控指导[11-14]。地质灾害工程治理已形成一套以岩土措施为主的技术体系，虽可以有效控制灾害，但对生态环境扰动破坏大。虽然目前已形成了《地质灾害生物治理工程设计规范》（T/CAGHP 050—2018）的团体规范，但在实际治理工程设计中，仍然是采用以岩土工程为主，生物工程为辅的治理思路，如何实现生态-岩土的协同作用是地质灾害治理领域的前沿问题，不少学者也开展了探索性的工作[15-17]。在生态环境脆弱的西南山区民族村寨，地灾防治尚无有效的生态化治理模式及关键技术[15,18-22]。因此，亟需开展村寨地质灾害智能化监测与生态化治理技术研发，提升西南民族村寨的综合防灾能力。

1.2 村寨火灾防控方面

针对村寨的火灾防控，监测预警、有组织疏散和建材阻燃化是减灾避灾的重要途径。然而，西南村寨多为高原低氧气候，火灾燃烧行为复杂，探测难度相对较大，传统探测（温度、烟雾、气体）系统易误报或延迟报警[23-26]，导致应急响应水平低下、人群疏散不及时，亟需构建协同物联网和人工智能的村寨专用火灾预警装备和平台，实现火情快速识别与瞬时响应，确保人群有效疏散。目前村寨大量使用的竹木建材易燃易腐蚀，火灾隐患大，现有阻燃防腐主要采用卤系阻燃剂和重金属防腐剂，环境危害严重且成本高[27-28]，亟需研发低成本无卤膨胀阻燃与高效环保防腐技术，提升村寨的防火安全性。

1.3 村寨民居抗震方面

针对村寨地震灾害，提高民居结构的抗震性能是避免人员伤亡与财产损失的重要途径。目前既有的竹木、生土砖石类民居，抗震性能薄弱、安全性差，传统加固纤维类材料成本高、施工工艺复杂。因此，开发本土化植物纤维加固增强材料，形成材料-构件-房屋成套加固增强技术是发展趋势[29-32]。对新建民居，发展低成本装配式结构体系符合国家战略。目前的装配式混凝土结构构件体量大，且连接复杂、装配式轻钢结构成本高[33-34]，需研发具有民族特色的轻量化装配式混凝土复合墙板快速建造体系和低成本模块化轻钢房屋体系。

1.4 村寨环境污染与治理方面

针对村寨环境污染问题，处理污水、垃圾和畜禽养殖废物采用污染防控与资源化利用的方法。污水处理方面，中国农村污水处理设施覆盖率严重不足，现在农村生活污水问题已经成为影响农村人居环境和生态环境的重要因素，主要采取以“沉淀+厌氧消化+厌氧过滤”为核心的成套处理技术，如FILTER污水处理系统、净化槽和人工湿地等[35-38]；生活垃圾方面，国外农村一般采用源头削减、资源回收、焚烧和填埋的模式，国内较发达地区农村采用户集、村收、镇运、县处理模式[39]；畜禽养殖废物方面，采用基于集约化规模养殖的粪污处理技术[40]。西南民族村寨受散居模式及经济条件限制，难以规模化集中处理，需要因地制宜地研发无动力、分散式和种养结合的污染物处理与资源化循环利用的组合技术，提升环境承载力。

1.5 村寨空间优化与宜居建造方面

针对村寨建设无序问题，在规划设计和建造环节采用适应性技术手段是当前发展趋势。适应性规划设计方面，国内外主要关注对气候、地形、生态等物质环境方面的影响[41-45]，对文化、生计等非物质因素考虑不足，对地理环境复杂多变、少数民族聚居的西南村寨针对性不强，需要研发适应性空间优化技术，提高村寨应灾韧性。民居物理性能改善方面，主要采取被动式阳光房、围护结构保暖增强等技术手段[46-52]，但多针对单项环境与物理性能，在系统集成性、成本经济性、民族风貌协调性等方面存在不足。亟需研发集成西南村寨民居的环境物理性能提升技术，系统提升民居品质，保护民族特色。

2 研究内容与课题设置

2.1 拟解决的关键科学技术问题

科学问题1：西南民族村寨灾害特征与孕育机制。

西南民族村寨是中国灾害风险高发地区，地质灾害、火灾、地震等造成严重的环境破坏，带来极大的生命财产损失。揭示灾害成灾特征、孕育机制、蔓延规律、破坏效应，是研发灾害预警、防控与治理技术的关键科学问题和基础支撑。

科学问题2：西南民族村寨人居环境特征与“环境-建造”交互影响机制。

西南民族村寨“地形-气候-环境-生态”系统脆弱，研究民族适应性建造特征，揭示多重灾害约束下村寨空间的历史演变规律，厘清生态环境保护与适应性建造的相互关系，是改善村寨宜居性能、保护民族特色的关键科学问题。

技术问题1：西南民族村寨低成本生态型灾害防控与治理技术。

针对西南民族村寨地形地质复杂、山地散居形态、生态环境脆弱、灾害频发、经济欠发达等特征，以低成本、生态型、分散式、智能化为导向，研发中小规模泥石流滑坡生态化治理技术、竹木建材低成本生态型阻燃与高效防腐改性技术、本土化低成本民居结构抗震体系与增强技术、基于物联网与人工智能的灾害识别与响应技术，是全面提升村寨综合防灾减灾能力的关键。

技术问题2：西南民族村寨本土化适应性宜居性能集成化改善技术。

针对西南民族村寨环境污染普遍、居住品质不高、特色风貌破坏严重等问题，目前改善技术单一，适应性不强，综合集成和整体应用缺乏，改善效果不明显。以本土化、适应性为导向，以技术集成为手段，以整体宜居为目标，研发污染治理与回用技术、村寨空间优化技术、以及特色民居物理性能集成提升技术，是从根本上改善村民居住状况和提升人居环境质量的关键。

2.2 主要研究内容

针对关键科学问题1，基于现场踏勘调研、原位及实验室试验、数值模拟分析等手段研究灾害的孕育机制、成灾特征以及产生的破坏效应。针对泥石流与滑坡等地质灾害，辨析气象致灾因子与地质地形孕灾条件，揭示其诱发机制，结合村寨聚落结构等分析其成灾特征和破坏效应；针对村寨火灾，研究竹木建材热解和燃烧行为，从分子结构、材料属性和建筑空间三维度阐明火灾孕育机制与成灾特征；针对地震灾害，通过震害调查，研究民居结构地震破坏特征，揭示地震损伤机理和失效模式，为防控与治理技术研发提供科学基础。

针对关键科学问题2，深刻把握西南民族村寨独特的“地形-气候-环境-生态”系统特点和民族文化特色，通过历史文献调研与现场调查，研究村寨构成特征与民居类型和性能，建立西南民族村寨谱系与类型化民居性能数据库；研究多重灾害约束下村寨空间的历史演变规律、民居适应性建造特征及其风貌特色；研究村寨生活污水、生活垃圾和种养废弃物的排放量、排放浓度，解析特征污染物的赋存规律，以及导致村寨环境破坏的关键因素；厘清生态环境保护与适应性建造的相互关系，揭示“环境-建造”交互作用机制，为人居环境宜居性能改善技术研发提供理论支撑。

针对关键技术问题1，研发基于超前预判与天-地多源数据协同的地质灾害监测与智能响应技术、火灾早期快速探测与预警技术、多灾种应急疏散空间韧性规划设计技术，集成防灾智能预警与应急管理平台；研发针对中小规模泥石流与滑坡灾害的轻型化、组装式、生态化的稳固、拦挡、排导、停淤工程的治理新技术；研发低成本高压浸注竹木建材阻燃防腐改性技术及膨胀碳化阻燃防腐涂层；研发低成本模块化装配式抗震结构体系及建造技术、以及基于本土化增强纤维加固材料和消能阻尼器件的从材料构件到房屋的跨尺度加固增强技术。

针对关键技术问题2，对于山地村寨，利用地势高差，研发重力势能驱动的生物-生态耦合的低能耗生活污水处理技术；对于高原村寨，利用日照辐射资源，研发太阳能辅助村寨分散式生活污水处理及循环利用技术；针对生活垃圾，开发好氧发酵有机物降解、保氮专用菌剂，形成生活垃圾快速有机转化技术；针对种养废弃物，利用协同高效厌氧消化工艺，研发“分布存肥-当季用肥-跨季储肥”的时空调配技术和周年稳定运行的循环利用技术；研究基于景观安全格局和生态适应性的村镇规划选址和绿色基础设施规划新技术，研发适应当地村镇生态环境和地形气候特征的空间三维形态优化和被动式气候适宜关键技术；针对竹木干栏式民居，研发基于围护体系集成性能提升的居住适宜性改善技术，针对生土砖石民居，研发被动式建筑性能提升和高效能源综合利用技术。

2.3 研究体系构建

项目围绕“灾害特征识别-防灾治理技术-防灾技术体系”（安全）和“人居环境特征辨识-宜居性能技术集成-适应性营造技术体系”（宜居）两条研究主线，以提升村寨防灾能力和改善人居环境为目标，针对村寨地质灾害、建筑火灾、地震灾害、环境污染以及空间规划与民居物理性能领域的问题，设置5个课题：

课题1：村寨地质灾害智能监测与治理技术研发及应用示范。提高专业监测可靠度和预警准确率，提升居民临灾响应、应急避难及防救灾能力，提高地质灾害生态化治理效果，提升西南民族村寨地质灾害防范化解能力，为美丽村寨建设提供防灾保障。

课题2：村寨火灾预警与防火建材技术研发及应用示范。阐明火灾灾害成灾特征与孕育机制，形成西南村寨火灾探测、建材防火与应急疏散综合火灾防控技术，显著降低村寨火灾风险与危害。

课题3：村寨防灾结构体系与增强技术研发及应用示范。以本土化、轻量化、低成本、模块化、装配化、高性能为目标导向，针对西南民族村寨民居品质欠佳及建筑结构防灾抗震性能薄弱等问题，研发新建房屋成套技术及既有房屋加固增强技术。

课题4：村寨环境污染防治与回用技术研发及应用示范。提出因地制宜的污水、废弃物生态治理模式，建立资源循环利用技术方法。显著提升西南村寨污水处理及废弃物循环利用的技术水平，为西南村寨生态环境保护及灾害防治提供技术储备。

课题5：村寨适应性空间优化与民居性能提升技术研发及应用示范。形成针对西南民族村寨民居宜居性能优化提升的本土化、适应性、集成化解决方案；大幅提升西南民族村寨的居住适宜性、可持续性与应灾韧性，保护传承民族特色风貌，系统改善人居环境。

根据不同空间尺度，将西南民族村寨分为山地环境、村寨空间、特色民居三个层次，并设置相应的安全与宜居目标。各课题围绕三层次对象的灾害防控与宜居性能改善的需求，研发系列技术并集成应用，系统提升与改善民族村寨的品质，课题分解见图4。

图4 课题分解图Fig.4 Division of the project

各课题之间的逻辑关系，根据研究对象空间层次和目标内容的关联性进行综合考虑，将5个课题分别从山地环境、村寨空间、特色民居建筑3个层次和“防灾能力提升”、“人居环境改善”两个目标主线进行耦合，共同构成研究内容主体：

1）针对山地环境层次，围绕提高地质灾害风险防控能力，塑造特色山地景观目标。课题1从安全主线开展地质灾害防控与治理，采用非工程方法以“避”为主，依靠高精度预警与响应技术，组织人员疏散，减少地质灾害损失；采用工程方法以生态+工程的生态治理模式，结合“拦、档、停、排”治理方法，尽量减小对生态的影响，保证地质安全。课题5从宜居主线研发村寨山地空间利用的生态优化技术，形成特色山地景观。

2）针对村寨空间层次，围绕提高村寨灾害韧性、构建生态宜居环境目标。课题2从安全主线研究山区村寨狭窄空间约束下的灾害应急逃生路径规划技术，结合面向村民的灾害预警与应急管理平台，组织有序疏散，保证火灾、地灾、地震等灾害情况下的居民逃生需要，保障生命安全；课题5从宜居主线开展研发村寨空间优化技术，提高灾害韧性，保护民族聚落特色与风貌。课题4从宜居主线研发分散式无动力低能源的污水处理技术，开展生活垃圾快速有机转化，构建垃圾分类、收集、储运新模式，研发周年稳定运行的种养废弃物循环利用技术，构建高效种养循环体系，创建安全韧性的聚落居住空间和优美的生活环境。

3）针对特色民居建筑层次，围绕提高民居安全性能、改善居住质量、保护特色风貌目标，将民居分为新建建筑与既有传统建筑两类体系。对新建建筑，课题2从安全主线采用改性防火防腐竹木建材，提高防火等级；课题3从安全主线研发低成本装配式混凝土墙板与轻钢结构体系，提高民居的抗震性能。对既有的竹木建筑，课题2从安全主线研发高效防火防腐涂层，提高老旧建筑防火等级；课题3从安全主线研发基于本土化纤维加固材料与消能阻尼器件，构建结构增强技术，防治结构倒塌，提高抗震安全；课题5从宜居主线研发针对竹木、生土与砖石建造体系的类型化、本土化围护体系与关键构件集成改善技术，提升既有民居的环境物理性能。

3 研究方法与技术路线

3.1 研究方法

1）地质灾害监测预警与防控

针对中小规模泥石流滑坡等地质灾害，遵循“孕灾机制与成灾特征研究→关键技术研发→管控平台构建→典型区域示范”的研究思路，通过野外考察、遥感解译、理论分析，探究西南民族村寨地质灾害的孕育机制与成灾特性，利用降雨情景模拟构建基于超前预判的阈值模型，研发天－地一体化协同监测、数据实时采集与传输技术；应用云计算和人工智能技术，根据少数民族村民防灾认知水平，结合民族语言符号特征，建立地质灾害防救灾管控与预警平台；采用原位观测、物理模型实验和数值模拟方法，研发稳固、拦挡、排导、停淤等系列生态化灾害治理技术。

2）建筑火灾预警与防控

采用环境和空间模拟及原位在线分析方法，研究村寨建材的燃烧行为和多灾种灾变空间耦合特征，从分子结构、材料属性和建筑空间多维度揭示西南山区火灾的成灾特征和孕育机制；融合探测器件、物联网技术和人工智能算法，搭建火灾智能化管控与预警装备和平台；利用膨胀阻燃原理，设计合成高效膨胀炭化阻燃剂，采用高压浸注或冷喷涂方法对竹木建材进行阻燃防腐改性；采用社会化建模方法与精细化规划策略，研究多灾种灾变空间耦合下的应急疏散空间韧性规划技术。

3）民居建筑抗震增强技术

针对新建民居，遵循“体系构建-构件节点性能-结构整体性能”的研究思路，通过模块化空间组合设计，利用BIM技术，建立装配式标准部品部件库；开展不同标准部件、节点及其组合结构的静、动力力学性能实验和数值模拟分析，研究结构体系的抗震性能，建立相应的抗震设计方法和建造技术。针对既有竹木、生土砖石民居，遵循“建筑失效特征分析-本土化加固材料研发-构件性能改善-结构增强方案”的研发思路，通过微细观-宏观跨尺度材料性能实验，研发本土化植物纤维增强加固材料，联合数值模拟和构件尺度静动力实验，研究构件抗震性能增强方案，建立一套民居结构防灾抗震增强技术体系。

4）环境污染治理与资源循环利用

遵循“现场调研-理论计算-实验研究-中试验证-工程示范”的研究思路，通过现场调研生活污水、生活垃圾和种养废弃物排放量、排放浓度和现存处理方式，识别特征污染物，解析其赋存规律；根据目标技术工艺特点，对处理效率、效能等进行理论计算，设计相应的反应器，并做出能耗、物耗估算；在保证处理效率的前提下，确定最优投加策略；通过反应器放大设计和运行，进行工艺参数优化，确保处理效率和适用性；选取典型西南民族村寨开展工程示范，评估反应器效率、处理能力、药耗和能耗等，优化后推广应用。

5）村寨空间优化与民居性能提升

通过多源数据收集、多尺度数据整合、历史空间信息挖掘、物理性能传感监测等方法，系统构建西南典型民族村寨人居环境与民居物理性能的多源多尺度数据库，以此为基础开展时空演化规律、适应性建造特征与“环境-建造”互动机制研究。融合景观数字模型、多维风险评估、承载力与适应性评价、系统动力学模拟、综合舒适与环境影响模型、消声降噪计算模型等方法，研究创新村寨规划设计与民居建造的关键技术，形成西南民族村寨与民居宜居性能集成化改善技术。

3.2 技术路线

针对关键科学与技术问题，围绕提升村寨防灾能力和改善村寨宜居性能两大目标，设置两条研究主线：“灾害特征识别-防灾治理技术-防灾技术体系”“人居环境特征辨识-宜居性能技术集成-适应性营造技术体系”，以适应西南村寨特点与保护民族特色为前提，以技术综合集成为手段，以推广应用为目标，开展项目研究与示范。技术路线如图5所示。

图5 技术路线图Fig.5 Flowchart for the implementation

4 结论与展望

围绕中国乡村振兴与构建西部大开发新格局的国家重大战略需求，针对当前西南山区民族村寨地质灾害频发、火灾隐患严重、结构抗震性能薄弱、环境污染物无序排放、居住品质不高以及风貌特色破坏等问题，以西南民族村寨人居环境为对象，基于山地环境、村寨空间和特色民居的灾害破坏特征及人居环境建造特性，研发西南民族村寨综合防灾和人居环境改善成套技术体系。

研究将揭示西南民族村寨灾害特征与孕育机制，并在此基础上以低成本、生态型、分散式、智能化为导向，研发形成西南民族村寨灾害防控与治理技术体系，全面提升村寨综合防灾减灾能力；将揭示西南民族村寨的适应性建造特征与“环境-建造”交互机制，并以本土化、适应性为导向，以技术集成为手段，以整体宜居为目标，研发形成西南民族村寨本土化适应性宜居性能集成化改善技术体系，改善西南民族地区村民居住状况和提升人居环境质量。

预期将形成16项关键技术，并在西南地区22处民族村寨开展示范，分布于四川、重庆、云南、贵州、广西、西藏6个省区（市），涵盖喀斯特地区、横断山区、三峡库区、苗侗山区和高海拔聚居区5类西南典型区域和苗、侗、布依、羌、藏等21个少数民族，形成良好的示范推广效应。