未来气候预测与植被覆盖下土壤-植物-大气相互作用对岩土基础设施稳定性的数值模拟研究

本研究针对气候变化下岩土基础设施稳定性受土壤-植物-大气相互作用（SPAI）影响的复杂机制，首次将生态水文模型Tethys-Chloris（T&C）与岩土有限元模型PLAXIS 2D耦合，通过英国纽伯里切坡案例验证，揭示了植被通过调控孔隙水压力（PWP）提升安全系数的关键作用，为气候适应性边坡设计提供了创新方法论。

　　

气候变化正以前所未有的速度重塑地球表面环境，而岩土基础设施——如铁路、公路边坡——首当其冲。英国每年因边坡失稳造成的经济损失高达19亿英镑，更不必说潜在的生命威胁。问题的核心在于土壤-植物-大气相互作用（SPAI）这一“隐形工程师”：植被根系吸水会改变土壤孔隙水压力（PWP），进而影响边坡稳定性，但传统方法要么简化气候边界条件，要么忽略植物生理动态响应，导致预测结果与实际偏差显著。

为破解这一难题，帝国理工学院的研究团队在《Geomechanics for Energy and the Environment》发表了一项开创性研究。他们首次将生态水文模型Tethys-Chloris（T&C）——能精确模拟植物气孔调节和实际蒸散发（AET）——与岩土有限元软件PLAXIS 2D直接耦合，以英国纽伯里切坡为案例，定量揭示了植被在气候变局中的“锚固效应”。

关键技术包括：1）采用T&C模型动态计算AET（基于UKCP18气候预测数据）；2）将AET作为边界条件输入PLAXIS 2D进行全耦合水力-力学分析；3）通过现场监测的PWP数据验证模型可靠性。

建模方法
研究采用三阶段策略：先通过T&C模拟单点土壤柱的水-碳-能量循环，再将净水通量作为PLAXIS 2D边坡模型的边界条件。模型成功复现了植被通过根系吸水产生的“水力加筋”效应——旱季植物蒸腾使浅层土壤吸力（负PWP）提升40%，显著提高安全系数（FoS）。

气候预测影响
分析RCP8.5情景（高排放）下2070-2100年的数据发现：尽管强降雨事件增加30%，但深根系植被仍能通过维持土壤吸力抵消部分风险；而草皮覆盖边坡因AET调节能力弱，FoS下降达15%。这表明边坡行为不能仅凭气候数据预判，必须结合SPAI动态。

结论与意义
该研究突破了传统岩土分析中气候边界条件简化的瓶颈，首次实现生态水文过程与岩土力学的无缝耦合。案例证明：1）植被类型选择直接影响基础设施气候韧性，深根系植物可降低维护成本23%；2）监测土壤吸力变化是预警边坡失稳的关键指标。这项成果为《巴黎协定》背景下的基础设施适应性设计提供了量化工具，其方法论框架可推广至全球类似气候区。

（注：全文数据及模型代码公开于Code Ocean平台，doi.org/10.24433/CO.0905087.v3）