四川省九龍縣色腳溝火后泥石流成災(zāi)機(jī)理

任 云，胡卸文,2，王 嚴(yán)，楊 瀛

(1. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031；2 西南交通大學(xué)，高速鐵路運(yùn)營(yíng)安全空間信息技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

火后泥石流是森林火災(zāi)的次生災(zāi)害之一，是一種特殊的泥石流，這種與林火災(zāi)害密切相關(guān)，在火燒跡地附近形成的過火型泥石流通常被稱作為“火后泥石流”(post-fire debris flow)或者“火相關(guān)泥石流”(fire-related debris flow)。Wells等[1]在泥石流調(diào)查過程中率先發(fā)現(xiàn)了林火與泥石流的發(fā)生具有關(guān)聯(lián)性，并結(jié)合數(shù)據(jù)分析了火燒跡地區(qū)泥石流沉積物的產(chǎn)生過程。Connon等[2～5]對(duì)新墨西哥州的火后泥石流進(jìn)行調(diào)查，揭示了火燒跡地區(qū)坡面侵蝕與暴雨之間的響應(yīng)機(jī)制。Blake等[6,16]采用同位素(210Pbxs，137Cs，7Be)追蹤法對(duì)澳大利亞東南部一處火后泥石流的土壤重分布規(guī)律進(jìn)行了量化研究。Gabet等[7,16]對(duì)火后泥石流細(xì)小沉積物進(jìn)行研究，指出了植物燃燒灰燼具有提高地表徑流容積和運(yùn)輸能力的作用。Santi等[8]、Nyman等[9]的研究都表明火后泥石流主要由地表徑流引發(fā)。Miller等[10]基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)運(yùn)用DNBR指數(shù)對(duì)美國(guó)加州內(nèi)達(dá)華山脈14處火燒跡地進(jìn)行了火燒程度分級(jí)。Connon等[11～12]對(duì)美國(guó)西部地區(qū)388個(gè)火燒區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析提出了預(yù)測(cè)火后泥石流易發(fā)程度與體積的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀tately等[13～14]則提出了一種對(duì)火后泥石流降雨啟動(dòng)閾值的直觀預(yù)測(cè)方法?？傮w而言，與一般的常規(guī)泥石流和震區(qū)泥石流相比，火后泥石流研究起步較晚，且集中在美國(guó)西部及澳大利亞東南部地區(qū)，而國(guó)內(nèi)對(duì)火后泥石流的研究幾近空白。

2016年3月15日，四川省九龍縣三巖龍鄉(xiāng)色腳組因高壓電線引火發(fā)生森林火災(zāi)，大火持續(xù)3天，并在火燒跡地的1#、2#、3#溝于2016年4月28日開始爆發(fā)首次泥石流，隨后的雨季又爆發(fā)過多次不同規(guī)模的泥石流。本文以該火后泥石流為研究對(duì)象，借助landsat8多光譜衛(wèi)星遙感圖像、野外調(diào)查及室內(nèi)外物理力學(xué)及滲透實(shí)驗(yàn)，以揭示火后泥石流的成災(zāi)機(jī)理及演化模式。

1 火后泥石流發(fā)育特征

1.1 研究區(qū)工程地質(zhì)概況

色腳組泥石流溝位于四川盆地西部，為高山—河谷斜坡地貌。受區(qū)域整體間歇性抬升和河流強(qiáng)烈下切侵蝕作用，溝谷形態(tài)多呈V型谷，區(qū)內(nèi)山勢(shì)巍峨，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈抬升深切割的中高山—高山地貌，整體上呈上陡下緩趨勢(shì)，最高點(diǎn)海拔3 360 m，最低點(diǎn)約2 820 m。兩側(cè)谷坡坡度40°～55°，局部直立，溝谷縱坡降多在500‰以上，溝谷上游多為漏斗狀形態(tài)，具備形成泥石流的水動(dòng)力條件。流域內(nèi)三巖龍河屬雅礱江中下游左岸一級(jí)支流，流域面積為448.5 km2，年均流量為13 m3/s，為常年性河流，年平均氣溫15.9 ℃，年均降水量902.6 mm，具有明顯的干濕兩季，降雨高峰期集中在5～9月份，占全年降雨量的60%。

1.2 火后泥石流發(fā)育特點(diǎn)及危害性

四川省甘孜州九龍縣三巖龍鄉(xiāng)色腳組多次火災(zāi)后發(fā)生不同規(guī)模的泥石流，直接造成色腳組兩處民房被沖毀，鄉(xiāng)道被淤埋，色腳組33戶190余人的生命財(cái)產(chǎn)安全受到威脅。色腳組3條泥石流溝均位于三巖龍河右岸(圖1)，基本情況如表1所示，3條溝溝床整體都呈由陡變緩的形態(tài)，具有典型的窄陡型溝谷特征。

表1 研究區(qū)3條泥石流溝形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)

圖1 研究區(qū)流域及各泥石流溝相互位置關(guān)系Fig.1 Relationship of different debris flows in the study area

2 火后泥石流形成機(jī)理分析

2.1 火烈度特征

研究區(qū)林火發(fā)生前植被覆蓋率在80%以上，火災(zāi)發(fā)生后植被受到了嚴(yán)重破壞。基于紅外波段和近紅外波段的反射率相較于火燒之前差異性原理，運(yùn)用光學(xué)遙感數(shù)據(jù)中這兩個(gè)波段所構(gòu)建的監(jiān)測(cè)指數(shù)如dNBR[10,17～19](the delta Normalized Burn Ratio)指數(shù)來表征森林火燒地區(qū)的過火面積、邊界及火燒程度。根據(jù)Key等[20]提出的綜合燃燒指數(shù)CBI(composite burn index)指標(biāo)進(jìn)行野外調(diào)查，綜合采用dNBR對(duì)火燒前后(分別是2016年1月09日及2016年04月26日)的landsat8多光譜衛(wèi)星遙感圖像(精度30 m)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，可將林火烈度分為重度、中度、輕度與未火燒四個(gè)等級(jí)[19]，并將野外調(diào)查成果與遙感解譯結(jié)合校正后得到火燒區(qū)分級(jí)遙感解譯圖(圖2)。

圖2 火燒跡地火烈度遙感解譯圖Fig.2 Remote sensing image interpretation map of the fire intensity in the burned area

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，三巖龍鄉(xiāng)色腳組總過火面積為160公頃，其中的1#、2#、3#溝已經(jīng)發(fā)生泥石流區(qū)域過火面積約41.77公頃。從火燒跡地與泥石流爆發(fā)區(qū)域的對(duì)應(yīng)關(guān)系上看，因3條泥石流的匯水區(qū)域，尤其是溝道上游植被燒毀嚴(yán)重，不僅形成豐富的灰燼層，而且造成了坡表大量裸露，致使其坡表徑流條件發(fā)生改變，同時(shí)還引起火燒跡地土壤結(jié)構(gòu)擾動(dòng)，致使其物理力學(xué)性質(zhì)劣化，滲透特性也發(fā)生改變，上述因素直接影響到流域內(nèi)松散物源量的啟動(dòng)和補(bǔ)給，并誘發(fā)泥石流。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于2#、3#溝域內(nèi)過火面積相對(duì)較大(圖3)，其泥石流的爆發(fā)規(guī)模也是最大的，說明火行為特征跟火后泥石流的爆發(fā)規(guī)模具有較高的關(guān)聯(lián)性。

2.2 物源特征

森林大火在火燒跡地形成的松散物源除了原有坡殘積外及擾動(dòng)后的局部滑坡外，燒毀的灰燼層是火后泥石流的標(biāo)志性物源之一，尤其是首次暴發(fā)泥石流，啟動(dòng)物源絕大部分就是灰燼層。

圖3 各泥石流沖溝不同火烈度分布面積統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistics of the bured area distribution of different debris flows

2.2.1灰燼層

如前所述，火后泥石流物源中，植被與凋落物燃燒后產(chǎn)生的大量灰燼是火后泥石流的重要補(bǔ)給物源。林火后第一次泥石流 (2016年4月28日)沖出物質(zhì)全為黑色的粘稠狀漿體，很少有粗大顆粒物質(zhì)出現(xiàn)，但在隨后泥石流所含黑色灰燼物質(zhì)逐漸減少。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，林火發(fā)生后，表層覆蓋的灰燼層厚度可達(dá)20 cm，灰燼阻斷了水與坡表土體之間的聯(lián)系，其良好的吸水特性可以延緩坡面徑流的形成，但當(dāng)降雨達(dá)到一定量時(shí)，灰燼層達(dá)到飽和，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為灰燼流并攜帶坡面的細(xì)顆粒物質(zhì)沿坡面流動(dòng)至溝內(nèi)，構(gòu)成首次火后泥石流的主要補(bǔ)給物源。

通過對(duì)3#溝堆積區(qū)內(nèi)首次泥石流和后期泥石流堆積物分別取樣，進(jìn)行顆粒分析和現(xiàn)場(chǎng)泥石流配漿法容重實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明(圖4)，2016年“4·28”泥石流沉積物成分為灰燼夾雜泥沙，以細(xì)小黏粉粒為主，粒徑多小于10 mm，重度介于11.0～15.5 kN/m3之間，平均重度為13.4 kN/m3。而后續(xù)泥石流沉積物成分主要為泥沙夾雜大量石塊，最大石塊粒徑可達(dá)1 m，泥石流重度介于16.9～19.4 kN/m3之間，平均重度為18.5 kN/m3，與常規(guī)泥石流無異。由此可見，色腳溝火后泥石流首次發(fā)生時(shí)以灰燼流為主，具有明顯的特色。

圖4 不同時(shí)期泥石流堆積物顆粒分布曲線Fig.4 Curve of the particle diameter of debris flow in different periods

2.2.2其他物源

火后泥石流溝域除了灰燼層外，其他物源與常規(guī)泥石流相似，同樣表現(xiàn)為坡面侵蝕物源、崩滑物源及溝床堆積物源三大類。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于坡面匯流條件及火燒跡地土體性質(zhì)的改變，形成了大量的坡面侵蝕物源，這些坡面侵蝕物源在匯水水流的作用下運(yùn)移堆積，成為第二、第三次火后泥石流的主要啟動(dòng)物源；另外各條支溝上游匯水區(qū)域(火燒區(qū)域)因坡面侵蝕，下切嚴(yán)重，不僅下蝕溝道中的松散堆積物，同時(shí)不斷刮鏟溝道兩側(cè)松散堆積體而形成淺表層滑坡，從而更進(jìn)一步增大火后泥石流的啟動(dòng)物源規(guī)模。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(圖5)，1#、2#、3#溝坡面侵蝕物源分別占71.53%，53.58%，88.41%，其中坡面侵蝕物源占比最大。因此，色腳溝火后泥石流近期可活動(dòng)物源仍以坡面侵蝕物源為主。

圖5 研究區(qū)各泥石流沖溝不同物源占比圖Fig.5 Proportion of different sources of materials of different debris flows(1#、2#、3#溝近期可活動(dòng)物源總方量依次為0.46×104 m3、1.08×104 m3、1.12×104 m3)

2.3 火燒跡地土壤滲透特征

為了對(duì)比火后泥石流與普通泥石流坡面徑流特征，系統(tǒng)開展了火燒跡地與未火燒區(qū)土體的現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)，采用雙環(huán)法分別在火燒跡地與未火燒區(qū)進(jìn)行了4組原位滲透實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采取每5 min記錄1次滲水量的方式，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為120 min，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 不同火烈度區(qū)火燒跡地土體滲透速率隨時(shí)間變化Fig.6 Infiltration rate of soil varies with time in the burned area

結(jié)果表明，火燒區(qū)的飽和滲透速率最大為2.72 cm/5 min，最小為0.68 cm/5 min，平均為1.33 cm/5 min，未火燒區(qū)最大為3.62 cm/5 min，最小為1.1 cm/5 min，平均為2.26 cm/5 min，火燒區(qū)飽和滲透速率整體明顯小于未火燒區(qū)，采用戴長(zhǎng)雷等[21]提供的公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果表明(圖7)，火燒區(qū)滲透系數(shù)均值為4.31×10-5m/s，同等條件下未火燒區(qū)滲透系數(shù)均值為7.52×10-5m/s，總體上兩者區(qū)分不大，但還是可以看出火燒區(qū)土壤的垂向滲透能力要比未火燒區(qū)弱，火燒跡地表層土壤滲透系數(shù)要小于未火燒區(qū)土壤。這與Wells等[1]的研究結(jié)果相一致。上述結(jié)果說明火燒跡地土壤滲透性有所降低，將會(huì)減少降雨入滲，以地表徑流為主，這也是為何火后泥石流啟動(dòng)物源以坡面徑流為主的根本原因。

圖7 火燒區(qū)與未火燒區(qū)表層土體滲透系數(shù)對(duì)比Fig.7 Comparison of coefficient of permeability of surface soil in the burned area and unburned area

而對(duì)于火燒跡地表層土壤滲透能力減弱的機(jī)制，Mallik等[22]給出了較為合理的推測(cè)，覆蓋在地表的灰燼層飽和轉(zhuǎn)化為灰燼流后，其中的細(xì)小顆粒物質(zhì)會(huì)在下滲過程中堵塞住表層土壤中的大孔隙，從而減弱了水在土體中的下滲速率(圖8)?；谶@種推測(cè)，對(duì)色腳溝流域內(nèi)火燒跡區(qū)表層土壤滲透能力的減弱機(jī)制還待作進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。

圖8 火燒跡地表層土體滲透機(jī)制示意圖Fig.8 Schematic diagram showing the infiltrating mechanism of surface soil in the burned area

2.4 火后泥石流降雨閾值

圖9 泥石流降雨爆發(fā)時(shí)刻與降雨過程Fig.9 Debris flow rainfall eruption time and the rainfall process

2016年火災(zāi)發(fā)生后，色腳組各沖溝在雨季先后爆發(fā)過多次規(guī)模不同的泥石流，通過收集距離火燒區(qū)附近的雨量觀測(cè)站資料并根據(jù)已有的雨量統(tǒng)計(jì)方法[23]進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)(圖9)，2016年“4·28”泥石流爆發(fā)時(shí)，前期降雨持時(shí)47 h，累計(jì)降雨量?jī)H為15.2 mm，小時(shí)最大雨強(qiáng)為4.1 mm。而到了2016年“9·5”泥石流爆發(fā)時(shí)，前期降雨持時(shí)31 h，累計(jì)降雨量為36.4 mm，小時(shí)最大雨強(qiáng)為5.5 mm。根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》及相關(guān)資料顯示，色腳組當(dāng)?shù)貧v史最大日降雨量為156.6 mm，小時(shí)最大降雨量為35 mm(2001年10月1日)，10 min最大降雨量為22.9 mm。對(duì)比顯示，2次泥石流爆發(fā)時(shí)的降雨量在當(dāng)?shù)鼐浅Ｒ姷闹小┯?，并未超過歷史最大降雨量，而同樣位于九龍縣境內(nèi)乃渠鄉(xiāng)的沃綽溝泥石流(2011年9月26日)爆發(fā)時(shí)，其日降雨量為61.6 mm，小時(shí)最大雨強(qiáng)約為20 mm[24]。由此表明火燒跡地發(fā)生泥石流的對(duì)降雨敏感度顯著增加，暴發(fā)泥石流所需的降雨閾值隨之降低。

3 火后泥石流演化過程分析

色腳溝火后泥石流的災(zāi)害演化具有鮮明的時(shí)間效應(yīng)。森林火災(zāi)發(fā)生后，樹冠層和落葉層都會(huì)被不同程度地?zé)龤?，火燒跡地覆蓋大量的灰燼層。隨后火燒區(qū)域發(fā)生降雨時(shí)，灰燼層會(huì)阻斷降雨入滲，但當(dāng)降雨使灰燼層飽和時(shí)，灰燼便轉(zhuǎn)化為灰燼流，成為火燒跡地第一次泥石流的主要物源。地表灰燼層流失后，降雨開始與火燒跡地地表土體直接接觸，但因其滲透性較未火燒區(qū)減小，導(dǎo)致降雨入滲量降低，而地表徑流加大，坡面侵蝕加劇，坡面侵蝕物源開始成為火后泥石流的啟動(dòng)物源。同時(shí)坡面侵蝕物源在地表徑流的帶動(dòng)下沿溝道匯集流動(dòng)，再加之被燒毀的殘枝樹干對(duì)溝道堵塞潰決，導(dǎo)致溝道下切嚴(yán)重并形成兩側(cè)高臨空面，溝道兩側(cè)松散體物源因切腳沖刷而形成滑坡[25]，又進(jìn)一步加劇泥石流的發(fā)生。因此歸納而言，在火燒跡地泥石流按時(shí)序啟動(dòng)補(bǔ)給物源的類型依次為：灰燼層、坡面侵蝕物源和溝道兩側(cè)淺表層滑坡，泥石流也逐漸從黏性朝過渡性轉(zhuǎn)變。

Connon等[2～5]在研究火后泥石流啟動(dòng)機(jī)制時(shí)也提出，火后泥石流可以由地表徑流或者淺表層滑坡單獨(dú)引發(fā)，也可以由兩者共同引發(fā)，但兩種啟動(dòng)方式的引發(fā)時(shí)間段有所不同。Parise等[15]也通過統(tǒng)計(jì)指出，由淺層滑坡所觸發(fā)的火后泥石流只占12%，滑坡厚度可能為數(shù)十厘米～6 m，其可能發(fā)生在火災(zāi)后的第一個(gè)雨季，也有可能是火災(zāi)后1～2年，10年甚至30年。而對(duì)色腳溝泥石流現(xiàn)場(chǎng)物源調(diào)查顯示，色腳組目前發(fā)生的泥石流主要還是因地表徑流引發(fā)的泥石流，結(jié)合色腳溝泥石流目前的發(fā)育特征與發(fā)展趨勢(shì)，推測(cè)隨著坡表植被的恢復(fù)，地表坡面侵蝕會(huì)逐漸減緩，但溝道兩側(cè)已具有臨空面的松散堆積體會(huì)在隨后的雨季中不斷解體，并成為后續(xù)泥石流的主要啟動(dòng)物源。

4 結(jié)論

(1)通過遙感解譯并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查顯示，發(fā)生在2016年3月15日的四川省九龍縣三巖龍鄉(xiāng)色腳組森林火災(zāi)總過火面積約160公頃，按火烈度標(biāo)準(zhǔn)，并可將火燒跡地分為重度、中度、輕度與未火燒四個(gè)等級(jí)的火燒區(qū)。其火后泥石流全都發(fā)生在過火范圍大，植被燒毀嚴(yán)重的溝域內(nèi)，火后泥石流暴發(fā)與火烈度高度相關(guān)。

(2)現(xiàn)場(chǎng)原位滲透實(shí)驗(yàn)測(cè)得重度火燒跡地表層土壤的垂向滲透系數(shù)4.31×10-5m/s，同等條件下未火燒區(qū)域表層土壤的垂向滲透系數(shù)均值為7.52×10-5m/s，表明重度火燒區(qū)內(nèi)表層土壤滲透性較未火燒區(qū)有所降低，也由此說明火燒區(qū)降雨入滲弱化而更多地轉(zhuǎn)化為坡面徑流，加劇坡面侵蝕，且火后泥石流降雨閾值也隨之降低。

(3)色腳溝火后泥石流成災(zāi)具有鮮明的時(shí)間效應(yīng)。首次火后泥石流以灰燼層補(bǔ)給的灰燼流為主，隨后受到火燒跡地土壤滲透性能影響，坡面徑流大于降雨入滲，坡面侵蝕物源成為第二或第三次火后泥石流的主要物源。各次泥石流進(jìn)入溝道后的強(qiáng)烈淘刷，又會(huì)使溝道兩側(cè)原坡殘積松散物源發(fā)生坍滑，因此后期火后泥石流暴發(fā)的補(bǔ)給物源將主要是溝道兩側(cè)淺表層滑坡。