火后泥石流流域坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量估算方法探討*

楊 瀛 胡卸文② 王 嚴(yán) 金 濤 曹希超 韓 玫

(①西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031，中國)(②西南交通大學(xué)高速鐵路運(yùn)營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程試驗(yàn)室，成都 610031，中國)(③西南交通大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院，成都 610031，中國)

0 引 言

火后泥石流(post-fire debris flow)和森林火災(zāi)密切相關(guān)，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，近10年來川西南地區(qū)大約50%的火燒跡地發(fā)生了泥石流災(zāi)害(胡卸文等，2018)，且其暴發(fā)所需的降雨閾值會(huì)顯著降低，具有明顯的突發(fā)易發(fā)特征，尤其在林火發(fā)生當(dāng)年火后泥石流異常活躍，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了較大威脅。因此揭示火后泥石流物源起動(dòng)模式、建立起動(dòng)規(guī)模(動(dòng)儲(chǔ)量)估算方法，進(jìn)而提出有效的防治工程措施非常必要。Meyer et al.(1997)研究指出坡面徑流沖刷引起土壤侵蝕是形成火后泥石流的重要形式之一，Sass et al.(2012)的研究數(shù)據(jù)也表明火燒區(qū)的侵蝕率相比于未火燒區(qū)增加了近10倍，Nyman et al.(2015)的研究則表明火燒區(qū)的產(chǎn)沙量比未火燒區(qū)增加2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。大量的火燒跡地暴發(fā)的泥石流也顯示坡面侵蝕物源是火后泥石流物源的重要組成部分。常規(guī)泥石流坡面物源動(dòng)儲(chǔ)量的估算一般是根據(jù)第二次全國土壤普查資料獲得的土壤侵蝕模數(shù)來進(jìn)行。對(duì)于火后泥石流流域，林火一方面燒毀森林植被形成豐富的灰燼層，另一方面其產(chǎn)生的高溫又使得林下坡表土壤的物理力學(xué)性質(zhì)及水文地質(zhì)性質(zhì)劣化，形成不透水或透水性很弱的斥水層，從而導(dǎo)致坡面侵蝕加劇，兩方面因素導(dǎo)致火后泥石流區(qū)火燒跡地可起動(dòng)坡面物源要遠(yuǎn)大于常規(guī)泥石流相應(yīng)值(胡卸文等，2018)。因此若將常規(guī)泥石流坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量估算方法應(yīng)用于火后泥石流，將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏小，造成攔砂壩等治理工程庫容有效性不足。目前國內(nèi)對(duì)強(qiáng)震區(qū)泥石流的物源估算方法研究較多(朱靜等，2012；卜祥航等，2016，李寧等，2020)，而對(duì)同樣具有特殊形成機(jī)理的火后泥石流的研究尚處于起步階段，主要以綜述性研究(邸雪穎等，2013；胡卸文等，2018)和對(duì)其形成機(jī)理(陳子龍，2016；任云，2018；王嚴(yán)等，2019)研究為主，而對(duì)其坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量的估算方法研究尚屬空白。修正通用土壤流失方程RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation)于1997年由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局(USDA-ARC)提出(Renard et al.,1997)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水土保持領(lǐng)域，特別是與3S技術(shù)相結(jié)合后該模型實(shí)用性進(jìn)一步提高。目前已有多位國外學(xué)者將此模型應(yīng)用于火燒跡地坡面侵蝕量評(píng)估，取得了較好的效果(Vieira et al.,2018;Yang et al.,2018;Lanorte et al.,2019)。在國內(nèi)，該模型應(yīng)用也已比較廣泛，如楊孟豪等(2019)利用該模型定量分析了藉河示范區(qū)1997～2015年土壤侵蝕時(shí)空動(dòng)態(tài)特征；溫清茂等(2019)運(yùn)用該模型探討了常規(guī)泥石流坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量，取得了較好成果，但是將該模型運(yùn)用于火后泥石流的案例尚屬空白。八角樓鄉(xiāng)2018年2月發(fā)生森林火災(zāi)，過火區(qū)域共涉及10條支溝(圖1)，在火后的2018、2019兩年內(nèi)先后暴發(fā)了多次火后泥石流災(zāi)害。本文擬采用RUSLE模型，運(yùn)用遙感解譯、野外調(diào)查、室內(nèi)外試驗(yàn)等手段，對(duì)上述各沖溝的坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量估算方法進(jìn)行應(yīng)用探討。限于篇幅，本文專門選擇火燒特征明顯、流域面積適中、且多次發(fā)生泥石流的D4流域進(jìn)行研究。研究成果對(duì)火后泥石流防治工程設(shè)計(jì)、尤其是對(duì)固坡或攔擋結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

圖1 研究區(qū)林火范圍及主要火后泥石流沖溝分布工程地質(zhì)圖Fig.1 Engineering geological plan of distribution of burnt area and main post-fire debris flow gully in the study area

1 研究區(qū)地質(zhì)條件概況

研究區(qū)位于四川省甘孜州雅江縣八角樓鄉(xiāng)扎日村境內(nèi)(東經(jīng)101°13′56″，北緯30°10′6″)，屬于雅礱江一級(jí)支流米西溝流域，為深切峽谷地貌。

表1 D4流域基本地形特征參數(shù)Table 1 Basic topographic parameters of the D4 watershed

2018年2月19日，研究區(qū)發(fā)生森林火災(zāi)，同年6～7月，過火區(qū)域多溝(圖1 D1～D10流域)多期次(6月13日、6月24日、6月30日、7月5日、7月12日等)暴發(fā)了火后泥石流；至2019年雨季，該火燒跡地部分支溝流域火后泥石流活動(dòng)依然非?；钴S，對(duì)流域內(nèi)居民的生命財(cái)產(chǎn)造成了重大損失。

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 RUSLE模型

RUSLE模型主要考慮降雨侵蝕、土壤質(zhì)地、地形、植被覆蓋及水土保持措施這幾個(gè)影響因素，其基本方程為：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中：A為片蝕或細(xì)溝侵蝕的年平均土壤流失量(t·ha-1·a-1)；R為降雨侵蝕強(qiáng)度(MJ·mm·h-1·ha-1·a-1)；K為土壤可蝕性因子，與土壤質(zhì)地及其滲透性等有關(guān)(t·h·MJ-1·mm-1)；LS為坡長和坡度因子(無量綱)；C為植被覆蓋因子(無量綱)；P為侵蝕控制因子，與水土保持治理措施有關(guān)(無量綱)。

2.2 數(shù)據(jù)來源及計(jì)算方法

對(duì)于火后泥石流而言，林火是重要的影響因子之一，而火烈度是評(píng)價(jià)林火燃燒程度的重要指標(biāo)。為此首先在中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所的網(wǎng)站(網(wǎng)址：http：//ids.ceode.ac.cn/query.html)獲取研究區(qū)landsat8多光譜遙感影像(空間分辨率30m)，并利用ENVI軟件對(duì)林火前后遙感影像進(jìn)行處理，得到D4流域歸一化差分燃燒指數(shù)dNBR(delta Normalized Burn Ratio)(Key et al.,2006)。然后在火燒跡地隨機(jī)選擇樣地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并按表2(Parsons,et al.,2010)的標(biāo)準(zhǔn)確定不同區(qū)域的火烈度，進(jìn)而確定區(qū)分不同火烈度的dNBR間隔值，最終得出D4流域的火烈度遙感解譯圖，并以此為底圖用ArcGis軟件計(jì)算各火烈度下的土壤年均侵蝕量。

表2 火烈度判別特征Table 2 Determining criterion for the fire severity

2.2.1L與S因子

坡長(L)和坡度(S)因子反映地形對(duì)土壤侵蝕量的影響，本文采用國內(nèi)學(xué)者(Liu et al.,2000)的方法，按式(2)～式(5)進(jìn)行計(jì)算：

(2)

L=(λ/22.1)m

(3)

λi=Di/cosθi

(4)

(5)

式中：λi為第i個(gè)像元的坡長；其中Di為沿著徑流方向每個(gè)像元坡長的水平投影距；θi為每個(gè)像元的坡度；i為像元編號(hào)；m為坡長指數(shù)。

首先在地理空間云平臺(tái)(網(wǎng)址：http：//www.gscloud.cn)下載研究區(qū)30m精度的數(shù)字高程圖(DEM)，之后利用ArcGis中3D Analyst tool的柵格表面模塊和Spatial Analyst tool中的水文模塊、地圖代數(shù)模塊計(jì)算坡長和坡度因子。

2.2.2C因子

植被覆蓋因子與植物類型、蓋度等有關(guān)，當(dāng)植被覆蓋良好時(shí)對(duì)坡面侵蝕起抑制作用，此時(shí)C值趨近于0；而當(dāng)林火發(fā)生后，大量的植被被燒毀，植被覆蓋率大大下降，對(duì)坡面侵蝕有利，此時(shí)的C值接近1。

首先用ENVI軟件對(duì)已經(jīng)獲得的landsat8多光譜遙感影像進(jìn)行輻射校正和大氣校正，然后計(jì)算其歸一化差分植被指數(shù)NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)，并按等密度模型(陳晉等，2001)，用式(6)計(jì)算植被覆蓋率，再按照經(jīng)驗(yàn)式(7)計(jì)算C值(蔡崇法等，2000)。

(6)

(7)

式中：fg為植被覆蓋率(%)；NDVI為計(jì)算得出的歸一化差分植被指數(shù)；NDVImin為最小的歸一化差分植被指數(shù)；NDVImax為最大的歸一化差分植被指數(shù)。

2.2.3P因子

水土保持措施因子P是有水土保持措施小區(qū)的土壤侵蝕率與無水土保持措施小區(qū)的土壤侵蝕率之比，綜合反映了水土保持工程措施對(duì)坡面侵蝕的影響。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，對(duì)于特定的泥石流溝流域，可通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的結(jié)果按表3列出的經(jīng)驗(yàn)值獲取P值(郭宏忠等，2004)。

表3 不同植被覆蓋的P值Table 3 P values under different vegetation cover types

2.2.4K因子

土壤可蝕性因子K是指標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上單位降雨侵蝕力引起的土壤侵蝕率，可以綜合反映土壤的抗侵蝕能力，主要受土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量及滲透性等級(jí)的影響。一般采用諾謨方程(Wischmeier et al.，1971)，即按式(8)計(jì)算。

100K=2.1M1.14(12-a)(10-4)+

3.25(b-2)+2.5(c-3)

(8)

式(8)中，若有機(jī)質(zhì)含量超過12%，K因子將會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，此時(shí)用EPIC模型(Williams，1990)的式(9)計(jì)算比較合理。

(9)

由于火燒后土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量及其滲透性均會(huì)發(fā)生改變，且不同火烈度區(qū)改變程度不同，因此計(jì)算K因子所需的參數(shù)須由專門的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得?，F(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí)以火烈度遙感解譯圖為依據(jù)，對(duì)不同火烈度(含未火燒區(qū))的坡表土壤進(jìn)行隨機(jī)取樣；在室內(nèi)參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)(中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組，1999)，用篩分法和密度計(jì)法測(cè)定其顆粒組成，并按照美國農(nóng)業(yè)部土壤粒徑分級(jí)方案進(jìn)行土壤分類。與此同時(shí)測(cè)算各火烈度下的0～5cm深度范圍內(nèi)的平均土壤干容重，以計(jì)算坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量。有機(jī)質(zhì)含量采用灼燒法測(cè)定。由于林火會(huì)使坡表一定深度范圍內(nèi)的土壤產(chǎn)生斥水性，從而導(dǎo)致其滲透性下降(胡卸文等，2018)，因此需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)土壤的滲透系數(shù)確定土壤滲透性等級(jí)，具體測(cè)定時(shí)可以先用滴水入滲法(Bughici et al.,2016)測(cè)定土壤的斥水性，再用美國Decagon公司研發(fā)的微型圓盤入滲儀(Mini disk infiltrometer)對(duì)各火烈度區(qū)的斥水性土壤和親水性土壤的滲透性進(jìn)行隨機(jī)測(cè)定(Moody et al.,2009)，最終按統(tǒng)計(jì)規(guī)律取均值。

顯然，地理位置及土地利用類型不同，土壤類型就不盡相同，對(duì)林火干擾的響應(yīng)程度也隨之變化，這將直接影響土壤侵蝕強(qiáng)度。因此在取樣及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)充分考慮地質(zhì)環(huán)境、土地利用類型等的影響，保證取樣和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)具有代表性。

2.2.5R因子

降雨侵蝕因子R綜合反映降雨的侵蝕能力，一般采用Fournier 指數(shù)形式的簡易算法(Rulli et al.,2013)，首先用統(tǒng)計(jì)的多年月降雨量和年降雨量按式(10)計(jì)算出Fournier 指數(shù)，之后用式(11)計(jì)算。

(10)

R=4.17F-152

(11)

式中：pi為月降雨量(mm)；p為年降雨量(mm)；F為Fournier指數(shù)。

降雨數(shù)據(jù)來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站(網(wǎng)址：http：//data.cma.cn)的中國地面降水月值0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集(V2.0)，所用數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為2010～2018年。該數(shù)據(jù)集是基于國家氣象信息中心基礎(chǔ)資料專項(xiàng)最新整編的中國地面2472臺(tái)站降水資料，插值生成的1961年至最新的水平分辨率0.5°×0.5°的中國降水月值格點(diǎn)數(shù)據(jù)。研究區(qū)距離作為國家一般氣象站的雅江縣氣象局僅20km，因此數(shù)據(jù)可以滿足計(jì)算精度要求。獲取數(shù)據(jù)后可用Excel軟件計(jì)算處理。

2.2.6 坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量估算公式

通過以上計(jì)算獲得各因子的柵格圖后，在ArcGis軟件中將各因子?xùn)鸥駡D統(tǒng)一投影到WGS_1984_UTM_Zone_47N坐標(biāo)系上(像元邊長為29.57950471m)，然后將同一火烈度下的各因子?xùn)鸥駡D按式(1)進(jìn)行柵格連乘運(yùn)算，即可獲得各火烈度下的坡面土壤侵蝕模數(shù)柵格圖。由于坡面侵蝕物源顆粒較細(xì)，容易被常年洪水帶走，僅部分可計(jì)為泥石流補(bǔ)給動(dòng)儲(chǔ)量，因此需按常年洪水的泥沙輸移比SDR(Sediment Delivery Ratio)予以折減，即按溫清茂等(2019)提出的式(12)進(jìn)行柵格運(yùn)算，并將各火烈度區(qū)的計(jì)算所得結(jié)果累加得到設(shè)計(jì)年限內(nèi)火后泥石流的坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量。泥沙輸移比SDR可通過研究區(qū)所在地的水文監(jiān)測(cè)站獲取或者查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，目前對(duì)于泥沙輸移比的研究已較成熟，我國學(xué)者也提出了較多的經(jīng)驗(yàn)公式(謝旺成等，2012)，在基礎(chǔ)資料較缺乏地區(qū)也可通過這些經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。本文采用高旭彪等(2007)提出的經(jīng)驗(yàn)式(13)計(jì)算泥沙輸移比：

(12)

SDR=0.47F-0.158

(13)

據(jù)澳大利亞學(xué)者Yang et al.(2018)的研究，火災(zāi)后第1個(gè)月土壤侵蝕模數(shù)可高達(dá)50.56 t·ha-2·a-1，至火后第5年，土壤侵蝕模數(shù)已降至1.35t·ha-2·a-1，Lane et al.(2006)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示火后當(dāng)年流域內(nèi)的產(chǎn)沙量相比于火災(zāi)以前增加了8～9倍，而火后第2年則減少到2～4倍。據(jù)本研究團(tuán)隊(duì)多年跟蹤調(diào)查，與研究區(qū)相鄰的流域(圖1中 F3流域)于2010年2月23日發(fā)生了森林火災(zāi)，此后一段時(shí)間內(nèi)該流域火后泥石流活動(dòng)非?；钴S，但是隨著時(shí)間推移，流域內(nèi)植被逐漸恢復(fù)，坡表土壤的物理力學(xué)及水文性質(zhì)也逐漸改善，故火后泥石流發(fā)生頻率也隨之逐漸下降。經(jīng)歷了5個(gè)水文年后，該流域在雨季基本以發(fā)生高含沙洪水為主，近期再無火后泥石流活動(dòng)跡象。

同時(shí)位于四川省甘孜州鄉(xiāng)城縣正斗鄉(xiāng)仁額擁溝流域的元根山，于2014年6月1日發(fā)生森林火災(zāi)，至今已是第6年，目前該流域在雨季也以發(fā)生高含沙洪水為主。由此可見，森林火災(zāi)發(fā)生后5年內(nèi)是火后泥石流的活躍期，因此本文在計(jì)算坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量時(shí)將設(shè)計(jì)年限T設(shè)定為5年。

3 結(jié)果與分析

通過遙感影像解譯運(yùn)算，得到了D4流域的火烈度分布統(tǒng)計(jì)表(表4)和火烈度遙感解譯圖(圖2a)，結(jié)果顯示該流域火燒區(qū)面積占比高達(dá)94.38%，其中重度火燒區(qū)占52.94%，中度火燒區(qū)占34.20%，說明該流域火燒非常嚴(yán)重，有利于坡面侵蝕的產(chǎn)生。

表4 D4流域火烈度分布統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistical table of the fire intensity distribution in D4 basin

經(jīng)過處理DEM圖，得出了D4流域的地形因子特征值(表5，圖2b、圖2c)。結(jié)果表明D4流域平均坡度為31.41°，局部較陡，坡度最大為61.81°，坡度因子S平均值為10.28，標(biāo)準(zhǔn)差為3.25，表明該流域地形空間差異性不大，地形均較陡，非常有利于坡面侵蝕發(fā)生。流域坡長平均值為43.58m，相對(duì)較短，坡長因子較大，平均值為1.40，標(biāo)準(zhǔn)差僅0.14，說明其空間差異性很弱，同樣很有利于坡面侵蝕的發(fā)生。

表5 D4流域地形因子特征值Table 5 Terrain factor characteristic value of D4 watershed

通過遙感影像解譯運(yùn)算得出了該流域的植被覆蓋率及C因子(表6及圖2d、圖2e)。結(jié)果表明，林火導(dǎo)致流域內(nèi)植被覆蓋率大幅下降，相對(duì)于未火燒區(qū)，輕度、中度以及重度火燒植被覆蓋率依次下降了24.82%、64.34%和73.33%。植被覆蓋率的下降使得C因子大幅度提高，相對(duì)于未火燒區(qū)，輕度、中度以及重度火燒區(qū)C因子依次升高了50.0%、162.5%和187.5%，也就勢(shì)必會(huì)造成坡面土壤流失量激增。

表6 D4流域植被覆蓋率及植被覆蓋因子特征值Table 6 Vegetation coverage ratio and vegetation cover factor characteristic value of D4 watershed

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，D4流域均為自然山坡，無任何水土保持措施，因此本文中水土保持措施因子P=1。

根據(jù)室內(nèi)外試驗(yàn)研究及查表驗(yàn)算，按照式(9)計(jì)算得出D4流域不同火烈度區(qū)的土壤可蝕性因子指標(biāo)值(表7，圖2f)。由表7可見，相較于未火燒區(qū)，重度、中度以及輕度火燒區(qū)土壤可蝕性因子依次提高了8.81%、7.29%和6.29%，由此可見，火燒導(dǎo)致土壤抗侵蝕能力大幅下降。

表7 土壤可蝕性因子計(jì)算參數(shù)取值Table 7 Calculation parameters of soil erodibility factor

本文采用研究區(qū)2010～2018年的降雨數(shù)據(jù)計(jì)算降雨侵蝕因子，由于該流域面積較小，只算得一個(gè)降雨侵蝕因子，即R=620.95MJ·mm·h-1·ha-1·a-1。

表8 D4流域侵蝕強(qiáng)度分級(jí)Table 8 Classification of erosion intensity of D4 watershed

表9 各參數(shù)取值及坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量估算結(jié)果Table 9 The value of each parameter and the estimation result of slope erosion source dynamic reserves

圖2 火烈度及各計(jì)算因子?xùn)鸥駡DFig.2 Fire intensity and calculation factor grid diagrama.火烈度；b.坡長因子L；c.坡度因子S；d.植被覆蓋率fg；e.植被覆蓋因子C；f.土壤可蝕性因子K；g.土壤侵蝕模數(shù)A(t·km2·a)

括號(hào)中數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)差

4 討 論

4.1 土壤干容重及侵蝕模數(shù)的影響

就侵蝕模數(shù)和坡表土壤干容重而言，據(jù)本團(tuán)隊(duì)對(duì)多個(gè)火燒跡地土壤物理力學(xué)和水文性質(zhì)的跟蹤試驗(yàn)研究，林火發(fā)生后，隨著雨季坡表侵蝕及后期植被的恢復(fù)，坡表土壤的物理及水文地質(zhì)性質(zhì)會(huì)逐漸改善，前人研究(張敏等，2002；馬秀枝等，2016；張宇婧等，2018)也證明了這一點(diǎn)。因此可蝕性因子K、植被覆蓋因子C隨時(shí)間增加將相應(yīng)減小，從而導(dǎo)致土壤侵蝕模數(shù)減小。同時(shí)坡表土壤干容重也會(huì)逐漸增加至未火燒前的水平。

4.2 泥沙輸移比的影響

就泥沙輸移比而言，其影響因素主要有地貌、降雨、土壤質(zhì)地及植被覆蓋特征等。由于林火在燒毀植被的同時(shí)還會(huì)影響林下土壤的物理性質(zhì)及其水文性質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙量激增，整個(gè)流域的泥沙輸移比隨之增加。而事實(shí)上，林火燃燒具有一定的隨機(jī)性，尤其在輕度火燒區(qū)隨機(jī)性更大，根據(jù)火烈度判別特征(表2)，輕度火燒區(qū)林冠層及地表枯枝落葉層的燃燒非常有限，再加上喬木和灌木的枯萎，林冠層會(huì)不斷掉落補(bǔ)充燒毀的地表枯枝落葉層，故可以認(rèn)為輕度火燒區(qū)地表覆蓋物損失較小。由于林冠層可以有效攔截雨滴，減弱降雨對(duì)坡面土壤的濺蝕作用；同時(shí)林下枯枝落葉層不但可以保護(hù)坡表土壤，防止雨滴濺蝕，還可增加地表的粗糙程度，阻礙坡面徑流，從而減少坡面徑流侵蝕和坡面松散物源的產(chǎn)生，因此輕度火燒區(qū)跟未火燒區(qū)一樣不利于流域產(chǎn)沙產(chǎn)流。D4流域中輕度火燒區(qū)和未火燒區(qū)均分布在溝底(圖2a)。在一般降雨作用下，即使位于坡頂位置的重度和中度火燒區(qū)坡面上松散泥沙被坡面徑流帶到了坡底，也會(huì)因坡底輕度和未火燒區(qū)坡面枯枝落葉層的攔阻而不能大規(guī)模起動(dòng)，只有當(dāng)上游匯水形成的水動(dòng)力條件具備沖刷鏟刮能力時(shí)，整個(gè)流域才會(huì)暴發(fā)泥石流。因此可以認(rèn)為火燒區(qū)的泥沙輸移比和未火燒區(qū)基本相同。

(14)

(15)

SDR=ηSDR*

(16)

4.3 公式選用及數(shù)據(jù)精度的影響

隨著應(yīng)用的普及，RUSLE模型中各個(gè)因子的計(jì)算出現(xiàn)了較多的經(jīng)驗(yàn)公式，如降雨侵蝕力因子計(jì)算，有基于多年平均降雨量和月平均降雨量的經(jīng)驗(yàn)公式，也有基于小時(shí)降雨量的經(jīng)驗(yàn)公式，且有時(shí)應(yīng)用不同的計(jì)算公式獲得的結(jié)果差異性較大(伍育鵬等，2001)。其次，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精度不同，處理方法的細(xì)致程度不一致也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差，如計(jì)算坡長因子時(shí)，DEM精度不同和坡長提取方法不同就會(huì)影響坡長因子的提取結(jié)果(孔鋒等，2017)。因此盡可能全面地收集相關(guān)資料，提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的精度，選用合適的計(jì)算公式是應(yīng)用好此模型的關(guān)鍵。

林火后5年內(nèi)D4流域坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量總計(jì)為3.28×104im3，相當(dāng)于年均坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量為0.66×104im3。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，D4流域在火災(zāi)發(fā)生當(dāng)年泥石流實(shí)際固體物質(zhì)沖出總量約為1.3×104im3，用本文方法計(jì)算出的年均坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量小于泥石流沖出總量，這完全符合野外客觀實(shí)際，即主要是林火發(fā)生的前兩年，由于大量的灰燼層和火燒跡地土壤侵蝕補(bǔ)給所致，將大于年平均值；而到第4年、第5年隨著植被的恢復(fù)、火燒跡地土壤性質(zhì)改善，坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量又將逐漸減小，將會(huì)小于年平均值。因此用本文估算方法得出的結(jié)果是可信的。

顯然，火燒跡地坡面侵蝕是個(gè)動(dòng)態(tài)演化過程，隨著距離林火發(fā)生后的時(shí)間增長，每年坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量的增量將逐漸減小，并逐漸過渡到森林植被完全恢復(fù)后的常規(guī)泥石流坡面物源類型。

5 結(jié) 論

本文采用RUSLE模型估算了八角樓鄉(xiāng)火燒跡地內(nèi)D4流域的坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量，結(jié)果表明在火燒后5年設(shè)計(jì)期限內(nèi)，D4流域坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量3.28×104im3。

RUSLE模型簡單實(shí)用，輸入的參數(shù)也容易獲取?；馃齾^(qū)坡面侵蝕物源動(dòng)儲(chǔ)量的合理估算，對(duì)此類泥石流治理工程(如攔砂壩等)的庫容、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)借鑒意義。