森林火災后泥石流的成因與特征分析

盧 洪 沛， 胡 卸 文

(1.甘孜藏族自治州自然資源和規劃局，四川 康定 626000；2.西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川 成都 610031)

0 引 言

隨著人類在林區活動不斷加劇，森林火災逐漸演變為一種常見的林區災害，據不完全統計，近年來中國平均每年發生森林火災約1萬多次。例如2020年3月30日四川省西昌市發生森林火災，火災燒毀林地約1 000公頃，2016年3月15日，四川省九龍縣突發森林火災，火災燒毀林地約160公頃[2]，森林火災造成林區內大量動植物死亡，對林區生態系統造成嚴重破壞，產生大量的煙塵和溫室氣體污染大氣環境[3]。此外，火災后引發水土流失、崩塌滑坡、泥石流等不良次生地質災害，造成巨大的人員傷亡和財產損失[4]。

火災后泥石流在成因上與普通泥石流有較大差異，其松散固體物質主要是在火災后產生，按照啟動條件的不同，可分為表面徑流型和淺層滑坡型[5]。目前，國內外對火災后泥石流的研究較少，對泥石流的研究多集中在震后型泥石流和普通型泥石流[6-8]，火災后泥石流的研究主要集中在火災改變土壤的水力性質以及增加物源的動態儲量[9-13]；ColeR[14]通過對比試驗發現，在火災區域內土壤含水量和淺表土的吸附性顯著降低；McGuire[15](2019)指出火災后流域爆發泥石流的臨界閾值降低約35%；雷鳴宇[16]等(2021)研究發現火災后植被根系死亡導致土體抗剪強度下降，從而解釋了火災后泥石流的啟動機理。

2018年2月16日，雅江縣惡古鄉馬益西村后山突發森林火災，過火面積20.59 km2，其中嚴重燒毀面積6 km2，涉及惡古村、下馬益西村。森林火災過后，同年6月暴發泥石流災害。本文以洞擁過溝為典型研究對象，探究火災后泥石流的運動過程以及形成機制。

1 研究區概況

洞擁過溝位于甘孜州雅江縣惡古村，屬雅礱江水系一級支流惡古河左岸支流， 距雅江縣城58 km。出露地層由老到新依次為三疊系上統(侏倭組T3zh)地層、第四系(Q)堆積層。地理位置處于川西高原與四川盆地過渡帶，地跨揚子陸塊區與羌塘-三江造山系兩大一級構造單元，新構造活動異常強烈，使區域內地勢不斷抬升，兩側風化剝蝕搬運作用顯著，屬構造剝蝕侵蝕高山地貌。研究區位于活動頻繁的鮮水河地震帶附近，地震頻發，地震基本烈度為7度。

洞擁過溝位于青藏高原東緣，屬于大陸性季風高原型氣候。年均氣溫一般在4～11 ℃，最低氣溫-16.0 ℃，最高氣溫為36.1 ℃。年平均降雨量705.2 mm，年降水量最大值為1 001.3 mm，最小值為497.0 mm，年平均蒸發量1 090 mm。但區內降雨量時間分布不均，主要集中于5～9月。

2 洞擁過溝泥石流基本特征

2.1 泥石流災害的歷史及特征

洞擁過溝歷史上多次發生泥石流。1987年，洞擁過溝因森林火災曾暴發大規模泥石流，導致溝口11戶民房被埋。1997年7月，泥石流攜帶的大石塊堆積于溝道下游和溝口，堆積平均長度約150 m，平均寬度為100 m，平均厚度約為2 m，初步估算該次泥石流固體沖出量約3×104m3。2018年2月惡古鄉流域發生大面積深林火災，發生火災之前洞擁過溝屬于低頻泥石流溝，但是火災發生后，同年的雨季(5～9月)，該流域多次暴發暴雨型泥石流災害，最為嚴重的一次發生在6月中旬，在強降雨作用下(6 h降雨量33.6 mm)泥石流持續時間約30 min，泥石流攜裹溝口前緣滑坡堆積體沿溝道沖刷，溝口最高處泥石流泥位高度3.5 m以上，造成兩岸農戶房屋損毀，護堤破壞。該次泥石流沖出固體物質約1.05×104m3，堆積物沖至惡古河，造成惡古河淤塞，上游形成堰塞湖，嚴重威脅了溝道下游村鎮及惡古村農戶的生命財產安全。

洞擁過溝與主河惡古河呈90°左右的銳角相交，不利于泥石流物質排泄；利用形態調查法計算出泥石流發生時惡古河洪峰流量約為100 m3/s，洞擁過溝泥石流在P=5%下泥石流峰值流量為32.27 m3/s，惡古河流量為P=5%泥石流峰值流量的3倍，洞擁過溝泥石流屬高重度的粘性泥石流，泥石流沖出物易淤積，難易被主河河水稀釋并搬運，因此，暴發泥石流災害時，其造成主河惡古河堵塞和潰決的可能性較大。

2.2 泥石流類型特征

根據現場調查訪問，1997、2018年洞擁過溝泥石流漿體濃稠，按泥石流災害防治工程勘察規范中泥石流漿體稠度特征表的標準，其容重應在1.8～2.3 g/cm3之間，結合現場配漿試驗，實際容重在1.89 g/cm3，為偏粘性泥石流。根據記錄，洞擁過溝泥石流暴發的頻率為低頻泥石流。值得注意的是，2018年森林火災后已連續兩年發生暴雨泥石流災害，而且具有發育為中頻泥石流的可能，因其發育于溝谷地帶，屬于溝谷型泥石流。泥石流發生所需要的松散固體物質來源是主溝兩側的崩滑和坡面侵蝕以及運動過程中溝床底部的溝道物源，屬于滑坡及坡面侵蝕型泥石流。泥石流的激發條件是短歷時強降雨，屬于暴雨型泥石流。因此，洞擁過溝泥石流屬于粘性—低頻—暴雨—溝谷型—滑坡及坡面侵蝕性類泥石流。

2.2 泥石流堆積特征

對洞擁過溝泥石流堆積區不同位置的泥石流堆積物進行采樣，在室內進行顆粒級配試驗并繪制顆粒級配曲線，曲線說明洞擁過溝內不同位置的水動力條件和沖淤特征。溝道內(1號，2號)土石比均較小，縱坡比大，水動力條件強，強大的水動力條件使溝道內的細小顆粒難以停留在流通區溝道內，被泥石流裹挾帶走，僅留下粗顆粒物質在溝內。流通區(3號)由于森林火災后坡面侵蝕物源、溝道岸坡滑坡物源等聚集，而地表水勢能尚未在向下徑流中經巨大的溝道比降迅速增大，其裹挾泥砂的能力相對較弱，溝內出現輕微淤積。在下游流通區(4號)土石比自上游向下游總體呈現逐漸增大的趨勢特征，表明堆積區水動力條件迅速變弱，使流體中細顆粒物質淤積。

2.3 泥石流運動參數特征

2.3.1 泥石流流體重度

洞擁過溝火災后泥石流容重的計算標準，是根據2018年6月暴發的泥石流災害現場調查測定的。測定方法是在洞擁過溝泥石流主要流通堆積區段，采集泥石流堆積物攪拌配制成泥石流漿體，配置好的漿體要與泥石流災害后溝道殘留的泥痕的顏色、形狀和厚度等特征相符，并找到目睹過泥石流暴發的當地村民，將配置的樣品讓其確認，然后測量配置漿體的容重，其計算公式為：

(1)

式中γc為泥石流重度(g/cm3)；Gc為配制泥漿重量(g)；V為配制泥漿體積(cm3)。

計算結果(表1)表明洞擁過溝泥石流重度為1.76～2.02 g/cm3，平均值為1.89 g/cm3。

表1 洞擁過溝泥石流容重計算表

2.3.2 泥石流的流速

泥石流流速是重要的泥石流動力學性質之一，洞擁過溝泥石流流速采用東川公式計算：

Vc=KHc2/3Ic1/5

(2)

式中:Vc為泥石流斷面平均流速(m/s)；H為泥位高度(m);K為泥位縱坡率；Ic為清水河床糙率。

計算結果表明(表2)，洞擁過溝泥石流平均流速為6.63 m/s。

表2 洞擁過溝泥石流流速計算表

2.3.3 泥石流峰值流量

洞擁過溝泥石流峰值流量按《四川省水文手冊》提供的公式計算，且先計算暴雨洪峰流量，公式如下：

(3)

式中：Qp為暴雨洪峰流量(m3/s)；ψ為洪峰徑流系數；F為匯水面積(km2)；S為暴雨雨強(mm/h)，P=2%，32.73 mm/h，P=5%，27.6 mm/h ；i為最大暴雨強度(mm/h)；n為暴雨公式指數；τ為流域匯水時間(h)。

泥石流峰值流量計算：

Qc=(1+φ)Qp·Dc

(4)

φ=(γc-γw)/(γH-γc)

(5)

式中Qc為頻率為P的泥石流洪峰值流量(m3/s)；Qp為頻率為P的暴雨洪水設計流量(m3/s)：φ為泥石流泥沙修正系數；γc為泥石流重度(t/m3)；γw為清水重度(t/m3)；γH為泥石流中固體物質比重(t/m3)；Dc為泥石流堵塞系數。

洞擁過溝暴雨洪峰流量計算表見表3，泥石流峰值流量計算結果見表4。計算結果表明在溝口位置，P=5%的暴雨洪峰流量為9.02 m3/s，對應的泥石流峰值流量為32.27 m3/s。

表3 洞擁過溝暴雨洪峰流量計算表

表4 洞擁過溝泥石流峰值流量計算表

2.3.4 一次泥石流過流總量

一次泥石流過流總量按照蔣忠信編寫的《震后山地地質災害治理工程設計概要》[17]提供的計算公式進行計算：

(6)

式中Q為泥石流持續時間(s)，根據調查訪問確定;T為一次泥石流過程總量(m3)；QC為泥石流最大流量(m3/s)。

計算結果(表5)表明，洞擁過溝泥石流溝口處在P=5%時，一次泥石流過流總量為20 446.48 m3。

表5 洞擁過溝一次泥石流過流總量計算表

3 泥石流的成因與機制

泥石流災害的形成主要取決于流域內物源的數量。流域內動物源的數量豐富時，在一定的短歷時強降雨條件下，發生泥石流的可能性較大[18]。內外動力地質作用為洞擁過溝泥石流的暴發提供了豐富的松散固體物質，如火災使洞擁過溝上游形成區面蝕加劇坡面物源增加；洞擁過溝道上游及其支溝地形陡峻，溝谷縱坡大，是泥石流暴發的動力勢能條件；溝谷降雨豐富匯水條件好，是泥石流暴發的水源條件。

3.1 地形地貌條件

洞擁過溝地勢北西高南東底，溝域形態近似帶狀，溝道匯水面積2.26 km2，溝域縱向長度3.45 km，平均寬度0.6 km，平均縱坡比降為457‰。研究區內高程最高點位于西北側分水嶺處海拔高度為4 210 m，最低海拔位于洞擁過溝匯入惡古河口處為2 631 m，相對高差1 579 m。研究區內地勢險峻，溝谷縱坡比降大，泥石流形成區的溝道縱坡比降在400‰以上。因此，為泥石流的暴發和運動提供了良好的地勢條件。

根據洞擁過溝的溝谷變化、物源數量等將其劃分為：清水區、補給區、堆積區(表6)。

表6 洞擁過溝流域分區表

清水區高程4 210～3 440 m，區內基巖大多裸露，局部分布有少量冰蝕堆積物，溝源山頂基本無植被覆蓋；溝道二側溝谷陡峭，崩滑堆積體厚度大，該區段為泥石流的形成提供了一定量的物源和較為豐富的水源和水動力條件。補給區高程分布為2 705～3 440 m， 溝谷岸坡陡峭，松散堆積體在區內分布范圍廣，崩塌滑坡等不良地質現象在區內零星分布，尤其是在溝道中下段發育有大型滑坡，為泥石流的發生和運動提供了豐富的物源基礎。堆積區高程為2 705～2 631 m，平均縱坡220‰，地形平緩，不利于泥石流堆積物流通。

3.2 物源條件

松散固體物質是泥石流暴發的物源基礎[19-22]。洞擁過溝泥石流松散固體物質儲量較豐富，物源類型可分為集中物源、溝道物源、坡面物源。根據物源的潛在滑動面、膠結程度、密實度等條件將其劃分為不穩定和穩定物源。根據現場勘察，溝域內物源總量194.3×104m3，動物源總量67.16×104m3。

此外值得注意的是，由于2018年2月大面積、高強度持續火燒，林火導致坡面上植被大面積死亡，固坡能力下降，林火形成大量的坡面細小堆積物，例如灰燼和泥沙，灰燼是火災后泥石流的一種特殊物源。林火發生后，大量的植被及枯枝落葉被燒毀炭化，形成了灰燼層。灰燼層疏松多孔，質地較輕，在前期降雨中容易飽和，在暴雨時很容易起動，作為泥石流的一種物源，直接參與泥石流活動。由于高溫烘烤作用，坡表土壤的物理力學性質發生了較大改變，形成了較松散的泥沙層，這是坡面物源的重要來源，它們也是構成火災后泥石流直接的物源。此外，火災后大量的樹枝和樹根等木材也成為火燒跡地主要的碎屑物質。在坡面流水的沖刷作用下，部分細顆粒在雨水的沖刷作用下容易順斜坡向坡腳搬運成為泥石流坡面物源。洞擁過溝物源類型見表7。

表7 洞擁過溝物源類型表

3.3 泥石流的形成機制

在短歷時強降雨作用下洞擁過溝暴發泥石流，火災后的淺表物源被泥石流夾帶。流域內相對高差大，地形陡峭動力勢能強，使洞擁過溝泥石流規模不斷增大，流速不斷加快。在強大的沖擊侵蝕作用下，泥石流沿途掏蝕流通堆積區溝岸坡腳，下切侵蝕作用不斷增強，崩塌滑坡物源和溝道內松散堆積物不斷參與泥石流的運動過程。

洞擁過溝在2018年深林火災未發生以前，流域植被平均覆蓋率約80%，火災發生后，溝道中上游火災區域基本無植被覆蓋，導致崩滑坡面侵蝕等不良地質災害強烈發育，松散固體物質增加。根據現場勘察流域內松散固體物源總量為159.48×104m3，可能參與泥石流運動的物源53.26×104m3，溝道內沿途泥沙等物源補給充分，加之泥石流形成區的溝道縱坡比降在400‰以上，相對高差大，溝谷形態為“V”，因此，內外地質作用強烈，地勢不斷抬升，兩側風化剝蝕搬運作用顯著。以上因素均為泥石流暴發的有力條件。按照《泥石流災害防治工程勘查規范》[23]，對影響洞擁過溝泥石流的因素綜合評價，發生程度屬易發。

4 結 論

(1)洞擁過溝泥石流屬于粘性—低頻—暴雨—溝谷型—滑坡及坡面侵蝕性類泥石流，泥石流平均重度為1.89 g/cm3，平均流速為6.63 m/s，P=5%時泥石流一次固體物質沖出量為20 446.48 m3；洞擁過溝泥石流P=5%時的泥石流峰值流量為32.27 m3/s ，P=2%時泥石流峰值流量為42.01 m3/s，惡古河流量為P=5%泥石流峰值流量的3倍。

(2)火災導致流域內崩滑等不良地質現象增多，侵蝕加劇，泥石流暴發所需要的松散固體物質增加，根據現場勘察流域內松散固體物源總量為159.48×104m3，可為泥石流運動提供物質補給的物源約53.26×104m3。

(3)在短歷時降雨條件激發下，洞擁過溝暴發泥石流的可能性較大，惡古河輸沙能力一般，不利于泥石流物質的排泄，泥石流沖出物易淤積，暴發泥石流災害時其造成主河惡古河堵塞和潰決的可能性較大。