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)，高速鐵路運營安全空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，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)機制。Blake等[6,16]采用同位素(210Pbxs，137Cs，7Be)追蹤法對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)運用DNBR指數(shù)對美國加州內(nèi)達(dá)華山脈14處火燒跡地進(jìn)行了火燒程度分級。Connon等[11～12]對美國西部地區(qū)388個火燒區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析提出了預(yù)測火后泥石流易發(fā)程度與體積的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。Stately等[13～14]則提出了一種對火后泥石流降雨啟動閾值的直觀預(yù)測方法?？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，且集中在美國西部及澳大利亞東南部地區(qū)，而國內(nèi)對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)及滲透實驗，以揭示火后泥石流的成災(zāi)機理及演化模式。

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烈下切侵蝕作用，溝谷形態(tài)多呈V型谷，區(qū)內(nèi)山勢巍峨，呈現(xiàn)出強烈抬升深切割的中高山—高山地貌，整體上呈上陡下緩趨勢，最高點海拔3 360 m，最低點約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力條件。流域內(nèi)三巖龍河屬雅礱江中下游左岸一級支流，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

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?；诩t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，運用光學(xué)遙感數(shù)據(jù)中這兩個波段所構(gòu)建的監(jiān)測指數(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、輕度與未火燒四個等級[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，同時還引起火燒跡地土壤結(jié)構(gòu)擾動，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)松散物源量的啟動和補給，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，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)沿坡面流動至溝內(nèi)，構(gòu)成首次火后泥石流的主要補給物源。

通過對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)場泥石流配漿法容重實驗，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)生時以灰燼流為主，具有明顯的特色。

圖4 不同時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移堆積，成為第二、第三次火后泥石流的主要啟動物源；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物源規(guī)模。

統(tǒng)計結(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)場滲透試驗，采用雙環(huán)法分別在火燒跡地與未火燒區(qū)進(jìn)行了4組原位滲透實驗，實驗采取每5 min記錄1次滲水量的方式，每次實驗時長為120 min，試驗結(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)，采用戴長雷等[21]提供的公式對數(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)對比Fig.7 Comparison of coefficient of permeability of surface soil in the burned area and unburned area

而對于火燒跡地表層土壤滲透能力減弱的機制，Mallik等[22]給出了較為合理的推測，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，對色腳溝流域內(nèi)火燒跡區(qū)表層土壤滲透能力的減弱機制還待作進(jìn)一步實驗研究。

圖8 火燒跡地表層土體滲透機制示意圖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)附近的雨量觀測站資料并根據(jù)已有的雨量統(tǒng)計方法[23]進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)(圖9)，2016年“4·28”泥石流爆發(fā)時，前期降雨持時47 h，累計降雨量僅為15.2 mm，小時最大雨強為4.1 mm。而到了2016年“9·5”泥石流爆發(fā)時，前期降雨持時31 h，累計降雨量為36.4 mm，小時最大雨強為5.5 mm。根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》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。對比顯示，2次泥石流爆發(fā)時的降雨量在當(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，其日降雨量為61.6 mm，小時最大雨強約為20 mm[24]。由此表明火燒跡地發(fā)生泥石流的對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間效應(yīng)。森林火災(zāi)發(fā)生后，樹冠層和落葉層都會被不同程度地?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，灰燼層會阻斷降雨入滲，但當(dāng)降雨使灰燼層飽和時，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物源。同時坡面侵蝕物源在地表徑流的帶動下沿溝道匯集流動，再加之被燒毀的殘枝樹干對溝道堵塞潰決，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序啟動補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機制時也提出，火后泥石流可以由地表徑流或者淺表層滑坡單獨引發(fā)，也可以由兩者共同引發(fā)，但兩種啟動方式的引發(fā)時間段有所不同。Parise等[15]也通過統(tǒng)計指出，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)后的第一個雨季，也有可能是火災(zāi)后1～2年，10年甚至30年。而對色腳溝泥石流現(xiàn)場物源調(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，推測隨著坡表植被的恢復(fù)，地表坡面侵蝕會逐漸減緩，但溝道兩側(cè)已具有臨空面的松散堆積體會在隨后的雨季中不斷解體，并成為后續(xù)泥石流的主要啟動物源。

4 結(jié)論

(1)通過遙感解譯并結(jié)合現(xiàn)場調(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、輕度與未火燒四個等級的火燒區(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)場原位滲透實驗測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)具有鮮明的時間效應(yīng)。首次火后泥石流以灰燼層補給的灰燼流為主，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)入溝道后的強烈淘刷，又會使溝道兩側(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)的補給物源將主要是溝道兩側(cè)淺表層滑坡。