張紹科，胡卸文，王 嚴(yán)，金 濤，楊 瀛

（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）

0 引言

近年來，森林火災(zāi)的頻發(fā)引起了人們的關(guān)注。林火不僅造成了生態(tài)系統(tǒng)破壞，還會引起相關(guān)次生地質(zhì)災(zāi)害。特別是部分山區(qū)，火燒跡地因集中降雨而暴發(fā)泥石流，這種因林火而引起的過火型泥石流，習(xí)慣上稱“火后泥石流”（post- fire debris flow）或“火相關(guān)泥石流”（fire-related debris flow）[1]。WELLS等[2]在對南加州林火后泥石流的研究過程中，率先意識到泥石流的發(fā)生與林火相關(guān)，并認(rèn)為燃燒后地表以下幾毫米會形成一層防水土壤，它將減少前期降雨時間，比常規(guī)泥石流更易啟動。CANNON等[3]在對研究區(qū)域包括位于科羅拉多州、新墨西哥州和加利福尼亞州的95個流域進行調(diào)查的過程中，就與火災(zāi)相關(guān)的泥石流可能發(fā)生的條件做出了評估。任云等[4]以四川省九龍縣三巖龍鄉(xiāng)色腳溝火后泥石流為典型實例，采用現(xiàn)場調(diào)查、遙感解譯、室內(nèi)外實驗等方法，系統(tǒng)開展了火后泥石流發(fā)育特點及形成機理研究。胡卸文等[1]先后對多處火后泥石流進行常年跟蹤調(diào)查，研究發(fā)現(xiàn)高溫燃燒植被后將對土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致表層土壤的水理物理性質(zhì)劇烈改變，產(chǎn)生大量灰燼和松散泥沙。據(jù)統(tǒng)計，就四川省近十年林火發(fā)生過的地方而言，約50%的林區(qū)在火災(zāi)后一年或幾年發(fā)生了不同程度的泥石流災(zāi)害。火后泥石流作為一種特殊的地質(zhì)災(zāi)害，與常規(guī)泥石流相比，不僅含有大量灰燼及松散泥沙，還表現(xiàn)出高容重、大黏度的特點[1]。從形成條件上與常規(guī)泥石流相比差別不大，但是從物源類型、激發(fā)雨強、運動特征等方面卻有很大不同[1]。目前，國內(nèi)對常規(guī)泥石流研究較多，而對火后泥石流的研究相對較少，特別是對火后泥石流成災(zāi)機理的研究幾乎處于空白。

2019年4月7日16時28分，四川省涼山州冕寧縣臘窩鄉(xiāng)長腳村1組突發(fā)森林火災(zāi)，在火燒跡地的華巖子溝于2019年7月4日因集中強降雨而暴發(fā)首次泥石流。本文通過野外調(diào)查、室內(nèi)外實驗對該泥石流溝的成災(zāi)機理進行了研究。

1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境特征

研究區(qū)位于四川省西南部，川滇交界處的涼山彝族自治州。地勢西低東高，面朝雅礱江，山嶺海拔高度2 100～2 800 m，此地山勢巍峨，植被以云南松為主，平均胸徑約10.2 cm，高約8 m。溝谷呈V型，坡度約60°，溝道縱坡降約252‰，為高山-河谷地貌。該區(qū)雨熱充足，年均降水量約1 014 mm，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫16 ℃，地理環(huán)境復(fù)雜多變，氣候垂直差異大，表現(xiàn)出日溫差大，年溫差小的特點。

區(qū)域內(nèi)無大型構(gòu)造斷裂帶，出露巖性多為白云巖、千枚巖、泥頁巖等。巖石多因晝夜溫差大而破碎。區(qū)域內(nèi)植物扎根巖石生長，根劈現(xiàn)象常見。該地常年風(fēng)大風(fēng)多，地表風(fēng)蝕強烈，巖石風(fēng)化現(xiàn)象嚴(yán)重（圖1）。

圖1 巖石自然風(fēng)化破碎現(xiàn)象Fig.1 Natural weathering and disintegration of rock

2 火行為特征

研究區(qū)火場海拔約2 600 m，火燒植被為云南松與灌木叢。植株密度：喬木約10棵，灌木約6棵（范圍5 m×5 m），火災(zāi)前植被覆蓋率約86.5%，火災(zāi)后約52.6%?；鹦袨橹笜?biāo)常見有火強度、火烈度、火頻率等，本文通過參考KEY等[5]的火烈度dNBR分級標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實地考察情況，將火烈度大致從地面覆蓋物過火情況、樹干（枝）燒黑高度、樹葉顏色等三方面劃分，對研究區(qū)火燒跡地依次劃分為重度火燒、中度火燒、輕度火燒和未火燒區(qū)（圖2），具體判別標(biāo)準(zhǔn)詳見表1，通過遙感解譯手段解譯出了火燒區(qū)的火烈度圖（圖3）。據(jù)統(tǒng)計，研究區(qū)過火面積8.07 km2，其中嚴(yán)重火燒區(qū)面積1.37 km2，占比16.97%；中度火燒區(qū)面積0.61 km2，占比7.53%；輕度火燒區(qū)面積1.84 km2，占比22.78%；未火燒區(qū)面積4.25 km2，占比52.71%。從整個流域火燒特征分布來看，上游為嚴(yán)重火燒區(qū)；中游多為中等火燒區(qū)；下游處背風(fēng)地帶，植被燒毀不明顯，界于輕度與未火燒之間。

圖3 火烈度及溝道分布情況Fig.3 Fire severity and gully distribution

表1 火烈度劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Fire severity classification standard

圖2 不同火烈度區(qū)域代表照片F(xiàn)ig.2 Photographs of areas with different fire severity

3 火燒跡地松散物源特征

華巖子溝主溝長3.61 km，兩岸分布有4條支溝，右岸1#、2#支溝分別約1.03 km和1.02 km；左岸3#、4#支溝分別約1.42 km和1.66 km。流域匯水面積3.69 km2，最大高差910 m，主溝溝道縱坡坡降252‰，為泥石流的形成提供了動力條件。

火后泥石流起動物源與常規(guī)泥石流有所不同，火災(zāi)后的坡面堆積了大量灰燼層，如圖4（a）所示，這也是首次火后泥石流暴發(fā)的標(biāo)志性物源。劉發(fā)林等[6]研究了火干擾對地表徑流與侵蝕的影響，發(fā)現(xiàn)灰燼覆蓋率與火強度呈正相關(guān)，即火強度越強，灰燼覆蓋率越高。經(jīng)調(diào)查，灰燼堆積厚度最大可達20 cm。林火對坡表土壤的焙燒，使土壤表層形成類似“殼”狀物，坡表土壤出現(xiàn)燒結(jié)松弛現(xiàn)象，如圖4（b）、圖（c）所示。它改變土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，使土壤結(jié)構(gòu)變得松散易碎，成為火后泥石流物源重要的組成部分。地表草、樹木在失去生命后，其原本的固坡作用減弱，坡表土壤更易松散。暴雨來臨，地表抗侵蝕能力下降，在地表徑流的不斷沖刷作用下，部分松散土顆粒被帶走，成為火后泥石流物源的另一組成部分。

圖4 火燒跡地坡面物源特征Fig.4 Residual deposit characteristics in burned area

經(jīng)調(diào)查，也有與常規(guī)泥石流相似的坡面物源、崩滑物源、溝床堆積物源等，但其最突出的特點就是火燒后的灰燼層特殊物源。

4 火燒跡地滲透性與斥水性

土壤斥水性強度是通過除去火燒跡地土壤上部覆蓋草木灰，在露出的土壤表層進行水滴入滲實驗測得。該實驗以水滴入滲時間（Water Drop Penetration Time，WDPT）來評估斥水性強度[7?8]。該實驗在火燒跡地相同部位重復(fù)滴定5次，記錄各水滴入滲時間，求其平均值。斥水性強弱也可以通過觀察水滴與土顆粒表面接觸角大小來反應(yīng)，如圖5（b）所示。王嚴(yán)等[9]選取四川雅江縣惡古鄉(xiāng)的火燒跡地為研究對象，采用水滴入滲實驗對斥水性強度的內(nèi)在關(guān)系進行了探究。發(fā)現(xiàn)斥水性強度分布具有空間異質(zhì)性，且斥水性對中度和嚴(yán)重火燒區(qū)的影響深度約3 cm，對輕度火燒區(qū)影響深度約2 cm。因此，該實驗主要選取0 cm，?2 cm深度的土壤層進行斥水性強度的研究。

圖5 滲透性與斥水性的測定Fig.5 Determination of permeability and hydrorepulsion

式中：WDPT——某次實驗所測得斥水性強度值；

Ti——某次實驗單個水滴所測時間。

研究結(jié)果顯示（圖6）：斥水性強度與火烈度強度基本成正相關(guān)，即火烈度越強，斥水性就越強。BADI AVILLAS D等[10]先后對斥水性進行研究，認(rèn)為經(jīng)火干擾的土壤，其斥水性（也稱“疏水性”）會有顯著增加。一方面是因為原狀土中斥水性物質(zhì)的天然富集[11]，另一方面是由于高溫林火會使土壤表層帶有斥水性的有機化合物[12]。圖6可見中度火燒區(qū)與嚴(yán)重火燒區(qū)斥水性二者相差不大，大約是輕度火燒區(qū)的6倍；未火燒區(qū)略有微小斥水性，這證實DOERR S H等[11]的研究結(jié)果：原狀土也富集少量天然斥水性物質(zhì)。說明該研究結(jié)果與前人對斥水性研究結(jié)論一致。

圖6 斥水性與火烈度關(guān)系Fig.6 Relationship between water repellency and fire severity

土壤滲透性的測定是采用美國Decagon公司發(fā)明的小型圓盤張力入滲儀(Mini disk infiltrometer）在火燒跡地進行圓盤入滲實驗[9]。與常用的雙環(huán)法測滲透性相比，該試驗方法具有：（1）操作簡單，攜帶方便；（2）能避免隨機分布的土壤擾動開裂和大孔隙對實驗結(jié)果的影響[9]；（3）適應(yīng)于高山缺水的地區(qū)，提高實驗效率。結(jié)果表明（圖7)輕度火燒區(qū)滲透性最好，中度火燒區(qū)滲透能力約輕度火燒區(qū)的1/2，重度火燒區(qū)滲透性最差。說明火燒跡地表層土壤的滲透性與火烈度大致呈反相關(guān)的關(guān)系。

圖7 火烈度與滲透系數(shù)關(guān)系Fig.7 Relationship between fire severity and permeability coefficient

5 火燒跡地侵蝕的降雨模擬試驗

為了充分掌握不同火烈度區(qū)域受集中降雨后坡面侵蝕產(chǎn)流和產(chǎn)沙能力及差異，本次研究專門進行現(xiàn)場降雨模擬試驗，共選試驗樣地30塊，每塊樣地面積為1 m2，其中嚴(yán)重火燒8塊，中度火燒10塊，輕度火燒8塊，未火燒4塊（圖8）。

圖8 基于火燒跡地侵蝕的降雨模擬試驗Fig.8 Rainfall simulation experiment based on fire erosion

實驗過程中控制降雨強度80 mm/h，每次降雨模擬試驗時間30 min，每2 min進行一次產(chǎn)流收集，產(chǎn)流收集時間為30 s。采用規(guī)格一致的550 mL塑料瓶收集，并依次編號處理。產(chǎn)流樣品帶回稱重記錄后靜置24 h，倒出上層清液并用濾紙進行過濾，過濾物經(jīng)烘干箱烘干24 h后稱重記錄。經(jīng)計算，可獲得降雨試驗的產(chǎn)流量、產(chǎn)流速率、產(chǎn)沙量、產(chǎn)沙速率等實驗數(shù)據(jù)。

5.1 產(chǎn)流特征

為探究火燒跡地土壤表層斥水性對累計產(chǎn)流量的影響，對各樣地進行了水滴入滲實驗測其斥水性強度，統(tǒng)計結(jié)果表明斥水性WDPT值分布較離散，其規(guī)律通過擬合曲線整體變化趨勢可看出斥水性強度與累計產(chǎn)流量大致呈正相關(guān)，一定程度上說明火燒跡地斥水性強度越強，徑流產(chǎn)流量越大的特點（圖9）。

圖9 WDPT均值與累計徑流產(chǎn)流量關(guān)系Fig.9 Relationship between the mean value of WDPT and cumulative production flow

為了比較不同火烈度樣地累計產(chǎn)流量、產(chǎn)流速率特征，將不同火烈度樣地的降雨模擬試驗測得的累計產(chǎn)流量，產(chǎn)流速率分別求平均值，結(jié)果表明火燒跡地嚴(yán)重火燒區(qū)的累計產(chǎn)流量最大（圖10）。經(jīng)調(diào)查，這與該區(qū)高溫林火焚燒后產(chǎn)生大量斥水性有機物密切相關(guān)，斥水性物質(zhì)會減弱地表滲透性，使產(chǎn)流量增大。也與SIMANTON等[13]做的降雨模擬試驗發(fā)現(xiàn)重度火燒區(qū)徑流量是未燒區(qū)四倍的結(jié)果相近。只是中度火燒區(qū)累計產(chǎn)流量顯示低于輕度火燒區(qū)，其原因是所選中度火燒樣地坡面背風(fēng)，灰燼泥沙層較厚，徑流產(chǎn)生前期大部分水流被吸滲，導(dǎo)致產(chǎn)流量變小。而未火燒區(qū)植被茂盛，地表覆蓋物厚，阻礙了徑流運動，并且其土壤滲透性良好，大部分徑流入滲土壤，產(chǎn)流量及產(chǎn)流速率較小。

圖10 火烈度與累計產(chǎn)流量及產(chǎn)流速率關(guān)系Fig.10 Relationship between fire severity and cumulative flow rate and flow rate

5.2 產(chǎn)沙特征

為探究坡度對產(chǎn)沙量影響，對各樣地坡度分別進行測量，研究顯示坡度對產(chǎn)沙量的變化沒有明顯規(guī)律，說明坡度大小對產(chǎn)沙量沒有直接影響（圖11）。而通過對不同火烈度產(chǎn)沙量、產(chǎn)沙速率的統(tǒng)計對比發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重火燒區(qū)的產(chǎn)沙量明顯高于中度和輕度火燒區(qū)，輕度和中度火燒區(qū)產(chǎn)沙情況差異不大，約為嚴(yán)重火燒區(qū)的1/4；未火燒區(qū)由于枯落物覆蓋與植物根系的固坡作用，產(chǎn)沙量相對較?。▓D12）。

圖11 累計產(chǎn)沙量與坡度關(guān)系Fig.11 Relationship between cumulative sediment yield and slope

圖12 火烈度與累計產(chǎn)沙量及產(chǎn)沙速率關(guān)系Fig.12 Relationship between fire severity and cumulative sediment yield and sediment yield rate

6 火后泥石流形成機理

火后泥石流作為一種特殊的泥石流災(zāi)害，與常規(guī)泥石流相比，其演化過程具有明顯的獨特性和差異性。通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)該地植被豐富、山勢陡峭，崩滑現(xiàn)象常見，夏季雨水充足，使該地本身存在著大量的潛在滑坡與泥石流隱患。林火發(fā)生后，山坡上產(chǎn)生大量灰燼層，遇到集中降雨便形成灰燼流，成為火燒跡地首次泥石流暴發(fā)的主要物源[4]。因植物被燒毀后失去生命力，對土壤的固結(jié)能力減弱，加之林火對表層土壤的焙燒，土壤結(jié)構(gòu)破壞，水分散失，變得愈發(fā)松散，直接成為二次泥石流產(chǎn)生的重要物源。林火導(dǎo)致土壤表層斥水性增加，雨水難以下滲，坡表徑流量的增大使坡面徑流沖刷加劇，坡面侵蝕產(chǎn)生的物源也成為二次泥石流物源的重要組成部分。此外，山坡上傾倒著大量被燒毀的殘枝樹干，它們被沖到溝內(nèi)后造成堵潰效應(yīng)如圖13（a）所示。短暫性地放大泥石流流量，使溝道下切嚴(yán)重如圖13（b）所示。溝道兩側(cè)松散物源出現(xiàn)高臨空面，坡腳因沖刷而失穩(wěn)滑坡[14]，在遇降雨后將暴發(fā)三次乃至多次的泥石流災(zāi)害。

圖13 溝道堵潰與下切掏蝕現(xiàn)象Fig.13 Gully plugging and cutting erosion phenomenon

賀小黑等[15]認(rèn)為降雨引起的地下水滲流是滑坡失穩(wěn)的關(guān)鍵性因素。CANNON等[16]指出火后泥石流的啟動類型通常有兩種：一是地表徑流沖刷；二是降雨入滲觸發(fā)的淺表層滑坡。劉云等[17]指出強降雨是地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因。通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，臘窩鄉(xiāng)發(fā)生的泥石流以地表徑流沖刷形成為主，結(jié)合該泥石流溝的發(fā)展趨勢及發(fā)育特征，進一步推測隨著地表植被的恢復(fù)，植物對土壤的固結(jié)能力增強，斥水性物質(zhì)也將隨時間推移而減少，土壤的滲透性逐漸變大，坡面侵蝕效應(yīng)逐漸減弱。李明威等[18]、殷萬清等[19]也發(fā)現(xiàn)植被對泥石流活動有一定的抑制作用。但因各次泥石流對主溝道的強烈淘刷，將會使兩側(cè)斜坡坡面松散物源（坡殘積土等）臨空而失穩(wěn)，在隨后的降雨過程中不斷解體，成為后續(xù)泥石流暴發(fā)的主要補給物源。

7 結(jié)論

（1）林火與火后泥石流的產(chǎn)生密切相關(guān)。林火焚燒植被后產(chǎn)生大量灰燼，成為火燒跡地首次泥石流標(biāo)志性物源；焙燒作用使地表土壤結(jié)構(gòu)破壞，變得松散易碎；林火將使植物根系對土壤的固結(jié)能力大大減弱。

（2）斥水性物質(zhì)將增大坡面徑流，減小泥石流暴發(fā)降雨閾值?；馃E地土壤因斥水性物質(zhì)的產(chǎn)生，雨水難以入滲土體，地表徑流量增大；坡面徑流沖刷加劇而形成的侵蝕物源將成為二次泥石流物源重要組成。

（3）通過對火燒跡地進行不同火烈度區(qū)域坡面侵蝕的降雨模擬試驗及圓盤滲水實驗，發(fā)現(xiàn)未火燒區(qū)的土壤滲透能力遠大于火燒區(qū)，而火燒區(qū)產(chǎn)流量明顯大于未火燒區(qū)。產(chǎn)沙量與火烈度基本成正相關(guān)，與坡度大小無關(guān)。但是嚴(yán)重火燒區(qū)的產(chǎn)沙量明顯高于中度和輕度火燒區(qū)，輕度和中度火燒區(qū)產(chǎn)沙情況差異不大，約為嚴(yán)重火燒區(qū)的1/4，未火燒區(qū)產(chǎn)沙量較小。

（4）火后泥石流松散物源啟動類型主要有地表徑流沖刷和降雨入滲觸發(fā)的淺表層滑坡。臘窩鄉(xiāng)發(fā)生的火后泥石流以地表徑流沖刷形成為主，溝道兩側(cè)松散土體會因溝道淘刷作用而失穩(wěn)解體，成為后續(xù)泥石流暴發(fā)的主要補給物源。