八角楼乡火后泥石流空间发育特征

杨 瀛 ，胡卸文 ,2，王 严 ，金 涛 ，曹希超 ，韩 玫

（1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；2.西南交通大学高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程试验室，四川 成都 610031；3.西南交通大学数学学院，四川 成都 610031）

火后泥石流（post-fire debris flow）是指火烧迹地所发生的与林火有关的泥石流.Nyman 等[1]调查发现，2009 年2 月初澳大利亚维多利亚州大型山火过后，总共出现了319 处火后泥石流活动迹象，对2003 年—2009 年发生的16 次大规模地表侵蚀事件进行了统计分析，发现有13 次为火后泥石流[2]；Gartner等[3]对发生于美国火烧迹地的606 次地表侵蚀进行了统计分析，发现只有216 次为泥石流，其余均为高含沙洪水.因此，并不是所有的火烧迹地都会发生泥石流，火后泥石流的发生是多个因素共同作用的结果.已有研究结果表明，影响火后泥石流形成的因素主要有地形地质、林火烈度和降雨等.Gabt 等[4]研究发现美国蒙大拿州的火烧迹地泥石流的规模随着坡面面积的增长呈指数倍增长；Cannon 等[5]发现由坡面径流侵蚀引起的火后泥石流流域中，70%以上为沉积岩和变质岩区，而由浅表层滑坡引起的火后泥石流流域中，90%以上的为风化花岗岩区；Hyde 等[6]研究了美国蒙大拿州和爱达荷州的97 条火后泥石流沟后发现，林火烈度越高，植被残留越少，泥石流启动所需的坡面面积和坡度阈值就越小；Kean 等[7]的研究表明，短时间强降雨对火后泥石流的规模影响很大，而总降雨量和坡面土壤的含水率则对其几乎没影响；Nyman 等[1]研究则表明干燥的火烧迹地更容易发生火后泥石流且规模更大.由此可见，影响火烧迹地火后泥石流空间发育特征的因素较多，而空间发育差异性及其影响因素的分析对火后泥石流的预测预报和防治具有重要的意义.据胡卸文等[8]初步统计，近年来川西南地区林火频发，由此引发了大量的火后泥石流，而目前国内针对常规泥石流和震后泥石流研究较多（如文献[9]），对火后泥石流的研究则比较少见，主要以综述性研究（如文献[8，10]）和对其形成机理（如文献[11-12]）的研究为主，对其空间发育特征和影响因素的研究尚属空白.本文以雅江县八角楼乡火后泥石流为研究对象，通过现场调查、室内外试验、遥感解译等手段对其空间发育差异性特征和影响因素开展研究.

1 研究区地质条件概况

研究区位于四川省雅江县八角楼乡扎日村境内，东经101°13'56"，北纬30°10'6"，属于雅砻江一级支流米西沟流域，为深切峡谷地貌，沟谷断面呈V字形，谷底海拔约3 165 m，垂直落差约1 300 m，平均坡度在27°～37° 变化，局部较陡.区内地层主要为第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）、泥石流堆积层（Q4sef），基岩为三叠系上统两河口组地层（T3ln），主要以粉砂质板岩为主（图1）.区内无大型构造及断裂发育.研究区属亚热带湿润气候区，处于米西沟流域的暴雨集中区，多年平均降雨量932.6 mm，具有明显的干湿两季，雨季一般为6 月—9 月，占全年总降雨量的90%以上，年平均气温11 ℃.

图1 研究区火烧迹地及火后泥石流发育工程地质平面Fig.1 Burnt area and geological development plane of post-fire debris flow

2 火后泥石流时空发育特征

2018 年2 月19 日，研究区发生了森林火灾，过火面积39.5 km2，同年6 月—7 月，过火区域多沟多期次暴发了火后泥石流（图1）.通过现场访问调查、搜集新闻、查看视频资料等对2018 年火烧迹地泥石流暴发情况进行了统计，结果见表1.从时间尺度看，6 月13 日，该火烧迹地有6 个小流域（流域面积 ＜ 1 km2）率先暴发火后泥石流，至6 月24 日，这6 个小流域中有5 个再次发生泥石流，其余沟道只发生了高含沙洪水；5 d 后即6 月30 日，过火区域D2～D10 流域又相继暴发火后泥石流；紧接着相隔4、7 d 后的7 月5 日、7 月12 日，过火区域D1～D10 流域又发生了两次火后泥石流.由此可见，一次森林大火之后的火烧迹地，在集中降雨作用下，火后泥石流暴发相隔时间较短，暴发频率很高.从空间尺度上看，F1、F2、F3 流域和与之相邻的未过火的F4、F5 流域自始至终均以发生高含沙洪水为主，没有泥石流活动的痕迹，而发生了火后泥石流的各流域，其暴发频率也有一定的差异性.根据各流域暴发频率，以暴发0 次和3 次为界限将火烧迹地各流域泥石流易发性分为不易发、易发和高易发三类，高易发流域有6 个（占比46.15%），易发流域有4 个（占比30.77%），不易发流域只有3 个（不含未过火的F4 和F5 流域）.由此可见，火后泥石流发育的空间差异性明显，并不是所有的过火区域都会发生火后泥石流，相对于较大流域、大流域，小流域易发性更强.

表1 2018 年火烧迹地泥石流暴发情况统计Tab.1 Statistics of post-fire debris flow occurred in burnt area in 2018

3 火后泥石流发育影响因素

跟常规降雨型泥石流一样，陡峻的地形、丰富的松散物源和降雨条件是形成火后泥石流的三个必备条件，其影响因素主要有地形地貌、地层岩性、地质构造、降雨条件以及人类活动等.而对于火后泥石流来讲，除上述影响因素外，林火是其主要的影响因素之一.由于本文研究区范围较小（39.5 km2），各流域地层岩性和地质构造均相差不多，区内均为自然山坡，人类活动影响较小.因此影响研究区火后泥石流发育空间差异性形成的因素主要有林火、植被、地形和降雨，下面将从这四个方面逐一分析.

3.1 林火烈度

火烈度是评价林火燃烧程度的重要指标，对评估火后泥石流的发育具有重要意义.利用ENVI 5.3 软件对林火前后（2018 年2 月11 日和2018 年3 月15日）的landsat 8 多光谱遥感影像（空间分辨率30 m）进行处理，得出了火烧区归一化差分燃烧指数（delta normalized burn ratio，dNBR）[13]，结合林火发生一个月后现场调查的综合植被燃烧指数（composite burn index，CBI）[14]确定各火烈度分级标准，最终得出了各流域的火烈度分布（图2）和各流域火烧区面积占比统计（图3）.

图2 各流域火烈度分布Fig.2 Fire intensity distribution of basins

图3 各流域火烧区面积占比分布Fig.3 Proportion of burned area in each basin

林火主要通过改变坡表土壤的物理力学性质和水文地质性质来影响流域的抗侵蚀能力，从而直接影响火后泥石流的发育；而不同火烈度下土壤性质的改变程度不同.

3.1.1 林火影响土壤物理力学性质

坡表土壤的物理力学性质是影响土壤抗侵蚀性的重要因素之一.林火产生的高温对坡表土壤产生了烘焙效应，使得土壤的物理力学性质发生了改变，进而影响流域产流和产沙，对火后泥石流松散物源的形成和起动具有重要意义.

为研究林火对坡表土壤物理力学性质的影响，按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）[15]中的相关规定，分别用环刀法、烘干法和比重瓶法依次测定了其天然密度、含水率和比重，并计算出了干密度和孔隙度，如表2 所示.

表2 火烧迹地坡表土壤物理性质试验结果Tab.2 Tested physical properties of soil on slope in study area

由表2 可知：林火引起土壤天然密度和含水率下降，而比重则几乎不变.在重度、中度和轻度火烧下坡表土壤干密度相较于未火烧区分别下降了22.22%、18.75%和13.19%，而土壤孔隙度则相较于未火烧区分别上升了25.52%、23.31%和15.82%.由此可见林火显著改变了土壤的物理性质.

对现场取的各火烈度区坡表的原状土样进行直剪试验，结果（图4）显示：在轻度、中度和重度火烧下，相较于未火烧区，土壤内摩擦角分别上升了2.07%、13.50%和24.24%，而内聚力则分别下降了10.77%、35.14%和62.45%.由此可见，林火会引起坡表土壤的内聚力大幅下降；虽然林火会使土壤的内摩擦角有所增加，但是其变化幅度远小于内聚力的相应值.

图4 各火烈度区土壤内聚力和内摩擦角Fig.4 Cohesion and internal friction of soil in areas with different fire intensities

综上分析，在林火干扰下，坡表土壤干密度下降，同时孔隙度上升，内聚力下降，使得土壤质地变轻且较为松散，在降雨侵蚀下很容易被坡面径流带走，成为火后泥石流的物源.

3.1.2 林火影响土壤渗透特性

火烧引起土壤斥水性的增强是火烧迹地土壤最为显著的水文特征改变之一[16].本次研究采用水滴入渗法测定土壤的斥水性，为保证试验具有代表性，在4 个火烈度区采用随机选点的方法，以1 cm 为深度间隔，依次测定不同深度范围内土壤的斥水性，直至斥水性消失.根据水滴入渗时间对土壤斥水强度进行分级，分级标准参考Robichaud 等[17]的方法：当水滴入渗时间小于5 s 为亲水，5～60 s 为轻度斥水，60～180 s 为中度斥水，大于180 s 为严重斥水.最终统计得出各火烈度区不同深度处相应斥水性强度的占比，如表3 所示.

表3 各火烈度区坡表不同深度处不同斥水土壤样本含量占比Tab.3 Proportion of hydrophobic soil samples at different depths in areas with different fire intensities

由表3 可知：在坡表0 cm 处，未火烧区斥水性土壤占比为27.52%，而在轻度、中度和重度火烧区，斥水性土壤占比依次增加至57.78%、70.21%和74.58%；随着深度的增加，斥水性土壤占比大幅下降，到深度3 cm 处，火烧区斥水性土壤占比已经和未火烧区相差无几.由此可见，在坡表以下0～3 cm内，火烧会引起土壤的斥水性增强.

土壤渗透性是影响降雨入渗的最直接因素.2018 年3 月对该火烧迹地土壤的渗透性进行了现场测定，所用的仪器为美国Decagon 公司研发的微型圆盘入渗仪（mini disk infiltrometer）.试验结果为亲水土壤、斥水土壤的渗透性分别为4.92×10-4、0.75×10-4cm/s，说明林火引起土壤斥水性增强会导致其渗透性下降，相对于亲水性土壤，斥水性土壤的渗透性下降了84.76%.

土壤渗透试验结果如图5 所示.坡表0～2 cm深度范围内，轻度、中度和重度火烧区土壤渗透系数依次为3.17 × 10-4、2.92 × 10-4cm/s 和2.17 × 10-4cm/s，相较于未火烧区依次下降了34.10%、39.29%和54.89%；在坡表以下2～4 cm 深度范围内，轻度、中度和重度火烧区土壤渗透系数依次为2.97 × 10-4、2.40 × 10-4cm/s和1.21 × 10-4cm/s，相较于未火烧区依次下降了33.71%、46.43%和72.99%.由此可见林火会引起土壤斥水性增强，从而导致土壤的渗透性大幅下降，这将势必引起坡面产流量增多，从而为火后泥石流提供丰富的水源.

图5 各火烈度区坡表不同深度处土壤渗透性Fig.5 Soil permeability at different depths in areas with different fire intensities

图6 火烧区面积占比与泥石流暴发频次的关系Fig.6 Relationship between proportion of burned area and frequency of post-fire debris flow

3.2 植被

植被覆盖对泥石流的形成具有抑制作用，张颖等[18]的研究表明，林冠层和林下枯枝落叶层可以有效减少坡面径流侵蚀和坡面松散物源的起动.为研究火烧迹地植被覆盖率对火后泥石流发育空间差异性的影响，运用ENVI 5.3 软件处理2018 年6 月云量相对较少的landsat 8 遥感影像（空间分辨率30 m），计算其归一化差分植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI），并按式（1）计算得出各流域植被覆盖率[19]，如图7 所示.林火对植被覆盖率的影响如图8 所示，随着林火面积占比的增加，植被覆盖率快速下降.

图7 各流域6 月植被覆盖率分布Fig.7 Distribution of vegetation coverage in each basin in June

图8 火烧对流域植被覆盖率的影响Fig.8 Forest fire effects on vegetation coverage in study area

式中：fg为植被覆盖率；N为计算得出的归一化差分植被指数；Nmin、Nmax分别为最小和最大的归一化差分植被指数.

由图7 可见，完全没过火的F4、F5 流域植被覆盖率较高，分别为62.07%和67.31%.而各火烧区不同流域植被恢复情况则有所不同.高易发泥石流流域中D2、D3、D10 流域植被覆盖率较低，分别只有17.94%、17.82%和15.85%；D5、D7 和D9 流域植被覆盖率则相对较高，分别为36.01%、37.74%和30.78%.易发泥石流流域中的D6 流域由于火烧程度较低，以中度和轻度火烧为主，因此其植被覆盖率达到了46.88%，而D4 和D8 流域的则只有25.31%和19.48%；D1 流域只发生了两次泥石流，而其植被覆盖率只有23.22%.不易发泥石流流域中过火面积很小的F3 流域植被覆盖率高达75.65%，只发生了高含沙洪水；F1 和F2 流域植被覆盖率较低，分别为15.35%和21.23%，但是也只发生了高含沙洪水，没有泥石流活动迹象.

经统计分析，植被覆盖率与泥石流暴发次数的斯皮尔曼相关系数为 -0.28，且相关性不显著（P值大于0.05），通过上述分析也可以看出，植被覆盖率对火后泥石流发育的空间差异性影响一般，但可以确定的是相较于未火烧区，火烧区植被覆盖率很低，发生火后泥石流的可能性相对较大.图9 显示当植被覆盖率大于约35%后，泥石流暴发频次快速下降.

图9 植被覆盖率与火后泥石流暴发频次的关系Fig.9 Relationship between vegetation coverage rate and frequency of post-fire debris flow

3.3 地形

陡峻的地形可以为火后泥石流的形成和流通提供必要的动能.通过运用ArcGis 10.5 软件处理30 m 精度的DEM 图结合现场调查情况，得出了研究区各流域的基本地形参数如表4 所示.

表4 各流域基本地形参数Tab.4 Basic topographic parameters of each basin

地形因子及火后泥石流爆发频次与流域面积的关系如图10 所示.

主沟越长，发生泥石流时对松散沉积物的搬运距离就越大，所需要的水动力条件也越大，因此主沟越长越不利于泥石流的形成.图10（a）显示，随着流域面积的增加，主沟长度快速增加，而高易发火后泥石流流域主沟长度均较小.

之后，威特金又将肢解的尸块加入了他的兴趣清单，以其创造十七世纪佛兰德静物风格影像——即使在更具容忍度的现代人看来，这种手法也令人难以置信——在美国，他的做法屡屡激怒地方律师与那些文化审查志愿者们。

主沟纵比降越大，泥石流流通时水动力条件越足，对沿途沟道的铲刮和侧蚀作用也越强，越有利于泥石流的发育.图10（b）显示，随着流域面积的增加，主沟纵比降快速降低，高易发火后泥石流流域主沟纵比降均很大.

沟道密度是指单位流域面积内的沟道总长度，沟道密度越大，说明流域内水系越发达，将有利于坡面径流和松散物源快速汇聚.由图10（c）可见，随着流域面积的增加，沟道密度快速降低，高易发火后泥石流流域沟道密度均很大.

图10 地形因子及火后泥石流爆发频次与流域面积的关系Fig.10 Relationship between terrain factors，post-fire debris flow frequency and basin area

由以上分析可见，研究区内流域面积与各地形因子之间存在着相互制约的关系，流域面积越小，主沟越短，主沟纵比降越大，沟道密度也同时增大，地势越陡峻，这些条件都非常有利于火后泥石流的形成.经统计分析，流域面积与泥石流暴发次数的斯皮尔曼相关系数为 -0.77，且相关性显著（P值小于0.05），表明流域面积对火后泥石流暴发频率的影响也较强；由图10（d）可见，流域面积越小，泥石流暴发次数越多，高易发泥石流几乎均发生在小流域（＜ 1 km2）.

3.4 降雨

降雨是降雨型火后泥石流的重要组成部分.由于研究区距离最近的雨量监测站较远（约10 km），其雨量监测数据代表性较差，因此本文利用美国加州大学欧文分校（University of California，Irvine，UCI）水文气象与遥感中心（CHRS）开发的实时全球高分辨率（0.04° × 0.04°）卫星降水产品[20]获取了研究区的降雨数据（详见图11），并用最近的雨量站监测数据相互验证，结果表明该数据产品精度相对较高，可以满足本文的分析要求.

图11 2018 年各次火后泥石流降雨过程Fig.11 Rainfall process of post-fire debris flows in 2018

根据降雨数据，6 月13 日泥石流前期累计降雨量约10.67 mm，其激发雨强为9.83 mm/h；6 月24 日泥石流前期累计降雨量约8 mm，其激发雨强为8 mm/h；6 月30 日泥石流前期累计降雨量约66 mm，其激发雨强为18 mm/h；7 月5 日泥石流前期累计降雨量约24.51 mm，其激发雨强为41 mm/h；7 月12 日泥石流前期累计降雨量约19.66 mm，其激发雨强为15.33 mm/h.由此可见，除7 月5 日激发雨强较大外，其余4 次泥石流其激发雨强重复周期均小于5 a.且随着火后泥石流的不断发生，其激发雨强和前期累计降雨量有逐渐升高的趋势.

3.5 综合分析

6 月13 日过火区域只有D2、D3、D5、D7、D9、D10这6 个流域暴发了火后泥石流，根据降雨强度标准，此次的火后泥石流激发雨强只达到了中雨级别，其前期累计降雨量也较低.从地形来看，这6 个流域均为小流域（＜ 1 km2），因此有利于快速汇流；从林火面积来看，D3、D9、D10 这3 个流域火烧区面积占比均达到了100%，D2、D5 和D7 流域分别为98.42%、95.85%和86.48%，因此火烧程度均较为严重；从植被恢复情况来看，这6 个流域6 月份植被覆盖率均小于40%，尤其是D2、D3 和D10 流域只有17.94%、17.82%和15.85%，对火后泥石流形成的抑制程度较低.D6 流域其面积仅有0.31 km2，然而其过火面积占比较低（58.06%），且以中度和轻度火烧为主，植被覆盖率也较高（46.88%），因此在此次降雨中也没有形成火后泥石流.D1、D4、D8 流域火烧程度较高，植被覆盖率也较低，然而其流域面积较大，因此受地形条件制约，水动力条件不足，在此次降雨中也没有形成火后泥石流.

6 月24 日，其前期累计降雨量和激发雨强均较6 月13 日的小，6 月13 日发生了火后泥石流的6 个小流域中有5 个再次暴发了泥石流，D2 流域由于其主沟纵比降相对较小（370.61‰），主沟较长（2 km），而此次降雨雨强更小，导致水动力条件不足，没有形成泥石流.

6 月30 日泥石流激发雨强为18 mm/h，此次 D2～D10 流域均发生了火后泥石流，D1 流域虽然火烧程度较高，植被覆盖率也较低，但是由于其流域面积较大（是所有过火区域中最大的），因此受地形条件制约，没有暴发泥石流.

7 月5 日泥石流激发雨强为41 mm/h，达到了特大暴雨级别，水动力条件很足，导致D1～D10 流域全部暴发了泥石流.7 月12 日泥石流前期累计降雨量和激发雨强较7 月5 日有所减小，但是D1～D10流域依然再次发生了泥石流，这可能是因为这些流域前期多次暴发泥石流，导致沟道下切严重，沟岸不断塌滑形成了新的物源补给泥石流.

F1～F5 流域只发生了洪水.对于F1 和F2 来讲，其燃烧程度较高，过火面积占比分别为73.68%和64.65%，植被覆盖率也较低，分别为15.35%和21.23%，但是由于其流域面积较大，分别为4.13 km2和6.98 km2，因此没有发生泥石流.

F3 流域过火区面积占比仅为8.35%，植被覆盖率高达75.65%，流域面积也很大（5.15 km2），多重不利因素综合作用下没有发生泥石流.

F4 流域面积较小，仅有0.44 km2，然而该流域完全没过火，植被覆盖率较高（62.07%），所以也没发生泥石流.F5 流域面积较大，为1.38 km2，与F4流域一样，因为完全没过火，植被覆盖率高达67.31%，所以也没有发生泥石流.

综合上述分析可见，地形、林火、植被覆盖率和降雨强度都对火后泥石流暴发有一定的影响，火后泥石流发育空间差异性的形成是这4 个影响因素综合作用的结果，同时流域面积越小、林火面积占比越大的流域发生火后泥石流所需要的降雨阈值越小.流域面积、林火面积占比以及植被覆盖率与火后泥石流暴发频次的斯皮尔曼相关系数依次为 -0.77、0.78 和 -0.28，由此可推断这三个因素对火后泥石流易发性影响的重要性排名为林火面积占比 ＞ 流域面积 ＞ 植被覆盖率.

4 结 论

1）八角楼乡火后泥石流具有易发群发的特点，且其发育存在空间差异性，并不是所有的过火区域都会发生火后泥石流，相对于较大流域，小流域（＜ 1 km2）暴发频率更高.

2）各地形因子和流域面积之间存在一定的制约关系，流域面积越小，地形越陡峻，火后泥石流暴发频率越高.

3）林火一方面通过高温烘焙改变了坡表土壤的物理力学性质，使得土壤变得松散、抗侵蚀能力降低，同时还改变了坡表土壤的水文地质性质、使其斥水性增强，渗透性降低，从而使得流域产流和产沙量激增，对火后泥石流的形成具有积极的促进作用，火烧区面积占比越大，泥石流暴发频率越高.

4）林火导致植被覆盖率大幅下降，当植被覆盖率约小于35%时火后泥石流暴发频率较高，大于此值后暴发频率快速下降直至为0.

5）八角楼乡火后泥石流发育空间差异性的形成是地形、林火、植被覆盖率和降雨强度这4 个影响因素综合作用的结果，各因素对火后泥石流易发性影响程度为林火面积占比 ＞ 流域面积 ＞ 植被覆盖率，且流域面积越小、林火面积占比越大的流域发生火后泥石流的降雨阈值越小，且激发雨强有随时间逐渐升高的趋势.

致谢：成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放式基金（SKLGP2018K011）资助.