喜德縣“6.4”山火泥石流災害特征與防治建議

吉日伍呷， 田宏嶺， 劉雅琴

(1.中國科學院， 水利部成都山地災害與環境研究所， 成都 610041； 2.中國科學院大學資源與環境學院， 北京 100049；3.成都理工大學地球科學學院， 成都 610059)

森林火災是一種常見的對人類危害極大的自然災害，據統計資料顯示，世界上每年都發生近22萬起。近20年來，中國共發生林火10 301起，其中約8%發生在四川省，主要分布在涼山彝族自治州、甘孜藏族自治州等[1]，這些地區的山火因樹木茂盛，地形陡峭、險峻，通信、交通不便，加之風速較大、方向不穩定，常常給救援人員造成了巨大的傷亡。林火不僅毀壞了林業資源、破壞生態系統，同時誘發了污染及相關的次生災害，特別是火燒跡地遭遇強降雨形成山火泥石流災害。

山火泥石流是指火燒跡地部位集中降雨形成的、與林火關系密切的自然災害，因林火高溫燃燒植被影響地表土壤結構，產生大量松散泥沙和灰燼層，形成的泥石流具有容重高、黏度大的流體特征[2-3]。由于林火燒毀地表植被和落葉層，地表失去了保護作用，不能對雨滴濺濕起到攔截作用，進一步降低了地表粗糙度，導致地表徑流流速和地表侵蝕速率加快[4]。一方面，林火燒毀生物質產生灰燼層，容易在雨水和坡面徑流的沖刷下進入溝道，為山火泥石流動儲量提供來源；另一方面，高溫烘烤使土壤的原有結構遭受嚴重破壞，改變土壤的滲透率。研究表明燃燒常常生成不透水或透水性極差的赤水層，導致土壤滲透率急劇下降[5]。含有赤水特性的土壤會極大增強地表徑流能力，在地表徑流不斷匯流集中的過程中，其入滲的深度和流速也會增加，因此會對坡面、溝壑和河道等產生嚴重的侵蝕作用[6-7]。Mitsopoulos等[8]在美國亞利桑那州研究火后泥石流時發現，嚴重的森林大火會導致火后流域內洪峰值流量迅速增加。Nyman等[9]研究表明，火燒區泥石流發生的頻率受火強度、火烈度和火頻率等特征變化的影響非常顯著，林火烈度越高，對植被破壞越大，越容易誘發泥石流災害。

近年來，中國森林火災頻發，2016年3月15日，四川省甘孜藏族自治州九龍縣色腳組發生森林火災，大火持續了3 d，總過火面積超過160 km2[5]；2018年2月19日，四川省雅江縣八角樓鄉發生森林大火，過火面積達39.5 km2[10]。此外，涼山州多次發生森林火災，對當地的經濟和生態環境造成了嚴重破壞。

2019年3月30日18：00，木里縣雅立爾村突發森林火災，著火點位于海拔3 750 m處，火場過火面積約20 km2，造成27名消防員和3名地方干部遇難[11]。

2020年3月30日15:00，西昌市瀘山景區發生森林大火，火場過火面積超過1 000 hm2，造成19名地方撲火人員犧牲，3名地方撲火隊員重傷[11]。

2020年5月7日，喜德縣魯基鄉中壩村突發森林火災，火場過火面積超過100 hm2。

山火泥石流作為一種危險的林火次生地質災害，經常造成大范圍水土流失，嚴重威脅溝口及下游村民的生命財產安全。2016年4月28日，四川省九龍縣色腳組森林火災后爆發泥石流，隨后在降雨的激發下爆發過數次規模不等的山火泥石流[5]；2018年6月，四川省雅江縣八角樓鄉火燒跡地多條支溝多期次爆發山火泥石流，嚴重破壞生態環境，污染下游水質[10]；2020年6月4日，中壩村火燒跡地遭遇強降雨，誘發山火泥石流，災害規模約7 300 m3，屬于小型泥石流，危害程度較輕，造成經濟損失約15.85萬元。

山火泥石流嚴重阻礙了山區經濟的可持續發展，以及山區工程施工及其安全運營，因此科學、有效地防治山火泥石流災害是中國防災減災和山區經濟發展的客觀需求[12]。目前，美國、西班牙和澳大利亞等國家在火后泥石流方面的研究工作和成果已較多，而國內較少有人關注火后泥石流災害[13]，中國學者主要研究常規泥石流和震后泥石流，對山火泥石流的研究較少，當前研究局限于火后泥石流事后調查和易發性評價，缺少對山火泥石流災害防治的研究。

中壩村山火泥石流為研究提供了研究樣本，現利用無人機影像，結合遙感技術，分析中壩村林火次生泥石流的災害特征、運動學參數及形成機制等，通過單溝泥石流危險性評價方法，預測當地山火泥石流災害的發展趨勢，以期為山區森林火災及次生災害的綜合防治提供借鑒。

1 研究區域概況

四川省涼山州喜德縣中壩村的地理坐標為東經102.22°，北緯28.2°，位于喜德縣與冕寧縣交界地帶，海拔2 025 m(圖1)。中壩村地處安寧河隱伏斷裂和則木河斷裂斜接復合部位附近，屬于南北構造活動帶，并且有多期活動的特點。區域地質構造復雜，活動強烈。陳波[14]研究表明，研究區巖層褶皺和深大斷裂帶較發育，地震活動頻繁且多強烈。地表巖層破碎，風化嚴重，巖層主要為砂巖、灰巖，除了石炭系、志留系和第三系有缺失外，其他地層從元古界到新生界都有出露。

中壩村拉達溝地勢陡峻，溝谷狹窄，有利于誘發滑坡和泥石流等自然災害。該泥石流溝由兩條支溝匯流而成，整個流域形狀近似為“V”形，地勢高差大，溝谷切割強烈，溝床陡急，縱降比大，溝內跌水坎多，跌水發育。拉達溝主溝長562 m，流域匯水面積為9.48 km2。流域最高點的高程約2 298 m，位于溝域的北側；最低點位于溝口處，高程約2 028 m，相對高差為270 m，主溝平均縱坡降達480.43‰。拉達溝流域總體上呈上陡下緩，溝谷兩側超過81%的斜坡坡度分布在20°～55°，平均坡度達28.21°，其中約0.68%的斜坡坡度超過65°。這種坡陡、溝深的山勢為泥石流、滑坡等自然災害的啟動提供了非常有利的地形條件。

由于中壩村處于低緯度高海拔的中亞熱帶季風氣候帶，冬季干燥，日照充足，蒸發強烈。夏季涼爽濕潤，降雨充沛，四季氣候差異不明顯，但晝夜溫差較大。年平均溫度為14.2 ℃，極端最高溫度可達34.1 ℃，最低溫度為8.6 ℃，無霜期超過255 d，年平均降雨量達1 005 mm，最高年降雨量可達1 231.3 mm，最低年降雨量為798.5 mm；每年降雨多集中在5月中下旬到10月底，其中雨季降雨量占全年降雨量的90%以上。倪化勇等[15]研究表明，研究區受暖濕海洋季風氣候影響，多暴雨、大雨，且由于地形險峻，山洪災害多發。

圖1 研究區地理位置示意圖Fig.1 Geographical location of the study area

2 中壩村林火事件

2020年5月7日17：00，中壩村突發火災，因樹林茂密，枯枝落葉堆積較厚，加之天氣干燥炎熱，風力較大，林火瞬間失控，從中壩村一組背后的山腳一直燒向山頂。林火持續了5 d，過火面積約達102.7 hm2?；馂闹苯訉е铝值負p失約28.2萬元，經濟損失約43.6萬元，此外，火后泥石流、滑坡等次生山地災害嚴重威脅下游群眾的生命財產安全。

基于Parson等[16]提出的不同強度火燒判別特征方法和王嚴等[17]、于振江等[18]對火燒跡地等級的分類方法，對喜德縣中壩村拉達溝流域火燒跡地的不同火烈度區域通過無人機影像解譯并結合實地調查數據，根據植被燒毀程度以及樹干熏黑高度等指標將火燒跡地分為重度、中度、輕度和未燃燒4個區域(圖2)。

圖2 中壩村一組背后山坡火燒烈度分布圖Fig.2 The fire intensity distribution map of the hillside behind a group in Zhongba Village

(1)重度過火區面積達20 671.98 m2，占總流域面積的21.8%，主要分布在高海拔山坡區域，其中超過80%的樹冠層和90%的枯枝落葉層被燒毀，樹干(枝)熏黑高度超過5 m，地表被較厚灰燼層覆蓋，礦物質土的顏色和結構都發生了明顯變化。

(2)中度過火區面積達47 021.09 m2，占總流域面積的49.59%，主要分布在流域中下游兩側山脊，其中30%～80%的樹冠層和50%～90%的枯枝落葉層被燒毀，樹干(枝)熏黑高度為2～5 m，地表灰燼覆蓋層厚度中等，半腐殖質層以下土壤的顏色和結構幾乎沒有發生變化。

(3)輕度過火區面積為11 105.25 m2，占總流域面積的11.71%，主要分布在溝道兩側山坡中下部，樹冠層燒毀程度低于30%，少于50%的枯枝落葉層被燒毀，樹干(枝)熏黑高度不超過2 m，地表灰燼層較薄。

(4)未燃燒區面積為11 794.14 m2，僅占整個流域面積的12.44%，主要分布在起火點以下的坡腳處，林火對草本、灌木和喬木均未造成影響。

中壩村“6.4”林火破壞了拉達溝流域約83.1%的植被，造成地表裸露，生成大量灰燼層，有滑坡和泥石流等地質災害的可能。

3 中壩村泥石流特征

3.1 泥石流過程

基于野外考察，結合無人機遙感影像得知，中壩村4條沖溝于6月4日下午爆發泥石流，從山上攜帶了大量泥沙、石塊、樹枝和柴草，在溝口形成巨大的泥石混合物堆積區[19]。位于中壩村東邊的兩條泥石流沖溝，規模較小，未對中壩村居民房屋和耕地造成破壞，中壩村一組背后的拉達溝，造成了損毀房屋2間，耕地933 m2的破壞(圖3)，特征更為明顯，選取拉達溝進行分析。

根據物源與地形條件，可將拉達溝劃分為清水區、物源區、流通區和堆積區4個區域(圖4)。其中

圖3 中壩村一組受災居民房Fig.3 A group of disaster-stricken residential houses in Zhongba Village

圖4 中壩村山火泥石流溝分區特征圖Fig.4 Zoning characteristics of the fire debris flow channel in Zhongba Village

物源區上游支溝、毛溝發育，坡面崩滑物源較多，以沖刷作用為主，坡面侵蝕強烈；流通區和堆積區隨著溝床寬度、縱坡的改變，沖、淤現象交替出現，其中流通區溝道下蝕強烈，以沖刷作用為主，堆積區面積較小，以淤積為主，形成泥石流堆積物沿溝床呈條帶狀堆積的特點。

3.2 泥石流堆積物特征

泥石流堆積受林火影響顯著。堆積體呈條帶狀，褐黑色，一般寬度為7～15 m，最寬處約為18 m，坡度較緩，為3°～5°。堆積厚度1～4 m，堆積物中包括直徑0.2～0.5 m的角礫巖為主[圖5(a)]，夾雜著一定數量燒焦的樹枝、樹根和柴草等，樹枝最長達1.2 m，直徑0.75 m，堆積區燒焦樹枝的大小隨著溝口距離的增加而減小，泥漿中局部可見漂石夾層，具有非常典型的火后特征[圖5(b)]。在實地調查時發現，流通區泥石流沖出的最大石頭粒徑為2.8 m×1.5 m×1.2 m，其巖性為淺色灰巖[圖5(c)]。在流通區總共測量了7處流水下切作用比較明顯的溝壑，發現其中最大下切深度達2 m，溝寬達2.06 m[圖5(d)]。

3.3 物源顆粒級配

通過對拉達溝泥石流堆積物進行實地采樣，并對樣本進行顆粒級配實驗及分析得到拉達溝泥石流沖溝流域的物源顆粒級配實驗曲線(圖6)。

圖5 拉達溝石流堆積物、流通區巨石和流水下切深度Fig.5 Depth of cut of debris flow deposits, boulders in the circulation area and running water in Lada Gully

圖6 中壩村泥石流堆積區物源顆粒級配曲線Fig.6 Gradation curve of source particles in the debris flow accumulation area of Zhongba Village

從圖6可以觀察得出，拉達溝泥石流溝口堆積區顆粒>2 mm的物質約占64.5%，小于2 mm的顆粒含量為35.5%，在細粒中粉粒和黏粒含量約為2.8%。

4 泥石流動力學參數

對泥石流的動力學特征參數進行運算分析，是認識泥石流災害和對其防治工程設計的重要參考依據之一。根據對拉達溝泥石流的現場觀測數據，對泥石流動力學參數進行分析。

4.1 泥石流容重

泥石流的密度是體現泥石流特性的重要參數之一，它隨著泥石流的運動狀態而發生改變[20]。韓政等[21]、張文箐[22]根據野外實地考察分析，結合泥石流堆積扇，進行現象配置測算[式(1)]，并由現場見證泥石流發生過程的人進行判斷，不斷修正求得泥石流容重，同樣采用該方法得到了中壩村拉達溝5個不同采樣點的泥石流密度(表1)。

(1)

式(1)中:ρc為泥石流容重，t/m3；M1為桶和泥石流的總質量，t；M2為空桶的質量,t；V為桶內泥石流的體積，m3。

通過野外現場模擬測試得到拉達溝泥石流密度值為1.74 t/m3，綜合泥石流堆積體的固體物質組成和層理特征，認為拉達溝泥石流屬于黏性泥石流。

4.2 泥石流流速

泥石流的流速不僅能夠真實客觀反映泥石流的運動狀態，而且是泥石流災害防治工程設計的重要參考依據。考慮到西南山區誘發的泥石流在地域上具有高度相似性，所以采用當前計算西南山區泥石流流速最常用的公式對中壩村拉達溝泥石流流速進行計算[23]，公式為

(2)

式(2)中：Vc為泥石流斷面的平均流速，m/s;nc為泥石流溝床的粗糙度，可以從相關的文獻資料中查閱獲得；H為計算斷面的平均泥石深度，m；I為泥石流的泥位坡降，采用溝床比降來代替計算，‰。

根據式(2)進行計算可得到拉達溝泥石流平均流速為8.93 m/s。

4.3 泥石流沖擊力

泥石流沖擊力是摧毀建筑物的主要原因，也是災害防治的重要參數之一。沖擊力通常包括兩部分，分別為泥石流液體動壓力和泥石流中較大石塊的沖擊力，其中造成建筑物結構破壞的主要因素是泥石流中較大石塊的沖擊力，泥石流在沖擊的瞬間會突然釋放出前期積累的巨大能量，所以常常對建筑物造成嚴重毀壞。

表1 泥石流密度現場模擬計算采樣信息表

4.3.1 泥石流液體動壓力

泥石流液體動壓力計算公式為

(3)

式(3)中：P為泥石流的液體動壓力，Pa；K為泥石流流體不均勻系數，參考了東川泥石流實測資料，取K=3進行計算,為泥石流的容重。因此，根據式(3)進行計算可得到拉達溝泥石流的液體動壓力值為41.63×104Pa。

4.3.2 泥石流中較大石塊的沖擊力

對于泥石流中較大石塊的沖擊力，計算公式為

F=ρDCtVDAD

(4)

式(4)中：F為泥石流中較大石塊的沖擊力,kN；ρD為泥石流中較大石塊的密度，kg/m3；Ct為縱坡波速，m/s；VD為泥石流中巨石的速度，m/s，一般取泥石流平均速的一半進行計算；AD為巨石與被撞擊物體的接觸面積，通常取巨石短徑所在面積的10%進行計算，m2。

通過野外實地踏查得知,Ct=2 800 m/s，且拉達溝泥石流堆積區中最大石塊為一灰巖，其長、寬、高、分別為0.82、0.3、0.28 m，所以AD為0.008 4 m2，密度為2 710 kg/m3。根據式(4)進行計算可得到拉達溝泥石流中巨石的沖擊力為284.596 kN。

4.4 泥石流流量

目前，可以采用兩種方法來計算泥石流的流量，分別為雨洪法和形態調查法。根據拉達溝泥石流的具體情況和調查數據，選擇采用雨洪法計算拉達溝的泥石流流量?；凇赌嗍鳛暮Ψ乐喂こ炭辈煲幏丁?DZ/T 0220—2006)中形態調查法確定泥石流洪峰流量的方法，計算公式為

Qc=AcVc

(5)

式(5)中：Qc為泥石流的流量，m3/s；Ac為調查斷面的過流面積，m2；Vc為泥石流流速，m/s。

實際測得該調查斷面的過流面積為10～12 m2，通過該斷面的泥石流平均流速已計算得出Vc= 8.93 m3/s，因此，根據式(5)計算可得到拉達溝泥石流的流量為89.3～107.16 m3/s。

5 危險度評價

泥石流溝道危險性是進行災害防治的主要根據之一[24-25]，采用劉希林[26]提出的單溝泥石流危險度評價方法，該方法從眾多影響因子中提取出7個主要因子作為評價指標(表3)，其中泥石流規模(m)和發生頻率(f)是泥石流主要危險因子，通過實地調查獲得。流域面積(s1)、主溝長度(s2)、相對高差(s3)、流域切割密度(s4)和不穩定溝床比例(s5)為泥石流次要危險因子[26]，這5個次要因子可從無人機影像和數字高程模型(digital elevation model，DEM)上比較準確地獲得。

采用的單溝泥石流危險度計算公式參考文獻[16]，公式為

Hd=0.29M+0.29F+0.14S1+0.09S2+0.06S3+0.11S4+0.03S5

(6)

式(6)中:M、F、S1、S2、S3、S4、S5分別為影響因子m、f、s1、s2、s3、s4、s5的轉化值。

根據單溝泥石流危險度評價因子的轉換函數可計算得出相應的轉換值，如表2所示。根據表2，采用式(6)計算得到中壩村拉達溝的危險度為0.218。由拉達溝泥石流危險度的評價因子和評價結果(表3)，以及結合單溝泥石流危險度分級標準(表4)可知：拉達溝的危險性屬于低度危險，所以拉達溝在未來再次發生泥石流的可能性較小。

表2 單溝泥石流危險度多因子綜合評價模型各因子取值轉換函數[26]

表3 拉達溝泥石流危險度評價因子及評價結果

表4 單溝泥石流危險度分級標準[26]

6 結論

(1)中壩村“6.4”林火區域面積約為94 813.91 m2，其中重度過火區、中度過火區、輕度過火區以及未燃燒區的面積分別為20 671.98、47 021.09、11 105.25和11 794.14 m2，分別占總流域面積的21.8%、49 359%、11.71%和12.44%。

(2)根據泥石流調查及單溝危險度評價，拉達溝具備了泥石流形成條件，災害之后，火燒跡地物源被嚴重破壞，且泥石流規模、爆發頻率、相對高差、流域面積和主溝長度等因子均較小，危險度屬于較低，未來爆發泥石流的可能性較小。

7 問題討論與防治建議

近年來，隨著西部山區經濟的發展速度與力度不斷加大，森林火災的數量和密度呈上升趨勢。火后泥石流作為主要的林火次生地質災害，常常給山區人民造成了嚴重的經濟損失和生命威脅。所以如何在經濟條件有限的少數民族貧困地區進行災害識別、防災及治理，成為一個現實問題?；诨鸷竽嗍鞯奶卣骱托纬蓹C制，以及結合涼山州山區經濟和災害的實際情況，給出了以下三點防治建議。

(1)穩坡固砂，在重度過火區域，林火對植被和土壤結構破壞強度非常大，坡面侵蝕率非常高，可采用原木攔截的防治措施，以攔截粗糙碎屑物質；對于中度和輕度過火區，林火對植被和土壤結構的破壞程度有限，可采用秸稈覆蓋法，不但經濟環保，還能穩定岸坡，促進植被生長，有效阻止火燒跡地松散物質進入溝道。

(2)加快植被恢復，加大火燒跡地山坡整治力度，采取生態修復措施，通過在裸露坡面、水土流失嚴重和侵蝕性溝道處植樹造林，加快森林植被和草被生長和恢復，穩定流域內的松散物質。

(3)科學施工，在調查中發現，山火區為了護林防火，方便救援，常修建從山腳直至山頂的簡易道路作為滅火通道。修建滅火通道雖有利于救援，但經常疏忽了對渣土進行合理處置，容易誘發泥石流災害，建議相關部門加強對棄渣的管理。在修建滅火通道時，可考慮在道路兩邊修建排水溝，進一步減少泥石流的可能。