火后泥石流的起動(dòng)機(jī)制與預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與治理措施研究進(jìn)展

火后泥石流的起動(dòng)機(jī)制與預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與治理措施研究進(jìn)展

泥石流是山區(qū)溝渠中受風(fēng)暴和冰雪融化水等水源激發(fā)的一條特殊河流，包括大量沉積物。這是自然界的一個(gè)災(zāi)難過程，也是一種常見的自然災(zāi)害。泥石流的發(fā)生和發(fā)展受到許多因素的影響。林火是森林生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要干擾因素，對(duì)森林泥石流的發(fā)生有一定影響。在研究了這場火災(zāi)后的幾個(gè)月和下一年，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，土壤和水文特征發(fā)生了變化，在森林火影響區(qū)域，森林火會(huì)導(dǎo)致土壤和水文特征的質(zhì)量變化。在森林火影響區(qū)域，如果火災(zāi)導(dǎo)致土壤水分和水文特征發(fā)生顯著變化，則火后土壤侵蝕和泥石流的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著增加。林火后靠近火的泥石流通常必須經(jīng)歷強(qiáng)烈的土壤侵蝕。泥石流的風(fēng)險(xiǎn)通常顯著增加。對(duì)于林火附近發(fā)生的巖石，稱為火后泥石流，但目前沒有嚴(yán)格的定義?；鸷竽嗍鞯陌l(fā)生與林火密切相關(guān)。林火可以從多個(gè)方面促進(jìn)泥石流的發(fā)生，這是火后泥石流形成的主要原因。同時(shí)，火操作指標(biāo)，如火強(qiáng)度、火烈度和火頻率，直接影響泥石流的運(yùn)動(dòng)和程度。其次，熔渣沉積中的小沉積物含量高，林火是生物燃燒過程中，導(dǎo)致大量植物和灰燼。同時(shí)，由于土壤結(jié)構(gòu)的破壞和植被根系的破壞，大量沉積物發(fā)生。因此，巖屑沉積在火災(zāi)后的沉積中。第三，巖屑沉積的發(fā)生周期與植被恢復(fù)密切相關(guān)。林火將植物和土壤置于火災(zāi)后，導(dǎo)致大量植物和土壤。同時(shí)，由于土壤和植被根系的破壞，它們導(dǎo)致大量沉積物。因此，巖屑沉積在火后的沉積中含量高。第三，巖屑沉積的發(fā)生周期與植被恢復(fù)密切相關(guān)。森林火使植物和土壤在火后枯萎和分解，使地表完全暴露。植物和土壤的死亡直接導(dǎo)致根系腐爛，降低土壤的粘附力?；馂?zāi)后，植物再次重生。隨著植被的恢復(fù)，土壤保護(hù)對(duì)火后的影響顯著降低。最后，火后泥石流的發(fā)生與稀疏層密切相關(guān)。稀疏層是指土壤表面枝條落葉層以下的不溶于水的物質(zhì)?；馂?zāi)時(shí)，土壤形成一個(gè)大的溫度層。這些物質(zhì)在蒸汽作用下附著在土壤的底層。當(dāng)水滲透時(shí)，這些不溶解的物質(zhì)附著在不同土層深度的土壤表面。這些不溶解。泥石流發(fā)生時(shí)很難預(yù)警,且具有很強(qiáng)的破壞力,既可破壞土壤結(jié)構(gòu)導(dǎo)致土壤退化、破壞生態(tài)環(huán)境,又會(huì)威脅到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全.火后泥石流的發(fā)生會(huì)造成土壤侵蝕、污染下游水質(zhì),對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和農(nóng)林業(yè)發(fā)展以及人民群眾的生產(chǎn)生活產(chǎn)生重要影響.由于氣候變暖,很多地區(qū)出現(xiàn)暖干化趨勢(shì),在此背景下全球林火呈增多態(tài)勢(shì).在我國,泥石流分布廣泛,有很多泥石流發(fā)生的脆弱敏感山區(qū).因此了解火對(duì)泥石流的影響,探明火后泥石流起動(dòng)發(fā)展過程,掌握火后泥石流的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與治理措施,對(duì)于降低火后泥石流的發(fā)生,減少其造成的損失,保護(hù)生態(tài)環(huán)境和人民生命財(cái)產(chǎn)安全均具有重要意義.1火后泥石流形成機(jī)理火后泥石流的研究源于在泥石流的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了其與林火之間的聯(lián)系.20世紀(jì)90年代左右,Wells、Wohl和Pearthree在泥石流調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn),林火發(fā)生后,由于火燒毀了坡頂植被,泥石流發(fā)生率顯著增加,從而發(fā)現(xiàn)了泥石流發(fā)生與林火之間的關(guān)系.隨后,很多國家和地區(qū)的學(xué)者開始了火后泥石流的調(diào)查研究.通過野外現(xiàn)場考察,可以掌握火后泥石流發(fā)生的概況,通過測(cè)量和數(shù)據(jù)分析可對(duì)泥石流的流量、流速以及泥石流起動(dòng)、運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行估測(cè).因此,早期對(duì)泥石流發(fā)生的研究集中在火后泥石流的野外調(diào)查現(xiàn)場觀測(cè)和技術(shù)檔案的建立,以及泥石流沉積物產(chǎn)生過程的分析和解釋兩方面.1996年,Cannon和Reneau對(duì)3個(gè)新墨西哥州火燒跡地的火后泥石流進(jìn)行調(diào)查,并評(píng)估了坡面特性、渠道特性,以及火特性與火后泥石流敏感性的關(guān)系.2001年,Cannon又調(diào)查了新墨西哥州、科羅拉多州和加利福尼亞州95個(gè)火燒跡地火后泥石流對(duì)暴雨的反應(yīng).之后,Cannon等采用基質(zhì)、地表物源和泥石流路徑地圖(1∶5000)與10m的地勢(shì)數(shù)字高程模型相結(jié)合,評(píng)估了火后泥石流發(fā)生的過程.Gabet和Bookter調(diào)查了2001年秋天一個(gè)強(qiáng)風(fēng)暴在蒙大拿州西南部引發(fā)的火后泥石流,并通過對(duì)6個(gè)沖溝的形態(tài)測(cè)定分析,推斷了火后泥石流起動(dòng)的相關(guān)過程.Meyer等對(duì)愛達(dá)荷州中西部1996年10月末至1997年1月1日的長期強(qiáng)降雨和降雪融水在1989年火燒跡地引發(fā)的火后泥石流進(jìn)行調(diào)查.Wondzell和King調(diào)查分析了火對(duì)美國西部森林侵蝕過程影響的總體概況.Santi等調(diào)查研究了加利福尼亞州、猶他州和科羅拉多州9個(gè)不同燃燒區(qū)的46個(gè)火后泥石流.Conedera等對(duì)1997年8月28日瑞士的火后泥石流進(jìn)行調(diào)查分析.Nyman等對(duì)2003—2009年發(fā)生在澳大利亞東南部包括火后泥石流在內(nèi)的火后侵蝕進(jìn)行了系統(tǒng)記錄.Meyer和Wells調(diào)查了黃石公園一個(gè)小沉積扇,分析了火后泥石流的起動(dòng)過程.Smith等對(duì)桉樹林火后泥石流對(duì)下游細(xì)小沉積物(<63μm)的貢獻(xiàn)進(jìn)行研究.通過野外現(xiàn)場觀測(cè),能提高人們對(duì)泥石流起動(dòng)、運(yùn)動(dòng)過程的認(rèn)識(shí).但野外現(xiàn)場觀測(cè)難以反映火后泥石流發(fā)生的全貌,隨著遙感技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,一些學(xué)者將其引入到火后泥石流的研究中.如Cannon等采用衛(wèi)星圖片和現(xiàn)場觀測(cè)相結(jié)合的方法,對(duì)科羅拉多州1994年一場森林火災(zāi)后泥石流發(fā)生的情況進(jìn)行了研究.野外調(diào)查觀測(cè)對(duì)泥石流沉積量都是近似的估算,不夠精確,而且不易區(qū)分沉積物組成的來源.而林火中生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的灰燼等物質(zhì)在泥石流沉積物中所占比例也不明確.放射性元素在確定沉積物組成與來源方面具有獨(dú)特的作用,目前在泥石流研究中放射性元素示蹤技術(shù)應(yīng)用的越來越廣泛,而7Be7和210Pbxs與灰燼、腐殖質(zhì)和土壤有機(jī)質(zhì)聯(lián)系密切,137Cs與下層的礦質(zhì)土聯(lián)系密切,因此通過這3種放射性元素可以對(duì)火后泥石流沉積物的組成和來源進(jìn)行很好的示蹤.如Blake等采用210Pbxs、137Cs和7Be放射性元素量化研究了中等強(qiáng)度林火發(fā)生后火后泥石流導(dǎo)致的土壤重新分布規(guī)律.Smith等使用放射性元素137Cs、210Pbex、239,240Pu測(cè)量了澳大利亞東南部山區(qū)火后泥石流沉積物中山坡表面、溝道、堤壩和沖積扇沉積物中細(xì)小沉積物(<10μm)的含量.Wilkinson等應(yīng)用放射性元素137Cs和210Pbxs對(duì)澳大利亞悉尼附近的一條經(jīng)歷過中等強(qiáng)度火燒的河流網(wǎng)中的細(xì)小沉積物的物源進(jìn)行了示蹤分析.放射性元素追蹤可以有效地定量評(píng)價(jià)火后沉積物量組成及火對(duì)流域沉積量的貢獻(xiàn).由于灰燼是林火燃燒的主要產(chǎn)物,也是火后泥石流與其他類型泥石流的重要區(qū)別所在,所以其在泥石流發(fā)生中的作用,是揭示火后泥石流產(chǎn)生機(jī)理的重要內(nèi)容.在對(duì)泥石流的產(chǎn)生過程有所了解后,關(guān)于灰燼在泥石流發(fā)生過程中的作用成為一個(gè)需要明確的問題.Gabet和Sternberg通過對(duì)火后泥石流沉積物的分析,指出森林植物灰燼具有提高地表徑流容積和運(yùn)輸能力的作用.Cannon等和Parrett通過對(duì)火燒跡地坡面侵蝕沉積進(jìn)行調(diào)查,分析了植物灰燼與膨脹泥石流起動(dòng)、運(yùn)動(dòng)間的關(guān)系,揭示了灰燼對(duì)火后膨脹型泥石流形成的影響機(jī)理.Mallik等、Cerda、Martin和Moody分別通過降雨模擬試驗(yàn),測(cè)試了不同降雨強(qiáng)度下灰燼對(duì)土壤水文過程及泥石流形成的影響.這些研究雖然沒有明確灰燼含量與火后泥石流的數(shù)量關(guān)系,但已定性表明,灰燼對(duì)火后泥石流具有促進(jìn)作用.泥石流的起動(dòng)條件和起動(dòng)機(jī)制,是泥石流預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ),也是泥石流機(jī)理研究的核心內(nèi)容,因此在積累了一定的調(diào)查數(shù)據(jù)后,學(xué)者們開始對(duì)火后泥石流的起動(dòng)條件和起動(dòng)機(jī)制進(jìn)行分析研究.火后泥石流的起動(dòng)受到多種因素的影響,其起動(dòng)條件也涉及多個(gè)方面.Cannon等對(duì)火后泥石流起動(dòng)的地形地質(zhì)條件進(jìn)行了調(diào)查分析,發(fā)現(xiàn)火后泥石流主要發(fā)生在陡坡火燒跡地和風(fēng)化花崗巖下.Nyman等研究了火后泥石流起動(dòng)的降雨閾值,提出了火后泥石流起動(dòng)的降雨閾值經(jīng)驗(yàn)公式.Cannon等通過對(duì)火燒跡地泥石流的評(píng)估提出了火相關(guān)泥石流起動(dòng)坡面積閾值的概念,并描述了泥石流起動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?而火后泥石流主要由地表徑流或淺層滑坡起動(dòng).Santi等對(duì)加利福尼亞州、猶他州和科羅拉多州火后泥石流的研究表明,火后泥石流主要由地表徑流引發(fā).Nyman等的調(diào)查結(jié)果同樣表明,干旱型桉樹林過火泥石流主要由地表徑流起動(dòng).而Wondzell和King研究發(fā)現(xiàn),西北太平洋地區(qū)的火后泥石流主要是由滑坡所引發(fā).對(duì)火后泥石流的發(fā)生規(guī)律有了一定認(rèn)識(shí)后,相關(guān)研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到火后泥石流的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法上.Bisson等提出了一種通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c遙感技術(shù)相結(jié)合的快速評(píng)估火后泥石流的方法.Cannon等用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮u(píng)估火后泥石流發(fā)生的幾率和體積,并將其引入地理信息系統(tǒng)(GIS)中,以形成火后泥石流風(fēng)險(xiǎn)地圖.為了減少火后泥石流所帶來的損失,火后泥石流的治理受到廣泛關(guān)注.為了降低火后泥石流對(duì)下游水庫的損害,DeWolfe等研究了攔沙壩、侵蝕障礙、秸稈覆蓋和種植樹苗對(duì)火后泥石流的控制效果.Wohlgemuth等研究了南加利福尼亞州計(jì)劃燒除火燒跡地上播種草對(duì)土壤侵蝕的減緩作用.美國農(nóng)業(yè)部林業(yè)局落基山研究站開展了火燒跡地緊急恢復(fù)處理技術(shù)的研究,比較了原木攔截、秸稈覆蓋、播種等控制措施的效果,并測(cè)試了隔離溝、水柵欄,秸稈料包壩等對(duì)下游地區(qū)公路的保護(hù)作用.Beyers等研究了火燒跡地種植本土植物對(duì)減少火后泥石流侵蝕的效果.由于火后泥石流的研究涉及火生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、地質(zhì)學(xué)等多個(gè)學(xué)科,而我國的火生態(tài)學(xué)等學(xué)科發(fā)展晚于歐美國家,導(dǎo)致我國的相關(guān)研究滯后.加之火后泥石流多出現(xiàn)在偏僻山區(qū),不易被發(fā)現(xiàn).因此,火后泥石流的研究還沒引起我國學(xué)者的關(guān)注,我國的火后泥石流研究目前尚屬空白.僅李樹德等在《森林植被與泥石流活動(dòng)》一文中指出森林火災(zāi)毀滅植被、促使泥石流爆發(fā),并以川藏公路巴塘段的竹巴籠溝作為例證.2林火對(duì)泥石流的影響2.1火后泥石流形成機(jī)理植被是調(diào)控泥石流發(fā)生的關(guān)鍵因子.植物的根系可以增加土壤粘聚力,植物的枝葉可以截流降雨,植被的凋落物可以減少地表徑流,植物對(duì)土壤具有保護(hù)作用,可以有效地抑制土壤侵蝕的發(fā)生.但是,林火對(duì)植被具有嚴(yán)重的破壞作用.火后植被的減少主要從3方面為泥石流的發(fā)生創(chuàng)造了條件.首先,植物的根墊在高溫中解裂和摧毀,產(chǎn)生了松散的、脆弱的和易于被侵蝕的土壤表面,這為泥石流的發(fā)生提供了大量的物質(zhì).其次,植被的減少會(huì)改變森林土壤水文特質(zhì),提高地表徑流和滲透能力.對(duì)過火侵蝕過程的研究發(fā)現(xiàn),在火燒數(shù)年后,土壤中根系的衰退提高了水的滲透,促進(jìn)了淺層滑坡,引發(fā)滑坡型泥石流.最后,植物葉面積的減少、凋落物和腐殖質(zhì)的消耗,降低了植被對(duì)降雨的截流,會(huì)提高雨滴侵蝕.Providoli等對(duì)瑞士南部火燒跡地的調(diào)查發(fā)現(xiàn),植被減少后降雨的濺擊侵蝕顯著提高,這對(duì)火后泥石流的發(fā)生也有一定促進(jìn)作用.大量研究表明,火后植被保護(hù)的喪失,明顯提高了泥石流的發(fā)生.如在西班牙山區(qū),定期的計(jì)劃燒除引起植被退化,使灌木叢變成了草地,導(dǎo)致火后泥石流頻繁發(fā)生.在對(duì)比研究中,缺少植被保護(hù)的火燒跡地的土壤侵蝕率顯著升高,而在植被沒有受到干擾的對(duì)照樣地中則不易發(fā)生泥石流.當(dāng)火后植物可以快速定植時(shí),能夠?qū)δ嗍鞯陌l(fā)生起到強(qiáng)烈的抑制作用.如García-Ruiz等研究發(fā)現(xiàn),在有些區(qū)域,由于火后植被的快速定植,盡管經(jīng)歷了強(qiáng)降雨,而火燒跡地的泥石流卻從沒有發(fā)生.但是多數(shù)情況下,火燒跡地由于植被保護(hù)的缺失,提高了泥石流的侵蝕率,而火后泥石流的侵蝕進(jìn)一步導(dǎo)致土壤的退化和土地的空曠,不利于植被定植,導(dǎo)致后續(xù)泥石流的侵蝕率提高.Lorente等在火后泥石流的研究中報(bào)道了這種植被缺失與泥石流侵蝕之間的相互促進(jìn)作用.在這種情況下,火后植物很難快速定植,需要較長的時(shí)間進(jìn)行恢復(fù),而隨著植被的恢復(fù),其對(duì)土壤保護(hù)作用的增強(qiáng),火后泥石流發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)則會(huì)降低.Cerdá對(duì)地中海過火灌木叢坡面流的研究,以及Prosser和Williams對(duì)過火桉樹林的地表徑流與侵蝕的研究均表明,火燒跡地的植被得到恢復(fù)后,泥石流的發(fā)生率會(huì)降低.2.2wolbachia對(duì)林火后泥石流形成的影響降雨閾值是確定泥石流起動(dòng)的重要標(biāo)準(zhǔn),是泥石流預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的重要參數(shù).通常泥石流的出現(xiàn)需要高強(qiáng)度的降雨.火后泥石流的起動(dòng)也需要一定的降雨條件.由于火后植被保護(hù)的缺失,以及地表凋落物與腐殖質(zhì)的消耗和土壤疏水層及土壤結(jié)構(gòu)變化的影響,在火燒跡地,泥石流起動(dòng)的降雨閾值會(huì)降低.Prochaska等研究發(fā)現(xiàn),在同一次降雨過后,火燒跡地發(fā)生了嚴(yán)重的泥石流,而附近未燃燒林地未出現(xiàn)泥石流,這表明火燒增加了斜坡發(fā)生泥石流的敏感性,降低了泥石流起動(dòng)的降雨閾值.降雨閾值的降低會(huì)導(dǎo)致林火過后,泥石流在以前沒有出現(xiàn)過的地區(qū)發(fā)生.Cannon等對(duì)科羅拉多西南和加利福尼亞南部火后泥石流的調(diào)查發(fā)現(xiàn),林火過后,在頻繁的降雨中,由于降雨閾值的降低,泥石流可以在以前沒有預(yù)報(bào)過的地方發(fā)生.Moody和Martin也報(bào)道了一個(gè)相似情況,火后在一些原來沒有預(yù)報(bào)過的地方發(fā)生了泥石流,通過沉積物分析發(fā)現(xiàn),火后泥石流導(dǎo)致沉積物體積提高了200倍.2.3火后泥石流的形成機(jī)制物源指泥石流發(fā)生所需要的物質(zhì)的來源,物源是泥石流發(fā)生的必備條件之一,好的沉積物物源是產(chǎn)生泥石流的必要條件.在林火燃燒過程中,林火產(chǎn)生的高溫會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu),導(dǎo)致土壤容重、孔隙率等物理性質(zhì)發(fā)生劇烈改變,同時(shí)由于植物的大量死亡導(dǎo)致根系腐爛,降低了土壤的粘聚力,這些變化導(dǎo)致火燒跡地出現(xiàn)大量松散的泥沙.生物質(zhì)燃燒過程中產(chǎn)生的大量灰燼木炭等也是泥石流發(fā)生的重要物質(zhì).火燒跡地松散的泥沙和大量的灰燼是火后泥石流發(fā)生的重要物源.Reneau等對(duì)一個(gè)燃燒區(qū)下游水庫沉積物的分析表明,沉積物與灰燼含量呈顯著正相關(guān).Smith等的調(diào)查結(jié)果顯示,火后泥石流發(fā)生后,山頂渠道沉積物中的灰分含量有所降低,而底部的灰分含量增加.Wilkinson等調(diào)查發(fā)現(xiàn),林火的發(fā)生導(dǎo)致下游沉積物組成發(fā)生轉(zhuǎn)變,原來的細(xì)小沉積物80%來自渠道的河床侵蝕,但火后細(xì)小沉積物86%來自坡面侵蝕.另外,火后疏水層的形成也會(huì)導(dǎo)致火后泥石流物源的變化.Cannon調(diào)查了美國新墨西哥州、科羅拉多和加利福尼亞95個(gè)火燒跡地的火后泥石流沉積物,結(jié)果發(fā)現(xiàn),土壤疏水層的出現(xiàn)降低了沉積物中大體積物質(zhì)的含量,提高了細(xì)小沉積物的含量.2.4灰的含量對(duì)地表徑流的影響森林生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的灰燼層不僅是火后泥石流的重要物源,而且對(duì)火后泥石流的發(fā)生具有復(fù)雜的影響.一方面,草木灰具有吸水的特性,覆蓋在火燒跡地地表的草木灰對(duì)土壤具有一定的保護(hù)作用.Cerda、Martin和Moody通過模擬降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),灰燼層可以通過吸收水分延緩地表徑流的起動(dòng).Woods和Balfour發(fā)現(xiàn),灰燼吸收了模擬的降雨,進(jìn)而延遲了地表徑流的起動(dòng)從而降低了地表徑流的體積.另外,模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由于草木灰具有減少地表徑流和減少地表受雨滴沖擊的作用,在灰燼覆蓋區(qū)的侵蝕量非常小.但是,這些模擬試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際火后地表徑流和火后泥石流增加的情況明顯相互矛盾.這是因?yàn)榛覡a層對(duì)土壤的保護(hù)作用只有在降雨量非常小的時(shí)候或降雨的早期才能表現(xiàn)出來.Woods和Balfour指出,當(dāng)降雨量充足可以使灰燼層達(dá)到充分飽和時(shí),灰燼層則變成了流;Wells和Gabet則在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了這些細(xì)小的流.在灰燼層達(dá)到充分飽和的條件下,一旦地表徑流產(chǎn)生,它就會(huì)轉(zhuǎn)變成含有灰燼的泥漿,從而對(duì)泥石流的發(fā)生產(chǎn)生促進(jìn)作用.Gabet和Sternberg研究發(fā)現(xiàn),泥漿的滲透率隨著灰分含量的上升而降低,而草木灰增強(qiáng)了流體密度,地表徑流的轉(zhuǎn)移能力會(huì)因灰含量的增加而增強(qiáng);草木灰在土壤表面的出現(xiàn),降低了水流的滲透能力,尤其是濕草木灰的作用更加明顯.Mallik等通過降雨模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),火后的土壤滲透容量有所降低,推測(cè)這可能是因?yàn)榛覡a堵塞了土壤孔隙.大量研究表明,灰燼與火后地表徑流引發(fā)的膨脹型泥石流具有非常緊密的聯(lián)系.Cannon等發(fā)現(xiàn),火后膨脹泥石流沉積物中草木灰含量非常高,而在附近的未火燒的山坡則沒有形成膨脹型泥石流.Parrett在觀測(cè)泥石流灰燼含量后指出,灰燼與膨脹型泥石流的產(chǎn)生之間具有緊密聯(lián)系.Gabet和Sternberg認(rèn)為,火燒跡地地表的草木灰可能是膨脹型泥石流的必要條件.3火后泥石流形成機(jī)制3.1火后泥石流發(fā)生條件火可以提高泥石流發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),但是泥石流不是火后的普遍反應(yīng),不是所有的火燒跡地都會(huì)產(chǎn)生泥石流.火后泥石流的發(fā)生需滿足特殊的地形地質(zhì)、降雨、坡面面積等必要條件.3.1.1火后邊坡下的泥石流從地形條件看,陡坡是火后泥石流多發(fā)區(qū)域,火后泥石流主要發(fā)生在陡坡火燒跡地.在陡坡,林火強(qiáng)烈地改變了土壤特性,由于林火強(qiáng)大的破壞作用,火后峭壁的侵蝕率明顯上升.在最近的幾十年里,火后陡坡泥石流一直被當(dāng)做過火侵蝕最重要的模式,過火后的森林峭壁環(huán)境所發(fā)生的泥石流導(dǎo)致嚴(yán)重的侵蝕和下坡沉積物的重新分配.火后泥石流的發(fā)生也需要一定的地質(zhì)條件,即邊坡的風(fēng)化和侵蝕.只有在上游積攢了足夠多風(fēng)化物的火燒跡地才會(huì)引發(fā)泥石流.如果風(fēng)化物的積聚不充足,那么在林火后沖入到渠道中的物質(zhì)只能移動(dòng)很短的一段溝道.崩積層和巖石風(fēng)化也促進(jìn)了泥石流的產(chǎn)生.Cannon調(diào)查發(fā)現(xiàn),火后泥石流易發(fā)生在風(fēng)化花崗巖下.3.1.2火后泥石流強(qiáng)度降雨與泥石流的發(fā)生具有緊密聯(lián)系,只有降雨條件達(dá)到降雨閾值,火后泥石流才能起動(dòng).Cannon等對(duì)科羅拉多州西南和加利福尼亞南部火燒跡地泥石流的降雨條件進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,美國科羅拉多州25個(gè)火燒跡地短時(shí)強(qiáng)降雨后6～10min后泥石流起動(dòng),約80%的暴風(fēng)雨可以引發(fā)火后泥石流,泥石流的持續(xù)時(shí)間均短于3h;科羅拉多州西南部產(chǎn)生可以威脅到人類生命財(cái)產(chǎn)安全的大量級(jí)泥石流的降雨閾值條件為I=9.5D-0.7(I為降雨強(qiáng)度,D為該強(qiáng)度降雨的持續(xù)時(shí)間).Cannon等對(duì)加利福尼亞州南部的長歷時(shí)降雨引發(fā)68個(gè)火燒跡地產(chǎn)生的火后泥石流進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn),火后泥石流持續(xù)時(shí)間為2～16h,降雨持續(xù)時(shí)間長達(dá)5.5～33h,平均降雨強(qiáng)度在1.3～20.4mm·h-1,重現(xiàn)期小于2年;在火后第一年冬季,加利福尼亞州南部山區(qū)火燒跡地產(chǎn)生會(huì)影響到生命財(cái)產(chǎn)安全量級(jí)泥石流的降雨閾值條件是I=7.2D-0.4;在火后第二年,由于植被恢復(fù)和沉積物被轉(zhuǎn)移的影響,降雨閾值條件為I=14.0D-0.5,約比火后第一年的閾值高25mm·h-1.Nyman等通過雷達(dá)圖像提取了澳大利亞東南部山區(qū)引發(fā)泥石流降雨事件的降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間,結(jié)果表明,火后泥石流發(fā)生的降雨強(qiáng)度是I30=35～59mm·h-1;在干旱森林引發(fā)了火后泥石流的降雨閾值,在濕潤森林并沒有引發(fā)泥石流,這說明不同森林類型的火后泥石流降雨閾值存在差別.3.1.3坡面面積閾值大量研究表明,火后泥石流的沉積物主要來源于坡面侵蝕.如Nyman等對(duì)桉樹林火后泥石流的調(diào)查發(fā)現(xiàn),坡面貢獻(xiàn)了總侵蝕材料的25%～65%.坡面侵蝕與坡面面積具有緊密聯(lián)系,坡面面積也是影響火后泥石流起動(dòng)的一個(gè)重要條件.Gabet和Bookter對(duì)蒙大拿州西南部山區(qū)火后泥石流的研究發(fā)現(xiàn),火后泥石流的起動(dòng)需要滿足坡面面積閾值,且泥石流的體積會(huì)隨標(biāo)準(zhǔn)化的坡面面積呈指數(shù)增長.Cannon等認(rèn)為,從坡頂?shù)侥嗍髌饎?dòng)點(diǎn)的面積及其梯度是泥石流起動(dòng)的臨界條件,并通過對(duì)面積和坡度數(shù)據(jù)的回歸分析,提出了火后泥石流起動(dòng)的坡面積閾值函數(shù):Acr(tanθ)3=S.其中,Acr為從山坡頂?shù)狡饎?dòng)地點(diǎn)的臨界面積;θ為坡度;S為坡度45°時(shí)上坡到泥石流起動(dòng)的面積.3.2高火烈度和高火頻度的火燒引起泥石流的主要發(fā)生時(shí)間多數(shù)情況下,火后泥石流可以由淺層土壤滑坡或地表徑流單獨(dú)引發(fā),也可以由兩種起動(dòng)方式共同引發(fā).徑流和淺層滑坡引起的泥石流可以在高火烈度和高火頻度的火燒區(qū)域同時(shí)發(fā)生.但兩種起動(dòng)方式的主要出現(xiàn)時(shí)間有所不同,如Meyer等研究發(fā)現(xiàn),徑流引發(fā)的泥石流趨向于在嚴(yán)重火燒后的1～2年發(fā)生,而淺層滑坡是在火后的5～10年發(fā)生.3.2.1土壤滑坡引發(fā)的火后泥石流由于火對(duì)植被的破壞及其對(duì)土壤水文特質(zhì)的改變,引起了淺層滑坡,隨后引發(fā)泥石流.淺層滑坡引起的泥石流,是火后泥石流的重要機(jī)制,一些火燒跡地上淺層滑坡的物質(zhì)流動(dòng)是泥石流沉積物的主要來源.Wondzell和King調(diào)查發(fā)現(xiàn),西北太平洋地區(qū)的火后泥石流主要是由土壤飽和及火后根腐爛導(dǎo)致的土壤粘結(jié)力喪失造成的滑坡所引發(fā).Wells和Boooker也對(duì)土壤滑坡引起的火后泥石流進(jìn)行了研究.在這類火后泥石流的起動(dòng)過程中,首先發(fā)生土壤滑坡.土壤滑坡是由降雨滲透引發(fā),其發(fā)生與火燒跡地的土壤離散化破壞、蒸發(fā)率下降和土壤濕度增加有關(guān).強(qiáng)降雨條件下,山坡上缺少植被的保護(hù),特別是喬木死亡后其根系遭到破壞會(huì)增加土壤孔隙水壓力,尤其是崩積層根系的破壞會(huì)明顯增加土壤孔隙水壓力.當(dāng)疏水層上方土壤表層(1～3cm)達(dá)到飽和后,土壤孔隙水壓力持續(xù)增大引發(fā)淺層滑坡.滑坡在重力的驅(qū)動(dòng)下通過搖動(dòng)、滑動(dòng)轉(zhuǎn)移了疏松的坡面物質(zhì),進(jìn)而引發(fā)泥石流的起動(dòng).3.2.2地表徑流引起的泥石流火后徑流率的增加,是觸發(fā)火后泥石流的重要原因.由地表徑流引發(fā)的火后泥石流是火后泥石流的另一種重要類型.在一些地區(qū),地表徑流引發(fā)的火后泥石流比土壤滑坡引發(fā)的泥石流更易發(fā)生.Cannon調(diào)查發(fā)現(xiàn),土壤滑坡物體積只占火后泥石流沉積物總體積的7%.Wondzell和King研究發(fā)現(xiàn),火后泥石流發(fā)生率的提高與地表徑流發(fā)生率的提高緊密相關(guān).Santi等研究表明,過火泥石流主要是由地表徑流引發(fā),通過泥石流侵蝕面積的增大和移動(dòng)物質(zhì)數(shù)量的增多而發(fā)展.Gabet和Bookter認(rèn)為,在火后泥石流的起動(dòng)過程中,地表徑流使沉積物增加了更多的負(fù)載,直到轉(zhuǎn)變成泥石流.調(diào)查發(fā)現(xiàn),平行的溪流在山坡上部經(jīng)常被觀察到.如Nyman等在火后發(fā)現(xiàn),在渠道起動(dòng)之前,坡面頂端大量小溪出現(xiàn)在原來沒有渠道的區(qū)域.很多研究表明,在火后泥石流發(fā)生的陡坡上端的平坦區(qū)域,存在一個(gè)廣泛的小溪網(wǎng)絡(luò),這樣的小溪和水溝的形成在科羅拉多州、西墨西哥州、黃石公園發(fā)生火后泥石流的斜坡上部也被發(fā)現(xiàn).說明在坡面頂端已經(jīng)存在坡面侵蝕,當(dāng)這些小溪匯流以后則可導(dǎo)致火后泥石流的起動(dòng).這種由地表徑流引起的火后泥石流的起動(dòng)也與土壤表面疏水層的形成密切相關(guān).火后疏水層的增加很常見,而疏水層的存在提高了徑流量,為高徑流的產(chǎn)生做出了貢獻(xiàn).膨脹型泥石流是火后地表徑流引起的泥石流的重要形式之一.受到植被攔截的缺失、疏水層的存在、土壤空隙被灰堵塞、土壤表面粗糙度降低等因素的影響,燃燒區(qū)域具有產(chǎn)生和放大地表徑流的能力,進(jìn)而導(dǎo)致陡坡上方溪流的發(fā)展壯大,當(dāng)其流到山坡時(shí),徑流持續(xù)膨脹.在這個(gè)過程中,溪流逐步匯集,提高了沉積物的數(shù)量,增加了地表徑流可以漸進(jìn)地?cái)y帶的物質(zhì).一旦溪流匯集,徑流能攜帶大量的沉積物沖刷凹面,越來越深地加深溝道.轉(zhuǎn)移能力的提高導(dǎo)致強(qiáng)度和剪應(yīng)力的提高,這可以鑒定從稀性泥石流到粘性泥石流的轉(zhuǎn)變.膨脹型泥石流起動(dòng)的臨界過程出現(xiàn)在大流量地面水流產(chǎn)生之時(shí).在大多數(shù)對(duì)美國西部火后泥石流的研究中,將地表徑流持續(xù)夾帶沉積物作為泥石流起動(dòng)過程的標(biāo)志.一旦泥石流可以阻止高孔隙壓力的擴(kuò)散,將有助于保持泥石流行為.4火后泥石流的預(yù)報(bào)告與處理4.1火后泥石流的預(yù)測(cè)值4.1.1火后泥石流體積預(yù)測(cè)模型高強(qiáng)度的林火會(huì)降低泥石流發(fā)生的降雨閾值,并可使以前沒有出現(xiàn)過泥石流的山坡變?yōu)槟嗍鞯拿舾械貐^(qū).因此,如果用常規(guī)的模型和方法對(duì)過火地區(qū)的泥石流進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),很可能誤報(bào)漏報(bào),從而造成嚴(yán)重?fù)p失.而經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪腔鸷竽嗍黝A(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的重要手段,基于地形變化、火強(qiáng)度和降雨的函數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?可成功地模擬部分條件下的泥石流風(fēng)險(xiǎn).通過對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析可以擬合出預(yù)測(cè)泥石流發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?如Gartner對(duì)科羅拉多州、猶他州和加利福尼亞州8個(gè)火燒跡地火后泥石流體積進(jìn)行調(diào)查,用多元線性回歸方程擬合出地形參數(shù)、火強(qiáng)度、物質(zhì)特性和降雨條件與火后泥石流體積之間的函數(shù)關(guān)系,得出了預(yù)測(cè)火后泥石流體積的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?其中,與火后泥石流體積聯(lián)系最密切的3個(gè)參數(shù)是平均降雨強(qiáng)度、高強(qiáng)度火過火面積、平均坡度.之后,Gartner等進(jìn)一步發(fā)展了火后泥石流經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?通過溝道侵蝕測(cè)量和流域轉(zhuǎn)移物質(zhì)估算調(diào)查了科羅拉多州、猶他州和加利福尼亞州53個(gè)新的火燒跡地泥石流的體積,并對(duì)決定泥石流體積的流域地形、每種烈度林火影響的面積、土壤物質(zhì)特性、巖型、引發(fā)泥石流的降雨強(qiáng)度和雨量等相關(guān)變量進(jìn)行測(cè)量,利用多元回歸分析分別創(chuàng)建了6個(gè)不同地區(qū)和地質(zhì)條件下獨(dú)立的火后泥石流體積預(yù)測(cè)模型;對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在坡度≥30%的流域面積,利用中、高強(qiáng)度火過火面積和總降雨量建立模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性最高,通過與實(shí)測(cè)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,87%的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)化殘差在2以內(nèi).為了提高火后泥石流預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性,數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法也被用于泥石流的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中,并取得了較好的效果.Friedel通過科羅拉多州、猶他州和加利福尼亞州火后泥石流數(shù)據(jù)的數(shù)值分析,提出了火后泥石流的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型.與其他經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾?使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法所得非線性相容方程進(jìn)行預(yù)測(cè)只有很小的不確定性.通過流域平均坡度、總過火面積和總降雨3個(gè)變量獲得的非線性方程預(yù)測(cè)效果最好.4.1.2火后泥石流形成機(jī)理泥石流預(yù)報(bào)是重要的減災(zāi)方法之一,而泥石流的預(yù)測(cè)模型是泥石流預(yù)報(bào)的重要基礎(chǔ).在建立泥石流的預(yù)測(cè)模型后,通過將其與遙感技術(shù)相結(jié)合可繪制火后泥石流發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)地圖,進(jìn)而進(jìn)行火后泥石流的預(yù)報(bào).Bisson等和Cannon等在這方面做了很好的嘗試.Bisson等提出通過3個(gè)步驟快速評(píng)估不同地區(qū)火后泥石流發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的方法:首先通過提取LANDSATETM衛(wèi)星圖像信息快速確定過火區(qū)域,然后通過地形參數(shù)評(píng)估火后泥石流發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),最后通過分析下游房屋道路等建筑物來評(píng)估泥石流可能造成的損失.該方法可對(duì)火場下游可能被淹沒的地區(qū)進(jìn)行分類.Bisson等將該方法應(yīng)用于2001年秋季至2002年秋季西西里島火后泥石流的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),結(jié)果表明,總過火面積76.37km2中,6.4%的火場是火后泥石流高危地區(qū),54.4%是中等危險(xiǎn)地區(qū),43.2%是低危險(xiǎn)區(qū)域.Cannon等用Logistic回歸對(duì)貫穿美國西部山間15個(gè)燃燒區(qū)域388個(gè)地點(diǎn)火后泥石流信息構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析,獲得了基于過火面積、土壤性質(zhì)、地形和降雨等易得數(shù)據(jù)的泥石流風(fēng)險(xiǎn)函數(shù),同時(shí)提出一個(gè)用來評(píng)估特定降雨后單個(gè)火燒跡地火后泥石流發(fā)生幾率和體積的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?并將模型的計(jì)算結(jié)果輸入到地理信息系統(tǒng)(GIS)中,在火燒之前或剛過火后立即形成火后泥石流的風(fēng)險(xiǎn)地圖.該繪圖方法標(biāo)示出了整個(gè)美國西部大規(guī)模火后泥石流發(fā)生的敏感地點(diǎn),為過火侵蝕預(yù)警、減緩措施設(shè)置、森林火災(zāi)撲救等提供了必要信息.4.2治理措施及效果火后泥石流在世界范圍內(nèi)廣泛發(fā)生,引起水土流失、水質(zhì)污染等生態(tài)環(huán)境問題,以及沖毀公路、毀壞房屋、傷及人命、影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)林及旅游業(yè)發(fā)展等社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題.因此,需要采取有效的減災(zāi)措施對(duì)火后泥石流進(jìn)行治理,以降低其危害、減少其所造成的損失.為了控制減緩科羅拉多州西南山區(qū)火后泥石流對(duì)下游堤壩的破壞,DeWolfe等采用攔沙壩、侵蝕障礙、秸稈覆蓋和種植樹苗等治理措施,并比較了治理效果,結(jié)果表明,綜合運(yùn)用各種減緩措施的治理效果很好,可有效攔截火后泥石流的沉積物;在各種治理方法中,侵蝕障礙最有效,其次是手工鋪設(shè)秸稈,而種植樹苗的效果最差.在美國農(nóng)業(yè)部林業(yè)局落基山研究站的研究發(fā)現(xiàn),在火后的第一年,所有的防治措施中,原木攔截是最有效的坡面處理方法,可以快速地對(duì)流域產(chǎn)生保護(hù)作用,而種草的防治效果最差,大部分草被地表徑流沖毀,未能有效發(fā)揮防治作用.在選擇火后泥石流治理措施時(shí)須注意,每種減緩措施都會(huì)因?yàn)閱为?dú)作用或不適當(dāng)?shù)慕ㄔ旌蛻?yīng)用而表現(xiàn)出不同的降低侵蝕和沉積的作用能力.應(yīng)采取多種措施、多種方法的協(xié)同運(yùn)用,對(duì)火后泥石流進(jìn)行綜合治理,同時(shí)應(yīng)做到每個(gè)治理措施的合理布局、確保安裝質(zhì)量,并及時(shí)對(duì)措施進(jìn)行維護(hù)以延長其使用壽命.5火后泥石流治理的未來研究展望林火是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的干擾因子,具有改造景觀的功能,對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的演替及生態(tài)功能的發(fā)揮都具有重要影響.火可以促進(jìn)泥石流的發(fā)生,火燒跡地是泥石流發(fā)生的敏感地區(qū).火后泥石流具有重要的