火后泥石流的起动机制与预测预报与治理措施研究进展

火后泥石流的起动机制与预测预报与治理措施研究进展

泥石流是山区沟渠中受风暴和冰雪融化水等水源激发的一条特殊河流，包括大量沉积物。这是自然界的一个灾难过程，也是一种常见的自然灾害。泥石流的发生和发展受到许多因素的影响。林火是森林生态系统的一个重要干扰因素，对森林泥石流的发生有一定影响。在研究了这场火灾后的几个月和下一年，当火灾发生时，土壤和水文特征发生了变化，在森林火影响区域，森林火会导致土壤和水文特征的质量变化。在森林火影响区域，如果火灾导致土壤水分和水文特征发生显著变化，则火后土壤侵蚀和泥石流的风险会显著增加。林火后靠近火的泥石流通常必须经历强烈的土壤侵蚀。泥石流的风险通常显著增加。对于林火附近发生的岩石，称为火后泥石流，但目前没有严格的定义。火后泥石流的发生与林火密切相关。林火可以从多个方面促进泥石流的发生，这是火后泥石流形成的主要原因。同时，火操作指标，如火强度、火烈度和火频率，直接影响泥石流的运动和程度。其次，熔渣沉积中的小沉积物含量高，林火是生物燃烧过程中，导致大量植物和灰烬。同时，由于土壤结构的破坏和植被根系的破坏，大量沉积物发生。因此，岩屑沉积在火灾后的沉积中。第三，岩屑沉积的发生周期与植被恢复密切相关。林火将植物和土壤置于火灾后，导致大量植物和土壤。同时，由于土壤和植被根系的破坏，它们导致大量沉积物。因此，岩屑沉积在火后的沉积中含量高。第三，岩屑沉积的发生周期与植被恢复密切相关。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导致根系腐烂，降低土壤的粘附力。火灾后，植物再次重生。随着植被的恢复，土壤保护对火后的影响显著降低。最后，火后泥石流的发生与稀疏层密切相关。稀疏层是指土壤表面枝条落叶层以下的不溶于水的物质。火灾时，土壤形成一个大的温度层。这些物质在蒸汽作用下附着在土壤的底层。当水渗透时，这些不溶解的物质附着在不同土层深度的土壤表面。这些不溶解。泥石流发生时很难预警,且具有很强的破坏力,既可破坏土壤结构导致土壤退化、破坏生态环境,又会威胁到人民群众的生命财产安全.火后泥石流的发生会造成土壤侵蚀、污染下游水质,对当地的生态环境和农林业发展以及人民群众的生产生活产生重要影响.由于气候变暖,很多地区出现暖干化趋势,在此背景下全球林火呈增多态势.在我国,泥石流分布广泛,有很多泥石流发生的脆弱敏感山区.因此了解火对泥石流的影响,探明火后泥石流起动发展过程,掌握火后泥石流的预测预报与治理措施,对于降低火后泥石流的发生,减少其造成的损失,保护生态环境和人民生命财产安全均具有重要意义.1火后泥石流形成机理火后泥石流的研究源于在泥石流的调查中发现了其与林火之间的联系.20世纪90年代左右,Wells、Wohl和Pearthree在泥石流调查时发现,林火发生后,由于火烧毁了坡顶植被,泥石流发生率显著增加,从而发现了泥石流发生与林火之间的关系.随后,很多国家和地区的学者开始了火后泥石流的调查研究.通过野外现场考察,可以掌握火后泥石流发生的概况,通过测量和数据分析可对泥石流的流量、流速以及泥石流起动、运动过程进行估测.因此,早期对泥石流发生的研究集中在火后泥石流的野外调查现场观测和技术档案的建立,以及泥石流沉积物产生过程的分析和解释两方面.1996年,Cannon和Reneau对3个新墨西哥州火烧迹地的火后泥石流进行调查,并评估了坡面特性、渠道特性,以及火特性与火后泥石流敏感性的关系.2001年,Cannon又调查了新墨西哥州、科罗拉多州和加利福尼亚州95个火烧迹地火后泥石流对暴雨的反应.之后,Cannon等采用基质、地表物源和泥石流路径地图(1∶5000)与10m的地势数字高程模型相结合,评估了火后泥石流发生的过程.Gabet和Bookter调查了2001年秋天一个强风暴在蒙大拿州西南部引发的火后泥石流,并通过对6个冲沟的形态测定分析,推断了火后泥石流起动的相关过程.Meyer等对爱达荷州中西部1996年10月末至1997年1月1日的长期强降雨和降雪融水在1989年火烧迹地引发的火后泥石流进行调查.Wondzell和King调查分析了火对美国西部森林侵蚀过程影响的总体概况.Santi等调查研究了加利福尼亚州、犹他州和科罗拉多州9个不同燃烧区的46个火后泥石流.Conedera等对1997年8月28日瑞士的火后泥石流进行调查分析.Nyman等对2003—2009年发生在澳大利亚东南部包括火后泥石流在内的火后侵蚀进行了系统记录.Meyer和Wells调查了黄石公园一个小沉积扇,分析了火后泥石流的起动过程.Smith等对桉树林火后泥石流对下游细小沉积物(<63μm)的贡献进行研究.通过野外现场观测,能提高人们对泥石流起动、运动过程的认识.但野外现场观测难以反映火后泥石流发生的全貌,随着遥感技术的发展和广泛应用,一些学者将其引入到火后泥石流的研究中.如Cannon等采用卫星图片和现场观测相结合的方法,对科罗拉多州1994年一场森林火灾后泥石流发生的情况进行了研究.野外调查观测对泥石流沉积量都是近似的估算,不够精确,而且不易区分沉积物组成的来源.而林火中生物质燃烧产生的灰烬等物质在泥石流沉积物中所占比例也不明确.放射性元素在确定沉积物组成与来源方面具有独特的作用,目前在泥石流研究中放射性元素示踪技术应用的越来越广泛,而7Be7和210Pbxs与灰烬、腐殖质和土壤有机质联系密切,137Cs与下层的矿质土联系密切,因此通过这3种放射性元素可以对火后泥石流沉积物的组成和来源进行很好的示踪.如Blake等采用210Pbxs、137Cs和7Be放射性元素量化研究了中等强度林火发生后火后泥石流导致的土壤重新分布规律.Smith等使用放射性元素137Cs、210Pbex、239,240Pu测量了澳大利亚东南部山区火后泥石流沉积物中山坡表面、沟道、堤坝和冲积扇沉积物中细小沉积物(<10μm)的含量.Wilkinson等应用放射性元素137Cs和210Pbxs对澳大利亚悉尼附近的一条经历过中等强度火烧的河流网中的细小沉积物的物源进行了示踪分析.放射性元素追踪可以有效地定量评价火后沉积物量组成及火对流域沉积量的贡献.由于灰烬是林火燃烧的主要产物,也是火后泥石流与其他类型泥石流的重要区别所在,所以其在泥石流发生中的作用,是揭示火后泥石流产生机理的重要内容.在对泥石流的产生过程有所了解后,关于灰烬在泥石流发生过程中的作用成为一个需要明确的问题.Gabet和Sternberg通过对火后泥石流沉积物的分析,指出森林植物灰烬具有提高地表径流容积和运输能力的作用.Cannon等和Parrett通过对火烧迹地坡面侵蚀沉积进行调查,分析了植物灰烬与膨胀泥石流起动、运动间的关系,揭示了灰烬对火后膨胀型泥石流形成的影响机理.Mallik等、Cerda、Martin和Moody分别通过降雨模拟试验,测试了不同降雨强度下灰烬对土壤水文过程及泥石流形成的影响.这些研究虽然没有明确灰烬含量与火后泥石流的数量关系,但已定性表明,灰烬对火后泥石流具有促进作用.泥石流的起动条件和起动机制,是泥石流预测预报的基础,也是泥石流机理研究的核心内容,因此在积累了一定的调查数据后,学者们开始对火后泥石流的起动条件和起动机制进行分析研究.火后泥石流的起动受到多种因素的影响,其起动条件也涉及多个方面.Cannon等对火后泥石流起动的地形地质条件进行了调查分析,发现火后泥石流主要发生在陡坡火烧迹地和风化花岗岩下.Nyman等研究了火后泥石流起动的降雨阈值,提出了火后泥石流起动的降雨阈值经验公式.Cannon等通过对火烧迹地泥石流的评估提出了火相关泥石流起动坡面积阈值的概念,并描述了泥石流起动的经验模型.而火后泥石流主要由地表径流或浅层滑坡起动.Santi等对加利福尼亚州、犹他州和科罗拉多州火后泥石流的研究表明,火后泥石流主要由地表径流引发.Nyman等的调查结果同样表明,干旱型桉树林过火泥石流主要由地表径流起动.而Wondzell和King研究发现,西北太平洋地区的火后泥石流主要是由滑坡所引发.对火后泥石流的发生规律有了一定认识后,相关研究的重点转移到火后泥石流的预测预报方法上.Bisson等提出了一种通过经验模型与遥感技术相结合的快速评估火后泥石流的方法.Cannon等用一个经验模型评估火后泥石流发生的几率和体积,并将其引入地理信息系统(GIS)中,以形成火后泥石流风险地图.为了减少火后泥石流所带来的损失,火后泥石流的治理受到广泛关注.为了降低火后泥石流对下游水库的损害,DeWolfe等研究了拦沙坝、侵蚀障碍、秸秆覆盖和种植树苗对火后泥石流的控制效果.Wohlgemuth等研究了南加利福尼亚州计划烧除火烧迹地上播种草对土壤侵蚀的减缓作用.美国农业部林业局落基山研究站开展了火烧迹地紧急恢复处理技术的研究,比较了原木拦截、秸秆覆盖、播种等控制措施的效果,并测试了隔离沟、水栅栏,秸秆料包坝等对下游地区公路的保护作用.Beyers等研究了火烧迹地种植本土植物对减少火后泥石流侵蚀的效果.由于火后泥石流的研究涉及火生态学、水文学、地质学等多个学科,而我国的火生态学等学科发展晚于欧美国家,导致我国的相关研究滞后.加之火后泥石流多出现在偏僻山区,不易被发现.因此,火后泥石流的研究还没引起我国学者的关注,我国的火后泥石流研究目前尚属空白.仅李树德等在《森林植被与泥石流活动》一文中指出森林火灾毁灭植被、促使泥石流爆发,并以川藏公路巴塘段的竹巴笼沟作为例证.2林火对泥石流的影响2.1火后泥石流形成机理植被是调控泥石流发生的关键因子.植物的根系可以增加土壤粘聚力,植物的枝叶可以截流降雨,植被的凋落物可以减少地表径流,植物对土壤具有保护作用,可以有效地抑制土壤侵蚀的发生.但是,林火对植被具有严重的破坏作用.火后植被的减少主要从3方面为泥石流的发生创造了条件.首先,植物的根垫在高温中解裂和摧毁,产生了松散的、脆弱的和易于被侵蚀的土壤表面,这为泥石流的发生提供了大量的物质.其次,植被的减少会改变森林土壤水文特质,提高地表径流和渗透能力.对过火侵蚀过程的研究发现,在火烧数年后,土壤中根系的衰退提高了水的渗透,促进了浅层滑坡,引发滑坡型泥石流.最后,植物叶面积的减少、凋落物和腐殖质的消耗,降低了植被对降雨的截流,会提高雨滴侵蚀.Providoli等对瑞士南部火烧迹地的调查发现,植被减少后降雨的溅击侵蚀显著提高,这对火后泥石流的发生也有一定促进作用.大量研究表明,火后植被保护的丧失,明显提高了泥石流的发生.如在西班牙山区,定期的计划烧除引起植被退化,使灌木丛变成了草地,导致火后泥石流频繁发生.在对比研究中,缺少植被保护的火烧迹地的土壤侵蚀率显著升高,而在植被没有受到干扰的对照样地中则不易发生泥石流.当火后植物可以快速定植时,能够对泥石流的发生起到强烈的抑制作用.如García-Ruiz等研究发现,在有些区域,由于火后植被的快速定植,尽管经历了强降雨,而火烧迹地的泥石流却从没有发生.但是多数情况下,火烧迹地由于植被保护的缺失,提高了泥石流的侵蚀率,而火后泥石流的侵蚀进一步导致土壤的退化和土地的空旷,不利于植被定植,导致后续泥石流的侵蚀率提高.Lorente等在火后泥石流的研究中报道了这种植被缺失与泥石流侵蚀之间的相互促进作用.在这种情况下,火后植物很难快速定植,需要较长的时间进行恢复,而随着植被的恢复,其对土壤保护作用的增强,火后泥石流发生的风险则会降低.Cerdá对地中海过火灌木丛坡面流的研究,以及Prosser和Williams对过火桉树林的地表径流与侵蚀的研究均表明,火烧迹地的植被得到恢复后,泥石流的发生率会降低.2.2wolbachia对林火后泥石流形成的影响降雨阈值是确定泥石流起动的重要标准,是泥石流预测预报中的重要参数.通常泥石流的出现需要高强度的降雨.火后泥石流的起动也需要一定的降雨条件.由于火后植被保护的缺失,以及地表凋落物与腐殖质的消耗和土壤疏水层及土壤结构变化的影响,在火烧迹地,泥石流起动的降雨阈值会降低.Prochaska等研究发现,在同一次降雨过后,火烧迹地发生了严重的泥石流,而附近未燃烧林地未出现泥石流,这表明火烧增加了斜坡发生泥石流的敏感性,降低了泥石流起动的降雨阈值.降雨阈值的降低会导致林火过后,泥石流在以前没有出现过的地区发生.Cannon等对科罗拉多西南和加利福尼亚南部火后泥石流的调查发现,林火过后,在频繁的降雨中,由于降雨阈值的降低,泥石流可以在以前没有预报过的地方发生.Moody和Martin也报道了一个相似情况,火后在一些原来没有预报过的地方发生了泥石流,通过沉积物分析发现,火后泥石流导致沉积物体积提高了200倍.2.3火后泥石流的形成机制物源指泥石流发生所需要的物质的来源,物源是泥石流发生的必备条件之一,好的沉积物物源是产生泥石流的必要条件.在林火燃烧过程中,林火产生的高温会破坏土壤结构,导致土壤容重、孔隙率等物理性质发生剧烈改变,同时由于植物的大量死亡导致根系腐烂,降低了土壤的粘聚力,这些变化导致火烧迹地出现大量松散的泥沙.生物质燃烧过程中产生的大量灰烬木炭等也是泥石流发生的重要物质.火烧迹地松散的泥沙和大量的灰烬是火后泥石流发生的重要物源.Reneau等对一个燃烧区下游水库沉积物的分析表明,沉积物与灰烬含量呈显著正相关.Smith等的调查结果显示,火后泥石流发生后,山顶渠道沉积物中的灰分含量有所降低,而底部的灰分含量增加.Wilkinson等调查发现,林火的发生导致下游沉积物组成发生转变,原来的细小沉积物80%来自渠道的河床侵蚀,但火后细小沉积物86%来自坡面侵蚀.另外,火后疏水层的形成也会导致火后泥石流物源的变化.Cannon调查了美国新墨西哥州、科罗拉多和加利福尼亚95个火烧迹地的火后泥石流沉积物,结果发现,土壤疏水层的出现降低了沉积物中大体积物质的含量,提高了细小沉积物的含量.2.4灰的含量对地表径流的影响森林生物质燃烧产生的灰烬层不仅是火后泥石流的重要物源,而且对火后泥石流的发生具有复杂的影响.一方面,草木灰具有吸水的特性,覆盖在火烧迹地地表的草木灰对土壤具有一定的保护作用.Cerda、Martin和Moody通过模拟降雨试验发现,灰烬层可以通过吸收水分延缓地表径流的起动.Woods和Balfour发现,灰烬吸收了模拟的降雨,进而延迟了地表径流的起动从而降低了地表径流的体积.另外,模拟试验发现,由于草木灰具有减少地表径流和减少地表受雨滴冲击的作用,在灰烬覆盖区的侵蚀量非常小.但是,这些模拟试验结果与实际火后地表径流和火后泥石流增加的情况明显相互矛盾.这是因为灰烬层对土壤的保护作用只有在降雨量非常小的时候或降雨的早期才能表现出来.Woods和Balfour指出,当降雨量充足可以使灰烬层达到充分饱和时,灰烬层则变成了流;Wells和Gabet则在调查中发现了这些细小的流.在灰烬层达到充分饱和的条件下,一旦地表径流产生,它就会转变成含有灰烬的泥浆,从而对泥石流的发生产生促进作用.Gabet和Sternberg研究发现,泥浆的渗透率随着灰分含量的上升而降低,而草木灰增强了流体密度,地表径流的转移能力会因灰含量的增加而增强;草木灰在土壤表面的出现,降低了水流的渗透能力,尤其是湿草木灰的作用更加明显.Mallik等通过降雨模拟试验发现,火后的土壤渗透容量有所降低,推测这可能是因为灰烬堵塞了土壤孔隙.大量研究表明,灰烬与火后地表径流引发的膨胀型泥石流具有非常紧密的联系.Cannon等发现,火后膨胀泥石流沉积物中草木灰含量非常高,而在附近的未火烧的山坡则没有形成膨胀型泥石流.Parrett在观测泥石流灰烬含量后指出,灰烬与膨胀型泥石流的产生之间具有紧密联系.Gabet和Sternberg认为,火烧迹地地表的草木灰可能是膨胀型泥石流的必要条件.3火后泥石流形成机制3.1火后泥石流发生条件火可以提高泥石流发生的风险,但是泥石流不是火后的普遍反应,不是所有的火烧迹地都会产生泥石流.火后泥石流的发生需满足特殊的地形地质、降雨、坡面面积等必要条件.3.1.1火后边坡下的泥石流从地形条件看,陡坡是火后泥石流多发区域,火后泥石流主要发生在陡坡火烧迹地.在陡坡,林火强烈地改变了土壤特性,由于林火强大的破坏作用,火后峭壁的侵蚀率明显上升.在最近的几十年里,火后陡坡泥石流一直被当做过火侵蚀最重要的模式,过火后的森林峭壁环境所发生的泥石流导致严重的侵蚀和下坡沉积物的重新分配.火后泥石流的发生也需要一定的地质条件,即边坡的风化和侵蚀.只有在上游积攒了足够多风化物的火烧迹地才会引发泥石流.如果风化物的积聚不充足,那么在林火后冲入到渠道中的物质只能移动很短的一段沟道.崩积层和岩石风化也促进了泥石流的产生.Cannon调查发现,火后泥石流易发生在风化花岗岩下.3.1.2火后泥石流强度降雨与泥石流的发生具有紧密联系,只有降雨条件达到降雨阈值,火后泥石流才能起动.Cannon等对科罗拉多州西南和加利福尼亚南部火烧迹地泥石流的降雨条件进行了分析,结果表明,美国科罗拉多州25个火烧迹地短时强降雨后6～10min后泥石流起动,约80%的暴风雨可以引发火后泥石流,泥石流的持续时间均短于3h;科罗拉多州西南部产生可以威胁到人类生命财产安全的大量级泥石流的降雨阈值条件为I=9.5D-0.7(I为降雨强度,D为该强度降雨的持续时间).Cannon等对加利福尼亚州南部的长历时降雨引发68个火烧迹地产生的火后泥石流进行调查发现,火后泥石流持续时间为2～16h,降雨持续时间长达5.5～33h,平均降雨强度在1.3～20.4mm·h-1,重现期小于2年;在火后第一年冬季,加利福尼亚州南部山区火烧迹地产生会影响到生命财产安全量级泥石流的降雨阈值条件是I=7.2D-0.4;在火后第二年,由于植被恢复和沉积物被转移的影响,降雨阈值条件为I=14.0D-0.5,约比火后第一年的阈值高25mm·h-1.Nyman等通过雷达图像提取了澳大利亚东南部山区引发泥石流降雨事件的降雨强度和持续时间,结果表明,火后泥石流发生的降雨强度是I30=35～59mm·h-1;在干旱森林引发了火后泥石流的降雨阈值,在湿润森林并没有引发泥石流,这说明不同森林类型的火后泥石流降雨阈值存在差别.3.1.3坡面面积阈值大量研究表明,火后泥石流的沉积物主要来源于坡面侵蚀.如Nyman等对桉树林火后泥石流的调查发现,坡面贡献了总侵蚀材料的25%～65%.坡面侵蚀与坡面面积具有紧密联系,坡面面积也是影响火后泥石流起动的一个重要条件.Gabet和Bookter对蒙大拿州西南部山区火后泥石流的研究发现,火后泥石流的起动需要满足坡面面积阈值,且泥石流的体积会随标准化的坡面面积呈指数增长.Cannon等认为,从坡顶到泥石流起动点的面积及其梯度是泥石流起动的临界条件,并通过对面积和坡度数据的回归分析,提出了火后泥石流起动的坡面积阈值函数:Acr(tanθ)3=S.其中,Acr为从山坡顶到起动地点的临界面积;θ为坡度;S为坡度45°时上坡到泥石流起动的面积.3.2高火烈度和高火频度的火烧引起泥石流的主要发生时间多数情况下,火后泥石流可以由浅层土壤滑坡或地表径流单独引发,也可以由两种起动方式共同引发.径流和浅层滑坡引起的泥石流可以在高火烈度和高火频度的火烧区域同时发生.但两种起动方式的主要出现时间有所不同,如Meyer等研究发现,径流引发的泥石流趋向于在严重火烧后的1～2年发生,而浅层滑坡是在火后的5～10年发生.3.2.1土壤滑坡引发的火后泥石流由于火对植被的破坏及其对土壤水文特质的改变,引起了浅层滑坡,随后引发泥石流.浅层滑坡引起的泥石流,是火后泥石流的重要机制,一些火烧迹地上浅层滑坡的物质流动是泥石流沉积物的主要来源.Wondzell和King调查发现,西北太平洋地区的火后泥石流主要是由土壤饱和及火后根腐烂导致的土壤粘结力丧失造成的滑坡所引发.Wells和Boooker也对土壤滑坡引起的火后泥石流进行了研究.在这类火后泥石流的起动过程中,首先发生土壤滑坡.土壤滑坡是由降雨渗透引发,其发生与火烧迹地的土壤离散化破坏、蒸发率下降和土壤湿度增加有关.强降雨条件下,山坡上缺少植被的保护,特别是乔木死亡后其根系遭到破坏会增加土壤孔隙水压力,尤其是崩积层根系的破坏会明显增加土壤孔隙水压力.当疏水层上方土壤表层(1～3cm)达到饱和后,土壤孔隙水压力持续增大引发浅层滑坡.滑坡在重力的驱动下通过摇动、滑动转移了疏松的坡面物质,进而引发泥石流的起动.3.2.2地表径流引起的泥石流火后径流率的增加,是触发火后泥石流的重要原因.由地表径流引发的火后泥石流是火后泥石流的另一种重要类型.在一些地区,地表径流引发的火后泥石流比土壤滑坡引发的泥石流更易发生.Cannon调查发现,土壤滑坡物体积只占火后泥石流沉积物总体积的7%.Wondzell和King研究发现,火后泥石流发生率的提高与地表径流发生率的提高紧密相关.Santi等研究表明,过火泥石流主要是由地表径流引发,通过泥石流侵蚀面积的增大和移动物质数量的增多而发展.Gabet和Bookter认为,在火后泥石流的起动过程中,地表径流使沉积物增加了更多的负载,直到转变成泥石流.调查发现,平行的溪流在山坡上部经常被观察到.如Nyman等在火后发现,在渠道起动之前,坡面顶端大量小溪出现在原来没有渠道的区域.很多研究表明,在火后泥石流发生的陡坡上端的平坦区域,存在一个广泛的小溪网络,这样的小溪和水沟的形成在科罗拉多州、西墨西哥州、黄石公园发生火后泥石流的斜坡上部也被发现.说明在坡面顶端已经存在坡面侵蚀,当这些小溪汇流以后则可导致火后泥石流的起动.这种由地表径流引起的火后泥石流的起动也与土壤表面疏水层的形成密切相关.火后疏水层的增加很常见,而疏水层的存在提高了径流量,为高径流的产生做出了贡献.膨胀型泥石流是火后地表径流引起的泥石流的重要形式之一.受到植被拦截的缺失、疏水层的存在、土壤空隙被灰堵塞、土壤表面粗糙度降低等因素的影响,燃烧区域具有产生和放大地表径流的能力,进而导致陡坡上方溪流的发展壮大,当其流到山坡时,径流持续膨胀.在这个过程中,溪流逐步汇集,提高了沉积物的数量,增加了地表径流可以渐进地携带的物质.一旦溪流汇集,径流能携带大量的沉积物冲刷凹面,越来越深地加深沟道.转移能力的提高导致强度和剪应力的提高,这可以鉴定从稀性泥石流到粘性泥石流的转变.膨胀型泥石流起动的临界过程出现在大流量地面水流产生之时.在大多数对美国西部火后泥石流的研究中,将地表径流持续夹带沉积物作为泥石流起动过程的标志.一旦泥石流可以阻止高孔隙压力的扩散,将有助于保持泥石流行为.4火后泥石流的预报告与处理4.1火后泥石流的预测值4.1.1火后泥石流体积预测模型高强度的林火会降低泥石流发生的降雨阈值,并可使以前没有出现过泥石流的山坡变为泥石流的敏感地区.因此,如果用常规的模型和方法对过火地区的泥石流进行预测预报,很可能误报漏报,从而造成严重损失.而经验模型是火后泥石流预测预报的重要手段,基于地形变化、火强度和降雨的函数经验模型,可成功地模拟部分条件下的泥石流风险.通过对调查数据进行回归分析可以拟合出预测泥石流发生风险的经验模型.如Gartner对科罗拉多州、犹他州和加利福尼亚州8个火烧迹地火后泥石流体积进行调查,用多元线性回归方程拟合出地形参数、火强度、物质特性和降雨条件与火后泥石流体积之间的函数关系,得出了预测火后泥石流体积的经验模型,其中,与火后泥石流体积联系最密切的3个参数是平均降雨强度、高强度火过火面积、平均坡度.之后,Gartner等进一步发展了火后泥石流经验模型,通过沟道侵蚀测量和流域转移物质估算调查了科罗拉多州、犹他州和加利福尼亚州53个新的火烧迹地泥石流的体积,并对决定泥石流体积的流域地形、每种烈度林火影响的面积、土壤物质特性、岩型、引发泥石流的降雨强度和雨量等相关变量进行测量,利用多元回归分析分别创建了6个不同地区和地质条件下独立的火后泥石流体积预测模型;对模型进行检验发现,在坡度≥30%的流域面积,利用中、高强度火过火面积和总降雨量建立模型的预测准确性最高,通过与实测数值进行对比验证,87%的实测值与预测值的标准化残差在2以内.为了提高火后泥石流预测模型的准确性,数据驱动方法也被用于泥石流的预测预报中,并取得了较好的效果.Friedel通过科罗拉多州、犹他州和加利福尼亚州火后泥石流数据的数值分析,提出了火后泥石流的数据驱动模型.与其他经验模型相比,使用数据驱动方法所得非线性相容方程进行预测只有很小的不确定性.通过流域平均坡度、总过火面积和总降雨3个变量获得的非线性方程预测效果最好.4.1.2火后泥石流形成机理泥石流预报是重要的减灾方法之一,而泥石流的预测模型是泥石流预报的重要基础.在建立泥石流的预测模型后,通过将其与遥感技术相结合可绘制火后泥石流发生的风险地图,进而进行火后泥石流的预报.Bisson等和Cannon等在这方面做了很好的尝试.Bisson等提出通过3个步骤快速评估不同地区火后泥石流发生风险的方法:首先通过提取LANDSATETM卫星图像信息快速确定过火区域,然后通过地形参数评估火后泥石流发生的风险,最后通过分析下游房屋道路等建筑物来评估泥石流可能造成的损失.该方法可对火场下游可能被淹没的地区进行分类.Bisson等将该方法应用于2001年秋季至2002年秋季西西里岛火后泥石流的预测预报,结果表明,总过火面积76.37km2中,6.4%的火场是火后泥石流高危地区,54.4%是中等危险地区,43.2%是低危险区域.Cannon等用Logistic回归对贯穿美国西部山间15个燃烧区域388个地点火后泥石流信息构成的数据库进行分析,获得了基于过火面积、土壤性质、地形和降雨等易得数据的泥石流风险函数,同时提出一个用来评估特定降雨后单个火烧迹地火后泥石流发生几率和体积的经验模型,并将模型的计算结果输入到地理信息系统(GIS)中,在火烧之前或刚过火后立即形成火后泥石流的风险地图.该绘图方法标示出了整个美国西部大规模火后泥石流发生的敏感地点,为过火侵蚀预警、减缓措施设置、森林火灾扑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围内广泛发生,引起水土流失、水质污染等生态环境问题,以及冲毁公路、毁坏房屋、伤及人命、影响当地农林及旅游业发展等社会经济问题.因此,需要采取有效的减灾措施对火后泥石流进行治理,以降低其危害、减少其所造成的损失.为了控制减缓科罗拉多州西南山区火后泥石流对下游堤坝的破坏,DeWolfe等采用拦沙坝、侵蚀障碍、秸秆覆盖和种植树苗等治理措施,并比较了治理效果,结果表明,综合运用各种减缓措施的治理效果很好,可有效拦截火后泥石流的沉积物;在各种治理方法中,侵蚀障碍最有效,其次是手工铺设秸秆,而种植树苗的效果最差.在美国农业部林业局落基山研究站的研究发现,在火后的第一年,所有的防治措施中,原木拦截是最有效的坡面处理方法,可以快速地对流域产生保护作用,而种草的防治效果最差,大部分草被地表径流冲毁,未能有效发挥防治作用.在选择火后泥石流治理措施时须注意,每种减缓措施都会因为单独作用或不适当的建造和应用而表现出不同的降低侵蚀和沉积的作用能力.应采取多种措施、多种方法的协同运用,对火后泥石流进行综合治理,同时应做到每个治理措施的合理布局、确保安装质量,并及时对措施进行维护以延长其使用寿命.5火后泥石流治理的未来研究展望林火是森林生态系统重要的干扰因子,具有改造景观的功能,对森林生态系统的演替及生态功能的发挥都具有重要影响.火可以促进泥石流的发生,火烧迹地是泥石流发生的敏感地区.火后泥石流具有重要的