西昌市经久乡森林火灾火烧区特点及火后泥石流易发性评价*

胡卸文 金 涛 殷万清 霍柱北 宋钰朋 张绍科 王 严 杨 瀛

（①西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都610031，中国）

（②凉山州地质环境监测站，西昌615000，中国）

（③四川省核工业地质局二八一大队，西昌615000，中国）

0 引 言

林火是一种常见的自然灾害，据联合国粮农组织统计数据显示，世界每年发生林火灾害近22万起，主要集中在加拿大、澳大利亚、西班牙、美国及中国（胡卸文等，2018）。而根据中国林业网统计数据显示，近5年全国发生林火共10i301起，其中有832起发生在四川省，且又以甘孜，凉山州尤为显著。森林大火不仅造成生态系统破坏，同时也带来环境污染及相关的次生地质灾害，特别是火烧迹地部位集中降雨形成泥石流灾害。Wells et al.（1987）在对美国佛罗里达州的泥石流调查时就发现，当地泥石流的发生与附近的林火之间具有紧密联系。Mitsopoulos et al.（2006）与Ffolliott et al.（2003）分别在美国亚利桑那州及地中海地区林火后的泥石流研究发现，高烈度林火与火后流域内洪峰流量的激增有明显的关系，高烈度林火发生后的洪峰流量约为火烧之前的900倍。随后Prochaska et al.（2008）也发现，同一地区在相同的降雨情况下，火烧区域发生泥石流灾害，而非火烧区域则没有暴发。Hyde et al.（2014），Nyman et al.（2015）对火烧区泥石流研究发现，火行为特征细小变化会显著影响火后发生泥石流的频率，且林火烈度越高，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。据统计，全世界火烧迹地发生火后泥石流的比例大致在60%，其中美国发生概率为35%～40%（Cannon et al.，2000，2001；Gartner et al.，2005；Nyman et al.，2011），澳大利亚约81%（Nyman et al.，2011，2015），而国内该研究明显偏弱，尚无系统的统计数据，但就本研究团队对四川省近10年的森林火烧区发生火后泥石流统计显示，该比例约70%（胡卸文等，2018）。可见，一次森林火灾后可能诱发泥石流的概率较大。

2020年3月30日，四川省凉山州西昌市经久乡一带发生特大森林火灾，过火面积超30ikm2。火灾发生后，火烧迹地地表大片裸露，坡表堆积了大量灰烬，一旦遭遇暴雨天气，诱发火后泥石流的概率极大，对坡脚附近学校、加油站、乡政街道办及泸山—邛海风景区等重要设施构成了重大威胁。因此尽快开展西昌市经久乡火烧迹地特征调查、火后泥石流易发性评价，进而提出确保坡脚保护对象安全的避让搬迁或者治理措施建议极为必要、且意义重大。

现行泥石流易发性判别主要有两种方式，一是依据专家的经验知识对泥石流易发性影响因子赋予权重，二是基于大量样本的数据统计分析来找出影响因子对泥石流易发性的影响规律，并确定其权重大小。国外学者多采用第二类研究方式，Bisson et al.（2005）对意大利南部378个火烧迹地火后泥石流易发性分析中，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危险性评价方法。2005年Cannon等分析了大量的火后泥石流数据（Gartner et al.，2004，2005）并讨论了基岩岩性和地表松散物质、流域面积和平均坡度、过火面积和火强度、斥水层等因素对于火后泥石流启动的敏感性。后来Cannon et al.又在2010年对美国西部地区388个火烧区域的数据进行多元回归分析后，提出了预测火后泥石流易发性的模型，该模型成功预测美国西部加州地区的火后泥石流暴发程度，成功率高达80%（Cannon et al.，2009）。2015年Gartner et al.通过对美国加州7个发生火后泥石流流域的384条沟道的数据进行多元逻辑回归，提出了一个基于沟道坡度、平面曲率和沟道长度的火后泥石流易发性预测函数。目前我国对类似特殊成因的泥石流研究多聚焦于震后泥石流（如李宁等，2020），而对于火后泥石流的研究起步较晚，近年来主要集中于火后泥石流的成灾机理及防治等研究（胡卸文等，2018；任云等，2018；王严等，2019；杨瀛等，2020），对于火后泥石流易发性的研究近乎空白，仅任云等（2018）对四川九龙县色脚沟火后泥石流的4条支沟进行了危险性评价研究。同时研究样本的欠缺使得国内学者难以通过客观的数据分析来研究火后泥石流的易发性，且国外研究的火后泥石流易发性评价模型均基于已有的数据库，仅针对数据库所在的区域预测效果良好，而对其他地区的火后泥石流易发性评价较为乏力。

根据西昌经久乡火烧区最新遥感图像，作者研究团队于火烧后的2020年4月4日（火灾余火扑灭后的第二天）迅即赶赴现场调查，查明了本次森林火灾火烧迹地的火烧特点，获取了火烧迹地灰烬层特征等第一手实测数据。选取中度及重度火烈度区面积占比、火烧迹地产沙区平均坡度、坡面灰烬及土壤结构扰动层平均厚度、主沟平均纵比降、沟道流域面积5个影响因子，采用专家经验法对火烧迹地63条潜在泥石流沟进行火后泥石流的易发性评价，以期为该火烧迹地雨季火后泥石流的应急防治措施及治理工程规划提供科学依据。

1 火烧区地质环境特征概况

火烧区所在的西昌市区东临邛海盆地、西临安宁河谷平原（图1），地势北高南低，以山地为主，山岭海拔1500～2310im，山区沟谷深切，地形崎岖，属构造侵蚀剥蚀中山地貌。构造上地处攀西大裂谷中，且位于安宁河隐伏断裂和则木河断裂斜接复合部位，地质构造十分复杂，是历史地震中心，地震基本烈度为Ⅸ度。地层岩性主要为白垩系泥岩、泥页岩、粉砂岩，第四系全新统残坡积层主要为含碎石的粉质黏土。年平均风速为1.6im·s－1，8级以上大风年均出现10日，且主要集中在2～5月，加上白昼以及垂直高度不同气温变化较大，地表风蚀作用强烈，岩石风化严重。

图1 西昌经久乡火烧区部位地形坡度平面示意图Fig.1 Topographic slope plan of burning area in Jingjiu Township，Xichang City

西昌地处川西高原南段，属典型亚热带西南季风和高原气候，地势高峻，山脉水系呈南北向延伸，北部有东西向群山所阻，使东、西两个方向的冷空气不能长驱直入，而南部暖空气则可直达西昌盆地，呈现出既有高原干燥气候、又有充沛降雨的特点。西昌市年平均气温约17i℃，多年平均降雨量1013.5imm，日最大降雨量199.5imm。5～10月为雨季，降水过程多为强降雨、连阴雨、多夜雨，雨季降雨量占全年总降雨量的90%左右（李秀珍等，2005），且山区气候垂直分带十分明显，海拔每增高100im，降雨量增加约30imm。

2 西昌森林火灾火烧区特点

2.1 火烈度特征及判别标准

西昌市泸山景区在火灾发生前属原始森林区，植被覆盖率在90%以上（图2a），植被类型以云南松和桉树林为主，火灾后火烧迹地植被遭受严重破坏，覆盖率明显降低（图2b），从而导致其在红外波段和近红外波段的反射率相较于火烧之前表现出明显的差异性，因此在火烧迹地的检测与评价体系里，常常采用多光谱遥感数据中这两个波段所构建的监测指数如dNBR（the delta Normalized Burn Ratio）可以准确检算森林火烧地区的过火面积、边界及火烧程度（Miller et al.，2007；孙佳佳等，2010；王晓莉等，2013；王严等，2019）。本次通过Envi软件对事发地火烧前后（分别是2019年12月1日及2020年4月5日）的多光谱卫星遥感图像（20im精度）进行解译，并结合现场调查情况判断火烧面积、边界及不同区域的火烧强烈程度。火烈度遥感解译后的kml文件导入Google earth软件处理后，可统计出火烧迹地范围内不同火烈度区面积占比，以及每条沟道流域内高烈度火烧区（中度及重度火烈度区）的面积占比。

基于Parsons et al.（2010）提出的不同强度火烧判别特征表，对西昌经久乡火烧迹地不同火烈度区域通过遥感图像解译并结合现场实地调查，根据火烧迹地植被被烧毁程度、灰烬层厚度等特征，将火烧迹地的林火烈度分为重度、中度、轻度与未火烧4个等级，具体特征见表1。

表1 西昌经久乡火烧迹地不同强度火烈度判别特征Table 1 Discriminant characteristics of different fire intensity in burned area in Jingjiu Township，Xichang City

2.2 西昌森林火灾火烧迹地特征

根据火烈度判别标准，西昌火烧迹地火烈度分区如图3所示。相应重度、中度、轻度与未火烧区现场特征见图4。

统计结果表明，西昌市经久乡森林火灾总过火面积约30ikm2，约占泸山所在部位总流域面积的3／4，据统计，重度火烧区占比46.8%、中度火烧区占比37.9%、轻度火烧区占比15.3%。对于单沟而言，流域内火烈度分布大致与海拔高度成正比，即流域中、上游或支沟交汇处以上多为中度、重度火烧区，下游为轻度及未火烧区。火烧区每条沟道流域内高烈度（含中度及重度火烈度区）面积占比见表2，可见整个火烧迹地内，中度及重度火烧区面积占比超过30%的沟谷数量占总流域内各沟谷总数的79.4%，其中中度及重度火烧区面积占比超过60%的占总流域沟谷数的47.6%。显然，这些沟道在雨季发生火后泥石流的概率大。

图3 西昌森林火灾火烧区火烈度分区图Fig.3 Fire intensity zoning map in Xichang forest fire area

图4 西昌森林火灾火烧区不同火烈度部位典型照片Fig.4 Typical photos of different fire intensity in Xichang forest fire area

表2 西昌森林火灾火烧区中度及重度火烧面积不同占比沟道数量统计Table 2 Gully number statistics of moderate and severe fire areas in Xichang forest fire area

2.3 火烧迹地坡面灰烬及土壤扰动特点

图5 坡面灰烬及土壤结构扰动层Fig.5 Slope ash and soil disturbance layer in burned area

林火烧毁树冠层与地表落叶层后形成丰富的地表灰烬层（图5），其高温焙烧作用还使得坡面土壤结构受到强烈扰动，重度火烧区树干几乎被完全烧毁殆尽，导致大量的枯枝树干散乱堆积在坡面以及沟道中（图6）。遇到强降雨天气，坡面灰烬及松散泥沙将极为容易被启动而诱发火后泥石流（王严等，2019），同时枯枝树干进入沟道容易出现堵塞溃决，进而导致泥石流流量放大效应显著，危害性增强（胡卸文等，2018）。

图6 火烧区坡面及沟道枯枝树干散乱分布Fig.6 Scattered distribution of dead branches and trunks on the slope and channel in burned area

显然，灰烬层及土壤结构扰动厚度是决定火后泥石流启动物源规模依据之一（Cannon et al.，2005），因此对每条沟道不同火烈度区坡面灰烬及土壤扰动层影响深度进行测量是极为必要的。为了方便量化每条沟道坡面灰烬层及土壤结构扰动影响深度，本文假定不同沟道同种火烈度下火烧对坡面可燃物的焚烧情况相似，并以野外调查受风力搬运影响暂时较弱的头3天（余火扑灭后第2～4日）的火烧迹地不同火烈度区坡面灰烬层厚度等数据统计平均值为标准，以估算整个火烧区各沟道流域内的坡面灰烬层及土壤结构扰动层的平均厚度。对应计算公式如下：

式中：H为单沟流域内灰烬层及土壤结构扰动层的平均厚度；S为单沟总流域面积；S轻、S中、S重分别为单沟流域内轻、中、重度火烧区的面积；H轻、H中、H重分别为单沟流域内轻、中、重度火烧区坡面灰烬层及土壤结构扰动层的平均厚度。

通过对火烧迹地大火扑灭后的第2到第5天（4月4日～4月6日）及火后半个月（4月15日～4月19日），不同火烈度区坡面灰烬及土壤结构扰动层平均厚度现场实测，统计结果见图7，可见火扑灭后、未受地表风吹影响的火烧迹地坡面灰烬及土壤结构扰动层平均厚度与火烈度成正相关，其中轻度火烧区平均厚度为1.20icm，中度火烧区平均厚度为3.23icm，重度火烧区平均厚度为5.04icm，这是符合客观实际的。

图7 火烧迹地火后不同时段坡面灰烬及土壤结构扰动层平均厚度实测结果Fig.7 Measured average thickness of slope ash and soil disturbance layer at different time in burned area

而火后半个月，对部分处于分水岭及沟道中上游部位火烧迹地坡面灰烬及土壤结构扰动层的平均厚度则表现出与火烈度成负相关的趋势，其中轻度火烧区平均厚度为5.84icm，中度火烧区平均厚度为2.82icm，重度火烧区平均厚度为2.07icm。造成如此结果的原因显然与西昌泸山山脉每年的2～5月的下午强风段风速较大有关。余火扑灭后第2～4日火烧迹地坡面灰烬层等细颗粒物质受风力搬运影响暂不明显。但随着时间推移，坡面灰烬及细颗粒物质在强风搬运作用下，逐渐由沟道中、上游及分水岭部位的中度、重度火烧区向沟道下游的轻度、未火烧区以及沟道内运移，并大量富集于沟道及坡面的陡缓交界处（图8）。故余火扑灭后在经历了15天左右风蚀搬运作用后，火烧迹地坡面灰烬及土壤结构扰动层中细颗粒物质已发生明显的重分布。值得指出的是，这些物质重分布仅在局部地段，不代表火烧迹地的普遍现象。

图8 火烧迹地局部地段受强风吹蚀后沟道内及斜坡陡缓交界处灰烬等细颗粒堆积（摄于2020年4月17日）Fig.8 Accumulation of fine particles such as ash in the gully and at the junction of steep slopes after strong wind erosion in some burned areas（photo on April 17，2020）

3 火烧区火后泥石流易发性评价

3.1 易发性评价因子选取

火后泥石流易发性影响因素应能够充分反映火烧区火后泥石流控制作用，其相应的评价因子表征指标均能在野外实地调查获取，且所有指标客观量化。

与常规泥石流相比，火后泥石流的暴发与林火烈度密切相关，大量的研究成果及已有案例显示，林火强度及由其所导致的灰烬层、土壤结构性质改变是火后泥石流形成的主因及充分条件（Beyers et al.，2005；任云等，2018），选取流域内重度及中度火烈度区面积占比、坡面灰烬及土壤结构扰动层平均厚度作为火烈度影响评价指标；而火烧迹地坡面坡度、主沟道纵坡坡降则是物源启动运动的动力必要条件，选取火烧迹地产沙区平均坡度、主沟道纵坡坡降以及沟道流域面积作为启动动力条件的3个评价因子（表3）。

3.2 易发性评价模型建立

通过对火烧迹地实地调查并结合专家们多年对火后泥石流的研究经验，对上述5个火后泥石流易发性评价因子进行了权重赋值（表4），并基于权重系数法建立了如式（2）所示的火后泥石流易发性评价模型。

表3 火后泥石流易发性评价因子及获取方法Table 3 Susceptibility evaluation factors and acquisition methods of post-fire debris flow

式中：P为单沟火后泥石流易发性评价总得分；X1～X5分别为单沟火后泥石流易发性评价因子：即流域内重度与中度火烧区面积占比、坡面灰烬及土壤结构扰动层平均厚度、火烧迹地产沙区平均坡度、沟道平均纵坡降及沟道流域面积的得分。

3.3 火后泥石流易发性划分标准

依据《泥石流灾害防治工程勘查规范（试行）》（TCAGHP 006－2018））以及Connon et al.（2010）提出的火行为条件量化标准，并结合野外火烧区特点，可建立火后泥石流易发性评价因子的评分区间（表5、表6）。每个评价因子及泥石流易发性均分为4个等级，分别为不易发、低等易发、中等易发和高等易发。火后泥石流易发性评分时，每个分级评分区间内可采用平均插值法，对各沟道易发性评价单因子进行评分，最后代入式（2）中计算可得单沟火后泥石流易发性评价总分。

3.4 火后泥石流易发性评价及验证

依据上述评价因子和方法，对西昌火烧区涉及的63条沟道开展了火后泥石流易发性评价，结果见表7、表8、表9和图9、图10。

评价结果显示，火烧区63条潜在火后泥石流冲沟中，29条为高易发性，占总数的46.0%；23条为中等易发性，占总数的36.5%；8条为低等易发性，占总数的12.7%；3条为不易发性，占总数的4.8%。火烧迹地火后泥石流沟道主要位于靠近邛海侧的新村街道，共有31条泥石流冲沟，其中高、中、低易发性沟道分别占各易发性沟道总数的48.3%、43.5%和50%（表8）。相对而言，海南乡、安哈镇、经久乡和马道镇所在火烧迹地分别有7～9条泥石流沟，尽管数量不多，但90%冲沟属于中等－高易发。

表5 火后泥石流易发性影响因子等级划分及评分标准Table 5 Grade division and scoring criteria of influence factors of post-fire debris flow susceptibility

表6 火后泥石流易发性总评分等级划分标准表Table 6 Grading criteria for the total score of post-fire debris flow susceptibility

评价结果还显示，尽管火烧区内沟道流域面积普遍较小，有50%以上的沟道流域面积不足0.2ikm2，但由于90%以上的沟道平均纵比降大，产沙区平均坡度也较陡，这类地形不仅在林火燃烧过程中有利于火势的快速蔓延，在降雨过程中也有利于坡面汇流而造成火后泥石流的启动。所以76%以上的沟道流域内烧毁较为严重，且坡面灰烬、泥沙等松散物源堆积较厚，最终中等及高等易发性泥石流沟道数量占比高达82.5%（图10）。

表4 基于专家经验法的火后泥石流易发性评价因子权重赋值Table 4 Evaluation factor weight assignment of post-fire debris flow susceptibility based on expert experience method

表7 西昌森林火灾火烧区63条沟道火后泥石流易发性评分结果Table 7 Post-fire debris flow susceptibility scores of 63 gullies in Xichang forest fire area

表8 西昌森林火灾火烧区不同乡镇火后泥石流沟道易发性数量统计Table 8 Statistics of post-fire debris flow in different towns in Xichang forest fire zone

上述评价结果很快得到验证，2020年5月1日，位于火烧区安哈镇的响水沟泥石流中的一条支沟，发生了小规模火后泥石流（图11）。当日安哈镇实测日降雨量仅12imm，1ih最大降雨量也仅为5.5mm。通过表9分析发现，这条支沟流域面积不足0.1ikm2，流域面积易发性单因子得分远小于电池厂后山沟与马鞍山砖厂北侧山沟，但同时具备了过火严重、地形陡峭、坡面松散物堆积厚的特点，其火后泥石流易发性评分高达92.8分，超过研究区火后泥石流评价最高分的电池厂后山沟与马鞍山砖厂北侧山沟。而主沟响水沟泥石流虽属高易发性火后泥石流，但易发性评价为75分，当日降雨量低于其启动阈值，所以主沟并未发生火后泥石流。

表9 西昌森林火灾火烧区典型代表性高易发火后泥石流沟道数据评分表Table 9 Data rating of typical representative high risk post-fire debris flow gully in Xichang forest fire area

图9 西昌火烧区火后泥石流易发性等级分区图Fig.9 Zoning map of post fire debris flow susceptibility in Xichang fire areas

图10 研究区63条沟道火后泥石流易发性评价单因子评分及总评分结果图Fig.10 Single factor and total score results of post fire debris flow susceptibility assessment of 63 gullies in burned area

图11 西昌火烧区响水沟左岸支沟火后泥石流暴发特征照片（摄于2020年5月1日）Fig.11 Characteristic of post-fire debris flow in the left branch of Xiangshuigou gully in Xichang fire area（May 1，2020）

响水沟支沟火后泥石流的暴发证明了以下两点：（1）地形越陡峭、高火烈度区面积占比越大的流域，启动火后泥石流所需降雨阈值越低，与Hyde et al.（2014）得出的结论一致；（2）沟道流域面积作为评价因子，在火后泥石流易发性评价模型中权重占比较小是符合野外客观实际的，同时也印证了本文提出的火后泥石流易发性模型是合理的。

4 结 论

（1）发生于2020年3月30的西昌市经久乡森林火灾，总过火面积约30ikm2，约占泸山山脉区总流域面积的3／4，其中重度火烧区占比46.8%、中度火烧区占比37.9%、轻度火烧区占比15.3%。野外实测数据显示，火烧区火烧迹地坡面灰烬及土壤结构扰动层平均厚度与火烈度成正比，其中轻度、中度和重度火烧区平均厚度分别为1.20icm，3.23icm和5.04icm。

（2）结合西昌经久乡火灾火烧迹地特点，提出了基于中度及重度火烈度区面积占比、火烧迹地坡面灰烬及结构扰动层厚度、产沙区平均坡度、主沟平均纵比降、沟道流域面积5个影响因子，采用专家经验法的火后泥石流易发性评价模型，并确定了高度、中度、轻度易发界限判别标准。易发性评价结果表明，火烧区63条冲沟中，高度、中度、轻度及不易发性沟谷分别为29条、23条、8条和3条，各自所占比例分别为46.0%、36.5%、12.7%和4.8%。

（3）火烧区超过50%以上的沟道流域面积不足0.2ikm2，但由于90%以上的沟道平均纵比降大，产沙区平均坡度也较陡，导致76%以上的沟道流域内植被烧毁较为严重，且坡面灰烬、泥沙等松散物源堆积较厚的特点，使得中等及高等易发性泥石流沟道数量占比高达82.5%。一遇集中降雨，发生火后泥石流可能性极大。