四川西昌电池厂沟火后泥石流成灾特征及防治措施分析

杨相斌，胡卸文,2，曹希超，金 涛，席传杰，黄 健，杨 瀛

（1.西南交通大学地球科学与环境工程学院, 四川 成都 611756；2.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（西南交通大学）, 四川 成都 610031）

0 引言

森林火灾是我国西南山区常见灾害，近5年来四川省发生林火832起，主要集中在川西南山区[1]。林火烧毁植被，改变地表径流条件，产生大量松散的灰烬层和泥沙[2]，火后泥石流( post-fire debris flow)是火灾后最为严重的次生灾害。据统计，美国西部地区约35%的火烧迹地会发生火后泥石流，常表现出高频暴发、降雨阈值极低等特点[3−4]，而在川西南地区，近10年来约有70%的火烧迹地发生了泥石流灾害[5]。火后泥石流暴发周期与植被恢复密切相关，火后第一个雨季是泥石流高发期，活跃期通常持续3~5a[6]。其成灾特征及成灾机理与常规泥石流差异显著[7]。

目前，针对常规泥石流的防控体系已相对成熟[8]，陈晓清等[9]认为地震极重灾区泥石流治理应在震后3~5a实施效果更佳，胡卸文等[10]提出应根据沟道地形特征，结合保护对象，合理采用拦挡、固坡、排导等工程的有机组合。大型拦挡工程防治效果突出但施工周期较长，而火后泥石流的暴发与林火的时间间隔通常较短。因此，将常规泥石流的防治经验运用于火后泥石流时存在一定局限性。针对火后泥石流，国外学者提出[11−13]除了采用常规拦砂坝、导流堤和植被恢复等措施，还可在火烧迹地采用稻草覆盖的方法减少坡面侵蚀，在具有笔直树干的区域，还可同时使用原木拦渣坝拦粗放细，取得较好的防治效果。然而，我国西南山区山高林密，交通不便，原材料运输至火烧迹地较困难，泥石流流域多呈深V型，坡面较陡，坡面大规模稻草覆盖难以实施，将树干横置于沟内设置原木拦渣坝，一定程度上能起到疏水拦砂的效果，但发生堵溃则会扩大泥石流规模[14]。可见国外的防治经验并不完全适用。因此，针对我国西南地区火后泥石流的成灾特点提出相应的综合防控措施无疑具有重要意义，其成果可填补我国这一研究领域的空白。

2020年3月30日，四川省凉山州西昌市经久乡发生森林火灾，作者团队于火烧后次月（2020年4月）赶赴现场，并对火烧区共63条潜在泥石流沟道进行了火后泥石流易发性评价，其中电池厂沟为易发性评分最高的泥石流沟[1]。因此，本中以电池厂沟为例，通过遥感解译、现场调查、室内外试验查明了该流域及火烧迹地的基本特征、泥石流成灾特征，并结合实际工程治理措施总结提炼出相应的防治理念，以期为西南地区其他火后泥石流的防治提供参考。

1 研究区概况

电池厂沟位于四川省凉山彝族自治州西昌市新村。西临安宁河谷平原，东临琼海盆地，山势陡峭，沟谷多呈V型，为构造侵蚀中山地貌。区内出露地层主要为第四系全新统泥石流堆积层（、残坡积层，白垩系下统小坝组（K1x）粉砂岩、泥岩。火烧以前植被覆盖率达90 %，植被类型以灌木和针叶林为主。研究区属亚热带西南季风气候，受周围群山阻隔，区内小气候既有高原干燥气候的特点又有充沛的降雨，多年年平均降雨1 014 mm，降雨集中于6—9月，占全年的84.77 %，雨型多为暴雨。区内河流量随季节变化明显，旱季河床裸露断流，雨季受降雨影响常水位暴涨，易发生山洪灾害。

2 火后泥石流成灾特征

2.1 火烧迹地特征

2020年“3·30”经久乡森林火灾对研究区的植被造成严重破坏。文中通过现场调查植被烧毁情况及表层土壤特征，将林火烈度分为重度、中度、轻度和未火烧4个等级，并划定火烈度边界；通过分析研究区火烧前后（2020年3月25日及2020年4月5日）Sentinel-2 L1C多光谱卫星遥感影像（https://EarthExplorer.usgs.gov），参考相关研究[15]，基于地物红外波段的差异计算研究区的dNBR值（火烈度监测指数）[15]，并根据野外划定边界确认各火烈度区的dNBR阈值，西昌地区不同火烈度dNBR阈值分别为0.12，0.33，0.48，据此绘制火烈度分布图（图1）。统计结果表明，“3·30”西昌森林火灾总过火面积约27.58 km2，各火烈度区面积特征的统计结果见表1。研究区重度及中度火烧区集中分布于电池厂沟的上游区域（图1），植被及枯落物燃烧形成大量的灰烬层堆积于坡面及沟道，对火烧迹地坡面灰烬层及松散扰动层厚度进行现场实测（图2），平均厚度为5.1 cm。

图1 电池厂沟火烈度分布图Fig.1 Fire severity distribution of Dianchichang gully

图2 火烧迹地坡面灰烬层Fig.2 Slope ash layer in burned area

表1 电池厂沟火烧迹地不同火烈度判别特征Table 1 Discriminant characteristics of different fire intensity in burned area in Dianchichang gully

2.2 泥石流基本特征

电池厂沟流域平面形态呈叶片状（图3），主沟长2.68 km，流域面积1.83 km2，流域最高点海拔2 318 m，沟口高程1 570 m，沟谷平均纵坡降259.2 ‰，岸坡较陡，坡度35 °～50 °。区内5条支沟沟谷特征明显，两岸小冲沟发育，形如叶脉，汇水能力强，见图3右照片。堆积区主沟平均纵坡降102.3‰，横断面呈“U”型，地形陡缓变化较大，泥石流冲出山口后呈面状散开漫流。松散物源包括坡面物源、沟道物源和滑坡物源，见图3左照片，统计（表2）表明坡面物源占69.83%，主要为地表灰烬层及受扰动的松散土壤，从沟道到分水岭坡面均有分布，是泥石流的主要物源。另外，泥石流不断侵蚀沟道内原有堆积物，侧蚀冲刷导致岸坡松散堆积体失稳形成浅表层滑坡，进一步增大了火后泥石流的物源规模。

图3 电池厂沟流域特征分布图Fig.3 Drainage distribution characteristics of Dianchichang gully

表2 电池厂沟泥石流物源统计表Table 2 Statistics of different sources of debris flow in Dianchichang gully

2.3 泥石流成灾特征

在“3·30”火灾之前，电池厂沟最近一次较大规模的泥石流发生于1991年8月。“3·30”火灾后第一个雨季共暴发了5次不同规模的泥石流灾害。2020年5月1日首次暴发泥石流，随后的6月17日、6月23日（图3下照片）、7月18日以及8月13日也相继暴发，泥石流自上游沟道起动，顺沟而下沿途铲刮，导致沟道深切拉槽（图4），泥石流冲毁临时道路，淹没部分施工场地。

图4 各次火后泥石流降雨量Fig.4 Rainfall of each post-fire debris flow

收集火烧区东南方向1.7 km外的雨量观测站资料并统计（图4），第5次雨量计异常未收集到信息。5月1日首次暴发泥石流时，日累计降雨量仅为12 mm，小时最大降雨量为5.5 mm，规模较大的“6·23”泥石流暴发时，日累计降雨量为38.4 mm，小时最大降雨量为19.6 mm。根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》显示，研究区内最大日降雨量均值为65 mm，最大小时降雨量均值为30 mm。对比显示，电池厂沟数次泥石流暴发时降雨量在当地是常见的中到大雨，首次暴发时降雨甚至是小雨，可见火后泥石流暴发所需降雨阈值降低。

该沟道火烧前已29年未发生泥石流，但火烧后仅1个月便首次暴发泥石流，首个雨季暴发了5次泥石流灾害，反映出火后泥石流突发性和频发性。

3 火后泥石流防治措施

3.1 防治理念

针对火后泥石流的突发性特征，应进行快速应急处置，防止首次暴发的泥石流造成灾害，针对其雨季多次暴发、暴发间隔时间短的特点，应修建半永久或永久工程，保护沟口建筑道路等设施，在设置工程设施时，考虑火后泥石流具有明显的堵塞溃决和下切揭底特征[16]，针对堵溃效应，关键在于疏浚沟道，消除堵溃，控规消能；针对其下切揭底特点，关键在于降低泥石流侵蚀力，拦挡回淤，护坡固源，防止下蚀。此外，林火对流域内植被造成严重破坏，在设置工程时也应致力于长期生态恢复及森林防火，从源头减小火后泥石流发生的可能性。

3.2 短期应急措施

快速应急处置是火后泥石流防治中必不可少的环节，常采用坡面清理、植被恢复及简易谷坊坝等措施。林火后及时对火烧迹地大部分区域进行坡面清理，重点在流域中上游的重度火烧区展开，将散落的枯枝树干清理后统一堆放或搬运回收利用（图5），防止沟道堵塞；雨季前在火烧区播散草籽，加快植被恢复；在沟道内及主支沟交汇处修建简易谷坊坝群（图5）。

坡面清理、植被恢复，其主要作用是消除堵溃、护坡固源。坡面清理防止散落枯木进入沟道形成堵溃点，植被恢复，减弱水土流失效应，减少因降雨冲刷造成坡面松散灰烬层起动量，从源头减少参与泥石流活动的物源量，控制泥石流规模，同时也减缓下游拦挡措施拦蓄压力。

简易谷坊坝群主要作用是控规消能，防止下切。林火后快速修建简易梯级谷坊坝群，可拦截火烧后小规模泥石流的冲出物质（图5），避免泥石流冲出物漫流影响工程建设及居民生产生活，为永久工程建设争取时间，同时通过拦蓄松散堆积物，抬高沟床，减弱泥石流的下切和侧蚀，梯级回淤稳固坡岸坡脚，抑制浅层滑坡形成。

坡面清理、植被恢复及建议谷坊坝群等措施已在电池厂沟治理工程中实施，坡面清理、播散草籽等工作在林火熄灭后便快速开展，于2020年4月完成；本次治理工程共设置2处简易谷坊坝群，支沟简易谷坊坝群设置2座，主沟简易谷坊坝群设置3座，于2020年5月完成。此次治理中简易谷坊坝采用编织袋装土堆砌而成，对首次暴发的泥石流起到了拦挡效果，但再暴发较大规模泥石流时，简易谷坊坝由于强度不足发生变形或破坏，失去了拦挡作用。6月23日暴发的泥石流冲毁了主沟内一座简易谷坊坝（图5），坝前拦挡的早期泥石流堆积物成为新的沟道物源参与泥石流运动，产生“零存整取效应”，防治措施没有发挥防治效能，反而加重了灾害的作用。对此，在快速实施短期应急处置后还应设置永久工程措施，防止泥石流冲出物漫流掩埋建筑道路及污染水体。

3.3 中期治理措施

中期治理是火后泥石流防治中的关键环节，可采用半永久、永久工程等措施。基于防治理念，常用工程措施有沟内拦砂坝辅以坝后沉沙池。拦砂坝拦截几乎所有火后泥石流冲出固体物质，保障沟口保护对象的安全，同时沉沙池增大过水断面降低流速，沉淀去除水中大部分泥砂颗粒，避免了高含沙水体对主河及水库的景观污染。拦砂坝作为永久工程，是火后泥石流综合防中的控制性措施，对火后泥石流的长期防灾具有关键作用。

此次电池厂沟治理工程中永久工程设置2座拦砂坝（图5），分别位于主沟中下游及1#支沟沟口，在2#拦砂坝坝后设置沉沙池过滤水质（图5）。永久工程于2020年5月施工，2020年8月底竣工，工程完成前后经历了2020、2021年雨季的检验。2020年雨季先后暴发的5次泥石流均未造成人员伤亡，2021年雨季期间仅发生了小规模泥石流，未造成灾害，目前拦砂坝坝体完好、库容充裕，可继续发挥拦蓄作用，治理工程效果得到了初步体现。值得注意的是，由于火后泥石流冲出物黏性高，多含枯枝树干等，易造成拦砂坝泄水孔堵塞排水不畅，存在安全隐患。6月17日暴发泥石流导致在建1#拦砂坝部分泄水孔堵塞，未及时疏通，随后6月23日再次暴发泥石流，拦砂坝泄水孔全部堵塞，泥石流流体无法及时排泄（图5），造成1#拦砂坝（当时已建有效坝高6 m）满库（图5），泥石流翻坝后漫流，冲毁临时道路。对此，在火后泥石流发生后，应检查拦砂坝排水情况，若泄水孔堵塞应及时疏通，确保拦砂坝能继续正常发挥作用。

图5 “6·23”泥石流造成沟道下切Fig.5 Gully bed was eroded by debris flow on 23rd June

3.4 长期预防措施

电池厂沟治理工程实施后，2021年未暴发大规模泥石流。一方面是大多易于起动的物源已先后参与泥石流运动，另一方面是治理工程的控制作用初见成效。拦砂坝、梯级谷坊坝拦挡回淤，稳固沟床，同时沟床及坡面新生长的植被（草木、灌木为主）根系交织生长，进一步固定了坡面松散固体物质。治理措施实施后，原有的物源起动条件及沟道形态发生变化，大量分布的坡面物源由于工程约束，不能大规模起动，少量参与泥石流运动的物源受到沟道内拦砂坝的拦挡，在库内停积，泥石流运动过程以少量物源起动—沟内减势淤积—工程区停积为主。

可见，随着工程治理和植被恢复，火后泥石流活跃性逐渐降低，流域生态系统逐渐恢复，水土保持能力稳步趋向火烧前水平。此时，考虑火后泥石流的长期预防，应重点关注森林防火和植被保护，避免再次发生林火，从源头根治火后泥石流灾害。针对植被恢复，火烧迹地植被完全恢复需要6~9a时间[17]，恢复初期植被类型主要以草木、灌木为主，群落结构与功能还不完善，乔木由于种子库的损伤及生长所需条件较高，短期内难以恢复，可进行人工干预，如移栽树苗、封山育林等[18]。此外，在植被恢复过程中，还需注意紫金泽兰等外来生物入侵，必要时进行人为干预调控[19]。

火后泥石流起动降雨阈值低，暴发突然，开展针对性的预警避险也是十分必然的。作者团队基于火后泥石流暴发降雨阈值、实时降雨监测与群测群防于一体，提出了一套适用于山区火后泥石流的预警避险方案[20]，该方案已在喜德县中坝村火后泥石流（2020年6月4日）避险中得到了成功应用，效果显著。

综上，火后泥石流综合防治措施可分3个阶段实施（图6）。

图6 火后泥石流综合治理措施阶段示意图Fig.6 Schematic diagram of stage of comprehensive control measures for post-fire debris flow

4 结论

（1）电池厂沟火烧前已29a未暴发泥石流，火烧后遇到短时中强降雨便激发泥石流，首个雨季共发生了5次泥石流灾害，反映出火后泥石流所需降雨阈值较低，具有突发性、频发性特征。

（2）火后泥石流治理应采用短期快速应急处置措施、中期永久工程措施与长期预防手段相结合，应急措施可对首次暴发的火后泥石流进行临时拦挡，修建永久工程在长期内保障泥石流威胁对象的安全，长期预防则从源头避免火后泥石流发生。

（3）短期快速应急处置措施有坡面清理、坡面植被恢复、沟内修建梯级简易谷坊坝，以此稳固坡面物源，防止枯木进入沟道形成堵溃，逐级拦挡，稳固沟槽岸坡，削弱泥石流动能；中期永久治理工程采用沟内拦砂坝辅以沉沙池，拦截火后泥石流冲出物，减少对沟口居民、道路的掩埋，同时沉沙池过滤水质减少水体污染。长期预防着重于森林防火和植被保护，避免再次发生林火形成火后泥石流。

（4）文中提出的火后泥石流综合防治措施已在电池厂沟火后泥石流治理工程中实施，工程竣工后该沟泥石流未再次造成灾害，植被恢复良好，防治效果已初步体现。可为西南山区火后泥石流防治提供参考。