【论文分享】2021年项脚沟火后泥石流机理分析与数值模拟发表时间：2024-11-21 15:09 论文信息 题目：Mechanistic Analysis and Numerical Simulation of the 2021 Post-Fire Debris Flow in Xiangjiao Catchment, China 作者：Chaojun Ouyang1,2,3, Wen Xiang1,3, Huicong An1,2, Fulei Wang1,2, Weibin Yang1,2, and Jiying Fan4 单位：1.Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Process, Institute of Mountain Hazards and Environment (IMHE), Chinese Academy of Sciences (CAS), Chengdu, China, 发表时间：2023年1月5日  一、 研究概述 火灾正在成为气候变化下的全球性自然灾害。值得关注的是，在最近受到火灾影响的集水区，引发泥石流的降雨阈值远低于在具有类似环境但未经历过火灾的集水区引发泥石流的降雨阈值。在这项研究中，调查了2021年强降雨引发的项脚流域火灾后泥石流事件。通过野外观测、室内试验和降雨截流、入渗、侵蚀、径流等多种数值模型相结合，对项脚流域火灾后泥石流的物理机理进行了分析和数值模拟。结果表明，模拟的沉积面积、侵蚀深度、泥石流起爆时间与实际情况吻合较好。研究结果表明，所采用的数值模拟方法可以有效地描述火灾后径流产生的泥石流的初始和传播阶段的特征，为火灾影响流域泥石流灾害的预测和预防提供重要的见解和指导。 二、 研究区及数据 项脚村(27°55′22.518”N, 101°21′9.122”E)位于中国四川省凉山州木里县。位于横断山脉起伏地形的中部，属于典型的高山峡谷区(图1)。流域总流域面积约78.9 km2，干流长约14 km;海拔从1818米到4145米不等(a.s.l)。流域坡度较大，坡角在0°~ 78.5°之间，平均坡角约为29°。根据当地地质队的初步调查，土地的侵蚀以水为主，岩石抗风化能力较弱。这座山被深深切割，陡峭的斜坡和裸露的岩石分布广泛。项脚集水区为深切口、构造隆升的山地地貌，地形陡峭，为坡崩、滑坡等地质灾害的形成提供了自由面，也有利于崩塌沉积物等松散固体泥石流源的聚集。 项脚流域属典型的亚热带西南季风和高原气候，冷热交替，干湿季节明显，季节温差小，日温差大，太阳辐射强。年平均气温13.0℃，年降雨量800 - 1000毫米。雨季从六月持续到十月，七月是最潮湿的。降雨过程以短时强降水、连雨和夜雨为主，气候垂直分带明显。木利县植被覆盖度为67.3%，主要植被类型为针叶林和灌木。  图1 木里县2020年森林火灾分布图及项脚流域火灾后泥石流研究区分布图 2020年3月28日，木里县发生森林火灾(简称3.28林火)。项脚流域中上游的火灾对植被造成了严重的破坏。截至3月30日，火灾区域为3.28木里县森林火灾后，流域植被覆盖率和叶面积指数(LAI)大幅下降，大量树木被大面积烧毁，对后续的泥石流灾害造成了若干负面影响。图2b-2d分别为火灾情况和火灾后烧毁树木的情况。 火灾后1年内，项脚流域共发生了14次不同规模的泥石流事件。根据政府泥石流事件报告和建立的泥石流规模量表，2021年6月8日和7月5日分别发生了4级和7级泥石流事件。2021年7月5日14时，政府发布暴雨预警，随后发布山洪泥石流预警。18:07之前，所有危险地区的人都被转移到避难地点。由于有一段时间的清晨降雨，在17:00暴雨来临前，流域土壤已接近饱和状态。18时10分~ 18时30分左右，项脚流域多个支流发生泥石流，18时40分左右达到泥石流峰值。及时的预警和适当的防灾措施，避免了118人在泥石流中受伤或死亡。但泥石流仍造成72公顷农作物和186所房屋被毁，直接经济损失超过1600万元人民币。李子坪沟、甲尔沟、瓦科沟和黄泥巴沟是项脚流域的子流域，以下分别称为LZP、JEG、WKG和HNB。  图2 3.28木里县火灾(a)详细资料来自中国地质信息系统数据共享网;https://chinageoss.cn， (b)来自百度百科;https://baike.baidu.com) 三、 数值模拟结果分析 与未燃烧的森林相比，火灾后的沉积物产生量可能高出三个数量级。为了区分降雨、截留、入渗和侵蚀对火灾后泥石流的贡献，以及泥石流的动态过程，有必要采用数值模型进行模拟。选择合适的数值模型是对火灾后泥石流灾害进行综合模拟和分析的关键。使用HR模型和Green-Ampt模型等几种数值模型模拟了野火后环境下的沉积物输运，为我们选择本研究的数值模型提供了重要参考。森林火灾燃烧导致的降雨截流减少可以用Aston截流模型来描述，该模型使用遥感数据计算的LAI。分布饱和水导率根据土壤烧伤严重程度图可以通过对不同烧伤严重程度区域收集的土壤样品进行实验来加强。 考虑分别计算新沉积层和原始土层的输沙量，可以很好地反映火灾扰动引起的表层土壤输沙量和细沟侵蚀。因此，我们选择Aston截流模型、Green-Ampt入渗模型和HR侵蚀模型与地表流模型耦合，对2021年7月5日项脚流域泥石流进行了模拟，并与观测结果进行了详细对比。总的来说，模拟结果与观测结果基本一致。然而，在一些细节上，模拟结果与观测结果仍有差异。例如，模拟淹没面积略大于实际淹没面积。可能的原因是10m分辨率的dem不能完全反映主河道的细节，特别是在主河道内建有一些排水渠结构时。另外，对比点2的模拟淹没深度与观测深度存在1.16 m的偏差，可能是10m空间分辨率的数值模型忽略了房屋对泥石流的阻挡作用。此外，这些偏差也可能是由于这些模型涉及一些难以准确确定的物理参数。例如，7月5日17:00的初始土壤含水量由SMAP任务估算，分辨率为9 km。dem的质量对数值模拟结果有显著影响，但提高空间分辨率也会增加计算时间。因此，为了更精确和快速的数值模拟，一种新的数值实现方法似乎是有前途的研究，例如通过机器学习求解浅水方程。  图3 (a)净径流阶段;(b-f)泥石流形成与溃决阶段  图4 观测(a)与模拟(b)沉积面积的比较。(c, d)仿真结果与实际情况的比较 四、结论 基于数值模拟、野外调查、遥感资料解译和室内实验等方法，对2021年7月5日项脚流域大规模泥石流进行了综合分析。为探讨脆弱水文环境与暴雨共同作用下火灾后泥石流的动力学特征，分析了项脚泥石流的形成机理，采用几种数值模型对湘郊泥石流进行了模拟，并与野外调查结果进行了比较。本研究的主要结论如下: 1. 2020年3月28日，项脚流域发生了严重的森林火灾。中重度土壤烧伤面积占流域总面积的41.8%，对流域水文环境造成了严重破坏。在这种情况下，暴雨条件下容易发生泥石流灾害。山火发生后的2年内，项脚流域发生了数十次泥石流，其中于2021年7月5日爆发了大规模泥石流，给当地居民造成了巨大的财产损失。山火对山坡植被的破坏导致植被截留量减少。同时，大量的火山灰覆盖山坡，土壤结构的变化大大降低了水的入渗能力。当强烈的暴雨发生时，这些变化导致了大量的径流。燃烧区表层土壤中细颗粒的比例明显高于未燃烧区。细颗粒在表土中所占比例增加，树干烧焦，由于森林火灾产生的山坡上的抗剪强度土壤根系导致了更严重的径流夹带效应，以及随之而来的大规模火灾后泥石流。 2. 模拟淹没面积约为59.8 ha，野外观测淹没面积为50.1 ha。此外，模拟的淹没深度和泥石流事件发生时间与现场调查基本一致，表明本文采用的数值模拟方法适用于火灾后径流泥石流的模拟和分析。它为研究火灾后泥石流的一般机理提供了有益的见解。尽管项脚流域的情况仍然危急，财产损失仍然很大，但及时合理的预警措施挽救了数百人的生命。综上所述，基于数值模拟的火灾后泥石流评价、预报和预测仍然是一个有待解决的问题。对不同类型地形或生态系统的预期触发降雨阈值的细化也是一个值得进一步讨论的重要开放问题。 |
