野火和泥石流后的细颗粒沉积模式与鱼类栖息地

《River Research and Applications》：Fine Sediment Depositional Patterns and Fish Habitat Following Wildfire and Debris Flow

细粒沉积物对科罗拉多州Poudre河鱼类栖息地的影响及清淤流量估算

　　2020年发生的Cameron Peak野火对美国科罗拉多州Poudre河流域造成了严重影响，这场野火烧毁了约840平方公里的区域，其中558平方公里位于Poudre河的山地流域。野火后，该地区出现了大规模的侵蚀现象，导致大量细颗粒沉积物（粒径小于2毫米）进入河流，造成了严重的沉积物沉积和鱼类大规模死亡。Poudre河在进入低地过渡区前，经过一个高陡度的峡谷区域，而过渡区的河床形态和水流条件发生了显著变化。这种变化使得细颗粒沉积物在河岸后方的边滩、侧支流以及河床中的粗颗粒间隙中沉积，从而部分阻塞或填满鱼类的栖息地。2023年夏季，研究人员对Poudre河上的18个地点进行了细颗粒沉积物保留量的测量，包括沉积物体积和嵌入度。他们的目标是评估河段尺度的地形特征或距离主要沉积源的远近对沉积物保留的影响，并利用二维水力模型和初始运动方程估算需要多少流量才能重新搬运和清除沉积物。

Poudre河是科罗拉多州的一条重要河流，其源头位于南方落基山脉，流经约200公里后汇入大平原的South Platte河。这条河流的流域面积为4895平方公里，流经的区域包括多种地形和气候条件，如高山、低地过渡区以及大平原。研究团队特别关注了该河流在山地和过渡区之间的变化，因为这些区域的水文条件和地形特征存在显著差异。山地部分的河床主要由岩床和大砾石构成，而过渡区的河床则以鹅卵石和小砾石为主。过渡区的水文条件较为复杂，既受到降雪融水的影响，也受到夏季雷暴引发的洪水影响。这些因素共同作用，导致过渡区的水流变化更加剧烈。

研究结果表明，河段的位置（峡谷区或过渡区）是预测细颗粒沉积物体积和嵌入度的最佳变量，而河段尺度的地形特征如坡度和横截面积也显示出一定的预测能力。具体而言，峡谷区的细颗粒沉积物体积与过渡区相比较低，但随着距离主要沉积源（Black Hollow汇合处）的增加，细颗粒沉积物的体积在峡谷区逐渐减少，而在过渡区则显著增加。这可能与过渡区的水流速度较低、河床形态较为稳定有关。此外，研究还发现，坡度与细颗粒沉积物的嵌入度呈负相关，而横截面积则与嵌入度呈正相关。这些发现为理解河流在野火后的沉积物保留机制提供了重要的线索。

为了估算清除沉积物所需的流量，研究团队使用了HEC-RAS 2D水力模型，并结合了简单的初始运动方程。模型显示，峡谷区的2年一遇洪水足以引发床面的大量搬运，而过渡区的床面搬运则需要5至10年一遇的流量。这一结果与实际观测相符，因为过渡区的水流受到大量的人为调控和分流影响，导致其自然水流条件发生变化。此外，研究还发现，过渡区的床面搬运频率可能进一步下降，因为正在规划的Northern Integrated Supply Project项目可能会将高峰流量引向离河岸较远的储水设施，从而减少对河流生态系统的自然冲刷作用。

研究还发现，细颗粒沉积物的嵌入度在不同的河段和河床单元之间存在显著差异。例如， riffles（急流段）的嵌入度最低，而 backwaters（边滩）的嵌入度最高，达到了100%。这表明，边滩等低流速区域更易受到沉积物的影响，成为鱼类栖息地的重要组成部分。然而，这些区域由于流速较低，通常不会经历高流量事件，因此沉积物难以被冲刷出去。此外，研究还发现，边滩和侧支流的沉积物沉积对鱼类栖息地的影响尤为显著，因为它们不仅为鱼类提供了重要的繁殖和觅食环境，还为一些濒危的本地鱼类提供了独特的栖息条件。

在讨论部分，研究人员指出，由于模型中使用了统一的D50粒径值和恒定的临界Shields参数，他们的沉积物搬运估算可能仅是初步的近似值。然而，这种简化方法有助于识别峡谷区和过渡区之间在搬运潜力上的差异。研究还强调了人工结构对河流生态的影响，如人工堤坝和护岸工程，这些结构限制了河床的自然运动，减少了河流的地形复杂性。因此，恢复河流的自然形态和功能可能成为缓解野火后沉积物问题和保护鱼类栖息地的重要措施。

此外，研究还指出，野火和随后的泥石流、洪水等事件在Poudre河流域以及全球其他易发生火灾的干旱地区将持续发生。这些事件可能导致长期的沉积物沉积，对本地鱼类种群造成严重影响。因此，未来的河流管理应更加注重恢复河流的自然流动特性，减少人为干预对水流和沉积物搬运的影响。这包括拆除或减少对河床运动的限制，如人工堤坝和护岸；优化河流走廊的几何形态，以促进低流量下的漫滩水流；设计带有岛屿、侧支流和木堆的活跃河段，以创造流分离区；以及通过机械手段清除累积的细颗粒沉积物，以恢复被破坏的鱼类栖息地和连接性。

研究团队还感谢了匿名审稿人、丹·麦克格雷、卡尔·克鲁兹、莎拉·特里安塔菲洛等在研究设计和现场工作中的帮助，以及克里斯托弗·罗伯逊在无人机访问方面的指导。这些支持对于完成研究和获得准确数据至关重要。研究的最终目标是为其他受野火影响的河流走廊提供可借鉴的经验，以更好地理解和应对野火后河流生态系统的挑战。