地面冻结对寒冷山区碎屑流和泥石流运动的影响：以日本富士山为例

《Geomechanics for Energy and the Environment》：Influence of ground freezing on debris flow and slush avalanche mobility in a cold mountain region: Mt. Fuji, Japan

泥石流与雪崩的冬季流动特性及其沉积特征研究：基于富士山流域的多时相LiDAR分析，揭示冻土条件显著影响泥石流侵蚀范围与沉积模式，冬季高流动性导致侵蚀延伸至缓坡段，而夏季沉积更显著。

　　在气候变暖和极端天气事件日益频繁的背景下，冷区山地的泥石流灾害呈现出上升趋势。泥石流作为一种极具破坏力的地质现象，其形成与运动过程受多种因素影响，包括降雨强度、地形特征以及地表条件的变化。然而，季节性地表冻结对泥石流运动特性的影响，目前仍缺乏系统性的研究。这一现象在高海拔地区尤为显著，因为地表冻结不仅改变了土壤的渗透能力，还对泥石流的运动轨迹和沉积模式产生深远影响。本研究以日本富士山的奥泽溪流域为对象，重点探讨季节性地表冻结对泥石流和融雪滑坡（即雨雪混合滑坡）运行特征的影响，从而为提高冷区泥石流灾害的预警与防控能力提供科学依据。

奥泽溪流域位于富士山的西侧，是泥石流和融雪滑坡频繁发生的区域。研究表明，该流域的泥石流和融雪滑坡大约每一年到两年发生一次。奥泽溪的源头附近存在一个规模巨大的沟壑，称为奥泽崩塌区，其长度约为2.1公里，宽度为500米，深度达到150米。该区域的地表高程范围从2180米到3690米，呈现出明显的垂直差异。通过放射性碳测定等方法，研究者对崩塌区的沉积物来源和年代进行了分析，进一步揭示了该区域泥石流活动的时空特征。

为了深入理解不同海拔区域的地表冻结情况，研究团队在奥泽溪流域的11个不同位置（海拔范围从2795米到3719米）布置了地表温度和地下0.5米深度的温度监测设备。这些监测点主要位于奥泽崩塌区的北侧边界，通过将金属杆打入焊接的火山岩中，安装传感器以获取地下温度数据。研究发现，奥泽崩塌区周围地表温度在秋季到春季期间均低于0°C，表明该区域在这一时期内长期处于冻结状态。在较高海拔地区，地表冻结的时间更长，而在低海拔地区，由于冬季气温波动较大，地表温度可能在某些时段接近或高于0°C，从而影响每日的冻融循环。

研究团队利用简单的空气温度模型，对奥泽溪流域不同海拔区域的地表冻结时间进行了估算。尽管该模型未考虑降雨渗透、地形异质性、微地形特征以及热能的垂直输送等因素，但其结果仍能大致反映地表冻结的时间变化趋势。研究还发现，即使在冬季中期，地表温度仍然存在显著的昼夜波动，这表明积雪在许多冷区对地表冻结的持续时间具有重要影响。积雪的存在不仅影响地表的冻结状态，还通过改变土壤的含水量和渗透能力，间接影响泥石流的形成条件和运动特性。

在奥泽溪流域，研究者利用多时相的航空激光雷达（LiDAR）数据生成了数字高程模型（DEMs），并据此分析了泥石流和融雪滑坡的运动特征。通过对比不同季节的地表冻结情况，研究团队发现，在冻结期间，泥石流的流动性普遍高于非冻结期间。这一现象可能与冻结条件下土壤渗透率降低、地表径流增加有关。在冻结期间，尽管降雨量较低，但积雪融化带来的水供给可能促使泥石流在中等降雨条件下发生。同时，研究还发现，在冻结期间，泥石流和融雪滑坡可能对较为平缓的渠道段产生显著侵蚀作用，这表明地表冻结对泥石流的运行轨迹具有重要影响。

在非冻结期间，研究团队观察到泥石流的沉积作用更为显著，即使在陡峭的渠道段，沉积物的堆积也较为普遍。这表明，在非冻结期间，泥石流的固体浓度可能更高，从而增强了其对渠道的侵蚀能力。此外，研究还发现，泥石流扇区域在冻结期间能够捕获更多的沉积物，而在非冻结期间则捕获较少。这一现象可能与冻结期间地表径流的增加以及沉积物在流动过程中的搬运能力有关。

研究团队进一步分析了泥石流和融雪滑坡在不同季节的运动特性变化，以及这些变化如何影响泥石流扇区域的沉积物捕获能力。通过对比多时相的DEMs，研究者发现，泥石流和融雪滑坡在不同季节的侵蚀和沉积模式存在显著差异。在冻结期间，泥石流的运动路径可能更加分散，而沉积物的堆积则集中在特定区域。在非冻结期间，泥石流的运动路径更加集中，而沉积物的搬运能力更强，导致沉积物在渠道中的分布更加广泛。

这些研究结果表明，季节性地表冻结对泥石流的运行特征具有重要影响，尤其是在高海拔区域。研究团队还指出，监测和估算地表冻结条件对于提高冷区泥石流灾害的预警和防控能力至关重要。特别是在泥石流扇区域，由于沉积物的捕获能力较强，地表冻结可能在一定程度上缓解泥石流对下游地区的威胁。因此，了解季节性地表冻结的时空分布，有助于优化泥石流灾害的监测和预警系统，提高灾害防控措施的有效性。

在冷区，泥石流的形成和运动不仅受降雨条件的影响，还与地表冻结和融雪过程密切相关。研究团队强调，季节性地表冻结可能改变泥石流的运动轨迹和沉积模式，从而影响其对渠道的侵蚀能力。在冻结期间，泥石流的流动性可能更高，这使得其在中等降雨条件下更容易发生。而在非冻结期间，泥石流的沉积作用更为显著，这可能与土壤渗透率的增加以及沉积物的搬运能力有关。

此外，研究团队还探讨了检查坝在冷区泥石流防控中的作用。检查坝是控制和缓解泥石流灾害的重要结构，其设计和施工需要充分考虑泥石流的频率和强度。然而，目前关于冷区泥石流流动性的研究仍较为有限，特别是在季节性变化方面。因此，了解泥石流在不同季节的流动性变化，对于优化检查坝的设计和施工具有重要意义。

通过多时相的DEMs分析，研究团队发现，泥石流和融雪滑坡在不同季节的侵蚀和沉积模式存在显著差异。在冻结期间，泥石流的运动路径可能更加分散，而在非冻结期间，泥石流的运动路径更加集中。这种差异可能与地表冻结和融雪过程对土壤含水量和渗透率的影响有关。因此，研究团队建议，在冷区泥石流防控中，应结合季节性地表冻结条件，优化监测和预警系统，提高灾害防控措施的有效性。

在富士山地区，泥石流和融雪滑坡的灾害频率在春季和深秋达到高峰，尽管这两个季节的降雨量低于夏季和初秋。这一现象表明，季节性地表冻结可能在一定程度上影响泥石流的发生条件和运动特征。研究团队指出，尽管之前的文献已经表明季节性地表冻结可能影响泥石流的降雨阈值，但其对泥石流运行特征的影响仍需进一步研究。

通过本研究，研究团队希望揭示季节性地表冻结对泥石流和融雪滑坡运行特征的影响，从而为提高冷区泥石流灾害的防控能力提供科学依据。研究结果表明，季节性地表冻结可能改变泥石流的运动轨迹和沉积模式，特别是在高海拔区域。因此，监测和估算地表冻结条件对于优化泥石流灾害的预警和防控措施具有重要意义。研究团队还建议，未来的研究应进一步探讨地表冻结与降雨条件的相互作用，以及这些相互作用如何影响泥石流的发生频率和强度。

总之，季节性地表冻结对泥石流和融雪滑坡的运行特征具有重要影响，尤其是在高海拔区域。研究团队通过多时相的DEMs分析和现场监测，揭示了这一现象的时空分布及其对泥石流运动的影响。这些研究结果不仅有助于提高冷区泥石流灾害的预警和防控能力，还为优化检查坝的设计和施工提供了科学依据。未来的研究应进一步探讨地表冻结与降雨条件的相互作用，以及这些相互作用如何影响泥石流的发生频率和强度，从而为提高冷区泥石流灾害的防控能力提供更加全面的科学支持。