粒径与泥沙储存解释了为何某些山地景观中缺乏火后泥石流

《SCIENCE ADVANCES》：Grain size and sediment storage explain why postfire debris flows are absent in some mountainous landscapes

　　

火后泥石流（postfire debris flow）的发生在山地景观中差异很大，即使在相似降雨条件下也是如此。为理解其原因，研究人员调查了两个经历强烈火后降雨的烧毁景观：一个位于南加州，发生了超过100次火后泥石流；另一个位于北加州，未发生火后泥石流。泥石流可由河床破坏（bed failure）引发，而根据预测，当Shields应力（τ^*）超过阈值时会发生河床破坏。研究人员刻画了这两个地点的τ^*，调查了河床破坏，并进行了数值实验以识别控制因素。火后清水径流的增加使τ^*最多提高了三倍，而火后河道粒径的减小使τ^*提高了两个数量级。在南加州地点，引发泥石流无需径流增加，然而在北加州地点，即使径流显著增加，泥石流也不太可能引发。这些结果从机制上解释了山地景观中泥石流发生差异的原因。

火后泥石流（postfire debris flow）是山区常见的严重自然灾害，常造成人员伤亡和财产损失。然而，不同山地景观中火后泥石流的发生频率差异显著，即使在相似降雨条件下也是如此。现有预测模型多依赖历史观测数据，在陡峭且过火的景观中常出现误报，尤其对未发生过泥石流的地区缺乏机制层面的解释。因此，理解火后泥石流启动的机制对于准确评估风险和合理配置资源至关重要。

研究人员以2018年卡尔火（Carr Fire）和2009年站火（Station Fire）为研究对象。卡尔火位于北加州克拉马斯山脉（Klamath Mountains），过火后经历多次强降雨，但未记录到任何泥石流；站火位于南加州圣加布里埃尔山脉（San Gabriel Mountains），过火后发生108次泥石流。两个区域均陡峭且高度过火，美国地质调查局（USGS）的火后泥石流（postfire debris flow, PFDF）模型对两者的预测概率相近（卡尔火43.5%，站火40.0%，基于15分钟降雨强度I₁₅为24 mm/h），但实测结果截然不同。研究人员旨在用机制方法解释这种差异。

研究方法方面，研究人员结合泥沙输移方程、水文测量、粒径分析、火灾前后观测和遥感数据，采用床面破坏模型。该模型基于Shields应力（τ^*）阈值，当τ^*超过临界值时预测河床破坏，且相对于推移质输移优先发生在坡度大于约22°的河道中。他们提出了一个简化框架，将床面破坏厚度（h_b）、水流深度（h_sf）和悬浮沉积物浓度（C_sf）耦合，计算总沉积物浓度（C_t），以评估床面破坏产生的混合物是否达到泥石流所需的浓度。研究人员利用LiDAR数据提取坡度—流域面积关系，用USGS模型筛选高概率流域，并在卡尔火过火区进行了47次野外考察，包括压力传感器监测径流、卵石计数测量河床粒径等。样本来源明确：卡尔火位于北加州克拉马斯山脉Whiskeytown湖附近，站火位于南加州圣加布里埃尔山脉。以下为研究结果。

Field observations and measurements following the Carr Fire：野外考察发现卡尔火后无泥石流证据。主要沉积物来源是坡面片蚀和细沟侵蚀；干崩落（dry ravel）加载极少；陡峭河道中粗砂被输移，细粒沉积物难以储存。Rich Gulch河床中值粒径（D₅₀）为23.4 cm，Salt Gulch为2.3 cm，但后者存在火后细粒覆盖层。

In-channel debris flow initiation：通过坡度—流域面积分析，两个景观均具有陡峭的源头河道，若存在合适粒径的沉积物则可能发生床面破坏。对于I₁₅=24 mm/h，卡尔火和站火的关键D₅₀中位数分别为3.0 cm和2.3 cm；站火源头河道虽更陡但更宽，导致水深更浅，若采用卡尔火的宽度关系，关键D₅₀增至5.8 cm。

Importance of bed failure thickness：细粒床（D₅₀<5 mm）在极浅水流（约5 mm）下即可破坏，仅需约10 mm的床破坏厚度即可使C_t达40%。粗粒床需要更深的水流和更厚的床破坏才能达到泥石流浓度；悬浮沉积物可显著减少所需的床破坏厚度。

Carr Fire and Station Fire debris flow potential：特殊情景模拟表明，即使大雨（53 mm/h）下，卡尔火在破坏面摩擦角φ_f=55°时仅预测10个河段发生床面破坏；而站火在小雨（I₁₅=12.0 mm/h）下许多河段即可发生床面破坏。这主要归因于河道粒径差异：卡尔火陡峭河道多为基岩且无细粒沉积物，站火则有大量干崩落细粒物质埋没原有河床。

Grain size and runoff influence on debris flow initiation：数值实验显示，径流系数c从0.1增至1使τ^*增加3.1倍，而D₅₀从23.4 cm减至2.1 mm使τ^*增加111倍；两者共同作用可产生344~466倍增加。粒径变化对τ^*的影响远大于径流变化。

讨论总结：卡尔火无泥石流的主要原因是河道沉积物加载有限、河床粗、坡面沉积物粗，以及低梯度河段优先发生推移质输移和稀释。而站火因大量干崩落物在第一次暴雨中发生床面破坏，进而引发泥石流。在其他山地景观中，沉积物粒径和供应量是泥石流启动的关键控制因素。改进预测模型应考虑沉积物供应和粒径，以减少误报。

研究结论翻译：尽管本文提出的方法无法预测触发泥石流的降雨强度阈值，但该方法解释了为何卡尔火未产生泥石流而站火产生了多次泥石流。更广泛地说，研究人员的方法表明，在陡峭山地景观中，对火后泥石流罕见或完全不发生的地区进行针对性调查，能够与对火后泥石流频发地区的调查一样，提供关于火后泥石流启动的机制性认识。该研究发表于《SCIENCE ADVANCES》。