0 引言

森林火灾的发生不仅影响生态地质环境，还会产生次生灾害，对人民生命财产安全构成威胁。火灾过后，一旦遇强降雨，就会容易形成泥石流灾害，这种在火烧迹地附近形成的过火型泥石流一般称为“火后泥石流”或“火相关泥石流”，是最危险的森林火灾次生灾害之一，它不但会造成大面积的水土流失，而且对过火区域下游乃至沟口附近的居民、交通及水利设施构成严重影响和危害。火后泥石流作为泥石流地质灾害的另一特殊类别，目前尚未进行系统深入的研究，国内对火后泥石流方面的研究成果较少，针对国内外研究现状，结合中国山区频发森林大火形成泥石流造成的危害性，提出了未来应加强对火后泥石流的成灾机理、时空演化机制及有效防控方法的系统研究（胡卸文等，2018）。火后泥石流是一种与林火密切相关的泥石流，任云等 （2018）通过系统开展四川省九龙县三岩龙乡色脚沟火后泥石流发育特点及形成机理研究，表明火后泥石流成灾具有与常规泥石流完全不同特点的发育特征和成灾机理。林火的发生会破坏原有的土壤结构，影响土壤的渗透速率，改变土壤的斥水特性，研究发现火后泥石流物源启动类型主要为地表灰烬层等物质径流冲刷和降雨入渗触发的浅表层滑坡两种模式，于振江等（2020）通过对四川省雅江县八角楼乡火烧迹地研究，探究了土壤的斥水特性及其对火后泥石流诱发作用的影响。这些研究成果为火后泥石流研究提供了借鉴和参考。

2022 年 10 月 17 日，湖南省新田县门楼下瑶族自治乡发生森林火灾，造成部分房屋及植被大面积烧毁，存在潜在次生灾害隐患。本文以湖南省新田县过火区域为研究对象，通过收集资料，利用高分遥感图像、野外调查、室内实验等手段，研究森林火灾对泥石流孕灾环境及成灾机制的影响，为地质灾害早期识别和预警提供判识信息，为后期防灾减灾工作提供重要依据。

1 研究区概况

研究区位于湖南省新田县北部（图1），区内属中亚热带湿润季风气候，四季变化分明，多年平均降雨量1502.3 mm，区内地表水系较发育，主要有日西河等，日西河属舂陵水的上游，发源于九峰山南麓，全长 21.3 km，自然落差为 74. 06 m，坡降为 3.5‰。研究区属侵蚀剥蚀低山地貌区，坡陡切割深，脉络清楚、岭谷交错、垂直差异明显，总体上呈北高南低，最高点为九峰山主峰 879. 0 m。地层岩性主要为志留系珠溪江组和两江河组浅变质砂岩、板岩、页岩等，研究区位于磨石源向斜东翼及茶盘湾背斜西翼，由于受多次构造运动的挤压破坏，区内基岩节理裂隙发育，在浅变质砂岩、板岩、页岩中形成了一系列的剪节理和张节理，剪节理面平直光滑，常组成共轭 X 型节理系，张节理产状不稳定，节理面粗糙不平，岩体受多组软弱结构面的切割后，易于风化碎裂。

2 火后孕灾环境影响分析

2022 年 10 月 17 日，湖南省新田县门楼下瑶族自治乡发生森林火灾，火灾持续近 9 d，各类土地过火区域总面积约130 km²，造成严重损失。

2.1 土体特征影响分析

2.1.1 土体粒径与结构特征

森林火灾过后，遭受火灾影响的土体内部呈浅黄色，土体较松散，土中含有部分植物根系（图2a）； 未遭受火灾影响的土体呈黄褐色，植物根系较少，土体颗粒团聚体较多，颜色更深（图2b）。

根据野外实地调查，火灾对土体的影响深度一般为0~0.2m（图3），当深度大于0.2 m后，影响不明显；在 0~0.2 m 范围内，土体的温度及结构变化明显，因此，分别选取过火区域和未过火区域的不同位置表层土体进行采样分析，采样厚度为0.2 m。

a—遭受火灾的土体；b—未遭受火灾的土体

通过筛析法得到过火区域和未过火区域两种土样的粒径范围数据（表1），细颗粒土对环境变化较为敏感。火灾会影响土体的粒径，使土颗粒粒径变得更小，造成细颗粒土含量增加，使土体的力学特性发生改变，主要一方面是杂草、落叶等燃烧成为了细颗粒灰烬层，另一方面是由于高温作用下土体中的水分蒸发或汽化，土中的团聚体结合性降低，在降雨或风化影响下，土体中团聚体更容易崩解。

2.1.2 土体斥水性特征

过火后土体会出现很难被水分湿润的现象，这表现为土体的斥水性，森林火灾会造成一定深度内土体斥水性的增强，其作用机理主要是高温燃烧使有机化合物蒸发，部分疏水性化合物冷凝于土体表层，阻挡水分入渗，形成极强的疏水层，导致渗透速率降低，地表截留体减少，从而引起地表径流和侵蚀（闵雷雷和于静洁，2010；刘发林等，2019）。因此，一旦遇到降雨，过火区域比未过火区域更容易引发地表径流和土体侵蚀。林地土体在高温中解裂并产生斥水性，形成松散脆弱和易于被侵蚀的土壤，这为泥石流的产生提供了大量的松散物质。

2.1.3 土体力学特征

森林火灾对土体中矿物含量影响较大，特别是表面原生矿物含量会明显变化，是因为在火灾高温作用下，矿物层间水分蒸发，且产生物理化学反应，火后土体黏土矿物含量显著变化，导致土体力学性质的改变，影响土体结构和稳定性（邓华锋等， 2013；王瑞等，2022）。选取未过火区域和过火区域土样进行剪切分析，根据剪切试验结果，得到土样强度包络线（图4）。在不同的法向应力条件下，过火区域土样比未过火区域土样抗剪强度均明显降低。过火后土体黏聚力值和内摩擦角值均减小，土体抗剪强度的降低不利于坡体的稳定（张秦华等， 2018）。

a—影响深度约0.2 m；b—影响深度约0.18 m

2.2 岩体特征影响分析

森林火灾后岩体外观形态会有所改变，这是由于岩体的矿物晶体在高温作用下发生膨胀导致内部黏土矿物失水、岩石矿物含量的变化。选取未过火区域和过火区域浅变质砂岩岩样进行分析，采用称重和量积法对所选的岩体试样质量和体积进行测定（图5），过火区域的岩样平均密度比未过火区域的岩样密度要小，主要由于高温作用使其内部水分蒸发以及岩石矿物等发生体积膨胀。

岩体内部在热能效应的作用下原生裂隙充分发育，且次生裂隙不断形成，最终发育成裂隙网络 （图6）。内部裂隙的不断增加对岩体力学性能产生不利影响，起到弱化的作用，从而使岩体的抗压强度和弹性模量都会降低（杨礼宁等，2016；于鑫等，2021）。另外，由于岩体矿物热膨胀程度的增加导致岩石内部不断发生热破裂，内部裂隙数量和规模不断增大增多，最终导致岩体渗透性增大，影响斜坡体的稳定性。

a—裂隙发育最大宽度约1 cm；b—裂隙发育最大宽度约0.5 cm；c— 裂隙发育最大宽度约1.5 cm；d—裂隙发育最大宽度约2 cm

2.3 植被影响分析

植被是泥石流发生的重要影响因素，植物的根系可以增加土体黏聚力，植物的枝叶可以截流降雨，植被的凋落物可以减少地表径流，植物对土壤具有保护作用，可以有效抑制土壤侵蚀的发生。森林火灾对植被具有严重的破坏作用，为泥石流的发生创造了条件（邸雪颖和陶玉柱，2013）。

森林火灾造成大量植被死亡和岩土体裸露，植被根系受到严重破坏并逐渐腐烂，使土体抗剪强度降低，更易形成浅层坡面流。植被根系在水土保持方面有着重要的作用，植被根系能明显提高土体的抗冲性，主要是根系的缠绕和固结作用，使土层团聚体的整体性增强（付江涛等，2014）。另外，植被根系对土体剪切强度有直接影响，土体的抗剪强度与土体的颗粒组成、含水率、容重、黏土矿物等因素密切相关（张玉红等，2012），植被根系的存在能在一定程度上改善土体的物理性质，因而，在一定条件下，可以把土体抗剪强度的增加归结为植被根系存在的结果。

森林火灾过后，通过高分遥感图像（杨伟和姜晓丽，2018）和无人机航拍对火灾发生前后进行对比分析，发现火灾导致研究区植被覆盖率明显下降 （图7、图8）。植被的减少会改变森林土壤的水文特性，植被根系的烧毁和衰退提高了地表径流和渗透能力。另外，植被面积的减少、凋落物和腐殖物的消耗，降低了植被对降雨的截排能力，提高了雨水对土体的侵蚀。由于过火后缺少植被的保护，在过火区域泥石流启动的降雨阈值会降低。

a—火灾前遥感影像图；b—火灾后遥感影像图

2.4 物源特征影响分析

森林火灾过后，过火区域的物源主要有崩滑物源、坡面侵蚀物源、灰烬层物源等，烧毁的灰烬层是火后泥石流的指标性物源之一，特别是对于未暴发的潜在泥石流沟，启动物源绝大部分就是灰烬层。研究区火烧过后的山坡上存在大量的灰烬（图9），灰烬有阻隔坡面土体与水之间联系的作用，当降雨量达到一定程度时，灰烬层达到饱和状态，形成火后泥石流的主要补给物源。根据野外实地调查，山坡过火后产生灰烬层厚约 5~10 cm，当降雨量充足时，灰烬层会演变为灰烬流并携带坡面的松散土体沿坡面往沟内流动，从而对坡面、沟道产生冲刷和切蚀，两侧坡体易发生浅层小崩小滑，为首次泥石流的形成提供丰富的松散物源。

a—火灾前无人机航拍图；b—火灾后无人机航拍图

a—坡体中部灰烬层；b—山坡前缘灰烬层

3 火后泥石流成灾机制分析

森林火灾后，一旦遇到强降雨会很快在沟谷区域内形成汇流，因岩土体性质和植被烧毁的影响，产生以坡面地表径流和坡面侵蚀为特征，降低了泥石流启动降雨阈值，形成初次以灰烬层为主的泥石流，伴随泥石流沿途冲刷侵蚀汇入沟道内，导致沟道下切严重并形成两侧有效临空面，沟道两侧松散体因下切冲刷而形成崩滑物源，加上被烧毁的残枝和枯木对沟道堵塞溃决，为火后泥石流的启动提供了有利条件，这就是过火区域泥石流的成灾机制 （陈中学等，2010；张秦华等，2018；任磊等，2020）。

选取湖南新田县门楼下乡李北坑村1组泥石流沟（图10）为例进行成灾分析，该沟谷流域三面环山，呈瓢状，为重度过火区，泥石流主沟长约 1470 m，沟域宽度约 920 m，汇水面积约 8.8×10⁵ m²，分水岭最高点 805 m，沟口高程约 350 m，相对高差 455 m，顺沟坡降 411‰。山高沟深、地势陡峻，沟谷呈 “V”型，两侧坡度为 35°~46°。流通区相对较平缓，是三条溪沟汇流区，其下方流通区沟谷狭窄陡深，长度约 350 m。沟口地面为民房区，排洪由房屋及公路下方以涵洞的形式排泄汇入日西河。

该泥石流沟下伏地层岩性为浅变质砂岩夹板岩，岩石风化强烈，节理裂隙发育，形成厚 0~1.5 m 的残坡积层。过火区的松散物源首先是坡面细粒灰烬、浮土层，夹杂残枝树干易于淤堵，随着坡面径流冲刷作用的加强，逐转为沟道下切松散的残坡积土，进而诱发沟道两侧边坡崩滑补给。另外斜坡上进村道路开挖堆积渣土结构松散，遇暴雨时可能向沟道滑塌补给，松散物源量相比失火前将更为丰富。

该泥石流沟短时间内最大汇水流量主要与流域汇水面积、地表径流系数、斜坡坡度等因素有关 （黄晓虎，2016）。按照新田县气象资料，日最大降雨量 169.2 mm，小时最大降雨量 74.5 mm，地表径流系数主要受控于斜坡地形与基岩裂隙发育程度，过火区植被烧毁，表土层渗透性降低，地表径流系数取0.8。按下式计算得到（王飞，2018）：该泥石流沟日最大汇流量和小时最大汇流量分别为 119116.8 m³ /d和52448 m³ /h。

式（1）中：Q 为泥石流沟日/小时最大汇水量 （m³）；F_w为汇水面积（m²）；φ 为地表径流系数；A 为日/小时最大降雨量（mm）。

计算结果：Q_d=880000×0.1692×0.8=119116.8 m³/d

Q_h=880000×0. 0745×0.8=52448 m³/h

综上所述，该泥石流沟总体上已具备松散物源、可以携带松散物质的水源和较大顺沟坡降的沟谷等泥石流成灾条件。在短期内如遇强降雨，可汇集大量的水源，在泥石流沟中形成湍急的水流对坡面灰烬、浮土和沟道产生冲刷切蚀及侧蚀，形成以灰烬层和崩滑物为主的泥石流，预测泥石流成灾规模为中型，威胁沟口居民及省道S227的安全。

4 结论

（1）森林火灾影响土体的外观、粒径、斥水性和力学性质，使土颗粒粒径发生改变，造成细颗粒土含量增加。森林火灾会造成一定深度土体斥水性的增强，形成松散脆弱和易于被侵蚀的土壤。过火后土体的黏聚力值和内摩擦角值均减小，土体抗剪强度的降低不利于坡体的稳定。

（2）高温作用使岩体内部水分蒸发以及岩石矿物等发生体积膨胀，过火区域的岩体平均密度比未过火区域的岩体密度要小。岩体矿物热膨胀程度的增加会导致岩体抗压强度和弹性模量降低，渗透性增加，影响斜坡体的稳定性。

（3）植被的减少会改变森林土壤的水文特性，植被根系的烧毁和衰退提高了地表径流和渗透能力，同时增强雨水对土体的侵蚀。烧毁的灰烬层是火后泥石流的主要补给物源，加上两侧坡体易发生浅层小崩小滑，为首次泥石流的形成提供丰富的松散物源。

（4）过火区域泥石流的成灾机制主要受地形、水源和物源的影响，过火后泥石流启动降雨阈值会降低，一旦遇到强降雨会很快在沟谷区域内产生汇流，形成初次以灰烬层为主的泥石流，加上沟道两侧松散体因下切冲刷而形成崩滑物源，为火后泥石流的启动提供了有利条件。

参考文献