在低雷诺数条件下，土壤和半干旱作物在沟间侵蚀及地表径流作用下的环境抗性参数

《CATENA》：Environmental resistance parameters generated by soil and semi-arid crops under inter-rill erosion and overland flow with low Reynolds numbers

泥石流防治机制与协同治理模式研究：基于小江河谷的案例，通过年轮重建和潜在能量模型分析，揭示检查坝与植被恢复对泥石流体积的动态调控效应，提出分阶段协同治理策略。

　　

刘立群|周冠宇|李军|侯晨佑|王云奇|马超|齐志涵|徐梦珍|王照银

北京林业大学水土保持学院，中国北京100083

摘要

小江谷位于地震活跃区域，该地区铜资源丰富。长期的地震活动和采矿作业导致了严重的滑坡以及沟壑中的熔渣堆积，进而减少了植被覆盖率并频繁引发泥石流灾害。本研究考察了七个典型的泥石流沟壑，重点分析了70年来的造林和拦沙坝建设对泥石流防治的影响。通过树木年轮学方法，我们重建了拦沙坝对泥石流沉积物的拦截历史。根据坝后沉积物的积累情况分析了泥石流流量的变化趋势，并评估了坝后水位上升对滑坡和熔渣沉积物势能的影响。研究结果表明，拥有更多拦沙坝的沟壑植被恢复得更快、更成功。虽然拦沙坝拦截泥石流流量的能力随时间减弱，但泥石流流量总体上呈下降趋势，这可能归因于滑坡和熔渣能量的持续减少。我们建立了一个模型，综合考虑了滑坡和熔渣的势能、植被覆盖率和泥石流流量。该模型表明，在泥石流沟壑的不同发育阶段，造林和拦沙坝建设的顺序应有所调整。最后，我们根据滑坡和熔渣的势能，提出了各发展阶段造林和拦沙坝建设的建议顺序和范围。

引言

泥石流是由于大量未经分选的沉积物和木质碎屑在重力作用下沿斜坡涌动而形成的（Iverson, 1997）。这类事件具有破坏性，会对社会经济造成显著影响（Fuchs et al., 2007; Thiene et al., 2017; Stancanelli and Musumeci, 2018）。

易发生滑坡和泥石流的地区对沉积物供应的变化反应迅速（Evans et al., 2001; Haeberli et al., 2002; Hauser, 2002; Raymond et al., 2003; Frank et al., 2017），这可能加剧泥石流的规模和频率。在某些情况下，滑坡不仅将沉积物带入流域，还会直接转化为泥石流（Evans et al., 2001; Hauser, 2002; Yao et al., 2024）。更常见的是，滑坡并不会立即转化为泥石流，而是作为后续泥石流的沉积物来源。Tobler et al.（2014）记录了一次滑坡导致的突然沉积物涌入，使得泥石流的频率和规模显著增加（Frank et al., 2015）。

对于灾害管理者来说，预测滑坡后沉积物涌入对泥石流规模和频率的影响至关重要（Weinmeister, 2007）。然而，关于滑坡发生情况以及控制斜坡稳定性的物理因素的可靠数据往往难以获得。这种认识上的局限，加上自然斜坡的复杂性，通常阻碍了对沉积物侵蚀过程和泥石流规模的全面评估（Chowdhury and Flentje, 2002; Theule et al., 2012; Corominas et al., 2014）。

拦沙坝、蓄水池和堤坝等技术结构（Osti and Egashira, 2008; Piton and Recking, 2016）是防治泥石流的重要工具（Hübl and Suda, 2008）。其中，拦沙坝在减轻泥石流危害方面最为有效（Hübl and Fiebiger, 2005; D'Agostino, 2013; Piton and Recking, 2017）。此外，还采用了阶梯式水池等创新结构，通过消散水流能量来防止泥石流（Wang et al., 2012）。实践经验表明，应根据沉积物调节原则优化沟壑中技术结构的分布（Cui and Lin, 2013）。

生物工程干预措施，如活体斜坡网格和双排栅栏（Hübl and Fiebiger, 2005），结合造林也被用于泥石流防治（Zhou et al., 2023）。Mizuyama et al.（1988）指出，泥石流的移动距离取决于斜坡、树种和树间距，强调了树干对泥石流影响的能量消散作用。

在易发生严重重力侵蚀（如滑坡）的地区，将生物工程干预措施与技术结构相结合对于防治泥石流至关重要（Cui and Lin, 2013; Zhou et al., 2023）。George et al.（1996）提倡将植被与岩土工程结合以增强斜坡稳定性。在法国和西班牙等地区，实验中将木制拦沙坝与其他技术结构结合使用于高度侵蚀的流域。这种组合加上植被措施，提高了斜坡和沟壑中的沉积物拦截效果（Erktan and Rey, 2013; Rey and Burylo, 2014; Lyu et al., 2022a, Lyu et al., 2022b）。生物和岩土措施在调节峰值流量、能量消散、沉积物滞留和引导泥石流排放方面取得了显著成果。然而，这些措施的协同布局和评估方法的优化仍需进一步深入研究，因为目前缺乏针对其防治效果的精细评估模型（Lyu et al., 2022a, Lyu et al., 2022b）。

实现生态和岩土措施的最佳配置以防治泥石流是一项复杂的跨学科挑战。这需要深入了解生态和岩土工程原理，以及对相关山区特定地质和环境条件的全面认识。本研究聚焦于一个干旱炎热山谷中的七个沟壑，该地区以频繁的滑坡、熔渣分布、拦沙坝建设和造林干预以及泥石流活动为特征。研究目标包括：（1）分析拦沙坝和造林对泥石流的防治机制；（2）评估拦沙坝后沉积物堆积对滑坡和熔渣势能的稳定作用；（3）为易发生泥石流的沟壑提出拦沙坝和造林的优化配置模型。

研究区域

小江谷是长江的支流，全长138.2公里，流域面积为3043平方公里（图1a）。它位于小江深部断层带，地质复杂，构造活动频繁，岩石层断裂严重。暴露的土壤主要为红壤，由强烈风化的玄武岩形成（He et al., 2019）。年平均气温为20.2摄氏度，年降水量为691.3毫米（He et al., 2019）。

小江谷以其

方法

假设泥石流流量受拦沙坝、植被覆盖率以及滑坡和熔渣势能的影响。1990年之前的植被覆盖率数据来自当地林业和草原管理部门，1990年之后的数据基于Landsat遥感和实地调查。为了根据遥感数据计算植被覆盖率，我们使用了归一化植被指数（NDVI），这是量化植被覆盖率的常用方法之一

造林和拦沙坝对植被恢复的影响

1990年至2021年间，小江谷的拦沙坝建设和造林促进了植被的逐步恢复，自2005年以来植被覆盖率显著增加（图5）。然而，在1970年之前，采矿和砍伐森林导致一些泥石流沟壑的植被覆盖率下降（图6）。拥有更多拦沙坝的沟壑植被恢复得更快、更成功，例如沈沟和大桥河沟的植被覆盖率

拦沙坝和造林的配置原则

滑坡和熔渣产生的沉积物能量在泥石流形成中起着关键作用。拦沙坝后的沉积物通过对其底部施加压力来稳定滑坡和熔渣（图3），从而减少泥石流的沉积物来源，实现减少泥石流流量的目标。然而，拦沙坝在泥石流事件后的局部冲刷可能会削弱滑坡和熔渣的稳定性（Comiti et al., 2013; Piton and

结论

根据植被覆盖率以及与滑坡和熔渣相关的能量，可以将泥石流的发展分为三个区域。A区的植被覆盖率下降，滑坡和熔渣能量上升，导致沟壑中的泥石流加剧。B区的植被覆盖率增加，同时滑坡和熔渣能量上升，表明沟壑中的泥石流从加剧转变为缓解。C区的植被

CRediT作者贡献声明

刘立群：撰写初稿、监督、方法论、研究设计、资金获取、数据管理、概念构思。周冠宇：方法论、研究设计、数据管理。李军：资金获取。侯晨佑：方法论、研究设计。王云奇：数据管理。马超：研究设计。齐志涵：方法论。徐梦珍：撰写与编辑。王照银：概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了第十四个五年国家重点研发计划（2024YFC3012704；2023YFF1305201）和国家自然科学基金（32271962）的支持。同时，我们也感谢北京市教育委员会通过“生态修复工程”创新跨学科计划提供的财政支持。