优化检查坝建设和植树造林，以减轻易发生泥石流和滑坡的沟壑中的碎屑流灾害

《CATENA》：Optimizing check dams construction and afforestation for debris flows mitigation in slag and landslides- prone gullies

泥石流防治效果评估与植被恢复协同优化研究——基于Xiaojiang Valley的70年生态工程与工程结构效能分析，通过树轮年代学重建检查坝历史拦沙能力，结合滑坡体与渣堆势能模型，揭示植被覆盖与工程措施时空配置规律，提出分阶段工程-生态协同配置模型，有效降低泥石流频率与规模。

　　

刘立群|周冠宇|李军|侯晨友|王云琪|马超|齐志涵|徐梦臻|王照胤

北京林业大学水土保持学院，中国北京100083

摘要

小江谷位于一个地震活跃区域，该地区铜资源丰富，经历了大量的地震活动和采矿作业，导致沟壑中发生严重的滑坡和矿渣堆积。这导致了植被覆盖率的下降以及频繁的泥石流灾害。本研究考察了七个典型的泥石流沟壑，重点研究了70年的造林和拦沙坝建设对泥石流缓解的影响。通过树木年轮学方法，我们重建了拦沙坝拦截泥石流沉积物的历史情况。根据坝后沉积物的积累情况分析了泥石流体积的变化趋势。此外，我们还评估了坝后水位上升对滑坡和矿渣沉积物潜在能量的影响。结果表明，拥有更多拦沙坝的沟壑植被恢复得更快、更成功。尽管拦沙坝拦截泥石流体积的能力随时间减弱，但泥石流体积总体上呈下降趋势，这可能归因于滑坡和矿渣能量的持续减少。我们开发了一个模型，综合考虑了滑坡和矿渣的潜在能量、植被覆盖率以及泥石流体积。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该有所不同。最后，我们根据滑坡和矿渣的潜在能量，为每个发育阶段的造林和拦沙坝建设提出了建议。

引言

当大量分选不良的沉积物和木质碎屑在重力作用下被搅动并充满水分后，会沿斜坡冲下，形成泥石流（Iverson, 1997）。这些事件具有破坏性，会导致显著的社会经济影响（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可用性的变化反应迅速（Evans et al., 2001; Haeberli et al., 2002; Hauser, 2002; Raymond et al., 2003; Frank et al., 2017），可能会放大泥石流的规模和频率。在某些情况下，滑坡不仅将沉积物引入流域，还会直接转化为泥石流，通常是通过冰、雪或沉积物的卷入（Evans et al., 2001; Hauser, 2002; Yao et al., 2024）。更常见的是，滑坡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）记录了一次滑坡引起的突然沉积物涌入，导致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。这种有限的了解，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）。

诸如拦沙坝、滞留池和堤坝等技术结构（Osti and Egashira, 2008; Piton and Recking, 2016）是预防泥石流的基本工具（Hübl and Suda, 2008）。其中，拦沙坝在缓解泥石流灾害方面最为有效（Hübl and Fiebiger, 2005; D'Agostino, 2013; Piton and Recking, 2017）。像阶梯池这样的创新结构也被用来通过耗散水流能量来控制泥石流，使其不足以触发泥石流（Wang et al., 2012）。实践经验侧重于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），以及造林，也被用于预防泥石流（Zhou et al., 2023）。Mizuyama et al.（1988）证明，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耗散作用。

在容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缓解泥石流至关重要（Cui and Lin, 2013; Zhou et al., 2023）。George et al.（1996）提倡将植被与岩土工程相结合以增强斜坡稳定性。在法国和西班牙等地区，实验将木质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，改善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）。生物和岩土措施在峰值流量调节、能量耗散、沉积物滞留和泥石流引导方面取得了显著成果。然而，为了优化这些措施的协同布局和评估方法，还需要进一步深入研究，因为目前缺乏针对生物和岩土措施缓解功能的精细评估模型（Lyu et al., 2022a, Lyu et al., 2022b）。

实现生态和岩土措施在泥石流缓解方面的最佳分配是一个复杂的跨学科挑战。这需要深入理解生态和岩土工程原理，以及所研究山区具体的地质和环境条件。本研究重点关注了一个干旱炎热山谷中的七个沟壑，这些沟壑以频繁的滑坡、矿渣分布、拦沙坝建设和造林干预以及泥石流活动而闻名。研究目标是：（1）分析拦沙坝和造林对泥石流的缓解机制；（2）评估拦沙坝后沉积物积累对滑坡和矿渣潜在能量的稳定作用；（3）为易发生泥石流的沟壑提出优化的拦沙坝和造林配置模型。

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，该地区地质复杂，构造活动频繁，岩层断裂。裸露的土壤主要由风化强烈的玄武岩形成的红壤组成（He et al., 2019）。年平均气温为20.2°C，年降水量为691.3毫米（He et al., 2019）。

小江谷以其

方法

假设泥石流体积受拦沙坝、植被覆盖率以及滑坡和矿渣的潜在能量的影响。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，而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

小江谷的拦沙坝建设和造林使得1990年至2021年间植被逐渐恢复，自2005年以来植被覆盖率显著增加（图5）。然而，在1970年之前，采矿和森林砍伐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壑的植被覆盖率值

拦沙坝和造林分配的原则

滑坡和矿渣产生的沉积物能量在泥石流的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继续稳定滑坡和矿渣（图3），从而减少了泥石流的沉积物来源，实现了减少泥石流体积的目标。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矿渣的稳定性（Comiti et al., 2013; Piton and

结论

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

CRediT作者贡献声明

刘立群：撰写——原始草稿，监督，方法论，调查，资金获取，数据管理，概念构思。周冠宇：方法论，调查，数据管理。李军：资金获取。侯晨友：方法论，调查。王云琪：数据管理。马超：调查。齐志涵：方法论。徐梦臻：撰写——审阅与编辑。王照胤：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所述的工作。

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。我们还要感谢北京市教育委员会通过创新跨学科项目“生态恢复工程”提供的财政支持。