73 / 2025-05-08 22:54:56

沟道植被对泥石流冲淤的调控机制及其数学表征

泥石流,沟道植被,侵蚀淤积,调控机制,数学表征

近年来，泥石流的生态减灾越来越多地被提倡和研究。本研究围绕泥石流沟道中常见的两种植被类型（沟岸草本和沟床乔木林），通过野外考察和系统的物理模型实验，揭示了其调控泥石流冲淤的机制，并提出了相应的参数化模型。研究成果为沟道植被的泥石流减灾功能定量评估提供了参考。具体研究成果如下：

（1）揭示了裸土沟岸退缩和泥石流侧向侵蚀间的互馈机制，并构建了一个沟岸退缩的参数化模型。泥石流沟岸退缩主要包括切脚和沟岸崩塌两个过程，并遵循以下负反馈机制：沟岸侵蚀导致沟床急剧加宽，从而导致流深减小，进而抑制泥石流侧向侵蚀作用。泥石流的侵蚀效率与沟床拓宽率呈负相关，累积侵蚀量随着沟岸土体细颗粒含量的增加而减小。基于实验结果建立了一个参数化的沟岸退缩模型，该模型综合考虑了多种因素，包括初始侵蚀效率、侵蚀效率衰减率、最大沟床拓宽率、沟道形状参数和泥石流冲出量。初始侵蚀效率随着表征细颗粒含量的沟岸土体标度分布参数（μ）的增加先增加后下降。最大沟床拓宽率和μ负相关，且呈现幂函数关系。

（2）探明了草本植物调控泥石流沟岸侵蚀的机制，并量化了沟岸侵蚀效率与草本植物特征参数间的关系。研究结果表明，与裸土岸坡相比，植被岸坡（叶面积指数范围为0.10至3.21，根长密度在2.5到135.5 km/m³范围内）的泥石流侵蚀效率显著降低，降幅在70.84%至92.49%之间。这种减缓效果归因于草本植物叶片和根系的共同作用：茎叶在泥石流作用下倒伏，并代替土体承受部分泥石流剪应力；根系在泥石流侵蚀中多暴露而极少剪断，限制了表层土的整层起动。泥石流的侵蚀效率随着叶面积指数和根长密度的增加而减小，并与其存在很好的指数函数关系。

（3）揭示了沟床乔木林对泥石流淤积的调控机制，并提出了一种考虑林带影响的泥石流淤积比降评估方法。泥石流进入林带后，其阻力能坡陡增且与沟床纵比降的协调被打破；随后流速降低，流深增加，阻力能坡也逐渐减小；同时大量泥沙被拦截在林带中，拦蓄泥沙淤积深度从上游向下游逐渐减小，抬高了林带沟床的坡度；最终阻力能坡和沟床纵比降再次实现协调。淤积引起的沟床纵比降增加量（ΔS_bed）与林带阻力能坡（ΔS_e）成正比，对于粘性和稀性泥石流，ΔS_bed分别约为ΔS_e的2.3%和3.4%。此外，本研究提出了考虑林带影响的泥石流淤积比降和淤积体积的评估方法。