本文为一项关于“山地水流治理措施”的原创研究，主要探讨了检查坝失效后河流景观演变的长期地貌响应。研究由Jorge Alberto Ramirez、Mirjam Mertin、Nadav Peleg、Pascal Horton、Chris Skinner、Markus Zimmermann和Margreth Keiler等学者共同完成，发表于《International Journal of Sediment Research》期刊，时间为2022年4月。

研究背景

本研究属于景观演变模型（Landscape Evolution Model, LEMs）领域，主要聚焦于山地河流中的检查坝（check dam）失效对河流地貌和沉积物搬运的影响。检查坝在山地河流中广泛应用，尤其是在欧洲阿尔卑斯地区，它们能有效减缓河床冲刷和沉积物搬运，起到防洪和减灾的作用。然而，检查坝在经过长期使用后，通常面临维护不足、老化或失效的问题。检查坝失效后，积存的沉积物可能会被迅速动员，引发严重的河床侵蚀和增加下游的泥石流风险。因此，研究检查坝失效对山地河流景观演变的长期影响具有重要的理论价值和实践意义。

研究目标与方法

本研究的主要目标是通过使用CAESAR-LISFLOOD模型，量化检查坝失效后对河流地貌变化及沉积物产量的影响，并分析河流恢复至稳定状态所需的时间。此外，本研究还特别考虑了检查坝失效对山坡不稳定性和泥石流的潜在激发作用。研究中使用了100年期的模拟数据，综合考虑了不同的降水模式和检查坝失效场景。

研究方法

1. 模型选择与验证： 本研究使用了CAESAR-LISFLOOD模型，该模型将CAESAR景观演变模型和LISFLOOD-FP水文模型结合，适用于大尺度河流流域模拟。该模型能够模拟山地河流中的水流动态、沉积物输运以及景观的长期演变。为确保模型的准确性，研究者首先对模型进行了针对该地区的校准，并使用100年的降水数据进行驱动模拟。

2. 降水生成： 本研究采用了一种基于随机空间时间降水生成器（stochastic space-time rainfall generator）的方法，用于生成具有空间时间分布特性的降水数据。这一方法能够模拟100年期的高空间分辨率降水序列，为模型输入提供了更加真实的降水场景。

3. 检查坝失效情景： 研究者设定了七种不同的检查坝失效场景，其中包括基线场景（100%检查坝维护）以及不同程度检查坝失效的场景（50%和0%维护）。失效的概率依据检查坝的年龄和水文流量（尤其是5年一遇的大洪水）设定。通过这种方式，模拟了不同情况下检查坝失效的时间和空间分布。

4. 地形数据处理： 研究中使用了瑞士Alti3D数字高程模型（DEM）来表示研究区域的地形。该模型的空间分辨率为2米，并根据研究区域的实际情况进行了重采样处理，以适应模型的计算需求。

5. 沉积物输运与河床变化： 在模型中，沉积物输运使用了Einstein方程和Wilcock-Crowe方程，模拟了不同粒径的沉积物在水流作用下的移动。模型输出包括每年沉积物负荷和河床高程变化数据，能够直观反映检查坝失效对河床地貌的影响。

研究对象与样本

本研究的研究区域为瑞士的Guerbe流域，包含了多个检查坝。研究通过模拟73座检查坝的失效过程，分析了它们对河流地貌的影响。研究对象包括河流的沉积物运输、河床形态变化以及上游沉积物的动员等。研究结果通过与历史数据进行比较验证，确保了模拟结果的可靠性。

研究结果

1. 河床形态变化： 模拟结果表明，检查坝失效后，河流会经历剧烈的河床侵蚀。根据不同的失效场景，河床侵蚀的深度最大可达到8米。特别是在高失效概率和无维护的场景下，侵蚀深度加剧，下游出现了明显的沉积区。相比于50%维护的情景，0%维护的情景表现出了更强的河床不稳定性和更广泛的侵蚀范围。

2. 沉积物产量： 检查坝失效导致沉积物重新动员，进而引发沉积物负荷的急剧增加。在50%检查坝维护的情况下，沉积物产量增加了76%，而在0%维护的情况下，沉积物产量增加了322%。这些结果表明，检查坝的缺乏维护会导致流域内沉积物的长期积累和急剧释放，增加了下游泥石流的风险。

3. 河流恢复平衡的时间： 研究还发现，单个检查坝的失效后，河流通常在5年内恢复平衡。然而，在多次检查坝失效的情况下，河流可能需要长达15年的时间才能恢复到稳定状态。这一结果反映了检查坝失效对河流稳定性和沉积物动态的长期影响。

4. 山坡不稳定性与泥石流： 模拟结果未能显示出检查坝失效直接导致大规模山坡不稳定或泥石流的发生。这表明，尽管检查坝失效可能会加剧河床的侵蚀，但在本研究区域内，山坡不稳定性并没有显著增加。

结论与意义

本研究通过应用CAESAR-LISFLOOD景观演变模型，成功模拟了检查坝失效对山地河流地貌的长期影响。研究表明，检查坝在减少河床侵蚀和沉积物搬运方面起到了关键作用，尤其是在防止下游泥石流方面。然而，检查坝的老化和维护不足是导致其失效的主要原因，一旦失效，将可能导致严重的河床侵蚀和沉积物释放，增加洪水和泥石流的风险。

研究的结果对于山地地区的洪水防治和泥石流管理具有重要的实践意义。研究者强调了持续维护检查坝的重要性，并建议在今后的灾害管理中加强对检查坝的关注与管理。通过模拟不同维护策略和失效情景，研究为相关决策者提供了科学依据，帮助他们在灾害管理和风险评估中作出更为合理的决策。

研究亮点

1. 长期地貌响应模拟： 本研究首次通过景观演变模型（LEMs）模拟了检查坝失效对河流地貌的长期影响，这为理解检查坝在长期使用中的效能和局限性提供了新的视角。

2. 创新的降水生成与模型驱动方法： 本研究采用了高空间分辨率的降水生成器模型，并结合景观演变模型进行长期模拟，这是对现有研究的一项重要拓展。

3. 沉积物动员与洪水风险分析： 研究揭示了检查坝失效后，积存的沉积物如何迅速动员并增加下游洪水风险，为洪水与泥石流防治提供了新的研究视角。

本研究不仅为检查坝的维护提供了科学依据，也为山区灾害风险评估和管理提供了宝贵的模型工具与方法。