本报告基于发表于Journal of Hydrology: Regional Studies (第63卷，103032, 2026)的学术论文，题为“打破堵塞：地中海河流山洪期间桥梁木堵截的破裂——来自水动力模型与洪水后观测的洞见”。该研究由来自西班牙巴塞罗那大学、加泰罗尼亚理工大学（巴塞罗那技术大学）-国际工程数值方法中心、以及瑞士伯尔尼大学的多位研究者共同完成，主要作者包括Llanos Valera-Prieto、Marcos Sanz-Ramos、Ernest Bladé和Virginia Ruiz-Villanueva。本研究聚焦于地中海区域山区河流中山洪引发的粗大木质残体（Large Wood， LW）输移及其与桥梁结构相互作用这一关键科学问题，旨在通过耦合的二维水动力-泥沙-LW输移模型，结合详细的灾后实地观测，首次在数值模型中再现并量化了桥梁木堵塞形成与突然溃决的全过程，深入揭示了其对洪水演进、致灾过程与风险的深刻影响。

学术背景与研究目标 在全球气候变化背景下，短历时强降水引发的山洪灾害在人类活动密集且地形陡峭的地中海地区尤为突出，其特征是强度大、历时短、难以预测。此类洪水常伴随大量的泥沙与有机质（包括粗大木质残体）输移，加剧了灾害风险。LW在河流生态地貌过程中扮演着重要角色，但其在极端洪水事件中的动力学行为，尤其是在人类改造河道（如桥梁等基础设施）中的表现，仍是研究相对不足的领域。当大量LW在桥梁等关键瓶颈处积聚堵塞时，会引发局部壅水、加剧淹没，而堵塞体的突然溃决则可能产生破坏性更强的溃决波，急剧改变洪水危险格局。然而，关于桥梁堵塞-溃决这一动态循环过程的直接观测数据和定量模型研究非常匮乏。

本研究以2019年10月西班牙加泰罗尼亚Francolí河上游的特大暴雨（24小时降雨293毫米）和毁灭性山洪为案例。此次洪水导致六人死亡、四座桥梁倒塌，并引发了显著的河流地貌变化与大量LW的侵蚀与输移。论文作者团队选取靠近L’espluga de Francolí村的1.6公里河段作为研究对象，旨在结合高精度的灾后观测（包括淹没痕迹、地貌变化、LW沉积分布等）与先进的数值模拟技术，达成以下核心目标：1）应用耦合模型IBER-Wood重建此次洪水事件的水动力、泥沙输移及LW动态过程；2）重点分析LW在桥梁处的积聚、堵塞及溃决机制；3）评估模型在模拟此类复杂交互过程方面的能力；4）探讨将LW动力学纳入洪水风险评估与管理实践的启示。

详细研究流程与方法 本研究采用了一种从实地数据采集到多情景数值模拟的综合性、多步骤研究方法，具体流程详述如下：

第一步：数据收集与事件重构。 在洪水事件后，研究团队开展了全面的野外调查，集成了多源数据为模型提供输入与验证基准。这包括：利用无人机航拍、地貌测绘获取高分辨率的地形变化（侵蚀/沉积）和LW沉积分布图；参考前期研究（如Martín-Vide等人，2023）利用水文、水力学及波前法估算出的河段入口洪水流量过程线（Hydrograph）；实地勘测洪水水位标记（Watermarks）以确定淹没范围和水深；基于加泰罗尼亚森林清单（IFN4）及对河道两岸被侵蚀植被面积的估算，量化了可能输入河道的LW数量（研究河段及上游约2公里范围内共10.3公顷植被受损，估算约4200根原木）。这些数据共同构成了模型构建、边界条件设定、校准与验证的基础。

第二步：数值模型构建与配置。 研究采用IBER-Wood软件进行模拟。IBER是一个免费的二维水动力建模软件，其Wood模块采用拉格朗日离散法，将LW简化为圆柱体（原木），模拟其在水中的漂浮或拖曳运动，并能模拟原木之间、原木与河床、河岸以及桥梁等构筑物之间的相互作用。模型实现了水动力与LW输移的完全耦合，即水流驱动原木运动，而原木的堆积又通过增加阻力项反馈影响水流（圣维南方程）。

模型具体配置如下： 1. 计算网格与地形： 基于1米分辨率的数字高程模型（DEM），生成了约100万个三角形单元的无结构计算网格。研究区域内的两座关键桥梁（Font Major桥，简称B1；La Palanca桥，简称B2）作为内部水工结构被人工精细地集成到网格中，定义了桥面板高程、开口率以及不同流态下的流量系数。 2. 边界条件： * 入口流量： 在Milans河（下游为Francolí河）和Sec河两个入口设置流量边界。基于前期研究的估算范围，选定了三组具有不同洪峰流量（Q1: 501 m³/s， Q2: 710 m³/s， Q3: 960 m³/s）的流量过程线用于情景模拟。 * 泥沙条件： 采用输沙能力法，使用Meyer-Peter & Müller公式计算推移质输沙，假定均匀泥沙粒径为0.04米（砾石）。对河床、植被区、基岩和城市区域设定了不同的不可侵蚀层厚度。 * LW输入： LW从主河道（Francolí河）入口输入。输入的时间分布基于实地证据设计，使其在洪水的涨水段增加，在洪峰达到最大，并在退水段减少，以更真实地反映LW在洪水过程中的动态补给。 3. 模型参数： 确定了与LW模拟相关的关键参数，如拖曳力系数（1.2）、岸壁反弹角（0.78弧度）、恢复系数（1）、原木密度（800 kg/m³，基于优势树种白蜡树和杨树）等。

第三步：模型校准与情景设计。 研究进行了系统的校准和情景分析，共模拟了31个场景，分阶段进行： * 阶段1（F1）： 测试不同计算网格类型（RTIN和GEO）和不同曼宁糙率系数（n），通过比较模拟水深与观测洪水位，选定GEO网格和较高的糙率值。 * 阶段2（F2）： 测试不同流量（Q1-Q4）及桥梁不同开口率（100%， 50%， 15%）对上游水位的影响，发现Q4（1330 m³/s）流量场景高估了淹没范围和水深，因此后续聚焦于Q1-Q3。 * 阶段3（F3）与阶段4（F4）： 在选定的Q1、Q2、Q3流量下，进行最终的情景组合。最终形成了六组核心对比情景：三组仅考虑水流（Q1H， Q2H， Q3H），另三组则耦合了水流、泥沙和LW输移（Q1HSM， Q2HSM， Q3HSM）。这种设计旨在清晰分离并量化泥沙和LW输移对洪水过程的影响。

第四步：结果分析与评估。 分析从时空两个维度展开。空间上，将研究河段划分为四个子河段（S1-S4），以考察地貌和结构影响下的空间变异性。时间上，选取洪水过程线上的三个关键时刻（T1：涨水段；T2：洪峰后不久；T3：退水末期）进行分析。分析变量包括：最大水深、流速、临界起动粒径（反映水流输沙能力）、地貌变化（侵蚀/沉积量及空间格局）以及LW的输移、沉积和与桥梁的相互作用。通过纳什-萨克利夫效率系数（NSE）等统计指标，将模拟的水深、淹没范围、LW沉积模式等与实地观测数据进行定量比较和验证。

主要研究结果 本研究获得了多方面的定量和定性结果，揭示了LW在洪水灾害中的关键作用。

1. 模型性能与流量情景验证： 模型校准显示，包含水、沙、木耦合的Q1HSM、Q2HSM、Q3HSM情景在整体上比纯水情景（Q1H， Q2H， Q3H）更能准确地再现观测到的洪水水位和淹没范围。纯水情景无法匹配某些关键位置的观测水深，而耦合情景则显著改善了拟合度，证明考虑LW和泥沙过程对于准确模拟此次洪水至关重要。高流量Q4情景因严重高估而被排除。对观测洪水位的NSE分析表明，Q1和Q2流量场景在大多数子河段表现良好。

2. LW输移与沉积动态： 模拟结果清晰展示了LW输移与流量、河道形态及桥梁结构的复杂关系。

   • 流量影响： 在较低流量（Q1）下，进入模型域的大部分LW被滞留；随着流量增大（Q2， Q3），LW被冲往下游的比例显著增加。这表明桥梁对LW的截留效率随流量增加而降低。
   • 空间分布： 模拟的LW沉积模式与实地观测总体一致，尤其在桥梁附近。桥梁（B1和B2）是LW最主要的沉积和堵塞点。然而，模型在某些区域存在偏差：例如，在S1（最上游子河段）倾向于低估LW沉积，可能因为模型未充分模拟被岸边树木截留的LW；而在桥梁处则倾向于高估堆积量，部分原因是灾后航拍时现场清理工作已移除了部分桥面原木。
   • 沉积量对比： 在模拟结束时刻（T3），Q2HSM情景（710 m³/s）模拟的沉积LW数量与观测值之比为1.36，吻合度最佳；Q1HSM高估（比值3.19），而Q3HSM则低估（比值0.71）。这进一步支持了Q2流量可能是更接近实际洪峰的一个合理估计。

3. 桥梁堵塞-溃决过程的重现： 这是本研究最核心的发现。IBER-Wood模型成功模拟了两座桥梁在洪水期间经历多次堵塞-溃决循环的动态过程。

   • 过程细节： 在Q2HSM（710 m³/s）情景中，桥梁B1经历了两次完整的堵塞和溃决：第一次发生在主洪峰之前，第二次发生在退水段。桥梁B2的堵塞则主要发生在洪峰期间。
   • 水力效应：
     • 壅水效应： 当LW在桥前积聚堵塞时，上游水位显著抬升。累积分布函数分析表明，耦合了LW的情景下，桥前水位超过桥面板高程的概率远高于纯水情景。
     • 溃决波： 堵塞体溃决时，模型捕捉到了下游水位的突然上升。例如，在Q2HSM情景中，桥梁B1的第一次溃决导致其下游断面水位在短时间内急剧上升约1米。这种水位的突然暴涨是纯水情景（水位随流量过程线平缓变化）无法产生的，证实了“木堵溃决波”的存在及其对局部洪水危险的放大作用。
     • 对洪峰的影响： 模拟显示，LW堵塞会暂时阻滞水流，延迟洪水波的传播，并改变过程线形状。溃决事件释放的水体和LW可能形成瞬时的附加洪峰。

4. 泥沙输移与地貌变化： 模型再现了洪水期间强烈的侵蚀与沉积过程。高侵蚀区（>1米）主要集中在桥梁B1附近的陡坎（Knickpoint）以及连接两座桥梁的道路沿线，这与实地观察到的严重河岸侵蚀和构筑物破坏位置吻合。高沉积区（>1米）则主要出现在两座桥梁的下游。这些模拟结果与灾后正射影像揭示的地貌改变格局基本一致。

研究结论与价值 本研究通过创新的模型应用与详实的实地验证，得出以下主要结论： 1. 证实了桥梁木堵塞-溃决动态循环的真实性与重要性： 研究首次在二维水动力-泥沙-LW耦合模型中直接模拟并量化了桥梁因LW积聚而堵塞、继而溃决释放的全过程，为之前基于理论和间接证据的假设提供了强有力的数值重现和实证支持。这一过程是理解山洪灾害在局部突然加剧的关键机制。 2. 阐明了LW对洪水水动力的显著影响： LW不仅通过堵塞桥梁产生壅水，扩大上游淹没范围，其溃决更会引发突然的、局部的洪水波，显著增加下游的流速和侵蚀力，从而急剧改变洪水风险的时空分布。 3. 强调了在洪水风险评估中整合LW和泥沙过程的必要性： 纯水力学模型不足以准确预测受强烈地貌过程和LW输移影响的洪水事件。本研究证明，耦合模型能够更真实地反映复杂山洪的致灾过程，从而提高洪水危险性绘图、桥梁等基础设施风险评估以及减灾策略制定的科学性。 4. 展示了IBER-Wood模型在复杂场景模拟中的应用潜力与局限： 研究验证了该模型在模拟LW与基础设施相互作用方面的有效性，同时也指出了其作为二维模型在刻画三维堆积细节、处理植被截留效应以及输入条件（如LW补给时空过程）不确定性等方面的局限性，为未来模型发展指明了方向。

研究亮点 1. 方法创新性： 首次将二维水动力-泥沙-LW完全耦合模型应用于真实、极端山洪事件的完整再现，并成功模拟出桥梁木堵塞形成与突然溃决这一高度动态、非线性的灾害链过程，在方法论上取得了重要突破。 2. 发现的重要性： 定量揭示了LW堵塞溃决对洪水波形的改造作用（如产生瞬时附加洪峰、延迟主洪峰），将LW从静态的阻塞物提升为动态改变洪水危险性的核心驱动因子之一，深化了对山洪灾害机理的认识。 3. 强烈的应用导向： 研究成果直接服务于洪水风险管理实践，为山区河流桥梁等基础设施的耐灾设计（如考虑足够的LW过流能力、桥孔净空）、洪水预警中考虑LW动态、以及流域管理中重视 riparian vegetation（河岸植被）和LW源区的调控，提供了关键的科学依据和决策支持。 4. 数据的综合性： 研究采用了灾后高精度遥感、实地测绘、水文重建、森林清查等多源数据与数值模型的深度结合，构建了一个从原因（强降雨）、过程（水-沙-木耦合输移）到后果（淹没、侵蚀、破坏）的完整事件分析框架，体现了多学科交叉研究的优势。