近日，周强教授团队在《中国水土保持科学（中英文）》发表题为《祁连山东段矿渣堆料对沟道侵蚀的灾害放大作用——以西宁市金跃沟为例》的论文。研究从极端降雨与矿业遗留扰动耦合致灾视角出发，将矿渣堆料失稳、沟道侵蚀增强及泥石流动力演化过程进行连续表征，通过野外调查、室内试验及FLO-2D数值模拟，对有、无矿渣两种情景下的成灾过程进行对比分析，揭示了“矿渣失稳-侵蚀放大-灾害链生”的灾害放大作用，为认识高寒矿区人为扰动背景下山洪-泥石流灾害的演化过程及风险防控提供了新的思路。

一、研究背景

祁连山是我国西部重要的生态安全屏障，也是青藏高原东北缘典型的生态脆弱区。祁连山东段矿产资源开发历史较长，历史采矿活动在部分沟谷遗留了大量结构松散、孔隙度较高、抗剪强度较低的废弃矿渣堆料。在正常环境条件下，这类堆积体已经具有一定失稳风险；在短历时、高强度极端降雨作用下，其稳定性进一步降低，并可能由单一坡体失稳快速演化为滑坡、山洪和泥石流等连续灾害过程。

2024年9月3-4日，青海省发生有气象记录以来极强暴雨过程，金跃沟上游的大通娘娘山景区气象站最大降水量达到133.8 mm，小时降雨强度达到68.6 mm。受极端降雨影响，金跃沟沟口废弃硅矿堆料发生失稳滑坡，大量松散矿渣进入沟道并参与山洪运动，最终形成具有明显人为放大特征的矿渣型泥石流。

与单纯分析“降雨触发泥石流”不同，该研究进一步关注了历史矿业活动遗留的矿渣堆料，在极端降雨条件下究竟会在多大程度上改变沟道地形、物源结构与水动力过程，并最终放大灾害。因此，研究团队选取金跃沟作为典型沟道，通过设置“有矿渣”和“无矿渣”两种情境，对这一过程进行了系统量化。

图1金跃沟流域位置

图2 金跃沟沟口废弃矿渣堆料位置分布

二、研究方法

研究团队在“9·03”暴雨灾害发生后迅速开展野外调查，利用无人机获取灾后高分辨率地表影像，并对自然沟道沉积物、矿渣滑坡体、侵蚀区和泥石流堆积物进行分区采样。同时，通过居民现场录像、遥感影像、降雨资料及数字高程模型，对灾害全过程进行综合反演。

在此基础上，研究构建了“现场调查-室内实验-失稳判定-水动力分析-二维模拟-情景对比”的技术体系。主要通过颗粒组成和容重实验分析矿渣加入前后泥石流物质组成变化；随后利用直剪试验测试不同含水条件下矿渣及自然沉积物的抗剪强度，并结合Iverson降雨入渗失稳模型和Mohr-Coulomb强度准则判断矿渣堆料稳定性；进一步采用曼宁公式量化沟道流速和洪峰流量变化；最终利用FLO-2D二维模型模拟有矿渣和无矿渣两种情况下泥石流流速、流深及危险范围的空间差异。

三、研究主要结果

1.矿渣显著改变泥石流物源与动力性质

研究发现，金跃沟两处废弃硅矿堆料体具有明显的不稳定特征。其中，矿渣堆料体抗剪强度约为21.23 kPa，而剪切应力达到58.78 kPa，稳定性安全系数仅为0.36，表明堆料体本身即处于高度不稳定状态。在“9·03”极端降雨作用下，超过1000 m³的矿渣滑坡体进入沟道，成为泥石流新增物源。

矿渣进入沟道后，使泥石流容重较自然沟道状态提高约20%，泥石流由自然状态下的稀性流转变为破坏力更强的亚黏性流。与此同时，矿渣滑坡体不仅补充了大量松散固体物源，还对沟床和边坡产生明显的铲刮侵蚀作用，进一步扩大了泥石流物源规模。

该结果说明，矿渣并不是被动被泥石流搬运的普通堆积物，而是能够在极端降雨过程中充当一个可快速释放的“人工物源库”，推动山洪向高含沙、高破坏力泥石流转化。

图3金跃沟废弃矿渣堆料分布与成灾模式

2.矿渣堆料改变沟道形态并放大水动力

矿渣堆料的影响不仅体现在物源增加，还显著改变了原有沟道的几何形态。

金跃沟原始沟道平均宽度约为35～50 m，两处矿渣堆料长期侵占后，局部沟道被压缩至25～35 m；此次暴雨导致堆料进一步失稳滑坡后，部分行洪通道被进一步压缩至8～28 m，并伴随河床抬高。

这种“物源增加+通道压缩+局部坡度增大”的共同作用，使泥石流能量更加集中。相比自然沟道情境，矿渣影响下泥石流流速提高约43%，洪峰流量增加约59%，显著增强了沟道侵蚀和泥石流冲击能力。

FLO-2D模拟进一步表明，同等极端降雨背景下，自然状态下泥石流最大流速约为3.40 m/s、最大流深约为7.68 m；矿渣堆积情境下，最大流速可达7.09 m/s、最大流深可达10.35 m。矿渣存在使泥石流危险性由原先以中危险区为主，转变为以高危险区为主，并显著扩大了灾害影响范围。

灾后调查显示，金跃村47%的污水管网被砂石堵塞或破坏，40%的硬化路面被冲毁，约30%的房屋受到不同程度损坏，表明矿渣导致的动力放大效应最终转化为更强的居民区灾害影响。

图4 不同情境下泥石流的流速分布

图5 不同情境下泥石流的流深分布

图6 不同情境下泥石流危险性分布

3.揭示“矿渣失稳-侵蚀放大-灾害链生”正反馈过程

在金跃沟个例分析基础上，研究团队进一步结合祁连山东段多个典型矿区案例，提出了高寒矿区矿渣堆料灾害放大的区域性作用。

祁连山东段具有地形起伏大、沟谷切割深、夏季短历时强降水集中以及冻融作用强烈等自然环境特征。这种天然脆弱的孕灾背景与历史矿业开发形成的松散矿渣堆料相互叠加，在极端降雨作用下，可形成“冻融循环与降雨叠加→矿渣结构疏松、抗剪强度降低→矿渣堆体失稳滑塌→超渗产流与多沟汇聚→沟道侵蚀增强、物源进一步增加→泥石流动力与影响范围扩大→孕灾环境稳定性进一步降低”的链式放大过程，由此形成“人类活动扰动+极端气候触发”共同控制的正反馈型链生灾害放大作用。

图7 “9·03”金跃沟山洪−泥石流行洪过程

六、研究意义

研究表明，祁连山东段历史矿业活动遗留的矿渣堆料并非单纯的静态环境问题，而是在极端降雨作用下可快速转化为重要灾害物源，并通过增加松散物源、挤压行洪通道和增强水动力过程，显著放大沟道侵蚀及泥石流灾害强度。金跃沟案例揭示了“极端降雨触发-矿渣失稳-沟道侵蚀增强-泥石流动力放大-灾害链生扩展”的连续演化过程，说明高寒矿区灾害具有明显的自然过程与人类扰动耦合特征。该研究为认识祁连山东段“气候触发-人为放大”型复合灾害提供了新的分析视角，也表明矿山生态修复应由单一地表恢复进一步向“生态修复与灾害风险防控协同”转变。

未来，通过进一步考虑不同重现期极端降雨、不同矿渣规模及不同堆积位置等情景，量化矿渣堆料对沟道侵蚀和泥石流动力过程的放大阈值；同时结合多时相遥感、无人机监测和高精度地形数据，动态刻画矿渣失稳、沟道冲淤与物源转化过程，为历史矿区风险识别、生态修复布局和极端天气背景下的灾害预警与综合防控提供科学支撑。

论文信息

青海师范大学为该论文第一单位。硕士研究生申沁蕊为论文第一作者，周强教授为通讯作者，马伟东、牛百成、刘峰贵、夏兴生和谢晓海为共同作者。论文作者单位包括青海师范大学地理科学学院/国家安全与应急管理学院、青海祁连山地表灾害野外科学观测研究站、青海省人民政府—北京师范大学高原科学与可持续发展研究院以及青海省自然资源遥感中心。

该研究得到国家自然科学基金“中国北方农牧交错带土壤多营力复合侵蚀变化与风险评估”（42330502）和“青藏高原高山寒冻风化带动态变化与灾害响应”（42271127）项目资助。

论文引用：

申沁蕊,周强,马伟东,等.祁连山东段矿渣堆料对沟道侵蚀的灾害放大作用——以西宁市金跃沟为例[J].中国水土保持科学(中英文),2026,24(3):137-151.DOI:10.16843/j.sswc.2025254.

英文引用：

SHEN Qinrui, ZHOU Qiang, MA Weidong, et al. Disaster amplification effect of slag heaps on ravine erosion in eastern section of Qilian Mountains: A case study of Jinyue Ravine, Xining[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2026, 24(3): 137–151.