基于R S和G I S的礦山泥石流形成條件信息提取★

陸 力，魏衍棟，常夫偉 ，馬 超

（1．中煤華晉能源有限責任公司 王家?guī)X煤礦，山西 河津 043300；2.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454003）

礦山泥石流是個突出的環(huán)境問題[1]，研究其形成條件研究是評價礦山泥石流危險度及制定合理防治措施的關(guān)鍵。我國學者在研究礦山泥石流形成條件已做大量工作。倪化勇等[2]以石棉縣后溝為例，得出水動力條件經(jīng)對礦渣提供方式的影響而導致礦山泥石流在成因、規(guī)模等方面存在差異；徐友寧等[3]研究總結(jié)礦山泥石流的形成條件，認為不合理的堆放廢石渣是礦山泥石流形成的主要固體物源；陳野鷹等[4]以山區(qū)溝谷泥石流為例，得出河流兩岸山坡巖土結(jié)構(gòu)、人為活動與持續(xù)降雨或暴雨是山區(qū)溝谷泥石流形成的主要因素；張麗萍等[5]以神府東勝礦區(qū)為例，系統(tǒng)分析礦山泥石流形成的環(huán)境背景和地形地貌、松散堆積物、降雨等三大形成條件。傳統(tǒng)的礦山泥石流形成條件研究，采取實地手動調(diào)查的方式，投入人力和資金量大、效率低、數(shù)據(jù)定位精度低、較差的現(xiàn)勢性。而用RS與GIS技術(shù)具有宏觀、準確、快速的特點，并已得到廣泛應(yīng)用。蔡柯柯等[6]以彭州市為例，進行震后毀壞土地信息提取與分析；王茜等[7]利用RS和GIS技術(shù)研究冀北地區(qū)土地利用與土壤侵蝕關(guān)系；劉玉龍等[8]以四川梭羅溝和如米溝為例，運用“3S”技術(shù)提取水土流失信息，并對提取結(jié)果進行分析。本文應(yīng)用RS與GIS技術(shù)提取太原市虎峪溝礦山泥石流形成條件信息，為礦山泥石流災(zāi)害的評價與防治提供有效的科學依據(jù)。

1 研究區(qū)的概況

虎峪溝為汾河一級支流，位于太原市西山礦區(qū)中部，發(fā)源于西山主峰廟前山，由西南向東北流經(jīng)官地礦區(qū)、杜兒坪礦區(qū)、西山煤電集團機關(guān)所在地，最后匯入汾河?；⒂鴾狭饔蜃鴺藶椋簴|經(jīng)112°18′02″～112°26′09″，北緯 37°44′51″～37°51′24″，東西長約 15 km，南北寬0.3～0.8 km，流域總面積約50.17 km2。1996年8月4日虎峪溝爆發(fā)特大礦山泥石流，泥流直灌杜兒坪、官地、白家莊、西山煤電集團機關(guān)所在地，出山后沿虎峪河匯入汾河。此次泥石流災(zāi)害，直接農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失2.93億元，太原市直接經(jīng)濟損失累計8.16億元，造成嚴重損失。

2 礦山泥石流形成條件的信息提取

1）數(shù)據(jù)資料：主要包括遙感影像、DEM數(shù)據(jù)、地形圖等。①遙感數(shù)據(jù)選取。遙感影像選自美國Landsat7-EMT+影像，成像時間2007年9月23日；多光譜空間分辨率30 m。影像成像效果好，研究區(qū)無云干擾，能夠滿足信息提取要求。②DEM數(shù)據(jù)。采用美國航天飛機的SRTM-DEM作為研究區(qū)地形地貌信息提取數(shù)據(jù)源，空間分辨率90 m。SRTM數(shù)據(jù)在GIS地形分析中已廣泛應(yīng)用，并有較好效果。③地形圖。收集研究區(qū)內(nèi)數(shù)字地形圖，作為遙感影像配準矢量圖。

2）數(shù)據(jù)處理及技術(shù)：①在ENVI遙感圖影像處理軟件平臺上，利用研究區(qū)地形圖進行遙感影像的幾何校正；配準后的影像經(jīng)研究區(qū)矢量邊界裁剪，制作出研究區(qū)的Landsat影像（見圖1）。②對制作的研究區(qū)影像圖進行分類，采用決策樹分類方法提取煤矸石堆和土地利用信息，得到研究區(qū)煤矸石堆分布圖(見圖2）和土地利用類型圖（見圖3）。③利用ARCGIS 9.3軟件，結(jié)合研究區(qū)矢量邊界，對原始SRTM-DEM數(shù)據(jù)進行裁剪，得到研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)；利用空間分析功能模塊（Sptial Analyst Tools），由Slope函數(shù)對研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)進行坡度提取，用Reclass功能對坡度進行重分類，將坡度分為9個等級，然后根據(jù)柵格屬性表進行匯總分析，計算研究區(qū)域坡度組成和平均坡度。④在研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)和遙感影像基礎(chǔ)上，對虎峪溝流域主溝及支溝地貌形態(tài)要素進行動態(tài)量算。

3 提取結(jié)果與評價

1）煤矸石分布提取結(jié)果與評價：礦山泥石流主要物源是資源開發(fā)中產(chǎn)生的人工棄渣?；⒂鴾狭饔騼?nèi)除有西山煤電集團的官地和杜兒坪等大型煤礦外，也有其他許多小煤礦，這些煤礦采出的矸石均隨意堆放在溝域內(nèi)，使虎峪溝的流域環(huán)境更加復雜。通過建立的決策樹模型對煤矸石進行提取，得到煤矸石圖像（見圖2），據(jù)其統(tǒng)計，并與研究區(qū)原始影像對比可知，虎峪溝流域內(nèi)煤矸石占地面積約26萬m2，杜兒坪和官地煤礦周圍煤矸石堆的面積較大，面積較小的煤矸石堆零星分布（多為小煤礦堆放的煤矸石堆）煤矸石堆多分布于溝道內(nèi)，堆積于坡面的煤矸石較少；虎峪溝流域上游為中低山區(qū)，無礦井分布，不存在煤矸石堆；中下游溝道內(nèi)礦井密布，煤矸石堆分布密集。分析虎峪溝流域煤矸石堆放特點得出：煤矸石堆的分布隨著煤礦開采集中，大型煤礦周圍煤矸石量大；煤矸石多堆積于溝道內(nèi)，對溝道形成堵塞，溝道上游來水易潰決；煤矸石多分布于虎峪溝流域中游，上游降雨形成匯流，沖擊力大，造成煤矸石堆崩塌，水體搬運矸石形成泥石流。

圖1 研究區(qū)影像（R G B=5 4 3）

圖2 煤矸石分布圖

2）土地利用類型與植被覆蓋率：利用決策樹分類方法對研究區(qū)影像將地類分為植被、工礦居民地、煤矸石堆、荒蕪灘涂、沙地、水體和陰影等6種類型，得到研究區(qū)土地利用類型圖（見圖3）。①土地利用類型。由遙感影像分類得到的土地利用類型圖可知：虎峪溝內(nèi)植被以林地為主，零星草地生長在山坡裸巖縫隙間，植被多分布于西南部中低山區(qū)。工礦居民地依溝道而建，分布于流域的中下游，集中分布。煤矸石分布虎峪溝下游礦井周圍?；氖彏┩糠植加诹饔虻闹邢掠危酁榛鶐r外露零星生長植物的山坡。沙地分布于杜兒坪礦區(qū)周圍及虎峪溝下游，礦區(qū)周圍沙地為礦產(chǎn)開采影響，加劇礦區(qū)周圍土地沙化，虎峪溝下游沙地為河水搬運上游泥沙形成的沖擊沙灘。水體和陰影多分布于虎峪溝上游，上游以中低山為主、陰影較多，下游為平川區(qū)、水體分布較多。②植被覆蓋率。對土地利用類型圖統(tǒng)計，得到各類型面積及其百分比（如表1所示）?；⒂鴾狭饔蛑脖幻娣e16.52 km2，占流域總面積的39.9%。工礦居民地面積為5.68 km2，占流域面積的13.42%?；氖彏┩恐饕獮榛纳?，面積11.63 km2，占流域面積的27.45%。煤矸石占地面積較小0.26 km2，為流域的0.61%。沙地面積2.83 km2，占流域面積的6.67%。水體和陰影面積5.07 km2，占流域面積的11.96%。虎峪溝流域植被覆蓋率較低，僅為39.9%。近年來，受礦產(chǎn)開發(fā)的影響，虎峪溝流域內(nèi)土地沙化加劇、水土流失嚴重、沙地面積不斷擴大、嚴重影響植被生長，植被不斷減少，植被覆蓋率降低；植被條件遭到破壞，區(qū)域植被蓄水能力減弱，降雨時更易發(fā)生洪流。

圖3 研究區(qū)土地利用類型圖

表1 研究區(qū)土地利用類型統(tǒng)計結(jié)果

3）地形地貌：①地形坡度。結(jié)合研究區(qū)矢量邊界對SRTM-DEM進行裁剪，得到研究區(qū)DEM，采用Slope函數(shù)對其DEM數(shù)據(jù)進行地形坡度提取，得到地形坡度分級圖，查看坡度成分類后生成的圖形屬性表，進行匯總和統(tǒng)計（如表2所示）?；⒂鴾狭饔蛭鞑恐械蜕絽^(qū)坡度較大，東部坡度值較小。小于10°地形坡度集中東部下游平川區(qū)。10°～20°地形多分布于虎峪溝流域中部低山山腰地帶，坡度較緩。30°～40°的地形為虎峪溝流域坡度較大山體的山坡坡腰。大于40°地形多為溝道兩側(cè)陡峭的山坡。計算得到虎峪溝流域平均坡度為31.02°。②地貌要素。在GIS軟件平臺上，結(jié)合研究區(qū)遙感影像和DEM，對虎峪溝流域主溝及其支溝地貌形態(tài)要素進行動態(tài)量算（如表3所示）。虎峪河流域主溝全長11 km，流域內(nèi)0.5 km以上的支溝有23條，0.5～1.0 km的溝道有8條，1.0～2.0 km的8條，2.0～5.0 km的5條，5 km以上的有2兩條，溝道總長度56.55 km，流域內(nèi)切割密度1.34 km/km2?；⒂鴾狭饔蛑鳒媳冉?0‰左右，流域內(nèi)支溝比降大于主溝比降，有15條支溝比降在100‰以上。③地形地貌提取結(jié)果評價?；⒂鴾狭饔蛭鞑繛橹械蜕絽^(qū)，東部為太原盆地西部邊緣。地勢東高西低，主溝源頭標高1 490 m、溝口890 m，高差590 m；流域平均坡度31.02°，上游局部高度40°以上，下游較為平緩；虎峪溝主溝源頭溝床比降138‰，上游溝床比降59‰；中游溝床比降37.6‰；下游和出谷口段溝床比降24.4‰；流域內(nèi)溝道發(fā)育，支溝共有23條，切割密度1.34 km/km2，支溝溝床比降均大于主溝?；⒂鴾狭饔騼?nèi)復雜的地形要素為礦山泥石流的形成和啟動提供了良好的地形地貌條件。隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)，虎峪溝流域地形地貌將更加復雜。

表2 研究區(qū)坡度組成

表3 虎峪溝流域礦山泥石流溝道地貌要素統(tǒng)計表

4）降雨：降雨是礦山泥石流形成的激發(fā)因素，長歷時的暴雨更是泥石流物源及爆發(fā)的主要動力條件[10]。研究暴雨概率、大小、區(qū)域?qū)ΦV山泥石流的預(yù)測有重要意義。隨著氣象衛(wèi)星發(fā)射，利用遙感技術(shù)和遙感影像進行氣象預(yù)報已有較多研究成果，衛(wèi)星遙感手段獲取暴雨信息日趨深入。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)收集到的虎峪溝流域資料，對比本文提取信息結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本文應(yīng)用RS與GIS提取礦山泥石流形成條件信息與實地調(diào)查資料符合，能為礦山泥石流災(zāi)害研究提供科學的數(shù)據(jù)支持。（2）RS數(shù)據(jù)具有現(xiàn)勢性，是礦山泥石流形成條件提取的理想信息源。相比傳統(tǒng)的統(tǒng)計資料，RS數(shù)據(jù)能夠及時、準確、快速地反映研究區(qū)現(xiàn)階段的煤矸石分布及土地利用狀況，為決策工作提供依據(jù)。（3）本文應(yīng)用GIS技術(shù)提取研究區(qū)地形地貌要素，獲取的坡度分級圖和坡度組成表能夠直觀、定量反映研究區(qū)域的地形坡度和地貌要素，是泥石流形成條件地形地貌信息提取的新方法，具有快速、方便的特點。

[1] 張麗萍，唐克麗.礦山泥石流[M].北京:地質(zhì)出版社.2001:19-20.

[2] 倪化勇，鄭萬模，巴仁基，等.基于水動力條件的礦山泥石流成因與特征—以石棉縣后溝為例[J].山地學報.2010，28（4）:470-477.

[3] 徐友寧，何芳，張江華，等.礦山泥石流特點及其防災(zāi)減災(zāi)對策[J].山地學報，2010，28（4）:463-469.

[4] 陳野鷹，王俊杰.山區(qū)河流兩岸泥石流形成的機理和力學條件[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學報，2010，21（3）:57-60.

[5] 張麗萍，唐克麗.礦山泥石流[M].北京:地質(zhì)出版社.2001:35-76.

[6] 蔡柯柯，何政偉，倪忠云，等.基于RS和GIS的彭州市震毀土地信息提取及分析[J].水土保持研究，2010，17（4）:43-45.

[7] 王茜，王衛(wèi)，呂昌河，等.基于GIS和RS的土地利用與土壤侵蝕關(guān)系研究[J].中國水體保持科學，2006，6（4）:37-41.

[8] 劉玉龍，田萍萍，武征，等.基于“3S”技術(shù)的水土流失信息提取與評價[J].中國水土保持SWCC，2010（11）:62-64.

[9] 劉勇.中國西北部高山高原地區(qū)SRTM3數(shù)據(jù)質(zhì)量評價[J].蘭州大學學報(自然科學版)，2008，44（6）:1-5.

[10] 譚萬沛.中國暴雨泥石流預(yù)報研究基本理論與現(xiàn)狀[J].土壤侵蝕與水土保持學報，1996，2（1）:88-95.