陜西省重力侵蝕災(zāi)害分布特征規(guī)律研究

李衛(wèi)波，侯可斌

（1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院環(huán)境影響評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)中心北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100076；2.北京市環(huán)境影響評(píng)價(jià)評(píng)估中心，北京100161）

陜西省重力侵蝕災(zāi)害分布特征規(guī)律研究

李衛(wèi)波1，侯可斌2

（1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院環(huán)境影響評(píng)價(jià)與監(jiān)測(cè)中心北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100076；2.北京市環(huán)境影響評(píng)價(jià)評(píng)估中心，北京100161）

以陜西省重力侵蝕災(zāi)害數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選取地形起伏度與年均大雨天數(shù)作為地形與降雨因子的參數(shù)，研究了陜西省重力侵蝕分布特征。結(jié)果表明，陜西省重力侵蝕依據(jù)其主導(dǎo)因子的不同可以劃分為三個(gè)區(qū)，分別為：重力侵蝕低發(fā)區(qū)（Ⅰ區(qū)）、地形因子主控區(qū)（Ⅱ區(qū)）和重力侵蝕高發(fā)區(qū)（III區(qū)）。將重力侵蝕分區(qū)結(jié)果同地貌分區(qū)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者存在較好的吻合關(guān)系，其中重力侵蝕低發(fā)區(qū)包括關(guān)中平原、風(fēng)沙區(qū)及黃土高原區(qū)，地形因子主控區(qū)包括秦嶺與安康盆地，重力侵蝕高發(fā)區(qū)則主要在大巴山區(qū)。

重力侵蝕；起伏度；年均大雨天數(shù)；趨勢(shì)面；災(zāi)害

受復(fù)雜的自然環(huán)境和人為活動(dòng)影響，我國(guó)水土流失問(wèn)題嚴(yán)重，給國(guó)計(jì)民生和生態(tài)環(huán)境造成巨大損失[1]。土壤侵蝕可分為風(fēng)力侵蝕、水力侵蝕、凍融侵蝕和重力侵蝕。其中，重力侵蝕包括崩塌、滑坡、泥石流等，這些侵蝕類型都是典型的地質(zhì)災(zāi)害，造成的危害十分顯著。根據(jù)黃委會(huì)調(diào)查數(shù)據(jù)，重力侵蝕在很小的侵蝕面積下，可以產(chǎn)生占整個(gè)流域50%以上的侵蝕量[2]。因此，針對(duì)重力侵蝕災(zāi)害展開(kāi)研究具有十分重要的意義[3-5]。重力侵蝕的影響因素可以分為兩大類，一類為準(zhǔn)備性因子，包括地形、地貌、地質(zhì)、植被等，第二類因子為觸發(fā)性因子，包括氣候、地震等[6]。其中，坡度是最為典型的地形因子，其與重力侵蝕間的關(guān)系研究也較多[7-8]，在觸發(fā)性因子中，降雨作為氣候的一項(xiàng)重要表征，是誘發(fā)重力侵蝕的另一個(gè)重要影響因子[9]。

重力侵蝕的發(fā)生同時(shí)受準(zhǔn)備性因子與觸發(fā)性因子的共同作用，單一重力侵蝕的發(fā)生具有相當(dāng)程度的隨機(jī)性，而在區(qū)域上則可表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。為此，本研究以陜西省為例，選取準(zhǔn)備性因子中的地形與觸發(fā)性因子中的降雨作為重點(diǎn)，研究其與重力侵蝕分布特征的關(guān)系。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)介紹

1.1 陜西省概況

陜西省位于中國(guó)西北地區(qū)東部的黃河中游，面積為20.56萬(wàn)km2。該省受大陸性氣候影響較為嚴(yán)重，干旱少雨，降水和干燥度從南向北減少[10]；地表由西北向東南逐級(jí)降低，全省劃分為6個(gè)地貌區(qū)：關(guān)中平原、風(fēng)沙區(qū)、黃土高原區(qū)、秦嶺、安康盆地及大巴山區(qū)[11]。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

在本研究中，收集了3個(gè)有關(guān)重力侵蝕的數(shù)據(jù)庫(kù)，分別是中國(guó)科技部、國(guó)家計(jì)委和國(guó)家經(jīng)貿(mào)委災(zāi)害研究組編的1949—1990年中國(guó)泥石流災(zāi)害逐年統(tǒng)計(jì)表，中國(guó)科技部、國(guó)家計(jì)委和國(guó)家經(jīng)貿(mào)委災(zāi)害研究組編的1990—2000年中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)所整理的中國(guó)及鄰區(qū)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)。在這3個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，災(zāi)害記錄的時(shí)間跨度為1949—2000年，主要涉及的重力侵蝕包括滑坡、崩塌和泥石流。

地形數(shù)據(jù)選擇的是90m×90m的DEM，并以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取相關(guān)地形因子?？紤]到選取的DEM精度無(wú)法獲取準(zhǔn)確的坡度因子，故選取與坡度因子密切聯(lián)系的起伏度作為地形特征指標(biāo)。

選擇的降雨數(shù)據(jù)來(lái)自于國(guó)家氣象局統(tǒng)計(jì)整理的194個(gè)國(guó)際交換基本（準(zhǔn)）氣象站逐日氣候數(shù)據(jù)，選取日降雨≥25 mm大雨日數(shù)作為降雨指標(biāo)。在本研究中，還對(duì)植被因素進(jìn)行了考慮，用到的數(shù)據(jù)是黃河流域NDVI數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的分辨率為8 km×8 km。

1.3 數(shù)據(jù)處理

首先，從不同災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)中提取發(fā)生于陜西省的災(zāi)害數(shù)據(jù)，刪除其中重復(fù)部分，對(duì)于提取的重力侵蝕數(shù)據(jù)以縣市為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共得到140次重力侵蝕事件。為了消除由于各個(gè)縣（含縣、縣級(jí)市，下同）面積不同造成重力侵蝕數(shù)據(jù)上的差異，將每個(gè)縣發(fā)生次數(shù)同面積相除，得到各個(gè)縣每千平方公里在1949—2000年間發(fā)生重力侵蝕次數(shù)。

2 結(jié)合地形和降雨因子的趨勢(shì)面分析

趨勢(shì)面分析方法可以綜合考慮兩個(gè)要素變化對(duì)于因變量的影響作用，在醫(yī)學(xué)、地貌、地質(zhì)勘探、氣候、測(cè)量等很多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用[12-16]。在本研究中選取重力侵蝕發(fā)生次數(shù)作為因變量，而將起伏度與年均大雨天數(shù)作為自變量進(jìn)行趨勢(shì)面分析。

通過(guò)2次趨勢(shì)面和3次趨勢(shì)面的比較檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)次數(shù)提高到3次時(shí)，計(jì)算得到的檢驗(yàn)值并不顯著，即較高次多項(xiàng)式對(duì)于回歸并無(wú)新的貢獻(xiàn)，因此選擇2次趨勢(shì)面分析方法，結(jié)果如圖1所示。其中橫坐標(biāo)表示地形因子（起伏度），縱坐標(biāo)表示降雨因子（年均大雨天數(shù)），而等高線表示的是每千平方公里發(fā)生重力侵蝕次數(shù)。

該趨勢(shì)面接近于馬鞍面，其鞍部位于圖中等高線最疏的地區(qū)（即圖中兩條虛線交叉的地區(qū)），而在x軸和y軸分別達(dá)到最高值時(shí)，形成了鞍面的兩個(gè)高值區(qū)。沿著接近對(duì)角線的直線變化，鞍面的斜率先變緩，經(jīng)過(guò)鞍面后，又逐漸增高。進(jìn)一步分析整個(gè)鞍面，可以將趨勢(shì)面分為4個(gè)區(qū)分別描述。

第Ⅰ區(qū)為重力侵蝕低發(fā)區(qū)，是以XY軸交點(diǎn)為中心的類似矩形的區(qū)域，其范圍為：起伏度0～31.57 m，大雨天數(shù)0～10 d。該區(qū)地形因子和降雨因子值在4個(gè)區(qū)內(nèi)是最低的，重力侵蝕發(fā)生次數(shù)在4個(gè)區(qū)內(nèi)也是最低的。在該區(qū)內(nèi)，地形因子和降雨因子同時(shí)增高，重力侵蝕發(fā)生次數(shù)也隨之增高。該區(qū)域等高線形狀類似一個(gè)橢圓形，當(dāng)從一條等高線躍遷至另一條線時(shí)，兩個(gè)因子同時(shí)增大所需因子增高值明顯低于一個(gè)因子增大所需值，說(shuō)明當(dāng)?shù)匦魏徒涤晖瑫r(shí)增長(zhǎng)對(duì)于重力侵蝕的促進(jìn)作用要比僅僅一個(gè)因子增長(zhǎng)形成的促進(jìn)作用更強(qiáng)。

圖1 起伏度和大雨因子的趨勢(shì)面分區(qū)

第Ⅱ區(qū)為地形因子主控區(qū)，其范圍為：起伏度31.57～55.30 m，大雨天數(shù)0～10 d。在該區(qū)內(nèi)，地形因子達(dá)到較高的值，成為控制重力侵蝕的主要因素。在該區(qū)內(nèi)，降雨因子變化范圍較廣。從變化趨勢(shì)來(lái)看，當(dāng)降雨因子一定，地形因子增大時(shí)，即沿著X軸增大時(shí)，重力侵蝕發(fā)生次數(shù)是增高的，說(shuō)明在一定降雨條件下，地形起伏越劇烈，重力侵蝕越容易發(fā)生，這一點(diǎn)比較容易解釋，但當(dāng)?shù)匦我蜃右欢〞r(shí)，隨著降雨因子的增大，重力侵蝕發(fā)生次數(shù)反而降低，且當(dāng)大雨天數(shù)達(dá)到10 d左右時(shí)，重力侵蝕發(fā)生次數(shù)反而降到了最低點(diǎn)，即到達(dá)了趨勢(shì)面的鞍部。一般認(rèn)為，滑坡發(fā)生的概率和滑坡數(shù)量與降雨量的大小成正相關(guān)關(guān)系[17]，所以這種“反常”的變化趨勢(shì)說(shuō)明趨勢(shì)面分析的方法由于僅僅考慮了兩個(gè)因子而產(chǎn)生的不足，因此，必須在此分析的基礎(chǔ)上引入對(duì)其他因子的考慮。

圖2 平均NDVI值隨大雨天數(shù)變化曲線

從圖2可以看出，隨著大雨天數(shù)的增高，平均NDVI值同時(shí)增高，即說(shuō)明大雨天數(shù)高的地區(qū)，其植被蓋度越高。進(jìn)一步分析大雨天數(shù)與降雨量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者的Pearson相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.989（顯著性水平為0.01），即大雨天數(shù)也可以作為一個(gè)地區(qū)降雨?duì)顩r的指標(biāo)。即大雨天數(shù)高的地區(qū)，其降雨?duì)顩r良好，植被狀況要優(yōu)于干旱少雨地區(qū)。植被對(duì)于防治土壤侵蝕有重要作用，通過(guò)對(duì)降雨截留、緩沖作用以及落葉層對(duì)集中水流的分散和加糙作用大大減弱了坡面沖刷強(qiáng)度，減緩30°以上陡坡的切溝發(fā)育過(guò)程，從而阻礙重力侵蝕發(fā)生條件的形成；植被根系深入土壤，能夠承擔(dān)一部分抗剪強(qiáng)度，從而增強(qiáng)土體的抗變形能力[18]。因此，可以認(rèn)為：隨著降雨量的增高，降雨對(duì)于重力侵蝕的觸發(fā)作用與植被增高形成的抗侵蝕作用相互抵抗，最終形成了地形主控區(qū)這種特殊的重力侵蝕現(xiàn)象。

第III區(qū)為重力侵蝕高發(fā)區(qū)，其范圍為：起伏度31.57～55.30 m，大雨天數(shù)＞10 d。該區(qū)地形因子和降雨因子的值在4個(gè)區(qū)中是最大的，重力侵蝕發(fā)生次數(shù)很高。隨著地形因子和降雨因子的增高，重力侵蝕發(fā)生次數(shù)同時(shí)增高，其基本變化趨勢(shì)類似于第Ⅰ區(qū)，該區(qū)是第Ⅰ區(qū)在經(jīng)歷了趨勢(shì)面鞍部低值區(qū)后的延伸。當(dāng)?shù)匦我蜃雍徒涤暌蜃油瑫r(shí)達(dá)到很高的值以后，限制重力侵蝕發(fā)生的因素作用變得不顯著，從而沒(méi)有出現(xiàn)類似于第Ⅱ區(qū)的反?，F(xiàn)象。在該區(qū)，隨著因子的增高，等值線由疏變密，即說(shuō)明隨著因子值的增大，對(duì)于重力侵蝕的促進(jìn)作用是一個(gè)加速的過(guò)程，而不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。第IV區(qū)在實(shí)際情況中并未出現(xiàn)，因此不予討論。分析陜西省各個(gè)縣市所屬類型區(qū)，可以發(fā)現(xiàn)，大部分縣屬于第Ⅰ類型區(qū)（共計(jì)66個(gè)縣），有24個(gè)縣屬于第Ⅱ類型區(qū)，只有3個(gè)縣（紫陽(yáng)縣、鎮(zhèn)巴縣和嵐皋縣）屬于第III類型區(qū)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 陜西省各縣市重力侵蝕分區(qū)

從地貌學(xué)的角度，該分區(qū)與陜西省的地貌分區(qū)吻合較好。其中，風(fēng)沙高原區(qū)、黃土高原區(qū)、關(guān)中盆地區(qū)大部分、漢中安康低山丘陵區(qū)部分和秦嶺山地區(qū)小部分屬于第Ⅰ類型區(qū)，秦嶺山地區(qū)大部分、漢中安康低山丘陵區(qū)大部分、大巴山地區(qū)一部分和關(guān)中平原區(qū)一部分屬于第Ⅱ類型區(qū)，大巴山地區(qū)大部分屬于第III類型區(qū)。

利用兩個(gè)要素進(jìn)行趨勢(shì)面分析的分區(qū)結(jié)果與地貌分區(qū)得到很好的吻合，說(shuō)明不同的地貌類型區(qū)內(nèi)，控制重力侵蝕發(fā)生的要素是不同的，如秦嶺地區(qū)，其屬于地形因子主控區(qū)，在該區(qū)內(nèi)，地形因子已達(dá)到很高的值，因此，降雨?duì)顩r成為重力侵蝕發(fā)生與否的關(guān)鍵。進(jìn)一步說(shuō)明，在該類區(qū)內(nèi)，需要時(shí)刻注意大型的降雨事件，因?yàn)樵擃愂录苋菀子|發(fā)重力侵蝕。而在屬于第Ⅰ類型區(qū)的黃土高原地區(qū)，監(jiān)測(cè)重力侵蝕事件需要同時(shí)注意降雨和地形兩個(gè)要素，從地形的角度，重力侵蝕主要集中于地形起伏較大的地區(qū)，這為監(jiān)測(cè)和預(yù)防提供了便利。

3 總結(jié)

本研究利用趨勢(shì)面分析的方法，對(duì)兩個(gè)要素同時(shí)變化下的重力侵蝕情形進(jìn)行了探討，得到相關(guān)結(jié)論如下：

（1）趨勢(shì)面分析可以得到四個(gè)區(qū)，分別為重力侵蝕低發(fā)區(qū)（Ⅰ區(qū)）、地形因子主控區(qū)（Ⅱ區(qū)）、重力侵蝕高發(fā)區(qū)（III區(qū)）和降雨因子主控區(qū)（IV區(qū)）。

（2）從第Ⅰ和III區(qū)的分析中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)匦魏徒涤暌蜃油瑫r(shí)增加時(shí)，對(duì)于重力侵蝕具有顯著的促進(jìn)作用，且這種促進(jìn)作用不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

（3）在第Ⅱ區(qū)中，當(dāng)?shù)匦我蜃右欢?，降雨因子增高時(shí)，出現(xiàn)反常的現(xiàn)象，重力侵蝕發(fā)生次數(shù)會(huì)隨著降雨因子的增高而降低。這一現(xiàn)象可能與植被覆蓋度隨降雨增多而增大的影響有關(guān)。

（4）將趨勢(shì)面分區(qū)同實(shí)際縣市相對(duì)應(yīng)，第Ⅰ區(qū)有66個(gè)縣，所占面積最大；次之為第Ⅱ區(qū)，有24個(gè)縣；而第III區(qū)只有3個(gè)縣。趨勢(shì)面分區(qū)與地貌分區(qū)吻合較好。

本研究相關(guān)結(jié)論可以為不同地貌類型區(qū)內(nèi)，監(jiān)測(cè)和預(yù)防重力侵蝕災(zāi)害事件提供服務(wù)。

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（編輯：周利海）

Gravitational Erosion Disaster Distribution Characteristics of Shaanxi Province

LiWeibo1,Hou Kebin2
（1.Environmental Impact Assessment and Monitoring Centre for China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology,Beijing 100076,China；2.Beijing Municipal Appraisal Centre of Environmental Impact Assessment,Beijing 100161,China）

The distribution characteristics of gravitational erosion in Shaanxi province was studied based on gravitational erosion hazard data of Shaanxi province.Waviness and average annual heavy rain day(AAHRD)were chosen as landform and rainfall factors.As the results showed,gravitational erosion in Shaanxi could be divided into 3 zones according to dominant factor,and the 3 zoneswere:gravitational erosion low occurrence frequency area(ZoneⅠ),landform factor controlling area(ZoneⅡ),and gravitational erosion high occurrence frequency area(Zone III).Comparison wasmade between gravitational erosion zoning and geomorphic division,and good correlation between the two was found:ZoneⅠincluded Guanzhong Basin,Aeolian Sandy Plateau and the Loess Plateau,ZoneⅡincluded Qinling and Ankang Basin,and ZoneIII concentrated in Daba Mountain Region.

gravitational erosion,waviness,average annual heavy rain day,trend surface,disaster

X43

A

1008-813X（2017）02-0033-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2017.02.09

2017-02-15

李衛(wèi)波（1983-），女，山東濰坊人，畢業(yè)北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)專業(yè)，碩士，工程師，主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)、環(huán)境監(jiān)測(cè)的研究工作。