強震區(qū)泥石流流域崩滑體物源時空演變特征

羅玉婷, 唐 川, 陳 明, 熊 江, 甘 偉

(成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室, 成都 610059)

地形復雜的山區(qū)，強震往往會引發(fā)大量的滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災害，對人類生命和生態(tài)環(huán)境都構(gòu)成嚴重威脅。汶川地震是中國近代以來最具破壞性的地震，誘發(fā)了約50 000處崩塌、滑坡，形成的固體松散物總體積達52.5億m3，覆蓋了約35 000 km2的山地區(qū)域范圍[1-2]。震后，大量松散物質(zhì)堆積在溝道或兩岸陡峭岸坡上，為泥石流暴發(fā)提供了充足物源，同時降低了泥石流暴發(fā)雨量臨界閾值，導致震后泥石流表現(xiàn)出高頻率、大規(guī)模、危害強的特征[3]。近年來，隨著世界范圍內(nèi)的地震頻發(fā)，如1999年臺灣集集地震、2008年汶川地震、2010年海地地震、2017年九寨溝地震，人們開始關(guān)注震后災害效應及其持續(xù)時間的問題，其中崩滑體物源及泥石流隨時間的演化規(guī)律廣泛被學者所關(guān)注。

汶川地震后，有學者研究指出震區(qū)地質(zhì)災害將以4～5 a為周期呈現(xiàn)出震蕩式衰減，持續(xù)時間長達20～25 a，其中泥石流活躍期將至少持續(xù)10 a，之后地質(zhì)條件將逐漸趨于穩(wěn)定[4-5]。而崩滑體作為震后泥石流活動的主要物源，其演化過程及特征對泥石流暴發(fā)規(guī)模及頻率起著控制性的作用，因此眾多學者已經(jīng)關(guān)注到震區(qū)泥石流流域內(nèi)崩滑體物源的變化情況，如有學者采用遙感影像解譯分析和探討了物源分布和變化特征，同時也有學者通過3期影像詳細解譯，由此探討泥石流物源量演化規(guī)律[6-7]。另外也有學者通過統(tǒng)計泥石流堆積扇相關(guān)特征參數(shù)，構(gòu)建泥石流堆積方量計算模型，并總結(jié)歸納了泥石流堆積體演化規(guī)律[8]。還有學者搜集震前、震后及暴雨后影像數(shù)據(jù)，分析指出暴雨后物源變化是由同震滑坡堆積體前緣擴張所致，同時對泥石流流域內(nèi)新增崩滑體體積及流域內(nèi)滑坡體進行調(diào)查和分析，由此探討物源變化規(guī)律[9]。以上研究成果對于揭示震后短期內(nèi)泥石流物源演化特征及其與泥石流暴發(fā)頻率和規(guī)模的關(guān)系等方面發(fā)揮了重要作用。但是其研究時間年限相對較短，難以對長期演化規(guī)律進行分析和預測。另外大部分學者僅通過統(tǒng)計物源數(shù)量和面積進行演化規(guī)律探討，只能揭示物源隨時間演化特征，無法對崩滑體物源空間變化特征進行分析。因此本文搜集震后近十年時間尺度的多期影像進行詳細解譯，并從多個關(guān)鍵控制因子入手探討震后物源長期時空演變特征。

為探究震后強震區(qū)泥石流流域內(nèi)崩滑體物源長期時空演化特征，本文搜集了2008年、2011年、2013年、2015年、2017年多期影像數(shù)據(jù)，并結(jié)合前人建立解譯標志對泥石流流域內(nèi)崩滑體物源進行詳細解譯。同時選擇坡度、坡向、高程、距溝道距離4個地形因子，通過統(tǒng)計各因子分級范圍內(nèi)物源面積，由此探討震后十年崩滑體物源時空演化特征。通過研究，本文重點關(guān)注以下3個方面：(1) 崩滑體物源多年的時空變化規(guī)律；(2) 崩滑體物源發(fā)育的優(yōu)勢地形條件；(3) 崩滑體物源的時空分布與關(guān)鍵地形因子的關(guān)系。通過以上研究，對于進一步揭示震區(qū)泥石流流域崩滑體物源時空演化規(guī)律，豐富物源演化理論具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省阿壩州汶川縣映秀鎮(zhèn)北部，覆蓋岷江流域和龍溪河流域的部分區(qū)域，地理坐標范圍約為北緯31°02′23.28″—31°07′51.08″，東經(jīng)103°25′7.12″—103°33′57.89″(圖1)，海拔700～3 500 m。地形地貌上，研究區(qū)位于龍門山推覆體中段，四川盆地中部，系青藏高原第一級階梯向四川盆地第二級階梯的過渡帶，受強烈褶皺斷裂帶控制。該區(qū)域構(gòu)造侵蝕及河流切割作用強烈，流域形態(tài)基本呈現(xiàn)為“V”形谷，在這種臨空條件發(fā)育的情況下，崩塌，滑坡頻頻發(fā)生，崩滑物源也隨之增多，加劇了泥石流等地質(zhì)災害暴發(fā)的可能性。研究區(qū)位于亞熱帶濕潤的季風氣候區(qū)，屬于川西多雨區(qū)域，年平均降雨量為1 253 mm，年最大降雨量可達1 688 mm。另外，映秀鎮(zhèn)為汶川地震的震中，震中區(qū)域由于山地環(huán)境受破壞程度大、物源豐富、啟動條件低，滑坡、泥石流等災害活動呈現(xiàn)出高頻性、高危險性的特征，為震后典型的研究對象，具有較強的代表性。因此本文選取映秀鎮(zhèn)北部典型的14條溝(表1)作為研究區(qū)域進行特大地震后泥石流物源分布特征及演化規(guī)律研究，這對于防災減災及震區(qū)恢復建設都具有重要的作用。

表1 研究區(qū)泥石流流域地形特征

圖1 研究區(qū)地理位置

2 數(shù)據(jù)來源及處理

為獲取研究區(qū)多年崩滑體物源變化信息，本文選擇了震后2008年、2011年、2013年、2015年及2017年5個時段的遙感影像，見表2。所獲取的5期影像質(zhì)量較好、云層遮蓋少、分辨率與可用性都較高。對搜集的5期遙感影像進行圖像增強、幾何糾正等工作后，再對影像進行精確的配準，其中2008年由于收集的數(shù)據(jù)不完整，采取2組影像(2008年6月無人機航拍影像、2008年7月Spot5影像)相拼接。另外還收集到了等高距為10 m的等高線基礎地形數(shù)據(jù)，將其繪制成高精度DEM與影像疊加，使得目視解譯結(jié)果更為準確。

表2 遙感影像相關(guān)信息

3 結(jié)果與分析

3.1 崩滑體物源變化規(guī)律

研究區(qū)流域總面積為39.09 km2，在2008年的遙感影像中，共解譯出1 797處崩滑體物源，總面積為15.32 km2，占整個研究區(qū)流域面積的38.25%(表3)。從2008—2011年，物源數(shù)量減少了287處，面積從15.32 km2下降到9.04 km2，植被恢復的面積占整個研究區(qū)面積的15.68%。2013年7月10日，汶川震區(qū)持續(xù)強降雨，研究區(qū)再次暴發(fā)大規(guī)模泥石流事件，使得許多植被嚴重損毀，也直接導致2011—2013年的植被恢復率驟然降低為3.44%，物源的面積減少了1.38 km2。從2013—2017年，物源的數(shù)量和面積都有所減少，恢復的速率逐漸變緩，物源的數(shù)量從1 245處減少到617處再減少至602處，因此物源的數(shù)量變化波動較大，而物源的面積仍在持續(xù)減少，從7.66 km2下降到了3.63 km2，僅占整個研究區(qū)流域面積的9.06%，達到了一個較低的水平。

表3 崩滑體物源變化特征

大部分物源的可視形態(tài)隨著時間的推移都在不斷變化，比如一個面積較大的物源通常會被恢復的植被分隔為若干個面積較小的物源，因此物源的數(shù)量波動較大且并不能真實反映物源的演化趨勢，所以選取物源面積為指標探究物源的演化模式。將橫坐標定義為震后的年數(shù)，則已統(tǒng)計的2008年、2011年、2013年、2015年及2017年的橫坐標分別為0，3，5，7，9，結(jié)果發(fā)現(xiàn)物源面積以對數(shù)函數(shù)模式演化(圖2)，預測于2030年前后物源面積降低到0.01 km2以下，表明經(jīng)過物源逐漸趨向穩(wěn)定、輸出，流域內(nèi)泥石流物源面積較震初已明顯減少，基本恢復至震前水平，但在強降雨或地震等作用下仍具有暴發(fā)泥石流自然災害事件的可能。黃潤秋學者在相關(guān)研究中也提出，震后汶川地震災區(qū)的地質(zhì)災害將持續(xù)20～25 a，并最終恢復到震前的水平，與本文得出的結(jié)論基本一致[4]。

圖2 研究區(qū)崩滑體物源演化模式

3.2 崩滑體物源時空分布變化與高程的關(guān)系分析

本文以200 m為間隔對研究區(qū)高程進行分級，整個研究區(qū)高程劃分為11級，然后統(tǒng)計每一級中的物源面積，結(jié)果見圖3。圖3顯示崩滑體物源面積隨高程的增加，表現(xiàn)出先增加后降低趨勢，即崩滑體物源集中分布在某段高程優(yōu)勢區(qū)間內(nèi)。圖3顯示1 400～2 000 m為崩滑體的優(yōu)勢分布高程范圍，即研究區(qū)物源主要集中分布于靠近河谷的低、中高程處。分析認為這主要是由于該高程范圍多為靠近溝道區(qū)域，受河谷地形切割作用，更有利于臨空面發(fā)育，從而使得崩滑體較為發(fā)育，且往往形成規(guī)模大的崩滑體，而靠近山脊處多發(fā)育大量小型崩滑體。這樣的物源分布形式直接影響到泥石流松散物質(zhì)的數(shù)量和補給方式，從而間接影響泥石流的暴發(fā)規(guī)模，且有利于泥石流的形成。由圖3可知2008年、2011年、2013年、2015年以及2017年研究區(qū)物源面積的峰值分別位于1 400～1 600 m，1 600～1 800 m，1 800～2 000 m，1 800～2 000 m和1 800～2 000 m，該結(jié)果可以看出2008—2017年研究區(qū)崩滑體物源集中發(fā)育的高程區(qū)間逐漸由1 400～1 600 m轉(zhuǎn)變?yōu)? 800～2 000 m。這表明，震后隨著時間推移，物源發(fā)育的優(yōu)勢高程區(qū)間有向高海拔方向發(fā)展的演化趨勢,且從縱向變化可以看出，相對于高海拔地區(qū)，低海拔地區(qū)物源的植被恢復速率更快。另外由圖3看出，每年物源面積的曲線在高程增長到2 200 m后都呈現(xiàn)出急速下降的趨勢，這是由于研究區(qū)2 200 m以上的分級區(qū)域覆蓋面積過小造成的。

圖3 崩滑體物源分布與高程的關(guān)系

3.3 崩滑體物源時空分布變化與地形坡度的關(guān)系分析

通過ArcGIS中3 D-analysis模塊下的aspect工具提取研究區(qū)的整體坡度，然后將物源規(guī)模進行疊加提取，以5°為間隔對物源發(fā)育坡度進行統(tǒng)計分析。從統(tǒng)計結(jié)果(圖4)的橫向變化趨勢可以看出，隨著坡度增加物源面積逐漸增大，在坡度為40°～45°時達到了最大值，隨后又迅速降低。坡度是影響斜坡失穩(wěn)重要因素，坡體的應力分布狀態(tài)隨著坡角的變化而改變，一般坡角越大，坡面張力帶范圍會擴大，坡腳應力集中。同時坡度變大，沿滑面的自重分力也會增大，導致坡體的穩(wěn)定性變差[10]。有學者研究指出，坡度大于45°地方松散碎屑物質(zhì)發(fā)育較薄，不利于淺層滑坡發(fā)生[11]，若坡度低于20°，則由于坡度太小，不利于坡體失穩(wěn)破壞[12]。本文通過解譯統(tǒng)計結(jié)果可知，多期物源面積的曲線都在40°～45°的坡度區(qū)間達到了峰值，隨后則開始迅速減小，該結(jié)論與前人結(jié)論一致。

圖4 崩滑體物源分布與坡度的關(guān)系

從縱向變化趨勢來看，2008—2011年這個時間段內(nèi)各個坡度區(qū)間的物源面積減少較多。這是由于地震后山體松弛、地表破碎，松散物源充足，2010年研究區(qū)普遍暴發(fā)強降雨，在強降雨作用使大量靠近溝道兩側(cè)崩塌、滑坡物源直接進入主溝或支溝，支溝物源經(jīng)過地表徑流沖刷或泥石流挾帶作用與主溝相連接，將大量崩滑物源輸出溝口，使得坡面上崩滑物源逐漸減少。從2011—2013年物源恢復的速度驟然變緩，研究區(qū)在強降雨觸發(fā)條件下，進一步誘發(fā)新的崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象，使大量原本已恢復的植被遭到破壞，暴發(fā)了7.10群發(fā)性泥石流事件。而從2013—2017年，各個坡度區(qū)間的物源面積不斷減少且減少速度逐漸放緩，表明隨著時間發(fā)展，震區(qū)地質(zhì)環(huán)境逐漸改善，植被恢復、泥石流物源趨于穩(wěn)定。

3.4 崩滑體物源時空分布變化與坡向的關(guān)系分析

坡向?qū)Ρ阑w物源的分布有著重要影響。不同坡向的斜坡受到的太陽輻射強度不同,影響了斜坡的水蒸發(fā)量、植被覆蓋、坡面侵蝕等諸多因素,進而改變了斜坡地下水孔隙壓力的分布及巖土體物理力學特征,使得斜坡穩(wěn)定性產(chǎn)生差異[13]。因此，不同坡向的崩滑體物源具有不同的變化特征。

在ArcGIS通過提取分析工具得到研究區(qū)的整體坡向后，將物源規(guī)模進行疊加并對物源發(fā)育坡向進行了統(tǒng)計分析。由統(tǒng)計結(jié)果圖5可知，物源在坡向為S，SE時面密度較大，坡向為NW時面密度最低。穿過研究區(qū)的映秀—北川發(fā)震斷裂的走向為SW-NE，崩滑體集中發(fā)育的坡向與發(fā)震斷裂的位移運動方向大致相同。表明了地震引起的滑坡崩塌受到了地殼主應力方向、上盤逆沖方向或地震波的傳播方向的影響。研究區(qū)處于汶川地震極震區(qū)，在極震區(qū)由地震形成的崩滑體具有一定的“背坡面效應”，而“背坡面效應”是指與發(fā)震斷裂帶近于垂直或者大角度相交的溝谷斜坡中，在地震波傳播的背坡面一側(cè)的地質(zhì)災害點發(fā)育密度明顯大于迎坡面一側(cè)，因此崩滑體物源的面密度也相對較大。結(jié)果還顯示出，發(fā)育在S，SE坡向的物源每年恢復的物源面積也是最大的，這是由于在該坡向崩滑體發(fā)育更為突出，物源面積基數(shù)大，且為向陽坡，降雨集中，所以崩滑體物源更易被降雨沖刷帶到溝道成為溝道物源或沖出溝口。

圖5 崩滑體物源分布與坡向的關(guān)系

3.5 崩滑體物源時空分布變化與距溝道距離的關(guān)系分析

距溝道距離是崩滑體活動的間接影響因子。為了探究距溝道距離對物源時空分布的影響，本文通過ArcGIS中的鄰域分析工具，以200 m為間距創(chuàng)建流域內(nèi)溝道的多環(huán)緩沖區(qū)，共分為6級，然后統(tǒng)計不同距離范圍內(nèi)物源的面積。如圖6所示，每期的物源面積發(fā)育與距溝道距離表現(xiàn)為負相關(guān)，隨著距溝道距離的增加，其控制作用逐漸減弱，直到距溝道距離為1 000～1 200 m時幾乎衰減為零。由于溝道附近的匯水量較大，可以促進斜坡坡腳的失穩(wěn)，從而導致崩滑體活動，使得溝道附近崩滑體物源的活動性較高，且隨著距溝道距離的增加活動性逐漸減弱。從縱向變化來看，2008—2011年、2013—2015年的物源面積曲線相對變化較大，而這個時間節(jié)點正是研究區(qū)暴發(fā)2010年“8·13”泥石流與2013年“7·10”泥石流事件后所發(fā)生的的突變，由此可見，區(qū)域內(nèi)暴發(fā)大規(guī)模泥石流事件后，距溝道距離對物源發(fā)育的控制作用也會發(fā)生較大波動。

圖6 崩滑體物源分布與距溝道距離的關(guān)系

4 討 論

震后關(guān)于崩滑體物源的空間分布特征，國內(nèi)外學者在汶川震區(qū)、臺灣集集震區(qū)等地都開展了大量相關(guān)研究。汶川地震屬于逆沖斷裂活動，這與1999年臺灣7.5級集集地震和2005年克什米爾7.6級地震類似[14]。綜合眾多研究可以發(fā)現(xiàn)，這3個震區(qū)內(nèi)的崩滑體物源集中發(fā)育的坡向都是發(fā)震斷層的逆沖方向[15-17]，可見這并不是某個震區(qū)的偶然現(xiàn)象，而是有跡可循的規(guī)律。并且通過研究發(fā)現(xiàn)，在臺灣集集地震震區(qū)，震后崩滑體都集中分布在坡度為40°～50°的斜坡[18]，而在克什米爾地震震區(qū)則主要分布在25°～35°的斜坡[15]，同樣，本文研究發(fā)現(xiàn)在汶川映秀強震區(qū)，五期統(tǒng)計結(jié)果在40°～45°的坡度區(qū)間都顯示出了最大的崩滑體物源面積，而后隨著坡度的增加逐漸下滑，并沒有在最陡的斜坡上顯示出最大的物源面積值，這與前人對崩滑體失穩(wěn)的研究結(jié)論是相符合的[11-12]。在高程上，克什米爾地震震區(qū)近一半的崩滑體物源分布在海拔1 000～1 500 m的地區(qū)[15]，而汶川映秀震區(qū)崩滑體的優(yōu)勢分布高程范圍為1 400～2 000 m，且隨著時間推移優(yōu)勢高程區(qū)間有向高海拔方向發(fā)展的演化趨勢。導致這種差異的原因主要是地質(zhì)環(huán)境、地形地貌等方面的差異，因此其他震區(qū)的研究成果并不完全適用于汶川震區(qū)，但可作為研究參考。并且這些研究只有單期或者短期的影像數(shù)據(jù)資料，無法揭示出震區(qū)物源隨時間演化規(guī)律與地形因子的關(guān)系。為了更全面和更好的探究震區(qū)崩滑體分布特征和演化特征，本文選擇了多個因子和近十年時間尺度影像進行解譯分析由此探討崩滑體物源時空演變特征。

但是，由于遙感影像獲取的范圍有限，本文只針對汶川震中進行了泥石流流域崩滑體物源發(fā)育分布規(guī)律及其演化趨勢分析，也正因如此，所得出的結(jié)論更加貼近映秀震區(qū)的實際情況。研究結(jié)果是否適合北川、清平等其他片區(qū)，還需要在后期選擇大范圍、長時間尺度數(shù)據(jù)建立完整的汶川長時間序列崩滑體物源數(shù)據(jù)庫，對比總結(jié)汶川三大片區(qū)的崩滑體物源演化規(guī)律、特點及各關(guān)鍵因子對崩滑體發(fā)育分布的控制作用的演變規(guī)律，進一步探索地質(zhì)災害長期演化規(guī)律。另外本文旨在探討震后崩滑體時空變化特征，對崩滑體演化引起的泥石流暴發(fā)規(guī)模和頻率呈現(xiàn)何種變化規(guī)律并沒有探討，同時受制于數(shù)據(jù)缺失，關(guān)于崩滑體演化控制因子及其貢獻研究也未涉及，這些都將在后期研究中進一步加強。

5 結(jié) 論

(1) 通過對典型泥石流流域的崩滑體物源2008—2017年五期遙感圖像的解譯分析，獲得物源面積分別為15.32 km2，9.04 km2，7.66 km2，4.40 km2，3.63 km2，占研究區(qū)面積的比例分別為38.25%，22.58%，19.13%，10.99%，9.06%；物源數(shù)量分別為1 797處、1 510處、1 245處、617處、602處，且研究區(qū)的物源面積以對數(shù)函數(shù)模式演化，預計于2030年前后物源面積降低到0.01 km2以下，基本恢復到震前水平。

(2) 2008—2017年研究區(qū)崩滑體物源集中發(fā)育的高程區(qū)間逐漸由1 400～1 600 m轉(zhuǎn)變?yōu)? 800～2 000 m，表明崩滑體物源發(fā)育的優(yōu)勢高程區(qū)間有向高海拔方向發(fā)展的演化趨勢，且相對于高海拔地區(qū)，低海拔地區(qū)崩滑體物源的植被恢復速率更快。

(3) 研究區(qū)多期崩滑體物源發(fā)育的優(yōu)勢坡度區(qū)間均為40°～45°，優(yōu)勢坡向為S，SE。優(yōu)勢坡向主要是受“背坡面效應”的控制，“背坡面效應”是指與發(fā)震斷裂帶近于垂直或者大角度相交的溝谷斜坡中，在地震波傳播的背坡面一側(cè)的地質(zhì)災害點發(fā)育密度明顯大于迎坡面一側(cè)，因此崩滑體物源的面密度也相對較大。且S，SE為向陽坡，降雨集中，崩滑體物源更易被降雨沖刷帶到溝道成為溝道物源或沖出溝口，所以崩滑體物源的面積下降較快。

(4) 隨著距溝道距離的增加，其對崩滑體物源的控制作用逐漸減弱，直到距溝道距離為1 000～1 200 m時幾乎衰減為零，且區(qū)域內(nèi)暴發(fā)大規(guī)模泥石流事件后，距溝道距離對物源發(fā)育的控制作用也會發(fā)生較大波動。