李明威,唐 川,陳 明,史青云
(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)
強(qiáng)震不僅直接引發(fā)大量同震崩塌、滑坡,還會(huì)在震后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提高山體斜坡不穩(wěn)定性,崩塌、滑坡堆積體是后續(xù)降雨誘發(fā)泥石流的主要固體物質(zhì)來(lái)源[1-3]。1999 年臺(tái)灣集集地震發(fā)生后,同震滑坡面積高達(dá)159.77 km2[4],在2001年7月30日的Thphoon Toraji臺(tái)風(fēng)事件中該地區(qū)暴發(fā)了嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害[5]。2008年“5.12”汶川地震誘發(fā)的同震崩塌、滑坡所形成的固體松散物總體積達(dá)52.5×108m3[6]。在震后幾年內(nèi),汶川震區(qū)暴發(fā)了大規(guī)模群發(fā)性泥石流災(zāi)害。例如,2008年9月24日,持續(xù)性強(qiáng)降雨導(dǎo)致北川縣城暴發(fā)以魏家溝為主的群發(fā)性泥石流災(zāi)害[7];2010年汶川縣映秀鎮(zhèn)、都江堰市龍池鎮(zhèn)、綿竹市在短時(shí)強(qiáng)降雨作用下暴發(fā)了特大泥石流群災(zāi)害事件[8-11];2013年汶川縣綿虒鎮(zhèn)、佛堂壩村在持續(xù)性暴雨作用下發(fā)生了泥石流災(zāi)害[12-13]。因此,汶川震后滑坡泥石流活動(dòng)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)研究極為迫切。
汶川地震后滑坡泥石流活動(dòng)研究中,眾多學(xué)者主要集中于對(duì)同震滑坡以及泥石流發(fā)育特征、形成機(jī)制、分布規(guī)律的研究[14-16],僅有少數(shù)學(xué)者對(duì)震后滑坡、泥石流活動(dòng)演化趨勢(shì)展開(kāi)研究。常鳴等[14]綜合選取震前及震后幾年,特別是大規(guī)模群發(fā)性泥石流災(zāi)害暴發(fā)前后的多期遙感影像,對(duì)比分析不同時(shí)期崩滑體的空間分布規(guī)律及演變規(guī)律。Tang等[18]以北川縣城為例,選取兩期遙感影像,解譯了汶川地震及隨后的強(qiáng)降雨事件誘發(fā)的滑坡災(zāi)害,并分析了暴雨作用對(duì)于泥石流的影響,預(yù)測(cè)汶川震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害在震后10~15 a內(nèi)仍將保持高活動(dòng)性。黃潤(rùn)秋[19]基于多年災(zāi)害頻數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),結(jié)合關(guān)東大地震與臺(tái)灣集集地震的災(zāi)害活動(dòng)演變趨勢(shì),預(yù)測(cè)汶川震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)將持續(xù)20~25 a,并以4~5 a為一個(gè)周期震蕩式衰減。Tang等[20]利用龍池地區(qū)多期遙感影像解譯結(jié)果,對(duì)崩滑體活動(dòng)性進(jìn)行分級(jí),并基于此對(duì)未來(lái)崩滑體演變情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析,認(rèn)為震后10 a研究區(qū)滑坡泥石流活動(dòng)已趨于微弱。
滑坡泥石流的活動(dòng)與流域植被恢復(fù)有著相當(dāng)密切的關(guān)系,植被恢復(fù)情況是影響崩滑體活動(dòng)性的關(guān)鍵因素之一,植被恢復(fù)對(duì)震后崩滑堆積體穩(wěn)定性的影響研究顯得極為關(guān)鍵。早期,一些學(xué)者對(duì)震區(qū)植被動(dòng)態(tài)變化展開(kāi)了少量研究,基于多期NDVI的監(jiān)測(cè)結(jié)果,動(dòng)態(tài)分析了汶川震區(qū)植被的時(shí)空變化特征及恢復(fù)情況[21-22],但他們對(duì)于汶川震區(qū)崩滑體的研究多集中在震后短期時(shí)間內(nèi)的對(duì)比分析上,對(duì)崩滑體長(zhǎng)期演變特征的分析較少,同時(shí),對(duì)于植被與泥石流活動(dòng)性的關(guān)系研究也較為欠缺。
本文選擇汶川地震極重災(zāi)區(qū)北川縣城8條泥石流流域?yàn)檠芯繀^(qū)(圖1),總面積為663.9×104m2。北川縣城地處龍門(mén)山前山與后山的交界地帶,以山地為主,海拔700~1 500 m,地勢(shì)整體西高東低,由西北向東南傾斜。研究區(qū)位于映秀—北川斷裂帶上盤(pán),在地震中受影響極大,毀壞嚴(yán)重。研究區(qū)出露地層主要包括寒武系砂巖、砂頁(yè)巖、泥質(zhì)灰?guī)r,志留系板巖、千枚巖、灰?guī)r,泥盆系和石炭系的碳酸鹽巖,以及廣泛分布于河流兩側(cè)和山前溝口地帶的階地和洪積扇地帶的第四系松散堆積物。
研究區(qū)位于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),多年平均氣溫15.6 ℃。區(qū)內(nèi)雨量充沛,年平均降水量1 399 mm,主要集中在6—9月,占全年的74%。研究區(qū)各支溝溝口及兩側(cè)山體斜坡多為林地,植被覆蓋率較高,可達(dá)80%以上?!?.12”地震時(shí)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生地段植被遭受?chē)?yán)重破壞。
研究區(qū)在汶川地震前無(wú)較大范圍滑坡和崩塌分布,僅有零星小規(guī)?;l(fā)育在溝谷兩側(cè)?!?.12”汶川地震后,北川縣城周邊山體發(fā)生大面積山體滑坡,例如王家?guī)r滑坡、新北川中學(xué)崩滑體。2008年9月23—24日,北川縣遭遇汶川地震后的最大一場(chǎng)強(qiáng)降雨過(guò)程,累計(jì)降水量達(dá)331.9 mm[23],導(dǎo)致北川縣城西側(cè)的8條溝道暴發(fā)泥石流。根據(jù)綿陽(yáng)市統(tǒng)計(jì)年鑒查閱得到,北川縣歷年雨季降雨量如表1所示。
表1 2008—2016年北川縣雨季(6—9月)平均降水量
圖1 研究區(qū)位置及泥石流流域概況
汶川震區(qū)北川縣城泥石流源區(qū)崩滑體空間分布特征分析,主要利用從各種來(lái)源獲得的多期遙感圖像進(jìn)行崩滑體解譯,并利用ArcGIS軟件分析其空間分布特征。
結(jié)合前人研究資料和相關(guān)數(shù)據(jù),綜合考慮分辨率、云層覆蓋率等相關(guān)因素,共選擇2008年“5.12”地震發(fā)生后、2008年“9.24”泥石流發(fā)生后、2010年、2011年、2013年、2014年、2015年、2016年八期遙感影像數(shù)據(jù),以通過(guò)ALOS影像下載收集得到研究區(qū)12.5 m分辨率的DEM為基準(zhǔn),對(duì)遙感影像進(jìn)行地理配準(zhǔn)與幾何校正。以“5.12”地震后的崩滑體解譯結(jié)果為基準(zhǔn),進(jìn)行震后幾年崩滑體解譯,保持滑坡邊界一致,盡可能減少圖像質(zhì)量差異造成的誤差。
針對(duì)震后研究區(qū)內(nèi)植被恢復(fù)的研究主要基于像元二分模型[24]計(jì)算植被覆蓋度(VFC)和植被覆蓋度恢復(fù)率(VCRR)[22],其計(jì)算模型如下:
(1)
式中:NDVIsoil——完全無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值;
企業(yè)戰(zhàn)略是指企業(yè)為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期生存和發(fā)展,通過(guò)外部環(huán)境與內(nèi)部資源的整合,對(duì)公司的發(fā)展目標(biāo)、業(yè)務(wù)方向、指導(dǎo)方針、實(shí)施步驟等作出的總體性謀劃。這強(qiáng)調(diào)了企業(yè)戰(zhàn)略必須要確保企業(yè)適應(yīng)環(huán)境變化,實(shí)現(xiàn)企業(yè)資源條件與內(nèi)外部環(huán)境因素的匹配,才能運(yùn)用管理的手段為企業(yè)整體和企業(yè)有關(guān)的活動(dòng)制定行動(dòng)綱領(lǐng),從而明確企業(yè)發(fā)展的方向和目的,界定業(yè)務(wù)范圍,構(gòu)筑競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
NDVIveg——完全被植被所覆蓋區(qū)域的NDVI值。
當(dāng)研究區(qū)內(nèi)近似可取VFCmax=100%,VFCmin=0%時(shí),式(1)變?yōu)椋?/p>
(2)
(3)
式中:NDVIi——地震后某一年的植被指數(shù);
NDVIpost——地震后植被覆蓋度最低的一期植被指數(shù);
NDVIpre——地震前植被指數(shù)。
本文選擇研究區(qū)與遙感影像對(duì)應(yīng)的八期Landsat 5/7影像,利用ENVI軟件提取其歸一化植被指數(shù)(NDVI),選取閾值為5%,利用式(2)計(jì)算研究區(qū)的植被覆蓋度,在ArcGIS軟件中利用式(3)計(jì)算植被恢復(fù)率(VCRR),并分析其恢復(fù)情況。
本文所使用的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
研究區(qū)的震后崩滑體分布如圖2所示。汶川地震發(fā)生后,研究區(qū)發(fā)生大量崩塌滑坡,導(dǎo)致坡面巖土體極為松動(dòng)。解譯的崩滑體總面積達(dá)145.9×104m2,占研究區(qū)總面積的21.9%。2008年9月24日,北川縣遭遇持續(xù)性暴雨,促使原有不穩(wěn)定巖土體進(jìn)一步滑動(dòng),崩滑體面積進(jìn)一步擴(kuò)大,同時(shí)又產(chǎn)生部分新增崩滑體。因而,“9.24”泥石流災(zāi)害發(fā)生后,研究區(qū)崩滑體總面積達(dá)到峰值,為177.3×104m2,占研究區(qū)總面積的26.7%。并在隨后幾年一直保持在較高水平。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),研究區(qū)內(nèi)未再發(fā)生強(qiáng)震、暴雨等強(qiáng)大的外動(dòng)力作用,崩滑體活動(dòng)性下降,面積減少。同時(shí),隨著坡面植被逐漸恢復(fù),進(jìn)一步抑制崩滑體活動(dòng)。2011年,崩滑體面積有了顯著減少,并在其后保持穩(wěn)定恢復(fù)狀態(tài)。研究區(qū)歷年降雨量、植被覆蓋度及崩滑體總面積的變化趨勢(shì)如圖3所示。
表2 遙感影像數(shù)據(jù)類(lèi)型及其特征參數(shù)
圖2 研究區(qū)震后不同時(shí)間崩滑體分布
圖3 震后降雨量、植被覆蓋度、崩滑體面積變化
研究區(qū)流域范圍內(nèi)高程最低為585 m,最高為1 710 m,本文以12.5 m分辨率的DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),利用ArcGIS軟件將崩滑體圖層與DEM進(jìn)行疊加分析,并對(duì)崩滑體在高程上的分布面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)地形條件將研究區(qū)高程分為五個(gè)等值區(qū)間,差值為300 m。參照常鳴等[22]分析綿遠(yuǎn)河流域泥石流形成區(qū)崩滑體特征所使用的密度比計(jì)算方法,定義某段高程區(qū)間上崩滑體總面積與研究區(qū)內(nèi)該段高程區(qū)間總面積的比值為密度比,計(jì)算其對(duì)應(yīng)的密度比,得到不同年份崩滑體在高程上的空間分布特征及演化規(guī)律(圖4)。
從圖4可以看出,2008年“5.12”汶川地震發(fā)生后,崩滑體在高程700~1 500 m范圍內(nèi)發(fā)育面積較大。其中,900~1 100 m范圍內(nèi)崩滑體最為發(fā)育,總面積為49.3×104m2;其次為1 100~1 300 m范圍崩滑體較為發(fā)育,總面積為35.9×104m2;這與Tang 等[18]的統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致?!?.24”泥石流災(zāi)害發(fā)生后,高程900~1 100 m范圍內(nèi)崩滑體面積為61×104m2,1 100~1 300 m范圍崩滑體面積為45.1×104m2??傮w來(lái)看,崩滑體在1 300~1 500 m范圍內(nèi)密度比最大。由此說(shuō)明,在海拔較高的地區(qū),巖土體較為松散,在地震、暴雨等外界因素的誘發(fā)下,極易發(fā)生崩塌滑坡。但隨著海拔的進(jìn)一步升高,崩滑體的面積有所減少,但其密度比仍維持在較高水平。隨著時(shí)間的推移,震后幾年內(nèi)各位置的滑坡均有不同程度的恢復(fù),海拔較低地區(qū)恢復(fù)程度較差,海拔大于1 500 m地區(qū)恢復(fù)程度最高,其密度比減少最快,700~1 500 m地區(qū)崩滑體呈穩(wěn)定恢復(fù)狀態(tài)。
圖4 崩滑體在高程上的空間分布規(guī)律
利用ArcGIS軟件中的3D-Analysis功能,從分辨率為12.5 m的DEM中提取研究區(qū)地形坡度,根據(jù)地形條件將坡度分為五個(gè)等值區(qū)間,差值為15°。利用ArcGIS的空間分析功能對(duì)崩滑體在坡度上的分布面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并計(jì)算其對(duì)應(yīng)的密度比,得到不同年份崩滑體在坡度上的空間分布特征及演化規(guī)律(圖5)。
圖5 崩滑體在坡度上的空間分布規(guī)律
從圖5可以看出,2008年“5.12”地震發(fā)生后,研究區(qū)崩滑體在坡度30°~45°范圍內(nèi)發(fā)育面積最大,其面積為82.6×104m2。“9.24”泥石流后,研究區(qū)崩滑體在坡度30°~45°范圍內(nèi)面積增加到100.5×104m2。在坡度較高的地方崩滑體的發(fā)育面積有所減少,但其密度比仍維持在較高水平,由此說(shuō)明,隨著坡度的增加,土體的不穩(wěn)定性提高,崩滑體更容易發(fā)生。隨著時(shí)間的推移,在沒(méi)有強(qiáng)烈外界因素的影響下,崩滑體呈穩(wěn)定恢復(fù)狀態(tài),其中在坡度大于60°范圍內(nèi)的崩滑體恢復(fù)程度最高。
不同坡向上由于山體的朝向不同,導(dǎo)致其日照時(shí)間、降雨因素等都有顯著差異,因而其崩滑體的發(fā)育程度也有所不同。利用DEM生成研究區(qū)山體坡向,以正北方向?yàn)?°,每隔45°為一個(gè)坡向區(qū)間,共分為8個(gè)區(qū)間。運(yùn)用ArcGIS中的空間分析功能,對(duì)崩滑體在不同坡向上的分布面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并計(jì)算其密度比,得到不同年份崩滑體在坡向區(qū)間內(nèi)的空間分布特征及演化規(guī)律(圖6)。
圖6 崩滑體在坡向上的空間分布規(guī)律
從圖6可以看出,2008年“5.12”地震發(fā)生后,崩滑體多集中發(fā)育在坡向?yàn)?°~180°的范圍內(nèi),其面積為128×104m2?!?.24”泥石流后,該區(qū)域的崩滑體面積達(dá)150.7×104m2,占崩滑體總面積的85%。在180°~360°的坡向區(qū)間,崩滑體發(fā)育較少,其中在270°~315°的坡向區(qū)間幾乎無(wú)崩滑體發(fā)育。隨著時(shí)間的推移,由于在0°~180°坡向區(qū)間日照較為充足,植被發(fā)育較好,其崩滑體恢復(fù)程度也維持在較高水平。而西側(cè)坡面的恢復(fù)程度則較低。
研究區(qū)主要由8條泥石流溝組成,泥石流物源主要來(lái)自于坡面崩滑體。參考楊濤[26]對(duì)綿虒鎮(zhèn)崩滑體在距溝道距離上的統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)合本研究區(qū)地形條件,本文以150 m為差值,將距溝道距離等間距分為五級(jí)對(duì)崩滑體在不同面積的分布距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并計(jì)算其相應(yīng)的密度比,得到不同年份崩滑體在距溝道距離上的空間分布特征和演化規(guī)律(圖7)。
圖7 崩滑體在距溝道距離上的空間分布規(guī)律
從圖7可以看出,2008年“5.12”地震后研究區(qū)崩滑體面積最大的區(qū)域是距溝道距離0~150 m的范圍,其面積為61.2×104m2。在“9.24”泥石流災(zāi)害發(fā)生后,該范圍內(nèi)的崩滑體總面積增長(zhǎng)到了74.6×104m2,占崩滑體總面積的42%。但密度比最大的區(qū)域是300~450 m的范圍,為26.1%,暴雨導(dǎo)致崩滑體進(jìn)一步增加后,密度比達(dá)到了32.7%。隨著時(shí)間的推移,除600~750 m范圍外,其余崩滑體均呈現(xiàn)穩(wěn)定的恢復(fù)狀態(tài)。在距離溝道600~750 m的坡面上,崩滑體在2011年到2013年間有所增加,如今已基本恢復(fù),面積很小,密度比極低。其余范圍內(nèi),崩滑體呈穩(wěn)定恢復(fù)狀態(tài)。
根據(jù)式(1)計(jì)算得到,研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度(VFC)在“9.24”泥石流發(fā)生后達(dá)到最低值,為0.64(圖3)。從2010年起至2013年初,研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度呈緩慢恢復(fù)狀態(tài),根據(jù)圖3可以看出,2013年降雨量較之前幾年有了顯著增加,雨季過(guò)后,2014年研究區(qū)植被覆蓋度略有降低,但未發(fā)生大規(guī)模泥石流災(zāi)害,崩滑體面積未增加。2014—2016年,研究區(qū)植被恢復(fù)良好,崩滑體面積減少,泥石流活動(dòng)性降低。
根據(jù)許積層等[21]對(duì)汶川震區(qū)岷江河谷段植被恢復(fù)特征的研究,結(jié)合本文研究區(qū)實(shí)際情況,將植被覆蓋度恢復(fù)率VCRR分為4級(jí):<0為植被恢復(fù)極差;0~0.5為植被恢復(fù)較差;0.5~1為植被恢復(fù)中等;>1為植被恢復(fù)良好。
研究區(qū)泥石流源區(qū)崩滑體植被覆蓋度恢復(fù)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。
圖8 植被覆蓋度恢復(fù)率
從圖8可以看出,2008—2010年,植被恢復(fù)程度依然處于較低水平,植被恢復(fù)極差區(qū)域占比78.4%,由此說(shuō)明,在強(qiáng)烈外力破壞作用發(fā)生后的短期時(shí)間內(nèi),崩滑體活動(dòng)性仍處于較高水平,缺少植被恢復(fù)的穩(wěn)定條件。從2011年起,植被覆蓋度恢復(fù)中等以上的區(qū)域占比逐漸增高,研究區(qū)植被處于緩慢恢復(fù)狀態(tài),崩滑體活動(dòng)性逐年降低,趨于穩(wěn)定。2013年雨季降雨的顯著增加,使得植被覆蓋度恢復(fù)率有所降低,2014年植被恢復(fù)極差的區(qū)域占整個(gè)研究區(qū)面積的56.1%,但植被整體仍處于恢復(fù)狀態(tài),2015年之后植被覆蓋度恢復(fù)率中等以上區(qū)域面積進(jìn)一步增加。
(1)汶川地震發(fā)生后,北川縣城崩滑體發(fā)育面積較震前顯著增加,震后不久,9月23—24日短時(shí)強(qiáng)降雨發(fā)生后,進(jìn)一步誘發(fā)大量崩滑體,導(dǎo)致“9.24”群發(fā)性泥石流災(zāi)害的發(fā)生,崩滑體面積達(dá)到峰值,并延續(xù)到2011年崩滑體面積仍處在較高水平。隨著生態(tài)和地質(zhì)環(huán)境的逐漸恢復(fù),2013年起研究區(qū)崩滑體面積顯著降低,至2016年已恢復(fù)至較低水平。
(2)研究表明,崩滑體在高程900~1 100 m、坡度30°~45°、坡向90°~135°、距溝道150 m范圍內(nèi)發(fā)育面積最大。密度比最高的為高程1 300~1 500 m、坡度大于60°、坡向45°~90°、距溝道300~450 m范圍內(nèi)。
(3)根據(jù)計(jì)算,研究區(qū)植被覆蓋度(VFC)在“9.24”泥石流發(fā)生后達(dá)到最低值,震后至2010年植被恢復(fù)水平較低,2011—2013年,植被恢復(fù)程度略有提高。受2013年降雨作用影響,2014年植被覆蓋度恢復(fù)率極差區(qū)域占比56.1%,隨后幾年研究區(qū)植被呈穩(wěn)定恢復(fù)狀態(tài)。
(4)與映秀、龍池等地區(qū)相比,研究區(qū)內(nèi)2010年、2013年降雨強(qiáng)度與往常相比也有所增加,但未發(fā)生大規(guī)模泥石流群發(fā)性災(zāi)害。由此認(rèn)為,除地層巖性、微地貌等因素影響外,植被也對(duì)泥石流活動(dòng)性具有一定的抑制作用。