汶川地震震中地區(qū)崩滑體的植被恢復(fù)與長(zhǎng)期效應(yīng)

王飛龍， 陳 明， 王曉迪， 丁 軍， 張 皓

(1.中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610052；2.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)

在全球范圍內(nèi)，地震一直以來(lái)被認(rèn)為是山地地貌形成的重要驅(qū)動(dòng)因子，也是誘發(fā)滑坡的主要因子之一，發(fā)生在山區(qū)的中至強(qiáng)級(jí)地震會(huì)觸發(fā)成千上萬(wàn)的崩塌、滑坡。強(qiáng)震不僅引發(fā)大量的同震崩塌、滑坡，而且還會(huì)在震后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)加劇斜坡的不穩(wěn)定性。強(qiáng)震所造成的不僅僅是嚴(yán)重的人員傷亡、巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更重要地是對(duì)震區(qū)山地環(huán)境的長(zhǎng)期效應(yīng)及一系列的二次災(zāi)害事件。近年來(lái)，在世界范圍內(nèi)，大量的地質(zhì)災(zāi)害鏈被地震引發(fā)，例如1999年臺(tái)灣集集地震、2010年海地地震、2013年蘆山地震、2017年九寨溝地震[1-4]。發(fā)生在山地區(qū)域的大地震通常會(huì)造成大量崩塌、滑坡，對(duì)區(qū)域的植被覆蓋和生長(zhǎng)造成嚴(yán)重影響。對(duì)植被產(chǎn)生的負(fù)面影響可能持續(xù)多年，植被恢復(fù)經(jīng)歷動(dòng)態(tài)變化。汶川地震造成了大面積的山體滑坡，剝離了很多植被。震后期間，崩滑體上植被開(kāi)始恢復(fù)，并對(duì)減輕震后山地災(zāi)害發(fā)揮了重要作用[5-6]。同時(shí)，植被根系對(duì)土壤抗剪強(qiáng)度具有明顯的增強(qiáng)作用[7-9]?；謴?fù)的植被也會(huì)改變坡面地表的水文特性。例如，恢復(fù)的植被冠層可以攔截降雨，減少滑坡表面的飛濺侵蝕。然而，在地震災(zāi)害研究中，地震后植被恢復(fù)對(duì)崩滑體活動(dòng)減少的影響尚未得到充分認(rèn)識(shí)[10]，因此研究震后植被的恢復(fù)可以有效的預(yù)測(cè)滑坡的活動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)。

受地震后降水的干擾，這些松散堆積體和斜坡很容易被侵蝕運(yùn)移，可能導(dǎo)致多年來(lái)泥沙輸移量增加[11-13]。然而，地震后觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，地震后滑坡高活動(dòng)期僅持續(xù)了1～4 a[6]。盡管存在大量可侵蝕的松散物質(zhì)，但地震后斜坡的侵蝕量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于估計(jì)量[14]，引發(fā)該地區(qū)泥石流的降雨最小閾值在地震后開(kāi)始逐漸增加，這意味著植被因素在地震后減緩地質(zhì)災(zāi)害中發(fā)揮作用，崩滑體的植被恢復(fù)可能加強(qiáng)其自身穩(wěn)定性；即使是早期演替植物(如草本植物)也可以減少滑坡發(fā)生淺層活動(dòng)的可能性[8]。盡管影響滑坡植被恢復(fù)的因素很復(fù)雜，但恢復(fù)植被的存在至少表明松散沉積物和斜坡的瞬時(shí)穩(wěn)定性，這種斜坡穩(wěn)定性是植被恢復(fù)的先決條件。本文主要研究同震崩滑體上的植被覆蓋度恢復(fù)變化，這里崩滑體指崩塌、滑坡等坡面物質(zhì)。崩滑體植被恢復(fù)狀況可以一定程度上反應(yīng)其活動(dòng)性，因此，研究崩滑體的植被恢復(fù)趨勢(shì)對(duì)于震后滑坡泥石流活動(dòng)的趨勢(shì)預(yù)測(cè)具有關(guān)鍵性的作用。

1 研究區(qū)概況

本文主要選取汶川地震極震區(qū)同震崩塌、滑坡較多地區(qū)作為研究區(qū)域，進(jìn)行特大地震后崩滑體植被覆蓋度恢復(fù)特征研究。研究區(qū)域位于中國(guó)四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)附近的汶川地震震中附近。映秀—北川斷裂帶屬于龍門山斷裂帶，橫穿研究區(qū)，形成了整個(gè)研究區(qū)的主要發(fā)震斷層，地震烈度為Ⅺ級(jí)。上層為土壤覆蓋層，下層是風(fēng)化和高度破碎的巖石，大部分是火成巖(花崗巖、閃長(zhǎng)巖)，但也存在變質(zhì)巖和沉積巖(砂巖)，以及第四紀(jì)沉積物。地形主要是含高、中、低山斜坡地貌及岷江河谷地貌，具有較高的起伏度(約760～3 200 m)，地形坡度在0°～65°范圍間，地震力引發(fā)了嚴(yán)重的崩塌、滑坡，其面積覆蓋了研究區(qū)面積的39.47%。在過(guò)去的十年中，該地區(qū)經(jīng)歷了持續(xù)的山體滑坡、泥石流和山洪暴發(fā)。研究區(qū)主要包括紅椿溝、燒房溝、映秀磨子溝、瓦司溝、豆芽坪溝、麻羊店溝6條泥石流流域，流域面積共17.96 km2，流域面積分布在0.61～5.52 km2之間，泥石流主溝長(zhǎng)度在1.76～4.03 km之間。

研究區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候，根據(jù)1998—2010年記錄數(shù)據(jù)，年平均氣溫13 ℃，年平均降水量為1 134 mm，6—9月的降雨約占全年的70%，其中8月份降水量最大，月平均最大降水量為289.9 mm；研究區(qū)水系發(fā)育，岷江是長(zhǎng)江上游的一條支流，由北向南穿過(guò)映秀，河谷深切，水流湍急，年平均流量452 m3/s。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及方法

基于Landsat影像質(zhì)量情況，在備選遙感影像集合中，本文基于研究區(qū)選擇200704，200806，201103，201305，201503，201704共6期Landsat影像數(shù)據(jù)作為計(jì)算植被覆蓋度及評(píng)價(jià)分析數(shù)據(jù)源。本文的研究對(duì)象主要是同震崩滑體，由于計(jì)算植被恢復(fù)率需以“5·12”汶川地震時(shí)間接近的影像為基準(zhǔn)，該期影像主要被用于識(shí)別同震崩滑體區(qū)域植被覆蓋指數(shù)，由于滑坡體區(qū)域基本處于裸露狀態(tài)，故該期的時(shí)間節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)分析造成影響?？紤]到山地植物生長(zhǎng)季候明顯，因此其余影像年份均選于相近季節(jié)月份?；谝陨蠑?shù)據(jù)利用Erdas軟件結(jié)合DEM數(shù)據(jù)和河流水系圖對(duì)確定的遙感影像進(jìn)行幾何精校正和配準(zhǔn)，對(duì)所用Landsat影像數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正、研究區(qū)邊界裁切等預(yù)處理，提取研究區(qū)多期NDVI植被數(shù)據(jù)，并結(jié)合震后解譯的同震崩滑體，利用公式(1)計(jì)算崩滑體的植被恢復(fù)率。

(1)

式中：VRR表示植被恢復(fù)率(vegetation recovery rate， VRR)，NDVIT表示地震年后某一年的植被指數(shù)，NDVIPost表示地震后(2008年)植被指數(shù)，NDVIPre表示地震前(2007年)植被指數(shù)。

基于解譯的汶川震后同震滑坡(見(jiàn)圖1)，由于典型研究區(qū)的2007年的影像數(shù)據(jù)的局限性，提取的NDVI左上角出現(xiàn)異常，因此將這部分同震崩滑體剔除，以流域內(nèi)的其余強(qiáng)震崩滑體為對(duì)象研究坡體上的植被恢復(fù)情況。根據(jù)許積層等[15]對(duì)震后植被恢復(fù)率的相關(guān)研究，根據(jù)研究區(qū)植被的實(shí)際恢復(fù)情況，將植被恢復(fù)率(VRR)劃分為4級(jí):極差(VRR<0)，差(0100%)。

圖1 四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)同震崩滑體解譯結(jié)果

3 崩滑體植被恢復(fù)趨勢(shì)與特征

3.1 時(shí)間尺度上植被恢復(fù)變化趨勢(shì)

研究區(qū)典型泥石流流域崩滑體植被恢復(fù)率分布如圖2所示，由圖2可見(jiàn)震后3 a，崩滑體的活動(dòng)性仍較高，植被恢復(fù)較差，2011年植被恢復(fù)水平在差以下的面積為438.93 hm2，占整體的比值為68%， 2013年后大部分處于中等恢復(fù)以上，恢復(fù)較差的比例雖隨時(shí)間有減少趨勢(shì)，但仍然占比20%～30%之間。從圖3中各個(gè)等級(jí)植被恢復(fù)率所占面積比例變化可知，在研究區(qū)范圍內(nèi)，2011年植被恢復(fù)中等程度以上僅32%，其中良好僅有7%，表明2008—2011期間，滑坡泥石流活動(dòng)頻率較高，缺少植被恢復(fù)的穩(wěn)定條件，2013年相較于2011年植被有了較大程度上的恢復(fù)，中等程度以上占68%，其中良好就占了29%，約1/3的崩滑體恢復(fù)較差，表明2011—2013年期間滑坡泥石流的活動(dòng)性有所降低。2015年恢復(fù)較差占29%，2017年恢復(fù)較差占21%，可以看出2013年以后植被恢復(fù)率的變化不顯著，表明至2013年植被大部分崩滑體就已達(dá)到較好的恢復(fù)水平了，2013年后處于一個(gè)緩慢的恢復(fù)水平，植被恢復(fù)率無(wú)較大變異性，滑坡泥石流活動(dòng)減弱趨于平穩(wěn)。汶川震后研究區(qū)植被覆蓋度恢復(fù)總體較好，表現(xiàn)為極差、差的植被恢復(fù)比例減少，中等、良好植被恢復(fù)面積增加。

圖2 映秀鎮(zhèn)多時(shí)相崩滑體坡體植被恢復(fù)率等級(jí)變化

圖3 映秀鎮(zhèn)多時(shí)相崩滑體植被恢復(fù)率等級(jí)變化

由圖4可知，研究區(qū)汶川地震后前期植被恢復(fù)速率較快，至2013后恢復(fù)速率減慢。從2013—2017年，NDVI的年平均恢復(fù)速率為0.02/a，根據(jù)擬合模型預(yù)計(jì)2022年NDVI可以恢復(fù)到0.817，接近于震前水平，表明研究區(qū)震后受損植被的恢復(fù)期約為15 a，楊文濤等[16-17]根據(jù)地震后8 a的植被恢復(fù)情況，估計(jì)地震后崩滑體活動(dòng)將在20 a內(nèi)恢復(fù)到地震前的狀態(tài)，這與本文得到的結(jié)論存在差異，可能是由于數(shù)據(jù)和提取方法上存在差異造成的。由于本文主要是以NDVI為標(biāo)準(zhǔn)，只能反映植被覆蓋度的變化，因此研究區(qū)震后植被恢復(fù)從種群結(jié)構(gòu)上來(lái)看需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)到震前水平。

圖4 四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)崩滑體植被恢復(fù)趨勢(shì)

3.2 植被恢復(fù)空間分布特征

進(jìn)一步分析植被恢復(fù)率在空間上的分布，統(tǒng)計(jì)最近一期2017年植被恢復(fù)等級(jí)在坡度、高程、坡向不同分級(jí)區(qū)間的各恢復(fù)等級(jí)的面積(見(jiàn)圖5)。從圖5可知，就坡度而言，各坡度區(qū)間基本都以中等及以上恢復(fù)水平為主，表明至2017年研究區(qū)坡體植被已經(jīng)達(dá)到一個(gè)良好的水平，30°～50°的坡度區(qū)間內(nèi)差等以下與中等以上均為最多，這是由于同震滑坡主要分布在該區(qū)間的控制影響。從高程而言，植被恢復(fù)率為差等的植被主要分布在1 500～2 100 m高程區(qū)間內(nèi)，總的來(lái)看，隨著海拔的增高，差、極差等級(jí)的比例逐漸增加，表明高海拔植被恢復(fù)較慢，這是由于高海拔區(qū)域重力勢(shì)能較大，崩滑體易失穩(wěn)活動(dòng)；在9 00～1 200 m的低海拔區(qū)域出現(xiàn)異常，可能是由于公路建設(shè)、人工開(kāi)挖所導(dǎo)致植被受損。就坡向而言，各坡向以中等以上的恢復(fù)等級(jí)為主，其所占比例均大于50%,恢復(fù)較差的主要在E，SE，S坡向。表明SE向崩滑體活動(dòng)敏感性高，NW向崩滑體活動(dòng)敏感性低，這與汶川地震波傳播方向、斷層走向、斷層逆沖運(yùn)動(dòng)、山脈走向等因素都有內(nèi)在聯(lián)系，同時(shí)東南坡向?yàn)殛?yáng)坡，降雨集中，崩滑體易失穩(wěn)，植被恢復(fù)環(huán)境較差。

圖5 四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)植被恢復(fù)等級(jí)與地形因子評(píng)估

4 結(jié) 論

汶川震后同震滑坡體上植被恢復(fù)的長(zhǎng)期變化過(guò)程，以及針對(duì)造成這類變化的控制因子的研究成果相對(duì)缺乏，針對(duì)上述問(wèn)題，本文以長(zhǎng)時(shí)間序列NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在統(tǒng)計(jì)分析震后多時(shí)序滑坡體植被恢復(fù)特征及變化趨勢(shì)的基礎(chǔ)上獲得震后長(zhǎng)時(shí)期山地環(huán)境恢復(fù)規(guī)律。

(1) 通過(guò)2011,2013,2015,2017年的植被恢復(fù)率變化分析，可知震后3 a，崩滑體的活動(dòng)性仍較高，植被恢復(fù)較差，差等以下比例68%，2013年后大部分處于中等恢復(fù)以上，恢復(fù)較差的比例雖隨時(shí)間有減少趨勢(shì)，但仍然在20%～30%之間，至2017年，研究區(qū)坡體植被恢復(fù)已經(jīng)達(dá)到較好的恢復(fù)水平。

(2) 汶川地震后前期植被恢復(fù)速率較快，2008—2013年間平均恢復(fù)速率為0.06 /a，至2013后恢復(fù)速率減慢。從2013—2017年NDVI的年平均恢復(fù)速率為0.02 /a根據(jù)擬合模型預(yù)計(jì)2022年可以恢復(fù)到震前水平，表明研究區(qū)震后受損植被的恢復(fù)期約為15 a。

(3) 至2017年，研究區(qū)坡體植被已經(jīng)達(dá)到一個(gè)良好的水平，植被恢復(fù)差等以下的仍主要處于30°～50°的坡度區(qū)間，1 500～2 100 m高程區(qū)間，E，SE，E坡向。

植被恢復(fù)雖然從一定程度上反映崩滑體活動(dòng)強(qiáng)度趨勢(shì)，但只是山地環(huán)境恢復(fù)的表觀現(xiàn)象，并不能完全代表坡體內(nèi)部自身穩(wěn)定程度，這是僅通過(guò)空中遙感監(jiān)測(cè)手段的不足，在之后的研究中應(yīng)該更多地結(jié)合地面物理試驗(yàn)手段去研究滑坡體巖土強(qiáng)度的恢復(fù)變化，以達(dá)到對(duì)震后災(zāi)害活動(dòng)發(fā)育預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。