2019年“利奇馬”臺風暴雨滑坡分布分析
——以安徽省寧國市為例

袁 康， 崔玉龍， 胡俊宏， 金嘉樂， 袁文華

(安徽理工大學 土木建筑學院， 安徽 淮南 232001)

滑坡災害是自然災害中最重要的災害類型之一，具有分布廣、發(fā)生頻率高、運動速度快、致災嚴重等特點，其危害已經(jīng)成為僅次于地震災害的第二大自然災害[1-2]。2004年“云娜”臺風暴雨造成浙江永嘉、樂清等縣發(fā)生大量的泥石流和滑坡地質(zhì)災害，死亡28人[3]。2015年“蘇迪羅”臺風暴雨誘發(fā)浙江泰順縣發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災害共81處，造成1人死亡，5人受傷，直接經(jīng)濟損失4118萬元[4]。由此可見，我國東南沿海地區(qū)在遭受臺風暴雨時極易誘發(fā)滑坡、崩塌和泥石流等地質(zhì)災害，造成重大損失。

滑坡的成因可分為內(nèi)部因素和外部因素，內(nèi)部因素包括自身的地質(zhì)、地貌條件，外部因素包括地震、降雨等自然因素和人類工程活動因素。根據(jù)統(tǒng)計，我國近年來發(fā)生的滑坡災害中，降雨型滑坡占90%，地震滑坡占1%，人類工程活動導致的滑坡占9%[5-6]。因此，降雨是滑坡最主要的誘發(fā)因素。目前，國內(nèi)外有許多學者[7-16]針對降雨滑坡分布規(guī)律開展研究。Huo等[7]研究了黃土高原區(qū)域降雨和地質(zhì)災害分布的空間關系；朱曉霞等[8]在收集1985—2015年蘭州市降雨型黃土滑坡歷史數(shù)據(jù)的基礎上，運用反距離權重插值和核密度估算方法揭示了該區(qū)域降雨型黃土滑坡的時空分布規(guī)律。也有學者更深入地分析了滑坡和降雨因子的關系，Bai等[9]研究了甘肅省隴南市武都區(qū)日降雨量和前期總降雨量對滑坡和泥石流的影響；唐紅梅等[10]分析了重慶地區(qū)滑坡發(fā)生時的當日降雨量、累計降雨量和前期降雨衰減系數(shù)與滑坡的相關性。我國東南沿海地區(qū)經(jīng)常遭受臺風侵襲，且該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境脆弱，有學者針對該區(qū)域的滑坡地質(zhì)災害開展了研究。陳光平[11]揭示了溫州市臺風降雨滑坡的發(fā)育分布規(guī)律，以及臺風暴雨對斜坡的作用效應；鄭建中等[12]探討了皖南山區(qū)的區(qū)域環(huán)境工程地質(zhì)特征，對滑坡等地質(zhì)災害的發(fā)生及發(fā)展趨勢進行了預測；He等[13]對皖南山區(qū)滑坡進行了空間分布規(guī)律研究和滑坡易發(fā)性評價。近年來，在我國東南沿海地區(qū)發(fā)生了多次臺風暴雨事件，觸發(fā)了大量的滑坡，但對某次臺風暴雨滑坡分布規(guī)律的針對性研究相對較少。

2019年8月10日，臺風“利奇馬”登錄我國東南沿海地區(qū)，臺風暴雨引發(fā)多處地質(zhì)災害。本文基于Planet衛(wèi)星影像，根據(jù)滑坡前后的影像，采用目視解譯法在ArcGIS上逐一圈出滑坡位置?；贒EM、地質(zhì)圖以及氣象臺站的降雨數(shù)據(jù)，提取高程、坡度、坡向、地質(zhì)巖性和降雨量等因子，統(tǒng)計分析各因子與滑坡分布的關系。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省寧國市，東西長67.1 km，南北寬53.2 km，面積3567 km2，地理坐標為118°36′33″—119°17′55″E，30°16′37″—30°45′23″N，見圖1。寧國市位于皖南山區(qū)，境內(nèi)河流主要有水陽江、東津河和郎川河。地貌上整體上為南高北低、東部向腹地傾斜，高程為5～1444 m。出露地層復雜，有白堊系、志留系、寒武系、奧陶系，侏羅系等地層。研究區(qū)位于揚子板塊東南部江南隆起帶，由于經(jīng)歷了不同構造層次多期疊加變形，地質(zhì)構造較為復雜，受績溪斷裂和虎嶺關—月潭斷裂控制，形成了以北東向構造為主的格局。寧國市氣候四季分明，日照充足，年平均氣溫15.4 ℃，年平均降雨量1 426.9 mm，屬北亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)[17]。受到“利奇馬”臺風影響，自2019年8月9日起，研究區(qū)經(jīng)歷了較長時間的強降雨，導致大面積道路損毀、通訊中斷、斷水斷電等重大險情。據(jù)不完全統(tǒng)計，寧國市受災人口達10萬人，死亡3人、失聯(lián)5人，發(fā)生地質(zhì)災害270處，農(nóng)作物受災面積4140 hm2，倒塌房屋1154間[20]。

圖1 研究區(qū)滑坡分布

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文選取的研究數(shù)據(jù)如下：臺風“利奇馬”降雨前后3 m分辨率的Planet衛(wèi)星影像(https://api.planet.com)，如圖2所示；12.5 m分辨率的DEM(https://search.asf.alaska.edu)；1∶500 000地質(zhì)圖[18]；研究區(qū)及周邊6個氣象臺站的降雨數(shù)據(jù)(http://data.cma.cn)。

2.2 方法

研究區(qū)域的影像就某一日而言并不完整，故選取滑坡前最近的日期和滑坡后最近的日期的衛(wèi)星影像，組成完整的滑坡前后衛(wèi)星影像。

本文選取2019年8月2日、5日、6日3個時相的Planet影像組成滑坡前的影像圖，選取2019年8月17日和27日兩個時相的Planet影像組成滑坡后的影像圖。以這些高分辨率的衛(wèi)星影像作為基礎展開解譯工作，采用人工目視解譯法找出滑坡分布[19]，影像上的水系、山脊以及滑坡的光學影像特征可以作為判斷滑坡與其滑動方向的證據(jù)。解譯出2019年8月9—11日的“利奇馬”臺風暴雨造成安徽省寧國市發(fā)生滑坡414處，總滑坡面積1.42 km2，最大單體滑坡面積49 800 m2，最小單體滑坡面積235 m2。將影像前后色調(diào)、形態(tài)、陰影、紋理、植被發(fā)育上有較大差異的區(qū)域視為滑坡，按照不同形狀通過多邊形逐一圈出來，可以確定滑坡發(fā)生的地理位置、邊界、形態(tài)、規(guī)模，目視解譯法保證了滑坡數(shù)據(jù)的真實性和可靠性，圖3為典型滑坡案例。基于DEM提取高程、坡度、坡向因子，基于地質(zhì)圖提取地層因子，選擇臺風暴雨期間3天的累計降雨量作為降雨因子。根據(jù)上述方法，構建安徽省寧國市“利奇馬”臺風暴雨滑坡數(shù)據(jù)庫。

(a)滑坡前衛(wèi)星影像 (b)滑坡后衛(wèi)星影像圖2 Planet衛(wèi)星影像

(a)滑坡前衛(wèi)星影像 (b)滑坡后衛(wèi)星影像圖3 典型滑坡案例

3 結(jié)果

3.1 滑坡密度分析

根據(jù)統(tǒng)計分析得到的滑坡數(shù)據(jù)，在ArcGIS上制作出點密度圖。由于滑坡分布區(qū)域較大，以1000 km為搜索半徑通過點密度分析制作滑坡點密度圖(圖4)，可以看出，滑坡主要分布在寧國市南部區(qū)域，點密度為6.6個/km2，其余區(qū)域滑坡分布較為稀疏。

圖4 滑坡點密度圖(搜索半徑為1000 km)

3.2 滑坡數(shù)量與滑坡面積統(tǒng)計

將滑坡面積分為5個區(qū)間：(0，2000 m2]、(2000 m2，5000 m2]、(5000 m2，10 000 m2]、(10 000 m2，20 000 m2]、(20 000 m2，50 000 m2]。分別統(tǒng)計分析了5個區(qū)間對應的滑坡數(shù)量占滑坡總數(shù)量的比值和滑坡面積占滑坡總面積的比值。由表1可知，(0，2000 m2]區(qū)間的滑坡數(shù)量達197個，占滑坡總數(shù)的47%；而在滑坡總面積中占比最大的是(2000 m2，5000 m2]區(qū)間，滑坡的面積為0.45 km2，占32%。我國東南沿海區(qū)域[11]歷次臺風降雨滑坡災害，都有與研究區(qū)滑坡分布同樣的特點：點多、面廣、規(guī)模小。

表1 滑坡數(shù)量和滑坡面積占比

3.3 滑坡與影響因子關系

3.3.1 地形因子

3.3.1.1 高程

滑坡研究區(qū)的高程為5～1444 m，將其分為5個區(qū)間：[5 m，300 m)、[300 m，600 m)、[600 m，900 m)、[900 m，1200 m)和[1200 m，1444 m]。統(tǒng)計了滑坡數(shù)量和滑坡面積與高程之間的關系，如圖5所示。滑坡主要集中在[300 m，600 m)區(qū)間，滑坡數(shù)量達191個，占46%，其對應的滑坡面積也最高，達46%。由圖5可見，在[5 m，300 m)、[300 m，600 m)兩個高程區(qū)間，滑坡數(shù)量隨著高程的增加而增加，超過600 m高程后，滑坡數(shù)量隨著高程的增加而減少。坡體應力隨著高程增加而增加，[300 m，600 m)高程區(qū)間的斜坡體內(nèi)的應力值可提供滑坡滑動的勢能，且此區(qū)間處于起伏度較大的山地丘陵區(qū)域，地勢變化明顯，在臺風暴雨的影響下極易發(fā)生滑坡。但滑坡數(shù)目和滑坡面積并不是一味地隨著高程的增加而增加，不僅僅是因為海拔高區(qū)域面積小，而是滑坡的發(fā)生也受其他因子影響。

(a)滑坡數(shù)量 (b)滑坡面積圖5 滑坡和高程關系圖

3.3.1.2 坡度

滑坡研究區(qū)的坡度范圍是0°～80°，50°以下以10°為間隔進行分組，50°以上為一組，統(tǒng)計滑坡數(shù)量和滑坡面積與坡度之間的關系，結(jié)果如圖6所示?；聰?shù)量最多的坡度區(qū)間是[20°，30°)，有171個滑坡，占41%，此區(qū)間滑坡面積也最大，占44%，單體滑坡面積最大的也在[20°，30°)區(qū)間。坡度小于20°的滑坡數(shù)量和滑坡面積隨著坡度的增大而增大，坡度大于30°的滑坡數(shù)量和滑坡面積隨著坡度的增大而減小。坡度對滑坡的影響較為明顯，坡度小于20°的滑坡數(shù)量不多，此范圍內(nèi)地勢平緩且坡體穩(wěn)定，無法提供滑坡滑動所需要的勢能；[20°，30°)區(qū)間的滑坡最集中，在這一范圍內(nèi)，坡面上的松散堆積物數(shù)量較多、剪切力和勢能相對較大，坡體穩(wěn)定性較差；而超出30°坡度的區(qū)域，雖然坡腳應力和勢能較大，但松散堆積物較少，缺少滑坡物源，因此滑坡數(shù)量逐漸減少。

3.3.1.3 坡向

坡向也是影響滑坡分布的重要因素，根據(jù)坡體朝向?qū)⒅譃槠矫?、北、東北、東、東南、南、西南、西和西北方向，統(tǒng)計了滑坡數(shù)量和滑坡面積與坡向之間的關系，如圖7所示。東南坡向的滑坡數(shù)量最多，有135個，占33%，同時滑坡面積為0.4 km2，占28%。東南坡向為半陽坡，太陽光照時間長，蒸發(fā)量大，土壤含水量較低，導致此坡向植被覆蓋率低且?guī)r體風化程度高，坡體穩(wěn)定性較差，因此滑坡數(shù)量較多。

(a)滑坡數(shù)量 (b)滑坡面積圖6 滑坡和坡度關系圖

(a)滑坡數(shù)量 (b)滑坡面積圖7 滑坡和坡向關系圖

3.3.2 地質(zhì)因子

研究區(qū)的出露地層巖性復雜，多達13種，但并不是每種巖性范圍都有滑坡發(fā)生。根據(jù)統(tǒng)計分析，滑坡分布于未知地層、奧陶系(O)、寒武系(ε)、三疊系(T)、震旦系(Z)、志留系(S)、侏羅系(J)等地層內(nèi)，如圖8所示。震旦系范圍內(nèi)滑坡數(shù)量最多，有194個，占47%，面積0.58 km2，占滑坡總面積的41%。研究區(qū)內(nèi)震旦系以藍田組、皮園村組、南沱組、休寧組為主組成，巖性大多為泥巖、粉砂巖、硅質(zhì)頁巖等軟巖，地表風化層較厚，在臺風暴雨條件下極易發(fā)生淺層滑坡。未發(fā)生滑坡的地層包括白堊系(K)、第四系(Qp)、二疊系(P)、泥盆系(D)、石炭系(C)、花崗巖(γπ)，這些地層大多包含頁巖、灰?guī)r、石英砂巖，花崗巖等結(jié)構穩(wěn)定巖層，故斜坡體相對穩(wěn)定。而在福建、浙江等臺風災害更頻繁的東南沿海地區(qū)，大多數(shù)降雨滑坡也是和研究區(qū)類似的淺層土質(zhì)滑坡。

3.3.3 降雨因子

“利奇馬”臺風暴雨集中在8月9—11日，本文選取3日累計降雨量作為降雨因子。氣象臺站均勻分布在研究區(qū)及周圍，與研究區(qū)之間無高山山脈阻隔，避免了區(qū)域降雨量克里金插值計算時的誤差。

將降雨量分為6個區(qū)間：[163 mm，200 mm)、[200 mm，250 mm)、[250 mm，300 mm)、[300 mm，350 mm)、[350 mm，400 mm)和[400 mm，425 mm]。統(tǒng)計滑坡數(shù)量和滑坡面積與3日累計降雨量的關系，如圖9所示。由圖可見，降雨量在[300 mm，350 mm)區(qū)間發(fā)生的滑坡數(shù)量占滑坡總數(shù)的60%，滑坡面積占滑坡總面積的51%。降雨量最大的[400 mm，425 mm]區(qū)間，在研究區(qū)占比面積極小，且降雨只是滑坡直接誘因，故此區(qū)間無滑坡發(fā)生。查閱相關降雨數(shù)據(jù)(http://www.weather.com.cn)，寧國市7月和8月平均月降雨量為181.5 mm和170.3 mm。而“利奇馬”臺風期間，僅8月9—11日降雨量就已經(jīng)超過月平均降雨量，臺風暴雨是滑坡發(fā)生的直接誘因。

(a)滑坡數(shù)量 (b)滑坡面積 圖8 滑坡和地層關系圖

(a)滑坡數(shù)量 (b)滑坡面積

(c)研究區(qū)降雨量分布圖9 滑坡和降雨量關系圖

4 結(jié)論

本文以安徽省寧國市臺風暴雨滑坡為例，利用Planet衛(wèi)星影像獲取滑坡空間分布圖，采用人工目視解譯法得到414個滑坡，面積達1.42 km2，不均勻分布在寧國市及周邊區(qū)域。近一半的單體滑坡面積小于2000 m2，但造成損失較大。研究區(qū)域滑坡有：點多、分布廣、面積小、淺層滑坡，危害大等特點?；路植寂c地形、地質(zhì)和降雨因子密切相關，在高程[300 m，600 m)區(qū)間、坡度[20°，30°)區(qū)間、坡向東南向、震旦系地層(Z)和3日累計降雨量[300 mm，350 mm)區(qū)間的滑坡數(shù)量和滑坡面積占比最大。降雨是滑坡發(fā)生的直接誘因，其本質(zhì)原因在于斜坡體的地形地質(zhì)條件，因此滑坡最密集區(qū)并非降雨量最多的區(qū)域，而是地形地質(zhì)較脆弱的區(qū)域。

本文初步分析了寧國市“利奇馬”臺風暴雨滑坡的空間分布規(guī)律，下一步擬開展暴雨工況下單體滑坡失穩(wěn)機理研究和區(qū)域滑坡易發(fā)性評價研究。