蘭州老狼溝黃土微地貌災(zāi)害鏈時空分布特征與危險性模擬研究*

孔嘉旭 莊建琦 彭建兵 冷艷秋 馬鵬輝 占潔偉 牟家琦 王世寶 王 杰 鄭 佳 付玉婷

(長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院， 西安 710054， 中國)

0 引 言

土壤侵蝕對生態(tài)地質(zhì)環(huán)境帶來破壞性影響已成為全球范圍內(nèi)最具敏感性的環(huán)境問題之一(張宗祜， 1981； 梁廣林等， 2004; Wu et al.，2005; Casalí et al.，2008)。中國黃土高原由于強烈的濕陷作用，已經(jīng)成為世界上遭受侵蝕破壞導(dǎo)致水土流失現(xiàn)象最嚴(yán)重地區(qū)之一(Xiong et al.，2014； Liu et al.，2015; Peng et al.，2018)。黃土高原具有千溝萬壑的獨特地貌特點，其由來自蒙古高原南部及鄰近的沙漠、戈壁的大量粉塵碎屑物質(zhì)經(jīng)過200多萬年的風(fēng)力搬運沉積和水風(fēng)侵蝕作用雕刻而成(Sun，2002; Zhang et al.，2010； Li et al.，2019)。由于黃土特殊的濕陷性、水敏性、崩解性以及具有大孔隙和垂直節(jié)理結(jié)構(gòu)，黃土地區(qū)是地貌演化過程最迅速的地區(qū)之一(Feng et al.，2019； Peng et al.，2019；Sadeghi et al.，2019; Wang et al.，2019)。黃土洞穴、濕陷節(jié)理、黃土滑坡是黃土高原廣泛孕育具有代表性的微地貌景觀(Xiong et al.，2014； 李喜安等， 2016)。黃土是一種典型的類喀斯特土，而潛蝕是黃土高原特有的侵蝕類型之一，導(dǎo)致黃土洞穴發(fā)育分布最為廣泛，從而演化成滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，形成獨特的地質(zhì)災(zāi)害鏈關(guān)系，對西北地區(qū)公路鐵路、橋梁隧道、建筑物和農(nóng)田產(chǎn)生了一系列嚴(yán)重破壞事件(Wang et al.，1999; 李喜安等， 2005a，2005b; 李濱等， 2008)。因此，黃土高原孕育的多種微地貌景觀及其相互衍生關(guān)系使其成為研究災(zāi)害鏈分布規(guī)律、成因機制以及演化過程的理想場所。

20世紀(jì)50年代至今，眾多學(xué)者首先針對西北地區(qū)黃土洞穴分布規(guī)律、成因機制、分類體系提出一系列理論(Liu， 1985; 王景明等， 1994; Derbyshire， 2001; 彭建兵等， 2007)。同時關(guān)于黃土高原黃土洞穴與滑坡等次生地質(zhì)災(zāi)害相互關(guān)系取得了諸多重要成果(李濱等， 2007; 李濱等， 2007; 李喜安等， 2009; Liang et al.，2013; 劉高等， 2014； Peng et al.，2018; Hu et al.，2020)。通過大量野外調(diào)查和室內(nèi)統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)其成因主要受土體性質(zhì)、構(gòu)造方式、地形地貌以及水文地質(zhì)和氣候條件控制，不同深度洞穴主控因素存在顯著差異性(李喜安等， 2005b; 彭建兵等， 2005)。李喜安等(2010)通過物理模型實驗與數(shù)值模擬從黃土洞穴發(fā)育的臨界條件、危害程度、成因機制、演化過程以及穩(wěn)定性分析等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。李治財?shù)?2014)從分布特征和形成時間方面揭示了黃土滑坡與黃土洞穴的相關(guān)性和相互作用機制。Peng et al. (2018)對黃土高原800多個黃土洞穴進(jìn)行了長期野外調(diào)查，系統(tǒng)總結(jié)了黃土洞穴的區(qū)域發(fā)育規(guī)律、層次發(fā)育規(guī)律、不同類型洞穴的特征、發(fā)育模式和主要控制因素。

近年來，利用GIS空間分析、無人機測繪、遙感影像解譯、地球物理探測技術(shù)以及數(shù)值模擬等方法對小流域洞穴侵蝕特征研究效果取得了顯著提升(Jacoby et al.，2013; Liang et al.，2013; 張紹云等， 2016； Zhao et al.，2020)。通過無人機調(diào)查、高分辨率影像以數(shù)據(jù)挖掘手段分析黃土高原小流域溝道侵蝕破壞特征與洞穴侵蝕模式(劉林等， 2015; 鄭煒珊等， 2020)。Hu et al. (2020)結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查、無人機測繪與GIS空間分析技術(shù)研究了會寧縣孫家岔溝黃土洞穴分布特征與滑坡之間發(fā)育關(guān)系，提出了6種典型侵蝕破壞模式。鄒錫云等(2018)以黑方臺黃土臺塬為例，通過多期影像和室內(nèi)試驗總結(jié)了黃土洞穴、裂縫與滑坡發(fā)生之間的形成機理，發(fā)現(xiàn)裂縫走向與黃土洞穴長軸方向具有相似性。Kim et al. (2019)利用高分辨率多光譜影像和SAR影像分析了與油氣鉆探工程密切相關(guān)的洞穴變形破壞特征。Ozdemir(2015)利用FR模型和GIS空間分析技術(shù)對土耳其中部高原洞穴進(jìn)行敏感性制圖。此外，探地雷達(dá)(GPR)、電阻率層析成像(ERT)等也被用于探測地下洞穴的結(jié)構(gòu)特征與水分入滲狀況(Xiong et al.，2016; 王正科等， 2017)。綜上所述，目前關(guān)于黃土洞穴成因機制、分布特征以及與滑坡相互關(guān)系研究已積累了一定成果，但對于系統(tǒng)性探究黃土洞穴、滑坡之間存在的災(zāi)害鏈演化模式的研究相對較少，同時未能進(jìn)一步深入分析洞穴環(huán)境下斜坡水分入滲規(guī)律以及邊坡危險性問題。

基于上述研究背景，為深入探索黃土微地貌災(zāi)害鏈時空分布特征與演化模式，定量評價其對人居環(huán)境危害程度。本研究以中國黃土高原蘭州市老狼溝為例，首先通過現(xiàn)場調(diào)查、無人機測繪、多期遙感影像解譯，結(jié)合GIS空間分析技術(shù)提取，分析了黃土洞穴微地貌形態(tài)參數(shù)與分布規(guī)模，總結(jié)了黃土微地貌災(zāi)害鏈演化模式圖譜。最后利用HYDRUS 2D軟件模擬強降水條件下黃土層入滲強度，為老狼溝潛在滑坡運動危險性模擬提供數(shù)據(jù)支撐。該研究成果可以為黃土高原的固溝保塬、削山填溝等人居工程防災(zāi)減災(zāi)建設(shè)提供參考和指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理位置

研究區(qū)位于黃河流域上游蘭州盆地南側(cè)皋蘭山北坡的老狼溝(中國甘肅省城關(guān)區(qū))，毗鄰蘭州市中心繁華地帶和鐵路樞紐，直線距離僅為950m，區(qū)域范圍為103°50′29.44″E～103°52′13.65″E， 36°00′24.62″N～36°01′29.14″N (圖1)。老狼溝溝谷整體呈南北走向，南北長約為2000m。東西寬約為900m，面積約為0.85km2。老狼溝西側(cè)斜坡發(fā)育有兩條支溝呈北東—南西走向，長度分別為500m和400m，溝兩側(cè)的黃土脊上建有多處村莊、廠房以及農(nóng)田(圖1c)。蘭州市城關(guān)區(qū)屬于大陸性較強的溫帶季風(fēng)氣候，氣候干燥，日照充足，晝夜溫差較大，年均氣溫為5～9℃，年均降雨量為293.3mm，年均降雨強度為33.2mm·d-1，每年的6～9月為蘭州市降雨的主要月份，其降雨量約為208mm，占年降雨量的70.9% (圖2)。

圖1 研究區(qū)位置及區(qū)域概況

圖2 降水分布特征(朱曉霞等， 2019)

表1 入滲分析數(shù)值模擬參數(shù)

1.2 地形地貌

蘭州市城關(guān)區(qū)屬于黃土高原腹地的典型的黃土丘陵溝壑地貌單元，位于祁連山中段的皋蘭山斷陷盆地內(nèi)，同時地處中國黃土高原和青藏高原交匯地帶。老狼溝地勢北高南低、西高東低，海拔范圍在1700～2100m之間，溝谷斜坡地形高陡，東、西兩側(cè)斜坡平均坡度分別為43.2°和38.5°(圖1)。老狼溝黃土微地貌類型主要有黃土濕陷地貌(濕陷坑、濕陷節(jié)理)、黃土侵蝕地貌(暗穴、滑坡、崩塌、剝落、細(xì)溝、淺溝、切溝)、黃土侵蝕-構(gòu)造堆積地貌(黃土丘陵)。老狼溝區(qū)內(nèi)常年受地表水和地下水的水力潛蝕作用，導(dǎo)致溝內(nèi)地質(zhì)環(huán)境極為脆弱，發(fā)育大規(guī)模不穩(wěn)定斜坡，高陡的地形特征和黃土特殊的工程性質(zhì)為滑坡、泥石流運動擴散提供了場地和物源條件(侯云龍等， 2019)。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

新構(gòu)造時期的剪切擠壓運動和河流下切侵蝕作用在黃土高原西北緣逐漸形成了中新生代蘭州斷陷盆地，老狼溝地處蘭州盆地中部斷陷帶內(nèi)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造運動活躍，發(fā)育有黃土泥巖節(jié)理裂隙，但無大型斷裂帶發(fā)育。如圖3 所示，老狼溝地層結(jié)構(gòu)較為簡單，地層組成自上而下分別為馬蘭黃土、離石黃土、午城黃土、礫石層和第三系紅色泥巖。馬蘭黃土厚度約為35m至40m，具有強濕陷性和大孔隙結(jié)構(gòu)，壓實度較低。離石黃土和午城黃土平均厚度分別約為150m和102m，濕陷性一般，壓實度較高； 下部的礫石層與紅色泥巖呈不整合接觸，僅在溝口出露，是主要含水層，泥巖層傾向和傾角分別為175°和21°(殷躍平等， 2004)。

圖3 老狼溝滑坡工程地質(zhì)剖面圖

2 研究方法

2.1 現(xiàn)場調(diào)查與無人機測繪

2021年1月14日，對老狼溝研究區(qū)開展了無人機攝影測量和現(xiàn)場調(diào)查工作，使用的無人機型號為飛馬E2000，規(guī)劃航線數(shù)量為35條，航向和旁向重疊率均為80%，安全飛行高度設(shè)定為150m，飛行速度為8m·s-1，最終得到了1064組正射圖像和POS數(shù)據(jù)。通過Photoscan軟件重建了三維地形，生成了分辨率為4.25cm/pixel的DOM(數(shù)字正射影像)和分辨率為8.46cm/pixel的DEM(數(shù)字高程模型)。

2.2 GIS空間分析

GIS空間分析和數(shù)理統(tǒng)計不僅有助于準(zhǔn)確地定量描述黃土洞穴的地形特征參數(shù)、位置分布、形態(tài)尺度和頻率分布，而且有助于進(jìn)行黃土微地貌災(zāi)害鏈的提取分析、密度制圖、空間自相關(guān)分析、熱點分析(Zhuang et al.，2015)。本研究在ArcGIS 10.5中提取了黃土洞穴的微地貌參數(shù)，包括長度、寬度、周長、面積、坡度、高程以及距水文路徑最短距離。利用核密度估計可視化黃土洞穴分布規(guī)律，同時繪制了黃土洞穴、滑坡、淺溝與地形濕度指數(shù)(TWI)相對位置的分布圖。TWI用于識別地表水文通道，TWI低值代表地形凸起，TWI高值代表地形凹陷從而利于形成局部匯水，可以清晰觀察微地貌景觀與水文通道的相對位置。為了探究老狼溝黃土洞穴與滑坡的年際分布差異特征，獲取了2001～2017年5期Google Earth影像(分辨率0.24m)與2021年無人機正射影像進(jìn)行對比研究。選取了空間自相關(guān)分析和熱點分析評估了老狼溝黃土洞穴的微地貌形態(tài)參數(shù)的分布特征和相關(guān)性程度，兩種方法均能夠檢驗空間中一點的觀測值與其鄰近點的觀測值是否存在相關(guān)性(Mahmood et al.，2011)。

2.3 HYDRUS-2D模型入滲分析

HYDRUS-2D模型是由美國農(nóng)業(yè)部鹽漬土實驗室(US Salinity laboratory)于1991年開發(fā)，是用于模擬飽和-非飽和帶多孔介質(zhì)中的水分、熱力、溶質(zhì)運移的數(shù)值模型，能夠完整地模擬強降水條件下黃土斜坡水分的空分布變化及運移規(guī)律。HYDRUS-2D模型僅考慮垂直方向的水分運移，采用Richards方程進(jìn)行描述(張凡琛等， 2021)，方程表達(dá)式如下：

(1)

式中：θ為土壤體積含水率(cm3·cm-3)；t為時間(d)；K為非飽和導(dǎo)水率(cm·d-1)；h為壓力水頭(cm)；S為根系吸水速率(cm·d-1)；z為縱剖面深度(m)，向上為正值。

土壤水分特征曲線選用vanGenuchten方程擬合來確定，方程表達(dá)式如下：

(2)

(3)

其中：

式中：θ為土壤體積含水率(cm3·cm-3)；θr為土壤殘余體積含水率(cm3·cm-3)；θs為土壤飽和體積含水率(cm3·cm-3)；α為進(jìn)氣吸力的倒數(shù)(cm-1)；n代表孔徑分布參數(shù)；m為水分特征曲線參數(shù)；l為孔隙連通性參數(shù)；Ks為飽和導(dǎo)水率(cm·d-1)；h為壓力水頭(m)。

選取老狼溝研究區(qū)受黃土洞穴影響較大西側(cè)斜坡開展水分入滲響應(yīng)深度與含水率分布規(guī)律數(shù)值模擬，模型坡長為400m，坡高為300m，模型剖面數(shù)據(jù)通過DEM獲取，地層結(jié)構(gòu)主要為黃土。開展了原生地貌和洞穴環(huán)境兩種工況下的數(shù)值模擬，黃土洞穴規(guī)模和位置通過DOM確定，洞穴數(shù)量為4個，在模擬剖面呈線狀展布。模型設(shè)置降水強度為33.2mm·d-1，時間為15d。

2.4 滑坡運動危險性模擬

老狼溝兩側(cè)斜坡存在多處不穩(wěn)定段，蘭州市歷史地質(zhì)災(zāi)害事件與強降水天氣密切相關(guān)，如2005年5月30日發(fā)生在老狼溝北坡紅山根西路老滑坡前緣的山體崩塌，老滑坡體積為1.8×106m3，造成直接經(jīng)濟損失達(dá)3萬元，嚴(yán)重威脅蘭州火車站及周邊建筑物的安全運營。因此，選擇MASSFLOW軟件開展基于黃土洞穴空間分布特征和斜坡水分入滲機制的滑坡運動危險性數(shù)值模擬，該軟件將三維深度積分與連續(xù)介質(zhì)模型相結(jié)合，選取的參數(shù)少，計算時間短，提高了滑坡的關(guān)鍵運動過程的描述能力(Ouyang et al.，2017)。計算模型采用庫倫摩擦模型，該模型主要參數(shù)包括內(nèi)摩擦角、黏聚力和孔隙水壓力系數(shù)，如式(4)所示：

τb=c+ρgh(1-λ)tanφ

(4)

式中：c和φ分別為滑體的黏聚力和內(nèi)摩擦角；ρ為巖土體材料密度；g為重力加速度；h為滑體高度； λ為孔隙水壓力系數(shù)，表示基底的液化程度，選取恒定孔隙水壓力系數(shù)來計算滑體相對復(fù)雜的運動過程。模型網(wǎng)格單元為2m，長寬分別為3000m和1000m，模型高程基于無人機測繪所獲取的DEM，土的材料力學(xué)參數(shù)及模擬計算規(guī)則見表2。結(jié)合DOM、黃土洞穴核密度估計結(jié)果和現(xiàn)場調(diào)查確定了潛在滑坡邊界范圍，物源深度則根據(jù)斜坡水分入滲深度確定。

表2 土體力學(xué)參數(shù)和模擬計算規(guī)則

3 結(jié)果與討論

3.1 黃土洞穴的空間分布與發(fā)育規(guī)律

3.1.1 空間分布規(guī)律

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查和DOM(2021年)提取分析，老狼溝區(qū)內(nèi)黃土洞穴、滑坡以及淺溝發(fā)育數(shù)量分別為134、38和81，滑坡按滑面結(jié)構(gòu)和運動方式分為平移式滑坡、旋轉(zhuǎn)式滑坡和崩落，數(shù)量分別為12、19和7。圖4的TWI指數(shù)計算結(jié)果表明，TWI高值區(qū)域與淺溝路徑基本一致，黃土洞穴多分布在主溝道兩側(cè)的斜坡的淺溝附近，在TWI高值水文路徑上呈串珠狀排列， 83.58%的黃土洞穴發(fā)育在TWI水分路徑上。此外，黃土洞穴還分布于滑坡內(nèi)部以及周界附近， 31#平移式滑坡內(nèi)部分布的黃土洞穴最多，數(shù)量為10個。總之，黃土洞穴發(fā)育規(guī)律與地表水文路徑密切相關(guān)，較強的水力侵蝕作用導(dǎo)致黃土洞穴形成，黃土洞穴進(jìn)而加強了地下水潛蝕作用，細(xì)顆粒物質(zhì)在重力作用下不斷遷移，宏觀結(jié)構(gòu)發(fā)生塌陷逐漸形成淺溝，老狼溝黃土洞穴分布規(guī)律與黃土高原相關(guān)案例研究結(jié)果具有相似性(Wilsonet al.，2008； Hu et al.，2020)。

圖4 地形濕度指數(shù)與微地貌類型分布圖

使用ArcGIS 10.5中的核密度工具評估了2001～2021年黃土洞穴分布狀況，計算搜索半徑設(shè)為2m，密度單位為個/100m2， 6期黃土洞穴規(guī)模統(tǒng)計信息見表3。如圖5 所示，核密度估計高值區(qū)主要集中于老狼溝西側(cè)斜坡，面積約為5.91×104m2，研究區(qū)具有多個高密度中心。結(jié)合表3 和圖5b 可以發(fā)現(xiàn)， 2011年核密度結(jié)果顯示黃土洞穴發(fā)育密集程度最高，規(guī)模最大。2017年與2021年高密度值較為接近，但2021年核密度高密度中心數(shù)量更多、面積更大，在研究區(qū)西南部出現(xiàn)了明顯的串珠狀展布特征(圖5b)。

圖5 歷年黃土洞穴核密度估計分布圖(時間： 2001年、2005年、2011年、2017年、2021年)

表3 2001～2021年6期黃土洞穴規(guī)模統(tǒng)計

2021年研究區(qū)黃土洞穴密度為159個/km2，總面積約為1584.42m2，占研究區(qū)總面積的1.88%。

3.1.2 空間相關(guān)性分析

黃土洞穴的長軸、短軸、面積、周長、坡度、高程、距水文路徑最短距離的空間自相關(guān)和熱點分析結(jié)果如圖6 和圖7 所示，空間自相關(guān)的Moran指數(shù)和熱點分析的General指數(shù)均表示樣本相關(guān)性程度，正值代表存在正相關(guān)關(guān)系。如圖6 所示， 7個黃土洞穴微地貌參數(shù)的Moran指數(shù)數(shù)值均大于0，說明存在空間自相關(guān)關(guān)系，而且存在5種集聚分布模式，長軸、短軸、面積、高程、周長的高-高集聚特征均出現(xiàn)在東側(cè)斜坡中段。如圖7 所示， 7個黃土洞穴微地貌參數(shù)的General指數(shù)數(shù)值均大于0，研究區(qū)同樣具有一定程度相關(guān)性，熱點代表高值聚集區(qū)，冷點代表低值聚集區(qū)，長軸、短軸、面積、高程、周長的高聚集熱點分析比例大于坡度和距水文路徑最短距離，而且在分布特征上與空間自相關(guān)結(jié)果具有一致性。

圖6 黃土洞穴形態(tài)參數(shù)空間相關(guān)性

圖7 黃土洞穴形態(tài)參數(shù)熱點分析

3.1.3 發(fā)育規(guī)模特征

圖8繪制了黃土洞穴微地貌參數(shù)頻率分布直方圖，可以發(fā)現(xiàn)頻率隨幅值的增加而緩慢下降，其中長軸、短軸、面積、周長以及距水文路徑最短距離呈冪律分布，而坡度和高程呈正態(tài)分布。長軸<6m的洞穴占84.3%，短軸<4m的占91.7%，面積<20m2的占85.8%，周長<20m的占76.8%，距水文路徑最短距離<5m的占95.5%。坡度處于30°～50°的洞穴占62.7%，高程處于1800～1950m的洞穴占79.1%。老狼溝黃土洞穴規(guī)模整體上具有小規(guī)模發(fā)育特征，主要分布于斜坡中部和坡度范圍為30°～50°的斜坡，黃土洞穴的坡度分布范圍主要受老狼溝斜坡主要坡度范圍影響。從分布高程上可以看出，洞穴主要分布于黃土層，由于黃土較高的黏粒含量、較大的孔隙結(jié)構(gòu)和水敏性極易在降水入滲條件下發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，從而在濕陷作用下形成濕陷碟、洞穴等微地貌景觀(王蘭民等， 2001; 劉弋博等， 2020)

圖8 黃土洞穴形態(tài)參數(shù)頻率分布直方圖

3.2 黃土微地貌災(zāi)害鏈演化模式

結(jié)合野外調(diào)查、理論分析以及遙感解譯，老狼溝黃土微地貌災(zāi)害鏈演化模式可以總結(jié)為如圖9 所示的5個階段：(1)原生地貌階段、(2)早期侵蝕階段、(3)加速侵蝕階段、(4)侵蝕貫通階段、(5)局部破壞階段，破壞表現(xiàn)為平移式滑坡、旋轉(zhuǎn)式滑坡和崩落。圖9中災(zāi)害鏈演化模式中的土體侵蝕、洞穴發(fā)育、地表水和地下水徑流、失穩(wěn)破壞等獨立的地表變化現(xiàn)象，能夠被不斷發(fā)育擴張的黃土洞穴以入滲通道形式系統(tǒng)地聯(lián)系起來，形成完整的微地貌災(zāi)害鏈。原生地貌在降水作用下逐漸向早期侵蝕階段發(fā)展，表現(xiàn)為平整的地表在水分持續(xù)入滲作用下由于黃土自身濕陷性，孔隙逐漸增大，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，導(dǎo)致黃土發(fā)生崩解現(xiàn)象形成規(guī)模較小的黃土洞穴(圖9b 和圖10a)。加速侵蝕階段內(nèi)持續(xù)降水加速了地表徑流的強度，尤其是在垂直方向加劇了黃土洞穴的入滲效應(yīng)，該階段黃土潛蝕作用較為顯著，洞穴規(guī)模不斷擴大，擴展方向主要為垂直和長軸方向，在斜坡上呈線狀展布，同時初期地下徑流開始形成(圖9c)。侵蝕貫通階段內(nèi)黃土洞穴持續(xù)擴張形成貫通的地下水徑流系統(tǒng)，由于串珠狀排列的黃土洞穴持續(xù)擴張，淺溝沿坡腳方向逐漸貫通，坡腳處受到地下水更為強烈的潛蝕作用，逐漸形成地下暗穴，該階段地表形態(tài)與原生地貌存在顯著差異，徑流系統(tǒng)具備貫通路徑，地質(zhì)環(huán)境已遭受極大破壞(圖9d 和圖10c)。黃土洞穴成為水分入滲的優(yōu)勢通道，淺溝則形成了邊坡破壞的邊界范圍，平移式滑坡滑動面呈直線狀，旋轉(zhuǎn)式滑坡滑面呈圓弧狀，崩落發(fā)生于溝谷坡腳處，地下暗穴規(guī)模不斷擴大，上部土體在重力和潛蝕作用下自然塌落(圖9e、圖9f和圖10c)。

圖9 老狼溝黃土微地貌災(zāi)害鏈演化模式

圖10 黃土洞穴-淺溝-滑坡發(fā)育模式

黃土高原不同地區(qū)沉積的黃土物理力學(xué)性質(zhì)具有顯著差異性，蘭州地處黃土高原西北緣，黃土以粉質(zhì)黏土為主，濕陷系數(shù)較高，顆粒組成更細(xì)，受含水量變化影響較大，在干濕循環(huán)或水分持續(xù)入滲條件下極易發(fā)生崩解或者液化，從而導(dǎo)致了老狼溝區(qū)內(nèi)黃土洞穴分布較多，次生災(zāi)害頻繁(Liu， 1985; 高英等， 2019； 潘振興等， 2020)。此外，構(gòu)造隆升、地震以及季節(jié)性凍融作用也是老狼溝黃土微地貌災(zāi)害鏈不可忽視的影響因素，活躍的構(gòu)造伴隨著節(jié)理裂隙的形成發(fā)育，也可以被視為優(yōu)勢通道加劇了水分入滲，周期內(nèi)凍融循環(huán)作用改變土體內(nèi)水分狀態(tài)，影響孔隙的分布狀態(tài)，凍融后的黃土固結(jié)力度顯著降低， 10～15次凍融循環(huán)能夠?qū)е曼S土抗剪強度急劇下降(李喜安等， 2005a，2005b； 張茂省等， 2013； Hu et al.，2018； Peng et al.，2018)。黃土洞穴對邊坡破壞模式的影響極為復(fù)雜，黃土洞穴發(fā)育的物理化學(xué)過程和機理有待進(jìn)一步研究。

3.3 洞穴環(huán)境下斜坡水分入滲深度模擬

為了查明洞穴環(huán)境對斜坡水分入滲影響程度，以老狼溝西側(cè)黃土洞穴發(fā)育密集斜坡為模擬剖面，利用HYDRUS 2D模型分析了原生地貌和發(fā)育黃土洞穴兩種工況的斜坡入滲過程含水率變化規(guī)律。如圖11 所示，原生地貌工況與洞穴環(huán)境工況斜坡水分入滲深度存在明顯差異，黃土洞穴加劇了斜坡水分的入滲深度，以坡腳處含水率響應(yīng)深度最為明顯。如圖12a 所示，在6～9m的深度范圍內(nèi)，同一深度凹地形含水率要高于凸地形含水率，含水率差值最高約為3.4%。如圖12b 所示，發(fā)育洞穴的斜坡在坡腳處含水率明顯高于無洞穴發(fā)育斜坡，含水率差異最明顯范圍集中于4～14m范圍內(nèi)； 在坡腰處具有類似的與坡腳處模擬結(jié)果，但是含水率差異范圍更大。含水率是評價邊坡穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，坡腳處的高含水率容易引發(fā)坡腳應(yīng)力集中，抗剪強度較低，黃土洞穴加劇了水分入滲效應(yīng)，深部土體含水率持續(xù)升高，在坡腳處引發(fā)滑坡的可能性越高(Zhang et al.，2003; 張茂省等， 2013； 邊世強等， 2020)。

圖11 不同微地貌工況下斜坡含水率模擬結(jié)果

圖12 斜坡水分入滲對比分析

3.4 潛在滑坡危險性模擬

基于黃土洞穴高密度分布區(qū)和洞穴環(huán)境下水分入滲深度確定了潛在滑坡的邊界范圍與物源規(guī)模。如圖13 所示為老狼溝潛在滑坡運動過程危險性模擬結(jié)果，滑坡完整運動過程持續(xù)了150s，平均堆積厚度約為9.2m，滑體運動最大距離約為651m，視摩擦角為6.7°。滑體到達(dá)溝底的時間約為4s，峰值速度為21.15m·s-1，滑體到達(dá)溝口的時間約為10s，峰值速度為16.45m·s-1，滑體運動到階地的時間約為24s，峰值速度為4.72m·s-1，滑體平均速度約為2.93m·s-1(圖14)。大量滑坡碎屑物質(zhì)堆積在溝底，堆積體積約為2.14×104，溝道堵塞長度約為950m，受災(zāi)面積約為2.02×104m2。根據(jù)模擬結(jié)果該滑坡失穩(wěn)后將沖毀部分盤山公路，嚴(yán)重威脅溝口居民住宅區(qū)的安全(圖13 和表4)。

圖13 潛在滑坡運動過程不同時刻模擬結(jié)果

圖14 溝道不同位置速度變化曲線

表4 潛在滑坡危險性模擬結(jié)果

4 結(jié) 論

黃土洞穴與滑坡是黃土高原典型的侵蝕地貌景觀，在我國西北地區(qū)十分發(fā)育，其日益嚴(yán)重的危害性已經(jīng)成為對黃土高原人居工程環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。本研究通過無人機獲取高分辨率圖像和地形數(shù)據(jù)，分析了老狼溝黃土洞穴的空間分布特征和發(fā)育規(guī)律，定量化了微地貌形態(tài)空間相關(guān)性和發(fā)育規(guī)模，提出了黃土微地貌災(zāi)害鏈演化模式，討論了洞穴環(huán)境下斜坡水分入滲強度和潛在滑坡運動危險性程度。本研究案例可為黃土高原小流域溝道微地貌黃土地質(zhì)災(zāi)害研究提供一定方法支撐和參考價值，得到的主要結(jié)論如下：

(1)老狼溝研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱，黃土災(zāi)害類型種類多樣，區(qū)內(nèi)黃土洞穴、滑坡、淺溝數(shù)量分別為134、38和81，滑坡按滑面結(jié)構(gòu)和運動方式分為平移式滑坡、旋轉(zhuǎn)式滑坡和崩落。研究區(qū)黃土洞穴密度約為159個/km2，占研究區(qū)總面積的1.88%。黃土洞穴多位于TWI高值的凹地形區(qū)域，呈線狀展布排列，與淺溝發(fā)育密切。2001～2021年5期核密度估計結(jié)果顯示高密度中心均位于西側(cè)斜坡，面積約為5.91×104m2， 2021年高密度中心面積更大， 2011年高密度值則為最高。微地貌形態(tài)參數(shù)均具有相關(guān)性，長軸、短軸、面積、高程、周長的集聚程度更高。老狼溝黃土洞穴規(guī)模整體上具有小規(guī)模發(fā)育特征，主要分布于斜坡中部和坡度為30°～50°的范圍內(nèi)。

(2)老狼溝黃土微地貌災(zāi)害鏈演化模式可以總結(jié)為5個階段，分為原生地貌階段、早期侵蝕階段、加速侵蝕階段、侵蝕貫通階段、局部破壞階段。局部破壞階段表現(xiàn)為平移式滑坡、旋轉(zhuǎn)式滑坡和崩落。黃土洞穴的擴張發(fā)育過程成為水分入滲優(yōu)勢通道，將微地貌災(zāi)害系統(tǒng)地聯(lián)系為一個整體。

(3)洞穴環(huán)境下斜坡同一深度含水率更高，坡腳處含水率變化效果更為顯著，黃土洞穴加劇了水分入滲效應(yīng)。潛在滑坡危險性運動模擬結(jié)果表明，滑體對階地上南山故園東側(cè)造成嚴(yán)重破壞，受災(zāi)面積約為2.02×104m2，滑坡運動過程為150s，平均堆積厚度約為9.2m，最大運動距離約為651m，視摩擦角為6.7°。