InSAR在云南德欽縣一中河泥石流物源匯集及失穩(wěn)模式中的探究

陳庭軒 李素敏,2 袁利偉

1 昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明市文昌路68號，6500932 云南省高校高原山區(qū)空間信息測繪技術(shù)應(yīng)用工程研究中心，昆明市文昌路68號，6500933 昆明理工大學(xué)公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，昆明市文昌路68號，650093

泥石流多發(fā)于山區(qū)地形險峻區(qū)域，具有成災(zāi)速度快、影響范圍廣及侵蝕、搬運(yùn)和沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)。云南省德欽縣境內(nèi)發(fā)育多條泥石流溝，屬于泥石流高發(fā)地區(qū)。2019-07-27一中河流域受連日暴雨影響暴發(fā)泥石流，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

泥石流的發(fā)育與物源及水源密切相關(guān)[1]。部分學(xué)者對泥石流的觸發(fā)因子及具體失穩(wěn)模式進(jìn)行研究。戚國慶等[2]對降雨型滑坡進(jìn)行階段劃分，并探究降雨作用與松散物源力學(xué)特性的變化關(guān)系；Zhao等[3]分析福建省泰寧縣泥石流后發(fā)現(xiàn)，崩積層是識別泥石流的重要基礎(chǔ)；Banihabib等[4]推導(dǎo)出一種經(jīng)驗(yàn)公式，以判斷觸發(fā)泥石流的降雨閾值；Ma等[5]通過研究北京密云縣泥石流的觸發(fā)條件及侵蝕過程發(fā)現(xiàn)，泥石流激活前的累積降雨具有重要作用，而控制侵蝕的主要因素為泥沙體積；Zhao等[6]通過分析四川省丹巴縣梅隴泥石流認(rèn)為，該泥石流由河道侵蝕后重新激活。目前，通過巖性、地形、水文信息等研判泥石流發(fā)育過程的地質(zhì)手段已相當(dāng)成熟，但難以定量描述其發(fā)育過程中的重要信號。

由于監(jiān)測面積較大，傳統(tǒng)手段通常難以滿足監(jiān)測需求，而InSAR技術(shù)以其高時空分辨率及多視角的優(yōu)勢被廣泛運(yùn)用于地表形變探測[7-8]，能夠多時相多維度地解譯地表形變機(jī)理，可有效識別泥石流物源匯集區(qū)。SAR衛(wèi)星收集的后向散射信息對土壤含水量敏感[9-10]，相較于傳統(tǒng)土壤水分測量方法，SAR衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)大范圍精細(xì)尺度的土壤含水量反演，有利于掌握研究區(qū)土壤含水量的時空動態(tài)遷移情況。土壤含水量與土壤穩(wěn)定性存在響應(yīng)關(guān)系，干旱狀態(tài)會使土層開裂[11]，高含水量易破壞土層穩(wěn)定性而形成滑動面，因此聯(lián)合InSAR探測地表形變技術(shù)及SAR衛(wèi)星后向散射信息反演地表含水量，可有效識別泥石流。

本文聯(lián)合SAR衛(wèi)星后向散射信息和相位信息，反演德欽縣一中河泥石流流域土壤水含量變化趨勢及地表形變規(guī)律，全面識別泥石流早期物源匯集及匯水模式，通過對比多階段、多視角時序形變、土壤含水量及降雨數(shù)據(jù)等，解譯其失穩(wěn)機(jī)理。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)選取

1.1 研究區(qū)概況

德欽縣地處云南省西北部橫斷山脈中段，位于青藏高原南緣滇、川、藏三省交會區(qū)(28.475°N, 98.918°E)，雨熱同期，雨季為5～10月[12]。德欽縣境內(nèi)山高谷深，活動斷裂分布密集，地質(zhì)條件復(fù)雜且脆弱，德欽-中甸大斷裂從一中河中游穿過。受區(qū)域斷裂構(gòu)造控制及不同時期構(gòu)造活動的影響，研究區(qū)巖體松散破碎，變質(zhì)作用強(qiáng)烈(圖1(a))。

一中河為芝曲河左岸支流，位于青藏高原南延部位橫斷山脈縱谷地帶，三江并流腹地，總體以構(gòu)造侵蝕-剝蝕斜坡為主，冰川地貌為輔，流域整體為冰蝕槽谷地形。一中河最高點(diǎn)海拔為4 540 m，坡度約為30°～50°，流域面積約3.3 km2，主溝長2.03 km。該地區(qū)泥石流的暴發(fā)具有一定的周期性，活躍期主要集中在6～9月[13]。研究區(qū)溝谷呈“V”字型，斜坡穩(wěn)定性差，順溝兩岸坡面侵蝕、側(cè)蝕作用強(qiáng)烈，坡面陡直且多裸露巖石面，固體物源易被啟動，松散物源發(fā)生崩落、坍滑或剝落后，順著有利地形直沖并匯集于溝內(nèi)，溝谷縱坡降大且兩岸坡面較陡，有利于大氣降水快速匯集，并在水動力條件的激發(fā)下形成泥石流。泥石流的形成區(qū)位于“V”型溝口及其上部區(qū)域(圖1(b))。

圖1 一中河泥石流地形圖與分區(qū)示意圖Fig.1 Topographic map and division schematic diagram of debris flow in Yizhong river

1.2 數(shù)據(jù)選取

一中河泥石流暴發(fā)于2019-07-27。為獲取泥石流形成區(qū)的發(fā)育規(guī)律，本文選取歐空局(ESA)提供的2017-06-17～2019-07-25共62景Sentinel-1A降軌數(shù)據(jù)，輔以2017-06-10～2019-07-18共62景Sentinel-1A升軌數(shù)據(jù)，以多視角解譯泥石流物源匯集規(guī)律。極化方式選用對含水量敏感的垂直同向極化模式(VV)[14]，具體參數(shù)見表1。

Sentinel-1A軌道數(shù)據(jù)穩(wěn)定，具有較高時間分辨率，可較好地抑制時空失相干性。為保證干涉對的相干質(zhì)量，本文選用10%最大垂直基線距離，以45 d 時間基線作為閾值，共生成132個干涉對，剔除相干性較差的干涉對后，基線分布見圖2。

圖2 InSAR數(shù)據(jù)集所生成的時空連接Fig.2 Spatial-temporal connections generatedInSAR dataset

1.3 沿坡垂直向及方位向二維形變分解

SAR衛(wèi)星獲取的形變信息為真實(shí)形變在衛(wèi)星LOS向的投影[15]，而對泥石流發(fā)育的判斷需分析其整體滑移及土體縱向滑動情況，僅靠單軌數(shù)據(jù)難以滿足需求。本文利用升降軌數(shù)據(jù)進(jìn)行多視角觀測，以獲取泥石流發(fā)育的二維形變，通過角度關(guān)系將形變分解為垂直向和沿坡面方位向[16]，圖3為分解示意圖。

將沿坡面方位向形變分量da投影至地距向得到da′，再將垂直向形變分量du與da′投影至衛(wèi)星視線向，得到視線向形變dLOS，表達(dá)式為：

dLOS=ducosθ-dasinθcos(φ-(α+90°))

(1)

(2)

θ為衛(wèi)星入射角，α為衛(wèi)星方位角，δ為坡度，φ為坡向，du為垂直向形變分量，da為沿坡面方位向形變分量圖3 二維形變分解原理Fig.3 Two-dimensional deformationdecomposition principle

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1基于SAR影像反演土壤含水量時空特征

SAR衛(wèi)星后向散射信息由土壤含水量、地表粗糙度、植被覆蓋率主導(dǎo)，通過實(shí)地調(diào)查可知，一中河泥石流溝谷區(qū)域幾乎無植被覆蓋(圖4)，且高原地區(qū)植被對SAR土壤含水量反演的影響較小[17]，因此可忽略植被覆蓋對數(shù)值的影響。將研究區(qū)時序范圍內(nèi)后向散射系數(shù)最小值σ0視作區(qū)域干燥狀態(tài)，則該后向散射系數(shù)σ0由地表粗糙度貢獻(xiàn)，σ為各時段后向散射系數(shù)，因此可將剔除地表粗糙度貢獻(xiàn)值的后向散射系數(shù)σ′視為土壤含水量的后向散射系數(shù)[18]：

σ′=σ-σ0

(3)

由于泥石流的發(fā)育與土壤含水量密切相關(guān)，為探究研究區(qū)土壤含水量的時空變化趨勢，自2017-06起，以3個月為時間間隔，選取9幅SAR影像進(jìn)行處理，并提取后向散射信息。圖4為研究區(qū)土壤含水量的時空變化，表2為土壤含水量分級統(tǒng)計信息。

圖4 2017-06～2019-07土壤含水量時空變化Fig.4 Spatiotemporal variation of soil moisturefrom June 2017 to July 2019

從圖4可以看出，坡體頂部及底部常年處于高含水量狀態(tài)，坡頂常年積雪(圖4中箭頭所指區(qū)域)，為水源補(bǔ)給區(qū)；坡底為一中河的流經(jīng)區(qū)域，河岸常年處于水分浸潤狀態(tài)。該泥石流溝在每年6月和9月整體含水量較高，泥石流溝右側(cè)邊坡及“V”型溝口處尤為明顯，符合泥石流溝地形特征?！癡”型溝谷有利于地表徑流匯集，左岸由于被長時間沖蝕，滑坡體大部分已流失，因此地表徑流多沿右岸內(nèi)側(cè)流動。對溝谷整體含水量進(jìn)行統(tǒng)計可知，6～9月高含水量區(qū)域占比較高，該時段為汛期，符合該地區(qū)雨熱同期的氣候特點(diǎn)，且隨著氣溫升高并達(dá)到峰值，融雪速率達(dá)到最大值，地表徑流量增大，研究區(qū)含水量明顯升高。表2中2018-12含水量較高，對比圖4可知，該時段內(nèi)泥石流溝內(nèi)含水量極低，可能是一中河的具體水文氣候?qū)е聟^(qū)域內(nèi)出現(xiàn)含水量較高的情況。

表2 土壤含水量分級統(tǒng)計

由圖4還可看出，隨著氣溫的升高，地表徑流量增加，水分沿坡向下遷移。2018-03泥石流沖溝附近含水量升高；2018-06隨著雨季來臨，在融雪與降雨共同作用下，沖溝附近含水量進(jìn)一步升高，地表水開始在坡底匯集；2018-09全域含水量達(dá)到最大值，占比約為26%，坡底兩側(cè)均出現(xiàn)明顯的高含水量信號，沖溝沿線存在液態(tài)水；2018-12隨著氣溫的降低，液態(tài)水凝固，且冬季氣候干旱，全域基本處于較干燥狀態(tài)，高含水量區(qū)域僅占10%。反演2019-07-25含水量可知，受連日暴雨影響，高含水量區(qū)域占比高達(dá)38%，為研究時段最高值，與泥石流失穩(wěn)邊界基本重合。

研究區(qū)土壤含水量的遷移可在一定程度上揭示松散物源的時空運(yùn)動規(guī)律。地表水直接作用于坡表，削弱了表土的吸附能力，同時搬運(yùn)松散土質(zhì)為泥石流補(bǔ)充物源。因此，利用SAR衛(wèi)星后向散射信息反演土壤含水量，識別研究區(qū)匯水區(qū)域及匯水規(guī)模，可較好地研判泥石流發(fā)育情況；通過捕捉高含水量信號，排查高風(fēng)險區(qū)域，可對泥石流進(jìn)行預(yù)警。

2.2 一中河泥石流發(fā)育特征識別

泥石流的發(fā)育主要表現(xiàn)為物源在空間上的聚集，通過SAR衛(wèi)星對地觀測可掌握地表形變，并較為全面地識別其形成機(jī)制。由于研究區(qū)的形變具有周期性，地表形變經(jīng)過周期運(yùn)動后接近初始值，不利于形變機(jī)理的解譯，因此提取2019-01-02～07-25半年累積形變值，以研判坡表滑移前的整體活動情況(圖5)。

圖5 2019-01-02～07-25降軌累積形變Fig.5 Cumulative deformation of descending from 2019-01-02 to 2019-07-25

從圖5可以看出，以坡體上部形成區(qū)為界(圖中虛線2)，不同區(qū)域具有不同的形變特征，其中正值表示形變靠近衛(wèi)星傳感器，負(fù)值表示形變遠(yuǎn)離衛(wèi)星傳感器。為探究該現(xiàn)象的成因，對一中河泥石流失穩(wěn)坡體沿溝谷延伸方向作A-A′剖面，并提取累積形變值(圖6)。

圖6 2019-01～07坡體累積形變剖面Fig.6 Slope cumulative deformation profilefrom January 2019 to July 2019

一中河泥石流各分區(qū)的物質(zhì)組成為：1) 形成區(qū)出露地層主要為中上三疊統(tǒng)板巖夾流紋巖、頁巖、硅質(zhì)巖、石英砂巖等和第四系冰坡積、泥石流堆積層，受區(qū)域多期構(gòu)造控制，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化強(qiáng)烈，多呈碎裂狀；2) 流通區(qū)為更新統(tǒng)冰川堆積層碎石土，坡體較為穩(wěn)定，順冰積層坡面局部發(fā)育細(xì)小切溝；3) 堆積區(qū)有多期泥石流堆積卵石。

坡體自上而下呈相反的形變趨勢，下側(cè)堆積區(qū)及近縣城區(qū)域?yàn)閮鐾翆樱摃r段內(nèi)固態(tài)水融化，地表表現(xiàn)為沉降。隨著海拔的升高，形變信號減弱，氣溫升高，頂部積雪融化，同時降雨量增加，土壤含水量升高，致使高位處泥石流形成區(qū)土壤泡脹，LOS向形變值表現(xiàn)為正值。泥石流形成區(qū)剖面線呈雙峰狀，前、后緣形變明顯，且后緣位于峰頂，鄰近積雪區(qū)。隨著氣溫的升高，積雪融化下滲并充滿孔隙，致使附近土層泡脹，液態(tài)水隨地勢向下遷移，流經(jīng)形成區(qū)中段后貯存于前緣；而前緣受徑流搬運(yùn)作用，物源在“V”型溝口上部堆積。由于形成區(qū)中段為地表水流經(jīng)區(qū)域，常伴隨水流沖蝕，形變量較小。

泥石流的發(fā)育一方面松散物源受重力牽引沿坡滑移匯集于形成區(qū)，另一方面孔隙水變化致使土壤在垂直向膨脹收縮，因此是在二維框架下進(jìn)行的。為探究坡表形變機(jī)理，對泥石流形成區(qū)(圖5中虛線1)進(jìn)行二維形變分解。由圖7可知，2019-01～07時段內(nèi)，形成區(qū)前、后緣沿坡面方位向和垂直向的形變具有較高一致性。形成區(qū)前緣沿坡面方位向與垂直向的最大位移均約為30 mm，后緣右岸沿線垂直向形變約為20 mm，方位向沿坡面向外側(cè)位移約10 mm。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因?yàn)椋航?jīng)前階段侵蝕作用，物源由高處向低處搬運(yùn)，使形成區(qū)前緣土體較為松散，局部含水量升高，土體膨脹，孔隙水壓作用使垂直向出現(xiàn)形變，土體滑移導(dǎo)致沿坡面方位向形變?yōu)檎?。后緣?jīng)歷剝離后表土依附性較強(qiáng)，因此該階段沿坡面方位向形變信號較前緣弱，形變區(qū)在一定程度上可反映泥石流形成區(qū)的規(guī)模。

圖7 一中河泥石流二維形變Fig.7 Two-dimensional deformation ofdebris flow in Yizhong river

對泥石流形成區(qū)采樣點(diǎn)A和B進(jìn)行二維時序分析(圖8，A、B具體點(diǎn)位見圖7)，結(jié)果具有明顯的周期性，可較為直觀地反映泥石流物源的匯集模式。周期性具體表現(xiàn)為：每年1～7月受土壤含水量升高的影響，在高孔隙水壓作用下表土上浮，高于起始面，表現(xiàn)為垂直向及沿坡面方位向向外側(cè)鼓脹(圖9(a))；7月末高含水量導(dǎo)致表土處于高重力勢能狀態(tài)，受雨水及雪水沖刷的作用，坡體開始出現(xiàn)滑動；9～12月，受強(qiáng)烈風(fēng)化作用伴隨表土剝落的影響，垂直向及沿坡面方位向向內(nèi)側(cè)凹陷(圖9(b))，該階段為泥石流發(fā)育補(bǔ)充了豐富物源，坡表將被剝離為陡峭臨空面。

圖8 二維形變分解時序Fig.8 Two-dimensional time series deformation

由圖8可知，2017-06～2019-07期間，點(diǎn)A位于前緣，在物源補(bǔ)給下沿坡面方位向向外累積移動約20 mm，垂直向約為10 mm；坡體后緣處點(diǎn)B經(jīng)周期性侵蝕導(dǎo)致物源虧損，垂直向累積向下位移10 mm，沿坡面方位向向外移動10 mm。圖9(c)為坡表物源搬運(yùn)情況，后緣土層由于受到侵蝕而崩解，向下被搬運(yùn)于前緣堆積。從時序曲線可以看出，2018-01～12形變較為劇烈，推測該時段侵蝕較前階段加劇，破壞了坡面幾何形態(tài)，影響其穩(wěn)定性。

圖9 坡表形變演示Fig.9 Demonstration of slope surface deformation

2.3 一中河泥石流失穩(wěn)模式探究

為揭示泥石流失穩(wěn)模式，對一中河泥石流形成區(qū)采樣點(diǎn)進(jìn)行二維時序分析，結(jié)果表明，土壤含水量與形變相關(guān)性較強(qiáng)，均呈現(xiàn)出較為一致的周期性特點(diǎn)。含水量時序曲線在7～12月下降，1～6月上升，符合雨季及季節(jié)性融雪的周期性規(guī)律；形變較含水量變化呈趨勢滯后，由水動力驅(qū)動。1～6月由于氣溫升高，土壤含水量升高，土體孔隙被液態(tài)水填充，孔隙水壓增大致使土體膨脹并抬升；7～12月供水速度減緩，地表裸露，儲水能力較差，表土水分隨地表徑流下滲遷移，含水量持續(xù)降低，至12月幾乎為0。由此可知，研究區(qū)在干燥環(huán)境下發(fā)生風(fēng)化崩解，在垂直向與沿坡面方位向均表現(xiàn)為負(fù)值，物源自坡表剝離。

泥石流事件與當(dāng)年的干旱情況具有一定的對應(yīng)關(guān)系。從降雨數(shù)據(jù)可以看出，2019-01～06降雨量遠(yuǎn)低于往年，坡體處于較干燥狀態(tài)，粘土在干燥狀態(tài)下產(chǎn)生縫隙；2019-07累積降雨量為198 mm，期間大量液態(tài)水下滲，增加了滲流壓力，導(dǎo)致坡表孔隙水含量升高，表土表現(xiàn)為高含水量，垂直向及沿坡面方位向短時間內(nèi)形變量為15 mm，表土鼓脹阻力減小，下滑力增加。風(fēng)化作用會破壞坡體的幾何結(jié)構(gòu)，影響其穩(wěn)定性。從圖10可以看出，2019-07-13～07-25泥石流出現(xiàn)滑移信號，表土在重力和高孔隙壓條件下平衡狀態(tài)遭到破壞而形成滑動面，出現(xiàn)滑移跡象。由圖4可知，在泥石流發(fā)生前2 d，泥石流排導(dǎo)槽內(nèi)高含水量信號明顯，蓄水能力達(dá)到飽和狀態(tài)。由于山體表層植被極稀疏，植被穩(wěn)固坡面松散物的能力十分有限，且“V”型溝有利于水流的快速匯聚，高含水量使坡表處于高重力勢能狀態(tài)。加之受風(fēng)化侵蝕作用的影響，坡體穩(wěn)定性受后緣壓迫處于臨界狀態(tài)，在2019-07暴雨的沖擊下，坡體抗剪強(qiáng)度喪失，滑動面貫通而發(fā)生泥石流。

圖10 二維累積形變、土壤含水量與降雨數(shù)據(jù)相關(guān)性對比Fig.10 Two-dimensional correlation comparison ofcumulative deformation, soil moisture and rainfall data

對比泥石流前后影像(圖11)可知，1區(qū)為歷史滑移區(qū)塊，位于泥石流溝谷右岸，失穩(wěn)后裸露面積增大。在接近山頂處可清晰看到許多由地表水沖刷形成的狹長裸露巖面，表明該地區(qū)受雨水、雪水等的沖蝕嚴(yán)重，土壤含水量的反演與實(shí)地情況相符。圖11(b)中3區(qū)為識別的泥石流形成區(qū)，該區(qū)域滑塌方量較大，失穩(wěn)邊界與圖7的形變分區(qū)基本一致。1、2兩個形變區(qū)在早期并無明顯形變信號，因此為上部區(qū)域失穩(wěn)后刮擦牽引形成，與形變解譯結(jié)果較為一致，故本文提出的監(jiān)測方法所得結(jié)論與實(shí)際情況較為吻合。

圖11 一中河泥石流爆發(fā)前后對比Fig.11 Comparison of debris flow before andafter the outbreak in Yizhong River

3 結(jié) 語

本文利用時序InSAR技術(shù)識別云南省德欽縣一中河泥石流形成區(qū)，通過后向散射信息反演得到該地區(qū)土壤含水量時空變化趨勢，分析形變與土壤含水量的關(guān)聯(lián)性，以探究一中河泥石流的發(fā)育及失穩(wěn)模式，得出以下結(jié)論：

1)利用后向散射信息跟蹤反演一中河泥石流2017-06～2019-07土壤含水量時空變化趨勢，通過時序InSAR技術(shù)獲取坡表LOS向時序曲線。結(jié)果表明，形變與土壤含水量具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，證明泥石流形成區(qū)早期形變由水動力驅(qū)動，形成區(qū)內(nèi)物源遷移受研究區(qū)干濕循環(huán)的影響。

2)結(jié)合Sentinel-1A升降軌數(shù)據(jù)解算泥石流形成區(qū)垂直向及沿坡面方位向的二維形變，分析其2 a內(nèi)坡表時空運(yùn)動規(guī)律。結(jié)果表明，1～7月區(qū)域內(nèi)含水量上升，表層鼓脹并浮于起始面；8～12月在重力勢能及風(fēng)化作用影響下，表層剝落向下搬運(yùn)，為泥石流發(fā)育提供松散物源。

3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，階段性坡表侵蝕會破壞坡體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。泥石流在暴發(fā)前先經(jīng)歷干旱階段、土壤開裂，為雨水沖擊形成滑動面提供支持，后在連日暴雨作用下區(qū)域內(nèi)含水量激增，破壞了坡體抗剪強(qiáng)度而發(fā)生泥石流。

本文方法能夠較好地應(yīng)用于對泥石流發(fā)育特征及失穩(wěn)模式的識別，對泥石流防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的研究具有借鑒意義。