南方山地丘陵區(qū)典型地質(zhì)災害成因機制與風險評價

鐵永波， 孫 強， 徐 勇， 張 勇， 魏云杰， 楊秀元， 張?zhí)悾?譚建民

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，四川 成都 610081； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016； 3.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢 430205； 4.中國地質(zhì)科學院探礦工藝研究所,四川 成都 611734； 5.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；6.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

0 引言

根據(jù)中國自然地理分界，我國南方地區(qū)為秦嶺淮河以南區(qū)域?？紤]地質(zhì)災害數(shù)據(jù)匯總的行政區(qū)劃完整性需求特點，此次研究區(qū)包括南京、浙江、江蘇、安徽、江西、湖南、湖北、廣西、廣東、貴州、四川、云南、重慶及上海共14個省(直轄市)，面積約255萬km2。研究表明，南方山地丘陵區(qū)共分布地質(zhì)災害16萬余處，占全國地質(zhì)災害總數(shù)的1/2，頻發(fā)的地質(zhì)災害給區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展帶來不利影響[1]。據(jù)文獻[2-5]，南方山地丘陵區(qū)地質(zhì)災害調(diào)查與評價工作在新中國成立后就已開展，特別是在成昆鐵路、三峽水電站等國家重大工程建設過程中，結(jié)合地方責任部門組織實施的1∶10萬地質(zhì)災害區(qū)劃、1∶5萬地質(zhì)災害詳細調(diào)查等工作，基本查明了區(qū)域地質(zhì)災害發(fā)育規(guī)律與分布特征，在不同地區(qū)地質(zhì)災害早期識別、形成機理、監(jiān)測預警及綜合防治方面取得了顯著進展，構(gòu)建了系列多尺度地質(zhì)災害調(diào)查評價技術方法體系，對南方不同類型地質(zhì)災害的成因機制及成災模式有了深入認識，對如今地質(zhì)災害“人防+技防”體系的構(gòu)建起到了重要作用，帶動了南方山地丘陵區(qū)地質(zhì)災害調(diào)查評價與綜合防治進程。

隨著南方山地丘陵區(qū)長江經(jīng)濟帶、長江三角洲城市群、川藏鐵路重大工程、三峽庫區(qū)重大工程、粵港澳大灣區(qū)等國家重大戰(zhàn)略的規(guī)劃實施，對提升地質(zhì)災害調(diào)查評價精度提出了新的要求。為提升區(qū)域地質(zhì)災害調(diào)查評價精度，為區(qū)域國家重大戰(zhàn)略防災減災提供決策依據(jù)，自然資源部部署了新一輪縣域1∶5萬地質(zhì)災害風險普查和重點城鎮(zhèn)1∶1萬地質(zhì)災害風險調(diào)查評價，旨在進一步查明南方山地丘陵區(qū)地質(zhì)災害風險底數(shù)。為提供新一輪地質(zhì)災害風險調(diào)查評價實施過程中的技術方法示范，中國地質(zhì)調(diào)查局部署了由成都地質(zhì)調(diào)查中心牽頭實施、局屬6家單位共同參與的“南方山地丘陵區(qū)地質(zhì)災害調(diào)查工程”。工程實施以來，聚焦南方山地丘陵區(qū)多尺度地質(zhì)災害風險調(diào)查評價、典型地質(zhì)災害成因機制研究與監(jiān)測預警示范等內(nèi)容開展工作，對南方山地丘陵區(qū)地質(zhì)災害的發(fā)育分布規(guī)律及主要成災模式有了較為系統(tǒng)的把握，形成的相關技術方法在推進南方地區(qū)地質(zhì)災害高精度調(diào)查中發(fā)揮了積極示范作用，有力支撐了區(qū)域國家重大戰(zhàn)略防災減災[6-30]。

1 地質(zhì)災害孕災背景

從全球尺度看，南方山地丘陵區(qū)總體位于現(xiàn)今華南陸塊之上(圖1)。該陸塊在早前寒武紀具有多塊體構(gòu)造的復雜演化基礎，自中、新元古代以來長期處于全球超大陸聚散與南北大陸離散拼合交接轉(zhuǎn)換地帶，有著復雜的構(gòu)造動力學背景和地質(zhì)構(gòu)造演化歷史[17]。受不同地塊結(jié)構(gòu)特征及活動性影響，南方山地丘陵區(qū)地質(zhì)災害內(nèi)動力控災特征差異明顯，以擠壓隆升為主的喜馬拉雅造山系和三江造山帶地區(qū)深切河谷地貌發(fā)育，強變質(zhì)與卸荷巖體結(jié)構(gòu)為大型高位遠程鏈式地質(zhì)災害的發(fā)育提供了有利條件； 以總體穩(wěn)定性較好的揚子板塊多發(fā)育中山和丘陵地貌，南方碳酸鹽、紅層等特殊成因巖體為中、小規(guī)模地質(zhì)災害的發(fā)育奠定了重要基礎； 以弱活動強度為主的華夏造山系地區(qū)多發(fā)育丘陵地貌，表層強變質(zhì)古老火山巖為小規(guī)模地質(zhì)災害發(fā)育提供了有利條件。同時，受區(qū)域性強風化因素影響，山區(qū)斜坡上發(fā)育有一定厚度的殘坡積層土體，在降雨作用下極易沿其和基巖接觸的基覆界面產(chǎn)生滑動，也是南方山地丘陵區(qū)汛期地質(zhì)災害多發(fā)、頻發(fā)的控災地質(zhì)背景之一。

圖1 南方山地丘陵區(qū)地質(zhì)災害孕災系統(tǒng)模式

據(jù)不完全統(tǒng)計，南方山地丘陵區(qū)約90%以上的地質(zhì)災害都發(fā)生在汛期(4—10月)。誘發(fā)地質(zhì)災害的外動力條件極為復雜，對地質(zhì)災害的發(fā)生頻次、規(guī)模等有明顯影響，但總體上看，降雨是誘發(fā)區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害的最主要外動力條件[30]。為深入分析降雨過程對南方地區(qū)地質(zhì)災害的影響特征，利用中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)(包含中國824個基準、基本氣象站1951年1月—2017年12月的逐日氣象數(shù)據(jù))，對南方山地丘陵區(qū)總體降雨及汛期降雨的時空分布特征進行了分析，結(jié)果表明，南方山地丘陵區(qū)年均降雨量分布整體從西北400 mm往東南方向2 000 mm增加(圖2(a))，表明不同緯度和經(jīng)度上的降雨量值變化跨度較大，影響地質(zhì)災害形成的氣候環(huán)境復雜。從4—10月年均暴雨降雨量空間分布規(guī)律看(圖2(b))，高值區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)南部局部靠海岸地區(qū)和廣東省中南部沿海地區(qū)。其中： 廣西壯族自治區(qū)的欽州站汛期年均暴雨量為902 mm； 廣東省川島站汛期年均暴雨量為1 133 mm、陽江站為1 007 mm； 江西、福建、湖北東部、浙江西南部、貴州、湖北、江西三省交界附近地區(qū)為300～600 mm左右。此外，還有四川盆地的西南部、東北部分地區(qū)以及貴州西北地區(qū)也為暴雨大值區(qū)，約為400～500 mm，其中雅安站值最大為539 mm。表明南方山地丘陵區(qū)暴雨中心位置與地質(zhì)災害高密度地區(qū)的空間對應關系較好，特別是汛期暴雨降雨量集中區(qū)，如江西省東北部等地區(qū)都是汛期地質(zhì)災害頻發(fā)的區(qū)域，汛期暴雨降雨量的分布特征可為南方地區(qū)汛期地質(zhì)災害防御駐守指導重點地區(qū)的確定提供依據(jù)。

(a) 4—10月年均降雨量分布 (b) 4—10月年均暴雨降雨量分布

2 典型地質(zhì)災害成災機制分析

在區(qū)域地質(zhì)災害發(fā)育特征與孕災背景條件分析的基礎上，開展了基于循環(huán)凍融實驗的高寒山區(qū)地質(zhì)災害成因、基于風洞試驗的臺風地質(zhì)災害成因以及基于野外原位滲透實驗的丘陵區(qū)人工邊坡破壞等機理研究，深化了基于室內(nèi)實驗、野外現(xiàn)場實驗及數(shù)值模擬等手段的地質(zhì)災害成因機理研究方法[25，6-26]。

2.1 東南沿海地區(qū)臺風暴雨滑坡成因機制

針對東南沿海臺風過境時短時強降雨誘發(fā)的地質(zhì)災害成因機制復雜問題，考慮風力通過植被傳導影響地表土體變形特征因素，通過模型風洞試驗、降雨模擬和原位監(jiān)測等手段(圖3(a))，研究了臺風暴雨過程中巖土體滲流機制及風力荷載對東南沿海丘陵地區(qū)淺表層土體破壞的影響(圖3(b))，揭示了臺風搖曳產(chǎn)生的力會通過樹干傳到根部并被放大，導致巖土體裂縫的產(chǎn)生和擴張，使得土體松散且滲透性顯著增大，從根本上改變了臺風暴雨過程的滲流機制，為丘陵區(qū)滑坡的發(fā)生起到了積極作用。在此基礎上創(chuàng)新提出了臺風暴雨作用下表層土體裂隙優(yōu)先流主導的滲流模式，揭示了臺風、植被耦合體系對巖土體的“三促”(促裂、促滲、促滑)作用，并對各過程之間的相互關聯(lián)作用特征有了深入認識，構(gòu)建了臺風誘發(fā)地質(zhì)災害的定量研究技術體系，成果對認識臺風暴雨型地質(zhì)災害形成機理及風險管控提供科學依據(jù)。

(a) 臺風地質(zhì)災害風洞試驗模型 (b) 17m/s風速工況下不同位置樹木風力荷載差異特征

2.2 南方巖溶區(qū)地面塌陷成因機制

研究表明，南方巖溶區(qū)地層不但在沉積過程中產(chǎn)生了巖石的多孔介質(zhì)(原生孔隙), 而且在新構(gòu)造運動過程中又形成了節(jié)理、斷層等新的構(gòu)造形跡, 從而為雨水向地表巖石的滲透溶蝕提供了基礎條件。因地下溶蝕引起的地面塌陷是我國南方巖溶地區(qū)最為典型的地質(zhì)災害類型之一，如何查明地下巖溶地層的結(jié)構(gòu)特征是揭示這類地質(zhì)災害成災模式的最關鍵環(huán)節(jié)。針對巖溶塌陷區(qū)地質(zhì)災害形成的“隱蔽性”特點，在武陵山區(qū)采用瞬變電磁法(transient electromagnetic method，TEM)構(gòu)建了地下巖溶空間三維模型，揭示了地下巖溶空間分布特征，顯著提高了隱伏巖溶調(diào)查精度。研究表明，槽谷底部或近底部往往分布有厚度不一的砂土層，在巖溶發(fā)育的槽谷地段，地下水集中向巖溶管道滲流，由于地下水位的下降，砂土層中產(chǎn)生動水壓力，當動水壓力大于砂土顆粒摩擦力與黏聚力時，砂土顆粒被滲流帶動遷移，于土地底部形成土洞，當土洞規(guī)模不斷增大，上部土層抗塌力小于其致塌力時，便發(fā)育土層塌陷(圖4)。相關研究成果為區(qū)域巖溶塌陷地質(zhì)災害的成因機制解釋及預測評價提供了定量依據(jù)。

圖4 南方典型巖溶地區(qū)三維結(jié)果模型及土洞塌陷破壞模式

2.3 西南高寒山區(qū)冰磧土泥石流成因機制

FS-2.循環(huán)凍融20次; FS-3.循環(huán)凍融30次; FS-4.循環(huán)凍融40次。

2.4 川西高原區(qū)火后泥石流形成機理與物源侵蝕機制

針對近年來在西南氣候干燥高原區(qū)頻繁發(fā)生的火后泥石流成因機制開展了深入研究，揭示了山火破壞地表植被后形成山火灰和燒焦土，在地表徑流侵蝕下極易啟動，進而成為泥石流啟動物源的過程特征[22]。在此基礎上，針對山火地區(qū)火后泥石流物源侵蝕量估算多靠經(jīng)驗而缺乏定量評價的技術難題，開展了基于地表高精度三維建模并通過對比泥石流發(fā)生前后的溝道地表變化特征，提出了一種基于機載LiDAR三維建模的泥石流物源侵蝕量精準計算方法[29]，并在四川省涼山州火后泥石流地區(qū)開展應用研究，為該區(qū)火后泥石流的活動特征及趨勢提供了重要依據(jù)(圖6(a))。在此基礎上創(chuàng)新基于高精度地表模型的火后泥石流侵蝕物源量計算方法[28]，通過野外實測剖面及驗證，該方法的精度誤差低于1%(圖6(b))。該研究為南方其他山火頻發(fā)地區(qū)地質(zhì)災害研究提供了新的思路。

(a) 泥石流物源機載LiDAR精細化識別 (b) AA′剖面侵蝕物源量精細化估算

3 地質(zhì)災害風險調(diào)查評價與示范

3.1 縣域尺度1∶5萬地質(zhì)災害風險調(diào)查評價應用示范

通過構(gòu)建地形坡度、坡向、斷層、工程地質(zhì)巖組、水系等主控因子指標體系，形成了基于層次分析法和信息量法模型的地質(zhì)災害易發(fā)性評價方法，并在此基礎上采用柵格法疊加區(qū)域多年月平均降雨量(1∶5萬縣域)，實現(xiàn)了基于不同降雨頻率下的地質(zhì)災害危險性評價[31]，最終疊加最新三調(diào)數(shù)據(jù)后實現(xiàn)地質(zhì)災害風險評價與區(qū)劃，實現(xiàn)了縣域地質(zhì)災害風險定量評價[32-34]。應用該方法體系在重慶市及四川、云南等省開展了典型縣域尺度1∶5萬地質(zhì)災害風險調(diào)查評價示范，形成的四川喜德縣示范成果作為樣板在該州13個區(qū)縣評價中應用，其成果作為地方國土空間規(guī)劃編制的重要內(nèi)容得到應用(圖7(a))[34]。開展的云南省瀘水市地質(zhì)災害風險調(diào)查評價成果為瀘水市旅游道路建設規(guī)劃與監(jiān)測預警選區(qū)提供了地質(zhì)依據(jù)(圖7(b))[31]。

(a) 四川省喜德縣地質(zhì)災害風險評價[34] (b) 云南省瀘水市地質(zhì)災害風險評價

3.2 重點區(qū)1∶1萬地質(zhì)災害風險調(diào)查評價應用示范

針對南方山地丘陵區(qū)人口密集城鎮(zhèn)和重要規(guī)劃建設區(qū)面臨的地質(zhì)災害風險評價技術方法推廣難的問題，在工程中現(xiàn)有評價模型的基礎上，通過結(jié)合不同地區(qū)地質(zhì)災害孕災背景條件，優(yōu)化土體結(jié)構(gòu)參數(shù)、植被覆蓋率、降雨曲線等評價指標，在斜坡單元劃分基礎上形成了多指標融合評價斜坡穩(wěn)定性方法，顯著提升了20 a、50 a甚至100 a一遇降雨條件下斜坡單元穩(wěn)定性評價準確率問題。在此基礎上形成了以浙江省松陽縣象溪鎮(zhèn)、江西省興國縣江背鎮(zhèn)、重慶市萬州區(qū)大周鎮(zhèn)、四川省喜德縣冕山鎮(zhèn)以及云南省德欽縣葉芝鎮(zhèn)等為典型代表的示范性成果，并在地方得到應用[31-34]。如云南省德欽縣葉芝鎮(zhèn)風險評價成果劃定的地質(zhì)災害風險區(qū)為該縣新縣城搬遷選址提供了重要依據(jù)(圖8(a))； 四川省喜德縣冕山鎮(zhèn)地質(zhì)災害風險評價示范性成果作為該鎮(zhèn)地質(zhì)災害風險區(qū)監(jiān)測示范點確定的重要依據(jù)(圖8(b))。

(a) 云南省德欽縣葉芝鎮(zhèn)地質(zhì)災害風險評價 (b) 四川省喜德縣冕山鎮(zhèn)地質(zhì)災害風險評價

3.3 重大單體地質(zhì)災害風險識別與應用示范

針對南方復雜山區(qū)地質(zhì)災害成因機制，深化“空-天-地”一體化技術體系構(gòu)建與應用，強化對地質(zhì)本體認識分析的“地質(zhì)過程機制分析+綜合遙感”復雜山區(qū)地質(zhì)災害精細化調(diào)查與風險識別思路，集成了基于區(qū)域地質(zhì)災害孕災過程機制分析、高精度光學遙感解譯、多時相InSAR監(jiān)測、無人機傾斜攝影調(diào)查、機載LiDAR三維建模、工程地質(zhì)勘察、地下物探、數(shù)值模擬等為一體的1∶2 000尺度地質(zhì)災害精細化調(diào)查與風險識別技術。應用該方法在西南某重大鐵路工程規(guī)劃建設區(qū)成功識別2處對鐵路特大橋和重要隧道有潛在地質(zhì)安全風險的地質(zhì)災害隱患點。通過多方反復論證后，提出橋梁設計結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化與隧道進口平移的建議被工程設計單位全部采納，并依此對工程進行了設計變更，有效為約4億元的工程設施安全保障提供了科學依據(jù)[26]。

4 結(jié)論與展望

(1)總結(jié)了臺風型滑坡、巖溶型塌陷、暴雨型泥石流等不同外動力誘發(fā)的典型地質(zhì)災害特征，揭示了區(qū)域性地質(zhì)災害孕災背景與動力條件差異組合形成的不同類型地質(zhì)災害成因機制，為南方山地丘陵區(qū)地質(zhì)災害機理研究與風險評價奠定了基礎。

(2)南方山地丘陵區(qū)不同尺度地質(zhì)災害風險評價技術方法體系已基本建立，但由于孕災背景條件差異性極大，對相關指標的不合理分析容易得出有偏差的結(jié)果，因此，在評價指標的選取時需要在系統(tǒng)分析地質(zhì)災害主控因素的基礎上有針對性選擇主要指標進行評價。

(3)南方山地丘陵區(qū)植被類型及其覆蓋度差異性大，若構(gòu)建統(tǒng)一的區(qū)域性地質(zhì)災害隱患識別指標體系難度極大，需要劃分出高山峽谷區(qū)、丘陵區(qū)等基于地貌單元的分區(qū)，同時還要考慮基于不同植被覆蓋度和基于地質(zhì)災害孕災背景條件的差異分區(qū)，使識別指標的選取更具科學性。

(4)隨著系列國家重大戰(zhàn)略實施安全和區(qū)域地質(zhì)災害防災減災需求，南方山地丘陵區(qū)地質(zhì)災害調(diào)查評價精細化、監(jiān)測預警智能化、風險管控網(wǎng)格化、信息更新動態(tài)化是未來的必然發(fā)展趨勢。

致謝：本文撰寫過程中四川省氣象局曾波高級工程師參與了相關圖件制作和文字說明，成都地質(zhì)調(diào)查中心申華梁高級工程師、徐偉高級工程師、龔凌楓工程師及博士研究生盧佳燕、魯拓及碩士研究生李光輝、李果、楊昶等參與了文中部分制圖及文字編寫工作。此外，參與本工程所屬二級項目的其他技術人員也對論文的撰寫做出了貢獻，在此一并表示感謝！