淺層滑坡誘發(fā)溝谷型泥石流快速識(shí)別方法研究

陳 文 鴻，余 斌，柳 侃，葉 龍 珍，馬 煜

(1.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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059； 2.自然資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002)

0 引 言

泥石流作為中國主要災(zāi)害類型，其暴發(fā)通常具有典型的鏈?zhǔn)綖?zāi)害特征[1]?；诘孛驳男路诸惙桨福梢詫⒛嗍鲃澐譃槠旅嫘湍嗍?、沖溝型泥石流和溝谷型泥石流3類[2]。淺層滑坡誘發(fā)的溝谷型泥石流主要分布在中國的東部沿海地區(qū)，如遼寧省、浙江省、福建省和臺(tái)灣山區(qū)，在中國西部有時(shí)也會(huì)有這類泥石流發(fā)生[3]。福建省大多數(shù)泥石流的形成機(jī)理是在降雨過程中，多個(gè)山坡發(fā)生淺層滑坡并堆積在溝道中，山洪起動(dòng)這些堆積物源形成泥石流。

做好這類泥石流的識(shí)別，對(duì)減輕災(zāi)害具有重大意義。國內(nèi)外對(duì)泥石流識(shí)別主要有以下幾種方法：① 通過早期泥石流堆積區(qū)等特征的野外調(diào)查進(jìn)行識(shí)別，雖然識(shí)別的準(zhǔn)確率較高，但投入的人力物力成本比較大，并且不利于大范圍內(nèi)的泥石流識(shí)別[4]。② 基于遙感和GIS技術(shù)，通過相關(guān)目視解譯標(biāo)志進(jìn)行泥石流的有效識(shí)別[5-6]。③ 從早期泥石流流域的地貌、構(gòu)造、流域面積、形狀系數(shù)比、松散物源面積等參數(shù)出發(fā)，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)理論構(gòu)建判別模型進(jìn)行識(shí)別。例如：梁健坤[7]根據(jù)地貌信息熵理論，對(duì)鄂豫陜交界區(qū)的主要公路沿線的溝谷信息進(jìn)行了提取，得到相應(yīng)地貌信息熵值以及危險(xiǎn)程度劃分標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了溝谷危險(xiǎn)程度的劃分，并綜合考慮了地貌信息熵值與新構(gòu)造應(yīng)力場的共同作用效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了雙因子條件下的泥石流溝的地貌學(xué)識(shí)別；王偉等[8]基于環(huán)境要素編碼的泥石流溝道危險(xiǎn)度快速識(shí)別方法，將影響災(zāi)害記錄比較完全的泥石流溝道危害程度的多個(gè)環(huán)境變量信息賦予特定的泥石流溝道，快速確定其余泥石流溝道危害程度；胡至華等[9]利用次聲特征指標(biāo)無接觸識(shí)別了泥石流類型；倪化勇[2]基于地貌特征提出可以結(jié)合斜坡地貌與溝谷侵蝕演化過程，將泥石流劃分為坡面型泥石流、沖溝型泥石流和溝谷型泥石流。

相對(duì)于溝谷型泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)豐富的研究成果，目前對(duì)淺層滑坡誘發(fā)的溝谷型泥石流的研究成果較少，其中對(duì)于這類泥石流的識(shí)別研究更是寥寥無幾。本文在余斌等[10]提出地形條件(T=S(A/A0)0.2J0.3)的計(jì)算方法基礎(chǔ)上，提出了潛在淺層滑坡誘發(fā)溝谷型泥石流的快速識(shí)別方法，可以有效彌補(bǔ)泥石流危險(xiǎn)性研究中的部分不足，對(duì)快速識(shí)別泥石流危險(xiǎn)度和制定泥石流災(zāi)害防治對(duì)策具有參考價(jià)值。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

福建省位于北緯24°～28°的低緯度區(qū)，氣候溫暖潮濕，雨量豐富。全省年降雨量一般900～2 200 mm，且多集中在7～9月。地貌以山地丘陵為主，省內(nèi)河流侵蝕作用強(qiáng)烈，地形起伏顯著，斜坡坡度大，為斜坡災(zāi)害的發(fā)生提供了極為有利的條件，每年都有許多地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生[11]。福建省的溝谷型泥石流主要在降雨作用下，形成大量的淺層滑坡并堆積在溝道內(nèi)，在后續(xù)的降雨及山洪沖刷下形成溝谷型泥石流。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2.1遙感數(shù)據(jù)

利用1∶10 000數(shù)字高程模型提取居住區(qū)附近溝谷型泥石流發(fā)生的相關(guān)溝谷、河網(wǎng)水系、坡度等信息圖層，重點(diǎn)提取溝谷的平均縱比降、有效集水區(qū)面積、有效集水區(qū)陡坡面積占比等信息。研究工作在福建省壽寧縣、閩清縣、福鼎縣、安溪縣、蒲城縣、延平縣、武平縣7個(gè)縣開展。根據(jù)已發(fā)生的溝谷型泥石流案例(見圖1)(壽寧縣和閩清縣的溝谷型泥石流)和外業(yè)實(shí)地調(diào)查(明溪縣、福鼎縣、安溪縣、蒲城縣、延平縣、武平縣)構(gòu)建易發(fā)性溝谷型泥石流識(shí)別模型。

圖1 泥石流點(diǎn)位分布Fig.1 Distribution of debris flow

1.2.2泥石流溝編目數(shù)據(jù)

壽寧縣和閩清縣的泥石流流域是確認(rèn)發(fā)生過泥石流災(zāi)害，其他區(qū)域的泥石流溝道是根據(jù)高易發(fā)性來定義。其中，福鼎縣和安溪縣的泥石流流域是基于野外調(diào)查與打分法判斷泥石流的易發(fā)性，蒲城縣的泥石流流域是根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和人為的定性判斷泥石流的易發(fā)性，延平縣的泥石流溝道是根據(jù)遙感解譯與打分法判斷泥石流的易發(fā)性，武平縣的泥石流溝道是根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合主觀判斷泥石流的易發(fā)性。

泥石流是一種攜帶有泥沙、石塊、巨粒的混合流體，它的形成與地形地貌、氣象水文、巖性、植被等因素極為密切。利用遙感影像，可以準(zhǔn)確地觀察到泥石流的形態(tài)及周圍環(huán)境，并較好地對(duì)泥石流災(zāi)害進(jìn)行解譯和判識(shí)。沖溝型泥石流是在降雨的作用下，由朔源侵蝕、側(cè)蝕、下切侵蝕產(chǎn)生物源，也存在由滑坡轉(zhuǎn)化形成泥石流的可能。福建省主要發(fā)生的泥石流有兩種類型，一種是沖溝型泥石流，另外一種是由淺層滑坡誘發(fā)的溝谷型泥石流。本次研究沒有對(duì)坡面型泥石流提出識(shí)別模型，因此，基于斜坡地貌和溝谷地貌對(duì)坡面型泥石流的識(shí)別劃分仍需要進(jìn)一步研究。

泥石流流域信息編目獲取方法如下：在獲得泥石流易發(fā)性為極易發(fā)的流域后，采用人工目視解譯的方法，通過三維地形圖模型的預(yù)處理，結(jié)合Google Earth判斷泥石流類型(即判斷為溝谷型或沖溝型)。按泥石流發(fā)育的地貌地形特征將泥石流分為沖溝型泥石流、淺層滑坡誘發(fā)的溝谷型泥石流，如圖2～3所示[2]。從泥石流發(fā)育地貌特征來看，沖溝型泥石流主要發(fā)生在斜坡的紋溝或切溝等處于幼年期的侵蝕溝道內(nèi)。溝谷型泥石流發(fā)育的流域面積比較大，主溝較長，流域邊界明顯，溝床剖面與斜坡地形線不一致[2]。通過野外調(diào)查，保證目視解譯結(jié)果的正確性。

圖2 沖溝型泥石流Fig.2 Groove-type debris flow

圖3 溝谷型泥石流Fig.3 Gully-type debris flow

2 溝谷型泥石流模型

2.1 模型建立

福建省大多數(shù)泥石流發(fā)生的流域溝道里比較干凈，基本無物源，泥石流的物源主要是來源于兩側(cè)岸坡。福建省的溝谷型泥石流絕大多數(shù)為小型泥石流，對(duì)主河的影響較小、河溝基本無變化、基本不堵塞主河，并且福建省區(qū)域構(gòu)造影響程度較小，小流域植被覆蓋率很高，按照泥石流易發(fā)程度數(shù)量化綜合評(píng)判等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的打分法評(píng)價(jià)泥石流溝的易發(fā)性，滿分是130分(極易發(fā))，通過以上的描述，按照最高的打分標(biāo)準(zhǔn)基本只能打47分，僅僅比最低的“輕度易發(fā)”標(biāo)準(zhǔn)高3分(43分以下為不易發(fā))。因此，采用打分法判斷泥石流溝的易發(fā)性，很有可能導(dǎo)致福建山區(qū)很多溝谷型泥石流流域誤判為不易發(fā)溝道。采用西部地區(qū)溝谷型泥石流易發(fā)性判斷的打分法，不適用于福建山區(qū)的溝谷型泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)。

本次研究采用的泥石流溝道數(shù)據(jù)，只有壽寧縣和閩清縣的泥石流溝道是確認(rèn)發(fā)生過溝谷型泥石流的，其余區(qū)域的溝道是采用打分法來定性地評(píng)價(jià)泥石流的易發(fā)性。因此，模型建立是基于壽寧縣和閩清縣泥石流溝道數(shù)據(jù)(見表1和圖4)，再結(jié)合泥石流類型的分類方法，運(yùn)用已有的綜合地形判別因子計(jì)算公式T=S(A/A0)0.2J0.3，對(duì)比分析沖溝型與溝谷型泥石流地形特征，從而建立快速識(shí)別淺層滑坡誘發(fā)的溝谷型泥石流模型。其中，T為地形因子(也可用來預(yù)警泥石流)，S為25°～45°坡度占流域面積比，A為流域面積(泥石流堆積區(qū)以上的面積)(km2)，A0=1 km2，J為流域的溝床縱比降[10]。

圖4 壽寧縣、閩清縣泥石流分布Fig.4 Distribution of mudslides in Shouning County and Minqing County

表1 壽寧縣、閩清縣泥石流溝道參數(shù)Tab.1 Debris flow gully parameters in Shouning and Minqing counties

為了更好地識(shí)別溝谷型泥石流與沖溝型泥石流兩者的區(qū)別關(guān)系，首先，分析兩類泥石流的流域面積(A)、溝道縱比降(J)、兩側(cè)山坡25°～45°的面積占比(S)，見圖5～8。

圖5 壽寧縣發(fā)生泥石流的溝道A～J關(guān)系Fig.5 A-J relationship of debris flow in Shouning County

圖6 壽寧縣發(fā)生泥石流的溝道S～T關(guān)系Fig.6 S-T relationship of debris flow in Shouning County

圖7 閩清縣發(fā)生泥石流的溝道A～J關(guān)系Fig.7 A-J relationship of debris flow in Minqing County

圖8 閩清縣發(fā)生泥石流的溝道S～T關(guān)系Fig.8 S-T relationship of debris flow in Minqing County

從圖5、圖7可以得出壽寧縣、閩清縣的溝谷型泥石流的流域面積(A)分別大于等于0.05 km2和0.03 km2，并且普遍大于沖溝型泥石流流域面積；壽寧縣、閩清縣的溝谷型泥石流的溝道縱比降(J)分別小于0.42 和0.38，并且普遍小于沖溝型泥石流的溝道縱比降。

從圖6、圖8可以得出壽寧縣和閩清縣的溝谷型泥石流的流域山坡占比(S)都小于沖溝型泥石流流域的山坡占比。壽寧縣和閩清縣的溝谷型泥石流的綜合預(yù)警值T的范圍分別為0.28～0.48和0.28～0.43。因此，當(dāng)綜合預(yù)警值(T)值大于0.28 的時(shí)候，兩類泥石流都有可能發(fā)生。當(dāng)綜合預(yù)警值(T)大于等于0.43時(shí)，極易發(fā)生溝谷型泥石流。

為了提高判斷模型的準(zhǔn)確性，通過數(shù)字高程模型提取閩清縣(4 560條)與壽寧縣(3170條)的全部溝道，通過目視解譯并區(qū)別兩種類型(溝谷型和沖溝型)的泥石流溝道。其中，圖9～10顯示閩清縣溝谷型的溝道有244條，沖溝型的溝道有4 316條。

圖9 閩清縣流域A-J關(guān)系Fig.9 A-J relationship of Minqing County watershed

圖10 閩清縣流域S-T關(guān)系Fig.10 S-T relationship of Minqing County watershed

從圖9可以得出閩清縣溝谷型泥石流溝道位于A≥0.03 km2，且J≤0.42范圍內(nèi)的有222條(占溝谷型溝道總數(shù)的91.0%)；A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.28 的有139條(占溝谷型溝道總數(shù)的56.9%)；A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.43的有35條(占溝谷型溝道總數(shù)的14.3%)。從圖11～12可以得出壽寧縣溝谷型泥石流溝道位于A≥0.03 km2，且J≤0.42范圍內(nèi)的有175條(占溝谷型溝道總數(shù)的99.4%)；A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.28的有161條(占溝谷型溝道總數(shù)的91.5%)；A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.43 的有38條(占溝谷型溝道總數(shù)的21.5%)。

圖11 壽寧縣流域A～J關(guān)系Fig.11 A-J relationship of Shouning County watershed

國內(nèi)外對(duì)泥石流的流域面積和溝床縱比降的研究較多。其中，吳正堂[12]認(rèn)為溝床坡度大于15°且集水區(qū)面積大于0.03 km2就可以發(fā)生非常嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害，臺(tái)灣中部地區(qū)，土石流的集水區(qū)面積大多分布在0.2～2.0 km2。山口伊佐夫[13]依據(jù)日本1967～1982年泥石流發(fā)生資料指出，最常發(fā)生泥石流的集水面積為0.3 km2，大致上集水區(qū)面積在2.0 km2以下最容易發(fā)生泥石流。

Takahashi[14]認(rèn)為泥石流發(fā)生區(qū)的溝床縱比降在268‰以上，坡度268‰以上的集水區(qū)面積所匯集的雨水對(duì)泥石流發(fā)生有較大的作用。稀性泥石流和洪水的溝床平均縱比降界線大致在25‰～35‰[15]，也有學(xué)者認(rèn)為通常泥石流溝主溝道平均縱比降為5%～25%，過小或過大均不能形成泥石流[16]。通過前人的研究，得出泥石流的有效集水區(qū)面積(有效集水區(qū)面積主要是指形成區(qū)，在臺(tái)灣和日本的學(xué)者較為常用)范圍為0.01～10 km2，縱比降的范圍值為48.9‰～400‰。

本文中所提到的流域面積(A)是指堆積區(qū)以上的面積，導(dǎo)致比以上學(xué)者提到的有效集水區(qū)面積范圍值大一些。同時(shí)，本文提到的縱比降(J)是代表堆積區(qū)以上區(qū)域的溝床縱比降，導(dǎo)致比以上學(xué)者提到的范圍值小一些。因此，對(duì)福建省山區(qū)由淺層滑坡誘發(fā)的溝谷型泥石流的流域面積(A)劃分在大于等于0.03 km2，并且對(duì)應(yīng)的溝床縱比降(J)小于等于420‰的范圍是合理的。

綜上所述，溝谷型泥石流的易發(fā)性判斷模型易發(fā)性分級(jí)為：A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.28，為易發(fā)溝谷型泥石流；當(dāng)A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.43時(shí)，為極易發(fā)溝谷型泥石流；否則，為不易發(fā)溝谷型泥石流。

2.2 模型驗(yàn)證

通過壽寧和閩清兩個(gè)縣發(fā)生的泥石流溝道數(shù)據(jù)建立了溝谷型泥石流判斷模型后(A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.28，為易發(fā)溝谷型泥石流；否則，為不易發(fā)溝谷型泥石流)，再把其余5個(gè)縣的泥石流流域用于驗(yàn)證(見圖13～14)，以證明模型的準(zhǔn)確性。

圖13 各縣泥石流溝A～J的關(guān)系Fig.13 A-J relationship diagram of debris flow gullies in each county

從圖13可以得出武平、安溪、福鼎、蒲城、延平縣溝谷型泥石流的形成區(qū)面積(A)分別大于0.26，0.12，0.22，0.07，0.06 km2；武平、安溪、福鼎、蒲城、延平縣溝谷型泥石流的縱比降(J)分別小于0.28，0.43，0.38，0.51，0.51。

用模型(A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.28，為易發(fā)溝谷型泥石流；否則，為不易發(fā)溝谷型泥石流)判斷各縣溝谷型泥石流，得到各縣的覆蓋率都在89%以上(見圖14)，說明效果較好(見表2)。

圖14 各縣泥石流溝S～T關(guān)系Fig.14 S-T relationship diagram of debris flow gullies in each county

表2 用模型判斷溝谷型泥石流的覆蓋率Tab.2 Coverage of model-judged gully-type debris flow

由于各縣判斷溝道泥石流易發(fā)性的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，可能造成了覆蓋率存在誤差的問題。采用地形要素識(shí)別易發(fā)泥石流的溝谷，具有簡單快速特點(diǎn)，滿足宏觀預(yù)警，也為今后實(shí)地調(diào)查這類型泥石流指明方向。但是并不代表此模型識(shí)別結(jié)果為極易發(fā)就一定會(huì)發(fā)生淺層滑坡誘發(fā)的溝谷型泥石流，該模型的優(yōu)勢(shì)是在于縮小潛在溝谷型泥石流流域的判斷范圍，不可能覆蓋所有淺層滑坡誘發(fā)的溝谷型泥石流。

3 討 論

溝谷型泥石流易發(fā)性判斷模型是基于地形要素識(shí)別泥石流易發(fā)性溝谷，具有簡單快速的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)宏觀預(yù)警，也為實(shí)地調(diào)查這種類型的泥石流指明了方向。但泥石流的發(fā)生不僅僅受地形控制，也受到地質(zhì)條件、降雨的影響，目前以地形因素建立的溝谷型泥石流易發(fā)性判斷模型的準(zhǔn)確性還不夠高，其判斷的易發(fā)性溝谷型泥石流不代表實(shí)際發(fā)生溝谷型泥石流。除了地質(zhì)條件的影響外，降雨因素對(duì)泥石流的發(fā)生有很大影響[17-18]：即使是根據(jù)地形判斷為易發(fā)溝谷型泥石流的流域，沒有較大降雨在該處發(fā)生，也不會(huì)有泥石流發(fā)生；根據(jù)地形判斷為不易發(fā)溝谷型泥石流的流域，但在該處遭遇很大降雨，也可能會(huì)有泥石流發(fā)生。本文建立的溝谷型泥石流易發(fā)性判斷模型，可以縮小潛在溝谷型泥石流流域的判斷范圍，但不能概括全部的泥石流發(fā)生(含將來)，可能有較多的判斷為易發(fā)的溝谷型泥石流流域但實(shí)際上發(fā)生的可能性較低，這也是本模型的局限之處。

建模的數(shù)據(jù)是來源于壽寧縣、閩清縣兩個(gè)區(qū)域共75條泥石流溝的數(shù)據(jù)(其中溝谷型泥石流共49條，沖溝型泥石流26條)，因其余縣(蒲城、武平、安溪、福鼎、延平)的數(shù)據(jù)都是主要基于打分法判斷泥石流的易發(fā)性，無法滿足建模的要求，因此今后需要更多野外調(diào)查的泥石流數(shù)據(jù)(滿足建模要求)，有利于完善和校核預(yù)警模型的精度。

4 結(jié) 論

(1) 壽寧和閩清兩個(gè)縣野外調(diào)查已經(jīng)發(fā)生泥石流共有75條，其中溝谷型泥石流有49條，沖溝型泥石流26條，在此基礎(chǔ)上建立了溝谷型泥石流易發(fā)性判斷模型。溝谷型泥石流的易發(fā)性分級(jí)為A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.28，為易發(fā)溝谷型泥石流；A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.43，為極易發(fā)溝谷型泥石流；否則，為不易發(fā)溝谷型泥石流。

(2) 根據(jù)武平、福鼎、安溪、蒲城、延平等5個(gè)縣的溝谷型泥石流易發(fā)性判斷模型，絕大多數(shù)的溝谷型泥石流點(diǎn)都在模型的判斷范圍內(nèi)，模型得到了很好驗(yàn)證。