汶川震區(qū)北川縣泥石流流域崩滑體時(shí)空演變特征

李明威，唐 川，陳 明，史青云

(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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

強(qiáng)震不僅直接引發(fā)大量同震崩塌、滑坡，還會(huì)在震后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提高山體斜坡不穩(wěn)定性，崩塌、滑坡堆積體是后續(xù)降雨誘發(fā)泥石流的主要固體物質(zhì)來(lái)源[1-3]。1999 年臺(tái)灣集集地震發(fā)生后，同震滑坡面積高達(dá)159.77 km2[4]，在2001年7月30日的Thphoon Toraji臺(tái)風(fēng)事件中該地區(qū)暴發(fā)了嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害[5]。2008年“5.12”汶川地震誘發(fā)的同震崩塌、滑坡所形成的固體松散物總體積達(dá)52.5×108m3[6]。在震后幾年內(nèi)，汶川震區(qū)暴發(fā)了大規(guī)模群發(fā)性泥石流災(zāi)害。例如，2008年9月24日，持續(xù)性強(qiáng)降雨導(dǎo)致北川縣城暴發(fā)以魏家溝為主的群發(fā)性泥石流災(zāi)害[7]；2010年汶川縣映秀鎮(zhèn)、都江堰市龍池鎮(zhèn)、綿竹市在短時(shí)強(qiáng)降雨作用下暴發(fā)了特大泥石流群災(zāi)害事件[8-11]；2013年汶川縣綿虒鎮(zhèn)、佛堂壩村在持續(xù)性暴雨作用下發(fā)生了泥石流災(zāi)害[12-13]。因此，汶川震后滑坡泥石流活動(dòng)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)研究極為迫切。

汶川地震后滑坡泥石流活動(dòng)研究中，眾多學(xué)者主要集中于對(duì)同震滑坡以及泥石流發(fā)育特征、形成機(jī)制、分布規(guī)律的研究[14-16]，僅有少數(shù)學(xué)者對(duì)震后滑坡、泥石流活動(dòng)演化趨勢(shì)展開(kāi)研究。常鳴等[14]綜合選取震前及震后幾年，特別是大規(guī)模群發(fā)性泥石流災(zāi)害暴發(fā)前后的多期遙感影像，對(duì)比分析不同時(shí)期崩滑體的空間分布規(guī)律及演變規(guī)律。Tang等[18]以北川縣城為例，選取兩期遙感影像，解譯了汶川地震及隨后的強(qiáng)降雨事件誘發(fā)的滑坡災(zāi)害，并分析了暴雨作用對(duì)于泥石流的影響，預(yù)測(cè)汶川震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害在震后10～15 a內(nèi)仍將保持高活動(dòng)性。黃潤(rùn)秋[19]基于多年災(zāi)害頻數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合關(guān)東大地震與臺(tái)灣集集地震的災(zāi)害活動(dòng)演變趨勢(shì)，預(yù)測(cè)汶川震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)將持續(xù)20～25 a，并以4～5 a為一個(gè)周期震蕩式衰減。Tang等[20]利用龍池地區(qū)多期遙感影像解譯結(jié)果，對(duì)崩滑體活動(dòng)性進(jìn)行分級(jí)，并基于此對(duì)未來(lái)崩滑體演變情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析，認(rèn)為震后10 a研究區(qū)滑坡泥石流活動(dòng)已趨于微弱。

滑坡泥石流的活動(dòng)與流域植被恢復(fù)有著相當(dāng)密切的關(guān)系，植被恢復(fù)情況是影響崩滑體活動(dòng)性的關(guān)鍵因素之一，植被恢復(fù)對(duì)震后崩滑堆積體穩(wěn)定性的影響研究顯得極為關(guān)鍵。早期，一些學(xué)者對(duì)震區(qū)植被動(dòng)態(tài)變化展開(kāi)了少量研究，基于多期NDVI的監(jiān)測(cè)結(jié)果，動(dòng)態(tài)分析了汶川震區(qū)植被的時(shí)空變化特征及恢復(fù)情況[21-22]，但他們對(duì)于汶川震區(qū)崩滑體的研究多集中在震后短期時(shí)間內(nèi)的對(duì)比分析上，對(duì)崩滑體長(zhǎng)期演變特征的分析較少，同時(shí)，對(duì)于植被與泥石流活動(dòng)性的關(guān)系研究也較為欠缺。

1 研究區(qū)概況

本文選擇汶川地震極重災(zāi)區(qū)北川縣城8條泥石流流域?yàn)檠芯繀^(qū)(圖1)，總面積為663.9×104m2。北川縣城地處龍門(mén)山前山與后山的交界地帶，以山地為主，海拔700～1 500 m，地勢(shì)整體西高東低，由西北向東南傾斜。研究區(qū)位于映秀—北川斷裂帶上盤(pán)，在地震中受影響極大，毀壞嚴(yán)重。研究區(qū)出露地層主要包括寒武系砂巖、砂頁(yè)巖、泥質(zhì)灰?guī)r，志留系板巖、千枚巖、灰?guī)r，泥盆系和石炭系的碳酸鹽巖，以及廣泛分布于河流兩側(cè)和山前溝口地帶的階地和洪積扇地帶的第四系松散堆積物。

研究區(qū)位于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫15.6 ℃。區(qū)內(nèi)雨量充沛，年平均降水量1 399 mm，主要集中在6—9月，占全年的74%。研究區(qū)各支溝溝口及兩側(cè)山體斜坡多為林地，植被覆蓋率較高，可達(dá)80%以上?！?.12”地震時(shí)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生地段植被遭受?chē)?yán)重破壞。

研究區(qū)在汶川地震前無(wú)較大范圍滑坡和崩塌分布，僅有零星小規(guī)?；l(fā)育在溝谷兩側(cè)?！?.12”汶川地震后，北川縣城周邊山體發(fā)生大面積山體滑坡，例如王家?guī)r滑坡、新北川中學(xué)崩滑體。2008年9月23—24日，北川縣遭遇汶川地震后的最大一場(chǎng)強(qiáng)降雨過(guò)程，累計(jì)降水量達(dá)331.9 mm[23]，導(dǎo)致北川縣城西側(cè)的8條溝道暴發(fā)泥石流。根據(jù)綿陽(yáng)市統(tǒng)計(jì)年鑒查閱得到，北川縣歷年雨季降雨量如表1所示。

表1 2008—2016年北川縣雨季(6—9月)平均降水量

圖1 研究區(qū)位置及泥石流流域概況

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

汶川震區(qū)北川縣城泥石流源區(qū)崩滑體空間分布特征分析，主要利用從各種來(lái)源獲得的多期遙感圖像進(jìn)行崩滑體解譯，并利用ArcGIS軟件分析其空間分布特征。

結(jié)合前人研究資料和相關(guān)數(shù)據(jù)，綜合考慮分辨率、云層覆蓋率等相關(guān)因素，共選擇2008年“5.12”地震發(fā)生后、2008年“9.24”泥石流發(fā)生后、2010年、2011年、2013年、2014年、2015年、2016年八期遙感影像數(shù)據(jù)，以通過(guò)ALOS影像下載收集得到研究區(qū)12.5 m分辨率的DEM為基準(zhǔn)，對(duì)遙感影像進(jìn)行地理配準(zhǔn)與幾何校正。以“5.12”地震后的崩滑體解譯結(jié)果為基準(zhǔn)，進(jìn)行震后幾年崩滑體解譯，保持滑坡邊界一致，盡可能減少圖像質(zhì)量差異造成的誤差。

針對(duì)震后研究區(qū)內(nèi)植被恢復(fù)的研究主要基于像元二分模型[24]計(jì)算植被覆蓋度(VFC)和植被覆蓋度恢復(fù)率(VCRR)[22]，其計(jì)算模型如下：

(1)

式中：NDVIsoil——完全無(wú)植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；

企業(yè)戰(zhàn)略是指企業(yè)為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期生存和發(fā)展，通過(guò)外部環(huán)境與內(nèi)部資源的整合，對(duì)公司的發(fā)展目標(biāo)、業(yè)務(wù)方向、指導(dǎo)方針、實(shí)施步驟等作出的總體性謀劃。這強(qiáng)調(diào)了企業(yè)戰(zhàn)略必須要確保企業(yè)適應(yīng)環(huán)境變化，實(shí)現(xiàn)企業(yè)資源條件與內(nèi)外部環(huán)境因素的匹配，才能運(yùn)用管理的手段為企業(yè)整體和企業(yè)有關(guān)的活動(dòng)制定行動(dòng)綱領(lǐng)，從而明確企業(yè)發(fā)展的方向和目的，界定業(yè)務(wù)范圍，構(gòu)筑競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

NDVIveg——完全被植被所覆蓋區(qū)域的NDVI值。

當(dāng)研究區(qū)內(nèi)近似可取VFCmax=100%，VFCmin=0%時(shí)，式(1)變?yōu)椋?/p>

(2)

(3)

式中：NDVIi——地震后某一年的植被指數(shù)；

NDVIpost——地震后植被覆蓋度最低的一期植被指數(shù)；

NDVIpre——地震前植被指數(shù)。

本文選擇研究區(qū)與遙感影像對(duì)應(yīng)的八期Landsat 5/7影像，利用ENVI軟件提取其歸一化植被指數(shù)(NDVI),選取閾值為5%，利用式(2)計(jì)算研究區(qū)的植被覆蓋度，在ArcGIS軟件中利用式(3)計(jì)算植被恢復(fù)率(VCRR)，并分析其恢復(fù)情況。

本文所使用的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

3 崩滑體演化與植被恢復(fù)特征

研究區(qū)的震后崩滑體分布如圖2所示。汶川地震發(fā)生后，研究區(qū)發(fā)生大量崩塌滑坡，導(dǎo)致坡面巖土體極為松動(dòng)。解譯的崩滑體總面積達(dá)145.9×104m2，占研究區(qū)總面積的21.9%。2008年9月24日，北川縣遭遇持續(xù)性暴雨，促使原有不穩(wěn)定巖土體進(jìn)一步滑動(dòng)，崩滑體面積進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)又產(chǎn)生部分新增崩滑體。因而，“9.24”泥石流災(zāi)害發(fā)生后，研究區(qū)崩滑體總面積達(dá)到峰值，為177.3×104m2，占研究區(qū)總面積的26.7%。并在隨后幾年一直保持在較高水平。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，研究區(qū)內(nèi)未再發(fā)生強(qiáng)震、暴雨等強(qiáng)大的外動(dòng)力作用，崩滑體活動(dòng)性下降，面積減少。同時(shí)，隨著坡面植被逐漸恢復(fù)，進(jìn)一步抑制崩滑體活動(dòng)。2011年，崩滑體面積有了顯著減少，并在其后保持穩(wěn)定恢復(fù)狀態(tài)。研究區(qū)歷年降雨量、植被覆蓋度及崩滑體總面積的變化趨勢(shì)如圖3所示。

表2 遙感影像數(shù)據(jù)類(lèi)型及其特征參數(shù)

圖2 研究區(qū)震后不同時(shí)間崩滑體分布

圖3 震后降雨量、植被覆蓋度、崩滑體面積變化

3.1 崩滑體在高程上的分布與演化分析

研究區(qū)流域范圍內(nèi)高程最低為585 m，最高為1 710 m，本文以12.5 m分辨率的DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件將崩滑體圖層與DEM進(jìn)行疊加分析，并對(duì)崩滑體在高程上的分布面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。根據(jù)地形條件將研究區(qū)高程分為五個(gè)等值區(qū)間，差值為300 m。參照常鳴等[22]分析綿遠(yuǎn)河流域泥石流形成區(qū)崩滑體特征所使用的密度比計(jì)算方法，定義某段高程區(qū)間上崩滑體總面積與研究區(qū)內(nèi)該段高程區(qū)間總面積的比值為密度比，計(jì)算其對(duì)應(yīng)的密度比，得到不同年份崩滑體在高程上的空間分布特征及演化規(guī)律(圖4)。

從圖4可以看出，2008年“5.12”汶川地震發(fā)生后，崩滑體在高程700～1 500 m范圍內(nèi)發(fā)育面積較大。其中，900～1 100 m范圍內(nèi)崩滑體最為發(fā)育，總面積為49.3×104m2；其次為1 100～1 300 m范圍崩滑體較為發(fā)育，總面積為35.9×104m2；這與Tang 等[18]的統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致?！?.24”泥石流災(zāi)害發(fā)生后，高程900～1 100 m范圍內(nèi)崩滑體面積為61×104m2，1 100～1 300 m范圍崩滑體面積為45.1×104m2?？傮w來(lái)看，崩滑體在1 300～1 500 m范圍內(nèi)密度比最大。由此說(shuō)明，在海拔較高的地區(qū)，巖土體較為松散，在地震、暴雨等外界因素的誘發(fā)下，極易發(fā)生崩塌滑坡。但隨著海拔的進(jìn)一步升高，崩滑體的面積有所減少，但其密度比仍維持在較高水平。隨著時(shí)間的推移，震后幾年內(nèi)各位置的滑坡均有不同程度的恢復(fù)，海拔較低地區(qū)恢復(fù)程度較差，海拔大于1 500 m地區(qū)恢復(fù)程度最高，其密度比減少最快，700～1 500 m地區(qū)崩滑體呈穩(wěn)定恢復(fù)狀態(tài)。

圖4 崩滑體在高程上的空間分布規(guī)律

3.2 崩滑體在坡度上的分布與演化分析

利用ArcGIS軟件中的3D-Analysis功能，從分辨率為12.5 m的DEM中提取研究區(qū)地形坡度，根據(jù)地形條件將坡度分為五個(gè)等值區(qū)間，差值為15°。利用ArcGIS的空間分析功能對(duì)崩滑體在坡度上的分布面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算其對(duì)應(yīng)的密度比，得到不同年份崩滑體在坡度上的空間分布特征及演化規(guī)律(圖5)。

圖5 崩滑體在坡度上的空間分布規(guī)律

從圖5可以看出，2008年“5.12”地震發(fā)生后，研究區(qū)崩滑體在坡度30°～45°范圍內(nèi)發(fā)育面積最大，其面積為82.6×104m2。“9.24”泥石流后，研究區(qū)崩滑體在坡度30°～45°范圍內(nèi)面積增加到100.5×104m2。在坡度較高的地方崩滑體的發(fā)育面積有所減少，但其密度比仍維持在較高水平，由此說(shuō)明，隨著坡度的增加，土體的不穩(wěn)定性提高，崩滑體更容易發(fā)生。隨著時(shí)間的推移，在沒(méi)有強(qiáng)烈外界因素的影響下，崩滑體呈穩(wěn)定恢復(fù)狀態(tài)，其中在坡度大于60°范圍內(nèi)的崩滑體恢復(fù)程度最高。

3.3 崩滑體在坡向上的分布與演化分析

不同坡向上由于山體的朝向不同，導(dǎo)致其日照時(shí)間、降雨因素等都有顯著差異，因而其崩滑體的發(fā)育程度也有所不同。利用DEM生成研究區(qū)山體坡向，以正北方向?yàn)?°，每隔45°為一個(gè)坡向區(qū)間，共分為8個(gè)區(qū)間。運(yùn)用ArcGIS中的空間分析功能，對(duì)崩滑體在不同坡向上的分布面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算其密度比，得到不同年份崩滑體在坡向區(qū)間內(nèi)的空間分布特征及演化規(guī)律(圖6)。

圖6 崩滑體在坡向上的空間分布規(guī)律

從圖6可以看出，2008年“5.12”地震發(fā)生后，崩滑體多集中發(fā)育在坡向?yàn)?°～180°的范圍內(nèi)，其面積為128×104m2?！?.24”泥石流后，該區(qū)域的崩滑體面積達(dá)150.7×104m2，占崩滑體總面積的85%。在180°～360°的坡向區(qū)間，崩滑體發(fā)育較少，其中在270°～315°的坡向區(qū)間幾乎無(wú)崩滑體發(fā)育。隨著時(shí)間的推移，由于在0°～180°坡向區(qū)間日照較為充足，植被發(fā)育較好，其崩滑體恢復(fù)程度也維持在較高水平。而西側(cè)坡面的恢復(fù)程度則較低。

3.4 崩滑體在距溝道距離上的分布與演化分析

研究區(qū)主要由8條泥石流溝組成，泥石流物源主要來(lái)自于坡面崩滑體。參考楊濤[26]對(duì)綿虒鎮(zhèn)崩滑體在距溝道距離上的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合本研究區(qū)地形條件，本文以150 m為差值，將距溝道距離等間距分為五級(jí)對(duì)崩滑體在不同面積的分布距離進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算其相應(yīng)的密度比，得到不同年份崩滑體在距溝道距離上的空間分布特征和演化規(guī)律(圖7)。

圖7 崩滑體在距溝道距離上的空間分布規(guī)律

從圖7可以看出，2008年“5.12”地震后研究區(qū)崩滑體面積最大的區(qū)域是距溝道距離0～150 m的范圍，其面積為61.2×104m2。在“9.24”泥石流災(zāi)害發(fā)生后，該范圍內(nèi)的崩滑體總面積增長(zhǎng)到了74.6×104m2，占崩滑體總面積的42%。但密度比最大的區(qū)域是300～450 m的范圍，為26.1%，暴雨導(dǎo)致崩滑體進(jìn)一步增加后，密度比達(dá)到了32.7%。隨著時(shí)間的推移，除600～750 m范圍外，其余崩滑體均呈現(xiàn)穩(wěn)定的恢復(fù)狀態(tài)。在距離溝道600～750 m的坡面上，崩滑體在2011年到2013年間有所增加，如今已基本恢復(fù)，面積很小，密度比極低。其余范圍內(nèi)，崩滑體呈穩(wěn)定恢復(fù)狀態(tài)。

3.5 泥石流源區(qū)植被覆蓋度演化分析

根據(jù)式(1)計(jì)算得到，研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度(VFC)在“9.24”泥石流發(fā)生后達(dá)到最低值，為0.64(圖3)。從2010年起至2013年初，研究區(qū)內(nèi)植被覆蓋度呈緩慢恢復(fù)狀態(tài)，根據(jù)圖3可以看出，2013年降雨量較之前幾年有了顯著增加，雨季過(guò)后，2014年研究區(qū)植被覆蓋度略有降低，但未發(fā)生大規(guī)模泥石流災(zāi)害，崩滑體面積未增加。2014—2016年，研究區(qū)植被恢復(fù)良好，崩滑體面積減少，泥石流活動(dòng)性降低。

根據(jù)許積層等[21]對(duì)汶川震區(qū)岷江河谷段植被恢復(fù)特征的研究，結(jié)合本文研究區(qū)實(shí)際情況，將植被覆蓋度恢復(fù)率VCRR分為4級(jí)：<0為植被恢復(fù)極差；0～0.5為植被恢復(fù)較差；0.5～1為植被恢復(fù)中等；>1為植被恢復(fù)良好。

研究區(qū)泥石流源區(qū)崩滑體植被覆蓋度恢復(fù)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。

圖8 植被覆蓋度恢復(fù)率

從圖8可以看出，2008—2010年，植被恢復(fù)程度依然處于較低水平，植被恢復(fù)極差區(qū)域占比78.4%，由此說(shuō)明，在強(qiáng)烈外力破壞作用發(fā)生后的短期時(shí)間內(nèi)，崩滑體活動(dòng)性仍處于較高水平，缺少植被恢復(fù)的穩(wěn)定條件。從2011年起，植被覆蓋度恢復(fù)中等以上的區(qū)域占比逐漸增高，研究區(qū)植被處于緩慢恢復(fù)狀態(tài)，崩滑體活動(dòng)性逐年降低，趨于穩(wěn)定。2013年雨季降雨的顯著增加，使得植被覆蓋度恢復(fù)率有所降低，2014年植被恢復(fù)極差的區(qū)域占整個(gè)研究區(qū)面積的56.1%，但植被整體仍處于恢復(fù)狀態(tài)，2015年之后植被覆蓋度恢復(fù)率中等以上區(qū)域面積進(jìn)一步增加。

4 結(jié)論

(1)汶川地震發(fā)生后，北川縣城崩滑體發(fā)育面積較震前顯著增加，震后不久，9月23—24日短時(shí)強(qiáng)降雨發(fā)生后，進(jìn)一步誘發(fā)大量崩滑體，導(dǎo)致“9.24”群發(fā)性泥石流災(zāi)害的發(fā)生，崩滑體面積達(dá)到峰值，并延續(xù)到2011年崩滑體面積仍處在較高水平。隨著生態(tài)和地質(zhì)環(huán)境的逐漸恢復(fù)，2013年起研究區(qū)崩滑體面積顯著降低，至2016年已恢復(fù)至較低水平。

(2)研究表明，崩滑體在高程900～1 100 m、坡度30°～45°、坡向90°～135°、距溝道150 m范圍內(nèi)發(fā)育面積最大。密度比最高的為高程1 300～1 500 m、坡度大于60°、坡向45°～90°、距溝道300～450 m范圍內(nèi)。

(3)根據(jù)計(jì)算，研究區(qū)植被覆蓋度(VFC)在“9.24”泥石流發(fā)生后達(dá)到最低值，震后至2010年植被恢復(fù)水平較低，2011—2013年，植被恢復(fù)程度略有提高。受2013年降雨作用影響，2014年植被覆蓋度恢復(fù)率極差區(qū)域占比56.1%，隨后幾年研究區(qū)植被呈穩(wěn)定恢復(fù)狀態(tài)。

(4)與映秀、龍池等地區(qū)相比，研究區(qū)內(nèi)2010年、2013年降雨強(qiáng)度與往常相比也有所增加，但未發(fā)生大規(guī)模泥石流群發(fā)性災(zāi)害。由此認(rèn)為，除地層巖性、微地貌等因素影響外，植被也對(duì)泥石流活動(dòng)性具有一定的抑制作用。