強震區(qū)泥石流物源演化指標選取及規(guī)律分析

熊 江, 唐 川, 龔凌楓, 史青云, 李 寧

(成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室, 成都 610059)

汶川“5·12”里氏8.0特大地震觸發(fā)了約50 000多處崩塌、滑坡，形成松散堆積體約為52.5億m3[1-3]。地震使得震區(qū)地質(zhì)環(huán)境異常脆弱，崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害異常活躍，并將持續(xù)較長時期。據(jù)專家研究發(fā)現(xiàn)，震區(qū)地質(zhì)災害將以4～5 a為周期呈出震蕩式衰減，持續(xù)時間長達20～25 a[3]。震后隨著時間推移，崩塌、滑坡等地質(zhì)過程將逐漸趨向于穩(wěn)定，而泥石流由于其暴發(fā)的物源條件、地形條件、水源條件充足而進入活躍期，且活躍期將至少持續(xù)10 a[4]。震后，泥石流暴發(fā)臨界雨量和累積雨量相對震前大大降低，由此導致在降雨作用下，震區(qū)易暴發(fā)群發(fā)性泥石流[5]。如北川及蘇保河流域及其支溝暴發(fā)了“9·24”泥石流，沖出固體物質(zhì)淤埋深度約6～10 m，將北川老縣城幾乎全部淹沒[3，6]。清平綿遠河及其支流于2010年暴發(fā)了“8·13”群發(fā)性泥石流，其中文家溝沖出物質(zhì)400萬m3，形成長3 500 m，寬350～400 m的堆積扇，摧毀道路橋梁無數(shù)[6]。映秀鎮(zhèn)紅椿溝暴發(fā)“8·14”特大泥石流，沖出物質(zhì)約75萬m3，并形成堰塞湖以及洪水等次生災害，對映秀鎮(zhèn)形成重大威脅[3]。

地震導致大量松散物源堆積在溝道和坡面上，隨著坡面物源穩(wěn)定性提高、泥石流攜帶和地表徑流侵蝕，泥石流物源將逐漸減少。而物源變化將對泥石流規(guī)模、頻率、流體性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。震后已有部分學者探討了泥石流物源和堆積體動態(tài)演化規(guī)律[7-9]，另外還有學者基于野外調(diào)查基礎數(shù)據(jù)，探討了泥石流性質(zhì)及其物理作用演化規(guī)律[10]。本文在借鑒上述研究成果基礎上，通過選取泥石流物源演化指標，并結合“空—天—地”一體調(diào)查數(shù)據(jù)，分析物源演化規(guī)律。通過以上研究，對于進一步揭示和認識震區(qū)泥石流物源演化規(guī)律提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省阿壩州汶川縣映秀鎮(zhèn)北部，地理坐標范圍約為31°03′20.28″—31°06′39.50″N，103°26′51.15″—103°31′33.06″E(圖1)。研究區(qū)內(nèi)泥石流流域分布在岷江和漁子溪兩岸，流域面積大小、溝道長度、平均縱比降相差各異(表1)。其中最小流域面積為0.13 km2，最大為5.5 km2，溝道長度變化范圍為0.91～4.03 km。地形地貌上，研究區(qū)屬于高山峽谷區(qū)，海拔高度多在1 500 m以上，流域內(nèi)流水下切侵蝕作用強烈，溝谷呈V型，坡度多大于35°，為泥石流暴發(fā)提供充足動力條件。地質(zhì)構造上，研究區(qū)地處秦嶺地質(zhì)構造帶、龍門山地質(zhì)構造帶、馬爾康地質(zhì)構造帶結合部位，流域地質(zhì)構造復雜，褶皺和斷裂發(fā)育[11]，在地震作用下形成大量松散碎屑物質(zhì)為泥石流暴發(fā)提供充足物源條件。氣候上，研究區(qū)平均多年降雨約750 mm，降雨多集中在5—10月，約占全年降雨量80%～90%，為泥石流暴發(fā)提供充足降雨條件。震后，研究區(qū)內(nèi)泥石流暴發(fā)條件充足，暴發(fā)頻率較高，據(jù)前人研究可知，關山溝于2008年5—8月共發(fā)生6場泥石流，在溝口形成長約80 m，寬約150 m，面積約為6 200 m2的堆積體，將岷江河道束窄成僅剩5 m河道，嚴重影響到人民生命財產(chǎn)和交通設施安全[11]。另外還有紅椿溝等大型潰決性泥石流溝，其暴發(fā)泥石流頻率、規(guī)模等較大，對震區(qū)居民生命財產(chǎn)，基礎設施造成巨大威脅。因此開展震后泥石流物源演化規(guī)律及其演化特征分析，對于防災減災及震區(qū)恢復建設具有重要作用。

表1 研究區(qū)泥石流流域信息統(tǒng)計

圖1 研究區(qū)地理位置

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

文章用于分析震后泥石流物源演化規(guī)律的數(shù)據(jù)包括等高距為5 m的地形圖，通過地形圖繪制高精度數(shù)字高程模型(DEM)，通過將影像與DEM 進行疊加，使得解譯結果更加準確。另外從Spot，Goole Earth上獲取了2008年、2011年、2013年、2017年4期多源高分辨率光學遙感影像(表2)，所獲取影像云層活動較少，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，能滿足物源解譯目的。

在遙感影像中，土體、植被、水體在紅、綠、藍3個波段上有相應反射值，其中土體反射值最大，因此全色影像中，土體顏色較明亮[12]。因此對于地震造成松散堆積體的形狀，運動軌跡、變化范圍等信息都可以根據(jù)影像色調(diào)、紋理等提取[13]。由于不同來源影像，其傳感器特征不一致，導致影像數(shù)據(jù)特征，坐標系等不一致，因此在解譯前需要對多源影像進行地理配準。同時由于其他物體遮蓋、背景反差等原因?qū)е掠行┪镌措y以識別，因此需要對圖像做增色處理、圖像銳化、波段變換等工作[12]。如圖2所示，圖2A為未處理影像，物源單體形狀、物源流動軌跡、以及基巖坡等信息不明確，經(jīng)過圖像處理以后結果如圖2B所示，物源單體形狀、物源流動軌跡、基巖坡等信息較為清晰。在此基礎上，通過人機交互方式開展泥石流物源解譯。本文主要想探討震后泥石流物源演化規(guī)律和侵蝕方式變化，因此將物源分為溝道物源和坡面物源進行解譯，并通過ArcGIS軟件強大的空間統(tǒng)計分析功能，對物源數(shù)量、面積、物源單體長度等進行計算。

表2 遙感影像相關信息

圖2 處理前后影像對比

2.2 指標選取與計算

為探究物源演化規(guī)律，文章選取物源數(shù)量、物源面積、物源密度、物源長軸長、物源形狀系數(shù)幾個參數(shù)作為物源演化量化指標(表3)。地震觸發(fā)滑坡、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象產(chǎn)生大量物源，在影像上每一處崩塌、滑坡形成物源都有一定形狀、范圍。震后隨著地質(zhì)環(huán)境恢復、降雨和重力作用、物源穩(wěn)定性提高等必將導致物源數(shù)量、面積發(fā)生變化。坡面或溝道物源在重力和降雨作用下逐漸向地勢低洼處運移，因此不同類型物源在運移過程中會逐漸相連接。因此物源長軸長和物源連接度體現(xiàn)了物源的運動特性，其中物源長軸長是沿解譯物源單體形狀中線量取的長度，可以描述物源運移強度大?。晃镌催B接度可以描述坡面物源轉(zhuǎn)換為溝道物源程度，同時也可以說明物源運移通道連通完善狀況[14]。物源形狀系數(shù)是參照流域水系理論定義，是指物源面積與長軸長平方比值，描述物源形狀變化的重要參數(shù)，其值越大，說明物源形狀越接近方形，反之則說明接近長條形[15]。通過物源連接度和物源形狀系數(shù)變化，可以揭示震區(qū)泥石流物源演化方式變化規(guī)律。通過以上指標選取，將物源分為溝道物源和坡面物源兩類，在參考前人建立物源解譯標志基礎上[16]，利用ArcGIS軟件根據(jù)物源單體在影像上紋理、色調(diào)等變化進行詳細解譯。并利用軟件空間分析功能和統(tǒng)計功能獲取所需基礎數(shù)據(jù)。利用軟件屬性統(tǒng)計功能時，分別建立物源面積、物源連接、物源長軸長等字段。將不同類型物源相互連接時屬性記為“1”，反之記為“2”；物源長軸長是通過量測工具量測并記錄；物源面積通過軟件自動獲取。結合前期他人解譯結果、野外考察數(shù)據(jù)、野外核查、影像特征等將屬于基巖溝床，基巖坡面的解譯結果進行剔除，由此統(tǒng)計和建立論文所需基礎數(shù)據(jù)。

表3 物源演化量化指標

3 結果與分析

3.1 物源時空演化規(guī)律

通過對研究區(qū)多期遙感影像物源解譯，利用ArcGIS軟件計算功能和統(tǒng)計功能計算出物源面積、物源密度、物源數(shù)量、連接度等，整理結果見表4—6。由解譯結可知，震初大量崩塌、滑坡造成松散物源堆積在溝道或懸掛在岸坡上。震后2008年，影像共解譯出物源1 310處，物源面積7.86 km2，物源密度為0.4。由圖3可知，地震導致靠近溝道兩側(cè)崩塌、滑坡物源直接進入主溝或支溝，支溝物源經(jīng)過地表徑流沖刷或泥石流挾帶作用與主溝相連結，有利于震區(qū)泥石流物源輸出，經(jīng)過統(tǒng)計可知，2008年，坡面物源連接度為0.34，溝道物源連接度為0.45。到2011年，坡面物源和溝道物源都有所增加，物源數(shù)量增長到1 582處，增長了21%，面積為6.67 km2，物源面積增加了15%，物源密度為0.34。這是由于地震導致山體松弛、地表破碎，松散物源充足，在降雨觸發(fā)條件下，進一步誘發(fā)新的崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象，同時隨著時間發(fā)展，一些崩塌、滑坡物源逐漸開始恢復穩(wěn)定，因此表現(xiàn)出物源數(shù)量增多，而面積在逐漸減少趨勢。另外在降雨沖刷和重力作用下，物源逐漸向下游運移，經(jīng)溝道徑流沖刷或泥石流挾帶作用排出溝口。該時期內(nèi)坡面物源連接度增長到0.56，溝道物源連接度增長到0.83。物源演化至2013年，部分坡面物源、溝道物源逐漸消失，物源數(shù)量減少到1 203處，較上期影像解譯結果減少了24%，物源面積減少到4.67 km2，減少了30%，物源密度由0.34減少到0.24，減少了29%。這是由于震后，隨著時間發(fā)展，震區(qū)地質(zhì)環(huán)境逐漸改善，植被恢復、泥石流物源趨于穩(wěn)定等所致。到2017年，坡面物源和溝道物源持續(xù)減少，部分物源逐漸消失。統(tǒng)計結果顯示，到2017年，物源數(shù)量減少到1 004處，減少了17%，物源面積為3.25 km2，減少了30%，物源密度為0.17，減少了29%。

表4 物源解譯統(tǒng)計

表5 坡面物源解譯統(tǒng)計

表6 溝道物源解譯統(tǒng)計

圖3 物源解譯結果

3.2 物源演化階段分析

汶川地震后，對于地震導致崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害后效應問題一直備受廣大專家學者關注。由于數(shù)據(jù)限制，對地質(zhì)災害演化趨勢預測的問題一直難以解決。震后有專家學者結合臺灣集集地震、日本關東地震演化規(guī)律指出汶川震后滑坡和泥石流活躍性保持高強度水平，且將持續(xù)10 a以上[4]，還有學者通過分析地震前后地質(zhì)災害數(shù)據(jù)，指出地震災害后效應將持續(xù)20～25 a[3]結論。震區(qū)泥石流物源不同演化階段對泥石流暴發(fā)頻率、規(guī)模等影響也不相同，為探究震區(qū)泥石流物源演化階段，本文在前人研究成果基礎上(圖4)，結合物源連接度、物源密度、物源數(shù)量、物源長軸長4個指標，將物源演化階段劃分為幼年期、青年期、壯年期、老年期4個階段。

幼年階段:該階段約為地震后至2009年，該時期特征主要為地震觸發(fā)大量崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象，形成大量松散堆積體堆積在溝道和坡面上(圖3)[3]，同時由于地震導致山體松弛、破裂，出現(xiàn)較多震裂和松動的山體，在降雨入滲增大孔隙水壓和重力作用下，破碎山體逐漸趨向于失穩(wěn)。

青年階段：該階段表現(xiàn)為由于前期降雨入滲增大孔隙水壓，使得崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象異?；钴S，快速增加至最大值(圖4，5)。同時在降雨形成地表徑流沖刷和重力作用下，物源逐漸向下游運移，部分物源經(jīng)支溝排入主溝。因此該時期物源連接度、物源數(shù)量、物源長軸長不斷增長，而隨著部分物源逐漸恢復穩(wěn)定及大量物源輸出流域，物源密度在逐漸減少(圖5)。隨著物源數(shù)量、物源連接度增加，使得該時期泥石流進入高暴發(fā)期，泥石流異常活躍。據(jù)圖4，圖5演化特征可知，該時期大致為2009—2011年前后。

壯年期：隨著前期坡面物源連接度增加，坡面物源大量輸出補給溝道物源，以致于泥石流暴發(fā)頻率高，泥石流松散物源被大量輸出流域。另外隨著震區(qū)地質(zhì)環(huán)境改善、植被恢復、崩塌和滑坡等造成松散固體物質(zhì)穩(wěn)定性提高，物源數(shù)量、物源密度、物源面積、物源連通度將逐漸降低(圖5)，但其所處水平仍高于震前最大暴雨年(圖4)。結合唐川、黃潤秋等人研究成果[3-4]，該時期大致為2011—2025年前后。

老年期：該時期是指隨著崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象恢復穩(wěn)定，地質(zhì)災害活躍性、數(shù)量等都低于震前最大暴雨年水平(圖4)。隨著崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象活躍性持續(xù)降低，泥石流物源連接度、物源數(shù)量、物源密度將不斷減少，震區(qū)泥石流活躍性將逐漸降低。

圖4 汶川震區(qū)地質(zhì)災害演化趨勢[3]

3.3 物源侵蝕方式演化

地震形成大量松散堆積體，Tang C等[5]將震區(qū)泥石流物源總結為懸掛物源和溝道物源兩類。在強降雨條件坡面物源或產(chǎn)生新的滑坡物源將向下運移輸入溝道成為溝道物源[17]，據(jù)統(tǒng)計分析，震區(qū)泥石流物源約有50%以上來源于坡面物源[18]。震后一段時間內(nèi)，坡面物源穩(wěn)定性較差，且物源量充足，在降雨條件下多以坡面流、碎屑流等方式補給溝道物源[19]，溝道物源常由于消防管效應、坡體液態(tài)化、以及地表徑匯流沖刷等形式啟動形成泥石流[18-19]。泥石流在運動過程中不斷發(fā)生揭底侵蝕以及溝道兩岸物源不斷坍塌補給泥石流，輸出流域出山口。由坡面物源和溝道物源解譯結果表5，表6可知，該時期坡面物源和支溝物源數(shù)量和連接度不斷在增加。據(jù)Zhang S等[20]研究發(fā)現(xiàn)，隨著震區(qū)泥石流物源內(nèi)細顆粒物質(zhì)被沖走，物源抗侵蝕能力提高，使得物源供給能力下降，泥石流類型將由土力類泥石流轉(zhuǎn)換為水力類泥石流。由表5，表6可知，隨著時間發(fā)展，坡面物源連接度快速降低，而溝道物源連接度則將長期處于較高水平。另外物源形狀系數(shù)越小，說明物源形狀呈長條形，圖6顯示坡面物源和溝道物源形狀系數(shù)整體上呈下降趨勢，說明物源形狀上逐漸向長條形演變。這主要是由于隨著后期坡面物源植被恢復，物源穩(wěn)定性提高，坡面物源侵蝕方式轉(zhuǎn)變?yōu)榧殰?、沖溝侵蝕，由此導致物源形狀呈現(xiàn)長條形。而溝道物源侵蝕由于坡面物源補給量減少，溝道物源細粒物質(zhì)被沖走，因此溝道物源多以徑流下切侵蝕為主，溝道兩岸物源較少出現(xiàn)崩塌或坍塌補給現(xiàn)象。

圖5 物源演化趨勢

4 結 論

(1) 通過高清影像解譯，四期影像物源面積解譯結果分別為7.86 km2，6.67 km2，4.67 km2，3.25 km2，分別減少了15%，30%，30%；物源數(shù)量為1 310處、1 582處、1 203處、1 004處，分別增長了21%，-24%，-17%。

(2) 地震導致大量同震滑坡、崩塌等地質(zhì)災害，造成大量松散堆積體堆積在溝道或懸掛在岸坡上。同時由于地震導致山體破裂、松弛，山體穩(wěn)定性降低，在降雨增加孔隙水和重力作用下誘發(fā)新的崩塌、滑坡將導致震區(qū)物源數(shù)量、物源連接度、物源長軸長呈先增長后降低趨勢，于2011年前后增長到最大值，隨后逐漸降低，直至恢復至震前水平，而物源面積以近直線形式逐漸降低。

圖6 物源形狀系數(shù)演化趨勢

(3) 結合前人研究基礎，將物源演化過程劃分為幼年階段、青年階段、壯年階段、老年階段4個階段。其中青年階段約為地震發(fā)生時到2009年前后。物源多為同震滑坡、崩塌形成松散物質(zhì)，在降雨入滲作用下，震裂山體逐漸失穩(wěn)或趨向于失穩(wěn)過程。青年階段為前期大量趨向失穩(wěn)山體發(fā)生崩塌、滑坡階段，該時期物源數(shù)量、物源密度、物源長軸長快速增長至最大值。該時期約為2009—2011年前后。壯年期特征為泥石流暴發(fā)頻率高，泥石流松散物源被大量輸出流域，且隨著震區(qū)地質(zhì)環(huán)境改善、植被恢復、崩塌和滑坡等造成松散固體物質(zhì)穩(wěn)定性提高，物源數(shù)量、物源密度、物源面積、物源連接度將逐漸降低，但其所處水平仍高于震前最大暴雨年，該時期大致為2011—2025年前后。老年期為泥石流物源最后時期，該時期隨著崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象進一步恢復穩(wěn)定，泥石流物源連接度、物源數(shù)量、物源密度將不斷減少，泥石流活躍性將低于震前最大暴雨年水平。

(4) 震后大量松散物源堆積在溝道和岸坡上，在降雨和重力作用下岸坡物質(zhì)多以坡面流、碎屑流方式補給溝道物源，而溝道物源多以消防管效應、坡體液態(tài)化、徑流沖刷等作用形成泥石流，不斷揭底侵蝕溝道物源，同時溝道兩岸物源以坍塌、崩塌形式繼續(xù)補給泥石流固相物質(zhì)。但是隨著物源細粒物質(zhì)被沖走，物源抗侵蝕能力和穩(wěn)定性逐漸提高，坡面物源侵蝕逐漸以溝道侵蝕為主，而溝道物源由于補給量減少，溝道內(nèi)泥石流將由土力類轉(zhuǎn)換為水力類泥石流，溝道被不斷下切侵蝕加深。