震后滑坡地表時空演化過程與規(guī)律
——以汶川地震滑坡銀洞子滑坡為例

王禮勇， 楊宗佶， 付校龍， 劉世皓， 喬建平

(1.中國科學(xué)院、 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 成都 610041； 2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

滑坡、泥石流是西南山區(qū)最常見的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，而其主要的觸發(fā)因素為地震和降雨[1-2]。2008年5月12日四川汶川發(fā)生Ms8.0級特大地震，本次地震震級高、震源淺、破裂帶長、持時長且地震動響應(yīng)強(qiáng)烈[3]。汶川地震導(dǎo)致山體松動并形成大量的潛在滑坡和同震滑坡松散堆積體，據(jù)統(tǒng)計(jì)該地震共觸發(fā)滑坡數(shù)量約為5.6×104[4-5]。汶川地震發(fā)生后，中外相關(guān)學(xué)者在地震誘發(fā)滑坡機(jī)制[6-7]、空間分布[8]、震后孕災(zāi)環(huán)境與滑坡的聯(lián)系[9]、震后滑坡敏感性[10]、震區(qū)松散堆積體巖土特性[11]等方面展開了大量研究，為震區(qū)的恢復(fù)重建工作提供了必要的理論支撐。

然而，地震效應(yīng)對邊坡穩(wěn)定性的影響是一個長期的過程。強(qiáng)震后震區(qū)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害具有顯著增強(qiáng)的趨勢，強(qiáng)降雨頻繁誘發(fā)的滑坡、泥石流災(zāi)害成為震區(qū)新的威脅[12]。中外學(xué)者對震后滑坡活動性展開了大量研究，日本關(guān)東Ms7.9級地震后，一些學(xué)者基于震后降雨滑坡大量實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析研究了震后滑坡的活動趨勢和規(guī)律[13-14]；巴基斯坦KashmirMs7.6級地震后相關(guān)學(xué)者結(jié)合震后滑坡面積變化、時空分布規(guī)律探究了震區(qū)震后2年[15]、5年[16-17]地質(zhì)災(zāi)害活動性；中國臺灣集集Ms7.6級地震后，有學(xué)者分析1996—2008年期間降雨時間與震后滑坡活動強(qiáng)度變化規(guī)律，認(rèn)為震后滑坡活動強(qiáng)度呈上升趨勢[18-20]。針對“5·12”汶川地震，黃潤秋[3]結(jié)合地震前后3年滑坡變化規(guī)律預(yù)測震后地質(zhì)災(zāi)害活動性，認(rèn)為震后地質(zhì)災(zāi)害將持續(xù)20～25年；崔鵬等[21]預(yù)測震后5年為滑坡、泥石流的高發(fā)期，持續(xù)時間約10年；唐川等[22]對比分析日本關(guān)東地震和臺灣集集地震震后滑坡、泥石流演化規(guī)律，預(yù)測汶川強(qiáng)震區(qū)近10年滑坡活動將持續(xù)活躍。目前針對汶川地震震后滑坡活動開展長期的研究還相對較少，特別是針對極震區(qū)震后滑坡時空演化的研究鮮有報道。本文對汶川地震銀洞子滑坡體地表過程展開為期10年的研究，深入分析降雨激發(fā)條件下震后滑坡的時間變異和空間分布模式，預(yù)測地震滑坡堆積物再啟動的失穩(wěn)模式和活動頻率，以期為震區(qū)震后地質(zhì)災(zāi)害的防控提供參考。

1 研究區(qū)概括

研究區(qū)位于四川省都江堰白沙河左岸銀洞子溝流域，屬于汶川地震極震區(qū)，最高海拔2 050 m，最低海拔1 030 m,相對高差1 020 m，為典型的中山峽谷地貌。如圖1所示，銀洞子溝流域面積約2.2 km2，主溝長約2.5 km，溝壑寬約1 km，主溝平均縱坡降310‰。銀洞子滑坡由“5·12”汶川地震激發(fā)，滑坡體整體呈圓弧形，后緣高程1 520 m，前緣高程1 352 m,相對高差168 m，滑坡面積約1.58×105m2,滑坡體積約5×105m3。研究區(qū)出露巖層主要為震旦系火山巖組的花崗巖、安山巖、閃長巖、凝灰?guī)r及部分變質(zhì)巖，以及第四系的松散碎石土。地震滑坡堆積體主要由礫石組成，結(jié)構(gòu)松散，在震后降雨作用下常常失穩(wěn)垮塌為泥石流發(fā)生提供了豐富的物源。震后滑坡泥石流的頻繁活動對汶川震區(qū)的財產(chǎn)生命安全和重大工程建設(shè)、運(yùn)營造成了重大影響[23-25]。

圖1 銀洞子溝流域全景圖(日期：2014年5月26日)Fig.1 The image of Yindongzi gulley on May.26, 2014

2 方法

2.1 遙感影像解譯

表1為研究中獲取的銀洞子滑坡震后10年遙感影像圖信息。遙感影像解譯數(shù)字化過程采用人工目視判讀法。在高分辨率的遙感影像中，不同地物對應(yīng)于不同的影像特征，如顏色、色調(diào)、相對位置、形狀及紋理等，其可作為震后滑坡的解譯標(biāo)志[26]。根據(jù)顏色、色調(diào)、形狀、相對位置以及紋理等幾方面建立了的遙感解譯標(biāo)志，通過地理信秘系統(tǒng)(GIS)平臺對所有影像進(jìn)行解譯并量化震后滑坡的面積變化。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)信息

2.2 無人機(jī)影像處理

無人機(jī)航拍工作是在云層之下超低空環(huán)境中進(jìn)行的，其突破了云層的限制和干擾，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)航空攝影無法獲取理想影像的不足?；跓o人機(jī)低空攝影技術(shù)獲取了銀洞子滑坡多期航拍照片，采用中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所自主研發(fā)的空三處理軟件建立了正射影像模型。該處理方法采用基于共線方程的嚴(yán)格幾何模型來正射校正無人機(jī)遙感圖像[(式1)、式(2)]。共線方程校正法是在無人機(jī)遙感成像時的位置和姿態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬和解算的，計(jì)算中使用了飛行時同步記錄的拍攝時刻的圖像內(nèi)、外方位元素。該方法理論嚴(yán)密且?guī)缀尉容^高，可以消除外方位變化和地形起伏引起的各種圖像變形，對地形起伏較大的山區(qū)影像校正具有顯著的優(yōu)越性。研究區(qū)同一地面點(diǎn)的重疊度越高，該處的精度就越高。正射校正了獲取的每幅影像，并依據(jù)相同地物控制點(diǎn)對正射校正影像進(jìn)行裁剪和最優(yōu)化拼接。

x-x0=

(1)

y-y0=

(2)

式中：X、Y、Z是攝影中心在地面坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；f是相機(jī)焦距；x0、y0是像主點(diǎn)影像坐標(biāo)；aij(i=1,2,3;j=1，2，3)是三個方位角元素(φ，ω，κ)的旋轉(zhuǎn)矩陣元素。

2.3 數(shù)字高程模型差分計(jì)算

滑坡地表過程在地形上表現(xiàn)為失穩(wěn)區(qū)高程降低、堆積區(qū)高程升高。降雨激發(fā)條件下淺層滑坡的規(guī)模計(jì)算采用了ArcGIS軟件中的3D Analyst工具的填挖方功能。為了獲取更準(zhǔn)確的淺層滑坡體積，減少計(jì)算誤差，研究中根據(jù)正射影像確定了降雨激發(fā)下震后滑坡的具體范圍，并采用震后滑坡發(fā)生前后的數(shù)字高程模型(DEM)差分計(jì)算淺層滑坡的體積。計(jì)算公式為

(3)

式(3)中：Ai為第i個子區(qū)域面積，為單個柵格像元面積與柵格像元個數(shù)的乘積；Hi為滑坡發(fā)生之前的高程；hi為滑坡之后的高程；n為計(jì)算中劃分的子區(qū)域數(shù)量；V為滑坡體積，為正數(shù)表示該子區(qū)為滑坡區(qū)，為負(fù)數(shù)則代表堆積區(qū)。

3 震后滑坡地表過程時空演化規(guī)律

3.1 滑坡地表過程空間分布特征

圖2展示了2008年銀洞子地震滑坡的初始形態(tài)：滑坡堆積體整體堆積于銀洞子溝，滑坡邊界清晰且呈圓弧形。

圖2 2008年5月31日地震后銀洞子滑坡影像Fig.2 The image of Yindongzi landslide after the earthquake on May 31, 2008

圖3顯示了銀洞子松散堆積體震后10年的地表全過程。2008年12月的影像圖表明滑坡堆積體坡面已初步形成了三條侵蝕細(xì)溝，侵蝕細(xì)溝狹窄但基本貫通，總面積為11 072.1 m2[圖3(a)]；侵蝕細(xì)溝在下切侵蝕作用下不斷向兩側(cè)擴(kuò)張，形成典型的拉槽侵蝕型泥石流物源。圖3(b)表明堆積體坡面侵蝕拉槽明顯擴(kuò)張加深，面積為23 633.6 m2。2013年5月影像圖顯示滑坡堆積體Ⅱ號和Ⅲ號侵蝕拉槽進(jìn)一步擴(kuò)張加深，拉槽面積增至34 290.7 m2。同時，滑坡堆積體前緣發(fā)生3處小型淺層滑坡，總面積為2 143.2 m2[圖3(c)]；圖3(d)顯示了2017年5月銀洞子滑坡堆積體植被逐漸恢復(fù)，侵蝕拉槽面積為37 416.2 m2，堆積體前緣淺層滑坡面積為6 265.1 m2。2013年5月—2017年5月4年內(nèi)坡面侵蝕拉槽面積增量相對較緩，面積增量為3 125.5 m2；前緣淺層滑坡逐漸擴(kuò)張，增量為4 121.9 m2，占總增量56.9%。圖3(e)、圖3(f)顯示坡面侵蝕拉槽趨于穩(wěn)定，而前緣淺層滑坡不斷向后擴(kuò)展。根據(jù)2018年7月22日無人機(jī)獲取的影像，侵蝕拉槽面積為37 613.4 m2，前緣淺層滑坡面積為13 946.2 m2。2017年5月28日—2018年7月22日期間失穩(wěn)總面積增量為7 878.3 m2，而堆積體前緣淺層滑坡面積增量為7 681.1 m2,占失穩(wěn)總面積增量97.5%，表明了震后滑坡失穩(wěn)方式逐漸以前緣淺層滑坡為主。

圖3 銀洞子滑坡影像圖Fig.3 Changes in the images of the Yindongzi landslide

研究中將震后滑坡方式按空間分布分為坡面侵蝕拉槽和前緣淺層滑坡，坡面侵蝕拉槽從下游至上游依次編號Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，堆積體前緣局部淺層滑坡從上至下依次編號No.1～No.6(圖3)。基于震后10年多時相遙感影像解譯，銀洞子滑坡面積統(tǒng)計(jì)如圖4所示，坡面侵蝕拉槽與前緣淺層滑坡活動性有明顯的時間差異。侵蝕拉槽在震后5年內(nèi)極度發(fā)育并趨于穩(wěn)定狀態(tài)，而堆積體前緣淺層滑坡發(fā)生于地震5年后(2013年)且具有逐漸增大的活動趨勢。

圖4 震后滑坡面積Fig.4 Area statistics of post-seismic landslides

圖5 銀洞子震后滑坡面積變化Fig.5 Variations in area of post-seismic landslides in the Yindongzi gulley

圖5為銀洞子滑坡的面積變化。結(jié)果表明，地震后5年震后滑坡總面積迅速增長，隨后增長速率明顯減小，目前失穩(wěn)總面積仍保持增長趨勢；失穩(wěn)面積增量變化曲線呈振蕩式遞減型，總失穩(wěn)面積變化增量最大峰值出現(xiàn)在2010—2013年期間，ΔS=12 800.2 m2，以坡面侵蝕拉槽為主；2014—2017年間滑坡面積增量較小，屬平穩(wěn)期；2017年之后失穩(wěn)面積再次增長，以堆積體前緣淺層滑坡為主。

3.2 數(shù)字高程模型DEM

數(shù)字高程模型DEM是表示地形的三維向量有限序列，它是用一系列的X、Y方向上地形點(diǎn)的高程Z來表示地形。以滑坡堆積體前緣淺層滑坡區(qū)為研究對象，在ArcGIS空間分析平臺上的挖填方功能中精確計(jì)算了2017年以來2次典型震后滑坡的空間分布(圖6)。表2為震后滑坡高差柵格統(tǒng)計(jì)。結(jié)果表明，2017年“8·28”震后滑坡并轉(zhuǎn)化為泥石流前后，滑坡區(qū)高程變化范圍為-9.1～12.8 m，平均高差為4.3 m，其中高差0～5 m的柵格數(shù)占DEM總柵格的64.35%，驗(yàn)證了銀洞子滑坡堆積體是以淺層滑坡為主；經(jīng)實(shí)地調(diào)查此次泥石流總體積為7.8×104m3，DEM差分計(jì)算前緣淺層滑坡體積為71 853 m3，約占此次泥石流物源的92.1%。2018年“6·26”震后滑坡并轉(zhuǎn)化為泥石流前后，滑坡區(qū)高程變化-3～15 m，平均高差為2.0 m，其中高差0～5 m的柵格數(shù)占DEM總柵格數(shù)的83.46%，表明堆積體失穩(wěn)方式仍以淺層滑坡為主；DEM差分計(jì)算淺層滑坡總體積為44 176.7 m3，而泥石流堆積物總體積為5.0×104m3，約占此次泥石流的88.35%。

圖7顯示了前緣淺層滑坡區(qū)的坡度變化。結(jié)果表明淺層滑坡區(qū)坡度集中分布于30°～45°，分別占43.4%、41.5%、45.48%、39.97%(表3)。坡度大于45°的陡坡柵格數(shù)呈逐漸增加趨勢，分別為12.3%、18.9%、18.67%、22.49%，根據(jù)坡度空間分布，陡坡(≥45°)主要分布在堆積體前緣的后緣(圖7)。研究認(rèn)為這是因?yàn)榻涤昙ぐl(fā)條件下堆積體前緣失穩(wěn)導(dǎo)致堆積體臨空面增加，后緣坡度變陡，形成逐漸向后推移的牽引式滑坡破壞模式。

圖6 震后滑坡DEM差分Fig.6 DEM difference results of post-earthquake landslides

表2 基于DEM差分計(jì)算的高差結(jié)果

圖7 堆積體前緣淺層滑坡區(qū)的坡度分布Fig.7 Slope gradient variation of shallow failure at toe of slope

3.3 滑坡事件活動性及其規(guī)律

根據(jù)實(shí)地調(diào)查，銀洞子滑坡并轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害共計(jì)16次，均發(fā)生于雨季。其中14次發(fā)生在震后5年內(nèi)，這與滑坡堆積體地表過程失穩(wěn)面積變化基本吻合。研究中收集了16次事件的觸發(fā)日降雨量，震后滑坡最小日降雨量為39 mm，最大日降雨量為224.4 mm(表4)。震后5年內(nèi)銀洞子震后滑坡平均觸發(fā)日降雨量為87.2 mm。統(tǒng)計(jì)了震后10年觸發(fā)日降雨量變化，并結(jié)合震后滑坡時空規(guī)律建立了觸發(fā)日降雨量演化模型(圖8)。震前該流域未發(fā)生滑坡泥石流，認(rèn)為觸發(fā)日降雨量趨于一個極大值，震后若同一年發(fā)生多次滑坡并轉(zhuǎn)化為泥石流則取平均日降雨量。結(jié)果表明，震后5年觸發(fā)日降雨量明顯降低，隨后觸發(fā)日降雨量隨時間振蕩式遞增，這與該流域震后滑坡面積增量曲線呈相反趨勢。

表3 堆積體前緣淺層滑坡區(qū)坡度變化

圖8 銀洞子流域震后滑坡觸發(fā)降雨量演化模型Fig.8 Daily rainfall evolution model that triggered landslidein the Yindongzi gulley

表4 銀洞子溝滑坡并轉(zhuǎn)化為泥石流事件

研究中分別于2010、2016、2017、2018年在滑坡堆積體前緣失穩(wěn)區(qū)采取土樣，并通過室內(nèi)顆分實(shí)驗(yàn)分析震后滑坡物質(zhì)運(yùn)移過程中土體結(jié)構(gòu)的演化模式。圖9為該滑坡堆積體顆粒級配變化。2010年土樣粒徑小于2 mm的土體含量占39.4%,而2018年土樣細(xì)顆粒含量減少到27.6%，同時粗顆粒土體含量從60.6%增加到72.4%(表5)。表明銀洞子滑坡堆積體物質(zhì)結(jié)構(gòu)呈粗顆粒含量增多而細(xì)顆粒含量逐漸減少的粗化趨勢。

圖9 年土體顆粒級配曲線Fig.9 Particle distribution curves of deposits

表5 土體顆粒粒徑統(tǒng)計(jì)

4 銀洞子溝典型滑坡事件特征

2009年7月17日凌晨研究區(qū)開始降雨，降雨集中在凌晨3—6點(diǎn)，雨強(qiáng)達(dá)60～70 mm/h，日累計(jì)雨量為100.40 mm。在強(qiáng)降雨下銀洞子邊坡首次發(fā)生滑坡并轉(zhuǎn)化為泥石流。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，此次沖出的泥石流呈扇形堆積于溝口，部分泥石流越過公路沿河道沖入白沙河流域[圖10(a)]。堆積面積約6.0×103m2，堆積總量達(dá)8.0×104m3。根據(jù)實(shí)地調(diào)查此次泥石流的主要物源為主溝松散堆積物和坡面侵蝕拉槽。

2013年7月8—10日期間研究區(qū)持續(xù)降雨，累計(jì)降雨量達(dá)522.4 mm，其中7月9日日累計(jì)降雨量達(dá)217.2 mm[圖11(a)]。在降雨地表徑流產(chǎn)生的強(qiáng)烈侵蝕作用下，坡面侵蝕拉槽向兩側(cè)不斷擴(kuò)張，形成典型的拉槽侵蝕型泥石流物源。泥石流堆積物在溝口處整體呈扇形堆積，少部分泥石流越過公路堆積于公路下方，堆積區(qū)面積約5×103m2,規(guī)模為5.0×104m3[圖10(b)]。

圖10 震后滑坡并轉(zhuǎn)化為泥石流堆積于銀洞子溝口Fig.10 The landslides and transformed into debris flows and accumulated at the mouth of Yindongzi gulley

圖11 震后滑坡觸發(fā)降雨量Fig.11 Rainfall threshold in three landslide events

2017年8月27日22點(diǎn)該流域開始降雨，日累計(jì)降雨量為213.3 mm[圖11(b)]。此次強(qiáng)降雨導(dǎo)致了研究區(qū)發(fā)生滑坡并轉(zhuǎn)化為泥石流。通過實(shí)地調(diào)查泥石流均堆積于公路上側(cè)的溝口，堆積面積2.3×104m2，規(guī)模達(dá)7.8×104m3[圖10(c)]。高精度遙感圖顯示滑坡堆積體前緣牽引式淺層滑坡為該次泥石流的主要物源。

2018年6月25日該流域持續(xù)降雨，小時降雨強(qiáng)度高達(dá)46 mm/h,日累計(jì)降雨量為224.4 mm[圖11(c)]。降雨條件下地表徑流沿堆積體侵蝕拉槽不斷匯流，侵蝕拉槽不斷向兩側(cè)擴(kuò)張，同時主溝在洪水下切侵蝕作用下溝道加深、臨空面增加、地形坡度進(jìn)一步變陡。此次降雨導(dǎo)致研究區(qū)發(fā)生大規(guī)模淺層滑坡并轉(zhuǎn)化為泥石流。如[圖10(d)]所示，泥石流沖出溝口堆積于公路上側(cè)，堆積面積1.7×104m2，堆積體積規(guī)模達(dá)5.0×104m3。

通過對四次典型滑坡并轉(zhuǎn)化為泥石流災(zāi)害事件的失穩(wěn)空間分布、規(guī)模以及觸發(fā)降雨量等特征分析。結(jié)果表明，震后滑坡并轉(zhuǎn)化為泥石流均發(fā)生于6—9月的雨季，失穩(wěn)方式從坡面侵蝕拉槽過渡為前緣淺層滑坡，且滑坡規(guī)模逐漸減小，泥石流運(yùn)輸距離變短，而觸發(fā)日降雨量呈逐漸增大的趨勢。

5 結(jié)論

通過對汶川極震區(qū)典型地震滑坡堆積體地表過程展開為期10年的研究，取得的主要結(jié)論如下。

(1)提出了震后滑坡地表過程時空演化模式。銀洞子滑坡堆積體震后滑坡地表過程：地震堆積體表面較松散土體流失→坡面侵蝕拉槽→堆積體前緣的牽引式淺層滑坡；震后滑坡活動頻率呈震蕩式衰減，震后5年為滑坡極度活躍期，隨后進(jìn)入3年的平穩(wěn)期，目前仍處于不穩(wěn)定階段。

(2)通過基于無人機(jī)高空攝影建立的滑坡前后DEM對比差分，發(fā)現(xiàn)銀洞子滑坡堆積體前緣陡坡(≥45°)保持增長趨勢，降雨激發(fā)條件下震后滑坡將繼續(xù)以牽引式淺層滑坡方式向后緣失穩(wěn)垮塌，為該流域發(fā)生泥石流的提供主要物源。

(3)揭示了強(qiáng)震區(qū)滑坡堆積體物質(zhì)運(yùn)移過程中土體結(jié)構(gòu)的演化模式。在滑坡并轉(zhuǎn)化為泥石流物質(zhì)運(yùn)移過程中，堆積體土體細(xì)顆粒(≤2 mm)逐漸流失，其物質(zhì)組成具有明顯的粗化現(xiàn)象。

(4)初步建立了震后滑坡觸發(fā)日降雨量演化模型。震區(qū)震后地質(zhì)災(zāi)害敏感性明顯增強(qiáng)，觸發(fā)日降雨量在震后5年明顯降低，隨后保持不斷增長趨勢，并將逐漸恢復(fù)到震前水平。