汶川地震滑坡與影響因素

侯景瑞，袁中夏

（1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000；2.中國地震局黃土地震工程開放實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅省巖土防災(zāi)工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730000)

0 前言

地震滑坡是山區(qū)和丘陵地帶的主要地震次生災(zāi)害，它的發(fā)生總是伴隨著巨大的損失，特別是中大型滑坡。2008年5月12 日四川汶川發(fā)生8.0級特大地震，震區(qū)主要以山地、丘陵為主。據(jù)統(tǒng)計(jì)由于次生地質(zhì)災(zāi)害所造成的損失中有三分之一是由滑坡造成[1]。它對人類生命和經(jīng)濟(jì)等所造成的影響的巨大，使得對于地震滑坡的研究更加受到重視[2]。

在中國地震烈度表中，地震滑坡作為烈度評價(jià)的參考因素之一，但是還缺乏量化的認(rèn)識。地震滑坡的發(fā)生是由地質(zhì)地貌、坡度及烈度等因素共同決定的，所以對于地震滑坡與影響因素的研究對于地震滑坡的量化及作為烈度參考都是十分必要的。本文應(yīng)用 RS/GIS針對地震滑坡的影響因素與地震滑坡的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性研究，建立地震滑坡與影響因素的量化關(guān)系，同時(shí)，根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果進(jìn)行地震滑坡危險(xiǎn)性分析。

1 研究區(qū)范圍及數(shù)據(jù)概況

研究區(qū)的遙感數(shù)據(jù)主要來自8景Aster和3景SPOT遙感影像，此外不還收集整理了其它基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和輔助解譯資料。遙感影像的分辨率、來源及相關(guān)說明具體情況如表1所示。

表1 資料信息

本文選取汶川地震烈度Ⅶ～Ⅺ度區(qū)作為研究區(qū)，包括或者部分包括了北川縣、江油市、平武縣、青川縣、文縣、舟曲縣、武都區(qū)、康縣、成縣、西和縣、禮縣和宕昌縣12區(qū)縣。

2 研究方法

通過運(yùn)用遙感及地理信息系統(tǒng)等技術(shù)對地震滑坡與影響因素進(jìn)行空間分析，綜合研究地震滑坡與各影響因素單一及綜合響應(yīng)關(guān)系，在研究過程中地震滑坡數(shù)據(jù)的獲得主要通過遙感解譯、基礎(chǔ)資料輔助分析及相關(guān)分析，其中基礎(chǔ)資料包括地形圖、地質(zhì)圖及數(shù)字高程影像等有助于辨別地震滑坡的一系列數(shù)據(jù)資料。

在研究的過程中主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：首先是遙感影像預(yù)處理，主要是應(yīng)用地形圖等對遙感影像進(jìn)行幾何較正及去噪等處理；其次是地震滑坡提取工作，先期主要是在已有經(jīng)驗(yàn)下提取確定滑坡、標(biāo)注不確定滑坡，后期則是對于那些不確定的地震滑坡利用DEM 疊加及其它資料輔助等綜合方法判定，得到最終的地震滑坡解譯數(shù)據(jù)；最后，地震滑坡數(shù)據(jù)與其它數(shù)據(jù)的疊加分析工作，得到研究區(qū)內(nèi)地震滑坡的分布特點(diǎn)和規(guī)律及研究區(qū)內(nèi)影響因素對于地震滑坡的控制作用及地震滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃圖。

3 地震滑坡與影響因素的關(guān)系

3.1 地震滑坡隨烈度變化規(guī)律

地震滑坡與烈度存在一定的變化關(guān)系。通過以烈度區(qū)為劃分單元，對各烈度區(qū)內(nèi)滑坡的頻度及不同規(guī)模滑坡比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。從分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表2）可知，隨著烈度的增大地震滑坡的頻度也隨之增大。

根據(jù)表2的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到圖1。從圖1（a）可知，面積＜10 000 m2的滑坡在各個(gè)烈度區(qū)的發(fā)生頻度幾乎是相同的；面積在10 000～100 000 m2的滑坡則隨著烈度的增大發(fā)生頻度表現(xiàn)出較大幅度的增大；面積＞100 000 m2的滑坡也表現(xiàn)出相似的變化，只是幅度相對較少。如圖1(b)所示，從整體上來說隨著地震烈度的增大地震滑坡的發(fā)生頻度也隨之增加，其中面積在10 000～100 000 m2的地震滑坡在各個(gè)烈度區(qū)都是發(fā)生頻度最大的。

從圖1中得知，面積在10 000～100 000 m2的地震滑坡在各個(gè)烈度區(qū)所占比例是最大的,約占總數(shù)的64.2%;隨著烈度的增大面積＜10 000 m2的地震滑坡所占比例減少，面積在10 000～100 000 m2的地震滑坡比例增加，在Ⅹ度區(qū)達(dá)到最大，在Ⅺ度區(qū)比例有所回減；而面積＞100 000 m2的地震滑坡在Ⅶ～Ⅹ度區(qū)所占比例均在15%左右，在Ⅺ度區(qū)達(dá)到24%左右。

通過對研究區(qū)地震滑坡數(shù)據(jù)分烈度統(tǒng)計(jì)分析圖2，得出地震滑坡發(fā)生頻度與烈度的對應(yīng)關(guān)系：

表2 Ⅶ～Ⅺ烈度區(qū)滑坡基本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖1 地震滑坡頻度信息Fig.1 Information of the earthquake landslides frequency.

圖2 頻度與烈度的關(guān)系Fig.2 Relationship between frequency and intensity.

Y代表頻度,單位為：個(gè)/100㎞2；x代表烈度。

看出，無論從整體還是從某一規(guī)模地震滑坡來講都與地震烈度呈現(xiàn)較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，而且，頻度與烈度的關(guān)系都可以用指數(shù)方程較好的擬合，公式（1）對于以后地震烈度評定和地震滑坡災(zāi)害分析都有一定的參考意義。

3.2 滑坡與到斷裂帶距離的關(guān)系

汶川地震的發(fā)震斷層龍門山斷裂帶是由北川－映秀斷裂、都江堰－和縣斷裂、理縣斷裂三條斷裂平行分布的斷裂構(gòu)成，長約500 km，寬約70 km，走向?yàn)镹E-SW，也是地震地質(zhì)災(zāi)害的密集帶。通過對解譯數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)可知，在汶川地震中地震引起的地震滑坡主要發(fā)生在北川-青川一線，主要沿龍門山斷裂帶分布，并且在越靠近斷裂帶滑坡數(shù)量越多。圖3是一個(gè)滑坡數(shù)量百分比對于距地震斷層距離的一個(gè)累積分布圖，可以間接看出曲線的變化速率是隨著距離的增加而減少的，也就是說在距地震斷裂較近的地方滑坡數(shù)量隨著距離的衰減的較快的；另一方面，也可直觀的看出，當(dāng)距離在0～40 km時(shí)滑坡數(shù)量已經(jīng)占了研究區(qū)一半以上，當(dāng)距離在 0～110 km時(shí)滑坡數(shù)量已經(jīng)在90%左右，更說明滑坡主要集中在距離斷裂較近的地方。

圖3 累積滑坡數(shù)量與斷距的關(guān)系Fig.3 Relationship between accumulations of landslides and distance to the seismogenic faults.

圖4 滑坡數(shù)量與到斷裂的距離的關(guān)系Fig.4 Relationship between counts of the landslides and distances to the seismogenic faults.

由于汶川地震地面破裂主要沿龍門山斷裂，所以，在平行和垂直破裂帶兩個(gè)方向滑坡數(shù)量的衰減速度是不相同的，從圖4可知，在短軸方向也就是垂直破裂方向滑坡數(shù)量隨著距離減少的速度較平行方向快。還可以看出，在0～40 km的范圍內(nèi)短軸方向的滑坡數(shù)量明顯高于長軸方向的滑坡數(shù)量，數(shù)量比約為1.7：1，占滑坡總數(shù)的一半以上，這也說明滑坡主要是沿著長軸方向也就是破裂方向分布的。

3.3 地震滑坡與坡度和高程的關(guān)系

坡度是控制滑坡發(fā)生的一個(gè)主要因素。對于地震滑坡而言，滑坡的發(fā)生坡度及坡度與滑坡的關(guān)系不同于普通滑坡，由于是在內(nèi)因外因共同作用下發(fā)生的，地震滑坡有一個(gè)強(qiáng)烈的地震能量觸發(fā)條件。地震滑坡一般為大量滑坡同時(shí)或短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，所以有一定的連帶效應(yīng)，一些滑坡發(fā)生后使得其上層山體失去支撐，進(jìn)而發(fā)生更多滑坡。理論上坡度越大滑坡越容易發(fā)生，但是坡度越大巖土的易碎性也是越大的，也是最不穩(wěn)定的，這些坡度大的地方在長久的自然磨蝕中可能早已滑落，只剩下堅(jiān)硬的巖石，所以，會(huì)存在一個(gè)地震滑坡發(fā)生最多的坡度范圍。分析圖5可以看出，坡度在25°～40°時(shí)發(fā)生的滑坡最多，占總數(shù)的44.7%近于半數(shù)。

圖5 坡度與滑坡數(shù)量關(guān)系Fig.5 Relationship between slope grades and counts of the landslides.

高程為滑坡的移動(dòng)提供了勢能，決定了地震滑坡的滑動(dòng)距離。從對滑坡解譯數(shù)據(jù)與高程數(shù)據(jù)疊加后的數(shù)據(jù)分析（圖 6）可知，研究區(qū)內(nèi)地震滑坡主要發(fā)生在1.0～1.5 km高程內(nèi)，約占研究區(qū)內(nèi)滑坡總數(shù)量的42%。

3.4 地震滑坡與坡向的關(guān)系

在研究地震滑坡的空間分布特征中發(fā)現(xiàn)地震滑坡的發(fā)生具有方向性，體現(xiàn)在地震滑坡在某些坡向方向會(huì)較為密集發(fā)生。研究中將地震滑坡的坡向分成北、東北、東、東南、南、西南、西、西北8個(gè)方向，分別統(tǒng)計(jì)得到，在研究區(qū)內(nèi)所發(fā)生的地震滑坡主要集中在東、東南和南三個(gè)方向，約占地震滑坡總數(shù)的一半。這三個(gè)方向分別指向地震震中和垂直發(fā)震破裂帶，可見滑坡的空間分布受坡向和震中及與斷裂走向之間的對應(yīng)關(guān)系控制。

圖6 高程與滑坡數(shù)量關(guān)系Fig.6 Relationship between elevation and counts of the landslides.

4 地震滑坡危險(xiǎn)性預(yù)測

地震滑坡的發(fā)生是在各種影響因素的共同作用下發(fā)生的，地震滑坡在空間分布上的差異性與其所處位置的環(huán)境等因素是密不可分的，各種因素在地震滑坡中所起到的效應(yīng)也是不同的。本文以GIS為手段，通過疊加方法綜合各種因素的影響，判斷一個(gè)地區(qū)發(fā)生地震滑坡的可能性大小。因素影響疊加方法就是將影響地震滑坡的因素通過一定的計(jì)算法則賦值，并通過模型進(jìn)行計(jì)算。在本文中使用線性疊加模型

R(αi)為表示地震滑坡危險(xiǎn)程度函數(shù)；αi表示地震滑坡影響因素值，其計(jì)算方法采用相對臨近程度方法進(jìn)行劃分賦值。最臨近程度是以每個(gè)因素的最易發(fā)生值為中心，計(jì)算每一個(gè)因素變量到其中心的距離，并根據(jù)距離進(jìn)行賦值，相對臨近程度分計(jì)算如下：

xi代表影響因素；m代表某一因素的最易發(fā)生地震滑坡值，該值采用本文上一節(jié)中的研究結(jié)果。

通過GIS中的VBA腳本對照表3對每一個(gè)圖層進(jìn)行賦值運(yùn)算，得到R值在5～24區(qū)間，將R＜10定為輕微危險(xiǎn)區(qū)，10≦R＜14定為中等危險(xiǎn)區(qū)，14≦R＜19定為嚴(yán)重區(qū)，19≦R定義為極重危險(xiǎn)區(qū)。圖7為根據(jù)上述方法所得到的危險(xiǎn)程度區(qū)劃圖。

表2 地震滑坡影響因素及賦值參考

圖7 地震滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃圖Fig.7 Earthquake landslide hazard zoning map.

從圖7中可以看出得到的結(jié)果與實(shí)際情況比較相符，整體上表現(xiàn)為隨著烈度的降低地震滑坡危險(xiǎn)性也隨之降低。而在每一個(gè)烈度區(qū)內(nèi)地震滑坡在某些地方密集出現(xiàn)，體現(xiàn)了影響因素對地震滑坡危險(xiǎn)性的控制作用，這與實(shí)際的調(diào)查結(jié)果也是相符的，基本可以反映出地震滑坡的危險(xiǎn)程度分布。本方法較以前的研究學(xué)者不同的是，本文采用的最臨近程度方法以每個(gè)因素的最大發(fā)生值為基點(diǎn)，以距離基點(diǎn)的長度進(jìn)行賦值，而不是以每個(gè)因素的值變化區(qū)間梯度性賦值，所以更為合理，更能反映出實(shí)際情況。

將RS/GIS應(yīng)用到地震滑坡危險(xiǎn)性應(yīng)用分析中，更有利于對地震滑坡因素進(jìn)行管理和空間分析，GIS的強(qiáng)大功能也為模型實(shí)現(xiàn)提供了最為便利的條件。從圖7中能夠看出，通過最臨近程度方法得到的地震滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃圖與烈度圖比較匹配，也就是說，通過臨近程度方法得到的地震滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃圖可以定量的反映地震烈度信息。作為地震烈度評定的定量參考因素，其與遙感及地理信息系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用對于地震災(zāi)害快速評定也有一定的意義。

5 結(jié)論

基于對研究區(qū)滑坡數(shù)據(jù)與烈度及環(huán)境因子關(guān)系的統(tǒng)計(jì)分析研究，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1) 地震震級控制著滑坡的總面積，而地震烈度影響著地震滑坡的空間分布，且隨著烈度的衰減地震滑坡的發(fā)生頻度無論從整體上還是從某一規(guī)模上都隨之減少，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。

(2) 地震破裂帶對于地震滑坡的分布有較大的控制作用，地震滑坡主要集中在距離斷裂較近的地方，當(dāng)距離在0～40 km時(shí)滑坡數(shù)量占了一半以上，當(dāng)距離在0～100 km時(shí)滑坡數(shù)量已經(jīng)在90%左右；在垂直和平行于破裂帶的方向滑坡數(shù)量衰減速度不同，在短軸方向滑坡數(shù)量隨著距離減少的速度較平行方向快。

(3) 地形條件對于地震滑坡的空間分布有較強(qiáng)的控制作用，分析發(fā)現(xiàn)地震滑坡主要發(fā)生在25°～40°坡度范圍，在高程上主要集中在 1.0～1.5 km高程區(qū)間。

(4) 滑坡的坡向方向與震中和斷裂方向的關(guān)系，決定了地震滑坡坡向與密集度的關(guān)系，研究表明，坡向指向震中和垂直于斷裂走向的方向地震滑坡高密度發(fā)生。

(5) RS/GIS在地震滑坡空間分布研究中的應(yīng)用提高了工作效率，有利于管理和進(jìn)一步研究。本文以最臨近程度方法進(jìn)行建模，結(jié)合GIS及VBA腳本語言，對研究區(qū)進(jìn)行地震滑坡危險(xiǎn)性分析取得了較好的成果，說明本方法在地震滑坡分析中有較好的精確性和實(shí)用性。

[1]汶川大地震災(zāi)情報(bào)告[J].中國審計(jì)，2008.

[2]陳曉利，葉洪. 利用GIS進(jìn)行地震滑坡分析[J]. 山西地震，2003，2（17）：17-19.

[3]李秀珍，孔紀(jì)名，崔云,等. 汶川地震滑坡與地震參數(shù)及地質(zhì)地貌因素之間的相關(guān)關(guān)系 [J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010，18（1）：8-14.

[4]李宏男，肖詩云，霍林生. 汶川地震震害調(diào)查與啟示 [J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2008，29（4）：10-19.

[5]王秀英，聶高眾，王登偉. 汶川地震誘發(fā)滑坡與地震動(dòng)峰值加速度對應(yīng)關(guān)系研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（1）：82-89.

[6]梅安新，彭望琭,等. 遙感導(dǎo)論 [M]. 北京：高等教育出版社，2001.

[7]彭瑛,等.基于遙感調(diào)查的汶川地震極重災(zāi)區(qū)次生地質(zhì)災(zāi)害分布特征[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2010，19（1）：107-111.

[8]吳瑋江，王念秦.甘肅滑坡災(zāi)害 [M]. 蘭州：蘭州大學(xué)出版社，2006.

[9]袁中夏，王蘭民.意大利南部 San Arcangelo市滑坡研究自[J]. 然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2005，14（1）：25-31.