強震區泥石流物源演化指標選取及規律分析

熊 江, 唐 川, 龔凌楓, 史青云, 李 寧

(成都理工大學 地質災害防治與地質環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]。地震使得震區地質環境異常脆弱，崩塌、滑坡、泥石流等地質災害異常活躍，并將持續較長時期。據專家研究發現，震區地質災害將以4～5 a為周期呈出震蕩式衰減，持續時間長達20～25 a[3]。震后隨著時間推移，崩塌、滑坡等地質過程將逐漸趨向于穩定，而泥石流由于其暴發的物源條件、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10 a[4]。震后，泥石流暴發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，震區易暴發群發性泥石流[5]。如北川及蘇保河流域及其支溝暴發了“9·24”泥石流，沖出固體物質淤埋深度約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年暴發了“8·13”群發性泥石流，其中文家溝沖出物質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[6]。映秀鎮紅椿溝暴發“8·14”特大泥石流，沖出物質約75萬m3，并形成堰塞湖以及洪水等次生災害，對映秀鎮形成重大威脅[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模、頻率、流體性質產生重要影響。震后已有部分學者探討了泥石流物源和堆積體動態演化規律[7-9]，另外還有學者基于野外調查基礎數據，探討了泥石流性質及其物理作用演化規律[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”一體調查數據，分析物源演化規律。通過以上研究，對于進一步揭示和認識震區泥石流物源演化規律提供科學依據。

1 研究區概況

研究區位于四川省阿壩州汶川縣映秀鎮北部，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)。研究區內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，研究區屬于高山峽谷區，海拔高度多在1 500 m以上，流域內流水下切侵蝕作用強烈，溝谷呈V型，坡度多大于35°，為泥石流暴發提供充足動力條件。地質構造上，研究區地處秦嶺地質構造帶、龍門山地質構造帶、馬爾康地質構造帶結合部位，流域地質構造復雜，褶皺和斷裂發育[11]，在地震作用下形成大量松散碎屑物質為泥石流暴發提供充足物源條件。氣候上，研究區平均多年降雨約750 mm，降雨多集中在5—10月，約占全年降雨量80%～90%，為泥石流暴發提供充足降雨條件。震后，研究區內泥石流暴發條件充足，暴發頻率較高，據前人研究可知，關山溝于2008年5—8月共發生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，其暴發泥石流頻率、規模等較大，對震區居民生命財產，基礎設施造成巨大威脅。因此開展震后泥石流物源演化規律及其演化特征分析，對于防災減災及震區恢復建設具有重要作用。

表1 研究區泥石流流域信息統計

圖1 研究區地理位置

2 數據和方法

2.1 數據來源與處理

文章用于分析震后泥石流物源演化規律的數據包括等高距為5 m的地形圖，通過地形圖繪制高精度數字高程模型(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，數據質量較高，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影像色調、紋理等提取[13]。由于不同來源影像，其傳感器特征不一致，導致影像數據特征，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、背景反差等原因導致有些物源難以識別，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軟件強大的空間統計分析功能，對物源數量、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

為探究物源演化規律，文章選取物源數量、物源面積、物源密度、物源長軸長、物源形狀系數幾個參數作為物源演化量化指標(表3)。地震觸發滑坡、崩塌等不良地質現象產生大量物源，在影像上每一處崩塌、滑坡形成物源都有一定形狀、范圍。震后隨著地質環境恢復、降雨和重力作用、物源穩定性提高等必將導致物源數量、面積發生變化。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小；物源連接度可以描述坡面物源轉換為溝道物源程度，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，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變化，可以揭示震區泥石流物源演化方式變化規律。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軟件根據物源單體在影像上紋理、色調等變化進行詳細解譯。并利用軟件空間分析功能和統計功能獲取所需基礎數據。利用軟件屬性統計功能時，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、野外考察數據、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，由此統計和建立論文所需基礎數據。

表3 物源演化量化指標

3 結果與分析

3.1 物源時空演化規律

通過對研究區多期遙感影像物源解譯，利用ArcGIS軟件計算功能和統計功能計算出物源面積、物源密度、物源數量、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崩塌、滑坡物源直接進入主溝或支溝，支溝物源經過地表徑流沖刷或泥石流挾帶作用與主溝相連結，有利于震區泥石流物源輸出，經過統計可知，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，在降雨觸發條件下，進一步誘發新的崩塌、滑坡等不良地質現象，同時隨著時間發展，一些崩塌、滑坡物源逐漸開始恢復穩定，因此表現出物源數量增多，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，經溝道徑流沖刷或泥石流挾帶作用排出溝口。該時期內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，隨著時間發展，震區地質環境逐漸改善，植被恢復、泥石流物源趨于穩定等所致。到2017年，坡面物源和溝道物源持續減少，部分物源逐漸消失。統計結果顯示，到2017年，物源數量減少到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 物源解譯統計

表5 坡面物源解譯統計

表6 溝道物源解譯統計

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、泥石流等地質災害后效應問題一直備受廣大專家學者關注。由于數據限制，對地質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10 a以上[4]，還有學者通過分析地震前后地質災害數據，指出地震災害后效應將持續20～25 a[3]結論。震區泥石流物源不同演化階段對泥石流暴發頻率、規模等影響也不相同，為探究震區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大量崩塌、滑坡等不良地質現象，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。

青年階段：該階段表現為由于前期降雨入滲增大孔隙水壓，使得崩塌、滑坡等不良地質現象異常活躍，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，部分物源經支溝排入主溝。因此該時期物源連接度、物源數量、物源長軸長不斷增長，而隨著部分物源逐漸恢復穩定及大量物源輸出流域，物源密度在逐漸減少(圖5)。隨著物源數量、物源連接度增加，使得該時期泥石流進入高暴發期，泥石流異常活躍。據圖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，以致于泥石流暴發頻率高，泥石流松散物源被大量輸出流域。另外隨著震區地質環境改善、植被恢復、崩塌和滑坡等造成松散固體物質穩定性提高，物源數量、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、泥石流等不良地質現象恢復穩定，地質災害活躍性、數量等都低于震前最大暴雨年水平(圖4)。隨著崩塌、滑坡等不良地質現象活躍性持續降低，泥石流物源連接度、物源數量、物源密度將不斷減少，震區泥石流活躍性將逐漸降低。

圖4 汶川震區地質災害演化趨勢[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生新的滑坡物源將向下運移輸入溝道成為溝道物源[17]，據統計分析，震區泥石流物源約有50%以上來源于坡面物源[18]。震后一段時間內，坡面物源穩定性較差，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量和連接度不斷在增加。據Zhang S等[20]研究發現，隨著震區泥石流物源內細顆粒物質被沖走，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換為水力類泥石流。由表5，表6可知，隨著時間發展，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，物源穩定性提高，坡面物源侵蝕方式轉變為細溝、沖溝侵蝕，由此導致物源形狀呈現長條形。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崩塌或坍塌補給現象。

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，山體穩定性降低，在降雨增加孔隙水和重力作用下誘發新的崩塌、滑坡將導致震區物源數量、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生時到2009年前后。物源多為同震滑坡、崩塌形成松散物質，在降雨入滲作用下，震裂山體逐漸失穩或趨向于失穩過程。青年階段為前期大量趨向失穩山體發生崩塌、滑坡階段，該時期物源數量、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頻率高，泥石流松散物源被大量輸出流域，且隨著震區地質環境改善、植被恢復、崩塌和滑坡等造成松散固體物質穩定性提高，物源數量、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、泥石流等不良地質現象進一步恢復穩定，泥石流物源連接度、物源數量、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、崩塌形式繼續補給泥石流固相物質。但是隨著物源細粒物質被沖走，物源抗侵蝕能力和穩定性逐漸提高，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，溝道內泥石流將由土力類轉換為水力類泥石流，溝道被不斷下切侵蝕加深。