河北太行山區(qū)土地利用類型對(duì)泥石流災(zāi)害的敏感性分析

楊 萌，曹洪洋，李 曉

1.河北地質(zhì)大學(xué) 勘查技術(shù)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050031；2. 石家莊學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050035

泥石流是我國常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，具有突發(fā)性強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間短、來勢兇猛等特點(diǎn)[1]。泥石流通常發(fā)生在山區(qū)、地形險(xiǎn)峻地區(qū)和其他溝壑由于暴雨暴雪等引起的山體滑坡，并攜帶大量的泥沙、碎塊等的特殊洪流，是地質(zhì)、地貌、水文、植被等綜合作用的結(jié)果。泥石流的爆發(fā)嚴(yán)重威脅著下游地區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全、農(nóng)田土地、道路交通等社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施，破壞自然生態(tài)環(huán)境，嚴(yán)重制約著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[2]。土地利用是人類與自然環(huán)境密切交叉的領(lǐng)域，涉及國家經(jīng)濟(jì)安全、生態(tài)安全、糧食安全關(guān)系到經(jīng)濟(jì)發(fā)展全局[3]。在城鄉(xiāng)一體化背景之下，土地利用是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)建設(shè)的關(guān)鍵，是人類有目的地開發(fā)利用土地資源的一切活動(dòng)，人類在利用土地資源促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也引起土地覆蓋的變化,并對(duì)地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響,對(duì)人類社會(huì)的生存和發(fā)展構(gòu)成極大的威脅[4-6]。

河北太行山區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，斷裂與節(jié)理十分發(fā)育[7-9]，在其獨(dú)特的地質(zhì)環(huán)境背景下極易發(fā)生泥石流和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。泥石流災(zāi)害不僅與地質(zhì)環(huán)境相關(guān)，土地利用類型也是泥石流災(zāi)害發(fā)生的重要因素，人類工程建設(shè)活動(dòng)、陡坡種植等不合理的土地利用方式均能促進(jìn)泥石流災(zāi)害的發(fā)生[10-13]。

以往學(xué)者對(duì)泥石流的研究往往是定性的，定量研究較少，特別是人類活動(dòng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害之間的潛在關(guān)系研究較少。在此背景下，定量研究二者關(guān)系尤為重要，本文以河北太行山區(qū)歷史泥石流數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，基于遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)建立敏感性分析模型，定量分析土地利用類型與泥石流災(zāi)害二者之間的敏感性關(guān)系，研究成果將為合理的利用土地資源，減少土地利用對(duì)泥石流災(zāi)害的影響及土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整和泥石流的防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理概況

河北太行山位于河北省西部(圖1)，地理坐標(biāo)介于36°13′～39°30′ N，113°30′～115°44′ E之間，北起騾切崖山、小五臺(tái)山、靈山一線，南至漳河，西與山西省為鄰，東接河北平原，南北蜿蜒420 km，海拔100～2 000 m[14]。地勢西高東低，由西向東至渤海灣依次呈下降趨勢。可劃分為中山、中低山、低山和丘陵四個(gè)區(qū)，泥石流主要發(fā)生在中低山區(qū)，山坡坡度較大。屬于暖溫帶半干旱氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，年降水量為550～800 mm，主要集中在七、八月份，日降雨量最大可達(dá)300 mm。

圖1 河北太行山區(qū)地理位置和泥石流分布圖Fig.1 Geographical location and debris flow map of the study area

圖2 部分泥石流流域圖Fig.2 Partial debris flow basin map

1.2 泥石流概況

河北太行山區(qū)主要包括石家莊、保定、邯鄲、邢臺(tái)四個(gè)地區(qū)，研究區(qū)1996—2013年發(fā)生泥石流災(zāi)害223處。泥石流災(zāi)害空間分布不均衡，主要集中在石家莊西部，爆發(fā)的泥石流占整個(gè)區(qū)域的42.15%；保定次之，占33.63%；邢臺(tái)泥石流占比最少，只占全區(qū)的7.62%(表1)。圖2為邢臺(tái)市部分典型泥石流流域圖。從時(shí)間上看，泥石流災(zāi)害主要發(fā)生在1996年、2002年、2010年、2011年，其中大部分泥石流災(zāi)害主要發(fā)生在7—8月雨季。

表1 1996—2013年河北太行山區(qū)泥石流區(qū)域分布表Table 1 Regional distribution of debris flow in Taihang Mountain area, Hebei Province, 1996-2013

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)的有效性和可獲取性，Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)是比較理想的數(shù)據(jù)源，具有覆蓋范圍大、分辨率高、重復(fù)率大等特點(diǎn)[15-16]。論文以太行山區(qū)歷史泥石流災(zāi)害數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)的影像數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，DEM數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m；影像數(shù)據(jù)是河北太行山區(qū)2000年、2006年和2013年的Landsat TM/ETM+衛(wèi)星多光譜遙感資料，空間分辨率30 m，共計(jì)31景，影像質(zhì)量較好(表2)。

研究在ENVI 5.1和ArcGIS 10.2平臺(tái)下進(jìn)行遙感影像解譯和泥石流災(zāi)害的分析等工作。

表2 2000年、2006年和2013年太行山區(qū)Landsat遙感影像匯總Table 2 Landsat remote sensing image summary in Taihang Mountain, 2000, 2006 and 2013

2.2 研究方法

泥石流影響因子的定量研究是基于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行的，而信息量模型正是以相似頻率為基礎(chǔ)的概率統(tǒng)計(jì)模型，是基于歷史數(shù)據(jù)完成的，因此將信息量模型引入泥石流研究是可行的。信息量模型是由我國學(xué)者殷坤龍和宴同珍提出[17]，其理論基礎(chǔ)是信息論。近年來，學(xué)者將信息量模型引入地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于滑坡敏感性分析[18]。信息量模型利用信息熵的概念定量分析各種因素綜合作用下地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的模型，是進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測評(píng)價(jià)的一種有效方法，信息量值越大發(fā)生災(zāi)害的可能性越大。

在進(jìn)行不同土地利用方式對(duì)泥石流活動(dòng)的敏感性分析研究時(shí)，由于泥石流具有流域面狀的特征，因此在進(jìn)行土地利用對(duì)泥石流敏感性分析采用面積分析，利用式(1)計(jì)算不同土地利用方式對(duì)泥石流的敏感性。

SCDi=ln(Hi/D)=ln[(ANLi/ALi)/(AN/AT)]

(1)

式中：SCDi表示研究區(qū)內(nèi)第i類土地利用方式的敏感性；ANLi表示泥石流流域中第i類土地利用方式的面積；ALi研究區(qū)內(nèi)第i類土地利用方式的面積；AN研究區(qū)內(nèi)泥石流出現(xiàn)的總面積；AT表示研究區(qū)的總面積。

SCD為正值，表示敏感，并且值越大敏感性越高，反之SCD為負(fù)值，表示不敏感，該值越小敏感性越低，災(zāi)害發(fā)生率越低。

3 土地利用對(duì)泥石流的敏感性分析

在ENVI 5.1和ArcGIS 10.2軟件支持下，首先對(duì)2000年、2006年和2013年太行山區(qū)影像進(jìn)行分類；其次對(duì)DEM進(jìn)行坡度分級(jí)得到不同坡度級(jí)別上的泥石流災(zāi)害狀況；最后由敏感性模型計(jì)算不同年份、不同坡度等級(jí)上土地利用對(duì)泥石流的敏感性。

3.1 不同年份土地利用現(xiàn)狀

根據(jù)太行山區(qū)1996—2013年發(fā)生泥石流的情況，選取具有代表性TM、ETM+遙感影像，首先對(duì)影像進(jìn)行拼接、裁剪、校正等預(yù)處理，其次選取band5、band4、band3多波段合成假彩色圖像，應(yīng)用最大似然法進(jìn)行監(jiān)督分類，將太行山地區(qū)的土地利用類型分為耕地、水體濕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、裸地和林地五大類(表3)?？傮w分類精度分別為 98.381%、96.033%和97.644%，分類結(jié)果良好。

從表3可以看出，研究區(qū)內(nèi)土地利用類型以林地、耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地為主。

2000—2006年間，耕地、水體濕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積均有不同程度的增加，其中城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積增加的最多，由3.09×103km2增加到3.81×103km2，共計(jì)增加0.72×103km2，變化幅度占總土地面積的2.05%；林地有減少現(xiàn)象，由23.05×103km2減少到22.4×103km2，共計(jì)減少1.85×103km2。

2006—2013年間，水體濕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、林地面積均有所增加，城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積增加的幅度最大，增加了3.27×103km2，變化幅度占比9.30%；其次為林地，在7年間增加了1.2103km2。耕地面積減少幅度最大，由8.16×103km2減少到3.76×103km2，總共減少了4.4×103km2，變化幅度占比12.51%。

表3 2000—2006年、2006—2013年土地利用類型面積及變化表 單位：面積(103 km2)、比例(%)Table 3 Land use type area and change table from 2000 to 2006 and 2006 to 2013

總的來說，2000—2013年間土地面積變化的主要趨勢是隨著耕地的減少，城鄉(xiāng)建設(shè)用地明顯增加。變化幅度由大到小依次為：耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、林地、裸地及水體濕地。

3.2 不同坡度等級(jí)下泥石流數(shù)量

坡度是發(fā)生泥石流災(zāi)害的重要因素，其大小直接影響著泥石流災(zāi)害的發(fā)生。本文將兼顧坡度影響因子定量分析土地利用對(duì)泥石流的敏感性。

本文在ArcGIS平臺(tái)下對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度提取，將坡度分為0°～5°，5°～15°，15°～25°，25°～35°，35°～45°，45°～55°，55°～65°和65°～90°八個(gè)等級(jí)。計(jì)算每個(gè)坡度等級(jí)占研究區(qū)總面積的百分比(圖3)。利用ArcGIS工具將坡度數(shù)據(jù)圖層和泥石流災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)圖層進(jìn)行疊加，得到泥石流災(zāi)害在不同坡度等級(jí)上的分布情況(圖4)。

圖3 不同坡度等級(jí)面積百分比 圖4 不同坡度等級(jí)上泥石流數(shù)量Fig.3 Percentage of different grades Fig.4 Number of debris flows on different grades

由圖3可知，研究區(qū)內(nèi)斜坡以低坡和中緩坡為主，0°～5°范圍內(nèi)太行山區(qū)內(nèi)有白洋淀等眾多河流、水域，因此此范圍內(nèi)斜坡占比較，約為36.21%；5°～35°的斜坡占了絕大部分面積，占研究區(qū)總坡度的62.41%；尤以5°～25°范圍內(nèi)的斜坡占54.50%，幾乎占坡度總面積的一半。

根據(jù)圖4所示，研究區(qū)內(nèi)泥石流主要分布在坡度為5°～15°的范圍內(nèi)，數(shù)量為122個(gè)，占研究區(qū)泥石流總數(shù)的55%；其次為坡度在之間0°～15°和25°～35°之間，分別為31個(gè)和53個(gè)，數(shù)量分別占研究區(qū)泥石流總數(shù)的14%和24%；在坡度>35°的范圍內(nèi)泥石流災(zāi)害發(fā)生的數(shù)量最少。由此表明太行山區(qū)最有利于泥石流發(fā)育的坡度范圍為5°～35°間。通過對(duì)比圖3和圖4發(fā)現(xiàn)，太行山區(qū)內(nèi)不同坡度等級(jí)上泥石流數(shù)量的分布與不同坡度等級(jí)的面積比例基本吻合。

3.3 各坡度等級(jí)下不同土地利用方式對(duì)泥石流的敏感性

在ArcGIS平臺(tái)下，對(duì)解譯出的土地利用方式與坡度等級(jí)圖層進(jìn)行疊加處理，得到泥石流流域在不同坡度等級(jí)上的土地利用方式的面積。由敏感性模型(式1)計(jì)算不同年份、不同坡度等級(jí)下土地利用類型對(duì)泥石流的敏感性SCD(各坡度等級(jí)分別用1～8表示，見表4、圖5)。

由表4和圖5可知，不同的土地利用方式在不同坡度等級(jí)下對(duì)泥石流的敏感性不同。

具體來說，河北太行山區(qū)泥石流災(zāi)害，總體上隨著坡度的增加，各類土地利用方式的敏感性值都有增加的趨勢，當(dāng)坡度在15°～35°之間時(shí)，隨著坡度的增加，城鄉(xiāng)建設(shè)用地、林地、裸地的敏感性值快速增加達(dá)到最大值。

表4 泥石流在不同土地利用和不同坡度上的敏感性Table 4 Sensitivity of debris flow to different land uses and different slopes

注：/表示該類土地中沒有發(fā)生泥石流災(zāi)害。

圖5 不同年份不同坡度等級(jí)土地利用類型對(duì)泥石流的敏感性Fig.5 Sensitivity of land use types to debris flow in different grades in different years

由圖5(a)可知，2000年期間，在暴雨的作用下泥石流災(zāi)害較多，結(jié)合坡度的分布情況，研究區(qū)內(nèi)對(duì)泥石流最為敏感的是40°～45°的水體濕地(SCD=2.60)；其次為40°～45°的林地(SCD=1.61)，再次為35°～45°的水體濕地(SCD=1.37)；15°～35°的水體濕地、林地和25°～35°的裸地對(duì)泥石流較敏感，敏感性值0SCD1。40°～45°的耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和裸地以及55°～90°之間沒有泥石流分布對(duì)泥石流最不敏感；其次為0°～5°的耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、5°～15°的裸地、35°～45°的城鄉(xiāng)建設(shè)用地SCD-2.0，草地、5°～45°的水體濕地、15°～35°的城鄉(xiāng)建設(shè)用地，低海拔的裸地和林地的SCD-1.0對(duì)泥石流較不敏感。

由圖5(b)可知，就土地利用類來說，2006年城鄉(xiāng)建設(shè)用地對(duì)泥石流災(zāi)害的敏感性最好。當(dāng)坡度在5°～25°時(shí)，研究區(qū)內(nèi)耕地、水體濕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和林地對(duì)泥石流的敏感性達(dá)到最大值，在該坡度范圍內(nèi)易發(fā)生泥石流，其中最為敏感的是的城鄉(xiāng)建設(shè)用地(SCD=0.51)；隨著坡度的增加敏感性逐漸下降，35°～45°的林地對(duì)泥石流的敏感性最小(SCD=-3.33)。

由圖5(c)可知，2013年水體濕地對(duì)泥石流最為敏感，其次為城鄉(xiāng)建設(shè)用地。在不同坡度等級(jí)下，城鄉(xiāng)建設(shè)用地、水體濕地、林地對(duì)泥石流的敏感性在25°～35°間達(dá)到該類土地的最大值，水體濕地對(duì)泥石流的敏感性最大(SCD=1.12)，其次為15°～25°的耕地(SCD=-0.70)，該年份裸地中沒有泥石流分布其對(duì)泥石流的敏感性最差。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

文利用多波段遙感影像，分析了2000年、2006年和2013年三個(gè)不同時(shí)期河北太行山區(qū)土地利用類型，利用信息量模型綜合分析了不同坡度等級(jí)下土地利用對(duì)泥石流的敏感性，主要結(jié)論有：

(1)利用敏感性分析模型定量分析該區(qū)域不同坡度等級(jí)下土地利用對(duì)泥石流災(zāi)害的敏感性，研究結(jié)論為：5°～35°坡度范圍內(nèi)極易發(fā)生泥石流，當(dāng)坡度>45°時(shí)幾乎沒有泥石流災(zāi)害發(fā)生，當(dāng)坡度在15°～35°之間時(shí)，隨著坡度的增加，城鄉(xiāng)建設(shè)用地、林地、裸地的敏感性值快速增加達(dá)到最大值；研究區(qū)內(nèi)的易導(dǎo)致泥石流災(zāi)害發(fā)生的土地利用類型依次為中海拔高度的水體濕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地及耕地，低海拔高度的耕地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地；高海拔高度的林地和裸地、低海拔高度的水體濕地對(duì)泥石流最不敏感。

(2)綜合3個(gè)時(shí)間段，研究區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)用地、耕地對(duì)泥石流災(zāi)害較為敏感，隨著城鄉(xiāng)建設(shè)用地面積逐漸增加，對(duì)泥石流災(zāi)害逐漸敏感，表明人類活動(dòng)對(duì)泥石流災(zāi)害的發(fā)生具有一定的促進(jìn)作用。同時(shí)，裸地、林地對(duì)泥石流災(zāi)害的敏感性較低，說明林地可防止水土流失，減少泥石流災(zāi)害的發(fā)生，故可通過提高植被覆蓋率，發(fā)展林地減少泥石流災(zāi)害。水體濕地對(duì)泥石流災(zāi)害有一定的影響，在暴雨的作用下極易引發(fā)泥石流。

4.2 建議

論文研究過程中受到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的影響，很多工作還需進(jìn)一步的研究完善：

(1)研究所采用的Landsat TM/ETM+數(shù)據(jù)，，分辨率相對(duì)較低，對(duì)土地利用分類的精度有一定的影響，擬在后期研究中將更高分辨率的影像引入到本項(xiàng)研究中。

(2)泥石流的形成分布與地形、氣候、地質(zhì)、人類活動(dòng)等因素有關(guān)，論文僅分析了不同坡度級(jí)別上人類活動(dòng)對(duì)泥石流的影響，后期還將考慮降雨、地層巖性等因素進(jìn)行綜合分析，并運(yùn)用多種模型進(jìn)行對(duì)比分析，得到更加精確的結(jié)果。