基于RS和GIS的三峽庫區滑坡易發程度與土地利用變化的關系研究*

葉潤青 李士垚 郭 飛 付小林 牛瑞卿

(①中國地質調查局武漢地質調查中心(中南地質科技創新中心)， 武漢 430205， 中國)(②三峽大學土木與建筑學院， 宜昌 443002， 中國)(③中國地質大學地球物理與空間信息學院， 武漢 430074， 中國)(④防災減災湖北省重點實驗室(三峽大學)， 宜昌 443002， 中國)

0 引 言

三峽工程規模之巨大、位置之重要、影響之深遠，是我國乃至世界水利建設史上前所未有的，在防洪、發電和航運等多方面效益顯著，然而三峽工程建設，給沿江地帶乃至全流域生態與環境帶來一系列的影響，斜坡巖土體災害突出(Guo et al.，2016； 周家文等， 2019)，尤其滑坡災害是庫區廣泛存在的地質問題，成為庫區經濟和社會發展的最大威脅和障礙，也是我國地質災害的重點防治區域。三峽庫區地質條件復雜，暴雨洪水頻繁，受內、外動力共同作用，地質災害廣泛發育，地質災害多發、頻發。長江水道曾多次因崩塌、滑坡堵江斷航，造成重大人員傷亡和經濟損失，如1985年6月12日新灘滑坡(王治華等， 2017)。

三峽庫區總共有5386處滑坡、崩塌地質災害納入三峽后續工作地質災害防治，以滑坡為主，其中大型、特大型地質災害1339處，包含涉水1945處。三峽工程建設期，庫區大規模移民遷建和基礎設施復建，以及2008年175m高水位試驗性蓄水后，庫水位每年在145～175m周期性升降，改變了三峽水庫沿岸地質環境條件，使得三峽庫區老滑坡出現復活，同時也產生了新生型滑坡，進一步加劇了庫區地質災害的發生。三峽庫水自蓄水以來大量涉水老滑坡發生變形復活，如2003年蓄水至135m時，庫區200余處滑坡產生變形(朱大鵬，2010)。如2003年三峽水庫135m蓄水后秭歸縣境內長江支流青干河發生特大型順層基巖滑坡，造成24人死亡， 1200人無家可歸，毀壞4家工廠和129棟房屋(Jian et al.，2014)。庫區滑坡形成不僅受地質條件和地貌條件(巖土類型、地質構造、地形地貌、水文地質等)控制，還受人類工程活動、降雨、庫水等因素觸發或影響(李軍霞等， 2010； 韓賀鳴等， 2019)。其中降雨、巖性、坡度、前緣河流影響在滑坡發育中起主導作用，斜坡高度、人類工程活動等起重要作用。大規模的移民工程建設加劇庫岸斜坡的改造和植被破壞，一定程度上改變了其巖土工程環境，不利于斜坡的穩定性。加之水庫蓄水使得庫水位抬升，加劇了水巖之間相互作用，弱化巖土體工程性質，以及雨季強降雨天氣的影響，不斷有滑坡險情出現(李松林等，2020)。庫水位的變化期或者人類工程強烈活動區，疊加強降雨時易發生地質災害險情，成為了三峽庫區滑坡的兩種最不利工況。在每年的5月至6月庫水位快速消落期間，出現強降雨時容易導致滑坡變形甚至破壞(向玲等，2014； 黃達等，2017)。如2012年6月1日，黃蓮樹滑坡與曾家棚滑坡相繼發生大規模滑移(李長明， 2013)，強降雨是誘發滑坡的主要因素，庫水位的變化對滑坡變形位移的影響較大。

圖1 研究區衛星影像(2000年)

隨著遙感和GIS技術的發展，較多學者開始利用該技術手段分析人類工程活動引起土地利用類型改變與滑坡發育的關系，特別是在滑坡易發性或敏感性分析評價的指標選取中，逐漸重視利用遙感影像獲取一部分評價因子。馮杭建等(2017)利用GIS技術與確定性系數分析方法對降雨型滑坡影響因子敏感性分析，得出住宅用地、耕地、園地等為易誘發滑坡的地類，植被覆蓋也是影響滑坡敏感性的因素之一。楊光等(2019)將土地類型、植被覆蓋度作為區域滑坡敏感性評價因子，當土地類型為耕地，歸一化植被指數區間范圍在0.2～0.3時，最有利于滑坡的發生。仉義星等(2019)利用高清影像、地形、鉆孔和地質災害等數據進行了地質災害精細評估。但是，在目前尚缺乏土地利用(尤其是移民工程)及變化與滑坡發育的關系分析，有待建立土地利用與滑坡發育的內在聯系，為土地利用變化作為滑坡易發性或者敏感性分析因子提供理論基礎(Alcantara-Ayala et al.，2006； Bathurst et al.，2010； Meneses et al.，2019)。本文以三峽庫區為例，通過多時相遙感影像獲取三峽工程建設與水庫蓄水前后的土地利用及變化，結合滑坡災害調查結果，分析土地利用及其動態變化與滑坡發育的關系，為三峽庫區土地利用規劃與滑坡防治提供依據。

1 研究區及數據源

1.1 研究區概況

研究區為三峽庫區首段秭歸至巴東段長江干流岸坡，長江干流總長度77km，總面積732km2(王孔偉等， 2012)。區內地形坡度較陡，地質構造復雜，地層巖性多樣，為地質災害發育提供了地質環境條件(殷躍平等， 2004； 柴波等， 2009； 吳瓊等， 2019)。研究區滑坡不僅受強降雨影響，人類工程活動也成為地質災害的主導影響因素(尚敏等， 2019)。區內人類工程活動可分為：移民遷建，包括公路復建、移民新城鎮、農村居民點建設； 農林經濟活動，受工程建設和庫水淹沒影響，近些年斜坡上部毀林開荒廣泛； 水利水電工程建設，包括大壩建設及水庫蓄水； 采礦工程活動，主要有煤礦、石灰巖礦開采等。

1.2 遙感數據

庫區人類工程活動的顯著特點就是移民工程和水庫蓄水，因蓄水導致了沿江城鎮區、主要公路和大量耕地被淹沒，而原地后靠的主導移民方式，對上部斜坡植被、巖土結構等破壞嚴重。因此，本文選擇移民工程之前、移民工程基本完成和水庫正常運行期間的3個時相的衛星影像(表1)作為數據源，分別是1987年 Landsat TM影像，獲取于三峽大壩建設和移民遷建之前，用于移民遷建以前土地利用特征分析； 2000年Landsat ETM+影像，大壩建設過程中且移民工程基本完成，用于移民遷建分析； 2010年環境減災衛星(HJ-1B)影像，水庫已完成高水位蓄水，可分析庫水淹沒情況。為使不受季節性變化影響，選擇獲取時間均在4月至5月之間的遙感影像。

表1 研究采用遙感數據介紹

2 土地利用類型變化特征

多時相衛星影像土地利用類型動態變化監測方法：首先將不同時相影像在統一坐標系下(WGS84)進行校正和配準； 其次利用最大似然分類法(MLC)得到3個時相的土地利用分類圖； 再次變化監測得到土地利用類型變化圖； 最后分析不同時相影像的土地利用類型變化特征。

2.1 土地利用類型

經野外調查和影像分析，將研究區土地利用類型分為水體、植被、耕地和居民建筑地(或移民遷建區)4類。采用最大似然分類法獲得1987年、2000年和2010年土地利用類型圖(圖2)。分類ROI樣區選擇是利用2006年高分辨率航空影像，地面分辨率達0.2m。通過遙感解譯，選擇不同土地利用類型區域作為分類學習樣本。

圖2 研究區多時相衛星影像土地利用分類圖

由1987年影像土地利用類型圖(圖2a)可以看出：總體上是植被分布最廣，耕地和居民建筑區所占面積比重少； 居民建筑區主要分布于巴東境內的巴東舊城區以及黃土坡，秭歸境內則分布在歸州河、香溪河、青干河等主要支流河口以及新灘附近； 耕地分布于城區附近及沿長江和主要支流的第一岸坡，遠岸地區耕地少。

較之于1987年， 2000年土地利用類型(圖2b)中居民建筑和耕地區范圍明顯增大，植被區面積減少，變化最大之處依然是巴東扇形區、秭歸茅坪和三斗坪等移民遷建區。由于秭歸新城和大壩建設，秭歸茅坪和三斗坪出現大面積紅色區，是研究區變化最大的區域； 其次是巴東城區建設由黃土坡延至西壤坡，城區綿延約數公里； 再次是新建了數個新集鎮，如屈原鎮、郭家壩鎮、歸州鎮、沙鎮溪鎮等。耕地明顯增多，并向遠岸區域發展，水域面積基本不變。

2010年土地利用類型圖(圖2c)中最顯著的變化就是長江及主流水面明顯加寬，是水庫蓄水所致，水庫蓄水成為土地利用變化的主導因素。居民區和耕地與2000年相比，有所增多，但增幅變緩。

由表2和圖3可以得到：近20年來研究區植被面積呈現單調下降趨勢，由1987年的74.1%分別降到2000年的61.3%和2010年的52.4%，植被減少面積約158.8km2； 與植被相反，居民地建筑區面積呈現單調平穩增長態勢，由1987年的3.69%增長到2000年的6.48%以及2010年的8.54%，居民建筑區面積增加了約35.5km2； 在20世紀90年代耕地面積快速增長(面積增加了約72km2)， 21世紀頭10年基本維持不變； 受2003年以來水庫蓄水影響，水域面積從蓄水前的5%～6%增長到2010年的13%左右(面積擴大了約54km2)。

圖3 土地利用變化趨勢

表2 多時相三峽庫區土地利用變化

2.2 土地利用類型變化特征

將土地利用類型圖像導入ArcGIS軟件中，對分類圖像中的土地利用類型賦值，然后采取柵格圖像相減方式獲得不同類型土地變化矢量圖(圖4)。

以1987年和2000年土地利用類型變化為例，將1987年和2000年影像分類結果中植被、居民地建筑、耕地和水體分布賦值為1、2、3、4和10、20、30、40，柵格相減后得到植被to耕地、植被to居民地、植被to植被等16種土地利用變化類型的類別相減值(表3)。變化類型用2個大寫字母表示，大寫字母R、F、V、W分別表示居住建筑用地(Resident)、耕地(Farmland)、植被(Vegetation)和水體(Water)英文單詞的首字母，第1個和第2個大寫字母分別表示變化前和變化后土地利用類型，例如“VR”表示由植被覆蓋區變為居民建筑區。

表3 1987～2010年土地利用類型變化監測結果

由1987～2000年土地利用類型變化監測(圖4a)分析得出，變化區域和未變化區域面積分別占35.19%和64.81%，其中人類工程活動面積的年平均增長速度為2.7%。在變化區域中，有研究區面積的18.55%和3.67%的植被變成了耕地和居民區，表明大壩建設和移民工程對植被破壞面積達162km2； 耕地面積由16.65%增加到26.43%，還有8.55%和1.22%的耕地分別變為植被(野外調查顯示，主要是大面積臍橙種植所致)和居民建筑區。因此從1987～2000年新增的耕地面積約占研究區總面積的20%。居民建筑用地面積由3.69%增加到6.48%。

1987年和2010年土地利用類型變化(圖4b)分析得出，變化區域和未變化區域面積分別占42.22%和57.78%，人類工程活動面積的年平均增長速度為0.7%。變化區域中有研究區總面積的18.53%和5.96%的植被變成了耕地和居民區。研究區的人類工程活動與2000年相比有所增強，但速度相對1987～2000年期間緩慢，主要是人口增長和經濟社會發展所致。但是，三峽水庫蓄水導致分別占總面積的1.96%、1.72%、4.24%的耕地、居民地和植被庫水淹沒，因蓄水導致土地利用變化量占總面積的7.92%，接近2000～2010年土地利用類型變化值，因此水庫蓄水是導致2000～2010年間土地利用類型變化的主要因素。

4月19日，水利部部長、部抗震救災領導小組組長陳雷主持召開水利部抗震救災領導小組第二次全體會議，認真學習貫徹4月17日中共中央政治局常委會議重要部署和胡錦濤總書記關于抗震救災的重要指示精神，進一步安排部署下一步水利抗震救災工作。

圖4 研究區1987～2010年土地利用變化圖

表3中的土地利用變化類型，大致分為變化或未變化項兩類。根據人類工程活動強度，土地利用未變化可認為是人類工程活動幾乎保持不變，而土地利用發生變化的則可進一步分為人類工程活動增強或減弱兩類。其中向人類工程活動增強方向變化的有耕地to居民地建筑(FR)、植被to居民地建筑(VR)、植被 to耕地(VF)，以及植被、耕地、居民地建筑to水體(VW、FW、RW)等。1987～2000年和1987～2010年人類工程活動向增強方向發展的面積比重分別是24.16%、34.29%； 向人類工程活動減弱方向變化的有耕地to植被(FV)、居民地建筑to植被(RV)、居民地建筑to耕地(RF)等， 1987～2000年和1987～2010年人類工程活動向減弱方向發展的面積分別是10.53%、7.74%。人類工程活動增強方向發展的面積遠大于減弱變化的面積，表明1987～2010年期間研究區人類工程活動持續增強。

3 基于土地利用類型變化的滑坡易發性評價

為了定量反映土地利用類型變化與滑坡發育之間的關系，選擇滑坡面積模數比(Rsi)來衡量，Rsi反映了一個地區滑坡的發育程度(陳才， 2019)：

設第i單元內滑坡體分布面積si，單元面積為Si，i單元內滑坡的面積模數ρsi； 研究區總面積為S，研究區內滑坡總面積是s，總面積模數為ρs，則第i單元面積模數比為：

Rsi=ρsi/ρs

(1)

式中：ρsi=si/Si，ρs=s/S。

當Rsi大于1時，值越大表示該狀態下滑坡易發程度越高，與滑坡相關性越強；Rsi小于1，不易發生滑坡，當趨于0時滑坡幾乎不發生。

3.1 不同土地利用類型的滑坡面積模數比

選取2000年影像土地利用分類結果研究滑坡發育與土地利用的關系，將土地利用圖與滑坡面文件疊加，獲得了滑坡區內土地利用類型。統計得到研究區和滑坡區的植被、耕地和居民地建筑分別占67.6%、27.9%、4.5%和51.4%、40.2%、8.4%，表明滑坡區內人類工程活動強度明顯大于研究區。2000年每種類土地利用類型的滑坡面積模數比(表4)計算得出，Rsi值介于0.76～1.87之間，植被區、耕地和居民建筑區的Rsi值依次增大。

表4 土地利用類型的滑坡面積模數比

3.2 土地利用改變下滑坡面積模數比的變化規律

表5 土地利用變化類型面積模數比

(1)Rsi最大值為2.68，表明土地利用類型變化與滑坡具有很強的關聯性，且相關性大于土地利用類型。

(2)土地利用類型變化區Rsi大于未變化區，盡管未變化的植被區面積最大，但是其Rsi數小(Rsi=0.77)。

(3)人類工程活動區域Rsi大于其他區域，且人類工程活動增強區域Rsi大于不變或減弱的區域。以原有土地利用類型是耕地為例，耕地to居民區(人類活動增強)、耕地to耕地(人類活動變化少或基本不變)、耕地to植被(人類工程活動減弱)的Rsi依次為2.68、2.08、1.28。

綜上所述，土地利用類型變化與滑坡發育的關聯性大，在滑坡分析和預測中不容忽視。

3.3 基于土地利用類型變化的滑坡易發程度區劃

將基于土地利用變化計算的滑坡Rsi值大小劃為3個等級：FR、FF、RF為滑坡易發性程度高的土地利用變化類型(Rsi>1.5)，FV、RV、RR、VF為滑坡易發性程度中等的變化類型(1.0

圖5 基于Rsi的滑坡易發性分區圖

高易發程度區主要分布在巴東城區、新灘附近，以及主要支流沿岸。以巴東和新灘附近區域(圖6)為例，將滑坡邊界疊加于分區圖上顯示，滑坡主要落在高、中Rsi值區域，表明此種滑坡易發程度分區與研究區滑坡發育程度相符，也說明了滑坡發育與土地利用類型有較好的正相關性，人類活動區域與滑坡發育有密切聯系。

圖6 巴東(a)和新灘(b)附近區域的疊加滑坡邊界的滑坡易發性圖

4 結論與討論

一方面山區用地資源緊張，而滑坡區往往堆積層較厚、地形相對較平緩，人們往往向滑坡索要土地或者在滑體上建房等，易造成土地利用與滑坡災害之間矛盾，甚至在某些地區(如三峽庫區)這種矛盾較為突出。另一方面，由于三峽水庫建設及蓄水運營，致使庫區內人員迅速搬遷，從而開展了大規模的切坡、開挖等工程，對土地利用程度較高，破壞了原有的地質環境，對斜坡穩定性構成一定的影響，并誘發了較多的滑坡發生。本文通過多時相衛星影像土地利用分類和變化監測，獲得了庫首區秭歸至巴東段的1987年(移民遷建之前)、2000年(移民工程建設基本完成)、2010年(水庫高水位蓄水后)3個具有代表性時相的影像土地利用分類圖，分析了近20余年來土地利用類型變化情況及其與滑坡發育之間的關系。

土地利用變化分析得出：近20年來植被呈現單調下降趨勢，由1987年的74.1%分別降到2000年的61.3%和2010年的52.4%； 居民地建筑區面積呈現單調增長態勢，由1987年的3.69%增長到2000年的6.48%以及2010年的8.54%； 耕地面積在20世紀90年代快速增長，而21世紀頭10年基本維持不變； 水域面積則受2003年以來蓄水影響，從2003年以前的5%～6%增長到2010年的13%左右。

利用滑坡面積模數比分析滑坡發育與土地利用的關系，得出土地利用類型與滑坡發育有較大的相關性，滑坡區土地利用強度高于非滑坡區，滑坡發育程度與土地利用強度變化呈正相關關系。依據Rsi值將研究區滑坡易發程度劃分為高、中、低3級，滑坡主要分布在高、中易發程度區域。研究表明在庫區滑坡評價分析中，土地利用類型不容忽視。