基于ArcGIS的礦區泥石流特征調查*

胥斌輝，郁 文，于 偉，董毅兵

（1.甘肅工程地質研究院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省核地質二一二大隊，甘肅 武威 733000）

泥石流是山區常見的一種地質災害類型，其通常具有形成時間短、成災速度快，破壞能力強的特點。龍首山位于河西走廊東段，深居內陸，高溫干旱，降水稀少，且時空分布不均，植被覆蓋率低，生態脆弱［1］。龍首山礦山開采形成的渣堆不僅為泥石流發育提供了大量的物源，也使流域范圍內人員財產高度密集，進而增強了地質災害危害性。田豐等開展了河西走廊地區的泥石流危險性研究，從區域尺度劃分了泥石流危險等級［2］。劉金鵬等通過對河西地區多條泥石流溝現狀進行統計分析，得出河西地區泥石流主要發育在南北山地的前山走廊地帶，泥石流溝區域上分布密度稀疏［3］。近幾年來，河西走廊地區發生多起極端降雨事件，引起多起泥石流災害，造成的經濟損失較大，同時，泥石流災害造成的損失也遠高于其他類型的地質災害［3，4］。龍首山礦區流域缺乏明顯的分水嶺，通過高清遙感影像或者等高線圖快速準確勾繪泥石流流域范圍存在一定難度，而確定泥石流流域范圍是開展泥石流監測和防治的基礎，因此采用簡單合理的方法開展該區域泥石流流域范圍的研究具有必要性和實用性。Arcgis水文分析模塊多用于水資源管理和分析中，取得了較好的效果［5-8］。本文通過ArcGIS 水文分析和人工解譯的方法，初步勾繪龍首山礦區泥石流流域范圍，在此基礎上，利用遙感和現場調查的方法開展泥石流物源調查，以期為河西礦區泥石流準確快速調查提供有效參考，為下一步的泥石流工程治理、監測預警等提供依據。

1 研究區概況

金川區地處河西走廊東段，為典型的礦業型城市，人口集中分布在北部平原。研究區位于金川區南部的侵蝕構造中低山區，區內溝壑密集、坡陡谷深、地形破碎。區內巖漿侵入，褶皺、斷裂較發育，組成中朝地臺區基底的前震旦紀、震旦紀地層普遍經歷了中深度的變質作用；大量的褶皺和斷裂構造使區內新老地層在分布上極不連續；山前地帶規模較大的斷裂構成了山區和盆地、隆起區和斷陷區的分界線；區內新構造運動亦較活躍。地層主要為前震旦系（AnZ）雜色深變質巖系，巖性為片巖、片麻巖、含石榴石斜長淺粒巖、斜長角閃巖、大理巖、混合巖等及第四系（Q4）包括泥石流堆積物（Q4sef），主要成份為粉土、片巖、片麻巖等的塊體混合物，結構松散；重力堆積物（Q4del），以棄渣為主，局部夾雜強風化的變質巖，結構松散，遇水易崩滑；人工堆積體（Q4ml），為人類工程活動改造、開挖、回填、堆積形成，結構松散。日最大降水量37.1 mm，小時最大降水量24.0 mm。多年平均降水量為115.30 mm，蒸發量3115.9 mm。溝谷內幾乎沒有任何高等植物生長，絕大部分地面光禿裸露，植被覆蓋率不足5%，零星散生著矮小的駱駝刺、駱駝蒿、芨芨草等植物。泥石流溝口為廠礦區，廠礦區內進行了綠化，植被發育較好。

泥石流溝內分布有礦山公路、風井、管線等礦山設施，溝口為金川市區、礦山工程公司、礦山鐵路等七家二級廠礦、城郊農村。2012年7月27日，研究區發生泥石流地質災害，泥石流沖出方量約1萬m3，直接經濟損失達15 000萬元，災情等級為特大型。2015年8月、2016年8月，該溝道再次發生泥石流，泥石流物質直接堆積于道路上，廠礦內，嚴重影響到當地居民、廠礦企業的正常運營。

2 研究方法

通過ArcGIS 水分分析得出河網分級圖（矢量化且符號化）和集水流域圖，將其疊加之高清遙感影像圖之上并透明化，繪制泥石流流域范圍邊界，輔以現場調查數據，具體流程如圖1 所示。參與水文分析的DEM 范圍要完整包括泥石流流域范圍。

圖1 泥石流特征調查流程圖

3 案例

3.1 無洼地D EM 生成

洼地填充是無洼地DEM 生成的基礎。在進行洼地填充之前，應該計算洼地深度，通過計算洼地貢獻區域出口的最高和最低高程，得到洼地深度。判斷哪些地區是由于數據誤差造成的洼地而哪些地區又是真實的地表形態，然后在進行洼地填充的過程中，設置合理的填充閾值，得到填洼后的DEM，如圖2所示。

圖2 填洼后DEM圖

由圖2可知，西南部分海拔高，為中低山區；其余地方海拔低，且高程范圍小，為平原區。由填洼后的DEM圖清晰可見自南向北和自西向東的溝道。

3.2 匯流累積量計算

利用填洼后的DEM 重新計算水流方向和流量。流向采用D8 算法，整體流向為自南向北，東北流向分布廣泛，西南和正南流向分布范圍小且集中，如圖3所示。流量中部溝道自南向北流量增加，如圖4所示，圖例中數值指的是該點匯集水流的方格數，是一個空間范圍。

圖3 水文分析流向圖

圖4 水文分析流量圖

3.3 河網提取

利用柵格計算器功能，通過流量提取河網，此處同時試算了閾值為100、500、1000、2000 四種情況下的河網，閾值為500時，提取的河網效果較佳，河網重分類矢量化。

南部河流方向多為自西向東分布，北部河流方向多為自南向北，如圖5所示，主要是因為該區域北側為戈壁灘，東側為河谷。

由重分類后的河流柵格數據、河流流向數據計算河網連接點。由河網柵格數據（重分類后）、河流流向數據開展河網分級，采用斯特拉勒（STRAHLER）分級法，即沒有支流匯入的水系定義為1級別，兩個相同級別的水系匯入某一河流時，河流等級增加1級；如果等級不同，則以最大等級的河流相同。依次分級完成所有定義，本區域共分為3級，如圖5所示。

圖5 水文分析河網分級圖

3.4 流域分割

采用盆域分析進行流域分割，疊加顯示河網矢量化，分析可知研究區泥石流位于一處較大的完整流域內，如圖6所示。通過集水區分析，生成更多的小流域單元，分析可知泥石流分布于4 塊小單元中，如圖7 所示。綜合利用完整的大流域和細分的小單元確定泥石流流域范圍，通過遙感影像圖和實地調查修正。

圖6 水文分析流域分割圖

圖7 水文分析集水區分割圖

3.5 泥石流流域

以Arcgis 流域河網為基礎，通過圖件分析，泥石流流域位于北部山前，通過現場調查的沖溝流向及山體高程，繪制泥石流流域范圍，如圖8所示。主溝坡降介于55‰～60‰，流域面積1.6 km2。流域高程1 698～1 520 m，相對高差178 m，溝腦至礦山路下游縱比降為98‰。兩側溝坡坡度35°～50°，溝道流通區礦山路段，縱坡降37.5‰，溝口左側段地勢平坦。

圖8 泥石流流域范圍

3.6 松散堆積物

該泥石流流域內松散固體物質儲量比較豐富，可分為坡面侵蝕和礦渣堆積兩種補給來源。

根據野外調查，流域內斜坡侵蝕物源主要為強風化變質巖，該層結構疏松，粘結能力較差，局部已風化成土狀，膠結能力差，平均厚度0.1～0.3 m，主要分布于主溝及支溝岸坡坡面區域，該區內幾乎無植被覆蓋，降雨過程中易沿坡面滑塌，在水動力作用下匯入溝道，成為泥石流的主要物源之一。按下式估算求取：

式中：W -坡面松散物質儲量（m3）；

S-物源分布區圖上面積（m2）；

H-物源分布區土層垂直厚度（m）；

n-計算單元數（個）；

坡面侵蝕物源參與泥石流活動的方式主要為水土流失，侵蝕方式為面蝕及溝蝕，礦山路泥石流坡面物源主要集中在溝道兩側溝岸，面積1.0 km2，經估算，該泥石流溝坡面侵蝕物源約為20×104m3，區內兩側溝坡坡度35°～50°，坡面植被發育較少，可轉化的泥石流物源量約為總固體物質總量的35%，約7×104m3。

金川區南部主要為集中礦產開采區，礦渣堆積點較為分散，分布面積較廣，成為形成泥石流災害的主要因素。泥石流流域內共有三處礦渣堆放區，棄渣區目前仍在傾倒礦渣，礦渣堆積結構松散，部分坡面未做防護，在強降雨過程中，極易沖刷使其溜滑，形成泥石流主要物源，本次計算礦渣堆積物源，按實地調查、收集資料，再根據可轉化比例進行估算，見表1所列。

表1 渣堆可轉化量表

圖9 渣堆

綜上所述：該處泥石流固體松散物質儲量約為27.03×104m3。

4 結語

該處泥石流流域面積1.6 km2，流域內渣堆分布，松散堆積物較多，溝口廠房人口集中，主溝坡降介于55‰～60‰，因此該區域松散物質強降雨情況下具備啟動的地形條件。泥石流固體松散物質儲量約為20.73×104m3，渣堆占比74%。

水文分析各階段分析結果與實際地形相符，Arcgis水文分析可應用于分水嶺不明顯的中低山區，通過實地調查修正，計算得出較準確的流域范圍。結合遙感和現場調查，可快速確定泥石流流域內松散物儲量。