喜马拉雅山地区大型泥石流遥感调查与发育特征研究

童立强，聂洪峰，李建存，郭兆成

(中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

喜马拉雅山地区是我国地质灾害最为严重的区域之一。地质灾害对当地社会经济发展和生态环境带来了极大危害，每年造成直接经济损失数以亿计。区内主要的地质灾害包括滑坡、泥石流、崩塌、冻胀融沉、碎石流和冰湖溃决等，每年汛期均有险情发生。近几年来，随着全球温室效应加剧，气温上升，喜马拉雅山地区的冰川正以平均10～15 m/a的速度退缩，成为全球冰川退缩最快的区域之一。伴随着生态环境的进一步恶化，喜马拉雅山地区的滑坡、泥石流、崩塌和冰湖溃决等地质灾害的发生频率有逐步增高的趋势[1-4]。

研究区地旷人稀、山高路险，空气稀薄，地质灾害的实地调查极为困难。以往的地质灾害研究或调查工作，多是针对典型的小流域地区[5-7]，或针对大型工程的沿线地区开展[8-10]，尚没有覆盖全区的高精度调查成果，所得到的区域尺度的地质灾害分布、发育特征与形成规律具有一定的局限性。而遥感调查方法具有视域广、数据采集快、连续观察和不受地形限制等特点，近些年来在地质灾害调查领域得到广泛应用[11]。中国地质调查局于2006年部署了“喜马拉雅山地区重大地质灾害遥感调查”项目，以期基于多源遥感数据获取喜马拉雅山地区地质灾害的类型和空间分布等信息，总结该区域地质灾害的形成条件与发育规律，为区域减灾防灾工作提供基础数据和科学决策依据。

本文是“喜马拉雅山地区重大地质灾害遥感调查”项目的总结成果之一。以研究区多源遥感数据为基础，通过建立各种类型泥石流的遥感解译标志，采用人机交互和目视解译的方法获取喜马拉雅山地区泥石流的类型、空间分布及发育特征等信息;利用GIS空间分析手段，对泥石流分布及其背景环境数据进行叠置分析，研究和总结泥石流的水源类型、长度、形态、比降、集水区面积和运动方向等发育特征;定量统计泥石流在工程地质岩组、地质构造、地形地貌、土地利用类型、植被盖度、降水量与气候等不同环境背景条件中的指标，分析泥石流的形成条件及其与外部影响因素的关系，总结喜马拉雅山地区泥石流的发育规律，为喜马拉雅山地区减灾防灾工作提供基础数据和科学决策依据。

1 研究区概况

研究区位于我国西藏自治区南部，西起阿里地区的札达县、葛尔县，东侧以雅鲁藏布江为界，北界为雅鲁藏布江大断裂，南至国界，地理范围在E 78°～95°30′，N 26°～33°之间;东西长约 1 700 km，南北宽约60～250 km，总面积约170 000 km2(图1)。

图1 研究区位置与范围示意图Fig.1 Sketch map of location and boundary of study area

喜马拉雅山是近EW走向的山系，由许多平行山脉组成，地势总体上南坡陡峻、北坡平缓，西高东低、北高南低;海拔高度由西北向东南呈阶梯式递降，西部平均海拔5 000 m以上，东部平均海拔4 700 m左右。研究区内的河流分属雅鲁藏布江和朗钦藏布江2大水系。雅鲁藏布江发源于喜马拉雅山北麓仲巴县境内的杰马央宗冰川，全长2 057 km，流域面积24×104km2，流域平均海拔约4 500 m;朗钦藏布江主要在札达县境内。其他河流有孔雀河、吉隆藏布、波曲、澎曲、康布麻曲、洛扎雄曲和达旺河等[12-15]。

区内地层发育齐全且复杂多变，以大面积出露前寒武系变质岩和从奥陶纪至新近纪基本连续沉积的海相地层为特点，显生宇沉积地层总厚度达12 500 m。区内岩浆岩活动较强烈，具有活动期次多、类型多、阶段性强等特点。侵入岩主要为花岗岩类，以元古宙及奥陶纪花岗岩和中新世淡色花岗岩为主，侏罗纪花岗岩仅有个别岩体出露，多集中于高喜马拉雅带和拉轨岗日带，显示了花岗岩形成时代自南至北由老变新的趋势[15-17]。喜马拉雅山经历了多期、多层次的构造变形，在大地构造位置上属冈瓦纳北缘特提斯构造域晚古生代—中生代冈底斯—喜马拉雅构造区，分为印度陆块、印度河—雅鲁藏布江结合带和拉达克—冈底斯—拉萨—腾冲陆块3个二级构造单元;从南到北可划分低喜马拉雅、高喜马拉雅、北喜马拉雅南带、康马—隆子、雅鲁藏布江、拉萨—察隅和冈科布斯坦—达拉克等7个构造-地层分区[16-17]。

2 数据与方法

2.1 数据

2.1.1 遥感数据

因研究区范围跨度大，同一颗卫星的遥感图像数据难以一次覆盖整个研究区，故本文采用了多种卫星不同传感器获取的遥感图像。各类遥感数据的基本特征与数据预处理情况详见表1。

表1 遥感数据源及其基本特征Tab.1 Remote sensing data sourcers and their basic characteristics

2.1.2 区域背景数据

除遥感数据外，本文采用的其他数据还包括地质、地形和气候区资料等。其中，地质资料主要采用最新的1∶25万区域地质调查成果;地形资料为1∶25万DEM和区域地形图;降雨及气候区资料为中国自然地理图集附图及亚东县等10个气象台站采集的近50 a以来的降雨量和气象资料;土地利用资料为全国第一次土地详查成果。

2.2 方法

本文采用的遥感调查方法包括建立泥石流遥感解译标志以及人机交互与目视解译。利用GIS空间分析手段，通过叠置统计泥石流分布与工程地质岩组、地质构造、地形地貌、土地利用类型、植被盖度和气象等不同环境背景数据，定量分析喜马拉雅山地区泥石流的形成条件及其与影响因素的关系，总结泥石流的发育规律。限于篇幅，本文着重介绍泥石流的解译标志和用于泥石流分类的影像特征。

2.2.1 泥石流解译标志

研究区内泥石流的遥感影像特征在灾害的不同部位、不同地形地貌区及不同地质特点区有所差别。泥石流在遥感图像中呈明显的不规则条带状、蝌蚪状、瓢状等形态，其边界多齿状、不光滑，前端多呈舌状，后端呈瓢状，在喇叭状沟谷出口处呈扇状或锥状。泥石流物源区的岩石破碎、物源丰富，在遥感图像中冲沟发育，植被不发育，第四纪松散堆积物较多;流通区往往有陡坡地，形成新鲜的碎屑流;堆积区为沟谷下游出口，地形突变为平缓、呈扇型，有较强的浮雕凸起感，表面有流水形成的网状细沟等(图2)。

图2 泥石流遥感解译标志Fig.2 Remote sensing interpretation keys of debris flow

研究区内泥石流的分布在遥感图像中多呈陡立而平直的浅沟和充满蝌蚪状堆积物的坡脚，有时堆积物呈串珠状排列于坡脚，形成堆积扇群(图3)。泥石流区的整体色调、影纹特征与其周围植被较发育或基岩区差异明显。泥石流扇的色调与基岩区和风化堆积物的色调近乎一致，其区别在于色调饱和度和明度有较大的差异。新形成的泥石流堆积体因其内部水分充足，色调的饱和度较高，亮度比背景的低;干涸的泥石流堆积体则与之相反。泥石流内部的色调多不均一，有时呈紊乱的色调;泥石流的影像花纹多呈斑状、斑点状，花纹结构较粗糙[18]。

图3 泥石流群立体影像图Fig.3 3D image of debris flow

2.2.2 泥石流分类

根据遥感技术的特点和遥感能够识别的泥石流类型，泥石流的分类系统主要有规模分类、水源类型分类和发育阶段分类。按照泥石流堆积区的面积，可分为巨型(堆积体面积＞0.5 km2)和大型(堆积体面积0.5～0.2 km2)泥石流;按照水源条件，可分为雨水型、冰雪融水型、溃决型和混合型泥石流;按照泥石流的发育阶段特点和沟谷的碎屑物质及势能条件，可分为发育期、旺盛期、衰败期及停歇期泥石流。发育期泥石流的上游侵蚀、沟道和沉积扇都不明显，仅有零星的泥石流沉积物。旺盛期泥石流的上游侵蚀强烈，各类不良地质过程发育;沟道和冲积扇上有明显的泥石流沉积物并有多条流路，冲积扇上无灌丛和林木，仅有稀疏的杂草。衰败期泥石流的上游已侵蚀到分水岭，有坚硬的基岩出露;侵蚀沟两侧杂草丛生，沟道内阶地发育，形态明显;冲积扇已无明显的泥石流堆积，有灌丛和林木生长，沟道固定。停歇期泥石流是指泥石流已经停止活动，与衰败期泥石流的影像特征类似，区别是其河道坡降更小，势能条件更差[19-21]。

3 大型泥石流空间分布

喜马拉雅山地区共分布有大型以上泥石流361条(其中巨型泥石流353条、大型泥石流8条)。根据所获取的研究区泥石流的坐标位置信息，区域泥石流灾害的空间分布具有如下特点:

1)丛集性分布。研究区内存在16个泥石流集中片区:雅鲁藏布江南岸米林县段，隆子县脱机拉山一带，洛扎县库拉抗日北麓，康马县涅如堆乡涅如藏布东岸，康马县康马镇、萨玛达乡江日曲两岸，定结县江嘎镇、萨尔乡叶如藏布西岸，定日县曲当乡通门一带，定日县扎果乡至岗嘎镇以东中尼公路段，聂拉木县门布以西中尼公路段，聂拉木县聂拉木镇至亚来波曲段，吉隆县扎隆沟以南吉隆沟两岸，仲巴县亚热乡西边缘，札达县达巴乡西北部，札达县城南部象泉河支流玛朗曲两岸，噶尔县北西阿伊拉日山东麓和噶尔县扎西岗乡北西噶尔藏布两岸(图4)。

图4 研究区泥石流分布Fig.4 Distribution of debris flows in study area

2)北坡最为发育。根据泥石流沟道的流向，喜马拉雅山脉的北坡(阴坡)大型泥石流沟最多。其中，阴坡泥石流沟144条，西坡泥石流沟62条，东坡和南坡(阳坡)的泥石流分别有55条和53条，东北坡泥石流沟26条，其他3个方向的泥石流极少(表2)。

表2 研究区泥石流流向Tab.2 Flow direction of debris flows in study area

阴坡大型泥石流的数目是阳坡的2.7倍，大型泥石流在阴坡比阳坡更发育。例如洛扎县喜马拉雅山脉主脊的库拉抗日山阴坡发育了近20条泥石流，但其阳坡却没有泥石流;距喜马拉雅山脉主脊较远的阿依拉日山的东北坡发育了19条泥石流，但其阳坡却未解译出泥石流。这种现象与有些人认为喜马拉雅山阳坡地带更易发育泥石流的认识[10-22]不同，有待进一步研究。

4 大型泥石流发育特征

研究区内的大型泥石流发育具有如下特征:

1)发育阶段。大型泥石流多处于发育旺盛期，其中旺盛期222条，发育期52条，衰败期44条，停歇期43条(表3)。

表3 研究区泥石流发育阶段Tab.3 Evolution stages of debris flows in study area

2)水源类型。研究区内雨水型泥石流最多(254条，占泥石流总数的70%)，其次为冰雪融水型泥石流(107条，占泥石流总数的30%)。

3)沟道比降。大型泥石流的主沟道比降在200‰ ～100‰ 之间的最多(138条)，比降在300‰～200‰之间的泥石流沟有87条，比降小于100‰的泥石流沟有71条(表4)。由此可见，沟道比降过大时碎屑物不易原地留存，难以形成大型泥石流。

表4 泥石流沟道比降Tab.4 Channel gradients of debris flows

4)形态及沟道长度。研究区内漏斗状泥石流232条，长条状泥石流129条。泥石流的沟道长度主要集中在1～4 km范围内。其中，沟道长度1～2 km的泥石流沟最多，其次为2～3 km的泥石流沟。沟道长的泥石流少，但灾害规模相对较大(表5)。

表5 泥石流沟道长度Tab.5 Channel length of debris flows

5 大型泥石流形成的背景特征

5.1 基本条件

泥石流发育的基本条件是丰富的松散固体物质、有利的地形条件和充足的水源条件。其中地质条件为泥石流的形成提供了松散固体物质，控制着泥石流的空间分布与规模;而山坡坡度、沟道比降及地貌类型等只有达到一定范围时，对泥石流的形成才是有利的;对泥石流产生影响的水源因素主要是降水量的变化[10]。

5.1.1 地质条件

1)工程地质岩组。泥石流灾害与工程地质岩组之间的关系密切。从表6中的统计结果可以看出，在泥石流流域内，工程地质岩组面积分布比例较大的分别是软弱岩夹较软弱岩组、较坚硬岩与软弱岩互层岩组、较软弱岩夹软弱岩组、较软弱岩组、较坚硬岩夹软弱岩组。相对来说，比较软弱的岩石更易为泥石流的发育提供物源[18];软硬岩互层的岩组由于易发生崩塌、滑坡等，也为沟谷泥石流的形成提供了物源条件。

表6 泥石流流域与工程岩组面积比重Tab.6 Ratios of catchment area of debrisflows and rock masse area

2)地质构造。地质构造是泥石流发育的控制性因素。本文利用GIS对泥石流发育个数与泥石流到断层带的距离进行了分析(图5)。从图5可以看出，泥石流发育的个数在总体上随着泥石流到断层带距离的增大而急剧减小。泥石流主要发育在距断层带8 km以内;距断层带大于8 km后，泥石流发育的个数降低到一个较少而稳定的水平。由此可见，一方面断层带附近破碎的岩石为泥石流的形成提供了物源，另一方面断层带活动形成的陡峭沟谷又为泥石流的形成提供了地形条件。

图5 泥石流条数与到断层距离统计对比Fig.5 Relationship of number of debris flows and distance from debris flows to fault

5.1.2 地形地貌条件

1)地形。将泥石流流域与地形坡度信息进行叠置分析可以看出，研究区内泥石流流域内的地形坡度主要在5°～25°之间，其中绝大部分在5°～15°。随着地形坡度的增高，大型泥石流发育的比例呈现先上升后下降的趋势(表7)。

表7 泥石流流域内地形坡度Tab.7 Slopes in debris flow catchment

将泥石流分布与地形粗糙度进行空间叠置分析，统计结果(表8)显示，泥石流发育和活动与地形粗糙度大致呈正相关关系，即地形的粗糙度越大、大型泥石流发育的概率越大。

表8 泥石流流域不同地形粗糙度的面积Tab.8 Areas of different levels of roughness in debris flow catchment

2)地貌。将泥石流分布与地貌类型进行空间叠置分析(表9)，结果表明，喜马拉雅山地区的泥石流主要发生在相对高差和绝对高程都较大的地貌区域;相对来说，高位中山地貌区更易产生大型泥石流。

表9 不同地貌区内泥石流流域面积Tab.9 Areas of debris flow catchment in different geomorphologic region

5.1.3 水源条件

降雨量是衡量泥石流水源条件的重要指标。根据中国自然地理图集[23]，对泥石流流域与降雨量空间分布图进行叠置分析，结果见表10。泥石流数量与降雨量大致呈正态分布，泥石流流域内分布面积占区域分布面积比例最高的降雨量区间为300～400 mm/a，可见并不是降雨量越大、大型泥石流就越发育。通常情况下，暴雨常常是泥石流的激发条件。

表10 不同降雨量的泥石流流域面积Tab.10 Areas of debris flow catchment in different precipitations

5.2 其他影响因素

除直接控制泥石流形成的地质、地形地貌和水源条件外，植被覆盖、土地利用等因素也对泥石流发育产生一定影响。

5.2.1 植被覆盖

对泥石流流域与基于NDVI指标的区域植被覆盖度图进行叠置分析，结果见表11。泥石流流域总体上植被覆盖较差，52%的泥石流流域内的植被覆盖小于10%。泥石流流域面积与植被覆盖度呈负相关，即从总体上看，植被发育差的区域更易发生泥石流。

表11 不同植被覆盖区的泥石流流域面积Tab.11 Areas of debris flow catchment in different greenness region

5.2.2 土地利用类型

对泥石流流域与区域土地利用图进行叠置分析，统计泥石流流域及其所属各种土地利用类型的面积(表12)。107条冰雪融水泥石流占冰川及永久积雪区的10.08%;其他类型泥石流流域内草地、裸岩及裸地最多，有林地区泥石流最少，且多为停歇期。因此，裸岩及裸地、草地和荒草地是泥石流相对易发区。

表12 不同土地利用类型的泥石流流域面积Tab.12 Areas of debris flow catchment in different land use types

5.2.3 气候区

根据中国自然地理图集[23]，将气候带资料与泥石流流域进行空间叠置分析，结果见表13。温带草原气候区发育泥石流205条，寒带荒漠气候区发育泥石流81条，温带落叶阔叶林气候区发育泥石流54条(多处于停歇期)，温带森林草原气候区发育泥石流19条，北亚热带季风性落叶阔叶、常绿阔叶林气候区和中亚热带季风性常绿阔叶林气候各发育1条泥石流。按泥石流条数密度分析，温带草原气候区、温带落叶阔叶林气候区和温带森林草原气候区的泥石流条数密度大于区域平均值(2.14)，寒带荒漠气候区泥石流密度为1.62，其余气候区基本不发育泥石流，最易于发育泥石流的是温带草原气候区。

表13 不同气候区中泥石流流域面积与密度Tab.13 Area and density of debris flows in different climatic zones

6 结论

1)喜马拉雅山大型泥石流空间分布特征为:①具有丛集性特点，较为集中地分布在16个区域;②阴坡较阳坡发育，阴坡大型泥石流是阳坡的2.7倍。

2)喜马拉雅山大型泥石流发育特征为:①水源类型以降雨为主，占泥石流总数的70%;②发育期多处于旺盛期，占泥石流总数的61%;③主沟道比降在200‰～100‰之间的最多;④标准形态的漏斗状最多，占泥石流总数的64%;⑤沟道长度主要集中在1～4 km范围内。

3)喜马拉雅山泥石流形成背景特征为:①形成泥石流的松散堆积物质主要由软弱岩夹较软弱、较坚硬岩与软弱岩互层等岩组提供;②地质构造活动提供了松散堆积物和陡峭沟道地形，泥石流主要发育在距断层带8 km以内的区域;③随着斜坡坡度变大泥石流发育的比例呈现先上升后下降的趋势;④泥石流发育和活动与地形粗糙度大致呈正相关关系，地形粗糙度越大泥石流发育的概率也越大;⑤高位中山地貌区更易产生泥石流;⑥降雨型泥石流在300～400 mm/a降雨量的区域比例最大;⑦泥石流流域面积与绿度呈负相关，植被覆盖差的区域更易发生泥石流;⑧裸岩及裸地、草地和荒草地是泥石流相对易发的土地利用类型区;⑨最易发育泥石流的气候区是温带草原气候区。

限于本文的篇幅及遥感调查的工作性质，本文仅从宏观上讨论了喜马拉雅山地区泥石流的分布、发育及其形成背景等特征。针对某些具体的问题(如泥石流在喜马拉雅山地区南北坡分布差异的机制等)，还需进一步研究。

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