汶川震区北川县泥石流流域崩滑体时空演变特征

李明威，唐 川，陈 明，史青云

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

强震不仅直接引发大量同震崩塌、滑坡，还会在震后较长时间内提高山体斜坡不稳定性，崩塌、滑坡堆积体是后续降雨诱发泥石流的主要固体物质来源[1-3]。1999 年台湾集集地震发生后，同震滑坡面积高达159.77 km2[4]，在2001年7月30日的Thphoon Toraji台风事件中该地区暴发了严重的泥石流灾害[5]。2008年“5.12”汶川地震诱发的同震崩塌、滑坡所形成的固体松散物总体积达52.5×108m3[6]。在震后几年内，汶川震区暴发了大规模群发性泥石流灾害。例如，2008年9月24日，持续性强降雨导致北川县城暴发以魏家沟为主的群发性泥石流灾害[7]；2010年汶川县映秀镇、都江堰市龙池镇、绵竹市在短时强降雨作用下暴发了特大泥石流群灾害事件[8-11]；2013年汶川县绵虒镇、佛堂坝村在持续性暴雨作用下发生了泥石流灾害[12-13]。因此，汶川震后滑坡泥石流活动趋势的预测研究极为迫切。

汶川地震后滑坡泥石流活动研究中，众多学者主要集中于对同震滑坡以及泥石流发育特征、形成机制、分布规律的研究[14-16]，仅有少数学者对震后滑坡、泥石流活动演化趋势展开研究。常鸣等[14]综合选取震前及震后几年，特别是大规模群发性泥石流灾害暴发前后的多期遥感影像，对比分析不同时期崩滑体的空间分布规律及演变规律。Tang等[18]以北川县城为例，选取两期遥感影像，解译了汶川地震及随后的强降雨事件诱发的滑坡灾害，并分析了暴雨作用对于泥石流的影响，预测汶川震区地质灾害在震后10～15 a内仍将保持高活动性。黄润秋[19]基于多年灾害频数统计数据，结合关东大地震与台湾集集地震的灾害活动演变趋势，预测汶川震区地质灾害活动将持续20～25 a，并以4～5 a为一个周期震荡式衰减。Tang等[20]利用龙池地区多期遥感影像解译结果，对崩滑体活动性进行分级，并基于此对未来崩滑体演变情况进行了预测和分析，认为震后10 a研究区滑坡泥石流活动已趋于微弱。

滑坡泥石流的活动与流域植被恢复有着相当密切的关系，植被恢复情况是影响崩滑体活动性的关键因素之一，植被恢复对震后崩滑堆积体稳定性的影响研究显得极为关键。早期，一些学者对震区植被动态变化展开了少量研究，基于多期NDVI的监测结果，动态分析了汶川震区植被的时空变化特征及恢复情况[21-22]，但他们对于汶川震区崩滑体的研究多集中在震后短期时间内的对比分析上，对崩滑体长期演变特征的分析较少，同时，对于植被与泥石流活动性的关系研究也较为欠缺。

1 研究区概况

本文选择汶川地震极重灾区北川县城8条泥石流流域为研究区(图1)，总面积为663.9×104m2。北川县城地处龙门山前山与后山的交界地带，以山地为主，海拔700～1 500 m，地势整体西高东低，由西北向东南倾斜。研究区位于映秀—北川断裂带上盘，在地震中受影响极大，毁坏严重。研究区出露地层主要包括寒武系砂岩、砂页岩、泥质灰岩，志留系板岩、千枚岩、灰岩，泥盆系和石炭系的碳酸盐岩，以及广泛分布于河流两侧和山前沟口地带的阶地和洪积扇地带的第四系松散堆积物。

研究区位于亚热带湿润季风气候区，多年平均气温15.6 ℃。区内雨量充沛，年平均降水量1 399 mm，主要集中在6—9月，占全年的74%。研究区各支沟沟口及两侧山体斜坡多为林地，植被覆盖率较高，可达80%以上。“5.12”地震时地质灾害发生地段植被遭受严重破坏。

研究区在汶川地震前无较大范围滑坡和崩塌分布，仅有零星小规模滑塌发育在沟谷两侧。“5.12”汶川地震后，北川县城周边山体发生大面积山体滑坡，例如王家岩滑坡、新北川中学崩滑体。2008年9月23—24日，北川县遭遇汶川地震后的最大一场强降雨过程，累计降水量达331.9 mm[23]，导致北川县城西侧的8条沟道暴发泥石流。根据绵阳市统计年鉴查阅得到，北川县历年雨季降雨量如表1所示。

表1 2008—2016年北川县雨季(6—9月)平均降水量

图1 研究区位置及泥石流流域概况

2 数据来源与研究方法

汶川震区北川县城泥石流源区崩滑体空间分布特征分析，主要利用从各种来源获得的多期遥感图像进行崩滑体解译，并利用ArcGIS软件分析其空间分布特征。

结合前人研究资料和相关数据，综合考虑分辨率、云层覆盖率等相关因素，共选择2008年“5.12”地震发生后、2008年“9.24”泥石流发生后、2010年、2011年、2013年、2014年、2015年、2016年八期遥感影像数据，以通过ALOS影像下载收集得到研究区12.5 m分辨率的DEM为基准，对遥感影像进行地理配准与几何校正。以“5.12”地震后的崩滑体解译结果为基准，进行震后几年崩滑体解译，保持滑坡边界一致，尽可能减少图像质量差异造成的误差。

针对震后研究区内植被恢复的研究主要基于像元二分模型[24]计算植被覆盖度(VFC)和植被覆盖度恢复率(VCRR)[22]，其计算模型如下：

(1)

式中：NDVIsoil——完全无植被覆盖区域的NDVI值；

企业战略是指企业为了实现长期生存和发展，通过外部环境与内部资源的整合，对公司的发展目标、业务方向、指导方针、实施步骤等作出的总体性谋划。这强调了企业战略必须要确保企业适应环境变化，实现企业资源条件与内外部环境因素的匹配，才能运用管理的手段为企业整体和企业有关的活动制定行动纲领，从而明确企业发展的方向和目的，界定业务范围，构筑竞争优势。

NDVIveg——完全被植被所覆盖区域的NDVI值。

当研究区内近似可取VFCmax=100%，VFCmin=0%时，式(1)变为：

(2)

(3)

式中：NDVIi——地震后某一年的植被指数；

NDVIpost——地震后植被覆盖度最低的一期植被指数；

NDVIpre——地震前植被指数。

本文选择研究区与遥感影像对应的八期Landsat 5/7影像，利用ENVI软件提取其归一化植被指数(NDVI),选取阈值为5%，利用式(2)计算研究区的植被覆盖度，在ArcGIS软件中利用式(3)计算植被恢复率(VCRR)，并分析其恢复情况。

本文所使用的数据见表2。

3 崩滑体演化与植被恢复特征

研究区的震后崩滑体分布如图2所示。汶川地震发生后，研究区发生大量崩塌滑坡，导致坡面岩土体极为松动。解译的崩滑体总面积达145.9×104m2，占研究区总面积的21.9%。2008年9月24日，北川县遭遇持续性暴雨，促使原有不稳定岩土体进一步滑动，崩滑体面积进一步扩大，同时又产生部分新增崩滑体。因而，“9.24”泥石流灾害发生后，研究区崩滑体总面积达到峰值，为177.3×104m2，占研究区总面积的26.7%。并在随后几年一直保持在较高水平。随着时间的延长，研究区内未再发生强震、暴雨等强大的外动力作用，崩滑体活动性下降，面积减少。同时，随着坡面植被逐渐恢复，进一步抑制崩滑体活动。2011年，崩滑体面积有了显著减少，并在其后保持稳定恢复状态。研究区历年降雨量、植被覆盖度及崩滑体总面积的变化趋势如图3所示。

表2 遥感影像数据类型及其特征参数

图2 研究区震后不同时间崩滑体分布

图3 震后降雨量、植被覆盖度、崩滑体面积变化

3.1 崩滑体在高程上的分布与演化分析

研究区流域范围内高程最低为585 m，最高为1 710 m，本文以12.5 m分辨率的DEM为基础数据，利用ArcGIS软件将崩滑体图层与DEM进行叠加分析，并对崩滑体在高程上的分布面积进行统计。根据地形条件将研究区高程分为五个等值区间，差值为300 m。参照常鸣等[22]分析绵远河流域泥石流形成区崩滑体特征所使用的密度比计算方法，定义某段高程区间上崩滑体总面积与研究区内该段高程区间总面积的比值为密度比，计算其对应的密度比，得到不同年份崩滑体在高程上的空间分布特征及演化规律(图4)。

从图4可以看出，2008年“5.12”汶川地震发生后，崩滑体在高程700～1 500 m范围内发育面积较大。其中，900～1 100 m范围内崩滑体最为发育，总面积为49.3×104m2；其次为1 100～1 300 m范围崩滑体较为发育，总面积为35.9×104m2；这与Tang 等[18]的统计结果基本一致。“9.24”泥石流灾害发生后，高程900～1 100 m范围内崩滑体面积为61×104m2，1 100～1 300 m范围崩滑体面积为45.1×104m2。总体来看，崩滑体在1 300～1 500 m范围内密度比最大。由此说明，在海拔较高的地区，岩土体较为松散，在地震、暴雨等外界因素的诱发下，极易发生崩塌滑坡。但随着海拔的进一步升高，崩滑体的面积有所减少，但其密度比仍维持在较高水平。随着时间的推移，震后几年内各位置的滑坡均有不同程度的恢复，海拔较低地区恢复程度较差，海拔大于1 500 m地区恢复程度最高，其密度比减少最快，700～1 500 m地区崩滑体呈稳定恢复状态。

图4 崩滑体在高程上的空间分布规律

3.2 崩滑体在坡度上的分布与演化分析

利用ArcGIS软件中的3D-Analysis功能，从分辨率为12.5 m的DEM中提取研究区地形坡度，根据地形条件将坡度分为五个等值区间，差值为15°。利用ArcGIS的空间分析功能对崩滑体在坡度上的分布面积进行统计，并计算其对应的密度比，得到不同年份崩滑体在坡度上的空间分布特征及演化规律(图5)。

图5 崩滑体在坡度上的空间分布规律

从图5可以看出，2008年“5.12”地震发生后，研究区崩滑体在坡度30°～45°范围内发育面积最大，其面积为82.6×104m2。“9.24”泥石流后，研究区崩滑体在坡度30°～45°范围内面积增加到100.5×104m2。在坡度较高的地方崩滑体的发育面积有所减少，但其密度比仍维持在较高水平，由此说明，随着坡度的增加，土体的不稳定性提高，崩滑体更容易发生。随着时间的推移，在没有强烈外界因素的影响下，崩滑体呈稳定恢复状态，其中在坡度大于60°范围内的崩滑体恢复程度最高。

3.3 崩滑体在坡向上的分布与演化分析

不同坡向上由于山体的朝向不同，导致其日照时间、降雨因素等都有显著差异，因而其崩滑体的发育程度也有所不同。利用DEM生成研究区山体坡向，以正北方向为0°，每隔45°为一个坡向区间，共分为8个区间。运用ArcGIS中的空间分析功能，对崩滑体在不同坡向上的分布面积进行统计，并计算其密度比，得到不同年份崩滑体在坡向区间内的空间分布特征及演化规律(图6)。

图6 崩滑体在坡向上的空间分布规律

从图6可以看出，2008年“5.12”地震发生后，崩滑体多集中发育在坡向为0°～180°的范围内，其面积为128×104m2。“9.24”泥石流后，该区域的崩滑体面积达150.7×104m2，占崩滑体总面积的85%。在180°～360°的坡向区间，崩滑体发育较少，其中在270°～315°的坡向区间几乎无崩滑体发育。随着时间的推移，由于在0°～180°坡向区间日照较为充足，植被发育较好，其崩滑体恢复程度也维持在较高水平。而西侧坡面的恢复程度则较低。

3.4 崩滑体在距沟道距离上的分布与演化分析

研究区主要由8条泥石流沟组成，泥石流物源主要来自于坡面崩滑体。参考杨涛[26]对绵虒镇崩滑体在距沟道距离上的统计分析，结合本研究区地形条件，本文以150 m为差值，将距沟道距离等间距分为五级对崩滑体在不同面积的分布距离进行统计，并计算其相应的密度比，得到不同年份崩滑体在距沟道距离上的空间分布特征和演化规律(图7)。

图7 崩滑体在距沟道距离上的空间分布规律

从图7可以看出，2008年“5.12”地震后研究区崩滑体面积最大的区域是距沟道距离0～150 m的范围，其面积为61.2×104m2。在“9.24”泥石流灾害发生后，该范围内的崩滑体总面积增长到了74.6×104m2，占崩滑体总面积的42%。但密度比最大的区域是300～450 m的范围，为26.1%，暴雨导致崩滑体进一步增加后，密度比达到了32.7%。随着时间的推移，除600～750 m范围外，其余崩滑体均呈现稳定的恢复状态。在距离沟道600～750 m的坡面上，崩滑体在2011年到2013年间有所增加，如今已基本恢复，面积很小，密度比极低。其余范围内，崩滑体呈稳定恢复状态。

3.5 泥石流源区植被覆盖度演化分析

根据式(1)计算得到，研究区内植被覆盖度(VFC)在“9.24”泥石流发生后达到最低值，为0.64(图3)。从2010年起至2013年初，研究区内植被覆盖度呈缓慢恢复状态，根据图3可以看出，2013年降雨量较之前几年有了显著增加，雨季过后，2014年研究区植被覆盖度略有降低，但未发生大规模泥石流灾害，崩滑体面积未增加。2014—2016年，研究区植被恢复良好，崩滑体面积减少，泥石流活动性降低。

根据许积层等[21]对汶川震区岷江河谷段植被恢复特征的研究，结合本文研究区实际情况，将植被覆盖度恢复率VCRR分为4级：<0为植被恢复极差；0～0.5为植被恢复较差；0.5～1为植被恢复中等；>1为植被恢复良好。

研究区泥石流源区崩滑体植被覆盖度恢复率统计结果如图8所示。

图8 植被覆盖度恢复率

从图8可以看出，2008—2010年，植被恢复程度依然处于较低水平，植被恢复极差区域占比78.4%，由此说明，在强烈外力破坏作用发生后的短期时间内，崩滑体活动性仍处于较高水平，缺少植被恢复的稳定条件。从2011年起，植被覆盖度恢复中等以上的区域占比逐渐增高，研究区植被处于缓慢恢复状态，崩滑体活动性逐年降低，趋于稳定。2013年雨季降雨的显著增加，使得植被覆盖度恢复率有所降低，2014年植被恢复极差的区域占整个研究区面积的56.1%，但植被整体仍处于恢复状态，2015年之后植被覆盖度恢复率中等以上区域面积进一步增加。

4 结论

(1)汶川地震发生后，北川县城崩滑体发育面积较震前显著增加，震后不久，9月23—24日短时强降雨发生后，进一步诱发大量崩滑体，导致“9.24”群发性泥石流灾害的发生，崩滑体面积达到峰值，并延续到2011年崩滑体面积仍处在较高水平。随着生态和地质环境的逐渐恢复，2013年起研究区崩滑体面积显著降低，至2016年已恢复至较低水平。

(2)研究表明，崩滑体在高程900～1 100 m、坡度30°～45°、坡向90°～135°、距沟道150 m范围内发育面积最大。密度比最高的为高程1 300～1 500 m、坡度大于60°、坡向45°～90°、距沟道300～450 m范围内。

(3)根据计算，研究区植被覆盖度(VFC)在“9.24”泥石流发生后达到最低值，震后至2010年植被恢复水平较低，2011—2013年，植被恢复程度略有提高。受2013年降雨作用影响，2014年植被覆盖度恢复率极差区域占比56.1%，随后几年研究区植被呈稳定恢复状态。

(4)与映秀、龙池等地区相比，研究区内2010年、2013年降雨强度与往常相比也有所增加，但未发生大规模泥石流群发性灾害。由此认为，除地层岩性、微地貌等因素影响外，植被也对泥石流活动性具有一定的抑制作用。