基于光学遥感技术的高山极高山区高位地质灾害链式特征分析<br/>——以金沙江上游典型堵江滑坡为例

基于光学遥感技术的高山极高山区高位地质灾害链式特征分析
——以金沙江上游典型堵江滑坡为例

2021-10-27朱赛楠余天彬黄细超孙渝江

中国地质灾害与防治学报 2021年5期

刘文，王猛，朱赛楠，余天彬，黄细超，宋班，江煜，孙渝江

（1.四川省地质调查院（稀有稀土战略资源评价与利用四川省重点实验室），四川成都610081；2.中国地质环境监测院（自然资源部地质灾害技术指导中心），北京 100081）

0 引言

地质灾害链是指一系列在时间上有先后，空间上彼此相依，成因上相互关联、互为因果，呈连锁反应，依次出现的几种地质灾害组成的链式灾害体系[1]。在高山极高山区，暴雨-崩塌-滑坡-泥石流等灾害链较为常见，具有高位、高速、远程、气浪、容易链状成灾等特点，能够在高位滑坡启动以后转化成泥石流，再形成堰塞湖，这类地质灾害隐蔽性强、破坏力大，每年都会造成巨大的经济损失和人员伤亡[2]。

金沙江上游河道坡降大、地面切割强烈，山高谷深，为典型的高山峡谷区，V型河谷发育，谷坡地势陡峻、岩体支离破碎、分水岭狭窄，极易发生山体滑坡，该流域堵江滑坡受学者的广泛关注，研究成果主要集中于堵江滑坡的形成机制与稳定性评价[3−7]、灾害灾情应急监测与治理[8−10]、古滑坡堰塞湖溃坝堆积物粒度特征[11]等方面，多以典型堵江滑坡为研究对象，对具有成因联系的不同灾种之间的链式特征鲜有报道。在遥感方面，姚鑫等以金沙江及其支流定曲河谷为例，利用多源遥感影像的图斑特征配合实地考察，总结了该地区古滑坡、活动滑坡的识别特征[12]，但该地区滑坡相对不发育，样本数量有待进一步补充。本文以光学遥感技术为研究手段，采用光学卫星、无人机等遥感数据，分析了金沙江流域直门达-石鼓段堵江滑坡地质灾害的分布规律，总结了堵江滑坡地质灾害的链式特征，以期为金沙江流域直门达-石鼓段堵江滑坡调查评价、风险评估、防灾减灾提供光学遥感基础资料。

1 研究区概况

金沙江流域直门达—石鼓段位于青藏高原东部三江地区，地处冈瓦纳大陆与泛华夏大陆结合部位的金沙江结合带，地势总体西高东低，由横断山脉、云贵高原、四川盆地等三大地貌组成。研究区气候条件复杂多变，属季风气候区，夏秋季受印度洋和太平洋暖湿气流影响，降水较多，冬春季受亚欧大陆中心及蒙古高原干冷气团控制，降水稀少。整体上，从北西向南东，降水量逐渐增大，气温逐步升高。

研究区经历了漫长的地质变迁史、构造复杂，是古特提斯洋闭合形成的重要缝合带，地震活跃。构造行迹以近南北向的金沙江断裂带为代表，该断裂带由东、西边界断裂以及金沙江主断裂等3条主要断裂和其他近南北向次级断裂组成，宽约50～60 km，总体走向近南北向，断裂带内主要出露岩浆岩体、基性岩脉、古生代地层等地质体[13]，空间上自西向东可分为陆缘火山弧带、构造混杂岩带、裂谷盆地带、蛇绿构造混杂岩带、前陆褶皱-冲断层带等5个地质构造单元。根据各地质构造单元内岩性特点、成因类型与岩土物理力学性质，可划分出层状碎屑岩类、层状碳酸盐岩类、结晶岩类三大岩体类型。

2 数据来源

研究区选用高分一号、高分二号、WorldView-2、无人机航摄等多源卫星数据，数据分辨率包括中高分辨率2.0 m、0.8 m、0.5 m及0.2 m。其中，卫星影像云覆盖<1%，雪覆盖<5%，满足研究要求。

3 研究方法

根据遥感影像上滑坡地质灾害隐患的色调、形态、纹理、阴影等特征，经过野外验证，建立遥感解译标志，开展金沙江上游堵江滑坡地质灾害隐患的遥感解译。研究区滑坡隐患点在影像上表现为绿色、灰色、灰白色、黄褐色、灰褐色等色调，具扇形、舌形、半圆形、梨形、倒梨形、簸箕形、矩形、复合型等平面形态，常见滑坡壁、剪切裂缝、拉裂缝、崩滑破坏、滑坡台阶、滑坡舌、滑坡鼓丘、后缘洼地等变形标志和微地貌。有时可见滑坡堰塞湖、河道弯曲等重要间接解译标志（图1b—e）。

图1 金沙江上游光学遥感解译滑坡灾害分布图Fig.1 Landslides distribution map interpreted by optical remote sensing in upper reach of Jinsha River

4 结果

4.1 堵江滑坡地质灾害隐患遥感调查结果分析

4.1.1 堵江滑坡地质灾害隐患基本特征

采用多源遥感数据，本次在金沙江上游共识别出87处堵江滑坡地质灾害隐患点（图1、表1）。其中已发生滑动造成堵江事件的9处，局部发生变形、整体未滑动的潜在滑坡78处。9处已发生的堵江滑坡中堵塞金沙江干流有6处，分别是特米滑坡（HP11）、岗达滑坡（HP26）、王大龙滑坡（HP27）、旺各滑坡（HP28）、白格滑坡（HP30）、昌波滑坡（HP71）；堵塞金沙江支流有3处，分别是通错滑坡（HP16）、上卡岗滑坡（HP31）、苏洼龙滑坡（HP70）。根据光学遥感解译堵江滑坡地质灾害隐患点的平面面积，估算其体积，按照滑坡规模划分标准，金沙江上游堵江滑坡地质灾害隐患主要为大型、特大型，其中大型40处，特大型47处。以堵江滑坡地质灾害隐患失稳后可能形成的灾害链为划分依据，研究区潜在滑坡-堵江灾害链54处、崩塌-滑坡-堵江灾害链20处、滑坡-泥石流-堵江灾害链13处。

表1 金沙江上游滑坡地质灾害隐患光学遥感解译一览表Table 1 Optical remote sensing interpretation list of landslide in upper reach of Jinsha River

续表1

4.1.2 堵江滑坡地质灾害隐患空间分布规律

金沙江上游堵江滑坡地质灾害隐患分布在青海省、四川省、西藏自治区、云南省等4个省12个市（县），其中西藏自治区42处、四川省40处，少量分布在青海省（3处）和云南省（2处），具体可划分出6个集中分布区，自北向南依次为：石渠县奔达乡集中分布区（Ⅰ）、石渠县麻呷乡集中分布区（Ⅱ）、江达县汪布顶乡—白玉县绒盖乡集中分布区（Ⅲ）、贡觉县沙东乡—雄松乡集中分布区（Ⅳ）、巴塘县拉哇乡集中分布区（Ⅴ）、芒康县竹巴龙乡—巴塘县地巫乡集中分布区（Ⅵ）（图1），均位于河流深切割的高山峡谷区，岸坡陡峻，地质构造强烈。从金沙干流及其支流左右两岸分布特征来看，金沙江干流分布堵江滑坡70处，其中左岸分布31处，右岸分布39处；金沙江支流分布17处，其中左岸支流分布6处，右岸支流分布11处。

4.2 堵江滑坡地质灾害隐患链式特征

4.2.1 滑坡-堵江灾害链

此类灾害链是金沙江上游主要的潜在堵江滑坡灾害链之一，分布在金沙干流左右两侧，表现为坡度较陡的新生滑坡或老滑坡复活，滑坡滑动后堵塞河道，形成堰塞湖，堰塞湖满库后导致堰塞坝溃决，下游形成洪水灾害，淹没村庄、耕地、公路、桥梁等，造成人员和财产损失。部分滑坡后缘可再次发生滑动，进一步造成人员和财产损失。以白格滑坡（HP30）、色拉滑坡（HP04）为代表。

采用2020年6月无人机航测影像，分辨率为0.2 m，对色拉滑坡进行精细解译，滑坡平面面积约1.5×106m2，按照平均厚度50 m估算，体积约75×106m3，为特大型滑坡，滑坡前缘高程约2 650 m，后缘高程约3 460 m，高差810 m，根据滑坡的变形特征，将滑坡分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个变形区（图2）。

图2 色拉滑坡隐患点光学遥感精细解译图Fig.2 Fine interpretation map of optical remote sensing for Sela landslide

Ⅰ区分布在滑坡体前部，该区域变形较强烈，坡体发生多次滑动。根据变形特征又将该区分为Ⅰ-1、Ⅰ-2两个亚区。Ⅰ-1亚区主要分布在滑坡前部上游侧，属于强变形区，前缘受江水冲刷发生溜滑，溜滑区呈灰白色带状，沿坡向长约40～90 m。Ⅰ-1亚区内发育多级圈椅状陡坎，形成HT-3、HT-4两个次级滑体。其中，HT-3次级滑体分布在Ⅰ-1亚区中前部，后缘陡坎呈驼峰状，可见多条拉裂缝，宽约2～5 m，两侧剪切裂缝明显，次级滑体长约490 m，宽约530 m，平面面积约25×104m2，按照平均厚度30 m估算，体积约7.50×106m3，为大型滑坡，该次级滑体坡整体破碎，多处发生滑塌，呈逐步解体破坏的趋势。HT-4次级滑体位于HT-3次级滑体前部，后缘滑坡陡坎明显，错落高约10～20 m，坡体呈散体状，发育多级拉裂缝，次级滑体长约220 m，宽约360 m，平面面积约7.5×104m2，按照平均厚度30 m估算，体积约2.25×106m3，为大型滑坡，该次级滑体整体滑动可能性大。Ⅰ-2亚区分布于滑坡前部下游侧，坡体破碎，裂缝发育，根据变形特征可以明显划分出HT-1、HT-2两个次级滑体。HT-1次级滑体分布在下游侧前缘，次级滑体长约260 m，宽约230 m，平面面积约5.5×104m2，按照平均厚度30 m估算，体积约1.65×106m3，该次级滑体后缘滑坡壁明显，宽约15 m，有整体滑动的趋势。HT-2次级滑体平面形态呈舌形，次级滑体长约560 m，宽约130 m，平面面积约8.2×104m2，按平均厚度30 m估算，体积约2.46×106m3，次级滑体后缘发育圈椅状拉裂陡坎，坡体发育多级拉裂缝，可能发生多级滑动。

Ⅱ区主要分布在滑坡体中部，该区域变形相对Ⅰ区较弱。该区坡体冲沟、陡坎发育，光学影像上未见明显的变形迹象。

Ⅲ区分布在滑坡后部，后缘坡体发生局部溜滑，形成明显的滑坡壁，该区斜坡整体较稳定。

通过光学遥感解译分析，色拉滑坡受河流下切作用的影响，在重力作用下局部表层发生滑塌变形，堆积体沿斜坡分布，堆积体前缘受金沙江水冲刷。滑坡所在斜坡为斜向坡，受金沙江断裂带影响，岩体较破碎，节理裂隙发育，滑坡前缘发生强烈的变形，发生多级滑动，形成多级拉裂陡坎，如进一步扩展，将有可能形成牵引式的大规模滑坡，破坏模式类似白格滑坡，形成滑坡-堵江灾害链。

4.2.2 崩塌-滑坡-堵江灾害链

此类灾害链分布在高位斜坡区，在高陡斜坡处常发育危岩带，受几组控制性结构面作用，危岩体发生高位崩塌，岩体解体沿斜坡、沟道形成松散堆积体，剖面呈陡-缓-陡形态。在自重力作用下，加之后部局部不断再次发生崩塌加载，前缘受金沙江河流侵蚀破坏，滑坡体整体缓慢蠕变。在强降雨、地震等诱发因素下，可能发生大规模崩塌，并以巨大能量冲击加载在下部斜坡上，形成崩塌-滑坡-堵江灾害链，以汪布顶滑坡（HP52）为代表。

采用2020年6月无人机航测影像，分辨率为0.2 m，对滑坡进行精细解译，滑坡平面面积约80×104m2，按照平均厚度40 m估算，体积约3.2×106m3，为特大型滑坡，滑坡前缘高程约3 108 m，后缘高程约3 909 m，高差801 m，根据滑坡的变形特征，将滑坡分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个变形区（图3a）。

Ⅰ区主要分布在滑坡前缘，该区域变形较强烈，受公路切坡、金沙江侧蚀作用的影响，坡体发生多次滑动，形成4处坡表溜滑体，滑塌体平面面积介于0.5×104～2.8×104m2，总面积约5.7×104m2，按平均厚度30 m估算，体积约1.71×106m3。

Ⅱ区主要分布在滑坡中下部。根据地形和变形特征又将该区分为Ⅱ-1、Ⅱ-2两个亚区。Ⅱ-1亚区分布于滑坡上游侧，该区域发育1条拉裂缝、3处坡表溜滑体，滑塌体平面面积介于0.3×104～0.7×104m2，总面积约1.7×104m2，按平均厚度30 m估算，体积约51×104m3，整体变形相对较小，可见由块石碎石组成的崩滑堆积体。Ⅱ-2亚区主要分布在滑坡下游侧，该区地形较陡，坡体变形强，以滑塌变形为主，发育1处坡表溜滑体，面积约1×104m2，按平均厚度30 m估算，体积约30×104m3。

Ⅲ区主要分布在滑坡中部。该区域受基岩锁固作用变形较弱，整体较稳定，坡体局部发生滑塌现象，可见2处坡表溜滑体，滑塌体平面总面积约0.4×104m2，按平均厚度30 m估算，体积约12×104m3。

Ⅳ区主要分布在滑坡中后部（图3b）。根据变形特征可细分Ⅳ-1、Ⅳ-2两个亚区。Ⅳ-1亚区分布在滑坡后部上游侧，该区后缘发育危岩带，高约30～50 m，前方有大量崩塌堆积体，变形区平面面积介于0.3×104～12×104m2，总面积约13×104m2，按平均厚度30 m估算，体积约3.9×106m3，以块石、碎石为主，最大块径约20 m。Ⅳ-2亚区分布在滑坡中后部下游侧，该区变形强烈，发育危岩带和多条拉裂缝，可分为崩塌变形区和拉裂变形区。崩塌变形区变形最强烈，地形陡峻，基于高分辨率的无人机航空倾斜摄影三维模型，危岩带发育4组优势结构面（图3c），分别为：311°～5°∠48°～55°、130°～150°∠58°～70°、32°～50°∠65°～80°、200°～225°∠81°～87°，在其控制下危岩体失稳发生高位崩塌，产生大量崩塌堆积体，崩塌变形区平面面积介于0.6×104～5.1×104m2，总面积约11×104m2，按平均厚度30 m估算，体积约3.30×106m3，危岩体下方堆积大量松散块石，最大块石块径约30 m。拉裂变形区地形相对较缓，后部发育多条NE向拉裂缝，裂缝长度不一，未完全贯通。根据高分辨率无人机影像初步估计，Ⅳ区的危岩带平面面积约18×104m2，按平均厚度30 m估算，体积约5.4×106m3，规模为特大型，位于“陡-缓-陡”斜坡形态的上部较陡处（图3b），该危岩体失稳后可将以巨大的冲积载荷直接加载于斜坡中部较缓处，预计直接影响面积约16×104m2，涉及Ⅱ-1区后缘、Ⅲ区、Ⅳ-2区前缘。

图3 汪布顶滑坡隐患点光学遥感精细解译图Fig.3 Fine interpretation map of optical remote sensing for Wangbuding landslide

根据本次解译分析，汪布顶滑坡所在斜坡为斜向坡，坡体前缘受金沙江侧蚀作用和公路坡体开挖等人类工程活动的影响，局部发生滑塌变形。滑坡后缘斜坡较陡，发育大量的危岩带，一旦发生较大规模的崩滑失稳，滑塌体将会铲刮中下部的堆积体，形成大规模的滑坡碎屑流，形成崩塌-滑坡-堵江灾害链。

4.2.3 滑坡-泥石流-堵江灾害链

此类灾害链分布在金沙江两岸的支沟中，高位滑坡在坡体中下部和沟道内堆积了大量的松散堆积物，在强降雨的影响下很可能转化为沟道泥石流冲出支沟，挤压、堵塞金沙江，以探戈滑坡（HP38）为代表。

采用WorldView-2卫星影像，分辨率为0.5 m，对滑坡进行精细解译，滑坡纵剖面呈“陡-缓-陡”阶梯状地形，平面面积约1.8×106m2，按照平均厚度50 m估算，体积约90×106m3，为特大型滑坡，滑坡前缘高程约3 170 m，后缘高程约3 950 m，高差780 m，结合滑坡各部位的变形特征，将滑坡分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个变形区（图4）。

图4 探戈滑坡遥感精细解译图Fig.4 Fine interpretation map of optical remote sensing for Tan'ge landslide

Ⅰ区分布在滑坡体前部，该区域地形较陡，可见多处坡体滑动。根据变形强弱程度又将该区分为Ⅰ-1、Ⅰ-2两个亚区。Ⅰ-1亚区主要分布在滑坡前部支沟上游侧，该区滑坡变形强烈，属于强变形区，前缘临空条件较好，在重力作用下发生多处溜滑。溜滑区呈灰色带状，沿坡向长约150～200 m，后缘发育拉裂缝，裂缝断续分布，未整体贯通；溜滑体直达沟底，在坡脚形成扇形、近扇形松散堆积体。根据拉裂缝、溜滑体的分布和变形特征，可识别出HT-1、HT-2、HT-3三个次级滑体。HT-1次级滑体分布在Ⅰ-1亚区左前部，后缘陡坎明显，早期滑动面交错呈树枝状分布，次级滑体长约280 m，宽约130 m，平面面积约3.5×104m2，按照平均厚度30 m估算，体积约1.05×106m3，为大型滑坡，该次级滑体坡整体破碎，呈逐步解体破坏的趋势。HT-2次级滑体分布在Ⅰ-1亚区中前部，后缘滑坡陡坎明显，错落高约50 m，坡体左侧呈散体状，发育多级拉裂缝，变形最为强烈，次级滑体长约500 m，宽约500 m，平面面积约20×104m2，按照平均厚度30 m估算，体积约为6×106m3，为大型滑坡。HT-3次级滑体分布在Ⅰ-1亚区右前部，后缘滑坡陡坎高约15～20 m，次级滑坡呈哑铃状，中后部整体破碎，溜滑现象明显，次级滑体长约550 m，宽约240 m，平面面积约14×104m2，按照平均厚度30 m估算，体积约4.2×106m3，为大型滑坡。Ⅰ-2亚区分布于滑坡前部下游侧，坡体整体较稳定，前缘地形变陡处可见多处小规模溜滑。

Ⅱ区主要分布在滑坡体中部，该区域地势较平缓、坡体无明显变形迹象，从光学影像上看斜坡整体较稳定。

Ⅲ区分布在滑坡后部，根据变形强度的不同可识别出HT-4次级滑坡体。HT-4次级滑体分布在Ⅲ区左前部，滑坡壁清晰可见，后缘滑坡陡坎错落高约80 m，坡体整体破碎，变形强烈，与HT-1、HT-2、HT-3次级滑坡体有逐步贯通，整体下滑的趋势。HT-4次级滑体长约770 m，宽约630 m，平面面积约40×104m2，按平均厚度30 m估算，体积约12×106m3，为特大型滑坡。

根据本次解译分析，探戈滑坡在重力作用下局部发生溜滑变形，堆积体沿斜坡分布，前缘直达沟底。滑坡所在斜坡为顺向坡，滑坡体前缘和后缘均发生强烈变形，表现为滑坡陡坎、拉裂缝、多级滑动。据遥感影像可知，坡体下部支沟中泥石流堆积物已十分丰富，物源主要以溜滑堆积体为主，面积约16×104m2，在沟口可见新近泥石流扇汇入金沙江。在地震、强降雨等因素诱发下，潜在滑坡体可能失稳大规模下滑至坡前沟道中堵塞沟道，并形成泥石流物源，探戈滑坡所在沟道中流域面积约50.11×106m2，主沟两侧发育大小支沟近22条（图5），探戈滑坡位于沟口附近，具备堵塞19条支沟汇水水量的条件，相当于可拦截该流域约86%的水流量，在冰雪融化、强降雨等充足水流量条件下，探戈滑坡可最终演化成滑坡-泥石流-堵江灾害链。

图5 探戈滑坡流域水系简图Fig.5 Hydrographic sketch of Tan'ge landslide

4.3 金沙江断裂带与堵江滑坡地质灾害链的关系

从地理位置上看，金沙江断裂带明显控制了金沙江干流直门达-石鼓段的平面展布，断裂带附近构造混杂岩发育、岩体结构复杂、斜坡完整性差、地形坡度大，具备发生堵江滑坡的有利条件。受印度板块向欧亚板块的NNE向持续挤压作用，金沙江断裂带新生代以来发生持续隆升和挤压构造变形，是现今地球表面地形地貌和地质构造演化最复杂、构造活动最强烈的地区之一[6]，新构造运动在研究区主要表现为断裂复活、地震等，具有继承性、新生性和节奏性。中国地震台网公开资料显示，自2012年以来研究区发生2≤Ms<3地震11起，3≤Ms<4地震58起，4≤Ms<5地震19起，5≤Ms<6地震4起，地震活动会破坏山体的稳定性，使岩体变得更加松散、破碎，节理、裂隙更加发育，增加了地质灾害发生的风险。

金沙江断裂带大致以NE向的巴塘断裂和NW向的德钦—中甸—大具断裂为界，可分为北、中、南3段[13]，各段活动周期、强度存在差异性。地形地貌特征显示，断裂带活动性及强度由东向西、由北向南呈递增趋势，具体表现在：①研究区具整体间歇性抬升，发育两级夷平面，同时以金沙江为界，同一级夷平面差异升降明显，海拔高度表现出西高东低、南高北低的特点；②金沙江“V”型河谷的相对高差由北往南分别为500～1 000 m、1 000～2 000 m，增幅近两倍。GPS水平速度场显示，金沙江断裂带北段活动性不明显，中段及南段表现出明显的右旋走滑运动，现今滑动速率分别为4.9 mm/a和5.5 mm/a，中段及南段存在应变积累，具有地震危险性[14]。采用面波振幅谱能量衰减特征拟合研究区及邻区已发生地震的震源深度一般在5～10 km范围内[15]，均属浅源地震，破坏性强。前人研究表明，在断层活动性相对较弱的金沙江断裂带北段，白格滑坡-碎屑流-堵江灾害链的形成仍与多次地震作用关系密切[5]，那么在断层活动性较强的金沙江断裂带中段、南段，应变积累更快，地震作用可能相对频繁，在巴塘以南的金沙江两岸有利斜坡区可能更具发生大规模堵江滑坡的风险，应加强研究和监测。