基于ArcGIS的矿区泥石流特征调查*

胥斌辉，郁 文，于 伟，董毅兵

（1.甘肃工程地质研究院，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省核地质二一二大队，甘肃 武威 733000）

泥石流是山区常见的一种地质灾害类型，其通常具有形成时间短、成灾速度快，破坏能力强的特点。龙首山位于河西走廊东段，深居内陆，高温干旱，降水稀少，且时空分布不均，植被覆盖率低，生态脆弱［1］。龙首山矿山开采形成的渣堆不仅为泥石流发育提供了大量的物源，也使流域范围内人员财产高度密集，进而增强了地质灾害危害性。田丰等开展了河西走廊地区的泥石流危险性研究，从区域尺度划分了泥石流危险等级［2］。刘金鹏等通过对河西地区多条泥石流沟现状进行统计分析，得出河西地区泥石流主要发育在南北山地的前山走廊地带，泥石流沟区域上分布密度稀疏［3］。近几年来，河西走廊地区发生多起极端降雨事件，引起多起泥石流灾害，造成的经济损失较大，同时，泥石流灾害造成的损失也远高于其他类型的地质灾害［3，4］。龙首山矿区流域缺乏明显的分水岭，通过高清遥感影像或者等高线图快速准确勾绘泥石流流域范围存在一定难度，而确定泥石流流域范围是开展泥石流监测和防治的基础，因此采用简单合理的方法开展该区域泥石流流域范围的研究具有必要性和实用性。Arcgis水文分析模块多用于水资源管理和分析中，取得了较好的效果［5-8］。本文通过ArcGIS 水文分析和人工解译的方法，初步勾绘龙首山矿区泥石流流域范围，在此基础上，利用遥感和现场调查的方法开展泥石流物源调查，以期为河西矿区泥石流准确快速调查提供有效参考，为下一步的泥石流工程治理、监测预警等提供依据。

1 研究区概况

金川区地处河西走廊东段，为典型的矿业型城市，人口集中分布在北部平原。研究区位于金川区南部的侵蚀构造中低山区，区内沟壑密集、坡陡谷深、地形破碎。区内岩浆侵入，褶皱、断裂较发育，组成中朝地台区基底的前震旦纪、震旦纪地层普遍经历了中深度的变质作用；大量的褶皱和断裂构造使区内新老地层在分布上极不连续；山前地带规模较大的断裂构成了山区和盆地、隆起区和断陷区的分界线；区内新构造运动亦较活跃。地层主要为前震旦系（AnZ）杂色深变质岩系，岩性为片岩、片麻岩、含石榴石斜长浅粒岩、斜长角闪岩、大理岩、混合岩等及第四系（Q4）包括泥石流堆积物（Q4sef），主要成份为粉土、片岩、片麻岩等的块体混合物，结构松散；重力堆积物（Q4del），以弃渣为主，局部夹杂强风化的变质岩，结构松散，遇水易崩滑；人工堆积体（Q4ml），为人类工程活动改造、开挖、回填、堆积形成，结构松散。日最大降水量37.1 mm，小时最大降水量24.0 mm。多年平均降水量为115.30 mm，蒸发量3115.9 mm。沟谷内几乎没有任何高等植物生长，绝大部分地面光秃裸露，植被覆盖率不足5%，零星散生着矮小的骆驼刺、骆驼蒿、芨芨草等植物。泥石流沟口为厂矿区，厂矿区内进行了绿化，植被发育较好。

泥石流沟内分布有矿山公路、风井、管线等矿山设施，沟口为金川市区、矿山工程公司、矿山铁路等七家二级厂矿、城郊农村。2012年7月27日，研究区发生泥石流地质灾害，泥石流冲出方量约1万m3，直接经济损失达15 000万元，灾情等级为特大型。2015年8月、2016年8月，该沟道再次发生泥石流，泥石流物质直接堆积于道路上，厂矿内，严重影响到当地居民、厂矿企业的正常运营。

2 研究方法

通过ArcGIS 水分分析得出河网分级图（矢量化且符号化）和集水流域图，将其叠加之高清遥感影像图之上并透明化，绘制泥石流流域范围边界，辅以现场调查数据，具体流程如图1 所示。参与水文分析的DEM 范围要完整包括泥石流流域范围。

图1 泥石流特征调查流程图

3 案例

3.1 无洼地D EM 生成

洼地填充是无洼地DEM 生成的基础。在进行洼地填充之前，应该计算洼地深度，通过计算洼地贡献区域出口的最高和最低高程，得到洼地深度。判断哪些地区是由于数据误差造成的洼地而哪些地区又是真实的地表形态，然后在进行洼地填充的过程中，设置合理的填充阈值，得到填洼后的DEM，如图2所示。

图2 填洼后DEM图

由图2可知，西南部分海拔高，为中低山区；其余地方海拔低，且高程范围小，为平原区。由填洼后的DEM图清晰可见自南向北和自西向东的沟道。

3.2 汇流累积量计算

利用填洼后的DEM 重新计算水流方向和流量。流向采用D8 算法，整体流向为自南向北，东北流向分布广泛，西南和正南流向分布范围小且集中，如图3所示。流量中部沟道自南向北流量增加，如图4所示，图例中数值指的是该点汇集水流的方格数，是一个空间范围。

图3 水文分析流向图

图4 水文分析流量图

3.3 河网提取

利用栅格计算器功能，通过流量提取河网，此处同时试算了阈值为100、500、1000、2000 四种情况下的河网，阈值为500时，提取的河网效果较佳，河网重分类矢量化。

南部河流方向多为自西向东分布，北部河流方向多为自南向北，如图5所示，主要是因为该区域北侧为戈壁滩，东侧为河谷。

由重分类后的河流栅格数据、河流流向数据计算河网连接点。由河网栅格数据（重分类后）、河流流向数据开展河网分级，采用斯特拉勒（STRAHLER）分级法，即没有支流汇入的水系定义为1级别，两个相同级别的水系汇入某一河流时，河流等级增加1级；如果等级不同，则以最大等级的河流相同。依次分级完成所有定义，本区域共分为3级，如图5所示。

图5 水文分析河网分级图

3.4 流域分割

采用盆域分析进行流域分割，叠加显示河网矢量化，分析可知研究区泥石流位于一处较大的完整流域内，如图6所示。通过集水区分析，生成更多的小流域单元，分析可知泥石流分布于4 块小单元中，如图7 所示。综合利用完整的大流域和细分的小单元确定泥石流流域范围，通过遥感影像图和实地调查修正。

图6 水文分析流域分割图

图7 水文分析集水区分割图

3.5 泥石流流域

以Arcgis 流域河网为基础，通过图件分析，泥石流流域位于北部山前，通过现场调查的冲沟流向及山体高程，绘制泥石流流域范围，如图8所示。主沟坡降介于55‰～60‰，流域面积1.6 km2。流域高程1 698～1 520 m，相对高差178 m，沟脑至矿山路下游纵比降为98‰。两侧沟坡坡度35°～50°，沟道流通区矿山路段，纵坡降37.5‰，沟口左侧段地势平坦。

图8 泥石流流域范围

3.6 松散堆积物

该泥石流流域内松散固体物质储量比较丰富，可分为坡面侵蚀和矿渣堆积两种补给来源。

根据野外调查，流域内斜坡侵蚀物源主要为强风化变质岩，该层结构疏松，粘结能力较差，局部已风化成土状，胶结能力差，平均厚度0.1～0.3 m，主要分布于主沟及支沟岸坡坡面区域，该区内几乎无植被覆盖，降雨过程中易沿坡面滑塌，在水动力作用下汇入沟道，成为泥石流的主要物源之一。按下式估算求取：

式中：W -坡面松散物质储量（m3）；

S-物源分布区图上面积（m2）；

H-物源分布区土层垂直厚度（m）；

n-计算单元数（个）；

坡面侵蚀物源参与泥石流活动的方式主要为水土流失，侵蚀方式为面蚀及沟蚀，矿山路泥石流坡面物源主要集中在沟道两侧沟岸，面积1.0 km2，经估算，该泥石流沟坡面侵蚀物源约为20×104m3，区内两侧沟坡坡度35°～50°，坡面植被发育较少，可转化的泥石流物源量约为总固体物质总量的35%，约7×104m3。

金川区南部主要为集中矿产开采区，矿渣堆积点较为分散，分布面积较广，成为形成泥石流灾害的主要因素。泥石流流域内共有三处矿渣堆放区，弃渣区目前仍在倾倒矿渣，矿渣堆积结构松散，部分坡面未做防护，在强降雨过程中，极易冲刷使其溜滑，形成泥石流主要物源，本次计算矿渣堆积物源，按实地调查、收集资料，再根据可转化比例进行估算，见表1所列。

表1 渣堆可转化量表

图9 渣堆

综上所述：该处泥石流固体松散物质储量约为27.03×104m3。

4 结语

该处泥石流流域面积1.6 km2，流域内渣堆分布，松散堆积物较多，沟口厂房人口集中，主沟坡降介于55‰～60‰，因此该区域松散物质强降雨情况下具备启动的地形条件。泥石流固体松散物质储量约为20.73×104m3，渣堆占比74%。

水文分析各阶段分析结果与实际地形相符，Arcgis水文分析可应用于分水岭不明显的中低山区，通过实地调查修正，计算得出较准确的流域范围。结合遥感和现场调查，可快速确定泥石流流域内松散物储量。