基于高分遥感数据的东南亚跨境区重大工程扰动滑坡灾害分布规律研究浅析*

2022-11-08刘春玲祁生文王凤新刘海洋

工程地质学报 2022年3期

刘春玲祁生文王凤新刘海洋

(①中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083，中国)(②中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029，中国)(③中国科学院地球科学研究院，北京 100029，中国)(④中国科学院大学，地球与行星科学学院，北京 100049，中国)(⑤中国地质大学，北京 100083，中国)

0 引言

青藏高原是地球上最独特的地质-地理-生态单元，是开展地球与生命演化、圈层相互作用及人地关系研究的天然实验室(郑度等，2004；张艳，2020)。这里也是世界上隆升最快的地方，地质构造复杂，地震活动频发，新构造运动强烈，内外动力地质作用异常活跃，山地灾害严重，严重制约了该区经济的正常发展。该区地形高陡、高寒缺氧、山峰多为冰川所覆盖，大部分地区人迹罕至，研究程度极低(刘春玲等，2016)。尤其随着社会经济的发展，人类活动空间范围不断扩展及重大工程建设的实施，使人类工程活动对地质环境扰动程度不断加剧，加之受到全球极端气候变化等因素的影响，导致这个地区的滑坡灾害频发，所造成的人员伤亡和经济损失也不断加大。因此，研究青藏高原的环境变化、灾害效应，既是重大科学命题，也是关乎区域生态环境安全、人类生存环境和社会经济发展的重大战略需求(姚檀栋等，2017)。

习近平总书记高度重视青藏高原的生态环境保护与发展，他指出要“守护好世界上最后一方净土”(王恒涛等，2015)。为贯彻落实习总书记关于青藏高原生态环境保护与发展的重要指示精神，第二次青藏高原综合科学考察研究于2017年8月19日正式启动，聚焦水、生态、人类活动，着力解决青藏高原资源环境承载力、灾害风险、绿色发展途径等方面的问题。本文以我们在“东南亚跨境区重大工程扰动灾害及风险”(第二次青藏高原科考子专题项目)的研究成果资料为基础，结合前人的研究(刘春玲等，2010，2016)，首次对东南亚跨境区的重大工程扰动滑坡灾害的发育规律展开初步研究，揭示其孕育和触发主控因素，这对于滑坡灾害的防治、保障该区重大工程的安全建设运营具有重要意义。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

青藏高原科考所谓的东南亚跨境区，是指青藏高原经我国云南跨越边界到东南亚国家的广大区域。由于疫情影响，国外部分未能现场考察，因此本文主要聚焦于东南亚跨境区的境内部分，其地处我国西南边陲，西部和西南部与缅甸接壤，南部与越南、老挝毗邻，东部与广西壮族自治区和贵州省相连，北部同四川省为邻，西北部紧倚西藏自治区(图1)。有27个县与越南、老挝、缅甸3国接壤，国境线长达4061km，同时与东南亚、南亚国家邻近，也是中国通往东南亚的重要陆上通道。现在已经形成日趋完善的公路、铁路、航空和大湄公河次区域国际航运，可以比较便捷地通达周边国家和地区。另外全省共建有国家级口岸12个，省级口岸8个。

图1 研究区位置图

1.2 数据源及其预处理

研究区数据源主要为2019年的国产高分一号卫星(以下简称GF-1)数据(数据来源于“东南亚跨境区重大工程扰动灾害及风险”项目)，同时收集了1990年、2000年、2010年的ETM数据用以辅助遥感解译工作。为满足本次研究的数据使用要求，笔者对GF-1 数据的全色及多光谱波段进行融合，融合后重点区分辨率达到 2m、一般调查区分辨率达到16m，影像的几何校正、配准、融合等预处理工作均利用 ERDAS 软件完成。

2 孕灾地质背景综合分析

研究区是多国跨境区、重大工程密集区及生态地质环境脆弱区，研究程度落后。通过资料收集和遥感调查等技术手段，对区内地形地貌、地层岩性、水文气象、土壤植被、矿山分布及重大工程建设与规划等区域地质背景进行了综合分析，重点查明与重要交通廊道、口岸、矿山、水电工程等相关的滑坡灾害，为分析研究重大工程扰动灾害的分布规律提供重要数据支撑。

2.1 地形地貌

东南亚跨境区地形复杂，海拔较高，属山地高原地形，地势整体北部高，南部低，自北向南阶梯状逐级下降，最低处海拔87m，最高处海拔达到4133m，如图2。工作区内绝大部分为中海拔区域，北部有小范围高山；在东南和西部分布有狭长的低山区。总的地貌特点为：一是高原波状起伏，大面积土地高低参差，起伏度大，一定范围内又有缓和的高原面，表现为起伏和缓的中低山和浑圆丘陵；二是多为高山峡谷相间，江河纵横，有怒江、澜沧江和元江等河流，为低海拔冲积平原和台地创造了条件。另外区内喀斯特地貌分布广泛，尤其是在工作区东部和西部集中分布。

图2 工作区地势图

2.2 地层岩性

该区地层发育齐全，沉积类型多样，变质岩广布，岩浆活动剧烈，根据北西—南东方向斜贯的金沙江-哀牢山断裂带地质构造可大致划分为东部和西部两个大的地层分区(林尧明等，1990)。

2.2.1 东部地区即金沙江-哀牢山断裂以东地区

前震旦纪的喷出岩和侵入岩较为发育，出露于西南边缘的哀牢山群，由变粒岩、片麻岩、大理岩组成；元谋—大红山一带出露的变质岩系主体为一套千枚岩、片岩、大理岩、变火山岩。震旦纪至二叠纪沉积岩最为发育，而岩浆活动相对较弱，变质作用仅局部出现。自三叠纪起，云南东部各地地质发展显示了明显的差异性。宁蒗—丽江地区及滇东地区，继承了古生代以来的地台型碎屑岩-碳酸盐岩建造构成，岩浆活动比较强烈。

2.2.2 西部地区-哀牢山断裂以西地区

该区又进一步划分为兰坪—思茅地区和保山—腾冲地区。前者是特提斯的重要组成部分，地层出露欠完整，岩浆岩以火山岩和超基性岩最为引人注目，酸性侵入岩也有较为广泛的出露。后者位于澜沧江断裂以西，西临缅甸，属于冈底斯念青唐古拉褶皱系，地层属于稳定性沉积，岩浆的显著特点是酸性深成岩体十分发育，仅在西部和东部成带状出露。

根据岩土体的成因、岩性及坚硬程度等特征，参考国标《工程岩体分级标准》(GB/T50218-2014)(中华人民共和国国家标准编写组，2014)岩石饱和单轴抗压强度UCS，区内工程地质岩组可以概括为：松散岩类、软岩类、较软岩类、较坚硬岩夹软岩类、较坚硬岩夹较软岩类、坚硬岩夹软岩类、坚硬岩夹较软岩类，较坚硬岩类和坚硬岩类等9个大类(图3)。

图3 东南亚跨境区工程地质岩组图

3 重大工程分布情况遥感调查

基于遥感数据监测显示，研究区重大工程活动主要为水电(水利)工程，其次为交通工程，还有一些矿山工程活动。下面详细叙述：

3.1 水电(水利)工程

工作区内水资源丰富，是我国水能资源最丰富的省份之一。区内主要有金沙江、澜沧江、怒江、红河、南盘江等6大水系，径流丰沛稳定，有建高坝大库的地形、地质条件，调节性能好，是我国水电资源中的“富矿”。但水电工程在修建、运营过程中，对河流的改造作用大，河流的自然环境和景观均受到了很大的影响。近年来，社会发展对于水电开发的需求及其开发引发的生态地质问题，水电开发的利弊问题成为人们关注的热点。因此查明水电站的分布现状，弄清其周边的地质灾害及潜在隐患点，对于水电站的正常运营至关重要。

根据最新的遥感影像图，本次共解译出水电站83座(图4)。其中澜沧江上有6处水电站，均属于一级水电站；金沙江在工作区最北端，展布很少，仅有一座乌东德水电站；李仙江上共有8处水电站，均属于二级水电站；元江上有2座二级水电站、1座三级水电站；螳螂川上共有10座水电站，其中：有3座二级水电站，其他7座水电站均为三级；龙川江上分布有20座水电站，但规模不大，均为三级；另外槟榔江、大盈江、曼老江、漾濞江、勐拉河、勐勐河、川河、绿汁江、勐波、罗河等河流上共建有35座水电站，均为三级。

图4 东南亚跨境区水电(水利)及交通工程分布图

3.2 交通工程

随着近些年国家大力发展西南地区建设以及扩大与东南亚各国的商贸往来，工作区内交通较为发达，国道、高速、铁路的数量和规模也进一步加大(图4)。工作区内铁路主要有通往缅甸的广大铁路(昆大段)、通往老挝的中老铁路(昆磨段586km)、通往越南的昆河线(468km)；国道主要有京昆线(G108)、策磨线(G213)、西磨线(G214)、马宁线(G215)、兰马线(G248)、沪瑞线(G320)、瑞清线(G323)、福昆线(G324)等十余条，总长度约3405.5km，其中沪瑞线云南段、西磨线云南段长度均超过了900km，分别通往老挝和缅甸；高速公路主要有：开河高速(G8011)、昆磨高速(G8511)、汕昆高速(G78)、瑞杭高速(G56)、天猴高速(G5615)、银昆高速(G85)、大丽高速(G5611)、京昆高速(G5)，共约2652.39km，其中瑞杭高速、昆磨高速两条线路在工作区内最长，主要沿昆明—保山和昆明—景洪两条线路延展，直通缅甸和老挝，为发展东南亚各国的经济往来提供了极大的便利。

3.3 矿山工程

云南素有“有色金属王国”之称，其成矿地质条件优越，矿产资源丰富，是我国矿产种类齐全的省份之一，但矿山的开发也带来了植被破坏、水土流失、环境污染、采空塌陷、露天边坡失稳、滑坡、崩塌、泥石流等一系列生态地质问题及隐患。本文主要遥感调查了矿山开发区的采场、矿山建筑、中转场地(煤堆、矿石堆等)、固体废弃物(废石堆、尾矿库、煤矸石堆)占地情况。另外，为了最大程度上反映人类活动的扰动情况，一些小的采石场、道路施工过程中的开挖也进行了遥感调查工作。

根据最新的遥感影像图，本次共解译出开采面1912处，由图5所示，矿山工程主要分布在工作区东北部，集中分布于昆明、玉溪、楚雄、大理及保山一带。

图5 东南亚跨境区矿山工程遥感解译分布图

4 重大工程扰动滑坡灾害遥感调查

重大工程扰动滑坡灾害是指由于重大工程活动建设或者运营期间直接或者间接诱发的滑坡灾害(祁生文等，2022)。根据重大工程扰动滑坡灾害的定义，利用多源、多期遥感数据，对全区66个县(市)行政区的工程扰动灾害进行了详细的遥感调查，发现区内工程扰动灾害类型主要为崩塌、滑坡以及碎屑流，本文只关注与矿山工程、水电工程、主要交通工程及口岸工程相关的滑坡灾害的研究(图6)。

图6 典型滑坡遥感影像图(影像中A点为灾害点，虚线为灾害点边界，2020年GF1)

根据滑坡遥感解译成果，区内对人居环境构成直接威胁的滑坡多达1373处，其中水电工程诱发625处，交通工程诱发723处，矿山工程诱发22处，口岸工程诱发3处。主要分布在29个县(市)(图7)，其中南涧彝族自治县的滑坡数量最多，有80个；其次是洱源县，有滑坡70个；滑坡数量在60～69之间的有4个县，禄劝彝族苗族自治县有68个、保山市有67个、龙陵县有65个、云县有63个；滑坡数量在40～59之间的有5个县(市)，昌宁县有48个、双柏县有43个、武定县有43个、凤庆县和元江县均有41个；有9个县(市)的滑坡在30～39之间，南华县有39个、楚雄市与绿春县均有37个、元谋县有35个、澜沧县与永平县均有33个、景洪市有32个、宾川县有31个、腾冲县有30个；有9个县(市)的滑坡在20～29之间，攀枝花市有29个、红河县和弥渡县均有28个、景谷县有25个、漾濞县有23个、施甸县与元阳县均有22个、永德县有21个、双江县有20个；滑坡数量在10～19之间的县市有13个，耿马县(19个)、金瓶县(17个)、江城县(16个)、新平县(15个)、梁河县(13个)、大姚县(12个)、景东县(12个)、墨江县(12个)、普洱县(11个)、临沧县、勐腊县、巍山县和镇康县均有10个滑坡；其他28个县(市)行政区内的滑坡数量较少，均在10个以下。

图7 东南亚跨境区滑坡灾害遥感解译分布图

由图8所示，滑坡数量在0～20个时，所包含的县区数量最多，约占总县区数量的57%；当滑坡数量在20～40个时，包含的县区数量比较多，大约占总县区数量的29%；滑坡数量大于40个时，所包含的县区数量比较少，约占总县区数量的14%。从以上数据可知，滑坡在工作区内各个县区分布较为广泛，但数量差别大，这是由于整个工作区范围广，区内地理环境复杂，地势起伏大，高山峡谷地区极易发生滑坡等地质灾害。尤其是在个别县区，滑坡数量大、位置相对集中，整体上具有区域不均匀分布的特征。

图8 东南亚跨境区滑坡数量与行政区分布图

5 重大工程扰动灾害的空间分布规律

研究发现，受地层岩性、地形地貌、人类工程活动等影响，本研究区的工程扰动诱发的滑坡灾害具有丛集性、不均匀分布的特点，地质背景因素对滑坡的分布具有明显的控制作用。

5.1 岩性与滑坡分布

统计分析表明，研究区软岩岩组面积分布最广，其次为较坚硬岩夹软岩岩组、坚硬岩组、较坚硬岩组，坚硬岩夹较软岩岩组分布面积最小，其余岩组面积分布相差不大(图9)。工程扰动诱发的滑坡发育与岩组密切相关。从数量上来看，滑坡在软岩中发育最多，有253个；其次是较坚硬岩类、较坚硬岩夹软岩类，滑坡数量相近，分别为209个、205个。从发育密度来看，滑坡在较坚硬岩夹较软岩类、坚硬岩夹较软岩类、较坚硬岩类、较软岩类等岩组中发育密度较高。这是由于软岩区虽然岩性软弱，但是地形往往平缓，而硬岩夹软岩岩组(较坚硬岩夹较软岩类、坚硬岩夹较软岩类)、较坚硬岩和较软弱岩斜坡坡面往往更为陡峭、起伏粗糙，地形破碎，比如软硬相间的岩组常常形成台阶状地形，软弱岩体风化形成空腔地形，同时硬岩夹软岩岩组斜坡稳定性受其中软岩的控制，因此工程扰动的滑坡灾害频率更高一些。

图9 东南亚跨境区滑坡与工程地质岩组分布图

5.2 高程与滑坡分布

研究表明，高程与工程扰动诱发的滑坡的发育密切相关。在ArcGIS平台上，对滑坡分布与高程进行空间统计分析，结果如图10。可见，滑坡主要分布高程为0～3000m，其中1001～2000m高程范围内数量最多，达876个，分布密度为0.0044个·km-2；2000～3000m高程范围内数量次之，有288个，分布密度最高为0.0042个·km-2。1000m以下滑坡数量201个，分布密度为0.0040个·km-2，3000m以上滑坡数量较少，但分布密度较大。3000～4000m高程范围内滑坡密度大，可能与该高程段坡度陡峻有关。4000m以上为高原残留夷平面，地形平缓，工程扰动滑坡灾害不发育。

图10 东南亚跨境区滑坡与高程分布图

5.3 坡度与滑坡分布

基于DEM数据，本文利用ArcGIS软件中slope函数计算功能获得边坡坡度，整体来看，沿河的沟谷区和城镇分布区坡度较小，其余地区坡度均有较大起伏，结果见图11。可见，随着坡度的增加，滑坡分布密度呈递增趋势。在大于35°以上坡度范围内，有434个滑坡，灾害点分布密度最大，为0.0148个·km-2；25°～35°坡度范围内，有436个滑坡，灾害分布密度为0.0061个·km-2；15°～25°坡度范围内，滑坡发育数量最多，有364个滑坡，灾害分布密度为0.0033个·km-2；0°～15°坡度范围内，滑坡最不发育，灾害分布密度仅为0.0013个·km-2。也就是说滑坡主要分布在15°～35°坡度范围内，滑坡的发育频率则随着坡度增大而增大，这与非工程扰动的滑坡分布规律类似(童立强等，2007；刘春玲等，2010)。

图11 东南亚跨境区滑坡与坡度分布图

5.4 坡向与滑坡分布

本文利用ArcGIS空间分析功能，基于GDEM数据计算边坡坡向与滑坡灾害的分布，结果见图12。可以发现，该区东向斜坡分布面积最广，其次为西北、北、东南、西南、南、西坡向，分布面积相差不多，东北向斜坡分布面积最小。滑坡灾害在以西和西南为主方向分布最多，共发育529个滑坡，滑坡密度也较大，分别为0.0072个·km-2和0.0063个·km-2。其余方向灾害点密度较小。造成这一分布的原因可能与该区南北向的构造体系与印度洋暖湿气流有关，同时受到风化作用的综合影响。该区断裂控制的山脉走向总体近南北向，对从西南方向来的印度洋暖湿气流而言，西、西南方向的斜坡成为迎雨面，往往接受更多的降水，因此工程扰动滑坡的灾害密度要大一些(潘韬等，2012)。