陳 明, 蔡英樺, 王曉迪, 楊 濤, 甘 偉

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610059)

在強(qiáng)震作用的影響下，震區(qū)山地區(qū)域地質(zhì)環(huán)境變得更加脆弱，大量的強(qiáng)震滑坡被誘發(fā)，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用窦碍h(huán)境造成巨大損失。1999年臺(tái)灣集集大地震引發(fā)26 000個(gè)強(qiáng)震滑坡[1-2]，2008年汶川地震誘發(fā)的強(qiáng)震滑坡多達(dá)56 000個(gè)[3]。地震之后，大量滑坡松散物堆積于坡體及溝道中，為次生滑坡及泥石流提供了豐富物源。據(jù)黃潤秋[4]分析統(tǒng)計(jì)，汶川地震崩塌滑坡所形成的固體松散物總體積達(dá)5.25×109m3，在強(qiáng)降雨作用下，極易再次引發(fā)崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，例如“8·13”和“7·10”泥石流事件，震區(qū)映秀鎮(zhèn)周邊及沿岷江流域爆發(fā)了大規(guī)模群發(fā)性泥石流。地震對(duì)西南山區(qū)的影響是長期的，唐川[5]研究表明，汶川地震至少在近10～15 a內(nèi)地震高烈度區(qū)的滑坡、泥石流活動(dòng)處于高峰期，對(duì)于震后城鎮(zhèn)周邊滑坡泥石流的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)將成為未來地質(zhì)災(zāi)害防治的重點(diǎn)。

目前針對(duì)滑坡動(dòng)態(tài)演變及敏感性分析研究主要在遙感影像動(dòng)態(tài)分析、單體滑坡崩塌敏感性分析和區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性研究[6-8]。唐川等[9]基于遙感技術(shù)和GIS分析功能，以北川縣8條泥石流溝作為研究區(qū)域，對(duì)震后及暴雨后泥石流物源變化特征進(jìn)行了遙感動(dòng)態(tài)分析，重點(diǎn)分析了滑坡崩塌堆積體變化。常鳴等[10]以汶川地震高烈度區(qū)的龍池鎮(zhèn)境內(nèi)12條泥石流溝為研究區(qū)，利用遙感的手段，詳細(xì)論述了“5·12”震前、震后、“8·13”暴雨后研究區(qū)泥石流物源的變化情況；蔣志林等[11]結(jié)合地震前、后和8.14泥石流發(fā)生后的3期遙感影像，分析了汶川地震區(qū)紅椿溝泥石流形成物源量動(dòng)態(tài)演化特征。目前，針對(duì)泥石流流域滑坡動(dòng)態(tài)變化以及發(fā)展演變方面做了大量的研究，但主要是以滑坡面積與體積變化為主，對(duì)于滑坡的活動(dòng)強(qiáng)度及敏感性的演變?nèi)韵鄬?duì)較少。本文擬以龍池地區(qū)12條典型泥石流溝，通過2009年、2011年、2013年、2017年4期影像解譯的滑坡物源面積變化數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)分析得到每期的滑坡強(qiáng)度分級(jí)，探討震后泥石流流域內(nèi)滑坡活動(dòng)強(qiáng)度長期演變規(guī)律。在滑坡活動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)基礎(chǔ)上，利用概率綜合判別法—層次分析法對(duì)滑坡物源進(jìn)行敏感性分析，得到多期敏感性評(píng)價(jià)圖，以期為龍池流域及同類強(qiáng)震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和重建規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省都江堰市區(qū)西北的龍池鎮(zhèn)，龍溪河流域內(nèi)整體地勢(shì)北高南低，屬構(gòu)造侵蝕低—中山地貌、堆積侵蝕低山地貌及構(gòu)造侵蝕溶蝕地貌，龍溪河主溝長18 km，在平面上呈樹枝狀分布，兩側(cè)共發(fā)育有48條泥石流溝[12]。研究區(qū)屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣侯區(qū)，降水量在時(shí)間上分配嚴(yán)重不均，夏季雨水豐沛，約占全年降水量的80%，多年平均降水量1 134.8 mm。龍溪河流域內(nèi)出露的巖性主要以花崗巖、砂巖、泥巖、碳質(zhì)頁巖為主，安山巖、凝灰?guī)r及安山玄武巖次之。由于龍溪河流域內(nèi)有虹口—映秀斷裂北支和虹口—映秀斷裂南支穿過，導(dǎo)致流域內(nèi)巖層破碎，極產(chǎn)生崩塌滑坡。汶川地震后，龍溪河流域發(fā)育有大量的崩塌滑坡及松散堆積物，于2010年8月13日，汶川震區(qū)映秀鎮(zhèn)、都江堰市龍池鎮(zhèn)降持續(xù)性暴雨引發(fā)龍溪河流域內(nèi)泥石流群發(fā)事件，沖毀及淤埋居民建筑，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裨斐删薮髶p失。本文選取12條重點(diǎn)泥石流溝作為研究對(duì)象，研究區(qū)面積為26.15 km2。

2 滑坡活動(dòng)強(qiáng)度演變特征

本文以20090210的Spot5影像，20110426，20130731，20170226的分辨率0.5 m的Worldview-2影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過ArcGIS空間解譯能力，對(duì)4期遙感影像中的滑坡進(jìn)行解譯。汶川地震誘發(fā)大量滑坡，新生的滑坡活動(dòng)強(qiáng)度高，為此以震后2009年滑坡為基礎(chǔ)，后三期影像解譯均在上一期的基礎(chǔ)上進(jìn)行，通過滑坡活動(dòng)面積變化率，將滑坡活動(dòng)強(qiáng)度分為5級(jí)：第5級(jí)為新增滑坡，活動(dòng)強(qiáng)度極高；第4級(jí)為古滑坡有大于2/3面積仍在活動(dòng)，活動(dòng)強(qiáng)度為高；第3級(jí)為古滑坡有2/3～1/3面積仍在活動(dòng)，活動(dòng)強(qiáng)度為中；第2級(jí)為古滑坡小于1/3面積在活動(dòng)，活動(dòng)強(qiáng)度為低；第1級(jí)為滑坡沒有活動(dòng)，植被恢復(fù)良好，活動(dòng)強(qiáng)度最低。通過對(duì)每期影像解譯的滑坡統(tǒng)計(jì)分析，獲得滑坡活動(dòng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)(詳見表1)。為了更加直觀地顯示滑坡活動(dòng)強(qiáng)度演變規(guī)律，選取較為典型的4期活動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)。綜合分析表明，2009年研究區(qū)滑坡面積大幅增加，相對(duì)于震前增加了3.28×106m2，活動(dòng)強(qiáng)度極高。2009—2011年期間，由于暴雨及泥石流事件的影響，滑坡新增326個(gè)，面積約為1.43×105m2，滑坡活動(dòng)強(qiáng)度較2009年有所降低，但仍有57.3%的滑坡活動(dòng)強(qiáng)度在3～5級(jí)內(nèi)。2013—2017年，滑坡整體處于恢復(fù)穩(wěn)定階段，滑坡活動(dòng)強(qiáng)度較前期普遍降低，至2017年69.4%的滑坡都處于無活動(dòng)狀態(tài)。

3 敏感性評(píng)價(jià)

以往的滑坡敏感性研究，多數(shù)只考慮巖性、坡度、高差、斷裂帶等外部環(huán)境影響因子，忽略了現(xiàn)存滑坡自身活動(dòng)狀態(tài)。為了準(zhǔn)確對(duì)研究區(qū)重點(diǎn)12條泥石流溝滑坡進(jìn)行敏感性評(píng)價(jià)，本文將每期影像下解譯的滑坡以活動(dòng)強(qiáng)度分類為5級(jí)，利用公式(1)計(jì)算每種活動(dòng)強(qiáng)度下各評(píng)價(jià)因子分級(jí)的概率值，結(jié)合層次分析法求得的評(píng)價(jià)因子權(quán)重值，利用ArcGIS加權(quán)總和功能分別得到每期影像在5種活動(dòng)強(qiáng)度下的敏感性，再將每期5種活動(dòng)強(qiáng)度的敏感性加權(quán)疊加計(jì)算得到研究區(qū)當(dāng)期影像的敏感性，將計(jì)算結(jié)果歸一化處理后，分為極高、高、中、輕微、低5種等級(jí)，得到滑坡敏感性分區(qū)圖(附圖10)。

表1 研究區(qū)每期影像下滑坡活動(dòng)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

3.1 因子選取

本文根據(jù)龍溪河流域具體災(zāi)害分布特征及形成條件，選取坡度、距水系距離、距斷裂帶距離、植被覆蓋率(NDVI)、高程、坡向這6個(gè)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并將每個(gè)因子分為5級(jí)，其中坡向主要根據(jù)向陽的程度分級(jí)(詳見表2)。

表2 研究區(qū)評(píng)價(jià)因子選取及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 計(jì)算方法

3.2.1 基于概率綜合判別法計(jì)算每個(gè)因子概率值 根據(jù)統(tǒng)計(jì)各因子分級(jí)條件下的面積，利用數(shù)學(xué)概率的方法[13]計(jì)算出每個(gè)分級(jí)下的概率值，具體計(jì)算公式為(1) 所示，各因子通過公式(1)分別計(jì)算得到每種活動(dòng)強(qiáng)度發(fā)生在6個(gè)評(píng)價(jià)因子不同分級(jí)區(qū)的概率綜合判別值P。

(1)

式中：P——滑坡不同級(jí)別活動(dòng)強(qiáng)度在該因子不同分級(jí)區(qū)的概率綜合判別值；P1——該因子不同分級(jí)下各活動(dòng)強(qiáng)度級(jí)別的滑坡面積占該因子分級(jí)下研究區(qū)面積的比例(%)；P2——評(píng)價(jià)因子不同分級(jí)區(qū)的滑坡面積占整個(gè)研究區(qū)滑坡總面積的比例(%)。

3.2.2 評(píng)價(jià)權(quán)重的確定 評(píng)價(jià)因子的權(quán)重通過層次分析法來確定，層次分析法是通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論和多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)的方法把復(fù)雜問題中的各因素劃分成相關(guān)聯(lián)的有序?qū)哟?，使之成為多目?biāo)、多準(zhǔn)則的決策分析方法[14]。主要步驟為，構(gòu)造判別矩陣C；根據(jù)判別矩陣的最大特征值進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，同時(shí)矩陣C的指標(biāo)權(quán)重并歸一化得矩陣A。構(gòu)造判別矩陣C后，運(yùn)用Matlab軟件運(yùn)算得判別矩陣C的最大特征值及特征向量，同時(shí)運(yùn)用公式(2)—(3)檢驗(yàn)矩陣的一致性，并將特征向量歸一化處理。

(2)

(3)

式中：λmax——判斷矩陣的最大特征值；n——矩陣階數(shù)；IC——平均隨機(jī)一致性指標(biāo),當(dāng)RC<0.1時(shí)，判斷矩陣則符合要求。

依照所選評(píng)價(jià)因子建立判別矩陣C(見表3)。

表3 研究區(qū)依照所選評(píng)價(jià)因子建立的判別矩陣C

對(duì)判別矩陣C，λmax=6.215 1，RC=0.034 1<0.1滿足要求，歸一化處理得權(quán)重W=(0.296 4，0.135 7，0.069 1，0.138 7，0.213 6，0.156 4)。

針對(duì)每期滑坡依據(jù)活動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)建立判別矩陣D，得每種等級(jí)下的權(quán)重值(見表4)。

表4 依據(jù)活動(dòng)強(qiáng)度等級(jí)建立的龍溪河流域判別矩陣D

對(duì)判別矩陣D，λmax=5.068 1，RC=0.015 201<0.1滿足要求，歸一化處理得權(quán)重K=(0.061 8，0.097 2，0.160 0，0.262 5，0.418 5)

3.2.3 評(píng)價(jià)模型 本模型主要考慮滑坡內(nèi)部表征因子與外部環(huán)境因子，通過將先期滑坡活動(dòng)強(qiáng)度以概率綜合判別法引入評(píng)價(jià)模型，后以層次分析法考慮環(huán)境因子，綜合加權(quán)疊加得到當(dāng)期滑坡敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果。

(4)

(5)

式中：H——區(qū)域總敏感值；hj——j級(jí)活動(dòng)強(qiáng)度下的敏感值；Xik——第i個(gè)因子的k層分級(jí)；Pjik——滑坡第j級(jí)活動(dòng)強(qiáng)度處于第i個(gè)因子的k層分級(jí)的概率值；Wi——第i個(gè)因子的權(quán)重值。Kj——各級(jí)活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)于區(qū)域的權(quán)重值。

3.3 敏感性結(jié)果分析及區(qū)劃驗(yàn)證

以實(shí)際解譯滑坡面積百分比累加與敏感區(qū)面積百分比累加來構(gòu)建評(píng)價(jià)模型，將敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果按1%的面積間隔從高到低分為100等份，分別求取這100個(gè)級(jí)別內(nèi)的滑坡發(fā)生的百分比統(tǒng)計(jì)每種敏感性下的面積，構(gòu)建預(yù)測(cè)滑坡面積百分比累加與敏感區(qū)面積百分比累積曲線(圖1)。

圖1 龍溪河流域滑坡敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果

以汶川地震后的2009年、群發(fā)泥石流后的2011年為例，2009年敏感性評(píng)價(jià)中，占研究區(qū)總面積32.1%極高敏感區(qū)與高敏感區(qū)的范圍預(yù)測(cè)了70.2%的滑坡；2011年以約1/2的極高敏感區(qū)與高敏感區(qū)的范圍預(yù)測(cè)滑坡面積高達(dá)86.1%，表明敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際解譯滑坡對(duì)比檢驗(yàn)效果較好。同時(shí)，由圖1中曲線可知，各年曲線下的面積(AUC)在75.6%～81.4%范圍內(nèi)，與同類研究[15-16]相比，評(píng)價(jià)結(jié)果較為準(zhǔn)確。

敏感性分析結(jié)果如附圖10及表5所示，從4期評(píng)價(jià)結(jié)果可知，由于地震導(dǎo)致山體破碎，新增大量的滑坡，2009年研究區(qū)近1/3的區(qū)域敏感性處于極高和高，后在2010年8月13日暴雨及泥石流群發(fā)事件后，研究區(qū)地震所產(chǎn)生的滑坡開始再次活動(dòng)，2011年的滑坡敏感性達(dá)到最高，之后每年敏感性逐步降低，但仍然有較高的敏感性，且在中山區(qū)沿水系的地段的敏感性都比較高，在防災(zāi)減災(zāi)工作中應(yīng)加強(qiáng)防范。

表5 龍溪河流域敏感性區(qū)域面積統(tǒng)計(jì)km2

4 結(jié) 論

基于龍溪河流域4期影像滑坡解譯，分析了研究區(qū)震后近10 a滑坡演變規(guī)律，并應(yīng)概率綜合判別法—層次分析法，對(duì)研究區(qū)泥石流物源敏感性作出評(píng)價(jià)，進(jìn)行敏感性區(qū)劃。

(1) 在地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合遙感手段，對(duì)研究區(qū)滑坡進(jìn)行了4期解譯分析，并將滑坡活動(dòng)強(qiáng)度分為5級(jí)，分析結(jié)果顯示從2009—2017年，高活動(dòng)率的滑坡在2011—2017年的數(shù)量和面積均逐漸減小，但仍有大部分滑坡處于活動(dòng)狀態(tài)，泥石流的發(fā)生可能性依然較大。

(2) 應(yīng)用AUC方法對(duì)多期滑坡敏感性評(píng)價(jià)進(jìn)行了檢驗(yàn)，評(píng)價(jià)結(jié)果的正確率為75.6%～81.4%，表明實(shí)際滑坡與評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)應(yīng)效果良好。

(3) 2008年震后主要受地震影響，滑坡高、極高敏感性區(qū)域主要分布于高程較大的山脊附近；2011年暴雨泥石流活動(dòng)后，高與極高敏感性區(qū)域經(jīng)一步擴(kuò)張，沿中、高山水系分布；從2011—2017年總體上呈降低趨勢(shì)。