2008, Vol. 14
2. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
3. 中国地质环境监测院, 北京 100081;
4. 中国地质大学土地科学技术系, 北京 100083
2. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
3. China Institute of Geo-Environment Monitoring, Beijing 100081, China;
4. Department of Land Science and Techniques, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
滑坡灾害指岩体或土体在重力作用下整体顺坡下滑造成的地质灾害[1]。由于其对社会活动和人民生命财产造成巨大威胁, 近年来对滑坡地质灾害的研究越来越受到重视, 主要集中在滑坡灾害发育特征[2~5]、预测预报[6~8]、稳定性评价[9, 10]、风险评估[11, 12]和防治对策[13~15]等方面, 并且取得了明显进展。而快速发展的GIS技术为滑坡灾害的评价带来全新概念, 为地质灾害大量空间数据的获取、存储、管理和空间分析及预测预报提供了高效的技术平台和方法[16]。
研究区位于青藏高原东缘盆山耦合区域及四川盆地一带, 是我国最重要的东西部地势陡变带, 其地形地貌受青藏高原新生代隆升的强烈影响。区内新构造运动和外动力营力作用极其活跃, 大量降水和地震活动诱发了频繁的地质灾害, 给当地人民群众的生命财产造成了巨大损失, 严重影响了人类居住和生存的环境质量, 制约了区域社会经济的稳定、繁荣和可持续发展。因此, 深入研究滑坡灾害发生的控制因素对研究区内滑坡灾害的预测和防治具有重要的现实意义。滑坡发生有诸多控制因素, 但各因素对滑坡发育的影响和控制过程需要深入系统研究。鉴于此, 本文选择青藏高原东缘及四川盆地一带的滑坡地质灾害作为研究对象, 基于ArcGIS软件平台, 以SRTM-DEM为基础, 选取高程、地形起伏度和坡度三个参数进行地貌特征分析, 在此基础上从断裂活动等方面分析滑坡形成的动力机制, 为区内水利工程建设或蓄水前后滑坡危险性评价提供依据。
1 研究区概况研究区地理坐标范围是25°~32°53′N, 100°~110°E, 总面积达84万平方公里, 涵盖了四川、重庆、贵州、云南北部及陕西南部小部分地区。研究区西高东低, 地势起伏较大, 西部高原海拔大多4000m以上, 东部四川盆地中的丘陵, 海拔近500m左右。区内的地貌类型主要有盆地、平原、丘陵、山地和高原。流经研究区的一级水系有金沙江和长江, 二级水系主要有雅砻江、岷江和嘉陵江, 以及岷江的支流大渡河。研究区大地构造单元属于华南板块的扬子陆块和松潘-甘孜褶皱构造带。
对已有资料的初步统计, 研究区内的滑坡数有2319个(图 1)。其中巨型滑坡(>1000万m3)255个, 大型滑坡(100~1000万m3)746个, 中型滑坡(10~100万m3) 762个, 小型滑坡(＜10万m3)556个。研究区内滑坡主要分布在嘉陵江上游、岷江上游、大渡河和岷江交汇处、达县周边、长江重庆河段及雅砻江与金沙江交汇处。从图 1还可以发现, 滑坡的分布与活动断裂的位置有很大相关性, 与滑坡相关的主要断裂有:则木河-金沙江断裂、元谋绿汁江断裂、安宁河断裂、盐源弧形断裂、关村-利店断裂、莲峰-峨边-华蓥山断裂、龙门山断裂带和龙泉山断裂。另外, 还有些活动断裂附近并无滑坡分布, 如鲜水河断裂。这并不是说断裂附近没有滑坡发生, 而是因为其地势太高, 地形复杂, 调查有难度, 所以缺乏实地调查资料。
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| 图 1 滑坡和活动断裂分布图 Figure 1 Distribution of landslides and active faults |
本文使用的高程数据是SRTM-DEM数据[17] (Shuttle Radar Topography Mission; http://srtm.csi.cgiar.org)。SRTM-DEM数据是由美国航空航天局(NASA)、德国航空航天中心(DLR)及意大利航天局(ASI)共同实施的航天飞机雷达地形测量任务(Shuttle Radar Topogra-phy Mission, SRTM)采集的, 此数据自发布日起被广泛应用于地质研究中[18, 19]。图 1中背景即为研究区DEM。
滑坡数据来源于全国地质灾害实地调查资料和中国滑坡数据库系统[20]。
本研究所用的软件平台是ArcGIS 9.2。在提取地形起伏度和坡度之前, 需要对SRTMDEM数据进行预处理, 即数据格式转换和投影变换。将二进制数据转换成ArcGIS栅格数据, 投影方式采用Albers等积圆锥投影。在此基础上, 利用ArcGIS平台提取地形起伏度和坡度。
2.2 地貌因素利用GRID模块中的SLOPE命令计算了研究区的坡度, 得到研究区坡度图(图 2)。并将滑坡数据转换成grid格式, 提取每一个滑坡点的坡度值, 绘出统计曲线。
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| 图 2 坡度图 Figure 2 Slope map |
地形起伏度采用郭芳芳等[21]研究鄂尔多斯时的提取方法, 根据研究区地形特点算出的最佳统计单元半径为2.5km, 有别于郭芳芳等[21]文中的结果2km。因为研究区位于中国地势的第二阶梯和第一阶梯的地貌边界带上, 地形起伏较大, 所以统计单元也相应较大。采用2.5km×2.5km的统计单元, 得出研究区的地形起伏度图(图 3)。同样利用滑坡灾害点资料, 提取相应的地形起伏度值, 绘出统计曲线。
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| 图 3 地形起伏度图 Figure 3 Relief amplitude map |
研究区新构造活动强烈, 尤其自第四纪以来受青藏高原快速隆升的影响, 区域隆升强烈, 导致河流强烈下切, 形成“V”型深切河谷地貌和地形起伏度较大的山谷地貌, 在谷地中形成多级阶地[22, 23]。在山麓、河道两岸堆积了大量的新生代砾岩、砂岩等固结程度较差的沉积物, 为滑坡的发育提供了物质基础, 再由暴雨和地震等因素触发, 最终发生滑坡灾害。暴雨和地震决定何时发生滑坡, 而地形地貌条件决定了滑坡发生的位置。下面将从高程、地形起伏度和坡度三方面详细讨论地形地貌与滑坡灾害的关系。
3.1 滑坡灾害的高程分布特征通过提取研究区每个滑坡灾害点对应的高程值, 并以200m为区间统计滑坡点个数, 得到地形高程滑坡个数统计曲线(图 4)。整个研究区海拔高程在53~6457m, 而滑坡灾害点的海拔高程范围是86~4632m。从图 4可以看出, 滑坡灾害点的高程主要集中在两个区间段, 分别为400~800m和1400~2000m。这两个区间段的滑坡灾害点分别占研究区内总滑坡数的40 %和28 %。滑坡出现这两个高程区间段和研究区本身地形有直接关系。通过研究区滑坡分布图(图 1)可以发现, 研究区滑坡灾害大体上集中分布在四川盆地和横断山脉地区, 两个地区海拔高程差异明显, 制约了滑坡灾害点发生的高程区间。
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| 图 4 地形高程与滑坡个数的相关性 Figure 4 Correlation between elevation and number of landslides |
地形起伏度也称为地势起伏度[24, 25], 它能反映地表起伏变化, 常用某一确定面积内最高点和最低点海拔高度之差来衡量[24]。地形起伏度和滑坡灾害的发生存在很大的相关性[21]。
研究区的地形起伏度分布在0~2523m, 滑坡灾害发生的地形起伏度范围主要在21~1801m。为了定量分析地形起伏度与滑坡灾害发生的相关性, 笔者提取了研究区内2319个滑坡点的地形起伏度值, 并按100m的区间统计滑坡个数, 绘出地形起伏度值滑坡个数统计曲线(图 5)。从中可以看出, 统计曲线从21m开始, 滑坡灾害点的数量逐渐增多, 当地形起伏度值增到400m时, 曲线达到顶峰, 滑坡点最多, 随后滑坡数量开始随着地形起伏度的增大而逐渐减少。取统计曲线的峰值区间300~600m, 计算这个区间内的滑坡总数占研究区所有滑坡总数的48.68 %, 说明研究区内近一半的滑坡发育在300~600m的地形起伏度范围内, 从而再一次印证了地形起伏度和滑坡灾害之间存在明显的相关性。
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| 图 5 地形起伏度与滑坡个数的相关性 Figure 5 Correlation between relief amplitudes and number of landslides |
研究区的坡度分布在0~85°, 滑坡灾害发育的坡度区间为2~57°。笔者提取了研究区内2319个滑坡点的地形坡度值, 并按5°的区间统计滑坡个数, 绘出地形坡度值滑坡个数统计曲线(图 6)。从最小的坡度2°开始, 随着坡度的增大滑坡个数也逐渐增多, 当坡度达到15°时曲线达到顶峰, 滑坡个数最多, 随后坡度增大滑坡数量开始逐渐减少。计算统计曲线峰值区间10°~25°之内的滑坡个数, 得出其所占研究区滑坡总数的百分比为44.70 %, 也就是说研究区内四成多的滑坡发生在坡度为10°~25°的地形, 从而说明滑坡的发育和一定的坡度区间关系密切。
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| 图 6 地形坡度与滑坡个数相关性 Figure 6 Correlation between slopes and number of landslides |
基于对高程、地形起伏度和坡度三个参数的分析表明, 研究区内滑坡灾害的发生具有明显的区域性分布规律, 滑坡灾害主要集中发育在高程400~800m和1400~2000m之间, 地形起伏度300~600m之间和坡度10°~25°之间。
4 滑坡发育的地形条件分析为了进一步分析研究区内滑坡的分布与地形地貌的关系, 对滑坡集中发育的地区做三条地形廊带, A-B、C-D和E-F (图 1)。基于研究区SRTM-DEM数据, 过每个廊带作出中心线剖面A-B、C-D和E-F, 然后将廊带内每个滑坡点投影到廊带的中心线上, 做出如图 7所示的三条剖面, 这样每条剖面都清楚的展示了地形特征和滑坡发生的位置及高程。另外还做了研究区内主要水系的地形横剖面和滑坡点位置图(图 8)。
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| 图 7 廊带剖面图和滑坡点分布图(剖面位置见图 1) Figure 7 Topographic profiles and locations of related landslides (for location see Fig. 1) |
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| 图 8 主要水系的地形横剖面和滑坡点位置关系图(剖面位置见图 1) Figure 8 Topographic profiles across the main rivers and locations of corresponding landslides (for location see Fig. 1) |
如图 7所示, A-B剖面切过了岷江、嘉陵江和长江三条水系以及龙门山断裂带和华蓥山断裂带。滑坡主要发育在位于川西高原的岷江河谷两岸和位于四川盆地的华蓥山褶皱带和长江两岸, 高程差异明显, 集中在1400~2000m和400~800m, 较好地印证了上面分析的滑坡高程分布结果。从剖面上可以看出, 沿长江和岷江两岸滑坡多发生在“V”字型深切河谷内; 在华蓥山褶皱带滑坡多集中发育在山谷地貌部位, 两者的地形起伏度和坡度呈现一致性。
C-D剖面穿过贡嘎山、大渡河和金沙江, 这个地区地势较高, 滑坡主要集中在海拔高程1400~2000m, 在地貌上主要集中在大渡河和金沙江深切河谷内以及沿关村断裂、莲峰断裂带的陡坡带上。
E-F剖面位于横断山脉地区, 切过雅砻江和金沙江。从这个剖面可以看出, 该地区滑坡点高程明显高于以上两个剖面, 集中在1500~2500m;但滑坡仍发育在雅砻江和金沙江的深切河谷内以及安宁河断裂带的陡坡带上, 地形起伏度和坡度的范围仍符合上面提取的区间, 所以同时利用高程、地形起伏度和坡度三个参数能比较真实的反映滑坡灾害发育的地貌条件。
图 8展示了雅砻江、金沙江、大渡河、长江和嘉陵江河流大比例尺地形剖面和滑坡发生的具体位置。从中可以看出, 所有的滑坡灾害点都发生在“V”型的深切河谷上。河谷内沉积物固结程度较差, 又是人类活动和居住的主要场所, 这加剧了滑坡灾害的发生。
5 滑坡发育的动力机制分析以上分析表明, 区内滑坡的发育不仅与水系关系密切, 和区内活动断裂也联系紧密。在A-B剖面中的龙门山断裂带、C-D剖面中的关村断裂、莲峰断裂带和E-F剖面中的安宁河断裂带上, 都相对集中发育了滑坡。从图 1滑坡分布图中也可以看出, 滑坡灾害点明显沿断裂带发生。从很大程度上, 活动断裂带控制了滑坡的分布。由于研究区断裂活动性很强, 地震活动频繁, 尤其沿青藏高原东缘的地貌边界带, 大部分地区处于断裂带交汇部位, 多方向的构造作用对岩石产生极大破坏, 形成构造破碎带[3], 结构失稳, 这时地下水及地表径流更易沿节理或者裂隙渗入岩层, 使岩层稳定性下降。同时, 研究区活动断裂的运动速率在垂向和水平方向都不相同[26~31], 这导致不同的地块发生挤压、伸展和相对运动, 当差异运动使能量积累到一定程度, 将进一步以地震形式释放出来[2], 地震的发生常常诱发滑坡发生。通过进一步研究龙门山断裂带、关村断裂、莲峰断裂带和安宁河断裂带, 发现这些断裂带在地貌上都表现为“V”字型山谷, 滑坡集中发育在山谷的陡坡上, 提取这些断裂带的地形起伏度和坡度, 发现其区间正好位于300~600m和10°~25°之间。由此获得了活动断裂与滑坡灾害之间的因果关系。
6 结论与讨论尽管滑坡的发生是边坡失稳的结果, 与各种外部因素有关, 但地形地貌参数统计分析表明, 滑坡地质灾害的发生在空间分布上与地形地貌参数(高程、地形起伏度和坡度)存在密切的相关性。在研究区, 这种相关性主要体现在滑坡集中发育的高程区间为400~800m和1400~2000m, 地形起伏度区间为300~600m, 坡度区间为10°~25°。除了地形地貌参数以外, 断裂活动性对滑坡灾害的发生具有重要的控制作用。
GIS技术为滑坡地质灾害的地形地貌特征分析提供了实用、有效的方法, 对区域地质灾害评价具有良好的实用价值。
需要指出的是, 滑坡数据属于历史调查数据, 鉴于目前区域滑坡灾害调查的局限性, 有很多地区属于有灾无害, 可能有许多滑坡点没有记录, 这会影响到统计结果的精度。
致谢: 对文章评阅人认真细致的修改表示衷心感谢, 同时对地质力学研究所硕士潘燕兵所提出的宝贵意见表示感谢。
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