梁京濤，成余糧，王 軍，汪友明，宋 云，張 肅，馬曉波，王 猛，劉 彬，楊 磊

(1.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，四川成都 610059;2.四川省地質(zhì)調(diào)查院，四川成都 610081)

0 引言

汶川八級地震改變了地震災(zāi)區(qū)原有的地質(zhì)環(huán)境條件，由地震引發(fā)的崩塌、滑坡等松散碎屑物源，使部分原有的老泥石流溝重新復(fù)活，同時(shí)新激發(fā)了大量潛在泥石流溝;根據(jù)四川省國土資源廳震后縣市災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查和四川省地質(zhì)調(diào)查院2009年震后地質(zhì)災(zāi)害遙感補(bǔ)充調(diào)查，整個(gè)汶川地震災(zāi)區(qū)共發(fā)育泥石流溝1675條(遙感補(bǔ)充調(diào)查388條)，其中的部分泥石流溝在地震后的幾年內(nèi)異?；钴S，形成多次災(zāi)害［1-9］。觀察這幾次嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害，可以發(fā)現(xiàn)一些物源豐富且高位分布、主溝比降較大的泥石流往往致災(zāi)更為嚴(yán)重。為了描述和研究地震災(zāi)區(qū)這種特殊的泥石流災(zāi)害，國土資源部地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)指導(dǎo)中心殷躍平博士在國內(nèi)首先提出“高位泥石流”這一概念。將強(qiáng)震區(qū)泥石流中，物源豐富且高位分布，主溝比降較大的溝谷型泥石流定義為高位泥石流。此類泥石流流域內(nèi)的物源具有分布面積大、類型多、形態(tài)不規(guī)則的特點(diǎn)，且方量在百萬方甚至千萬方以上的極端物源單體廣泛分布，如文家溝，單個(gè)滑坡體積就在7000×104m3以上［10-11］，大光包滑坡體積更是達(dá)到11.55～11.99 ×108m3［12-13］;同時(shí)，該類泥石流流域上游或分水嶺處、山脊線附近分布有大量物源。這種物源分布特點(diǎn)，給傳統(tǒng)的泥石流野外調(diào)查和監(jiān)測帶來了困難和挑戰(zhàn)。

無人機(jī)遙感對地觀測技術(shù)，可以客觀、直觀的查明物源分布位置、物源面積、物源形態(tài)和堆積特征;通過高精度DEM測量，可以快速準(zhǔn)確的計(jì)算物源量變化;且無人機(jī)航攝無周期性時(shí)間限制，可以隨時(shí)根據(jù)作業(yè)需求，靈活選擇起飛場地和起降方式進(jìn)行航攝，克服云層影響超低空飛行云層下作業(yè)，數(shù)據(jù)獲取相對靈活。

基于以上分析，本文以綿竹市文家溝泥石流為例，闡述并討論了無人機(jī)遙感技術(shù)在該類泥石流動態(tài)變化監(jiān)測方面的具體應(yīng)用過程。期望該技術(shù)方法能在今后強(qiáng)震區(qū)泥石流災(zāi)害調(diào)查中發(fā)揮作用，進(jìn)一步完善泥石流災(zāi)害調(diào)查方法。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)環(huán)境條件

文家溝位于四川省綿竹市北部山區(qū)清平鄉(xiāng)，綿遠(yuǎn)河左岸，清平鄉(xiāng)場鎮(zhèn)上游700m處;地貌上屬構(gòu)造侵蝕中切割陡峻低山—中山地貌、山地深切割溝谷地形;整個(gè)流域發(fā)育5條較大支溝(圖1)，溝口海拔高程910m，溝源高程2400m，相對高差 1490m，溝長4900m，整體坡降306‰，匯水面積為7.81km2。

文家溝位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺四川臺地向斜西北部;在次級構(gòu)造單元劃分［16］上，屬四川盆地西北部的龍門山推覆構(gòu)造帶前緣，該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈，斷裂發(fā)育，附近發(fā)育清平—白云山活動斷裂、板場溝斷裂、御軍門沖斷裂，頂字崖斷層從流域中上部穿過;整個(gè)流域主要由石炭系、泥盆系、寒武系基巖和第四系松散層組成。

圖1 文家溝2010年11月30日無人機(jī)航空三維影像Fig．1 The UAV 3-D image of Wenjia Valley on Oct 19th，2010

1.2 泥石流災(zāi)害

截止目前，文家溝共發(fā)生6次較大規(guī)模以上泥石流［15］，總沖出量約 580 ～600 ×104m3，如此大規(guī)模泥石流活動，對溝口下游的清平鄉(xiāng)場鎮(zhèn)造成嚴(yán)重威脅。6次泥石流災(zāi)害暴發(fā)的時(shí)間及過程分別為:

(1)2008年9.24泥石流:2008年9月22日～24日，清平鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)生強(qiáng)降雨，日降雨量達(dá)到88mm，10min最大降雨量為11.5mm，文家溝暴發(fā)特大規(guī)模泥石流，泥石流主溝道下游松散堆積體被攜帶沖出，形成深度在5～20m的溝槽。

(2)2010年7.31泥石流:2010年7月31日，綿竹市暴發(fā)強(qiáng)降雨，3h降雨量達(dá)到92.6mm，文家溝再次暴發(fā)大規(guī)模泥石流，本次泥石流啟動位置始于“二級平臺”處，泥石流侵蝕下切溝道，對下游堆積體進(jìn)行沖刷和掏蝕，將下游已建的谷坊壩快速的填滿。本次泥石流沖出量約 30 ×104m3［2］。

(3)2010年8.13泥石流:2010年8月12日，清平鄉(xiāng)局部發(fā)生大暴雨，從12日下午18時(shí)至晚22時(shí)，雨量較小，晚22:30至13日凌晨1:30時(shí)左右，雨量增大，進(jìn)而演變?yōu)榇蟮奖┯?。?2日23:45時(shí)左右文家溝暴發(fā)泥石流，至13日凌晨1時(shí)規(guī)模最大，持續(xù)至13日凌晨4時(shí)，持續(xù)時(shí)間約4h。本次泥石流共計(jì)沖出固體物質(zhì)450×104m3，溝內(nèi)已建防治工程被完全毀壞，泥石流將綿遠(yuǎn)河完全堵塞，造成重大財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡［17］。

(4)2010年8.19泥石流:2010年8月18日22時(shí)文家溝流域開始降雨，在19日的2～6時(shí)雨量增大，到19日上午11時(shí)總降雨量為172.6mm;文家溝19日凌晨暴發(fā)泥石流，部分民房被掩埋，沖出固體物質(zhì)月 30 ×104m3［3］。

(5)2010年9.18泥石流:2010年9月18日上午9時(shí)，文家溝流域開始降雨。本次強(qiáng)降雨日降雨量為52.0mm，30min最大降雨量為18.5mm，5min最大降雨量為12.5mm，文家溝流域于10:05至11:40暴發(fā)泥石流，沖出固體物質(zhì)為16.9×104m3。

(6)2012年8.18泥石流:2012年8月17日至8月18日，清平鄉(xiāng)發(fā)生強(qiáng)降雨，文家溝流域主溝上游4、5號支溝暴發(fā)泥石流。根據(jù)文家溝流域內(nèi)7處雨量站的觀測結(jié)果，韓家大坪北端24h最大降雨量為243mm;1h最大降雨量達(dá)100mm，最大10min達(dá)26mm。

2 數(shù)據(jù)源及研究方法

2.1 采用的數(shù)據(jù)源

汶川地震后，四川省地質(zhì)調(diào)查院等單位，對文家溝開展了無人機(jī)航攝工作，獲取了6期次遙感數(shù)據(jù)(表1，圖2);此外，還收集了汶川地震前全流域1∶10000和部分1∶2000(航測數(shù)據(jù))精度的地形圖，汶川地震后四川省地質(zhì)工程集團(tuán)公司2009年測繪的部分(二級平臺及以下區(qū)域)1∶2000精度的實(shí)測地形圖和2010年11月測繪的1∶2000地形圖。

表1 采用的遙感數(shù)據(jù)源Table 1 The remote sensing dataset used in the research

2.2 無人機(jī)航空遙感數(shù)據(jù)處理

無人機(jī)航空遙感系統(tǒng)主要由飛行器系統(tǒng)、飛控及信息傳輸系統(tǒng)、測繪系統(tǒng)、數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)和保障系統(tǒng)組成。影像處理主要基于無人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)進(jìn)行。利用外業(yè)控制點(diǎn)進(jìn)行空三加密，作為控制基礎(chǔ);根據(jù)外業(yè)像控點(diǎn)分布情況進(jìn)行加密分區(qū)，并對各區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行空中三角測量，通過光束區(qū)域網(wǎng)整體平差，得到加密點(diǎn)成果;然后生產(chǎn)DOM(數(shù)字正射影像圖)成果。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

2.3 泥石流動態(tài)變化監(jiān)測方法

2.3.1 泥石流一次沖出量計(jì)算

該方法通過建立一次泥石流過程前后高精度數(shù)字地面模型，采用對比分析方法，利用GIS軟件對兩期DEM進(jìn)行疊加分析計(jì)算，確定物源移動變化量。

圖2 文家溝遙感影像Fig．2 The remote sensing image of Wenjia Valley

圖3DOM制作流程圖Fig．3 Flow chart for DOM production process

2.3.2 泥石流發(fā)展階段監(jiān)測

泥石流的遙感監(jiān)測工作，是在對觀測對象進(jìn)行多期次遙感影像獲取的基礎(chǔ)上開展的。通過對觀測對象進(jìn)行多期次遙感解譯、野外調(diào)查驗(yàn)證，對每一期泥石流暴發(fā)前后發(fā)育特征進(jìn)行對比分析，從而達(dá)到對觀測對象進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測的目的。

3 結(jié)果分析

3.1 2008年5月18日遙感調(diào)查

2008年5月18日航空影像圖2-A顯示，文家溝滑坡產(chǎn)生的碎屑物主要堆積于“一級平臺”(韓家大坪)、二級平臺(海拔1300m以下)及流域下游主溝道內(nèi)。

利用汶川地震前研究區(qū)1∶10000精度地形圖和“8.13”泥石流發(fā)生前1∶2000精度地形圖，分別構(gòu)建“二級平臺”及以下區(qū)域“震前DEM”、“震后DEM”可知，汶川地震后，頂子崖斷層以下區(qū)域，共新增滑坡堆積物源4988×104m3，最大滑坡堆積深度達(dá)174m(圖4)。

圖4 汶川地震前后文家溝主溝滑坡堆積地面高程變化Fig．4 The surface height change of landslide accumulation of the main groove in Wenjia Valley before and after Wenchuan earthquake

3.2 2009年10月13日遙感調(diào)查

2009年10月13日法國SPOT4影像顯示圖2-B，2008年“9.24”泥石流使文家溝主溝下游(二級平臺以下區(qū)域)溝道兩側(cè)首次出現(xiàn)“拉槽”效應(yīng)，形成的長約1750m的溝槽，“二級平臺”以上區(qū)域未發(fā)現(xiàn)明顯“拉槽”現(xiàn)象;溝口形成長約200m，寬約500m，面積約12.2×104m2的堆積扇;對比本次泥石流發(fā)生前后1∶2000精度的DEM，溝口高程增加約10m，整個(gè)堆積扇平均厚約7～8m，由此估算沖出方量約80～90×104m3;堆積扇保留較為完整，影像紋形細(xì)膩，扇形堆積特征明顯，溝口未見明顯大塊石堆積;1號～5號支溝均未形成泥石流。

3.3 2010年8月17日遙感調(diào)查

2010年8月17日無人機(jī)航空影像圖2-C顯示，“7.31”、“8.13”泥石流溝沖出大量松散物質(zhì)，形成的泥石流將整個(gè)清平鄉(xiāng)場鎮(zhèn)農(nóng)田、學(xué)校、橋梁、房屋大面積淤埋。

遙感解譯顯示(圖5)，清平鄉(xiāng)除文家溝大規(guī)模發(fā)生泥石流之外，走馬嶺、羅家溝等6條溝也發(fā)生泥石流。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，清平場鎮(zhèn)走馬嶺溝口至瑩家溝段共損毀農(nóng)田 2.652ha，房屋 76118m2，掩埋公路2650m，橋梁一座(長637m)，河堤約1km，損毀河道長約3.5km。整個(gè)研究區(qū)泥石流堆積面積達(dá)81.6×104m2，占研究區(qū)面積的23.5%。“8.13”群發(fā)性泥石流災(zāi)害對清平場鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施及人民生活造成了嚴(yán)重影響。

圖5 “8.13”泥石流災(zāi)害損失圖Fig．5 The damage map of“8.13”debris flow hazard①—走馬嶺溝;②—羅家溝;③—洞子溝;④—滴洞溝;⑤—娃娃溝;⑥—文家溝;⑦—瑩家溝

3.4 2010年11月23日遙感調(diào)查

2010年10月13日無人機(jī)航空影像圖2-D顯示，2010 年“7.31”、“8.13”、“8.19”、“9.18”四次泥石流使文家溝主溝下游(“二級平臺”以下)溝道兩側(cè)“拉槽”效應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大，表現(xiàn)為漕谷寬度增大，深度增加，4次泥石流過程使“深切拉槽區(qū)”物源減少了478×104m3，最大下切深度達(dá)54.5m(圖6);下切侵蝕物源經(jīng)泥石流運(yùn)動過程，大部分堆積于泥石流溝口，在前期“9.24”泥石流堆積的基礎(chǔ)上，泥石流堆積扇(圖7)進(jìn)一步擴(kuò)大，新增加堆積464×104m3，并使文家溝溝口由震后海拔880m，經(jīng)”9.24”泥石流抬升為890m后，進(jìn)一步抬升為905m;文家溝1號～5號支溝均形成泥石流，沖出的泥石流堆積于“二級平臺”處，方量約174×104m3，“二級平臺”處平均堆積厚度約5m。

圖6 “8.13”泥石流前后文家溝主溝地面高程變化Fig．6 The surface height change of main groove in Wenjia Valley before and after“8.13”debris flow

3.5 2011年9月29日遙感調(diào)查

2011年9月29日無人機(jī)航空影像圖2-E顯示，經(jīng)過工程治理，文家溝在2011年汛期主溝未見明顯泥石流活動，但4號、5號支溝在強(qiáng)降雨作用下，均發(fā)生了明顯泥石流過程，其中，4號支溝規(guī)模相對較大;4號支溝形成的泥石流堆積于5號壩內(nèi)，淤積面積約8000m2，淤埋第一層排水孔，平均淤積厚度約3m，由此估算體積約2.4×104m3。泥石流攔砂壩、截排水溝、導(dǎo)流槽、排水溝等治理工程未見變形及損毀情況，整體運(yùn)行良好，治理效果初步顯現(xiàn)。

3.6 2013年1月5日遙感調(diào)查

2013年1月5日無人機(jī)航空影像圖2-F顯示，文家溝在2012年汛期主溝溝口沖出少量堆積物，主要為洪水過后留下的粗化層物質(zhì)，形成的洪積扇形態(tài)不規(guī)則;文家溝上游4號、5號支溝再次發(fā)生泥石流，其中5號支溝發(fā)生規(guī)模相對較大，5號支溝形成的泥石流堆積于5號壩內(nèi)，淤積面積約10000m2，平均淤積厚度約3m，由此估算方量約3×104m3。泥石流攔砂壩、截排水溝、導(dǎo)流槽、排水溝等治理工程未見變形及損毀情況，整體運(yùn)行良好，治理工程發(fā)揮效益。

圖7 文家溝泥石流堆積扇三維影像圖Fig．7 The debris flow fans at different stages in Wenjia Valley

4 結(jié)論及存在的問題

4.1 結(jié)論

(1)文家溝泥石流物源豐富，汶川地震使“頂子崖斷層”以下區(qū)域，新增物源4988×104m3，最大堆積厚度達(dá)174m;“二級平臺”以下溝道松散堆積物，在震后的4a時(shí)間內(nèi)，形成6次較大規(guī)模及以上泥石流過程，一年最大下切侵蝕深度達(dá)54.5m(2010年)，幾次泥石流過程共沖出物源約580～600×104m3;文家溝泥石流發(fā)生頻率高、沖出量大、主溝比降較大，是汶川地震災(zāi)區(qū)典型的特大型高頻高位泥石流。

(2)水動力條件、地形坡度和堆積物顆粒大小是文家溝泥石流物源啟動的三個(gè)主要制約因素。相比于“二級平臺”以下溝道堆積物深切拉槽，形成多次泥石流，“韓家大坪”處松散堆積物4a間未見明顯變化，“二級平臺”處，地形坡度較緩，未見明顯物源啟動現(xiàn)象，受上游支溝泥石流影響，該區(qū)域以堆積淤高為主。

(3)不同降雨條件下，文家溝泥石流具有復(fù)合型物源啟動方式，先主溝下游溝道松散堆積啟動形成泥石流，進(jìn)而演變?yōu)橄掠沃鳒蠝系篮土饔蛏嫌伪阑镌聪嗬^啟動，全流域形成泥石流。

(4)工程約束條件下，文家溝泥石流暴發(fā)規(guī)模、破壞模式和成災(zāi)形式均發(fā)生重大轉(zhuǎn)變。工程治理前，全流域大規(guī)模暴發(fā)泥石流，轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ讨卫砗笾鳒喜话l(fā)生泥石流，支溝小規(guī)模發(fā)生泥石流;破壞模式由工程治理前，主溝大規(guī)模深切拉槽為主，轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ讨卫砗螅闲∫?guī)模堆積為主;成災(zāi)模式由工程治理前，泥石流沖出溝口淤埋基礎(chǔ)設(shè)施，轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗍髦闲∫?guī)模淤積庫容的發(fā)生發(fā)展過程。

(5)發(fā)展趨勢上，文家溝“韓家大坪”和“二級平臺”處兩個(gè)物源集中分布區(qū)，受顆粒組成及地形坡度條件的制約，難以啟動;“二級平臺”以下區(qū)域，由于采取了逐級削坡、修建截排水溝、排導(dǎo)槽、攔砂壩等工程治理措施，該部分堆積物質(zhì)相對穩(wěn)定;因此，在非極端氣候條件及工程治理設(shè)施繼續(xù)發(fā)揮效力情況下，未來幾年內(nèi)，文家溝泥石流仍然是以上游處3號、4號、5號支溝繼續(xù)形成小規(guī)模泥石流為主，危害方式主要是淤埋4號壩和5號，壩，并逐步減少庫容;因此，應(yīng)對文家溝4號壩和5號壩進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，及時(shí)清理庫容，防止泥石流對集水沉砂池造成淤埋，進(jìn)而威脅到引水隧洞引水效果。

4.2 存在的問題

泥石流的動態(tài)變化遙感監(jiān)測方法，是在多期次高精度遙感影像和大比例地形圖獲取的基礎(chǔ)上開展的，雖然無人機(jī)在數(shù)據(jù)獲取方面更為靈活，但，同樣受到天氣因素的影響，如果兩次泥石流過程期間不能成功獲取數(shù)據(jù)源，動態(tài)監(jiān)測效果將受到很大影響。另外，本次研究中，采用的地形圖，均為震前航攝及震后工程治理單位的實(shí)測地形數(shù)據(jù)，地面測繪周期較長。能否在兩期泥石流間隔期間，快速生成大比例尺地形圖，并將其較好的應(yīng)用到物源變化量的計(jì)算上，仍然是廣大工作者急需解決的主要問題，需要進(jìn)一步深入開展此方面的研究。

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