楊 宇，蔡英樺，鐘華介，毛慶亞

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059；2.成都市地質環(huán)境監(jiān)測站，四川 成都 610042；3.四川省國土空間生態(tài)修復與地質災害防治研究院，四川 成都 610081)

0 引言

隨著計算機技術的快速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)(GIS)為地質災害的研究提供了強有力的工具，基于其強大的數據管理及空間處理能力，泥石流敏感性和危險性研究已經在綜合化、定量化、可視化方面取得了豐碩成果[1-4]。針對巖溶地區(qū)泥石流災害評價的研究，岳溪柳等[5-6]、吳建峰等[7]運用GIS技術，綜合疊加各評價因子對貴州省及畢節(jié)、關嶺地區(qū)泥石流敏感性和危險性進行評價，為巖溶地區(qū)的區(qū)域泥石流災害評價提供了參考。但在更大比例尺的小流域范圍內，巖溶區(qū)泥石流災害評價的研究相對較少。

根據研究區(qū)的不同條件以及對評價結果的不同需求，選取合適的評價單元是地質災害評價的重要前提，目前主要的評價單元有柵格單元、斜坡單元、行政區(qū)劃單元和集水單元。柵格單元可快速剖分和計算，但缺乏與泥石流孕災因子的直接聯系，多用于較大范圍的區(qū)域評價[8-9]。斜坡單元是滑坡等地質災害發(fā)育的基本單元，與崩滑體的致災因子聯系緊密，多用于對崩滑體的災害評價中[10-11]。行政區(qū)劃單元的評價結果能夠快速服務于決策，但依然與泥石流形成的地形、地質環(huán)境等因子缺乏聯系[12]。集水單元是一種基于小型集水流域的不規(guī)則單元，是泥石流發(fā)生的基本地形單元，能夠有效表現小流域的水文過程并能對區(qū)域地形條件進行描述，適用于小流域泥石流災害評價[13]。集水單元的劃分是以水文學D8流向建模為依據，可在ArcGIS中完成。

本文選取巖溶地區(qū)二塘河流域作為研究區(qū)，查明區(qū)內溝谷泥石流和坡面泥石流發(fā)育情況，分析泥石流固體物質補給方式并計算水力侵蝕模數。基于GIS水文分析提取研究區(qū)集水單元并選取地形地貌和物源狀態(tài)兩類評價因子完成泥石流敏感性評價和制圖，最后將結果與區(qū)內泥石流分布及歷史活動進行對比驗證，由此探索巖溶地區(qū)小流域的泥石流敏感性評價和制圖的有效方法，為當地防災減災工作提供依據。

1 研究區(qū)概況

二塘河流域猴場鎮(zhèn)段位于貴州省畢節(jié)市威寧縣猴場鎮(zhèn)，面積約88 km2，地處烏蒙山脈北段，地勢東北高西北低，海拔1 738～2 900 m。研究區(qū)地層巖性主要為晚二疊系上統(tǒng)的海相石灰?guī)r和峨眉山玄武巖，以喀斯特峰叢地貌為主，屬溶蝕-侵蝕中山溝谷區(qū)，切割深度200～500 m。區(qū)內森林覆蓋率低，以草類及藤類植物為主，農作物主要為玉米。

研究區(qū)屬亞熱帶濕潤性季風氣候，多年年均降雨量為922.8 mm，6～9月降水量約占全年降水量的68%。據威寧縣縣志(1990～2010)，1991年7月2日17時至次日6時，二塘河累計降雨量達392 mm，暴雨誘發(fā)泥石流災害，對房屋、橋梁、公路、電站等設施造成嚴重破壞。2002年6月5日和2004年8月24日至26日，研究區(qū)多次遭受暴雨襲擊并誘發(fā)泥石流災害。本文收集了研究區(qū)2016年1月遙感影像(精度0.5 m)、1∶5萬地形圖、土地利用現狀、年均及月度降雨數據，實地查明研究區(qū)溝谷型泥石流共17條，坡面泥石流56條(圖1)。

圖1 研究區(qū)泥石流分布圖Fig.1 Distribution of debris flow in the study area

2 泥石流物源調查及計算

2.1 泥石流物源調查

調查發(fā)現，研究區(qū)基巖出露主要在溝谷上游的錐峰和河谷兩岸的工程切坡，第四系風化層廣泛分布，以黃壤土為主。區(qū)內人類活動頻繁，土地墾殖率為42.9%，其中80%為坡耕地，農作物單一，土層松散淺薄，土壤侵蝕嚴重。

研究區(qū)地形條件復雜，匯水條件良好，邊坡坡度12°～24°，土壤表層物質易在降水及徑流作用下分散、移動。調查發(fā)現，面蝕主要發(fā)生在坡度較緩、匯流較差的坡頂和山脊處，最初呈線狀、網狀分布，深5～10 cm，寬15～20 cm，順坡逐漸匯集并加深拓寬為細溝，平均可達1.2～1.5 m深，2～3 m寬(圖2-a,b)。溝蝕一般出現在坡面的中下部，由細溝進一步發(fā)展演變而來，是下游徑流不斷增強的結果，研究區(qū)侵蝕切溝一般能達到3～5 m深，4～6 m寬(圖2-c)。

圖2 研究區(qū)土壤侵蝕調查(以#13泥石流上游為例)Fig.2 Investigation of soil erosion in the study area(an example at the upstream of #13 debris flow)

部分匯流條件較好的溝蝕匯集并最終發(fā)展為溝谷泥石流，而部分溝蝕則以坡面泥石流的形式沖出。李景保等[14]認為，土壤侵蝕在增強各致災因子致災能力的同時，還有利于各致災因子間的誘發(fā)或轉化；解明曙[15]指出，貴州泥石流的固體物源主要來自坡面、溝谷和礦山棄渣、滑坡等。根據調查，筆者認為研究區(qū)參與泥石流活動的固體物質主要由第四系風化層在降雨作用下產生的土壤水力侵蝕提供的。

2.2 泥石流物源量計算

為便于全區(qū)泥石流物源的定量計算，本文選取水利部于2008年發(fā)布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190—2007)中所推薦的水力侵蝕模數計算模型，該模型是在美國農業(yè)部RUSLE模型基礎上結合我國山區(qū)特點修正而來。

M=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：M——單位面積的年平均土壤水蝕量(t·km-2·a-1)；

R——年平均降雨侵蝕力(MJ·km-2·a-1)·(mm·h-1)；

K——研究區(qū)土壤可蝕性系數(t·h·MJ-1·mm-1)；

L——坡長因子；

S——坡度因子；

B——生物措施因子；

E——工程措施因子；

T——耕種措施因子。

運用GIS技術，將研究區(qū)各因子圖層代入模型計算生成侵蝕模數分布圖層(柵格大小10 m×10 m)，并參照水利部的分類分級標準進行分類分級(圖3)。結果顯示，研究區(qū)屬強烈侵蝕區(qū)，平均土壤侵蝕模數為5 411(t·km-2·a-1)，年平均土壤流失厚度在3.7～5.9 mm。

圖3 研究區(qū)土壤侵蝕強度分級圖Fig.3 Classification of soil erosion intensity in the study area

3 基于集水單元的泥石流敏感性評價

3.1 集水單元的提取

前人對泥石流敏感性的評價多是以溝谷分水嶺作為天然的集水流域，但考慮到研究區(qū)泥石流的形成區(qū)、流通區(qū)并未明顯區(qū)分，物源分布較為廣泛，采用集水單元作為評價單元則能通過調整集水量來靈活反映區(qū)域水文特征與地表地貌，且評價結果全區(qū)覆蓋，應用范圍更廣。目前在泥石流敏感性或危險性研究中，已有相關學者選取集水單元并取得良好結果[16-17]。

提取研究區(qū)集水單元的主要步驟如下：①對DEM數據開展水文分析，按不同集水量劃分集水單元；②對比地形條件并結合現場調查，找到最符合實際的提取閾值；③通過人工對比識別，合并相鄰單元，得到修正后的劃分結果。在本次研究中，筆者分別設置了1 000、2 000、3 000、4 000和5 000作為集水量提取閾值，比對結果后，選取了3 000作為提取閾值，最終將研究區(qū)劃分為68個集水單元(圖4)。

圖4 研究區(qū)集水單元劃分圖Fig.4 Division of the catchment units in the study area

3.2 泥石流敏感性評價

評價因子的選取要有代表性、易操作性，遵循主次原則，基于前人研究并結合野外調查，筆者采用綜合乘積模型的思路，將泥石流敏感性劃分為地形地貌層面和物源狀態(tài)層面來綜合表示，即：敏感性=地形地貌×物源狀態(tài)。

(1)地形地貌

地形地貌是表征各集水單元地表環(huán)境對水源的匯集能力，本文選取集水單元地形高差、溝谷坡度、溝壑密度三個因子來進行評價，模型如下：

P(x1,x2…xn)=P(x1)+P(x2)…+P(xn)=

x1×p1+x2×p2…+xn×pn

(2)

式中P(x1，x2，xn)——地形地貌層面；

P(xn)——該層面下單個因子的影響力；

xn——某因子固有值(為削弱各因子屬性所帶來的數值差異，本文統(tǒng)一采用離差法進行歸一化處理，控制各因子數值在0～1之間)；

pn——對應因子的權重。

層次分析法(AHP)是一種融合了定性和定量的決策分析方法，適用于多因素的權重確定，在山區(qū)地質災害敏感性評價中有很好應用[18-19]。地形地貌評價模型的權重確定采用上述方法，各因子的數值計算可在GIS平臺實現。基本步驟如下：

①設定地形地貌的因子集U={U1,U2,U3}={地形高差，溝谷坡度，溝壑密度}，根據T L Saaty的1～9標度法進行打分，得到判別矩陣C(表1)。

表1 地形地貌因子判別矩陣

②運用Matlab求得判別矩陣C的最大特征值λmax=3.009 2，CR=0.007 94<0.1，判別矩陣有很好的一致性，最后歸一化處理后得到各指標權重：地形高差W1=0.163 78，溝谷坡度W2=0.297 26，溝壑密度W3=0.538 96。

③將地形高差、溝谷坡度、溝壑密度三個因子代入地形地貌評價模型后得到地形地貌評價結果圖層。

(2)物源狀態(tài)

根據前文研究，研究區(qū)泥石流活動的主要物源由水力類土壤侵蝕提供，而集水單元的侵蝕模數反映了本單元內泥石流可動物源量及其活躍程度，侵蝕模數越大，說明集水單元的物源狀態(tài)越好，越有利于泥石流的發(fā)生?；谘芯繀^(qū)土壤侵蝕模數分布結果，運用GIS平臺計算各集水單元的平均侵蝕模數，再均一化處理得到研究區(qū)集水單元物源狀態(tài)評價結果圖層。

(3)評價結果

泥石流敏感性由地形地貌、物源狀態(tài)相乘得到，采用Jenks自然斷點法將敏感性評價結果劃分為4個級別：高敏感(0.53～1)，較高敏感(0.31～0.53)，中等敏感(0.14～0.31)和低敏感(0～0.14)。結果顯示，研究區(qū)面積的22%為高敏感區(qū)，威脅平洞村、發(fā)糾村、長沖村和新建村；較高敏感區(qū)面積占到33%，主要位于中東部；中等敏感區(qū)和低敏感區(qū)分別占到22%和23%(圖5)。

圖5 基于集水單元的研究區(qū)泥石流敏感性評價圖Fig.5 Sensitivity evaluation of the debris flow based on the catchment units

野外調查顯示，平洞溝右岸和長沖村-中營村一帶，坡度在25°～35°，坡長400～450 m，溝壑密集，匯水條件較好，在強降雨條件下，發(fā)生泥石流概率較高，這與評價結果相一致。分析56處坡面泥石流分布情況，其中29處位于高敏感區(qū)，22處位于較高敏感區(qū)，5處位于中等敏感區(qū)，評價結果可信度較高。

3.3 溝谷泥石流敏感性評價

研究區(qū)溝谷泥石流多為獨立的一個集水單元，其敏感性可直接用該集水單元敏感性來表征，但對于部分匯水面積較大、支溝較發(fā)育的溝谷泥石流，其往往由多個集水單元組成。為快速完成溝谷泥石流敏感性的評價，本文基于集水單元敏感性評價結果，在各溝谷泥石流范圍內運用加權平均算法獲取溝谷泥石流敏感性并運用自然斷點法將評價結果劃分為4級：高敏感、較高敏感、中等敏感和低敏感(圖6)。結果顯示，位于研究區(qū)中部的4條泥石流溝具有高敏感性，其余較高敏感性、中等敏感性以及低敏感性泥石流溝分別有6條、4條、3條，該評價結果與野外調查和實地走訪結果相一致，符合歷史泥石流發(fā)生情況。

圖6 研究區(qū)溝谷泥石流敏感性評價圖Fig.6 Sensitivity evaluation of the gully-shaped debris flow in the study area

4 結論與討論

本文選取典型巖溶區(qū)小流域作為研究區(qū)，查明了區(qū)內泥石流物源情況，運用GIS平臺對研究區(qū)泥石流敏感性進行評價，主要結論與討論如下：

(1)調查發(fā)現，土壤水力侵蝕(包括面蝕和溝蝕)是研究區(qū)泥石流物源的主要補給方式，但本文僅對坡面侵蝕量進行了計算，并未考慮匯流后溝道的侵蝕情況，需要后期繼續(xù)研究。

(2)鑒于研究區(qū)人類活動頻繁、泥石流密集發(fā)育，僅以溝谷泥石流流域范圍作為評價單元難以達到指導全區(qū)防災減災工作的目的?；诩畣卧脑u價結果則能做到全區(qū)覆蓋，評價結果更為精細，可在巖溶區(qū)小流域發(fā)揮較好的效果，還能為支溝發(fā)育的溝谷泥石流防治提供參考，有所側重，科學防災。

(3)綜合分析調查資料和評價結果，盡管高敏感區(qū)在地形地貌上具有先天優(yōu)勢，但后期頻繁的人類活動，特別是缺少防護措施的陡坡開墾，為土壤侵蝕和泥石流災害創(chuàng)造了有利條件。隨著社會經濟的飛速發(fā)展，合理規(guī)劃土地，創(chuàng)新發(fā)展模式已迫在眉睫。