张家坪泥石流物源活动性演化及冲出范围模拟研究

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　　摘要：为了研究泥石流内物源活动性演化及冲出范围，利用搜集的四期遥感影像和DEM，结合GIS与RS，对不同时期张家坪泥石流物源做出详细解译，得出不同活动率条件下的张家坪泥石流物源演化趋势。根据变化趋势预测该泥石流未来不会产生较多新的物源，但老崩滑体有扩大的可能性，同时利用FLO-2D软件模拟三种降雨频率下的张家坪泥石流冲出范围及堵江程度，研究结果能够为张家坪泥石流物源防治措施提供参考价值，同时为冲出范围内的灾后重建工作提供科学指导依据。
　　关键词：张家坪;泥石流;遥感解译;物源演化;冲出量
　　中图分类号：P642 文献标志码：A
　　Abstract：The detailed descriptions of the Zhangjiaping debris-flow source at different periods and its evolution process under different activity rates were investigated in this study with four remote sensing images，DEM，and GIS and RS techniques.It is predicted that the debris-flow will not generate more new sources in the future，but the existing collapses has a possibility of expansion.FLO-2D software was also used to simulate the flushing ranges and the degree of river blocking under three rainfall frequencies for the Zhangjiaping debris-flow.The research results can provide reference for the source prevention and control measures at Zhangjiaping debris-flow，and provide scientific guidance for post-disaster reconstruction within the runout zone.
　　
　　Key words：Zhangjiaping;debris-flow;remote interpretation;material evolution;run-out volume
　　
　　
　　汶川地震后，陈晓清等[1]基于卫星影像数据在重灾区对自然灾害体进行解译、统计，得出崩塌、滑坡灾害面积达2 264.53 km2，初步估算汶川震区地质灾害的水土流失量达55.86亿t。新增松散固体物源产生了大量的次生地质灾害，严重威胁灾区居民的生命财产安全，震后次生灾害将进入活跃期，泥石流的活跃期将持续10～20 a[2-4]。目前汶川地震已过去10年，其物源已发生不同强度的变化，但地质灾害的危险性仍然存在。唐川等[5]以汶川地震高烈度区的北川县城及湔江河谷为研究区，对“9·24”暴雨前后利用高精度影像进行遥感解译结果进行对比研究，得出暴雨前后的滑坡和泥石流变化情况。常鸣等[6]对绵远河流域的20条泥石流沟进行解译，利用GIS统计出崩塌、滑坡在坡度、坡向、高程、沟道纵坡降、地层岩性、沟壑密度因子上的分布特点。李凌婧[7]利用遥感技术对绵远河地区的泥石流进行解译，并对绵远河地质灾害发育规律的空间分析。周纵横等[8]对绵远河地区的降雨时间和空间分布情况以及泥石流的形态、沟道纵坡降、物源储量、物源密度等方面进行调查。后来蒋志林[9]、常鸣等[10]利用遥感与GIS技术先后对映秀地区和龙池地区泥石流流域内的崩滑体物源做出面积变化分析。乔建平等[11]对汶川灾区泥石流物源的主要类型进行分类，并根据各自的特点建立了泥石流物源动储量的启动地质模式。刘洋等[12]选取8个影响物源分布的因子利用层次分析-信息量法对都江堰龙池地区的泥石流进行敏感性分析。龙溪河流域发生多处泥石流災害后，马煜等[13]对都江堰龙溪河沿岸泥石流灾害分布规律、流域面积、高程、距断层距离、坡度、岩性等进行研究。程霄[14]利用遥感和GIS技术对汶川县映秀地区的崩滑体变化量敏感性进行评价。虽然前人已对强震区的物源变化已做出研究，但在研究中并未考虑其崩滑体的活动性，古崩滑体仍然具有增强危险的可能。唐晨晓等[15]利用强震区都江堰龙池镇多期影像遥感解译（2008年、2009年、2011年、2013年、2015年），观察崩滑体面积演化过程的同时，根据每期解译结果研究滑体的活动状态。汶川8.0级地震诱发了大量的崩滑体，在余震及后续的强降雨作用下进一步增强其活动性[16-17]。在此基础上，本文以张家坪沟泥石流流域为研究区，研究在基于不同活动率条件下的崩滑体演化结果并对张家坪沟的物源活动性做出预测分析，使强震区的地质灾害研究更为具体化。此外，对于泥石流的冲出量研究有理论模型和数值模拟等手段，本文利用FLO-2D软件模拟在不同降雨频率条件下的泥石流暴发情况，得出泥石流的冲出规模和危险性分区。本文的研究成果可为现阶段张家坪的防灾减灾措施提供一定的参考价值，同时为震区多年的物源变化研究提供科学参考。
　　1 研究区概况
　　张家坪泥石流位于岷江右岸，沟口坐标为103°28′31.61″E， 31°02′59.19″N，隶属于阿坝州汶川县映秀镇张家坪村。张家坪沟流域平面形态呈不规则的菱形，最大纵向长度2.2 km，平均宽度0.9 km，总面积为1.71 km2。整个流域属于深切额割构造侵蚀的低-中山地貌，地势总体为西北高，东南低，流域最高点高程为1 995 m，最低点在沟口处高程为880 m，最大相对高差达1 115 m。根据地形数据，张家坪沟上游段的纵坡降达750‰，在沟口附近为185‰，全流域平均纵坡降为386‰。整个流域内有5条具有沟槽的次级支沟，纵坡降均较大，且表现出上游陡下游渐缓的特点，这种地形条件下，流域内的输沙能力较强，为松散固体物质的搬运和参与泥石流活动均提供了有利的地形条件。 　　张家坪沟位于强震区，距离汶川地震震中心较近，在地震后曾发生两次规模较大的泥石流灾害事件：2010年“8·13”泥石流和2013 年“7·10”泥石流。根据映秀气象站发布的降雨资料，2010年8月13日的一整天，共计降雨量达126.8 mm。从8月12日下午17时到8月14日凌晨2时的33个小时内，该地区累计降雨量为162.1 mm。在2013年“7·10” 降雨期间，映秀镇的降雨总量达576 mm。强降雨过程导致流域内松散物源处于饱和状态，在不利条件下极易启动暴发泥石流灾害事件，泥石流易造成岷江被堵塞，形成堰塞湖，造成河水雍高，进而淹没道路及房屋，威胁居民及附近人口的生命财产安全。
　　根据搜集到的张家坪泥石流勘察资料，张家坪沟存在固体物源总量达92.57万m2，可能参与泥石流活动的动储量约31.95万m2，物源十分丰富，本文利用搜集的各期高精度的遥感影像综合分析张家坪沟流域的物源分布及活动率变化情况。
　　2 遥感解译及活动率赋值
　　2.1 数据来源
　　本文搜集到研究区的四期高精度遥感影像，主要包括2009年2月10日、2011年4月26日、2014年12月19日及2017年5月1日分辨率为0.5 m的卫星影像，对搜集的遥感影像进行图像增强、几何纠正等处理工作后，这四期影像清晰、色彩饱和，能清晰识别地物特征、判定地质灾害特性。进行精确配准后利用ARCGIS软件针对不同时期的崩滑体灾害进行详细解译、分析。为简化文本，文中数据分析时仅用年代表影像时期进行研究描述。
　　2.2 遥感解译及活动率分级
　　根据四期高精度遥感影像，由地表植被情况及崩滑体的滑动痕迹及裸露和堆积状态，开展崩滑体的遥感解译及活动率分析。首先对地震后2009年的遥感影像进行解译，其次在2009年解译的崩滑体基础上对2011年的影像进行解译，根据其活动率对崩滑体的属性赋值，依次均在前一期影像的基础上遥感解译并进行活动率赋值。本文将崩滑体活动率划分为如下4级标准。
　　（1）极高活动率。因缺乏地震前后的数据，第一期（2009年）影像则根据现实际解译情况，将其归类为极高活动率;此外，在之后多期遥感影像中由降雨引起扩大的崩滑体及新增的崩滑体也定义为极高活动率。
　　（2）高活动率。在上一期解译的崩滑体在本期影像中活动面积大于崩滑体面积40%以上。
　　（3）中活动率。在上一期解译的崩滑体在本期影像中活动面积占崩滑体面积10%～40%。
　　（4）低活动率。在上一期解译的崩滑体在本期影像中活动面积小于崩滑体面积10%，或者崩滑体在本期影像中没有活动迹象。
　　3 解译结果统计分析
　　3.1 张家坪沟2009年遥感影像解译结果
　　张家坪沟属于汶川8.0级地震影响较为严重的区域，产生的自然灾害也较多，根据统计及遥感解译2009年的崩滑体，得出张家坪沟共产生79个崩滑体，崩滑体面积共15.64万m2。张家坪沟流域面积共1.71 km2，则产生的崩滑体面积占流域面积的10.93%。物源量较大，极有暴发大规模泥石流的可能，见图1。
　　3.2 張家坪沟2011年遥感影像解译结果
　　基于2009年影像解译的崩滑体，在2011年影像上再进一步解译。在此间，2010年8月13日该区域暴发泥石流灾害时间。经解译及统计，共有150个崩滑体，较上一期新增有71处，崩滑体总面积共19.26万m2，占流域面积的11.26%，与2009年相比面积增加23.12%。流域内新增崩滑体面积3.62万m2，主要是由余震或地震使斜坡达到极限状态后，在强降雨作用下产生较多的新崩滑体或者在原崩滑体基础上进一步扩大，根据崩滑体活动率划分标准将其全部归为极高。同时，由2009年影像解译的79个古崩滑体中，活动率为高的面积为14.4万m2，占总面积的74.76%;活动率为中度的面积为0.97万m2，占总面积的5.05%;活动率为低的面积为0.37万m2，占总面积的1.62%。由统计可知在2009-2011年间，张家坪沟流域内的崩滑体活动率较高，主要原因是在2010年8月间映秀镇内暴发持续性降雨，使大部分崩滑体达到饱和程度，在降雨条件下，崩滑体向不同方向扩大，部分发生垮塌，崩滑体活动率为低的面积所占比例最小。
　　3.3 张家坪沟2014年遥感影像解译结果
　　基于2009年、2011年解译的崩滑体，在2014年影像上再进一步解译。在此间，2013年7月10日该流域内也暴发泥石流灾害事件。经遥感解译后统计，共有163个崩滑体，较上一期新增有13处，崩滑体总面积共19.96万m2，占流域面积的11.70%，较上一期增加0.44%。流域内新增崩滑体面积为0.67万m2，占总面积的3.37%，主要是由降雨产生的新崩滑体或原崩滑体扩大的区域，根据崩滑体活动率划分标准将其全部归为极高;此外，由2009年、2011年影像解译的150个古崩滑体中，活动率为高的面积为10.29万m2，占总面积的51.52%;活动率为中度的面积为4.27万m2，占总面积的21.40%;活动率为低的面积为4.73万m2，占总面积的23.71%。由此统计可知在2011-2014年间，流域内崩滑体活动率为极高的面积所占的比例最小，活动率为高的面积所占比例仍是最大。主要原因是在2013年7月间，该流域内也暴发持续性强降雨，流域内已经产生大量的崩滑体，古崩滑体再次被激活，作为补充物源形成泥石流灾害事件，见图1。
　　3.4 张家坪沟2017年遥感影像解译结果
　　基于2009年、2011年、2014年影像解译的崩滑体，在2017年影像上进一步解译。经统计，共有167个崩滑体，较上一期新增有4处，崩滑体总面积共20.26万m2，占流域面积的11.85%。流域内新增崩滑体面积为0.26万m2，占总面积的1.3%，在此阶段新增的崩滑体面积最少;此外，由2010年、2011年及2014年影像解译的163个古崩滑体中，活动率为高的面积为7.47万m2，占总面积的36.9%;活动率为中度的面积为6.90万m2，占总面积的34.1%;活动率为低的面积为5.59万m2，占总面积的27.6%。由此统计可知在2014-2017年间，流域内在没有强降雨等外动力下，新产生的崩滑体较少，主要是古崩滑体在持续活动，并逐渐呈现衰减趋势。主要在经过2014-2017几年间山体的自然恢复作用及未发生持续性暴雨等外动力，植被恢复率逐渐增加，崩滑体活动率逐渐降低，面积相对较小的崩滑体扰动小，恢复稳定的速度更快，见表1。 　　3.5 演化规律分析经过上统计结果，得出基于多期遥感影像的不同活动率崩滑体的演化图，详见图2。以黄润秋[18]收集震前、震后的大量地质灾害作为基础数据，对地质灾害的特点和规律进行分析，得出地质灾害将以4～5 a为一个高峰周期，呈震荡式的下降，并最终恢复到震前的水平。结合张家坪沟整理的震后基础数据，在不考虑持续性暴雨及地震等强大外动力条件下，对张家坪流域内的崩滑体活动率从2009年到2017年的变化及趋势做出分析，见图2。
　　极高活动率的崩滑体在2009-2017年间的面积逐渐减小，由2014年及2017年的数据可得张家坪沟的新增面积已经降至最低，在未来将不会产生较多的新崩滑体，但古崩滑体的活动性有再次增强的可能。高活動率的崩滑体在2011-2017年间面积逐渐减小，预测至少需要5 a面积将会恢复至中度及以下状态。中活动率的崩滑体面积在2011-2017年间面积逐渐增加，未来将进行震荡式的波动下降，及活动率为高的崩滑体恢复至中度状态，预测还需要7～10 a恢复至稳定状态。低活动率的崩滑体在2011-2017年间的面积逐年增加，但之间也会有震荡式的平稳恢复期，根据变化趋势预测未来将会增加更多的面积，但也会有部分崩滑体会有震荡式的活动，直至最后的植被逐渐恢复，至少还需要10 a时间山体才能达到稳定状态。但现阶段仍有滑体处于活动状态，而且流域的地形条件在经过洪水、泥石流的冲刷、下切后更有利于水动力条件的形成和物源的起动，可导致激发泥石流的临界雨强降低，再次发生泥石流的可能性仍然较大，仍然需要加强泥石流的工程防治、预警预报、危险范围分区等工作。
　　4 不同降雨频率下张家坪泥石流冲出范围
　　张家坪流域面积为1.71 km2，主沟长度1.8 km，平均纵坡降为317‰，且张家坪沟流域内的物源量巨大，在这样的地形条件下，其活动性很强，极易暴发泥石流灾害事件。前文通过遥感影像结合GIS技术分析其物源的活动性，在此条件下，利用DEM数据，运用FLO-2D软件模拟不同频率条件下的泥石流冲出规模，达到高效的防灾减灾技术。
　　4.1 FLO-2D的基本原理及参数选取
　　FLO-2D是1988年O′Brien提出的基于非牛顿流体模式及中央有限差分的数值模拟软件。该软件在洪水灾害管理、城市淹没分析、泥石流灾害危险性划分等方面有广泛应用[19-20]。贾涛[21]等结合FLO-2D软件和GIS技术以泥石流冲量进行分区，建立泥石流堆积扇的危险性分区模型。黄勋[22]等利用FLO-2D软件构建了一套适用于我国西南山地城镇的泥石流定量风险评价的理论体系和技术流程。梁鸿熙[23]利用FLO-2D分析泥石流流动及堆积特性与黏性系数和屈服应力的关系。龚柯[24]等利用FLO-2D软件模拟汶川县绵虒镇地区在P=2%条件下发生的泥石流，并构建泥石流危险性评价模型。常鸣等[25]已运用FLO-2D软件模拟汶川震区多条泥石流沟，其技术已非常成熟。开展数值模拟的主要参数有：泥石流流量、体积浓度（CV）、层流阻滞系数（K）、曼宁系数（n）等。采用雨洪法计算出不同降雨频率下的泥石流流量，其它参数可结合张家坪泥石流的实际情况进行取值，见表2。
　　4.2 张家坪泥石流模拟冲出范围
　　根据参数得出不同降雨频率下的模拟结果见图3至图5，不同降雨频率下的冲出范围见图6。由模拟结果得：在降雨频率为P=5%（20年一遇）的条件下，泥石流堆积扇面积0.73 万m2。泥石流冲出沟口进入岷江，堆积扇平均堆积厚度1m左右，沟道堆积物大多处于沟道中下游。在降雨频率为P=2%（50年一遇）的条件下，泥石流堆积扇面积1.52
　　万m2。泥石流冲入岷江，堆积扇平均堆积厚度在3 m左右，沟道堆积物大多
　　处于沟道中下游，沟道平均堆积厚度为2 m左右。在降雨频率为P=1%（100年一遇）的条件下，大量松散物质冲入岷江，挤压河道，迫使水位抬高。堆积扇面积为2.29 万m2，平均堆积厚度4～5 m。
　　5 结论
　　本文通过多期遥感影像和DEM数据，开展物源解译及活动性评价工作，统计分析出张家坪沟泥石流基于不同活动率条件下的物源演化结果，同时运用FLO-2D软件模拟在不同降雨频率下的泥石流冲出范围。
　　（1）在不考虑持续性暴雨及地震等强大外动力条件下，极高活动率的崩滑体在2009-2017年间的面积逐渐减小，崩滑体的新增面积已经降至最低，在未来将不会产生较多的新崩滑体，但老崩滑体的扩大的可能性很高;高活动率的崩滑体在2011-2017年间面积逐渐减小，预测至少需要5 a会恢复至中度及以下状态;中等活动率和低活动率的崩滑体面积在2011-2017年间面积逐渐增加;根据变化趋势预测至少还需要10 a时间山体才能达到稳定状态。现阶段仍有大部分崩滑体处于活动状态，再次发生泥石流的可能性仍然存在，需要加强张家坪泥石流的监测预警工作。
　　（2）运用FLO-2D模拟张家坪泥石流不同降雨频率下的冲出范围及形成不同堵江程度。在降雨频率为P=5%（20年一遇）、2%（50年一遇）、1%（100年一遇）的条件下，泥石流冲出范围分别为0.73万m2、1.52万m2、2.29万m2，平均堆积厚度分别为1 m、3 m、4～5 m，存在不同程度的堵江现象，仍需对张家坪泥石流开展长期监测工作。
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