基于侵蝕循環(huán)理論的地震觸發(fā)崩塌滑坡災(zāi)勢(shì)評(píng)價(jià)

段書蘇 姚令侃 郭沉穩(wěn)

摘要：構(gòu)建了一種與選線原則方案精度相匹配的、區(qū)域性的預(yù)測(cè)地震觸發(fā)崩塌滑坡災(zāi)勢(shì)的方法.論述了在侵蝕循環(huán)（幼年期-壯年期-老年期）的一個(gè)地貌發(fā)育周期內(nèi)，流域谷坡將相應(yīng)經(jīng)歷向臨界坡發(fā)展、達(dá)到臨界坡、偏離臨界坡的過(guò)程，提出了根據(jù)流域演化發(fā)育階段預(yù)測(cè)山地災(zāi)害危險(xiǎn)性的原理；基于河谷與谷坡的反饋機(jī)制，提出通過(guò)點(diǎn)坡度變化確定縱剖面特征點(diǎn)，進(jìn)而區(qū)分不同的發(fā)育階段，解決了斯特拉勒分析方法只能適應(yīng)于小流域的問(wèn)題.通過(guò)汶川地震、玉樹地震、蘆山地震這3次21世紀(jì)以來(lái)我國(guó)震級(jí)在Ms7.0以上的大地震實(shí)震資料，檢驗(yàn)了本方法的正確性.流域的斯特拉勒積分在0.5～0.6之間時(shí)，崩塌滑坡災(zāi)勢(shì)最嚴(yán)重；距上值越遠(yuǎn)，災(zāi)勢(shì)越輕.

關(guān)鍵詞：侵蝕循環(huán)理論； 地震觸發(fā)崩塌滑坡； 災(zāi)勢(shì)預(yù)測(cè)； ArcGIS

中圖分類號(hào)：U211.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)發(fā)生了3次Ms.7.0以上的大地震（汶川地震、玉樹地震、蘆山地震）.在相同的地震烈度區(qū)內(nèi)，震后次生山地災(zāi)害的嚴(yán)重性差異卻很大.地震觸發(fā)的崩塌滑坡災(zāi)害態(tài)勢(shì)的評(píng)價(jià)引起了各國(guó)學(xué)者的重視.

區(qū)域性研究地震觸發(fā)崩塌滑坡嚴(yán)重性的方法，從定性分析法發(fā)展至綜合指標(biāo)法，到現(xiàn)在流行的Newmark累計(jì)位移法.定性分析法和綜合指標(biāo)法，都是通過(guò)統(tǒng)計(jì)歷史地震中滑坡與各種指標(biāo)之間的關(guān)系，得出結(jié)論.例如：美國(guó)學(xué)者Keefer[1]，Rodríguezpeces等[2]對(duì)世界范圍內(nèi)的滑坡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，歸納了地震滑坡分布與震中距、巖性等之間的關(guān)系； 2000年，我國(guó)學(xué)者喬建平、王余慶[3-5]等運(yùn)用綜合指標(biāo)法對(duì)影響地震滑坡的各種因素進(jìn)行了區(qū)分和定量化，進(jìn)而對(duì)區(qū)域地震滑坡進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)；汶川地震后，黃潤(rùn)秋[6]等建立了強(qiáng)震作用下斜坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系；許沖[7-8]利用ArcGIS技術(shù)平臺(tái)，采用綜合指標(biāo)法對(duì)玉樹、汶川地震滑坡危險(xiǎn)度進(jìn)行了評(píng)價(jià).研究結(jié)論反映了歷史地震崩塌滑坡的統(tǒng)計(jì)特性，成果的普適性受統(tǒng)計(jì)樣本代表性的限制.目前國(guó)際上常用的地震滑坡區(qū)劃模型是Newmark累計(jì)位移法[9]，但Newmark模型所需要的參數(shù)較多（包括滑坡深度及滑動(dòng)面形狀、滑動(dòng)面黏聚力、內(nèi)摩擦角等），更適用于巖石工程數(shù)據(jù)詳實(shí)的小區(qū)域.

本文提出，地貌侵蝕循環(huán)的過(guò)程就是流域內(nèi)坡體在各發(fā)育階段依次經(jīng)歷向臨界坡發(fā)展、達(dá)到臨界坡、偏離臨界坡的演變過(guò)程.利用區(qū)域內(nèi)坡體偏離臨界坡的程度，可以定性地評(píng)定流域內(nèi)斜坡重力災(zāi)害的嚴(yán)重性.從而建立起一種基于侵蝕循環(huán)理論評(píng)判地震觸發(fā)崩塌滑坡災(zāi)勢(shì)的方法.

1基于谷坡?tīng)顟B(tài)的地震觸發(fā)崩塌滑坡災(zāi)勢(shì)預(yù)測(cè)原理

基于發(fā)生學(xué)的理論，Davis在1899年首次創(chuàng)立了侵蝕循環(huán)學(xué)說(shuō)（Theory of the Cycle of Erosion），認(rèn)為地塊從開(kāi)始上升到被逐漸剝蝕夷平，直至降低到起伏不大的地面或者接近基準(zhǔn)面的準(zhǔn)平原之間，存在著連續(xù)的、同時(shí)又有階段性的剝蝕過(guò)程和地表形態(tài).在地表發(fā)育的過(guò)程中，Davis強(qiáng)調(diào)構(gòu)造、作用和時(shí)間（侵蝕階段）這3個(gè)要素之間的相互作用影響[10]，進(jìn)而將循環(huán)過(guò)程中的地形發(fā)展分為3個(gè)階段：地形起伏不大，河間地廣闊平坦的幼年期，地面主要由谷坡和狹窄的分水嶺組成的壯年期，和具有殘丘的準(zhǔn)平原的老年期.

按照地貌循環(huán)理論，侵蝕輪回中坡地發(fā)育過(guò)程如圖1所示.由圖可知，當(dāng)?shù)孛蔡幱谟啄昶跁r(shí)，坡度最陡，在谷坡之上存在大量的上個(gè)地貌循環(huán)留存下來(lái)的夷平面.從幼年期發(fā)展到壯年期的階段，谷底強(qiáng)烈下切，海拔持續(xù)下降；夷平面不斷被侵蝕，面積不斷減小，高程卻沒(méi)有明顯變化；谷坡坡度持續(xù)減小.從壯年期發(fā)展到老年期階段，谷底與谷坡的高程都在緩慢下降，但谷坡下降的速度比谷底快.這導(dǎo)致流域內(nèi)谷坡坡度持續(xù)變緩，夷平作用持續(xù)進(jìn)行，直至準(zhǔn)平原.

地貌的形成和發(fā)展是內(nèi)、外營(yíng)力相互作用的結(jié)果.內(nèi)營(yíng)力趨向于使山體隆升，是使流域內(nèi)坡度增加的過(guò)程；外營(yíng)力作用趨向于使山體高度降低、削平，是使流域內(nèi)坡度減小的過(guò)程.由于二者對(duì)山地地貌塑造的反向效應(yīng)，山體坡度最大只能達(dá)到一個(gè)特定值，即所謂的臨界坡度.那么，在一個(gè)侵蝕循環(huán)內(nèi)，地貌經(jīng)歷幼年期、壯年期、老年期的同時(shí)，流域內(nèi)的坡體相應(yīng)經(jīng)歷了向臨界坡度發(fā)展、達(dá)到臨界坡、偏離臨界坡的演變過(guò)程.處于臨界坡的斜坡系統(tǒng)，在地震、降雨等外界擾動(dòng)下，極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，造成大規(guī)模的崩塌滑坡；反之，坡度小于臨界坡時(shí)，斜坡系統(tǒng)就具有一定的安全裕度，而且偏離臨界坡度越遠(yuǎn)，安全裕度越大，發(fā)生崩塌滑坡可能性越小.因此可以以區(qū)域內(nèi)坡體偏離臨界坡的程度，作為評(píng)估流域山地災(zāi)害發(fā)生危險(xiǎn)性的依據(jù).這就是基于侵蝕循環(huán)理論預(yù)測(cè)地震觸發(fā)崩塌滑坡災(zāi)勢(shì)的原理.

3地震觸發(fā)崩塌滑坡災(zāi)勢(shì)評(píng)估案例分析

現(xiàn)以21世紀(jì)以來(lái)我國(guó)發(fā)生的7級(jí)以上3次大地震為例，通過(guò)對(duì)地震觸發(fā)崩塌滑坡實(shí)震資料的對(duì)比分析，對(duì)該理論進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也對(duì)具體操作方法進(jìn)行說(shuō)明.

3.1玉樹地震震區(qū)斯特拉勒積分

2010年4月14日，玉樹縣發(fā)生Ms7.1地震.境內(nèi)主要水系包括通天河、扎曲、巴曲等，地形以高海拔、低起伏為主.震區(qū)所在計(jì)算流域的斯特拉勒積分計(jì)算步驟如下：

第一步，劃定研究區(qū)域.震區(qū)位于通天河和金沙江的交匯地段，那么我們?nèi)Χǖ难芯繀^(qū)域的流域應(yīng)該是包括沱沱河、通天河、金沙江上游在內(nèi)的長(zhǎng)江上游河段，研究區(qū)域的水系格局如圖3所示.

沱沱河（長(zhǎng)江正源）周圍發(fā)育著色林錯(cuò)、赤布張錯(cuò)、烏蘭烏拉湖、西金蘭湖等高原內(nèi)陸湖，扎加藏布江、曾松曲等內(nèi)流河等；楚瑪爾河（長(zhǎng)江北源）周圍發(fā)育著格爾木河等內(nèi)流河，可可西里湖、庫(kù)賽湖、鹽湖、達(dá)布遜湖等內(nèi)陸湖；當(dāng)曲（長(zhǎng)江南源）周圍發(fā)育著怒江的上游那曲、瀾滄江的上游扎曲；通天河的東側(cè)與黃河的上游約古列宗渠毗鄰；在金沙江河段，東西兩側(cè)基本平行發(fā)育著瀾滄江和雅礱江.根據(jù)上述的流域格局圈定研究區(qū)域周界為：雅礱江-古宗列渠-格爾木河-庫(kù)賽湖-可可西里湖-烏蘭烏拉湖-赤布張錯(cuò)-扎加藏布江-瀾滄江，提取相應(yīng)區(qū)域的DEM.

第二步，劃定流域邊界.長(zhǎng)江的源頭及通天河屬于廣大的藏北腹地，區(qū)域內(nèi)內(nèi)流河與外流河之間往往沒(méi)有明顯的分水嶺，河流彎轉(zhuǎn)曲折，分水線在平面上呈犬牙交錯(cuò)狀；金沙江、瀾滄江、雅礱江之間存在寬廣的夷平面，地貌特征不明顯.本文采用了較高精度的DEM（30 m×30 m），生成研究區(qū)域的河網(wǎng)及集水區(qū)如圖4所示.針對(duì)流域邊界復(fù)雜情況，需注意采取以下措施以保證邊界劃定精度：①圈定分析區(qū)域時(shí)，區(qū)域范圍務(wù)必圈定至相鄰的獨(dú)立水系，②在困難區(qū)域，選擇高精度的DEM分析，在流域劃分的過(guò)程中應(yīng)該與現(xiàn)有的其他數(shù)據(jù)資料進(jìn)行相互驗(yàn)證校核，從而精準(zhǔn)劃定流域邊界.

第三步，提取河谷縱剖面特征點(diǎn)，確定計(jì)算區(qū)域.通過(guò)提取河流點(diǎn)坡度和縱剖面復(fù)合圖（圖5），可以看出，在玉樹下游的不遠(yuǎn)處，海拔4 000 m的地方，坡度突然降低至0附近，疑似夷平面.在夷平面的上游，河谷縱剖面變化不大，均是比較緩的坡度；而在夷平面的下游，河谷坡面變化劇烈.這是由于青藏高原的分階段、非均一隆升，使高原東緣的外流河產(chǎn)生溯源侵蝕，在侵蝕到達(dá)的地方，形成高山峽谷，在侵蝕未達(dá)到的地方，盆地面內(nèi)平坦開(kāi)闊，切割微弱.夷平面上、下游2個(gè)地貌單元差異明顯[19].選擇這一夷平面為流域計(jì)算的出口點(diǎn)，如圖4所示.

3.2汶川地震、蘆山地震震區(qū)的斯特拉勒積分

“5·12”汶川大地震和“4·20”蘆山地震2次地震的主震區(qū)均屬于龍門山地區(qū)，分別位于青衣江流域、岷江流域范圍內(nèi).劃定研究區(qū)域后，該兩流域與相鄰流域分水嶺地貌明顯，可通過(guò)流域分析直接劃定流域邊界.龍門山、岷山等一系列的山脈組成了青藏高原東緣的地形陡變帶，其間的河流走向多與龍門山垂直，以深切河谷為主要特征，進(jìn)入四川盆地后河流彎轉(zhuǎn)曲折，流速緩慢，流域河道控制點(diǎn)即為山區(qū)河段和平原河段的分界點(diǎn).通過(guò)提取青衣江和岷江的全河段的河流點(diǎn)坡度和縱剖面復(fù)合圖（圖7），發(fā)現(xiàn)岷江在都江堰處存在拐點(diǎn)，青衣江在蘆陽(yáng)鎮(zhèn)處存在拐點(diǎn)，可將都江堰和蘆陽(yáng)鎮(zhèn)分別作為岷江和青衣江的河道控制點(diǎn)（計(jì)算流域的出口點(diǎn)），計(jì)算流域的斯特拉勒曲線和斯特拉勒積分如圖8所示.

根據(jù)以上計(jì)算可知，青衣江和岷江的Strahler積分值分別為0.46和0.52.

距河源的距離/km

3.3計(jì)算結(jié)果與實(shí)震坡體資料對(duì)比

蘆山地震震中位于北緯30.3°， 東經(jīng)103°，震源深度約13 km，主震區(qū)沿龍門山斷裂帶分布，呈東北—西南走向，南起涼山州甘洛縣，往東北經(jīng)漢源、滎經(jīng)、蘆山至大邑縣，主要位于雅安市境內(nèi).震中烈度達(dá)Ⅸ度.

利用震后遙感影像資料進(jìn)行人工目視解譯是大面積獲取震區(qū)崩塌滑坡信息的主要方法.蘆山地震后的半年時(shí)間里，我們通過(guò)多種途徑收集了震區(qū)航空、航天遙感影像資料，包括：1）中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所提供的三批航空遙感數(shù)據(jù)，覆蓋蘆山、寶興、邛崍等縣市約5 000 km2.第一批航片獲取時(shí)間為2013年4月20日10：30～12：40，分辨率0.6 m；第二批航片獲取時(shí)間為4月20日15：00～17：00，包括0.4 m和2 m兩種分辨率；第三批航片獲取時(shí)間為4月21日上午，包括0.4 m和2 m兩種分辨率；2）四川省測(cè)繪地理信息局蘆山地震信息發(fā)布平臺(tái)公布的蘆山震中區(qū)的航片影像資料（影像獲取截止時(shí)間為4月25日，分辨率0.5 m）；3）國(guó)家測(cè)繪局公布的龍門鄉(xiāng)、太平鎮(zhèn)、寶盛鄉(xiāng)三地的航片影像資料（影像獲取時(shí)間為4月20日18：28，分辨率為0.16 m） .對(duì)以上遙感影像資料進(jìn)行幾何糾正、融合、拼接、圖像增強(qiáng)等數(shù)據(jù)處理，獲得蘆山震區(qū)的遙感覆蓋面積208 km2，覆蓋整個(gè)Ⅸ度區(qū).區(qū)域內(nèi)的災(zāi)害點(diǎn)分布如圖9所示.

表1所列是3次大地震所在流域地震崩塌滑坡發(fā)生條件的評(píng)判結(jié)果，以及3次地震中Ⅸ度烈度區(qū)實(shí)震資料統(tǒng)計(jì).

據(jù)表1可知，蘆山地震和汶川地震震區(qū)均處于壯年中期，谷坡處于臨界坡?tīng)顟B(tài).玉樹地震震區(qū)處于老年期，谷坡已偏離臨界坡.考慮到地震烈度條件相同時(shí)，3場(chǎng)地震崩塌滑坡的嚴(yán)重程度才具有可比性，因此均選取Ⅸ度烈度區(qū)的崩塌滑坡密度作為比較指標(biāo)（玉樹、蘆山地震最大烈度均為Ⅸ度）.實(shí)震資料表明，蘆山地震和汶川地震均觸發(fā)了大量的崩塌滑坡，而玉樹地震次生災(zāi)害相對(duì)弱得多.這與蘆山地震、汶川地震震區(qū)具備地震觸發(fā)大規(guī)模崩塌滑坡的條件，而玉樹地震震區(qū)不具備此條件的評(píng)判結(jié)論是吻合的.

至此，基于侵蝕循環(huán)理論的地震觸發(fā)崩塌滑坡災(zāi)勢(shì)預(yù)測(cè)的理論，得到了21世紀(jì)以來(lái)3次7級(jí)以上大地震實(shí)震資料的檢驗(yàn).

4結(jié)論

1）基于地貌循環(huán)理論，論證了在一個(gè)地貌發(fā)育循環(huán)周期內(nèi)，流域谷坡將經(jīng)歷向臨界坡發(fā)展、到達(dá)臨界坡，偏離臨界坡的演變階段，在降雨、地震等觸發(fā)條件具備時(shí)，山地災(zāi)害相應(yīng)地呈現(xiàn)從發(fā)展到旺盛再到衰退的規(guī)律，這就是根據(jù)流域演化發(fā)育階段預(yù)測(cè)地震觸發(fā)崩塌滑坡危險(xiǎn)性的原理；提出了根據(jù)河床特征點(diǎn)劃分流域地貌單元的理念，從而解決了面積高程分析理論應(yīng)用于復(fù)雜大流域的適用性問(wèn)題；歸納了利用DEM和ArcGIS技術(shù)計(jì)算斯特拉勒積分的程式.從而在僅利用社會(huì)公共資料的條件下，建立起一種與原則選線階段精度要求相匹配的區(qū)域性地震觸發(fā)崩塌滑坡危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法，并通過(guò)了21世紀(jì)以來(lái)3次7級(jí)以上大地震實(shí)震資料的檢驗(yàn).本文提出的方法亦可為其他誘因的區(qū)域性山地災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)提供借鑒.

2）高烈度地震山區(qū)的鐵路選線，是在節(jié)省工程投資和減輕未來(lái)地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的矛盾中起著統(tǒng)籌規(guī)劃作用的多目標(biāo)決策過(guò)程，線路原則方案的選擇是風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控的首要環(huán)節(jié).對(duì)于谷坡不具備地震觸發(fā)大規(guī)模崩塌滑坡條件的流域，可以采用直接通過(guò)方案；對(duì)于預(yù)測(cè)地震觸發(fā)崩塌滑坡災(zāi)勢(shì)嚴(yán)重的流域，若采用通過(guò)方案，宜以隧道為主穿越，而這一般會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)大幅度增加，因此還應(yīng)與大范圍繞避方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后確定合理方案.顯然，本文工作將為上述方案論證提供重要依據(jù).

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