崔玉龍, 傅 貴, 郭 鴻, 鮑鵬鵬, 胡俊宏
(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院, 安徽 淮南 232001;2.陜西理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 陜西 漢中 723000)
黃土是在地質(zhì)時(shí)代中的第四紀(jì)期間形成的一種黃色堆積物,廣泛分布于亞洲、歐洲、北美和南美等地。我國(guó)黃土分布面積約6.31×105km2,約占全國(guó)國(guó)土面積的6.6%,占世界黃土覆蓋面積的4.9%[1]。黃土滑坡作為黃土地區(qū)最常見的地質(zhì)災(zāi)害之一,給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。1983年3月7日,甘肅省灑勒山滑坡掩埋4個(gè)村莊,傷亡278人[2];2005年5月9日,山西省臨汾市吉縣橋南村水洞溝自然村發(fā)生山體滑坡,造成24人死亡[3];2010年3月10日,陜西省子洲縣雙湖峪村發(fā)生山體滑坡,共造成26人死亡[4];2019年3月15日,山西省鄉(xiāng)寧縣棗嶺鄉(xiāng)衛(wèi)生院發(fā)生山體滑坡,造成20人死亡[5]。
滑坡的發(fā)生與自然因素密切相關(guān),認(rèn)識(shí)滑坡的分布規(guī)律與影響因素是深入研究滑坡災(zāi)害的重要基礎(chǔ),同時(shí)還能降低滑坡災(zāi)害帶來(lái)的損失。20世紀(jì)80年代中后期3S技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,給滑坡災(zāi)害的調(diào)查研究工作提供了強(qiáng)大的工具,使滑坡分布規(guī)律從理論到實(shí)踐的研究成果更加豐富。1998年,Larsen等[6]統(tǒng)計(jì)了波多黎各熱帶山地滑坡在地形上的分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)在高程大于300 m、坡度大于12°、坡向?yàn)闁|北方向的地形更容易發(fā)生滑坡;2008年,Guzzetti等[7]對(duì)意大利中部臺(tái)伯河盆地上游滑坡的高程、坡度及地層巖性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),并總結(jié)了滑坡的分布規(guī)律;2017年,Liucci等[8]從地形的角度利用不同的模型研究了滑坡規(guī)模的分布,認(rèn)為地形因子是控制滑坡分布的重要因素;2005年,陳永明等[9]對(duì)黃土地區(qū)地震滑坡的分布特征進(jìn)行了研究;2010年,許沖等[10]基于空間分析方法,研究了地層巖性、坡度、高程等影響因素與地震滑坡分布的關(guān)系;2016年,張珊等[11]利用核密度估算方法分析了蘭州市降雨型黃土滑坡點(diǎn)的空間分布。
近年來(lái),受自然氣候條件變化影響,尤其在冰雪融水和降雨作用下,新疆的黃土區(qū)域發(fā)生了多起滑坡災(zāi)害。在本文選取的新疆伊寧縣黃土區(qū)域某滑坡集中分布區(qū)內(nèi),2017年3月24日,喀拉亞尕奇鄉(xiāng)喀拉亞尕奇村發(fā)生滑坡災(zāi)害,造成經(jīng)濟(jì)損失20余萬(wàn)元[12];2017年4月2日,喀拉亞尕奇鄉(xiāng)克孜勒賽溝內(nèi)發(fā)生滑坡,造成直接經(jīng)濟(jì)損失49.06余萬(wàn)元[13]。本文基于谷歌衛(wèi)星影像,在谷歌地球(Google earth)平臺(tái)上進(jìn)行人工目視滑坡解譯,利用ArcGIS軟件進(jìn)行滑坡分布規(guī)律分析。本研究提供了一個(gè)新疆典型黃土區(qū)滑坡的分布數(shù)據(jù),可為類似黃土區(qū)域滑坡研究提供參考。
圖1 研究區(qū)位置及滑坡分布圖
研究區(qū)位于伊寧縣縣城以北15 km處,東西長(zhǎng)19 km,南北寬12 km,面積約230 km2,地理坐標(biāo)為東經(jīng)81°27′26″—81°41′24″,北緯44°05′42″—44°12′54″。如圖1所示,研究區(qū)域位于伊犁谷地西部的中低山區(qū),地勢(shì)總體呈現(xiàn)為北高南低,海拔888~2103 m,為剝蝕堆積塊狀隆起山,區(qū)內(nèi)溝谷密布,以V形谷為主。出露地層主要為石炭世地層,巖性為海相碳酸鹽巖、碎屑巖、凝灰?guī)r等,第四系風(fēng)成黃土不整合覆蓋在基巖之上,一般坡體中部黃土沉積厚度較大,可達(dá)到20 m[14]。研究區(qū)大地構(gòu)造上位于天山—興安地槽褶皺區(qū)西南天山褶皺系西天山優(yōu)地槽褶皺帶,尼勒克斷裂帶(走向?yàn)镹WW向)貫穿整個(gè)研究區(qū)并將研究區(qū)一分為二,右上方為博羅科努山復(fù)背斜,左下方為伊犁地塊。研究區(qū)氣候?qū)贉貛О牖哪瘹夂颍募咎卣髯兓容^明顯,冬春溫暖濕潤(rùn),夏秋干燥較熱,年平均氣溫9.3 ℃,降水充沛,年平均降雨量350 mm。
本研究采用的基礎(chǔ)資料:從地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)[15]下載的ASTER GDEM 30 m的DEM,1∶500 000中國(guó)地質(zhì)圖,0.6 m分辨率的谷歌地球影像(圖2),黃土分布圖[16](圖3)。
圖2 研究區(qū)谷歌衛(wèi)星影像圖 圖3 研究區(qū)黃土分布圖
采用滑坡目視解譯的方法,在谷歌地球影像上可以清晰準(zhǔn)確地圈出滑坡,目視解譯保證了滑坡解譯的客觀真實(shí)性,圖4為兩個(gè)典型滑坡解譯實(shí)例。本文選取了2015年7月15日、2018年5月21日和2019年7月3日3個(gè)時(shí)相的衛(wèi)星影像來(lái)進(jìn)行滑坡解譯工作,本著“最近、最好”的原則,選擇距離滑坡發(fā)生時(shí)間最近、質(zhì)量最好的衛(wèi)星影像圈出滑坡。在分辨率較高的遙感圖像上,通過對(duì)比周圍環(huán)境,非常容易識(shí)別出滑坡?;略谶b感圖像上與周圍環(huán)境在色調(diào)、形態(tài)、陰影、紋理、植被發(fā)育上有較大差異,且滑坡具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和形態(tài),在圖像上常呈簸箕型、長(zhǎng)舌型、菱形、不規(guī)則形狀等?;碌慕庾g與圈定均為人工完成,保證了解譯結(jié)果的精確性,利用遙感圖像目視解譯可以確定滑坡發(fā)生的地理位置、邊界、形態(tài)、規(guī)模。然后在ArcGIS平臺(tái)上,以DEM和地質(zhì)圖為基礎(chǔ),提取各個(gè)滑坡對(duì)應(yīng)的坡度、坡向、高程,通過統(tǒng)計(jì)可得到滑坡分布與各因子的關(guān)系。
(a) 典型滑坡Ⅰ (b) 典型滑坡Ⅱ圖4 典型滑坡圖
圖5 滑坡點(diǎn)密度圖(搜索半徑為350 km)
根據(jù)統(tǒng)計(jì)的滑坡數(shù)據(jù),在ArcGIS平臺(tái)上制作滑坡的點(diǎn)密度圖。鑒于此次滑坡的分布范圍和滑坡數(shù)量比較大,以350 km為搜索半徑,通過密度分析制作滑坡點(diǎn)密度圖,結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出,滑坡高密度區(qū)位于研究區(qū)的東北區(qū)域,其最大密度達(dá)到260個(gè)/km2。
將單體滑坡面積分為5個(gè)級(jí)別:≤500 m2、500~1000 m2、1000~1500 m2、1500~2000 m2和>2000 m2。統(tǒng)計(jì)分析每個(gè)級(jí)別內(nèi)的滑坡數(shù)量與滑坡面積,制作滑坡數(shù)量與滑坡面積的分級(jí)餅圖(圖6)。其中,單體滑坡面積≤500 m2的滑坡數(shù)量最多,為2582個(gè),占滑坡總數(shù)量的58%;單體滑坡面積>2000 m2的滑坡總面積最大,為1.733 km2,占滑坡總面積的44%。
(a) 滑坡數(shù)量 (b) 滑坡面積 圖6 滑坡數(shù)量和滑坡面積餅圖
高程是影響滑坡災(zāi)害發(fā)生的重要影響因素之一。它會(huì)對(duì)斜坡體內(nèi)的應(yīng)力值產(chǎn)生顯著影響,坡體內(nèi)的應(yīng)力值隨著坡高的增加而增加,當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到臨界條件時(shí)便容易在外在因素的作用下產(chǎn)生滑坡。研究區(qū)的高程在900~2100 m之間,本文將高程以200 m為間距進(jìn)行分組,分別為900~1100 m、1100~1300 m、1300~1500 m、1500~1700 m、1700~1900 m和1900~2100 m共6組,分別制作滑坡面積、滑坡數(shù)量與高程的關(guān)系圖(圖7)。由圖可見,1900~2100 m內(nèi)滑坡數(shù)量最多,有1553個(gè),占滑坡總數(shù)的34.5%;滑坡數(shù)量隨高程的增高而增大,在高程大于1500 m時(shí),滑坡數(shù)量隨高程的增加速度越來(lái)越快;滑坡面積最大的高程范圍是1700~1900 m,為0.918 km2,占滑坡總面積的23.5%;高程大于1300 m時(shí),各高程段的滑坡面積較大,其他高程范圍內(nèi)的滑坡面積相對(duì)較小??傮w上講,在高程1300~2100 m范圍內(nèi)的滑坡數(shù)量最多,面積最大。在本研究區(qū)內(nèi),滑坡的發(fā)生基本符合隨高程的增加而增加的規(guī)律。
(a) 滑坡數(shù)量 (b) 滑坡面積圖7 滑坡與高程關(guān)系圖
坡度是滑坡發(fā)育過程中重要的影響因素之一,隨著坡度的增加,坡角應(yīng)力逐漸增大。坡度還影響著地表水的流動(dòng)和下滲、斜坡體內(nèi)地下水的補(bǔ)給與排泄、斜坡上松散堆積物的厚度、植被發(fā)育等,從而影響著斜坡的穩(wěn)定性。研究區(qū)的坡度在0°~60°之間,以10°為間距進(jìn)行分組,分別制作滑坡面積、滑坡數(shù)量與坡度的關(guān)系直方圖(圖8)。由圖可知,在10°~20°和20°~30°的滑坡數(shù)量較多,10°~20°的滑坡數(shù)量為1764個(gè),占滑坡總數(shù)的39.2%,20°~30°的滑坡數(shù)量為1487個(gè),占滑坡總數(shù)的33.1%;10°~20°的滑坡面積為1.28 km2,占滑坡總面積的32.8%,20°~30°的滑坡面積為1.48 km2,占滑坡總面積的38.0%。總體上講,在10°~30°內(nèi)滑坡數(shù)量最多,滑坡面積最大。伊犁地區(qū)的黃土容易在中低坡度的斜坡上沉積,這給滑坡災(zāi)害的發(fā)生提供了物源條件。這也驗(yàn)證了并非坡度越大越容易發(fā)生滑坡災(zāi)害,當(dāng)坡度大于一定閾值后,松散物不易堆積,沒有形成滑坡災(zāi)害的物質(zhì)條件。
(a) 滑坡數(shù)量 (b) 滑坡面積圖8 滑坡與坡度關(guān)系圖
坡向也是影響滑坡分布的重要因素之一,它通過決定坡體太陽(yáng)光照時(shí)間、時(shí)長(zhǎng)、水熱比、降水分布和流向,影響巖體風(fēng)化和水流侵蝕程度。坡體的內(nèi)聚力會(huì)隨著風(fēng)化程度和水流侵蝕程度的加深而減小,從而誘發(fā)滑坡災(zāi)害。將坡向以30°為間隔進(jìn)行分帶,分別制作滑坡面積、滑坡數(shù)量與坡向的關(guān)系圖(圖9)。由圖可見,在60°~90°和90°~120°方向內(nèi)的滑坡數(shù)量較多,分別為742個(gè)和651個(gè),占滑坡總數(shù)的16.5%和14.5%,滑坡面積較大,分別為560 720 m2和489 520 m2,占滑坡總面積的14.35%和12.53%;相比于近南北向來(lái)說,近東西向的滑坡數(shù)量更多、面積更大。通過谷歌地球影像可以清楚的觀察到,在滑坡高密度區(qū),山體和溝壑以近南北向相間分布,滑坡幾乎都是近東西向的。
(a) 滑坡數(shù)量 (b)滑坡面積 圖9 滑坡與坡向關(guān)系圖
本文以新疆伊寧縣典型黃土滑坡區(qū)為例,以谷歌地球影像為基礎(chǔ),采用人工目視解譯獲取滑坡,解譯得到了4498個(gè)滑坡,滑坡總面積達(dá)3.907 km2。單體滑坡面積在500 m2以下的滑坡數(shù)量最多,占滑坡總數(shù)量的58%,大于2000 m2范圍內(nèi)的滑坡面積最大,達(dá)1.733 km2,占滑坡總面積的44%?;碌陌l(fā)育與地形因子有著密切的關(guān)系,在1300~2100 m高程區(qū)間內(nèi)、10°~30°坡度區(qū)間內(nèi)、坡向60°~90°和90°~120°區(qū)間內(nèi)滑坡數(shù)量最多,面積最大。
本文初步分析了新疆伊寧縣典型黃土區(qū)域滑坡分布規(guī)律,后續(xù)將繼續(xù)進(jìn)行該地區(qū)黃土滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)方面的研究。