張家坪泥石流物源活動(dòng)性演化及沖出范圍模擬研究

1、張家坪泥石流物源活動(dòng)性演化及沖出范圍模擬研究Keywords：Zhangjiaping;debris-flow;remoteinterpretation;materialevolution;run-outvolume汶川地震后，陳曉清等【1】基于衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)在重災(zāi)區(qū)對(duì)自然災(zāi)害體進(jìn)行解譯、統(tǒng)計(jì)，得出崩塌、滑坡災(zāi)害面積達(dá)2264.53km2，初步估算汶川震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的水土流失量達(dá)55.86億t。新增松散固體物源產(chǎn)生了大量的次生地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅災(zāi)區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)平安，震后次生災(zāi)害將進(jìn)入活潑期，泥石流的活潑期將持續(xù)1020a2-4。目前汶川地震已過去10年，其物源已發(fā)生不同強(qiáng)度的變化，但地質(zhì)災(zāi)害的危

2、險(xiǎn)性仍然存在。唐川等【5】以汶川地震高烈度區(qū)的北川縣城及湔江河谷為研究區(qū)，對(duì)“9·24暴雨前后利用高精度影像進(jìn)行遙感解譯結(jié)果進(jìn)行比照研究，得出暴雨前后的滑坡和泥石流變化情況。常鳴等【6】對(duì)綿遠(yuǎn)河流域的20條泥石流溝進(jìn)行解譯，利用GIS統(tǒng)計(jì)出崩塌、滑坡在坡度、坡向、高程、溝道縱坡降、地層巖性、溝壑密度因子上的分布特點(diǎn)。李凌婧【7】利用遙感技術(shù)對(duì)綿遠(yuǎn)河地區(qū)的泥石流進(jìn)行解譯，并對(duì)綿遠(yuǎn)河地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律的空間分析。周縱橫等8對(duì)綿遠(yuǎn)河地區(qū)的降雨時(shí)間和空間分布情況以及泥石流的形態(tài)、溝道縱坡降、物源儲(chǔ)量、物源密度等方面進(jìn)行調(diào)查。后來蔣志林9、常鳴等10利用遙感與GIS技術(shù)先后對(duì)映秀地區(qū)和龍池地區(qū)泥

3、石流流域內(nèi)的崩滑體物源做出面積變化分析。喬建平等11對(duì)汶川災(zāi)區(qū)泥石流物源的主要類型進(jìn)行分類，并根據(jù)各自的特點(diǎn)建立了泥石流物源動(dòng)儲(chǔ)量的啟動(dòng)地質(zhì)模式。劉洋等12選取8個(gè)影響物源分布的因子利用層次分析-信息量法對(duì)都江堰龍池地區(qū)的泥石流進(jìn)行敏感性分析。龍溪河流域發(fā)生多處泥石流災(zāi)害后，馬煜等13對(duì)都江堰龍溪河沿岸泥石流災(zāi)害分布規(guī)律、流域面積、高程、距斷層距離、坡度、巖性等進(jìn)行研究。程霄14利用遙感和GIS技術(shù)對(duì)汶川縣映秀地區(qū)的崩滑體變化量敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)。雖然前人已對(duì)強(qiáng)震區(qū)的物源變化已做出研究，但在研究中并未考慮其崩滑體的活動(dòng)性，古崩滑體仍然具有增強(qiáng)危險(xiǎn)的可能。唐晨曉等15利用強(qiáng)震區(qū)都江堰龍池鎮(zhèn)多期影像遙

4、感解譯2021年、2021年、2021年、2021年、2021年，觀察崩滑體面積演化過程的同時(shí)，根據(jù)每期解譯結(jié)果研究滑體的活動(dòng)狀態(tài)。汶川8.0級(jí)地震誘發(fā)了大量的崩滑體，在余震及后續(xù)的強(qiáng)降雨作用下進(jìn)一步增強(qiáng)其活動(dòng)性16-17。在此根底上，本文以張家坪溝泥石流流域?yàn)檠芯繀^(qū)，研究在基于不同活動(dòng)率條件下的崩滑體演化結(jié)果并對(duì)張家坪溝的物源活動(dòng)性做出預(yù)測(cè)分析，使強(qiáng)震區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害研究更為具體化。此外，對(duì)于泥石流的沖出量研究有理論模型和數(shù)值模擬等手段，本文利用FLO-2D軟件模擬在不同降雨頻率條件下的泥石流爆發(fā)情況，得出泥石流的沖出規(guī)模和危險(xiǎn)性分區(qū)。本文的研究成果可為現(xiàn)階段張家坪的防災(zāi)減災(zāi)措施提供一定的參考價(jià)

5、值，同時(shí)為震區(qū)多年的物源變化研究提供科學(xué)參考。1研究區(qū)概況張家坪泥石流位于岷江右岸，溝口坐標(biāo)為103°2831.61E，31°0259.19N，隸屬于阿壩州汶川縣映秀鎮(zhèn)張家坪村。張家坪溝流域平面形態(tài)呈不規(guī)那么的菱形，最大縱向長(zhǎng)度2.2km，平均寬度0.9km，總面積為1.71km2。整個(gè)流域?qū)儆谏钋蓄~割構(gòu)造侵蝕的低-中山地貌，地勢(shì)總體為西北高，東南低，流域最高點(diǎn)高程為1995m，最低點(diǎn)在溝口處高程為880m，最大相對(duì)高差達(dá)1115m。根據(jù)地形數(shù)據(jù)，張家坪溝上游段的縱坡降達(dá)750，在溝口附近為185，全流域平均縱坡降為386。整個(gè)流域內(nèi)有5條具有溝槽的次級(jí)支溝，縱坡降均較大，

6、且表現(xiàn)出上游陡下游漸緩的特點(diǎn)，這種地形條件下，流域內(nèi)的輸沙能力較強(qiáng)，為松散固體物質(zhì)的搬運(yùn)和參與泥石流活動(dòng)均提供了有利的地形條件。張家坪溝位于強(qiáng)震區(qū)，距離汶川地震震中心較近，在地震后曾發(fā)生兩次規(guī)模較大的泥石流災(zāi)害事件：2021年“8·13泥石流和2004年“7·10泥石流。根據(jù)映秀氣象站發(fā)布的降雨資料，2021年8月13日的一整天，共計(jì)降雨量達(dá)126.8mm。從8月12日下午17時(shí)到8月14日凌晨2時(shí)的33個(gè)小時(shí)內(nèi)，該地區(qū)累計(jì)降雨量為162.1mm。在2021年“7·10降雨期間，映秀鎮(zhèn)的降雨總量達(dá)576mm。強(qiáng)降雨過程導(dǎo)致流域內(nèi)松散物源處于飽和狀態(tài)，在不利條件下極

7、易啟動(dòng)爆發(fā)泥石流災(zāi)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，進(jìn)而淹沒道路及房屋，威脅居民及附近人口的生命財(cái)產(chǎn)平安。根據(jù)搜集到的張家坪泥石流勘察資料，張家坪溝存在固體物源總量達(dá)92.57萬m2，可能參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量約31.95萬m2，物源十分豐富，本文利用搜集的各期高精度的遙感影像綜合分析張家坪溝流域的物源分布及活動(dòng)率變化情況。2遙感解譯及活動(dòng)率賦值2.1數(shù)據(jù)來源本文搜集到研究區(qū)的四期高精度遙感影像，主要包括2021年2月10日、2021年4月26日、2021年12月19日及2021年5月1日分辨率為0.5m的衛(wèi)星影像，對(duì)搜集的遙感影像進(jìn)行圖像增強(qiáng)、幾何糾正等處理工作后，這

8、四期影像清晰、色彩飽和，能清晰識(shí)別地物特征、判定地質(zhì)災(zāi)害特性。進(jìn)行精確配準(zhǔn)后利用ARCGIS軟件針對(duì)不同時(shí)期的崩滑體災(zāi)害進(jìn)行詳細(xì)解譯、分析。為簡(jiǎn)化文本，文中數(shù)據(jù)分析時(shí)僅用年代表影像時(shí)期進(jìn)行研究描述。2.2遙感解譯及活動(dòng)率分級(jí)根據(jù)四期高精度遙感影像，由地表植被情況及崩滑體的滑動(dòng)痕跡及裸露和堆積狀態(tài)，開展崩滑體的遙感解譯及活動(dòng)率分析。首先對(duì)地震后2021年的遙感影像進(jìn)行解譯，其次在2021年解譯的崩滑體根底上對(duì)2021年的影像進(jìn)行解譯，根據(jù)其活動(dòng)率對(duì)崩滑體的屬性賦值，依次均在前一期影像的根底上遙感解譯并進(jìn)行活動(dòng)率賦值。本文將崩滑體活動(dòng)率劃分為如下4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。1極高活動(dòng)率。因缺乏地震前后的數(shù)據(jù)，第一期

9、2021年影像那么根據(jù)現(xiàn)實(shí)際解譯情況，將其歸類為極高活動(dòng)率;此外，在之后多期遙感影像中由降雨引起擴(kuò)大的崩滑體及新增的崩滑體也定義為極高活動(dòng)率。2高活動(dòng)率。在上一期解譯的崩滑體在本期影像中活動(dòng)面積大于崩滑體面積40%以上。3中活動(dòng)率。在上一期解譯的崩滑體在本期影像中活動(dòng)面積占崩滑體面積10%40%。4低活動(dòng)率。在上一期解譯的崩滑體在本期影像中活動(dòng)面積小于崩滑體面積10%，或者崩滑體在本期影像中沒有活動(dòng)跡象。3解譯結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析3.1張家坪溝2021年遙感影像解譯結(jié)果張家坪溝屬于汶川8.0級(jí)地震影響較為嚴(yán)重的區(qū)域，產(chǎn)生的自然災(zāi)害也較多，根據(jù)統(tǒng)計(jì)及遙感解譯2021年的崩滑體，得出張家坪溝共產(chǎn)生79個(gè)崩

10、滑體，崩滑體面積共15.64萬m2。張家坪溝流域面積共1.71km2，那么產(chǎn)生的崩滑體面積占流域面積的10.93%。物源量較大，極有爆發(fā)大規(guī)模泥石流的可能，見圖1。3.2張家坪溝2021年遙感影像解譯結(jié)果基于2021年影像解譯的崩滑體，在2021年影像上再進(jìn)一步解譯。在此間，2021年8月13日該區(qū)域爆發(fā)泥石流災(zāi)害時(shí)間。經(jīng)解譯及統(tǒng)計(jì)，共有150個(gè)崩滑體，較上一期新增有71處，崩滑體總面積共19.26萬m2，占流域面積的11.26%，與2021年相比面積增加23.12%。流域內(nèi)新增崩滑體面積3.62萬m2，主要是由余震或地震使斜坡到達(dá)極限狀態(tài)后，在強(qiáng)降雨作用下產(chǎn)生較多的新崩滑體或者在原崩滑體根底

11、上進(jìn)一步擴(kuò)大，根據(jù)崩滑體活動(dòng)率劃分標(biāo)準(zhǔn)將其全部歸為極高。同時(shí)，由2021年影像解譯的79個(gè)古崩滑體中，活動(dòng)率為高的面積為14.4萬m2，占總面積的74.76%;活動(dòng)率為中度的面積為0.97萬m2，占總面積的5.05%;活動(dòng)率為低的面積為0.37萬m2，占總面積的1.62%。由統(tǒng)計(jì)可知在2021-2021年間，張家坪溝流域內(nèi)的崩滑體活動(dòng)率較高，主要原因是在2021年8月間映秀鎮(zhèn)內(nèi)爆發(fā)持續(xù)性降雨，使大局部崩滑體到達(dá)飽和程度，在降雨條件下，崩滑體向不同方向擴(kuò)大，局部發(fā)生垮塌，崩滑體活動(dòng)率為低的面積所占比例最小。3.3張家坪溝2021年遙感影像解譯結(jié)果基于2021年、2021年解譯的崩滑體，在2021

12、年影像上再進(jìn)一步解譯。在此間，2021年7月10日該流域內(nèi)也爆發(fā)泥石流災(zāi)害事件。經(jīng)遙感解譯后統(tǒng)計(jì)，共有163個(gè)崩滑體，較上一期新增有13處，崩滑體總面積共19.96萬m2，占流域面積的11.70%，較上一期增加0.44%。流域內(nèi)新增崩滑體面積為0.67萬m2，占總面積的3.37%，主要是由降雨產(chǎn)生的新崩滑體或原崩滑體擴(kuò)大的區(qū)域，根據(jù)崩滑體活動(dòng)率劃分標(biāo)準(zhǔn)將其全部歸為極高;此外，由2021年、2021年影像解譯的150個(gè)古崩滑體中，活動(dòng)率為高的面積為10.29萬m2，占總面積的51.52%;活動(dòng)率為中度的面積為4.27萬m2，占總面積的21.40%;活動(dòng)率為低的面積為4.73萬m2，占總面積的23

13、.71%。由此統(tǒng)計(jì)可知在2021-2021年間，流域內(nèi)崩滑體活動(dòng)率為極高的面積所占的比例最小，活動(dòng)率為高的面積所占比例仍是最大。主要原因是在2021年7月間，該流域內(nèi)也爆發(fā)持續(xù)性強(qiáng)降雨，流域內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生大量的崩滑體，古崩滑體再次被激活，作為補(bǔ)充物源形成泥石流災(zāi)害事件，見圖1。3.4張家坪溝2021年遙感影像解譯結(jié)果基于2021年、2021年、2021年影像解譯的崩滑體，在2021年影像上進(jìn)一步解譯。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，共有167個(gè)崩滑體，較上一期新增有4處，崩滑體總面積共20.26萬m2，占流域面積的11.85%。流域內(nèi)新增崩滑體面積為0.26萬m2，占總面積的1.3%，在此階段新增的崩滑體面積最少;此外，

14、由2021年、2021年及2021年影像解譯的163個(gè)古崩滑體中，活動(dòng)率為高的面積為7.47萬m2，占總面積的36.9%;活動(dòng)率為中度的面積為6.90萬m2，占總面積的34.1%;活動(dòng)率為低的面積為5.59萬m2，占總面積的27.6%。由此統(tǒng)計(jì)可知在2021-2021年間，流域內(nèi)在沒有強(qiáng)降雨等外動(dòng)力下，新產(chǎn)生的崩滑體較少，主要是古崩滑體在持續(xù)活動(dòng)，并逐漸呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)。主要在經(jīng)過2021-2021幾年間山體的自然恢復(fù)作用及未發(fā)生持續(xù)性暴雨等外動(dòng)力，植被恢復(fù)率逐漸增加，崩滑體活動(dòng)率逐漸降低，面積相對(duì)較小的崩滑體擾動(dòng)小，恢復(fù)穩(wěn)定的速度更快，見表1。3.5演化規(guī)律分析經(jīng)過上統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得出基于多期遙感影

15、像的不同活動(dòng)率崩滑體的演化圖，詳見圖2。以黃潤(rùn)秋18收集震前、震后的大量地質(zhì)災(zāi)害作為根底數(shù)據(jù)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)和規(guī)律進(jìn)行分析，得出地質(zhì)災(zāi)害將以45a為一個(gè)頂峰周期，呈震蕩式的下降，并最終恢復(fù)到震前的水平。結(jié)合張家坪溝整理的震后根底數(shù)據(jù)，在不考慮持續(xù)性暴雨及地震等強(qiáng)大外動(dòng)力條件下，對(duì)張家坪流域內(nèi)的崩滑體活動(dòng)率從2021年到2021年的變化及趨勢(shì)做出分析，見圖2。極高活動(dòng)率的崩滑體在2021-2021年間的面積逐漸減小，由2021年及2021年的數(shù)據(jù)可得張家坪溝的新增面積已經(jīng)降至最低，在未來將不會(huì)產(chǎn)生較多的新崩滑體，但古崩滑體的活動(dòng)性有再次增強(qiáng)的可能。高活動(dòng)率的崩滑體在2021-2021年間面積逐

16、漸減小，預(yù)測(cè)至少需要5a面積將會(huì)恢復(fù)至中度及以下狀態(tài)。中活動(dòng)率的崩滑體面積在2021-2021年間面積逐漸增加，未來將進(jìn)行震蕩式的波動(dòng)下降，及活動(dòng)率為高的崩滑體恢復(fù)至中度狀態(tài)，預(yù)測(cè)還需要710a恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。低活動(dòng)率的崩滑體在2021-2021年間的面積逐年增加，但之間也會(huì)有震蕩式的平穩(wěn)恢復(fù)期，根據(jù)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)未來將會(huì)增加更多的面積，但也會(huì)有局部崩滑體會(huì)有震蕩式的活動(dòng)，直至最后的植被逐漸恢復(fù)，至少還需要10a時(shí)間山體才能到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。但現(xiàn)階段仍有滑體處于活動(dòng)狀態(tài)，而且流域的地形條件在經(jīng)過洪水、泥石流的沖刷、下切后更有利于水動(dòng)力條件的形成和物源的起動(dòng)，可導(dǎo)致激發(fā)泥石流的臨界雨強(qiáng)降低，再次發(fā)生泥

17、石流的可能性仍然較大，仍然需要加強(qiáng)泥石流的工程防治、預(yù)警預(yù)報(bào)、危險(xiǎn)范圍分區(qū)等工作。4不同降雨頻率下張家坪泥石流沖出范圍張家坪流域面積為1.71km2，主溝長(zhǎng)度1.8km，平均縱坡降為317，且張家坪溝流域內(nèi)的物源量巨大，在這樣的地形條件下，其活動(dòng)性很強(qiáng)，極易爆發(fā)泥石流災(zāi)害事件。前文通過遙感影像結(jié)合GIS技術(shù)分析其物源的活動(dòng)性，在此條件下，利用DEM數(shù)據(jù)，運(yùn)用FLO-2D軟件模擬不同頻率條件下的泥石流沖出規(guī)模，到達(dá)高效的防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)。4.1FLO-2D的根本原理及參數(shù)選取FLO-2D是1988年OBrien提出的基于非牛頓流體模式及中央有限差分的數(shù)值模擬軟件。該軟件在洪水災(zāi)害管理、城市淹沒分析、

18、泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)性劃分等方面有廣泛應(yīng)用19-20。賈濤21等結(jié)合FLO-2D軟件和GIS技術(shù)以泥石流沖量進(jìn)行分區(qū)，建立泥石流堆積扇的危險(xiǎn)性分區(qū)模型。黃勛22等利用FLO-2D軟件構(gòu)建了一套適用于我國(guó)西南山地城鎮(zhèn)的泥石流定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的理論體系和技術(shù)流程。梁鴻熙23利用FLO-2D分析泥石流流動(dòng)及堆積特性與黏性系數(shù)和屈服應(yīng)力的關(guān)系。龔柯24等利用FLO-2D軟件模擬汶川縣綿虒鎮(zhèn)地區(qū)在P=2%條件下發(fā)生的泥石流，并構(gòu)建泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。常鳴等25已運(yùn)用FLO-2D軟件模擬汶川震區(qū)多條泥石流溝，其技術(shù)已非常成熟。開展數(shù)值模擬的主要參數(shù)有：泥石流流量、體積濃度CV、層流阻滯系數(shù)K、曼寧系數(shù)n等。采用雨

19、洪法計(jì)算出不同降雨頻率下的泥石流流量，其它參數(shù)可結(jié)合張家坪泥石流的實(shí)際情況進(jìn)行取值，見表2。4.2張家坪泥石流模擬沖出范圍根據(jù)參數(shù)得出不同降雨頻率下的模擬結(jié)果見圖3至圖5，不同降雨頻率下的沖出范圍見圖6。由模擬結(jié)果得：在降雨頻率為P=5%20年一遇的條件下，泥石流堆積扇面積0.73萬m2。泥石流沖出溝口進(jìn)入岷江，堆積扇平均堆積厚度1m左右，溝道堆積物大多處于溝道中下游。在降雨頻率為P=2%50年一遇的條件下，泥石流堆積扇面積1.52萬m2。泥石流沖入岷江，堆積扇平均堆積厚度在3m左右，溝道堆積物大多處于溝道中下游，溝道平均堆積厚度為2m左右。在降雨頻率為P=1%100年一遇的條件下，大量松散物

20、質(zhì)沖入岷江，擠壓河道，迫使水位抬高。堆積扇面積為2.29萬m2，平均堆積厚度45m。5結(jié)論本文通過多期遙感影像和DEM數(shù)據(jù)，開展物源解譯及活動(dòng)性評(píng)價(jià)工作，統(tǒng)計(jì)分析出張家坪溝泥石流基于不同活動(dòng)率條件下的物源演化結(jié)果，同時(shí)運(yùn)用FLO-2D軟件模擬在不同降雨頻率下的泥石流沖出范圍。1在不考慮持續(xù)性暴雨及地震等強(qiáng)大外動(dòng)力條件下，極高活動(dòng)率的崩滑體在2021-2021年間的面積逐漸減小，崩滑體的新增面積已經(jīng)降至最低，在未來將不會(huì)產(chǎn)生較多的新崩滑體，但老崩滑體的擴(kuò)大的可能性很高;高活動(dòng)率的崩滑體在2021-2021年間面積逐漸減小，預(yù)測(cè)至少需要5a會(huì)恢復(fù)至中度及以下狀態(tài);中等活動(dòng)率和低活動(dòng)率的崩滑體面積在

21、2021-2021年間面積逐漸增加;根據(jù)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)至少還需要10a時(shí)間山體才能到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)?，F(xiàn)階段仍有大局部崩滑體處于活動(dòng)狀態(tài)，再次發(fā)生泥石流的可能性仍然存在，需要加強(qiáng)張家坪泥石流的監(jiān)測(cè)預(yù)警工作。2運(yùn)用FLO-2D模擬張家坪泥石流不同降雨頻率下的沖出范圍及形成不同堵江程度。在降雨頻率為P=5%20年一遇、2%50年一遇、1%100年一遇的條件下，泥石流沖出范圍分別為0.73萬m2、1.52萬m2、2.29萬m2，平均堆積厚度分別為1m、3m、45m，存在不同程度的堵江現(xiàn)象，仍需對(duì)張家坪泥石流開展長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)工作。參考文獻(xiàn)References：【1】陳曉清，李智廣，崔鵬，等.5.12汶川地震重災(zāi)區(qū)

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