地形复杂的山区,强震往往会引发大量的滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害,对人类生命和生态环境都构成严重威胁。汶川地震是中国近代以来最具破坏性的地震,诱发了约50 000处崩塌、滑坡,形成的固体松散物总体积达52.5亿m³,覆盖了约35 000 km²的山地区域范围^[1-2]。震后,大量松散物质堆积在沟道或两岸陡峭岸坡上,为泥石流暴发提供了充足物源,同时降低了泥石流暴发雨量临界阈值,导致震后泥石流表现出高频率、大规模、危害强的特征^[3]。近年来,随着世界范围内的地震频发,如1999年台湾集集地震、2008年汶川地震、2010年海地地震、2017年九寨沟地震,人们开始关注震后灾害效应及其持续时间的问题,其中崩滑体物源及泥石流随时间的演化规律广泛被学者所关注。

汶川地震后,有学者研究指出震区地质灾害将以4～5 a为周期呈现出震荡式衰减,持续时间长达20～25 a,其中泥石流活跃期将至少持续10 a,之后地质条件将逐渐趋于稳定^[4-5]。而崩滑体作为震后泥石流活动的主要物源,其演化过程及特征对泥石流暴发规模及频率起着控制性的作用,因此众多学者已经关注到震区泥石流流域内崩滑体物源的变化情况,如有学者采用遥感影像解译分析和探讨了物源分布和变化特征,同时也有学者通过3期影像详细解译,由此探讨泥石流物源量演化规律^[6-7]。另外也有学者通过统计泥石流堆积扇相关特征参数,构建泥石流堆积方量计算模型,并总结归纳了泥石流堆积体演化规律^[8]。还有学者搜集震前、震后及暴雨后影像数据,分析指出暴雨后物源变化是由同震滑坡堆积体前缘扩张所致,同时对泥石流流域内新增崩滑体体积及流域内滑坡体进行调查和分析,由此探讨物源变化规律^[9]。以上研究成果对于揭示震后短期内泥石流物源演化特征及其与泥石流暴发频率和规模的关系等方面发挥了重要作用。但是其研究时间年限相对较短,难以对长期演化规律进行分析和预测。另外大部分学者仅通过统计物源数量和面积进行演化规律探讨,只能揭示物源随时间演化特征,无法对崩滑体物源空间变化特征进行分析。因此本文搜集震后近十年时间尺度的多期影像进行详细解译,并从多个关键控制因子入手探讨震后物源长期时空演变特征。

为探究震后强震区泥石流流域内崩滑体物源长期时空演化特征,本文搜集了2008年、2011年、2013年、2015年、2017年多期影像数据,并结合前人建立解译标志对泥石流流域内崩滑体物源进行详细解译。同时选择坡度、坡向、高程、距沟道距离4个地形因子,通过统计各因子分级范围内物源面积,由此探讨震后十年崩滑体物源时空演化特征。通过研究,本文重点关注以下3个方面:(1)崩滑体物源多年的时空变化规律;(2)崩滑体物源发育的优势地形条件;(3)崩滑体物源的时空分布与关键地形因子的关系。通过以上研究,对于进一步揭示震区泥石流流域崩滑体物源时空演化规律,丰富物源演化理论具有重要意义。

研究区位于四川省阿坝州汶川县映秀镇北部,覆盖岷江流域和龙溪河流域的部分区域,地理坐标范围约为北纬31°02'23.28″—31°07'51.08″,东经103°25'7.12″—103°33'57.89″(图1),海拔700～3 500 m。地形地貌上,研究区位于龙门山推覆体中段,四川盆地中部,系青藏高原第一级阶梯向四川盆地第二级阶梯的过渡带,受强烈褶皱断裂带控制。该区域构造侵蚀及河流切割作用强烈,流域形态基本呈现为“V”形谷,在这种临空条件发育的情况下,崩塌,滑坡频频发生,崩滑物源也随之增多,加剧了泥石流等地质灾害暴发的可能性。研究区位于亚热带湿润的季风气候区,属于川西多雨区域,年平均降雨量为1 253 mm,年最大降雨量可达1 688 mm。另外,映秀镇为汶川地震的震中,震中区域由于山地环境受破坏程度大、物源丰富、启动条件低,滑坡、泥石流等灾害活动呈现出高频性、高危险性的特征,为震后典型的研究对象,具有较强的代表性。因此本文选取映秀镇北部典型的14条沟(表1)作为研究区域进行特大地震后泥石流物源分布特征及演化规律研究,这对于防灾减灾及震区恢复建设都具有重要的作用。

表1 研究区泥石流流域地形特征

图1 研究区地理位置

为获取研究区多年崩滑体物源变化信息,本文选择了震后2008年、2011年、2013年、2015年及2017年5个时段的遥感影像,见表2。所获取的5期影像质量较好、云层遮盖少、分辨率与可用性都较高。对搜集的5期遥感影像进行图像增强、几何纠正等工作后,再对影像进行精确的配准,其中2008年由于收集的数据不完整,采取2组影像(2008年6月无人机航拍影像、2008年7月Spot5影像)相拼接。另外还收集到了等高距为10 m的等高线基础地形数据,将其绘制成高精度DEM与影像叠加,使得目视解译结果更为准确。

表2 遥感影像相关信息

震后关于崩滑体物源的空间分布特征,国内外学者在汶川震区、台湾集集震区等地都开展了大量相关研究。汶川地震属于逆冲断裂活动,这与1999年台湾7.5级集集地震和2005年克什米尔7.6级地震类似^[14]。综合众多研究可以发现,这3个震区内的崩滑体物源集中发育的坡向都是发震断层的逆冲方向^[15-17],可见这并不是某个震区的偶然现象,而是有迹可循的规律。并且通过研究发现,在台湾集集地震震区,震后崩滑体都集中分布在坡度为40°～50°的斜坡^[18],而在克什米尔地震震区则主要分布在25°～35°的斜坡^[15],同样,本文研究发现在汶川映秀强震区,五期统计结果在40°～45°的坡度区间都显示出了最大的崩滑体物源面积,而后随着坡度的增加逐渐下滑,并没有在最陡的斜坡上显示出最大的物源面积值,这与前人对崩滑体失稳的研究结论是相符合的^[11-12]。在高程上,克什米尔地震震区近一半的崩滑体物源分布在海拔1 000～1 500 m的地区^[15],而汶川映秀震区崩滑体的优势分布高程范围为1 400～2 000 m,且随着时间推移优势高程区间有向高海拔方向发展的演化趋势。导致这种差异的原因主要是地质环境、地形地貌等方面的差异,因此其他震区的研究成果并不完全适用于汶川震区,但可作为研究参考。并且这些研究只有单期或者短期的影像数据资料,无法揭示出震区物源随时间演化规律与地形因子的关系。为了更全面和更好的探究震区崩滑体分布特征和演化特征,本文选择了多个因子和近十年时间尺度影像进行解译分析由此探讨崩滑体物源时空演变特征。

但是,由于遥感影像获取的范围有限,本文只针对汶川震中进行了泥石流流域崩滑体物源发育分布规律及其演化趋势分析,也正因如此,所得出的结论更加贴近映秀震区的实际情况。研究结果是否适合北川、清平等其他片区,还需要在后期选择大范围、长时间尺度数据建立完整的汶川长时间序列崩滑体物源数据库,对比总结汶川三大片区的崩滑体物源演化规律、特点及各关键因子对崩滑体发育分布的控制作用的演变规律,进一步探索地质灾害长期演化规律。另外本文旨在探讨震后崩滑体时空变化特征,对崩滑体演化引起的泥石流暴发规模和频率呈现何种变化规律并没有探讨,同时受制于数据缺失,关于崩滑体演化控制因子及其贡献研究也未涉及,这些都将在后期研究中进一步加强。

(1)通过对典型泥石流流域的崩滑体物源2008—2017年五期遥感图像的解译分析,获得物源面积分别为15.32 km²,9.04 km²,7.66 km²,4.40 km²,3.63 km²,占研究区面积的比例分别为38.25%,22.58%,19.13%,10.99%,9.06%; 物源数量分别为1 797处、1 510处、1 245处、617处、602处,且研究区的物源面积以对数函数模式演化,预计于2030年前后物源面积降低到0.01 km²以下,基本恢复到震前水平。

(2)2008—2017年研究区崩滑体物源集中发育的高程区间逐渐由1 400～1 600 m转变为1 800～2 000 m,表明崩滑体物源发育的优势高程区间有向高海拔方向发展的演化趋势,且相对于高海拔地区,低海拔地区崩滑体物源的植被恢复速率更快。

(3)研究区多期崩滑体物源发育的优势坡度区间均为40°～45°,优势坡向为S,SE。优势坡向主要是受“背坡面效应”的控制,“背坡面效应”是指与发震断裂带近于垂直或者大角度相交的沟谷斜坡中,在地震波传播的背坡面一侧的地质灾害点发育密度明显大于迎坡面一侧,因此崩滑体物源的面密度也相对较大。且S,SE为向阳坡,降雨集中,崩滑体物源更易被降雨冲刷带到沟道成为沟道物源或冲出沟口,所以崩滑体物源的面积下降较快。

(4)随着距沟道距离的增加,其对崩滑体物源的控制作用逐渐减弱,直到距沟道距离为1 000～1 200 m时几乎衰减为零,且区域内暴发大规模泥石流事件后,距沟道距离对物源发育的控制作用也会发生较大波动。