汶川地震震中地区崩滑体的植被恢复与长期效应

王飞龙， 陈 明， 王晓迪， 丁 军， 张 皓

(1.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司， 四川 成都 610052；2.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 四川 成都 610059)

在全球范围内，地震一直以来被认为是山地地貌形成的重要驱动因子，也是诱发滑坡的主要因子之一，发生在山区的中至强级地震会触发成千上万的崩塌、滑坡。强震不仅引发大量的同震崩塌、滑坡，而且还会在震后很长时间内加剧斜坡的不稳定性。强震所造成的不仅仅是严重的人员伤亡、巨大的经济损失，更重要地是对震区山地环境的长期效应及一系列的二次灾害事件。近年来，在世界范围内，大量的地质灾害链被地震引发，例如1999年台湾集集地震、2010年海地地震、2013年芦山地震、2017年九寨沟地震[1-4]。发生在山地区域的大地震通常会造成大量崩塌、滑坡，对区域的植被覆盖和生长造成严重影响。对植被产生的负面影响可能持续多年，植被恢复经历动态变化。汶川地震造成了大面积的山体滑坡，剥离了很多植被。震后期间，崩滑体上植被开始恢复，并对减轻震后山地灾害发挥了重要作用[5-6]。同时，植被根系对土壤抗剪强度具有明显的增强作用[7-9]。恢复的植被也会改变坡面地表的水文特性。例如，恢复的植被冠层可以拦截降雨，减少滑坡表面的飞溅侵蚀。然而，在地震灾害研究中，地震后植被恢复对崩滑体活动减少的影响尚未得到充分认识[10]，因此研究震后植被的恢复可以有效的预测滑坡的活动发展趋势。

受地震后降水的干扰，这些松散堆积体和斜坡很容易被侵蚀运移，可能导致多年来泥沙输移量增加[11-13]。然而，地震后观测数据显示，地震后滑坡高活动期仅持续了1～4 a[6]。尽管存在大量可侵蚀的松散物质，但地震后斜坡的侵蚀量远远小于估计量[14]，引发该地区泥石流的降雨最小阈值在地震后开始逐渐增加，这意味着植被因素在地震后减缓地质灾害中发挥作用，崩滑体的植被恢复可能加强其自身稳定性；即使是早期演替植物(如草本植物)也可以减少滑坡发生浅层活动的可能性[8]。尽管影响滑坡植被恢复的因素很复杂，但恢复植被的存在至少表明松散沉积物和斜坡的瞬时稳定性，这种斜坡稳定性是植被恢复的先决条件。本文主要研究同震崩滑体上的植被覆盖度恢复变化，这里崩滑体指崩塌、滑坡等坡面物质。崩滑体植被恢复状况可以一定程度上反应其活动性，因此，研究崩滑体的植被恢复趋势对于震后滑坡泥石流活动的趋势预测具有关键性的作用。

1 研究区概况

本文主要选取汶川地震极震区同震崩塌、滑坡较多地区作为研究区域，进行特大地震后崩滑体植被覆盖度恢复特征研究。研究区域位于中国四川省汶川县映秀镇附近的汶川地震震中附近。映秀—北川断裂带属于龙门山断裂带，横穿研究区，形成了整个研究区的主要发震断层，地震烈度为Ⅺ级。上层为土壤覆盖层，下层是风化和高度破碎的岩石，大部分是火成岩(花岗岩、闪长岩)，但也存在变质岩和沉积岩(砂岩)，以及第四纪沉积物。地形主要是含高、中、低山斜坡地貌及岷江河谷地貌，具有较高的起伏度(约760～3 200 m)，地形坡度在0°～65°范围间，地震力引发了严重的崩塌、滑坡，其面积覆盖了研究区面积的39.47%。在过去的十年中，该地区经历了持续的山体滑坡、泥石流和山洪暴发。研究区主要包括红椿沟、烧房沟、映秀磨子沟、瓦司沟、豆芽坪沟、麻羊店沟6条泥石流流域，流域面积共17.96 km2，流域面积分布在0.61～5.52 km2之间，泥石流主沟长度在1.76～4.03 km之间。

研究区属亚热带湿润气候，根据1998—2010年记录数据，年平均气温13 ℃，年平均降水量为1 134 mm，6—9月的降雨约占全年的70%，其中8月份降水量最大，月平均最大降水量为289.9 mm；研究区水系发育，岷江是长江上游的一条支流，由北向南穿过映秀，河谷深切，水流湍急，年平均流量452 m3/s。

2 数据来源及方法

基于Landsat影像质量情况，在备选遥感影像集合中，本文基于研究区选择200704，200806，201103，201305，201503，201704共6期Landsat影像数据作为计算植被覆盖度及评价分析数据源。本文的研究对象主要是同震崩滑体，由于计算植被恢复率需以“5·12”汶川地震时间接近的影像为基准，该期影像主要被用于识别同震崩滑体区域植被覆盖指数，由于滑坡体区域基本处于裸露状态，故该期的时间节点不会对数据分析造成影响。考虑到山地植物生长季候明显，因此其余影像年份均选于相近季节月份。基于以上数据利用Erdas软件结合DEM数据和河流水系图对确定的遥感影像进行几何精校正和配准，对所用Landsat影像数据进行辐射定标、FLAASH大气校正、研究区边界裁切等预处理，提取研究区多期NDVI植被数据，并结合震后解译的同震崩滑体，利用公式(1)计算崩滑体的植被恢复率。

(1)

式中：VRR表示植被恢复率(vegetation recovery rate， VRR)，NDVIT表示地震年后某一年的植被指数，NDVIPost表示地震后(2008年)植被指数，NDVIPre表示地震前(2007年)植被指数。

基于解译的汶川震后同震滑坡(见图1)，由于典型研究区的2007年的影像数据的局限性，提取的NDVI左上角出现异常，因此将这部分同震崩滑体剔除，以流域内的其余强震崩滑体为对象研究坡体上的植被恢复情况。根据许积层等[15]对震后植被恢复率的相关研究，根据研究区植被的实际恢复情况，将植被恢复率(VRR)划分为4级:极差(VRR<0)，差(0100%)。

图1 四川省汶川县映秀镇同震崩滑体解译结果

3 崩滑体植被恢复趋势与特征

3.1 时间尺度上植被恢复变化趋势

研究区典型泥石流流域崩滑体植被恢复率分布如图2所示，由图2可见震后3 a，崩滑体的活动性仍较高，植被恢复较差，2011年植被恢复水平在差以下的面积为438.93 hm2，占整体的比值为68%， 2013年后大部分处于中等恢复以上，恢复较差的比例虽随时间有减少趋势，但仍然占比20%～30%之间。从图3中各个等级植被恢复率所占面积比例变化可知，在研究区范围内，2011年植被恢复中等程度以上仅32%，其中良好仅有7%，表明2008—2011期间，滑坡泥石流活动频率较高，缺少植被恢复的稳定条件，2013年相较于2011年植被有了较大程度上的恢复，中等程度以上占68%，其中良好就占了29%，约1/3的崩滑体恢复较差，表明2011—2013年期间滑坡泥石流的活动性有所降低。2015年恢复较差占29%，2017年恢复较差占21%，可以看出2013年以后植被恢复率的变化不显著，表明至2013年植被大部分崩滑体就已达到较好的恢复水平了，2013年后处于一个缓慢的恢复水平，植被恢复率无较大变异性，滑坡泥石流活动减弱趋于平稳。汶川震后研究区植被覆盖度恢复总体较好，表现为极差、差的植被恢复比例减少，中等、良好植被恢复面积增加。

图2 映秀镇多时相崩滑体坡体植被恢复率等级变化

图3 映秀镇多时相崩滑体植被恢复率等级变化

由图4可知，研究区汶川地震后前期植被恢复速率较快，至2013后恢复速率减慢。从2013—2017年，NDVI的年平均恢复速率为0.02/a，根据拟合模型预计2022年NDVI可以恢复到0.817，接近于震前水平，表明研究区震后受损植被的恢复期约为15 a，杨文涛等[16-17]根据地震后8 a的植被恢复情况，估计地震后崩滑体活动将在20 a内恢复到地震前的状态，这与本文得到的结论存在差异，可能是由于数据和提取方法上存在差异造成的。由于本文主要是以NDVI为标准，只能反映植被覆盖度的变化，因此研究区震后植被恢复从种群结构上来看需要更长的时间才能恢复到震前水平。

图4 四川省汶川县映秀镇崩滑体植被恢复趋势

3.2 植被恢复空间分布特征

进一步分析植被恢复率在空间上的分布，统计最近一期2017年植被恢复等级在坡度、高程、坡向不同分级区间的各恢复等级的面积(见图5)。从图5可知，就坡度而言，各坡度区间基本都以中等及以上恢复水平为主，表明至2017年研究区坡体植被已经达到一个良好的水平，30°～50°的坡度区间内差等以下与中等以上均为最多，这是由于同震滑坡主要分布在该区间的控制影响。从高程而言，植被恢复率为差等的植被主要分布在1 500～2 100 m高程区间内，总的来看，随着海拔的增高，差、极差等级的比例逐渐增加，表明高海拔植被恢复较慢，这是由于高海拔区域重力势能较大，崩滑体易失稳活动；在9 00～1 200 m的低海拔区域出现异常，可能是由于公路建设、人工开挖所导致植被受损。就坡向而言，各坡向以中等以上的恢复等级为主，其所占比例均大于50%,恢复较差的主要在E，SE，S坡向。表明SE向崩滑体活动敏感性高，NW向崩滑体活动敏感性低，这与汶川地震波传播方向、断层走向、断层逆冲运动、山脉走向等因素都有内在联系，同时东南坡向为阳坡，降雨集中，崩滑体易失稳，植被恢复环境较差。

图5 四川省汶川县映秀镇植被恢复等级与地形因子评估

4 结 论

汶川震后同震滑坡体上植被恢复的长期变化过程，以及针对造成这类变化的控制因子的研究成果相对缺乏，针对上述问题，本文以长时间序列NDVI数据为基础，在统计分析震后多时序滑坡体植被恢复特征及变化趋势的基础上获得震后长时期山地环境恢复规律。

(1) 通过2011,2013,2015,2017年的植被恢复率变化分析，可知震后3 a，崩滑体的活动性仍较高，植被恢复较差，差等以下比例68%，2013年后大部分处于中等恢复以上，恢复较差的比例虽随时间有减少趋势，但仍然在20%～30%之间，至2017年，研究区坡体植被恢复已经达到较好的恢复水平。

(2) 汶川地震后前期植被恢复速率较快，2008—2013年间平均恢复速率为0.06 /a，至2013后恢复速率减慢。从2013—2017年NDVI的年平均恢复速率为0.02 /a根据拟合模型预计2022年可以恢复到震前水平，表明研究区震后受损植被的恢复期约为15 a。

(3) 至2017年，研究区坡体植被已经达到一个良好的水平，植被恢复差等以下的仍主要处于30°～50°的坡度区间，1 500～2 100 m高程区间，E，SE，E坡向。

植被恢复虽然从一定程度上反映崩滑体活动强度趋势，但只是山地环境恢复的表观现象，并不能完全代表坡体内部自身稳定程度，这是仅通过空中遥感监测手段的不足，在之后的研究中应该更多地结合地面物理试验手段去研究滑坡体岩土强度的恢复变化，以达到对震后灾害活动发育预测的准确性。