震后滑坡地表时空演化过程与规律——以汶川地震滑坡银洞子滑坡为例

王礼勇， 杨宗佶， 付校龙， 刘世皓， 乔建平

(1.中国科学院、 水利部成都山地灾害与环境研究所， 成都 610041； 2.中国科学院大学， 北京 100049)

滑坡、泥石流是西南山区最常见的地质灾害现象，而其主要的触发因素为地震和降雨[1-2]。2008年5月12日四川汶川发生Ms8.0级特大地震，本次地震震级高、震源浅、破裂带长、持时长且地震动响应强烈[3]。汶川地震导致山体松动并形成大量的潜在滑坡和同震滑坡松散堆积体，据统计该地震共触发滑坡数量约为5.6×104[4-5]。汶川地震发生后，中外相关学者在地震诱发滑坡机制[6-7]、空间分布[8]、震后孕灾环境与滑坡的联系[9]、震后滑坡敏感性[10]、震区松散堆积体岩土特性[11]等方面展开了大量研究，为震区的恢复重建工作提供了必要的理论支撑。

然而，地震效应对边坡稳定性的影响是一个长期的过程。强震后震区滑坡、泥石流等地质灾害具有显著增强的趋势，强降雨频繁诱发的滑坡、泥石流灾害成为震区新的威胁[12]。中外学者对震后滑坡活动性展开了大量研究，日本关东Ms7.9级地震后，一些学者基于震后降雨滑坡大量实测数据的统计分析研究了震后滑坡的活动趋势和规律[13-14]；巴基斯坦KashmirMs7.6级地震后相关学者结合震后滑坡面积变化、时空分布规律探究了震区震后2年[15]、5年[16-17]地质灾害活动性；中国台湾集集Ms7.6级地震后，有学者分析1996—2008年期间降雨时间与震后滑坡活动强度变化规律，认为震后滑坡活动强度呈上升趋势[18-20]。针对“5·12”汶川地震，黄润秋[3]结合地震前后3年滑坡变化规律预测震后地质灾害活动性，认为震后地质灾害将持续20～25年；崔鹏等[21]预测震后5年为滑坡、泥石流的高发期，持续时间约10年；唐川等[22]对比分析日本关东地震和台湾集集地震震后滑坡、泥石流演化规律，预测汶川强震区近10年滑坡活动将持续活跃。目前针对汶川地震震后滑坡活动开展长期的研究还相对较少，特别是针对极震区震后滑坡时空演化的研究鲜有报道。本文对汶川地震银洞子滑坡体地表过程展开为期10年的研究，深入分析降雨激发条件下震后滑坡的时间变异和空间分布模式，预测地震滑坡堆积物再启动的失稳模式和活动频率，以期为震区震后地质灾害的防控提供参考。

1 研究区概括

研究区位于四川省都江堰白沙河左岸银洞子沟流域，属于汶川地震极震区，最高海拔2 050 m，最低海拔1 030 m,相对高差1 020 m，为典型的中山峡谷地貌。如图1所示，银洞子沟流域面积约2.2 km2，主沟长约2.5 km，沟壑宽约1 km，主沟平均纵坡降310‰。银洞子滑坡由“5·12”汶川地震激发，滑坡体整体呈圆弧形，后缘高程1 520 m，前缘高程1 352 m,相对高差168 m，滑坡面积约1.58×105m2,滑坡体积约5×105m3。研究区出露岩层主要为震旦系火山岩组的花岗岩、安山岩、闪长岩、凝灰岩及部分变质岩，以及第四系的松散碎石土。地震滑坡堆积体主要由砾石组成，结构松散，在震后降雨作用下常常失稳垮塌为泥石流发生提供了丰富的物源。震后滑坡泥石流的频繁活动对汶川震区的财产生命安全和重大工程建设、运营造成了重大影响[23-25]。

图1 银洞子沟流域全景图(日期：2014年5月26日)Fig.1 The image of Yindongzi gulley on May.26, 2014

2 方法

2.1 遥感影像解译

表1为研究中获取的银洞子滑坡震后10年遥感影像图信息。遥感影像解译数字化过程采用人工目视判读法。在高分辨率的遥感影像中，不同地物对应于不同的影像特征，如颜色、色调、相对位置、形状及纹理等，其可作为震后滑坡的解译标志[26]。根据颜色、色调、形状、相对位置以及纹理等几方面建立了的遥感解译标志，通过地理信秘系统(GIS)平台对所有影像进行解译并量化震后滑坡的面积变化。

表1 遥感影像数据信息

2.2 无人机影像处理

无人机航拍工作是在云层之下超低空环境中进行的，其突破了云层的限制和干扰，可弥补传统航空摄影无法获取理想影像的不足。基于无人机低空摄影技术获取了银洞子滑坡多期航拍照片，采用中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所自主研发的空三处理软件建立了正射影像模型。该处理方法采用基于共线方程的严格几何模型来正射校正无人机遥感图像[(式1)、式(2)]。共线方程校正法是在无人机遥感成像时的位置和姿态基础上进行模拟和解算的，计算中使用了飞行时同步记录的拍摄时刻的图像内、外方位元素。该方法理论严密且几何精度较高，可以消除外方位变化和地形起伏引起的各种图像变形，对地形起伏较大的山区影像校正具有显著的优越性。研究区同一地面点的重叠度越高，该处的精度就越高。正射校正了获取的每幅影像，并依据相同地物控制点对正射校正影像进行裁剪和最优化拼接。

x-x0=

(1)

y-y0=

(2)

式中：X、Y、Z是摄影中心在地面坐标系中的坐标；f是相机焦距；x0、y0是像主点影像坐标；aij(i=1,2,3;j=1，2，3)是三个方位角元素(φ，ω，κ)的旋转矩阵元素。

2.3 数字高程模型差分计算

滑坡地表过程在地形上表现为失稳区高程降低、堆积区高程升高。降雨激发条件下浅层滑坡的规模计算采用了ArcGIS软件中的3D Analyst工具的填挖方功能。为了获取更准确的浅层滑坡体积，减少计算误差，研究中根据正射影像确定了降雨激发下震后滑坡的具体范围，并采用震后滑坡发生前后的数字高程模型(DEM)差分计算浅层滑坡的体积。计算公式为

(3)

式(3)中：Ai为第i个子区域面积，为单个栅格像元面积与栅格像元个数的乘积；Hi为滑坡发生之前的高程；hi为滑坡之后的高程；n为计算中划分的子区域数量；V为滑坡体积，为正数表示该子区为滑坡区，为负数则代表堆积区。

3 震后滑坡地表过程时空演化规律

3.1 滑坡地表过程空间分布特征

图2展示了2008年银洞子地震滑坡的初始形态：滑坡堆积体整体堆积于银洞子沟，滑坡边界清晰且呈圆弧形。

图2 2008年5月31日地震后银洞子滑坡影像Fig.2 The image of Yindongzi landslide after the earthquake on May 31, 2008

图3显示了银洞子松散堆积体震后10年的地表全过程。2008年12月的影像图表明滑坡堆积体坡面已初步形成了三条侵蚀细沟，侵蚀细沟狭窄但基本贯通，总面积为11 072.1 m2[图3(a)]；侵蚀细沟在下切侵蚀作用下不断向两侧扩张，形成典型的拉槽侵蚀型泥石流物源。图3(b)表明堆积体坡面侵蚀拉槽明显扩张加深，面积为23 633.6 m2。2013年5月影像图显示滑坡堆积体Ⅱ号和Ⅲ号侵蚀拉槽进一步扩张加深，拉槽面积增至34 290.7 m2。同时，滑坡堆积体前缘发生3处小型浅层滑坡，总面积为2 143.2 m2[图3(c)]；图3(d)显示了2017年5月银洞子滑坡堆积体植被逐渐恢复，侵蚀拉槽面积为37 416.2 m2，堆积体前缘浅层滑坡面积为6 265.1 m2。2013年5月—2017年5月4年内坡面侵蚀拉槽面积增量相对较缓，面积增量为3 125.5 m2；前缘浅层滑坡逐渐扩张，增量为4 121.9 m2，占总增量56.9%。图3(e)、图3(f)显示坡面侵蚀拉槽趋于稳定，而前缘浅层滑坡不断向后扩展。根据2018年7月22日无人机获取的影像，侵蚀拉槽面积为37 613.4 m2，前缘浅层滑坡面积为13 946.2 m2。2017年5月28日—2018年7月22日期间失稳总面积增量为7 878.3 m2，而堆积体前缘浅层滑坡面积增量为7 681.1 m2,占失稳总面积增量97.5%，表明了震后滑坡失稳方式逐渐以前缘浅层滑坡为主。

图3 银洞子滑坡影像图Fig.3 Changes in the images of the Yindongzi landslide

研究中将震后滑坡方式按空间分布分为坡面侵蚀拉槽和前缘浅层滑坡，坡面侵蚀拉槽从下游至上游依次编号Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，堆积体前缘局部浅层滑坡从上至下依次编号No.1～No.6(图3)。基于震后10年多时相遥感影像解译，银洞子滑坡面积统计如图4所示，坡面侵蚀拉槽与前缘浅层滑坡活动性有明显的时间差异。侵蚀拉槽在震后5年内极度发育并趋于稳定状态，而堆积体前缘浅层滑坡发生于地震5年后(2013年)且具有逐渐增大的活动趋势。

图4 震后滑坡面积Fig.4 Area statistics of post-seismic landslides

图5 银洞子震后滑坡面积变化Fig.5 Variations in area of post-seismic landslides in the Yindongzi gulley

图5为银洞子滑坡的面积变化。结果表明，地震后5年震后滑坡总面积迅速增长，随后增长速率明显减小，目前失稳总面积仍保持增长趋势；失稳面积增量变化曲线呈振荡式递减型，总失稳面积变化增量最大峰值出现在2010—2013年期间，ΔS=12 800.2 m2，以坡面侵蚀拉槽为主；2014—2017年间滑坡面积增量较小，属平稳期；2017年之后失稳面积再次增长，以堆积体前缘浅层滑坡为主。

3.2 数字高程模型DEM

数字高程模型DEM是表示地形的三维向量有限序列，它是用一系列的X、Y方向上地形点的高程Z来表示地形。以滑坡堆积体前缘浅层滑坡区为研究对象，在ArcGIS空间分析平台上的挖填方功能中精确计算了2017年以来2次典型震后滑坡的空间分布(图6)。表2为震后滑坡高差栅格统计。结果表明，2017年“8·28”震后滑坡并转化为泥石流前后，滑坡区高程变化范围为-9.1～12.8 m，平均高差为4.3 m，其中高差0～5 m的栅格数占DEM总栅格的64.35%，验证了银洞子滑坡堆积体是以浅层滑坡为主；经实地调查此次泥石流总体积为7.8×104m3，DEM差分计算前缘浅层滑坡体积为71 853 m3，约占此次泥石流物源的92.1%。2018年“6·26”震后滑坡并转化为泥石流前后，滑坡区高程变化-3～15 m，平均高差为2.0 m，其中高差0～5 m的栅格数占DEM总栅格数的83.46%，表明堆积体失稳方式仍以浅层滑坡为主；DEM差分计算浅层滑坡总体积为44 176.7 m3，而泥石流堆积物总体积为5.0×104m3，约占此次泥石流的88.35%。

图7显示了前缘浅层滑坡区的坡度变化。结果表明浅层滑坡区坡度集中分布于30°～45°，分别占43.4%、41.5%、45.48%、39.97%(表3)。坡度大于45°的陡坡栅格数呈逐渐增加趋势，分别为12.3%、18.9%、18.67%、22.49%，根据坡度空间分布，陡坡(≥45°)主要分布在堆积体前缘的后缘(图7)。研究认为这是因为降雨激发条件下堆积体前缘失稳导致堆积体临空面增加，后缘坡度变陡，形成逐渐向后推移的牵引式滑坡破坏模式。

图6 震后滑坡DEM差分Fig.6 DEM difference results of post-earthquake landslides

表2 基于DEM差分计算的高差结果

图7 堆积体前缘浅层滑坡区的坡度分布Fig.7 Slope gradient variation of shallow failure at toe of slope

3.3 滑坡事件活动性及其规律

根据实地调查，银洞子滑坡并转化为泥石流灾害共计16次，均发生于雨季。其中14次发生在震后5年内，这与滑坡堆积体地表过程失稳面积变化基本吻合。研究中收集了16次事件的触发日降雨量，震后滑坡最小日降雨量为39 mm，最大日降雨量为224.4 mm(表4)。震后5年内银洞子震后滑坡平均触发日降雨量为87.2 mm。统计了震后10年触发日降雨量变化，并结合震后滑坡时空规律建立了触发日降雨量演化模型(图8)。震前该流域未发生滑坡泥石流，认为触发日降雨量趋于一个极大值，震后若同一年发生多次滑坡并转化为泥石流则取平均日降雨量。结果表明，震后5年触发日降雨量明显降低，随后触发日降雨量随时间振荡式递增，这与该流域震后滑坡面积增量曲线呈相反趋势。

表3 堆积体前缘浅层滑坡区坡度变化

图8 银洞子流域震后滑坡触发降雨量演化模型Fig.8 Daily rainfall evolution model that triggered landslidein the Yindongzi gulley

表4 银洞子沟滑坡并转化为泥石流事件

研究中分别于2010、2016、2017、2018年在滑坡堆积体前缘失稳区采取土样，并通过室内颗分实验分析震后滑坡物质运移过程中土体结构的演化模式。图9为该滑坡堆积体颗粒级配变化。2010年土样粒径小于2 mm的土体含量占39.4%,而2018年土样细颗粒含量减少到27.6%，同时粗颗粒土体含量从60.6%增加到72.4%(表5)。表明银洞子滑坡堆积体物质结构呈粗颗粒含量增多而细颗粒含量逐渐减少的粗化趋势。

图9 年土体颗粒级配曲线Fig.9 Particle distribution curves of deposits

表5 土体颗粒粒径统计

4 银洞子沟典型滑坡事件特征

2009年7月17日凌晨研究区开始降雨，降雨集中在凌晨3—6点，雨强达60～70 mm/h，日累计雨量为100.40 mm。在强降雨下银洞子边坡首次发生滑坡并转化为泥石流。根据实地调查，此次冲出的泥石流呈扇形堆积于沟口，部分泥石流越过公路沿河道冲入白沙河流域[图10(a)]。堆积面积约6.0×103m2，堆积总量达8.0×104m3。根据实地调查此次泥石流的主要物源为主沟松散堆积物和坡面侵蚀拉槽。

2013年7月8—10日期间研究区持续降雨，累计降雨量达522.4 mm，其中7月9日日累计降雨量达217.2 mm[图11(a)]。在降雨地表径流产生的强烈侵蚀作用下，坡面侵蚀拉槽向两侧不断扩张，形成典型的拉槽侵蚀型泥石流物源。泥石流堆积物在沟口处整体呈扇形堆积，少部分泥石流越过公路堆积于公路下方，堆积区面积约5×103m2,规模为5.0×104m3[图10(b)]。

图10 震后滑坡并转化为泥石流堆积于银洞子沟口Fig.10 The landslides and transformed into debris flows and accumulated at the mouth of Yindongzi gulley

图11 震后滑坡触发降雨量Fig.11 Rainfall threshold in three landslide events

2017年8月27日22点该流域开始降雨，日累计降雨量为213.3 mm[图11(b)]。此次强降雨导致了研究区发生滑坡并转化为泥石流。通过实地调查泥石流均堆积于公路上侧的沟口，堆积面积2.3×104m2，规模达7.8×104m3[图10(c)]。高精度遥感图显示滑坡堆积体前缘牵引式浅层滑坡为该次泥石流的主要物源。

2018年6月25日该流域持续降雨，小时降雨强度高达46 mm/h,日累计降雨量为224.4 mm[图11(c)]。降雨条件下地表径流沿堆积体侵蚀拉槽不断汇流，侵蚀拉槽不断向两侧扩张，同时主沟在洪水下切侵蚀作用下沟道加深、临空面增加、地形坡度进一步变陡。此次降雨导致研究区发生大规模浅层滑坡并转化为泥石流。如[图10(d)]所示，泥石流冲出沟口堆积于公路上侧，堆积面积1.7×104m2，堆积体积规模达5.0×104m3。

通过对四次典型滑坡并转化为泥石流灾害事件的失稳空间分布、规模以及触发降雨量等特征分析。结果表明，震后滑坡并转化为泥石流均发生于6—9月的雨季，失稳方式从坡面侵蚀拉槽过渡为前缘浅层滑坡，且滑坡规模逐渐减小，泥石流运输距离变短，而触发日降雨量呈逐渐增大的趋势。

5 结论

通过对汶川极震区典型地震滑坡堆积体地表过程展开为期10年的研究，取得的主要结论如下。

(1)提出了震后滑坡地表过程时空演化模式。银洞子滑坡堆积体震后滑坡地表过程：地震堆积体表面较松散土体流失→坡面侵蚀拉槽→堆积体前缘的牵引式浅层滑坡；震后滑坡活动频率呈震荡式衰减，震后5年为滑坡极度活跃期，随后进入3年的平稳期，目前仍处于不稳定阶段。

(2)通过基于无人机高空摄影建立的滑坡前后DEM对比差分，发现银洞子滑坡堆积体前缘陡坡(≥45°)保持增长趋势，降雨激发条件下震后滑坡将继续以牵引式浅层滑坡方式向后缘失稳垮塌，为该流域发生泥石流的提供主要物源。

(3)揭示了强震区滑坡堆积体物质运移过程中土体结构的演化模式。在滑坡并转化为泥石流物质运移过程中，堆积体土体细颗粒(≤2 mm)逐渐流失，其物质组成具有明显的粗化现象。

(4)初步建立了震后滑坡触发日降雨量演化模型。震区震后地质灾害敏感性明显增强，触发日降雨量在震后5年明显降低，随后保持不断增长趋势，并将逐渐恢复到震前水平。