基于光学遥感技术的冰崩隐患遥感调查及链式结构研究
——以西藏自治区藏东南地区为例

2022-03-24 10:07:08刘文王猛宋班余天彬黄细超江煜孙渝江

自然资源遥感 2022年1期

刘文，王猛，宋班，余天彬，黄细超，江煜，孙渝江

(四川省地质调查院(稀有稀土战略资源评价与利用四川省重点实验室)，成都 610081)

0 引言

冰崩灾害指在重力作用下，位于斜坡上的冰川发生断裂、崩塌、解体形成碎屑流或造成冰湖溃决洪水及堰塞湖溃决洪水等威胁人民生命财产安全的现象[1]。冰崩常发生在高山极高山区，地点偏远、人烟稀少、难以接近，遥感技术是进行冰崩研究不可或缺的手段之一。Sangewar[2]认为遥感技术彻底改变了目前与冰川/雪有关的研究设想，它可在最小时间框架内同时研究更大的区域，利用遥感技术可以研究冰川衰退模式、冰川运动记录、古冰川以及冰川诱发的灾害等，并列举了在印度查谟、喀什米尔、喜马偕尔、北阿坎德、锡金等地区的成功应用。在已发生的冰崩灾害方面，Leinss等[3]利用Landsat1—8、Sentinel-2，ASTER，WorldView等多种卫星影像，研究了塔吉克斯坦Petra Pervogo山脉1973—2019年间的冰崩事件，认为该地区冰崩主要有4个集中分布区，高温、软弱且细粒的沉积物可能是该区冰崩发生的关键因素； Gilbert等[4]利用气象数据、遥感影像和三维热力模型，重建了西藏阿里地区阿鲁错冰川崩塌前的热力学状态、冰川厚度以及崩塌时冰崩体的运动速度、基底剪切应力和冰崩的破坏性，并与2002年发生于高加索山脉科尔卡冰川冰崩事件进行对比分析，认为富含黏土和泥砂的冰碛物在阿鲁错冰崩和科尔卡冰崩中扮演着重要角色； Kääb等[5]认为这2处巨型低角度冰崩是在气候等外力作用下，气温升高导致冰体与下伏沉积物间的摩擦力不断减小，进而引发的大规模冰崩。在冰崩灾害应急方面，Wang等[6]以灾害应急条件下高效监测冰雪崩为出发点，提出了一种基于Sentinel卫星数据的积雪覆盖成图方法，该方法利用应急条件下获取的SAR图像和多光谱图像，挖掘Sentinel数据在雪盖制图领域的应用潜力，数据处理时间小于2 h，可以满足灾害应急监测要求。在冰崩隐患动态监测与预警方面，Margreth等[7]对阿尔卑斯山脉艾格尔峰西侧的悬冰川进行了遥感动态监测，在2015年悬冰川前部的正后方出现冰裂缝，认为是冰崩发生的前兆，潜在冰崩体达8 000 m3，威胁少女峰滑雪区及相关区域的生命财产安全，提出了监测预警等建议，为冰崩灾害的预防提供了基础资料。

青藏高原及周边地区平均海拔超过4 000 m，具有除南极、北极之外最大的冰储量，有“亚洲水塔”之称[8]。在全球变暖背景下，作为全球气候变化的敏感区，青藏高原冰川表现出状态失常，其中以藏东南地区冰量亏损及面积萎缩幅度最大，主要表现为冰川消融加速、冰川失稳等，受内外动力作用的共同影响，与冰川运动有着密切关系的冰崩灾害发生频率逐年上升[9]。近年来，青藏高原冰崩灾害受学者的广泛关注，研究成果主要集中在冰崩灾害的物质组成、运动特征、成因、类型划分等方面[1,10-11]，缺乏对冰崩灾害分布规律和链式结构的相关报道。本文以光学遥感技术为手段，在藏东南地区开展冰崩隐患遥感调查，分析总结冰崩隐患的基本特征和分布规律，讨论冰崩隐患的链式结构和动态变化趋势，以期为藏东南地区冰崩灾害的研究和防灾减灾工作提供基础资料。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

研究区属于喜马拉雅东构造结，地处欧亚板块与印度洋板块会聚、碰撞的核心部位，是青藏高原东南缘构造最复杂的地区。根据岩浆岩组合、火山-沉积建造、变质/变形作用、地质构造等区域地质资料，区内自南向北可划分出3个主要地质单元：高喜马拉雅变质体、雅鲁藏布江蛇绿混杂岩带以及拉萨地体[12]。东、西边界分别以右旋为主的墨脱—阿尼桥走滑断裂带和以左旋为主的东久—米林走滑断裂带为界。北边界由一系列NW向断裂组成，包括嘉黎断裂带、西兴拉断裂带、雅鲁藏布江缝合带以及巴青—类乌齐走滑断裂带等[13-14]。研究区断裂主要呈近EW向和近NS向展布，其次为NNE向、NE向、NW向，其断裂属性、规模、活动时间、活动强度具有明显差异。近EW向断裂一般规模较大，有些具深大断裂性质，多为逆冲、逆冲兼走滑断层，第四纪早期、中期仍有活动。近NS向、NNE向、NE向及NW向断裂单条规模一般不大，其中近NS向、NNE向、NE向断裂常集中分布，构成近NS向或NNE向的拉张、剪切断裂带，形成于第四纪初期，晚第四纪以来活动十分明显，总体呈现东强西弱、北强南弱的趋势。

1.2 数据源

研究区选用Landsat8、高分一号、高分二号、WorldView-2和无人机航摄等多源卫星数据，空间分辨率包括中高分辨率15 m，2.0 m，0.8 m，0.5 m和0.2 m(表1)。优选云覆盖<1%，雪覆盖<5%的卫星数据开展不同精度的解译工作。

表1 光学遥感数据一览表

2 研究方法

本文以已有资料为基础，通过实地观察典型冰崩灾害的特征，并与光学遥感影像对照，根据遥感影像上冰崩灾害的色调、形态、纹理、阴影等特征，建立遥感解译标志，开展研究区冰崩隐患的遥感初步解译。初步解译后，选取高位冰崩多发区开展野外踏勘，系统建立冰崩隐患解译标志，以此为基础开展冰崩隐患详细解译，并开展野外验证。本次遥感解译工作参照《地质灾害遥感调查技术规定》(DD2015—01)、《遥感地质解译方法指南》(DD2011—03)等技术标准，研究区冰崩隐患区域性光学遥感解译满足1∶50 000比例尺精度要求，典型点光学遥感解译满足1∶2 000比例尺精度要求。

冰崩隐患点遥感影像特征： ①在形态上潜在冰崩体呈舌形、长条形等形态，多位于冰川末端，冰川前端亦可见，地势较陡(图1C)； ②潜在冰崩体因冰川各部分运动速度不均匀形成有各种冰裂隙，影像上呈暗色纹理状，以横裂隙为主，侧裂隙和纵裂隙次之(图1D、表2)。已发生的冰崩灾害遥感影像特征： ①冰崩源区影像上呈浅灰色、暗棕色，地势较陡，下游冰崩碎屑物堆积区与周围岩体色调、地貌有明显差异(图1B)； ②冰崩源区影像上呈暗褐色调，地势较陡，冰崩灾害发生后碎屑流堵塞沟道，铲刮区与周围岩体在色调、纹理上有明显差异，局部形成堰塞湖(图1A)； ③冰崩源区影像上呈暗棕色，地势较陡，冰崩导致冰湖溃决，溃口与周围岩体在色调、纹理上有明显差异(表2)。

1.巨型冰崩隐患； 2.特大型冰崩隐患； 3.大型冰崩隐患； 4.研究区范围； 5.冰崩隐患集中分布区带； 6.分布区带编号

表2 冰崩隐患光学遥感解译标志一览表

3 结果与分析

3.1 冰崩灾害基本特征

本次共解译出冰崩隐患232处，高程分布在3 450～5 620 m之间，其中高程3 500～5 000 m有139处，>5 000 m有93处。前后缘高差分布在100～2 500 m之间，其中<500 m有90处，[500，1 000) m有83处，[1 000，2 000) m有54处，≥2 000 m有5处。从规模上来看，刘金花等[15]研究认为藏南卡鲁雄峰地区冰川平均厚度约30 m； Röthlisberger[16]提出冰崩的形成机理类似于山体滑坡，本次以30 m厚度估算潜在冰崩体的体积，以滑坡规模等级的标准划分冰崩隐患的规模，其中大型47处，特大型147处，巨型38处。从潜在冰崩体分布的地形特征来看，主要分布在“上陡下缓”的靠椅型地形中坡度较陡的斜坡处，多位于冰川末端，冰川前端也有发育，潜在冰崩体上常发育横向冰裂缝。

3.2 冰崩灾害空间分布规律

研究区冰崩隐患主要分布在冰川数量众多、素有冰川之乡的波密县114处，其次是嘉黎县40处、米林县31处、八宿县23处、巴宜区13处、边坝县9处、墨脱县2处。冰崩隐患的形成与地形地貌、冰川分布等条件关系密切，结合地质环境背景，在研究区划分为4个集中分布区、2个集中分布带(图1)。

3.2.1 冰崩灾害集中分布区

1)依嘎村集中分布区(Ⅰ)。位于研究区西部，总体呈近圆形展布，直径约28 km，识别出冰崩隐患40处，其中大型8处、特大型25处、巨型7处。冰崩隐患主要发育在洛穷弄沟、洛弄弄沟、衣布沟两侧的高山、极高山区。

2)鲁朗—派镇集中分布区(Ⅱ)。位于研究区中部，总体近NNW向展布，长约50 km，宽约30 km，识别出冰崩隐患36处，其中大型7处、特大型27处、巨型2处。冰崩隐患主要沿南迦巴瓦峰、加拉白垒峰等极高山的四周分布。

3)扎木镇集中分布区(Ⅲ)。位于研究区中东部，总体近NW向展布，长约57 km，宽约30 km，识别出冰崩隐患26处，其中大型4处、特大型16处、巨型6处。该集中分布区冰川十分发育，冰崩隐患主要发育在容错冰川、康削冰川、撒龙冰川等冰川的末端。

4)然乌镇集中分布区(Ⅳ)。位于研究区东部，总体近NE向展布，长约35 km，宽约20 km，识别出冰崩隐患45处，其中大型23处、特大型16处、巨型6处。冰崩隐患主要发育在然乌湖两侧的高山、极高山区，以米堆冰川、来古冰川等冰川为分布中心。

3.2.2 冰崩灾害集中分布带

1)易贡—古乡集中分布带(Ⅴ)。位于研究区中部，总体近NW向带状展布，长约100 km，宽约17 km，识别出冰崩隐患33处，其中大型4处、特大型26处、巨型3处。冰崩隐患主要发育在帕隆藏布、易贡藏布干流两侧的高山、极高山区，且右岸数量多于左岸。

2)玉许乡集中分布带(Ⅵ)。位于研究区中北部，总体近EW向带状展布，长约89 km，宽约15 km。共计冰崩隐患26处，其中特大型18处、巨型8处。冰崩隐患主要发育在帕隆藏布、易贡藏布支流的高山、极高山区，多位于冰川末端。

3.3 冰崩灾害链式结构

灾害链一般指原生灾害及其引起的一种或多种次生灾害所形成的灾害系列[17]。在藏东南地区，随着气温的逐年升高，冰雪加速消融，冰川不断退缩，冰湖数量增多、面积增大，冰碛物规模增大，导致冰崩及其次生灾害发生的概率增加，常以灾害链的形式成灾。本文基于光学遥感解译成果，根据冰崩隐患与其可能引起的次生灾害之间的时空关系，将藏东南冰崩灾害链分为以下3种类型： ①冰崩-冰湖溃决-泥石流灾害链，以格嘎沟、然则日阿错、金翁错、米堆沟为代表； ②冰崩-碎屑流-堰塞湖-洪水灾害链，以色东普沟、然乌湖口、尖母普曲为代表； ③冰崩-碎屑流灾害链，以则隆弄沟、柏隆隆巴为代表。

3.3.1 冰崩-冰湖溃决-泥石流灾害链

以冰崩为主要诱因的冰湖溃决是我国西藏自治区典型的地质灾害类型之一，具有突发性强、规模大、破坏力强和危害范围广等特点，往往造成下游地区遭受惨重的生命财产损失[18]，研究区冰崩-冰湖溃决-泥石流灾害链中比较容易发生溃决的冰湖为冰川终碛湖，其末端与冰舌的距离很近，冰崩体运动至冰湖中易形成涌浪，致使冰湖溃决，洪水与沟道中冰碛物、滑坡、崩塌、沟道堆积等物源相互作用最终形成泥石流。研究区此类型灾害链以格嘎沟、然则日阿错、金翁错和米堆沟为代表，现以米堆沟为例，应用光学遥感的手段分析该类型冰崩灾害链的链式结构与动态变化特征。

根据米堆沟光学卫星影像及数字高程模型，米堆沟沟口和沟中部分别是米堆冰川旅游集散地和米堆村所在地，以米堆村为界，米堆村以北沟深且狭窄，米堆村以南为典型的冰川U型谷，冰川发育。米堆沟流域面积约122.9 km2，沟口高程约3 600 m，最高点高程约6 335 m(位于流域正后方)，高差2 735 m，主沟两侧发育大小支沟近11条。米堆沟内发育潜在冰崩体6处，主要水动力条件及物源类型有冰湖15处、冰碛物3处、崩塌21处等(图2)。潜在冰崩体面积介于9.5×104～6.6×106m2之间，总面积约1.5×107m2，主要分布在米堆沟后部。潜在冰崩体前缘高程分布在4 030～5 350 m之间，后缘高程分布在5 100～6 040 m之间，前后缘高差分布在100～2 000 m之间，后缘距沟口高差分布在1 500～2 430 m之间。冰湖主要分布在冰碛物堆积体上，面积介于61～2.4×105m2之间，总面积约2.7×105m2，高程介于3 820～4 700 m之间。冰碛物总面积约5.0×106m2，主要分布在米堆冰川前缘的沟道内，沿主沟分布。崩塌成片分布，总面积约1.3×107m2，崩塌堆积体总面积约4.2×106m2，崩源区总面积约9.1×106m2，主要分布在主沟中前部左、右两岸的高陡斜坡处。

1.崩塌界线及主崩方向； 2.潜在冰崩体； 3.冰湖； 4.冰碛物； 5.流域界线

根据2001—2020年遥感数据，潜在冰崩体冰裂隙在2001—2020年间呈逐渐增多的趋势。图3为米堆冰川冰裂隙及冰湖多期遥感影像对比，图中红色箭头所指位置为冰裂隙，蓝色箭头所指位置为局部崩落体。在2001—2013年之间局部存在崩落现象(图3(a)—(b))，2014—2020年间冰裂隙在数量和规模的增长速度加快(图3(c)—(f))，原来的数条小裂隙已经贯通成大裂隙，增加了末端冰体的不稳定性。冰湖水体面积在2001—2020年间亦呈规律性变化，2001—2017年间呈逐渐增大的趋势，至2020年湖水面积增长显著，多个小冰湖已贯穿形成一个大冰湖(图3(g)—(l))。潜在冰崩体裂缝规模、冰湖水体面积的急剧增加，可能会导致冰川内部流动水不断增多、摩擦力不断减小，在重力作用下当冰川向下运动的驱动力大于静摩擦力时引发冰崩，形成冰崩-冰湖溃决-泥石流链式灾害，直接威胁米堆村、米堆冰川旅游集散地及国道318，若泥石流运动至米堆沟口堵塞帕隆藏布，必将形成更大的灾害链。

(d) 2015年2月7日区域A(e) 2017年12月12日区域A(f) 2020年10月31日区域A

(g) 2001年11月14日区域B(h) 2013年2月12日区域B(i) 2014年11月8日区域B

(j) 2015年2月7日区域B(k) 2017年12月12日区域B(l) 2020年10月31日区域B

3.3.2 冰崩-碎屑流-堰塞湖-洪水灾害链

此类灾害链的潜在冰崩体主要分布在雅鲁藏布江、帕隆藏布、易贡藏布两侧的高山、极高山区，潜在冰崩体失稳可向下高速运动，并铲刮沟道中崩塌、滑坡堆积体以及冰碛物等物源，进一步演化为碎屑流直达河道中，形成冰崩-碎屑流-堰塞湖-洪水灾害链，该类型灾害链为研究区主要的冰崩链式灾害，以色东普沟、然乌湖口和尖母普曲为代表，常具多发性。现以尖母普曲为例，应用光学遥感的手段分析该类型冰崩灾害链的链式结构与动态变化特征。

根据尖母普曲光学卫星影像及数字高程模型可知，尖母普曲流域面积约17.6 km2，沟口高程约3 600 m，最高点高程约5 550 m(位于流域右后方)，高差1 950 m，主沟两侧发育小支沟2条，沟口汇入帕隆藏布，沟口对岸为国道318和村庄。尖母普曲内发育潜在冰崩体3处，主要物源类型有崩塌9处、滑坡5处、沟道堆积5处(图4)。

1.崩塌界线及主崩方向； 2.滑坡界线及主滑方向； 3.潜在冰崩体； 4.沟道堆积； 5.流域界线； 6.早期泥石流扇； 7.晚期泥石流扇

潜在冰崩体面积介于9.7×104～1.4×106m2之间，总面积约1.7×106m2。潜在冰崩体主要分布在尖母普曲后部，前缘高程分布在3 820～4 685 m之间，后缘高程分布在4 600～5 240 m之间，前后缘高差分布在510～1 100 m之间，后缘距沟口高差分布在1 000～1 640 m之间。滑坡分布在沟道中部两侧斜坡上，总面积约2.9×105m2，滑坡源区总面积约2.3×105m2，滑坡堆积体总面积约6.5×104m2，部分堆积体伸入沟道已被冰雪融水带走。沟道堆积物总面积约1.3×106m2，主要分布在尖母普曲中部的沟道内、后缘的缓坡处，沿主沟分布。崩塌成片分布，总面积约7.9×105m2，崩源区总面积约5.7×105m2，崩塌堆积体总面积约2.2×105m2，分布在主沟中部右岸的高陡斜坡处。

根据尖母普曲2006—2019年间遥感数据，对尖母普曲潜在冰崩体、沟道物源、沟口扇形堆积进行对比分析。尖母普曲在2006年4月30日—2019年11月7日之间至少发生2次高位地质灾害。第一次为2006—2015年之间，该次高位地质灾害使尖母普曲沟道宽度由约50 m增宽至约65 m，同时形成大规模泥石流，堵塞帕隆藏布形成了堰塞湖，摧毁了沟口对岸的318国道和房屋，致使318国道改道，从遥感影像可知，该次高位地质灾害主要物源为冰崩体、崩塌、滑坡和沟道堆积物，冰川的加速融化可能是其主要水动力条件之一；第二次为2015—2019年之间，该次高位地质灾害使尖母普曲沟道宽度由约65 m增宽至约93 m，再次形成大规模泥石流，摧毁了沟对岸左侧帕隆藏布河流阶地的房屋和农田，该次高位地质灾害主要物源为第一次高位地质灾害物源区不稳定块体的进一步解体(图5)，图5(d)—(f)中红色箭头指示运动方向。

(d) 2006年4月30日区域B(e) 2015年7月25日区域B(f) 2019年11月7日区域B

多期光学遥感影像表明，近年来尖母普曲后缘冰川活动强烈，冰川融化速度加快，加之崩塌、滑坡、沟道堆积物等物源十分丰富，同时受西南季风影响，尖母普曲地区降水丰富且多暴雨，目前尖母普曲高位地质灾害处于欠稳定状态，可能发生冰崩-崩塌-泥石流-堰塞湖-洪水链式灾害，直接威胁318国道和沟口对岸村庄的生命财产安全。

3.3.3 冰崩-碎屑流(泥石流)灾害链

该类灾害链主要表现为潜在冰崩体脱离冰川迅速向下运动，解体并铲刮、浸润沟道冰碛物形成碎屑流，破坏沿途村庄、公共交通设施等，造成巨大的生命财产损失，以则隆弄沟和柏隆隆巴为代表。本文以则隆弄沟为例，应用光学遥感的手段分析该类型冰崩灾害链的链式结构与动态变化特征。

根据则隆弄沟光学卫星影像及数字高程模型，则隆弄沟流域面积约41 km2，沟口高程约2 850 m，最高点高程约7 780 m(位于流域正后方的南迦巴瓦峰)，高差4 930 m，主沟两侧发育大小支沟5条。则隆弄沟中后部呈“V”字形，2条冰川沟谷在海拔约4 000 m处相交汇，在地貌形态上形成三面环山、一面出口的斗状地形。沟内发育潜在冰崩体5处，以及呈带分布的冰碛物等主要物源类型(图6)。潜在冰崩体面积介于2.1×105～8.2×105m2之间，总面积约2.4×106m2，主要分布在则隆弄沟后部和左侧中部，潜在冰崩体前缘高程分布在4 500～4 720 m之间，后缘高程分布在5 080～5 610 m之间，前后缘高差分布在360～1 110 m之间，后缘距沟口高差分布在2 230～276 m之间。冰碛物总面积约5.2×106m2，分布在沟道中、后部，沿主沟及支沟分布。根据则隆弄沟2017—2020年间遥感数据，对则隆弄沟后缘冰碛物、沟口泥石流扇进行对比分析。海拔约4 000 m处为则隆弄沟高位地质灾害形成区与流通区的分界点，分界点以上地形较缓，在冰川融水作用下，冰碛物等物源沿冰川沟谷往下移动，在分界点处逐渐积累；分界点以下的流通区沟道中颜色一直较浅，说明冰碛物呈不稳定状态(图7(a)—(c))。在2017—2020年以前，则隆弄沟口泥石流扇面积呈逐渐减小趋势(图7(d)—(e))。2020年夏季，可能因潜在冰崩体的脱离并向下运动，一部分冰崩体因摩擦生热转化成为冰雪融水并浸润冰碛物，分界点附近的冰碛物发生蠕变开始下滑形成碎屑流(泥石流)(图7(c))。直白沟大桥附近地势逐渐开阔，碎屑流(泥石流)呈扇形分开直接冲击大桥左右桥墩，致使左岸桥墩错位约40 cm，并切穿老泥石流扇形成新的泥石流堆积扇(图7(f))，形成了冰崩-碎屑流(泥石流)灾害链，由于冰碛物等物源长期处于不稳定状态，该灾害链极有可能再次发生。