浅层滑坡诱发沟谷型泥石流快速识别方法研究

陈 文 鸿，余 斌，柳 侃，叶 龙 珍，马 煜

(1.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； 2.自然资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室，福建 福州 350002)

0 引 言

泥石流作为中国主要灾害类型，其暴发通常具有典型的链式灾害特征[1]。基于地貌的新分类方案，可以将泥石流划分为坡面型泥石流、冲沟型泥石流和沟谷型泥石流3类[2]。浅层滑坡诱发的沟谷型泥石流主要分布在中国的东部沿海地区，如辽宁省、浙江省、福建省和台湾山区，在中国西部有时也会有这类泥石流发生[3]。福建省大多数泥石流的形成机理是在降雨过程中，多个山坡发生浅层滑坡并堆积在沟道中，山洪起动这些堆积物源形成泥石流。

做好这类泥石流的识别，对减轻灾害具有重大意义。国内外对泥石流识别主要有以下几种方法：① 通过早期泥石流堆积区等特征的野外调查进行识别，虽然识别的准确率较高，但投入的人力物力成本比较大，并且不利于大范围内的泥石流识别[4]。② 基于遥感和GIS技术，通过相关目视解译标志进行泥石流的有效识别[5-6]。③ 从早期泥石流流域的地貌、构造、流域面积、形状系数比、松散物源面积等参数出发，通过统计学理论构建判别模型进行识别。例如：梁健坤[7]根据地貌信息熵理论，对鄂豫陕交界区的主要公路沿线的沟谷信息进行了提取，得到相应地貌信息熵值以及危险程度划分标准，进行了沟谷危险程度的划分，并综合考虑了地貌信息熵值与新构造应力场的共同作用效应，实现了双因子条件下的泥石流沟的地貌学识别；王伟等[8]基于环境要素编码的泥石流沟道危险度快速识别方法，将影响灾害记录比较完全的泥石流沟道危害程度的多个环境变量信息赋予特定的泥石流沟道，快速确定其余泥石流沟道危害程度；胡至华等[9]利用次声特征指标无接触识别了泥石流类型；倪化勇[2]基于地貌特征提出可以结合斜坡地貌与沟谷侵蚀演化过程，将泥石流划分为坡面型泥石流、冲沟型泥石流和沟谷型泥石流。

相对于沟谷型泥石流危险性评价丰富的研究成果，目前对浅层滑坡诱发的沟谷型泥石流的研究成果较少，其中对于这类泥石流的识别研究更是寥寥无几。本文在余斌等[10]提出地形条件(T=S(A/A0)0.2J0.3)的计算方法基础上，提出了潜在浅层滑坡诱发沟谷型泥石流的快速识别方法，可以有效弥补泥石流危险性研究中的部分不足，对快速识别泥石流危险度和制定泥石流灾害防治对策具有参考价值。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

福建省位于北纬24°～28°的低纬度区，气候温暖潮湿，雨量丰富。全省年降雨量一般900～2 200 mm，且多集中在7～9月。地貌以山地丘陵为主，省内河流侵蚀作用强烈，地形起伏显著，斜坡坡度大，为斜坡灾害的发生提供了极为有利的条件，每年都有许多地质灾害发生[11]。福建省的沟谷型泥石流主要在降雨作用下，形成大量的浅层滑坡并堆积在沟道内，在后续的降雨及山洪冲刷下形成沟谷型泥石流。

1.2 实验数据

1.2.1遥感数据

利用1∶10 000数字高程模型提取居住区附近沟谷型泥石流发生的相关沟谷、河网水系、坡度等信息图层，重点提取沟谷的平均纵比降、有效集水区面积、有效集水区陡坡面积占比等信息。研究工作在福建省寿宁县、闽清县、福鼎县、安溪县、蒲城县、延平县、武平县7个县开展。根据已发生的沟谷型泥石流案例(见图1)(寿宁县和闽清县的沟谷型泥石流)和外业实地调查(明溪县、福鼎县、安溪县、蒲城县、延平县、武平县)构建易发性沟谷型泥石流识别模型。

图1 泥石流点位分布Fig.1 Distribution of debris flow

1.2.2泥石流沟编目数据

寿宁县和闽清县的泥石流流域是确认发生过泥石流灾害，其他区域的泥石流沟道是根据高易发性来定义。其中，福鼎县和安溪县的泥石流流域是基于野外调查与打分法判断泥石流的易发性，蒲城县的泥石流流域是根据现场调查和人为的定性判断泥石流的易发性，延平县的泥石流沟道是根据遥感解译与打分法判断泥石流的易发性，武平县的泥石流沟道是根据现场调查结合主观判断泥石流的易发性。

泥石流是一种携带有泥沙、石块、巨粒的混合流体，它的形成与地形地貌、气象水文、岩性、植被等因素极为密切。利用遥感影像，可以准确地观察到泥石流的形态及周围环境，并较好地对泥石流灾害进行解译和判识。冲沟型泥石流是在降雨的作用下，由朔源侵蚀、侧蚀、下切侵蚀产生物源，也存在由滑坡转化形成泥石流的可能。福建省主要发生的泥石流有两种类型，一种是冲沟型泥石流，另外一种是由浅层滑坡诱发的沟谷型泥石流。本次研究没有对坡面型泥石流提出识别模型，因此，基于斜坡地貌和沟谷地貌对坡面型泥石流的识别划分仍需要进一步研究。

泥石流流域信息编目获取方法如下：在获得泥石流易发性为极易发的流域后，采用人工目视解译的方法，通过三维地形图模型的预处理，结合Google Earth判断泥石流类型(即判断为沟谷型或冲沟型)。按泥石流发育的地貌地形特征将泥石流分为冲沟型泥石流、浅层滑坡诱发的沟谷型泥石流，如图2～3所示[2]。从泥石流发育地貌特征来看，冲沟型泥石流主要发生在斜坡的纹沟或切沟等处于幼年期的侵蚀沟道内。沟谷型泥石流发育的流域面积比较大，主沟较长，流域边界明显，沟床剖面与斜坡地形线不一致[2]。通过野外调查，保证目视解译结果的正确性。

图2 冲沟型泥石流Fig.2 Groove-type debris flow

图3 沟谷型泥石流Fig.3 Gully-type debris flow

2 沟谷型泥石流模型

2.1 模型建立

福建省大多数泥石流发生的流域沟道里比较干净，基本无物源，泥石流的物源主要是来源于两侧岸坡。福建省的沟谷型泥石流绝大多数为小型泥石流，对主河的影响较小、河沟基本无变化、基本不堵塞主河，并且福建省区域构造影响程度较小，小流域植被覆盖率很高，按照泥石流易发程度数量化综合评判等级标准的打分法评价泥石流沟的易发性，满分是130分(极易发)，通过以上的描述，按照最高的打分标准基本只能打47分，仅仅比最低的“轻度易发”标准高3分(43分以下为不易发)。因此，采用打分法判断泥石流沟的易发性，很有可能导致福建山区很多沟谷型泥石流流域误判为不易发沟道。采用西部地区沟谷型泥石流易发性判断的打分法，不适用于福建山区的沟谷型泥石流易发性评价。

本次研究采用的泥石流沟道数据，只有寿宁县和闽清县的泥石流沟道是确认发生过沟谷型泥石流的，其余区域的沟道是采用打分法来定性地评价泥石流的易发性。因此，模型建立是基于寿宁县和闽清县泥石流沟道数据(见表1和图4)，再结合泥石流类型的分类方法，运用已有的综合地形判别因子计算公式T=S(A/A0)0.2J0.3，对比分析冲沟型与沟谷型泥石流地形特征，从而建立快速识别浅层滑坡诱发的沟谷型泥石流模型。其中，T为地形因子(也可用来预警泥石流)，S为25°～45°坡度占流域面积比，A为流域面积(泥石流堆积区以上的面积)(km2)，A0=1 km2，J为流域的沟床纵比降[10]。

图4 寿宁县、闽清县泥石流分布Fig.4 Distribution of mudslides in Shouning County and Minqing County

表1 寿宁县、闽清县泥石流沟道参数Tab.1 Debris flow gully parameters in Shouning and Minqing counties

为了更好地识别沟谷型泥石流与冲沟型泥石流两者的区别关系，首先，分析两类泥石流的流域面积(A)、沟道纵比降(J)、两侧山坡25°～45°的面积占比(S)，见图5～8。

图5 寿宁县发生泥石流的沟道A～J关系Fig.5 A-J relationship of debris flow in Shouning County

图6 寿宁县发生泥石流的沟道S～T关系Fig.6 S-T relationship of debris flow in Shouning County

图7 闽清县发生泥石流的沟道A～J关系Fig.7 A-J relationship of debris flow in Minqing County

图8 闽清县发生泥石流的沟道S～T关系Fig.8 S-T relationship of debris flow in Minqing County

从图5、图7可以得出寿宁县、闽清县的沟谷型泥石流的流域面积(A)分别大于等于0.05 km2和0.03 km2，并且普遍大于冲沟型泥石流流域面积；寿宁县、闽清县的沟谷型泥石流的沟道纵比降(J)分别小于0.42 和0.38，并且普遍小于冲沟型泥石流的沟道纵比降。

从图6、图8可以得出寿宁县和闽清县的沟谷型泥石流的流域山坡占比(S)都小于冲沟型泥石流流域的山坡占比。寿宁县和闽清县的沟谷型泥石流的综合预警值T的范围分别为0.28～0.48和0.28～0.43。因此，当综合预警值(T)值大于0.28 的时候，两类泥石流都有可能发生。当综合预警值(T)大于等于0.43时，极易发生沟谷型泥石流。

为了提高判断模型的准确性，通过数字高程模型提取闽清县(4 560条)与寿宁县(3170条)的全部沟道，通过目视解译并区别两种类型(沟谷型和冲沟型)的泥石流沟道。其中，图9～10显示闽清县沟谷型的沟道有244条，冲沟型的沟道有4 316条。

图9 闽清县流域A-J关系Fig.9 A-J relationship of Minqing County watershed

图10 闽清县流域S-T关系Fig.10 S-T relationship of Minqing County watershed

从图9可以得出闽清县沟谷型泥石流沟道位于A≥0.03 km2，且J≤0.42范围内的有222条(占沟谷型沟道总数的91.0%)；A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.28 的有139条(占沟谷型沟道总数的56.9%)；A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.43的有35条(占沟谷型沟道总数的14.3%)。从图11～12可以得出寿宁县沟谷型泥石流沟道位于A≥0.03 km2，且J≤0.42范围内的有175条(占沟谷型沟道总数的99.4%)；A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.28的有161条(占沟谷型沟道总数的91.5%)；A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.43 的有38条(占沟谷型沟道总数的21.5%)。

图11 寿宁县流域A～J关系Fig.11 A-J relationship of Shouning County watershed

国内外对泥石流的流域面积和沟床纵比降的研究较多。其中，吴正堂[12]认为沟床坡度大于15°且集水区面积大于0.03 km2就可以发生非常严重的泥石流灾害，台湾中部地区，土石流的集水区面积大多分布在0.2～2.0 km2。山口伊佐夫[13]依据日本1967～1982年泥石流发生资料指出，最常发生泥石流的集水面积为0.3 km2，大致上集水区面积在2.0 km2以下最容易发生泥石流。

Takahashi[14]认为泥石流发生区的沟床纵比降在268‰以上，坡度268‰以上的集水区面积所汇集的雨水对泥石流发生有较大的作用。稀性泥石流和洪水的沟床平均纵比降界线大致在25‰～35‰[15]，也有学者认为通常泥石流沟主沟道平均纵比降为5%～25%，过小或过大均不能形成泥石流[16]。通过前人的研究，得出泥石流的有效集水区面积(有效集水区面积主要是指形成区，在台湾和日本的学者较为常用)范围为0.01～10 km2，纵比降的范围值为48.9‰～400‰。

本文中所提到的流域面积(A)是指堆积区以上的面积，导致比以上学者提到的有效集水区面积范围值大一些。同时，本文提到的纵比降(J)是代表堆积区以上区域的沟床纵比降，导致比以上学者提到的范围值小一些。因此，对福建省山区由浅层滑坡诱发的沟谷型泥石流的流域面积(A)划分在大于等于0.03 km2，并且对应的沟床纵比降(J)小于等于420‰的范围是合理的。

综上所述，沟谷型泥石流的易发性判断模型易发性分级为：A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.28，为易发沟谷型泥石流；当A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.43时，为极易发沟谷型泥石流；否则，为不易发沟谷型泥石流。

2.2 模型验证

通过寿宁和闽清两个县发生的泥石流沟道数据建立了沟谷型泥石流判断模型后(A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.28，为易发沟谷型泥石流；否则，为不易发沟谷型泥石流)，再把其余5个县的泥石流流域用于验证(见图13～14)，以证明模型的准确性。

图13 各县泥石流沟A～J的关系Fig.13 A-J relationship diagram of debris flow gullies in each county

从图13可以得出武平、安溪、福鼎、蒲城、延平县沟谷型泥石流的形成区面积(A)分别大于0.26，0.12，0.22，0.07，0.06 km2；武平、安溪、福鼎、蒲城、延平县沟谷型泥石流的纵比降(J)分别小于0.28，0.43，0.38，0.51，0.51。

用模型(A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.28，为易发沟谷型泥石流；否则，为不易发沟谷型泥石流)判断各县沟谷型泥石流，得到各县的覆盖率都在89%以上(见图14)，说明效果较好(见表2)。

图14 各县泥石流沟S～T关系Fig.14 S-T relationship diagram of debris flow gullies in each county

表2 用模型判断沟谷型泥石流的覆盖率Tab.2 Coverage of model-judged gully-type debris flow

由于各县判断沟道泥石流易发性的标准不统一，可能造成了覆盖率存在误差的问题。采用地形要素识别易发泥石流的沟谷，具有简单快速特点，满足宏观预警，也为今后实地调查这类型泥石流指明方向。但是并不代表此模型识别结果为极易发就一定会发生浅层滑坡诱发的沟谷型泥石流，该模型的优势是在于缩小潜在沟谷型泥石流流域的判断范围，不可能覆盖所有浅层滑坡诱发的沟谷型泥石流。

3 讨 论

沟谷型泥石流易发性判断模型是基于地形要素识别泥石流易发性沟谷，具有简单快速的特点，实现宏观预警，也为实地调查这种类型的泥石流指明了方向。但泥石流的发生不仅仅受地形控制，也受到地质条件、降雨的影响，目前以地形因素建立的沟谷型泥石流易发性判断模型的准确性还不够高，其判断的易发性沟谷型泥石流不代表实际发生沟谷型泥石流。除了地质条件的影响外，降雨因素对泥石流的发生有很大影响[17-18]：即使是根据地形判断为易发沟谷型泥石流的流域，没有较大降雨在该处发生，也不会有泥石流发生；根据地形判断为不易发沟谷型泥石流的流域，但在该处遭遇很大降雨，也可能会有泥石流发生。本文建立的沟谷型泥石流易发性判断模型，可以缩小潜在沟谷型泥石流流域的判断范围，但不能概括全部的泥石流发生(含将来)，可能有较多的判断为易发的沟谷型泥石流流域但实际上发生的可能性较低，这也是本模型的局限之处。

建模的数据是来源于寿宁县、闽清县两个区域共75条泥石流沟的数据(其中沟谷型泥石流共49条，冲沟型泥石流26条)，因其余县(蒲城、武平、安溪、福鼎、延平)的数据都是主要基于打分法判断泥石流的易发性，无法满足建模的要求，因此今后需要更多野外调查的泥石流数据(满足建模要求)，有利于完善和校核预警模型的精度。

4 结 论

(1) 寿宁和闽清两个县野外调查已经发生泥石流共有75条，其中沟谷型泥石流有49条，冲沟型泥石流26条，在此基础上建立了沟谷型泥石流易发性判断模型。沟谷型泥石流的易发性分级为A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.28，为易发沟谷型泥石流；A≥0.03 km2，J≤0.42，且T≥0.43，为极易发沟谷型泥石流；否则，为不易发沟谷型泥石流。

(2) 根据武平、福鼎、安溪、蒲城、延平等5个县的沟谷型泥石流易发性判断模型，绝大多数的沟谷型泥石流点都在模型的判断范围内，模型得到了很好验证。