国道219沿线崩滑地质灾害隐患遥感调查及发育分布规律

刘 文, 王 猛, 王 朋, 罗 锋, 何志杰, 余天彬

(1. 四川省综合地质调查研究所(稀有稀土战略资源评价与利用四川省重点实验室),四川 成都 610081;2. 中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西 西安 710043)

0 引言

遥感技术在我国地质灾害调查中的应用可以追溯到20世纪80年代末期,与传统的地质灾害观测手段相比,遥感技术具有大范围、长时间、高时效、立体监测等优点[1]。目前,遥感技术已从单一的光学成像发展到多频段、多参数的对地观测[2],光学遥感技术、合成孔径雷达(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)干涉测量技术运用于崩滑地质灾害的研究成果丰硕,对本次研究工作的开展具有重要的借鉴意义。在基于光学遥感技术的崩滑地质灾害遥感调查方面,王治华[3]较早地采用光学遥感技术调查了二滩水电站库区的孕灾地质环境背景和崩滑地质灾害的分布特征; 邓辉等[4]以Quickbird-2卫星影像为数据源,调查了白依庵滑坡并提取了滑坡各要素,提出利用高分辨率卫星遥感数据进行滑坡研究具有一定的优越性; 殷跃平等[5]利用汶川地震前后的多期卫星影像,研究了大光包滑坡的滑坡分区、滑面形态、剪出口位置和滑坡体体积。近年来,无人机航空摄影测量技术在地质灾害领域同样得到广泛应用。彭双麒等[6]利用无人机航拍数据生成的数字地表模型(digital surface model,DSM)研究了崩塌堆积物粒度分布与崩塌运动特性的关系; 李小玲等[7]利用无人机遥感技术探讨了在高山峡谷区利用无人机遥感获取高分辨率影像、构建数字高程模型(digital elevation model,DEM)和DSM的关键技术方法。在基于地表形变InSAR技术的崩滑地质灾害隐患遥感调查方面,Ye等[8]较早地将InSAR技术应用于三峡库区的滑坡识别、调查和监测工作中,并开展了长期的应用研究,为国内InSAR技术在地质灾害领域的应用提供了参考。近年来,随着全球气候变暖,地质灾害频发,使得基于地表形变InSAR技术的崩滑地质灾害研究发展迅速,并得到了广泛运用。Chen等[9]利用永久散射体合成孔径雷达(persistent scatterer interferomethic sgnthetic aperture radar,PS-InSAR)干涉测量技术生成的DEM估算了大光包滑坡的堆积体方量; Sun等[10]提出了一种基于多项式的差分干涉图大气和轨道误差改正算法,获取了2010年舟曲泥石流灾害发生前崩滑物源的时间变形序列; 张毅[11]基于InSAR技术开展了白龙江流域滑坡隐患早期识别工作,建立了基于InSAR技术的滑坡隐患早期识别和评价方法体系; 张亚迪等[12]采用小基线集合成孔径雷达(small baselines subset interferomethic sgnthetic aperture radar,SBAS-InSAR)干涉测量技术在西藏芒康地区开展了滑坡隐患的调查,获得了滑坡隐患的空间分布位置和时间演化规律; 梁京涛,唐尧等[13-14]总结了InSAR、光学遥感、机载(light laser detection and ranging,LiDAR)等多源遥感技术在西南山区地质灾害早期识别领域的适用条件、优势及有效性,提出了相应的应用建议。

国道219北起塔里木盆地南缘新疆喀什地区叶城县,南至西藏日喀则市拉孜县,途经新疆、西藏两个自治区,南北跨度大。目前,针对国道219沿线崩滑地质灾害隐患的研究成果很少,在资料搜集和野外调查的基础上,初步讨论了崩滑地质灾害隐患的类型与危害程度[15-16],但对崩滑地质灾害隐患的区域性发育分布规律有待进一步深入研究。本文基于遥感技术视域广、空间分辨率高、信息量丰富的优势开展国道219沿线崩滑地质灾害隐患的光学遥感调查,旨在提高对国道219沿线崩滑地质灾害隐患发育特征和分布规律的认识,为国道219沿线崩滑地质灾害防治与重大工程建设规划提供参考依据。

1 研究区概况

国道219沿线地貌形态受青藏高原隆升的影响,总体地势呈北部低中南部高的特点,最高点位于中部的昆仑山地区。沿线自南向北经过的地貌单元有拉轨岗日高山区、噶尔藏布宽谷区、冈底斯中高山区、羌塘高原区、昆仑山高山区、塔里木盆地山前冲洪积平原区,地貌单元界线大致与构造单元边界一致(图1)。在地貌上表现为三级夷平面,海拔分别大致为5 400 m、5 000 m、4 600 m,夷平面平缓开阔,而夷平面之间的斜坡过渡带,地形陡峻,存在着不同类型和规模的地质灾害。

F1.仲巴—拉孜—邛多江断裂; F2.噶尔藏布断裂; F3.达吉岭—昂仁—仁布断裂; F4.噶尔—古昌—吴如错断裂; F5.日土—改则—丁青断裂; F6.班公湖—康托—兹格塘错断裂; F7.卡拉其吉—铁隆滩断裂; F8.康西瓦断裂; F9.哈拉斯坦河—吐日苏河断裂; F10.阿喀孜—博斯坦断裂图1 国道219沿线崩滑隐患分布Fig.1 Collapse and landslide geohazard potentials distribution along National Highway 219

根据青藏高原基础地质调查和综合研究成果[17],研究区涉及塔里木地层大区、祁—昆地层大区、羌塘—三江地层大区、班公湖—双湖—怒江—昌宁构造地层大区、冈底斯—喜马拉雅地层大区5个一级地层分区。地层自新生界至元古界均有分布,岩性包括沉积岩、变质岩及岩浆岩等各种岩类。考虑岩石性质、硬度、结构等因素,在研究区划分出5种岩(土)体类型、13个工程地质岩组(表1)。

表1 研究区工程地质岩组划分Tab.1 Classification of engineering geological rock group in the study area

大地构造位置上属特提斯构造域范畴,地跨5个一级构造单元,自北向南依次为塔里木陆块区、秦祁昆造山系、羌塘三江造山系、班公湖—怒江—昌宁—孟连对接带、冈底斯—喜马拉雅造山系,可划分出7个二级构造单元,即塔里木陆块、西昆仑弧盆系、北羌塘陆块、南羌塘增生弧盆系、冈底斯弧盆系、雅鲁藏布江结合带、喜马拉雅地块(图1)。总体上呈近EW向与NW—SE向展布,这些构造单元直接控制着本区沉积建造、岩浆活动、变质作用、褶皱和断裂构造活动。自新生代以来,印度板块与欧亚板块的碰撞导致青藏高原隆升,新构造运动十分活跃,高原的隆起具有空间上大范围的整体性、局部的差异性和时间上明显的阶段性等特点[17]。

2 数据源

本次研究收集的资料主要包括青藏高原及邻区1∶150万大地构造图与高分一号、高分二号、WorldView-2光学卫星数据等。其中,高分一号空间分辨率为全色2 m、多光谱8 m,高分二号空间分辨率为全色0.8 m、多光谱3.2 m,WorldView-2空间分辨率为全色0.46 m、多光谱1.84 m。所选用的光学卫星数据云雪覆盖率≤5%、影像清晰、反差适中、色调(色彩)层次丰富,完全能满足本次研究工作的需要。收集的数据采用2 000国家大地坐标系、高斯-克吕格投影为匹配基准,进行坐标系投影变换,将区域地质、光学遥感数据统一到同一平台,建立研究数据库。

3 地质灾害隐患遥感解译

研究区选择高分一号光学卫星遥感数据作为主要遥感信息源,以高分二号、WorldView-2光学卫星遥感数据为补充,首先,通过分析研究区典型崩塌、滑坡地质灾害隐患在遥感影像上的色调、形态、纹理、阴影等特征,建立遥感解译标志,开展研究区崩滑地质灾害隐患的遥感初步解译。之后,选取崩滑地质灾害隐患密集区开展野外验证,并完善崩滑地质灾害隐患的遥感解译标志,开展研究区崩滑地质灾害的补充解译。

根据滑坡隐患的变形标志、平面形态、地貌形态(图2(a),(b))等要素建立研究区滑坡隐患光学遥感直接解译标志,根据滑坡隐患的物质组成(图2(c),(d))、临空条件等要素建立滑坡隐患光学遥感间接解译标志(表2)。根据物质组成,研究区滑坡隐患可分为两种类型: 第一类为沿优势结构面如层理、大型节理、断层等形成的岩质滑坡隐患,由于存在着各种软弱面,容易产生滑动或错动; 第二类为土质滑坡隐患,由于堆积层前缘形成高陡临空面,在降雨、冰雪融水及其他因素的长期作用下,堆积层失稳形成滑动。

表2 研究区滑坡隐患光学遥感解译标志Tab.2 Optical remote sensing interpretation signs of landslide potentials in the study area

(a) 弧形拉裂缝影像特征 (b) 弧形滑坡壁影像特征 (c) 岩质滑坡隐患台阶影像特征

研究区崩塌隐患根据物质组成确定为岩质崩塌隐患(图2(e),(f),(g),(h),(i)),其危岩体常位于地形陡峻、植被稀疏、风化严重的山脊,岩体整体较破碎,堆积体常位于斜坡中下部,呈面状或扇形堆积,根据影像特征分别建立崩塌危岩体和堆积体的光学遥感直接解译标志(表3)。

表3 研究区崩塌隐患光学遥感解译标志Tab.3 Optical remote sensing interpretation sign of collapse potentials in the study area

4 结果分析

4.1 地质灾害隐患基本特征

研究区解译崩滑地质灾害隐患共126处,其中崩塌隐患81处,占隐患总数的64.3%,滑坡隐患45处,占隐患总数的35.7%(图1,表4)。

表4 研究区崩滑隐患发育特征Tab.4 Development characteristics of collapse-landslide potentials in the study area

滑坡隐患前缘通常高于沟底,在强震、强降雨、冰雪融水等诱发因素下可能大规模滑动,后缘与前缘的高差分布在28～711 m之间,其中<100 m 有9处,[100,200) m有16处,[200,300) m有8处,[300,400) m有4处,≥400 m有8处。岩质滑坡平面形态呈簸箕形(13处)、舌形(7处)、长椅形(1处)、牛角形(3处)、椭圆形(4处)、倒梨形(3处)、平行四边形(1处)、三角形(2处)和哑铃形(5处),发育滑坡壁、拉裂缝、崩滑破坏等变形标志; 土质滑坡平面形态呈牛角形(1处)、椭圆形(2处)、簸箕形(2处)、菱形(1处),发育滑坡壁、拉裂缝等变形标志。

崩塌危岩体基岩裸露,局部基岩陡壁处近直立,临空高度较大,危岩体后缘与前缘的高差分布在36～1 338 m之间,其中<100 m有10处,[100,200) m有15处,[200,300) m有14处,[300,400) m有12处,[400,500) m有11处,≥500 m有19处。危岩体往往发育节理、风化卸荷裂隙等优势结构面,使得崩塌危岩体与母岩之间存在分离面,岩体处于欠稳定状态,在强震、强降雨、冰雪融水等因素诱发下,易突发崩塌,或形成堰塞湖溃决,间接对国道219沿线设施造成破坏。崩塌堆积区常位于谷底或斜坡平缓地段,表面坎坷不平,影像具粗糙感,有时可见挤压河道、公路。

4.2 地质灾害隐患影响因素分析

4.2.1 斜坡坡度与崩滑隐患

斜坡的坡度决定了斜坡的应力分布形式,影响斜坡的变形破坏方式。研究区岩质滑坡隐患在陡坡、急坡、急陡坡中分布的点密度相对较大,其次为斜坡; 土质滑坡隐患在斜坡、陡坡、急坡中均有分布,隐患点密度相对较小。崩塌隐患在陡坡、急坡、急陡坡、垂直坡中均有分布,其中急陡坡和垂直坡中崩塌隐患点密度最大,该种条件发育的崩塌危岩体多数近于直立,危岩体下部临空区间发育(图3)。

图3 研究区斜坡坡度与崩滑隐患关系Fig.3 Relationship between slope and collapse-landslide potentials in the study area

4.2.2 岩(土)体类型与崩滑隐患

岩(土)体是地质灾害隐患形成的物质基础。从地层时代上看,研究区崩滑隐患在各时代地层中分布不均匀,其中崩塌隐患主要分布在元古界、志留系、侏罗系和白垩系,滑坡隐患主要分布在侏罗系和白垩系。从岩(土)体类型方面看(图4): 崩塌隐患在较硬碳酸盐岩岩组中的点密度最大,其次为较硬碳酸盐岩-碎屑岩岩组、较软碎屑岩岩组、坚硬侵入岩岩组、坚硬变质岩岩组中; 滑坡隐患在较硬碳酸盐岩岩组中的点密度最大,其次为较软碎屑岩岩组。

图4 研究区岩(土)体类型与崩滑隐患关系Fig.4 Relationship between rock (soil) mass type and collapse-landslide potentials in the study area

4.2.3 地质构造与崩滑隐患

地质构造对地质灾害隐患的发育起综合控制作用,其复杂性一定程度上影响着崩滑隐患的集中分布趋势。研究区不同构造单元高位崩滑隐患的发育情况存在一定的差异(图5)。西昆仑弧盆系和北羌塘陆块崩滑隐患主要集中在康西瓦断裂南北两侧,由东向西呈逐渐汇集的趋势,与断层展布趋势大致一致; 冈底斯弧盆系崩滑隐患的分布具有南北向的差异性,主要分布在北部噶尔—古昌—吴如错断裂、日土—改则—丁青断裂所围限的带状区域中; 雅鲁藏布江结合带崩滑隐患的分布具有东西向的差异性,东段崩滑隐患主要分布在达吉岭—昂仁—仁布断裂、噶尔藏布断裂所围限的带状区域中,西段更靠近达吉岭—昂仁—仁布断裂和噶尔藏布断裂附近(图1)。由此可见,崩滑隐患在西昆仑弧盆系与北羌塘陆块的过渡区域最为发育,其次为冈底斯弧盆系、雅鲁藏布江结合带局部地质结构较为有利的区域。

图5 研究区地质构造与崩滑隐患关系Fig.5 Relationship between tectonic unit and collapse-landslide potentials in the study area

4.2.4 斜坡结构与崩滑隐患

为研究斜坡结构与崩滑隐患的关系,岩层面倾向从地质云1∶25万公开版地质图读取,坡向数据利用DEM提取。结果表明: 岩质滑坡隐患在除土质斜坡以外的所有斜坡中均有分布,土质滑坡隐患分布在土质斜坡中; 岩质崩塌隐患在逆向坡、横向坡、斜向坡和块状结构斜坡中最发育,其次为顺向坡(图6)。

图6 研究区斜坡结构与崩滑隐患关系Fig.6 Relationship between slope structure and collapse-landslide potentials in the study area

4.3 地质灾害隐患集中分布区

根据遥感解译结果,结合区域地质环境背景,将研究区崩滑地质灾害隐患划分出4个集中分布区(图1),区内存在崩滑地质灾害隐患106处,占国道219沿线光学遥感解译崩滑地质灾害隐患总数的84.1%。

(1)萨嘎集中分布区(Ⅰ)。总体呈近EW向展布,存在岩质滑坡隐患7处,滑坡隐患主滑方向以NE向为主,分布在线路两侧的有利斜坡区,占滑坡隐患总数的15.6%。该集中分布区属于拉轨岗日高山区,出露中生代由粉砂岩、泥岩、混杂岩组成的较软碎屑岩岩组。泥质组分质地松软、透水性差,易形成滑动面。

(2)索得—唐热集中分布区(Ⅱ)。总体呈NE—SW向展布,存在崩滑隐患12处。其中岩质滑坡隐患9处,占滑坡隐患总数的20.0%; 岩质崩塌隐患3处,占崩塌隐患总数的3.7%。该集中分布区属于噶尔藏布宽谷区,滑坡隐患多位于顺向坡和斜向坡地带,主滑方向以NE向和NE向为主,崩塌隐患主崩方向以NE向和SE向为主。崩滑隐患主要发育在由粉砂岩、泥岩、泥砂质混杂岩组成的较软碎屑岩岩组和由砾岩、砂岩、粉砂岩、灰岩组成的较硬碳酸盐岩—碎屑岩岩组中。该集中分布区受近EW向的达吉岭—昂仁—仁布断裂、噶尔藏布断裂、仲巴—拉孜—邛多江断裂等深大断裂控制明显。

(3)日松—多玛集中分布区(Ⅲ)。总体呈近SN向展布,存在崩滑隐患23处。其中岩质滑坡隐患1处,占滑坡总数的2.2%。岩质崩塌隐患22处,占崩塌隐患总数的27.2%。该集中分布区属于冈底斯中高山区,以崩塌隐患为主,发育极少量滑坡隐患,崩塌隐患主要发育在由花岗岩、花岗闪长岩组成的坚硬侵入岩岩组和由砂岩、粉砂岩、泥灰岩组成的较硬碳酸盐岩-碎屑岩岩组中,崩塌隐患多位于块状结构斜坡和斜向坡地带,主崩方向SE向、SW向、NW向均有分布。崩塌隐患在噶尔—古昌—吴如错断裂、日土—改则—丁青断裂等深大断的交汇部位集中分布。

(4)西昆仑集中分布区(Ⅳ)。总体呈近EW向展布,与昆仑山脉总体走向一致,存在崩滑隐患64处。其中滑坡隐患13处,占滑坡总数的28.9%,根据滑坡物质组成划分,岩质滑坡7处,土质滑坡6处; 岩质崩塌51处,占崩塌总数的62.9%。该集中分布区属于昆仑山高山区,崩滑隐患主滑(崩)方向NE向、SE向、SW向、NW向均有分布。崩塌隐患主要发育在由变基性火山岩、石英岩、片麻岩、大理岩、片岩组成的坚硬变质岩岩组,由中酸性侵入岩组成的坚硬侵入岩岩组和由含砾砂岩、粉砂岩、含砾灰岩组成的较硬碳酸盐岩-碎屑岩岩组中; 滑坡隐患主要发育在由片麻岩、片岩组成的坚硬变质岩岩组中,岩石的片状、片麻状构造为滑坡的产生创造了条件。该集中分布区总体受NW-SE向的康西瓦大断裂、哈拉斯坦河—吐日苏河断裂等深大断裂控制明显,在断裂带附近集中分布。

以滑坡隐患前缘、崩塌危岩体位置为依据,将研究区崩滑隐患发育部位大致分为斜坡上部、斜坡中部和斜坡下部。研究区崩塌隐患主要发育在斜坡上部,共计71处(特高位危岩70处、高位危岩1处),占崩塌隐患总数的87.7%; 滑坡隐患主要发育在斜坡上部(常规性滑坡5处、高位滑坡11处)和下部(常规性滑坡14处、高位滑坡6处),共计36处,占滑坡隐患总数的80.0%。斜坡上部的崩滑隐患多数具有高位地质灾害的特征,在地震、强降雨、冰雪融水等诱发因素下,可能发生大规模滑动。已有研究表明[18-20],高位崩滑地质灾害由于其落差较大,在加速坠落的过程中具有明显的撞击粉碎效应和动力侵蚀效应,通过对沿途岩土体的铲刮可转化为高位远程的碎屑流,灾害体方量最终可放大1～4倍,冲击破坏性极强,具有典型高位链式灾害的特征。研究区高位崩滑地质灾害隐患失稳可转换为碎屑流直接掩埋摧毁其运动路径上的设备设施,或堵塞河道形成堰塞湖溃决灾害,或成为泥石流的物源形成坡面型或沟道型泥石流,如图7(a)高位滑坡(HPL17)滑源区与国道219垂直高差约400 m,滑坡体方量约493×104m3,运动过程中通过对沿途岩土体的铲刮,灾害体方量最终按放大1倍估算,运动至国道219处方量约986×104m3,可造成国道219的交通中断,图7(b)高位崩塌(BTL12)崩源区(危岩体)与国道219垂直高差约1 100 m,崩塌体方量约94×104m3,运动过程中通过对沿途残坡积的铲刮,灾害体方量最终按放大2倍估算,运动至国道219处方量约282×104m3。根据高位崩滑地质灾害隐患与其可能引起的次生灾害之间的时空关系,在研究区可大致划分出崩滑-碎屑流灾害链、崩滑-堰塞湖-洪水灾害链、崩滑-泥石流灾害链3种类型的链式灾害,在国道219沿线地质灾害防治工作中应尤为注重此类灾害的研究。

(a) 高位滑坡滑源区 (b) 高位崩塌崩源区图7 研究区高位崩滑隐患灾害链式特征示意图Fig.7 Chain characteristics sketch of high-locality collapse-landslide potentials in the study area

5 结论

(1)通过高分一号、高分二号、WorldView-2等光学卫星数据,建立了研究区崩滑隐患的光学遥感解译标志,在国道219沿线识别出崩滑地质灾害126处,其中岩质滑坡39处、土质滑坡6处、岩质崩塌81处。

(2)在光学遥感调查的基础上,开展了国道219沿线崩滑地质灾害隐患的影响因素研究,分析了斜坡坡度、岩(土)体类型、地质构造、斜坡结构与崩滑地质灾害隐患的关系。在西昆仑弧盆系、北羌塘陆块等构造单元中,较硬碳酸盐岩岩组、较硬碳酸盐岩-碎屑岩岩组、较软碎屑岩岩组分布区的急坡、急陡坡斜坡区崩滑地质灾害隐患最发育。

(3)结合地质环境背景,总结了国道219沿线崩滑地质灾害隐患的分布规律,划分出4个集中分布区,分别为: 萨嘎集中分布区(Ⅰ)、索得—唐热集中分布区(Ⅱ)、日松—多玛集中分布区(Ⅲ)、西昆仑集中分布区(Ⅳ)。斜坡上部的崩滑地质灾害隐患具有高位链式灾害的特征,在地质灾害防治工作中应尤为注重此类灾害的研究。国道219沿线地质灾害隐患的光学遥感调查成果对沿线防灾减灾工作、重大工程建设规划具有一定的参考意义。