段書蘇 姚令侃 郭沉穩(wěn)

摘要：構(gòu)建了一種與選線原則方案精度相匹配的、區(qū)域性的預(yù)測地震觸發(fā)崩塌滑坡災(zāi)勢的方法.論述了在侵蝕循環(huán)（幼年期-壯年期-老年期）的一個地貌發(fā)育周期內(nèi)，流域谷坡將相應(yīng)經(jīng)歷向臨界坡發(fā)展、達到臨界坡、偏離臨界坡的過程，提出了根據(jù)流域演化發(fā)育階段預(yù)測山地災(zāi)害危險性的原理；基于河谷與谷坡的反饋機制，提出通過點坡度變化確定縱剖面特征點，進而區(qū)分不同的發(fā)育階段，解決了斯特拉勒分析方法只能適應(yīng)于小流域的問題.通過汶川地震、玉樹地震、蘆山地震這3次21世紀以來我國震級在Ms7.0以上的大地震實震資料，檢驗了本方法的正確性.流域的斯特拉勒積分在0.5～0.6之間時，崩塌滑坡災(zāi)勢最嚴重；距上值越遠，災(zāi)勢越輕.

關(guān)鍵詞：侵蝕循環(huán)理論； 地震觸發(fā)崩塌滑坡； 災(zāi)勢預(yù)測； ArcGIS

中圖分類號：U211.9 文獻標識碼：A

21世紀以來，我國發(fā)生了3次Ms.7.0以上的大地震（汶川地震、玉樹地震、蘆山地震）.在相同的地震烈度區(qū)內(nèi)，震后次生山地災(zāi)害的嚴重性差異卻很大.地震觸發(fā)的崩塌滑坡災(zāi)害態(tài)勢的評價引起了各國學者的重視.

區(qū)域性研究地震觸發(fā)崩塌滑坡嚴重性的方法，從定性分析法發(fā)展至綜合指標法，到現(xiàn)在流行的Newmark累計位移法.定性分析法和綜合指標法，都是通過統(tǒng)計歷史地震中滑坡與各種指標之間的關(guān)系，得出結(jié)論.例如：美國學者Keefer[1]，Rodríguezpeces等[2]對世界范圍內(nèi)的滑坡進行統(tǒng)計，歸納了地震滑坡分布與震中距、巖性等之間的關(guān)系； 2000年，我國學者喬建平、王余慶[3-5]等運用綜合指標法對影響地震滑坡的各種因素進行了區(qū)分和定量化，進而對區(qū)域地震滑坡進行評價分級；汶川地震后，黃潤秋[6]等建立了強震作用下斜坡危險性評價的指標體系；許沖[7-8]利用ArcGIS技術(shù)平臺，采用綜合指標法對玉樹、汶川地震滑坡危險度進行了評價.研究結(jié)論反映了歷史地震崩塌滑坡的統(tǒng)計特性，成果的普適性受統(tǒng)計樣本代表性的限制.目前國際上常用的地震滑坡區(qū)劃模型是Newmark累計位移法[9]，但Newmark模型所需要的參數(shù)較多（包括滑坡深度及滑動面形狀、滑動面黏聚力、內(nèi)摩擦角等），更適用于巖石工程數(shù)據(jù)詳實的小區(qū)域.

本文提出，地貌侵蝕循環(huán)的過程就是流域內(nèi)坡體在各發(fā)育階段依次經(jīng)歷向臨界坡發(fā)展、達到臨界坡、偏離臨界坡的演變過程.利用區(qū)域內(nèi)坡體偏離臨界坡的程度，可以定性地評定流域內(nèi)斜坡重力災(zāi)害的嚴重性.從而建立起一種基于侵蝕循環(huán)理論評判地震觸發(fā)崩塌滑坡災(zāi)勢的方法.

1基于谷坡狀態(tài)的地震觸發(fā)崩塌滑坡災(zāi)勢預(yù)測原理

基于發(fā)生學的理論，Davis在1899年首次創(chuàng)立了侵蝕循環(huán)學說（Theory of the Cycle of Erosion），認為地塊從開始上升到被逐漸剝蝕夷平，直至降低到起伏不大的地面或者接近基準面的準平原之間，存在著連續(xù)的、同時又有階段性的剝蝕過程和地表形態(tài).在地表發(fā)育的過程中，Davis強調(diào)構(gòu)造、作用和時間（侵蝕階段）這3個要素之間的相互作用影響[10]，進而將循環(huán)過程中的地形發(fā)展分為3個階段：地形起伏不大，河間地廣闊平坦的幼年期，地面主要由谷坡和狹窄的分水嶺組成的壯年期，和具有殘丘的準平原的老年期.

按照地貌循環(huán)理論，侵蝕輪回中坡地發(fā)育過程如圖1所示.由圖可知，當?shù)孛蔡幱谟啄昶跁r，坡度最陡，在谷坡之上存在大量的上個地貌循環(huán)留存下來的夷平面.從幼年期發(fā)展到壯年期的階段，谷底強烈下切，海拔持續(xù)下降；夷平面不斷被侵蝕，面積不斷減小，高程卻沒有明顯變化；谷坡坡度持續(xù)減小.從壯年期發(fā)展到老年期階段，谷底與谷坡的高程都在緩慢下降，但谷坡下降的速度比谷底快.這導(dǎo)致流域內(nèi)谷坡坡度持續(xù)變緩，夷平作用持續(xù)進行，直至準平原.

地貌的形成和發(fā)展是內(nèi)、外營力相互作用的結(jié)果.內(nèi)營力趨向于使山體隆升，是使流域內(nèi)坡度增加的過程；外營力作用趨向于使山體高度降低、削平，是使流域內(nèi)坡度減小的過程.由于二者對山地地貌塑造的反向效應(yīng)，山體坡度最大只能達到一個特定值，即所謂的臨界坡度.那么，在一個侵蝕循環(huán)內(nèi)，地貌經(jīng)歷幼年期、壯年期、老年期的同時，流域內(nèi)的坡體相應(yīng)經(jīng)歷了向臨界坡度發(fā)展、達到臨界坡、偏離臨界坡的演變過程.處于臨界坡的斜坡系統(tǒng)，在地震、降雨等外界擾動下，極易發(fā)生失穩(wěn)破壞，造成大規(guī)模的崩塌滑坡；反之，坡度小于臨界坡時，斜坡系統(tǒng)就具有一定的安全裕度，而且偏離臨界坡度越遠，安全裕度越大，發(fā)生崩塌滑坡可能性越小.因此可以以區(qū)域內(nèi)坡體偏離臨界坡的程度，作為評估流域山地災(zāi)害發(fā)生危險性的依據(jù).這就是基于侵蝕循環(huán)理論預(yù)測地震觸發(fā)崩塌滑坡災(zāi)勢的原理.

3地震觸發(fā)崩塌滑坡災(zāi)勢評估案例分析

現(xiàn)以21世紀以來我國發(fā)生的7級以上3次大地震為例，通過對地震觸發(fā)崩塌滑坡實震資料的對比分析，對該理論進行驗證，同時也對具體操作方法進行說明.

3.1玉樹地震震區(qū)斯特拉勒積分

2010年4月14日，玉樹縣發(fā)生Ms7.1地震.境內(nèi)主要水系包括通天河、扎曲、巴曲等，地形以高海拔、低起伏為主.震區(qū)所在計算流域的斯特拉勒積分計算步驟如下：

第一步，劃定研究區(qū)域.震區(qū)位于通天河和金沙江的交匯地段，那么我們?nèi)Χǖ难芯繀^(qū)域的流域應(yīng)該是包括沱沱河、通天河、金沙江上游在內(nèi)的長江上游河段，研究區(qū)域的水系格局如圖3所示.

沱沱河（長江正源）周圍發(fā)育著色林錯、赤布張錯、烏蘭烏拉湖、西金蘭湖等高原內(nèi)陸湖，扎加藏布江、曾松曲等內(nèi)流河等；楚瑪爾河（長江北源）周圍發(fā)育著格爾木河等內(nèi)流河，可可西里湖、庫賽湖、鹽湖、達布遜湖等內(nèi)陸湖；當曲（長江南源）周圍發(fā)育著怒江的上游那曲、瀾滄江的上游扎曲；通天河的東側(cè)與黃河的上游約古列宗渠毗鄰；在金沙江河段，東西兩側(cè)基本平行發(fā)育著瀾滄江和雅礱江.根據(jù)上述的流域格局圈定研究區(qū)域周界為：雅礱江-古宗列渠-格爾木河-庫賽湖-可可西里湖-烏蘭烏拉湖-赤布張錯-扎加藏布江-瀾滄江，提取相應(yīng)區(qū)域的DEM.

第二步，劃定流域邊界.長江的源頭及通天河屬于廣大的藏北腹地，區(qū)域內(nèi)內(nèi)流河與外流河之間往往沒有明顯的分水嶺，河流彎轉(zhuǎn)曲折，分水線在平面上呈犬牙交錯狀；金沙江、瀾滄江、雅礱江之間存在寬廣的夷平面，地貌特征不明顯.本文采用了較高精度的DEM（30 m×30 m），生成研究區(qū)域的河網(wǎng)及集水區(qū)如圖4所示.針對流域邊界復(fù)雜情況，需注意采取以下措施以保證邊界劃定精度：①圈定分析區(qū)域時，區(qū)域范圍務(wù)必圈定至相鄰的獨立水系，②在困難區(qū)域，選擇高精度的DEM分析，在流域劃分的過程中應(yīng)該與現(xiàn)有的其他數(shù)據(jù)資料進行相互驗證校核，從而精準劃定流域邊界.

第三步，提取河谷縱剖面特征點，確定計算區(qū)域.通過提取河流點坡度和縱剖面復(fù)合圖（圖5），可以看出，在玉樹下游的不遠處，海拔4 000 m的地方，坡度突然降低至0附近，疑似夷平面.在夷平面的上游，河谷縱剖面變化不大，均是比較緩的坡度；而在夷平面的下游，河谷坡面變化劇烈.這是由于青藏高原的分階段、非均一隆升，使高原東緣的外流河產(chǎn)生溯源侵蝕，在侵蝕到達的地方，形成高山峽谷，在侵蝕未達到的地方，盆地面內(nèi)平坦開闊，切割微弱.夷平面上、下游2個地貌單元差異明顯[19].選擇這一夷平面為流域計算的出口點，如圖4所示.

3.2汶川地震、蘆山地震震區(qū)的斯特拉勒積分

“5·12”汶川大地震和“4·20”蘆山地震2次地震的主震區(qū)均屬于龍門山地區(qū)，分別位于青衣江流域、岷江流域范圍內(nèi).劃定研究區(qū)域后，該兩流域與相鄰流域分水嶺地貌明顯，可通過流域分析直接劃定流域邊界.龍門山、岷山等一系列的山脈組成了青藏高原東緣的地形陡變帶，其間的河流走向多與龍門山垂直，以深切河谷為主要特征，進入四川盆地后河流彎轉(zhuǎn)曲折，流速緩慢，流域河道控制點即為山區(qū)河段和平原河段的分界點.通過提取青衣江和岷江的全河段的河流點坡度和縱剖面復(fù)合圖（圖7），發(fā)現(xiàn)岷江在都江堰處存在拐點，青衣江在蘆陽鎮(zhèn)處存在拐點，可將都江堰和蘆陽鎮(zhèn)分別作為岷江和青衣江的河道控制點（計算流域的出口點），計算流域的斯特拉勒曲線和斯特拉勒積分如圖8所示.

根據(jù)以上計算可知，青衣江和岷江的Strahler積分值分別為0.46和0.52.

距河源的距離/km

3.3計算結(jié)果與實震坡體資料對比

蘆山地震震中位于北緯30.3°， 東經(jīng)103°，震源深度約13 km，主震區(qū)沿龍門山斷裂帶分布，呈東北—西南走向，南起涼山州甘洛縣，往東北經(jīng)漢源、滎經(jīng)、蘆山至大邑縣，主要位于雅安市境內(nèi).震中烈度達Ⅸ度.

利用震后遙感影像資料進行人工目視解譯是大面積獲取震區(qū)崩塌滑坡信息的主要方法.蘆山地震后的半年時間里，我們通過多種途徑收集了震區(qū)航空、航天遙感影像資料，包括：1）中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所提供的三批航空遙感數(shù)據(jù)，覆蓋蘆山、寶興、邛崍等縣市約5 000 km2.第一批航片獲取時間為2013年4月20日10：30～12：40，分辨率0.6 m；第二批航片獲取時間為4月20日15：00～17：00，包括0.4 m和2 m兩種分辨率；第三批航片獲取時間為4月21日上午，包括0.4 m和2 m兩種分辨率；2）四川省測繪地理信息局蘆山地震信息發(fā)布平臺公布的蘆山震中區(qū)的航片影像資料（影像獲取截止時間為4月25日，分辨率0.5 m）；3）國家測繪局公布的龍門鄉(xiāng)、太平鎮(zhèn)、寶盛鄉(xiāng)三地的航片影像資料（影像獲取時間為4月20日18：28，分辨率為0.16 m） .對以上遙感影像資料進行幾何糾正、融合、拼接、圖像增強等數(shù)據(jù)處理，獲得蘆山震區(qū)的遙感覆蓋面積208 km2，覆蓋整個Ⅸ度區(qū).區(qū)域內(nèi)的災(zāi)害點分布如圖9所示.

表1所列是3次大地震所在流域地震崩塌滑坡發(fā)生條件的評判結(jié)果，以及3次地震中Ⅸ度烈度區(qū)實震資料統(tǒng)計.

據(jù)表1可知，蘆山地震和汶川地震震區(qū)均處于壯年中期，谷坡處于臨界坡狀態(tài).玉樹地震震區(qū)處于老年期，谷坡已偏離臨界坡.考慮到地震烈度條件相同時，3場地震崩塌滑坡的嚴重程度才具有可比性，因此均選?、攘叶葏^(qū)的崩塌滑坡密度作為比較指標（玉樹、蘆山地震最大烈度均為Ⅸ度）.實震資料表明，蘆山地震和汶川地震均觸發(fā)了大量的崩塌滑坡，而玉樹地震次生災(zāi)害相對弱得多.這與蘆山地震、汶川地震震區(qū)具備地震觸發(fā)大規(guī)模崩塌滑坡的條件，而玉樹地震震區(qū)不具備此條件的評判結(jié)論是吻合的.

至此，基于侵蝕循環(huán)理論的地震觸發(fā)崩塌滑坡災(zāi)勢預(yù)測的理論，得到了21世紀以來3次7級以上大地震實震資料的檢驗.

4結(jié)論

1）基于地貌循環(huán)理論，論證了在一個地貌發(fā)育循環(huán)周期內(nèi)，流域谷坡將經(jīng)歷向臨界坡發(fā)展、到達臨界坡，偏離臨界坡的演變階段，在降雨、地震等觸發(fā)條件具備時，山地災(zāi)害相應(yīng)地呈現(xiàn)從發(fā)展到旺盛再到衰退的規(guī)律，這就是根據(jù)流域演化發(fā)育階段預(yù)測地震觸發(fā)崩塌滑坡危險性的原理；提出了根據(jù)河床特征點劃分流域地貌單元的理念，從而解決了面積高程分析理論應(yīng)用于復(fù)雜大流域的適用性問題；歸納了利用DEM和ArcGIS技術(shù)計算斯特拉勒積分的程式.從而在僅利用社會公共資料的條件下，建立起一種與原則選線階段精度要求相匹配的區(qū)域性地震觸發(fā)崩塌滑坡危險性預(yù)測方法，并通過了21世紀以來3次7級以上大地震實震資料的檢驗.本文提出的方法亦可為其他誘因的區(qū)域性山地災(zāi)害危險性預(yù)測提供借鑒.

2）高烈度地震山區(qū)的鐵路選線，是在節(jié)省工程投資和減輕未來地震災(zāi)害風險的矛盾中起著統(tǒng)籌規(guī)劃作用的多目標決策過程，線路原則方案的選擇是風險調(diào)控的首要環(huán)節(jié).對于谷坡不具備地震觸發(fā)大規(guī)模崩塌滑坡條件的流域，可以采用直接通過方案；對于預(yù)測地震觸發(fā)崩塌滑坡災(zāi)勢嚴重的流域，若采用通過方案，宜以隧道為主穿越，而這一般會導(dǎo)致工程造價大幅度增加，因此還應(yīng)與大范圍繞避方案進行經(jīng)濟技術(shù)比較后確定合理方案.顯然，本文工作將為上述方案論證提供重要依據(jù).

參考文獻

[1]KEEFER D K. Landslides caused by earthquakes [J]. Geological Society of America Bulletin， 1984， 95 （4）： 406-421.

[2]RODRGUEZPECES M J， PREZ J L， GARCAMAYORDOMO J，et al. Applicability of Newmark method at regional， subregional and site scales： seismically induced Bullas and La Paca rockslide cases （Murcia， SE Spain）[J]. Natural Hazards， 2011， 59（2）： 1109-1124.

[3]喬建平，蒲曉虹. 川西南滇北接壤帶地震滑坡概述[J]. 山地研究， 1987（3）： 181-186.

QIAO Jianping，PU Xiaohong. An introduction to earthquake landslides in the contiguous area between Southwest Sichuan and North Yunnan [J].Mountain Research， 1987（3）： 181-186.（In Chinese）

[4]王余慶，辛鴻博，高艷平，等. 預(yù)測巖土邊坡地震崩滑的綜合指標法研究[J]. 巖土工程學報， 2001， 23（3）： 311-314.

WANG Yuqing，XIN Hongbo，GAO Yanping，et al. Study on comprehensive index method for predicting earthquakeinduced landslides [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2001， 23（3）： 311-314. （In Chinese）

[5]丁彥慧，王余慶，孫進忠，等. 地震崩滑預(yù)測方法及其工程應(yīng)用研究[J]. 工程地質(zhì)學報， 2000， 8（4）： 475-480.

DING Yanhui，WANG Yuqing，SUN Jinzhong，et al. Research on the method for prediction of earthquakeinduced landslides and its application to engineering projects[J].Journal of Engineering Geology， 2000， 8（4）： 475-480. （In Chinese）

[6]黃潤秋. 汶川地震地質(zhì)災(zāi)害研究[M]. 北京： 科學出版社， 2009： 203-257.

HUANG Runqiu. Geohazard assessment of the Wenchuan earthquake [M]. Beijing： Science Press， 2009： 203-257. （In Chinese）

[7]許沖，徐錫偉，于貴華. 玉樹地震滑坡分布調(diào)查及其特征與形成機制[J]. 地震地質(zhì)， 2012， 34（1）： 47-62.

XU Chong，XU Xiwei，YU Guihua. Study on the characteristics， mechanism， and spatial distribution of Yushu earthquake triggered landslides[J]. Seismology and Geology， 2012， 34（1）： 47-62. （In Chinese）

[8]許沖，戴福初，陳劍，等. 汶川Ms8.0地震重災(zāi)區(qū)次生地質(zhì)災(zāi)害遙感精細解譯[J]. 遙感學報， 2009， 13（4）： 745-762.

XU Chong，DAI Fuchu，CHEN Jian， et al. Identification and analysis of secondary geological hazards triggered by a magnitude 8.0 Wenchuan Earthquake [J]. Journal of Remote Sensing， 2009， 13（4）： 745-762. （In Chinese）

[9]NEWMARK N. Effects of earthquakes on dams and embankments [J]. Geotechnique， 1965， 15（2）： 139.

[10]DAVIS W M. The geographical cycle[J]. The Geographical Journal， 1899， 14（5）： 481-504.

[11]STRAHLER A N. Hypsometric （areaaltitude） analysis of erosional topography [J]. Geological Society of America Bulletin， 1952， 63 （11）： 1117-1142.

[12]WEISSEL J K， PRATSON L F， MALINVERNO A. The lengthscaling properties of topography[J]. Journal of Geophysical Research， 1994，99（B7）：799-808.

[13]艾南山. 侵蝕流域系統(tǒng)的信息熵[J]. 水土保持學報， 1987（2）： 1-8.

AI Nanshan. Comentropy in erosion drainagesystem[J]. Journal of Soil and Water Conservation， 1987（2）： 1-8. （In Chinese）

[14]劉懷湘，王兆印，陸永軍，等.山區(qū)下切河流地貌演變機理及其與河床結(jié)構(gòu)的關(guān)系[J].水科學進展，2011，22（3）：367-372.

LIU Huaixiang， WANG Zhaoyin， LU Yongjun， et al. Mechanism of morphological evolution in incised river and its relationship to streambed structures[J]. Advances in Water Science， 2011，22（3）：367-372. （In Chinese）

[15]左大康. 現(xiàn)代地理學辭典[M].北京：商務(wù)印書館，1990：182.

ZUO Dakang. Dictionary of modern geography[M]. Beijing： Commercial Press，1990：182. （In Chinese）

[16]楊景春，李有利. 地貌學原理[M]. 北京： 北京大學出版社， 2005： 24-26.

YANG Jingchun，LI Youli. Theory of geomorphology [M]. Beijing： Beijing University Press， 2005： 24-26. （In Chinese）

[17]HAYAKAWA Y S， OGUCHI T. DEMbased identification of fluvial knickzones and its application to Japanese mountain rivers [J]. Geomorphology， 2006，78（1）：90-106.

[18]吳立新，史文中. 地理信息系統(tǒng)原理與算法[M]. 北京： 科學出版社， 2003： 441.

WU Lixin，SHI Wenzhong. Geographic information system principle and algorithm [M]. Beijing： Science Press， 2003： 441. （In Chinese）

[19]中國科學院青藏高原綜合科學考察隊. 西藏河流與湖泊[M]. 北京： 科學出版社， 1984： 5-215.

Scientific Expedition of the Chinese Academy of Sciences to the QinghaiXizang Plateau. Rivers and lakes of Xizang （Tibet）[M]. Beijing： Science Press， 1984： 5-215. （In Chinese）

[20]殷躍平，張永雙，馬寅生，等. 青海玉樹M_S7.1級地震地質(zhì)災(zāi)害主要特征[J]. 工程地質(zhì)學報， 2010， 18（3）： 289-296.

YIN Yueping，ZHANG Yongshuang，MA Yansheng，et al. Reserch on major charcteristics of geohazards induced by the Yushu Ms7.1 earthquake[J]. Journal of Engineering Geology， 2010， 18（3）： 289-296. （In Chinese）