李 陽, 張建軍,2,3,4, 魏廣闊, 胡亞偉, 趙宇輝, 唐 鵬

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2.山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 吉縣 042200；3.北京林業(yè)大學(xué)水土保持國家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；4.北京林業(yè)大學(xué)林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心，北京 100083)

降雨是導(dǎo)致淺層滑坡災(zāi)害的直接誘發(fā)因素之一。近年來，氣候變化導(dǎo)致的極端降雨事件時(shí)有發(fā)生，引發(fā)的淺層滑坡、泥石流等災(zāi)害十分嚴(yán)重，不僅造成了嚴(yán)重的水土流失，更嚴(yán)重威脅生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，研究暴雨等極端降雨條件下淺層滑坡的發(fā)生規(guī)律，對于開展淺層滑坡的災(zāi)害預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與防治措施實(shí)施等方面具有重要實(shí)際意義。

植被對邊坡穩(wěn)定性起著重要作用，對于淺層滑坡的發(fā)生與發(fā)育具有顯著影響。已有研究表明，植被通過根系網(wǎng)絡(luò)固定土體，加強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度，改善邊坡的土體應(yīng)力，降低土體中的集中應(yīng)力，從而提高邊坡穩(wěn)定性，降低淺層滑坡發(fā)生的可能性，因此植物根系加固是一種具有潛在經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境友好的提高土體強(qiáng)度的方法。有大量植被覆蓋的斜坡比沒有植被覆蓋的斜坡更穩(wěn)定，也更不容易發(fā)生淺層滑坡。但也有研究表明，即使有良好的植被覆蓋，在極端暴雨?duì)顩r下也會(huì)發(fā)生淺層滑坡。如2016年7月17日，受持續(xù)性強(qiáng)降雨影響，湖南省湘西土家族苗族自治州古丈縣墨戎鎮(zhèn)龍鼻村附近植被狀況良好的山體邊坡發(fā)生滑坡災(zāi)害；由于特大暴雨的發(fā)生，2013年7月21日，陜北富縣地表覆蓋度在90%以上的林區(qū)發(fā)生多處淺層滑坡?，F(xiàn)有關(guān)于地面植被對淺層滑坡的影響多集中于單種植物根系對土體的力學(xué)效應(yīng)，較少探討不同地面植被類型對淺層滑坡的影響，尤其基于小流域尺度分析植被類型對淺層滑坡的影響相對較少。

此外，地形對于淺層滑坡發(fā)生發(fā)展的影響同樣十分重要。淺層滑坡因其是重力作用下的災(zāi)害，其發(fā)育和分布無疑受到地形的控制作用。坡度和坡向是2個(gè)反映地形的重要因素，對淺層滑坡的發(fā)生與發(fā)展具有一定的決定作用。坡度通過影響下滑力和巖土的應(yīng)力分布而對淺層滑坡有控制性作用，對于物質(zhì)組成均一、各向同性的坡體，淺層滑坡發(fā)育的可能性隨著坡度的增大而增大。坡向則是通過影響太陽輻射和水分分布，進(jìn)而影響降水、植被、侵蝕和風(fēng)化作用等因素造成淺層滑坡的規(guī)律性分異。然而，目前關(guān)于地形對于淺層滑坡的影響研究多是利用淺層滑坡發(fā)生較為久遠(yuǎn)后的調(diào)查資料，這可能會(huì)導(dǎo)致那些在較短時(shí)間植被恢復(fù)良好的小規(guī)模淺層滑坡被忽略。極端降雨發(fā)生后，及時(shí)的淺層滑坡調(diào)查資料能更完全地反映地形因素對淺層滑坡的影響，而這種研究相對較少。

為此，本研究基于2021年10月3—6日山西省臨汾市吉縣發(fā)生的極端降雨事件，于10月14—21日利用無人機(jī)對吉縣蔡家川流域的淺層滑坡情況進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，分析淺層滑坡數(shù)量、規(guī)模及分布規(guī)律，探討淺層滑坡與植被類型、地形因素的關(guān)系，以期為極端暴雨條件下黃土高原地區(qū)淺層滑坡預(yù)警預(yù)防提供參考。

1 研究區(qū)概況

山西省臨汾市吉縣屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，其特點(diǎn)是春冬干旱少雨，夏秋降雨集中。多年平均氣溫10.5 ℃，極端最低氣溫-21.3 ℃；極端最高氣溫39.7 ℃。年平均降水量520.3 mm，年平均降水時(shí)間為109天，6—10月的降水量占全年的75%以上。地勢東北高，西南低。東部和北部為呂梁山脈西麓，峰巒疊嶂。向西、向南逐漸過渡到黃土丘陵溝壑區(qū)，地表破碎，溝壑縱橫。

本研究選擇山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站的蔡家川流域作為調(diào)查對象，流域面積34.23 km，東西走向，地理坐標(biāo)110°39′45"—110°47′45"E，36°14′24"—36° 18′23"N，屬于典型的梁狀丘陵溝壑區(qū)。海拔900～1 513 m。土壤以褐土為主，微堿性，抗蝕性差，黃土母質(zhì)，土層厚度幾十至百米，土質(zhì)較均勻。流域內(nèi)土地利用類型以林地、灌木林地、草地、農(nóng)地為主，森林覆蓋率達(dá)80%以上。流域上游主要為由遼東櫟() 、山楊() 、黑樺() 、北京丁香() 等組成的天然次生林，中游為由刺槐() 、油松() 、側(cè)柏() 組成的人工林，下游為荒草地和農(nóng)地。

2 材料與方法

2.1 降雨數(shù)據(jù)的采集

本次調(diào)查的降雨數(shù)據(jù)來源于山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站在流域內(nèi)布設(shè)的10個(gè)雨量站(圖1)，雨量計(jì)為翻斗式自記雨量計(jì)，精度為0.2 mm。

2.2 淺層滑坡野外調(diào)查

淺層滑坡調(diào)查于2021年10月14—21日在蔡家川流域內(nèi)進(jìn)行，選擇了次生林小流域、人工林小流域和農(nóng)地小流域共3個(gè)不同土地利用類型的小流域(圖1)作為調(diào)查對象，3個(gè)小流域的基本情況見表1。

圖1 蔡家川流域概況

表1 小流域概況

使用搭載高精度攝像鏡頭的大疆悟二型無人機(jī)對3個(gè)小流域進(jìn)行航拍，通過野外選點(diǎn)、相控點(diǎn)布設(shè)、航線規(guī)劃、攝影測量作業(yè)、照片整理、影像建模、產(chǎn)品生成等環(huán)節(jié)，最終生成高分辨率的數(shù)字正射影像圖和數(shù)字表面模型。通過無人機(jī)航拍(飛行高度200 m)進(jìn)行淺層滑坡的調(diào)查，采用對比暴雨前流域衛(wèi)星遙感影像與暴雨后無人機(jī)航拍數(shù)字正射影像，識別流域內(nèi)發(fā)生淺層滑坡的具體部位，解譯淺層滑坡發(fā)生后植被的破壞面積，淺層滑坡在無人機(jī)照片上非常清晰，很容易識別和判斷，淺層滑坡特征非常明顯，滑坡破壞區(qū)域內(nèi)色調(diào)較淺、發(fā)白發(fā)亮，且地表植被破壞情況嚴(yán)重，能夠很清晰地解譯出發(fā)生的淺層滑坡及破壞的區(qū)域。并且本次調(diào)查是在暴雨后15天內(nèi)完成，這些淺層滑坡發(fā)生部位人很難到達(dá)，人類活動(dòng)還沒有對滑坡部位造成干擾。因此使用Arcgis軟件采用目視解譯的方法勾勒3個(gè)小流域內(nèi)所發(fā)生的淺層滑坡，統(tǒng)計(jì)淺層滑坡的數(shù)量，計(jì)算淺層滑坡的破損面積(滑坡體發(fā)生、滑動(dòng)及堆積整個(gè)過程所造成的地面植被破壞面積)，并利用數(shù)字高程模型生成坡度圖和坡向圖。

為了驗(yàn)證目視解譯方法的準(zhǔn)確性，利用皮尺對流域內(nèi)標(biāo)志性建筑物和典型的淺層滑坡進(jìn)行實(shí)地測量，同時(shí)采用目視解譯方法計(jì)算該標(biāo)志性建筑物和典型淺層滑坡的長度與面積，以此分析目視解譯方法的誤差，經(jīng)對比分析得出目視解譯的長度誤差在2.76%以內(nèi)，面積誤差在5.60%以內(nèi)，表明利用無人機(jī)拍攝的高分辨率影像采用目視解譯的方法能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出長度與面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 蔡家川流域極端降雨事件特征

表2為各個(gè)雨量站對本次極端降雨的特征值。由表2可知，降雨量為140.5～178.8 mm，平均值為161.3 mm，為年平均降水量的31.2%；降雨歷時(shí)84 h，平均降雨強(qiáng)度2.1 mm/h，最大10 min降雨強(qiáng)度33.6 mm/h，最大30 min降雨強(qiáng)度25.2 mm/h。利用吉縣1960—2020 年60 年降雨記錄進(jìn)行頻率計(jì)算得出，本次降雨的頻率為0.16%，為625年一遇的極端暴雨。

表2 蔡家川流域極端降雨事件特征

由圖2可知，從10月3日0時(shí)開始至10月6日16時(shí)結(jié)束，其間出現(xiàn)了4個(gè)峰值，分別出現(xiàn)在10月3日7—9時(shí)，10月4日6—7時(shí)、10月4日18—20時(shí)以及10月5日22時(shí)至10月6日1時(shí)，峰值降雨強(qiáng)度達(dá)到7 mm/h。

圖2 極端降雨過程

3.2 淺層滑坡的統(tǒng)計(jì)特征

通過無人機(jī)拍攝的影像對3個(gè)不同土地利用類型小流域內(nèi)發(fā)生的淺層滑坡進(jìn)行目視解譯得出，本次極端降雨期間共發(fā)生479個(gè)淺層滑坡，破損總面積達(dá)到183 881.3 m，規(guī)模最小的僅為12.0 m，規(guī)模最大的為5 969.8 m，平均面積為383.9 m。圖3為淺層滑坡破損面積的累積頻率曲線，由圖3可知，80%的淺層滑坡破損面積在529 m以下，90%的淺層滑坡破損面積在885 m以下。

圖3 淺層滑坡破損面積累積頻率曲線

3.3 淺層滑坡與流域土地利用類型的關(guān)系

為了消除小流域面積差異的影響，選擇使用數(shù)量密度與面積密度反映單位面積上發(fā)生淺層滑坡的數(shù)量與破損面積。由表3可知，淺層滑坡的數(shù)量密度與面積密度均表現(xiàn)為農(nóng)地小流域(214個(gè)/km，109 241.3 m/km)>人工林小流域(163個(gè)/km，48 779.7 m/km)>次生林小流域(42個(gè)/km，17 176.3 m/km)，可以認(rèn)為以農(nóng)地為主要土地利用的小流域內(nèi)發(fā)生的淺層滑坡數(shù)量明顯多于人工林小流域和次生林小流域，而且農(nóng)地小流域內(nèi)發(fā)生的淺層滑坡的破損面積也明顯大于人工林小流域和次生林小流域。這表明在小流域尺度上森林對預(yù)防淺層滑坡的積極作用顯著高于農(nóng)地，且次生林對淺層滑坡的預(yù)防作用優(yōu)于人工林。

表3 不同類型小流域內(nèi)淺層滑坡特征

農(nóng)地小流域內(nèi)淺層滑坡的破損面積最高值達(dá)5 969.8 m，平均值為510.3 m，均大于次生林小流域和人工林小流域，說明農(nóng)地小流域內(nèi)發(fā)生的淺層滑坡不僅數(shù)量多，而且規(guī)模較大。本次調(diào)查中淺層滑坡破損面積的最小值為12.0 m，出現(xiàn)在人工林小流域內(nèi)，人工林小

流域內(nèi)淺層滑坡破損面積的平均值也低于農(nóng)地小流域和次生林小流域，表明人工林能有效降低流域內(nèi)淺層滑坡的數(shù)量和規(guī)模。次生林小流域內(nèi)淺層滑坡的數(shù)量密度和面積密度均為3個(gè)小流域中最小，說明次生林對極端暴雨引發(fā)的淺層滑坡具有顯著的預(yù)防效果。

3.4 地形與淺層滑坡的關(guān)系

由圖4可知，農(nóng)地小流域內(nèi)發(fā)生淺層滑坡的坡度為10°～60°，其中40°～50°的坡面上淺層滑坡數(shù)量占比和淺層滑坡破損面積占比最大，分別為45.4%和48.0%；人工林小流域內(nèi)發(fā)生淺層滑坡的坡度10°～80°，其中40°～50°的坡面上淺層滑坡數(shù)量占比和淺層滑坡破損面積占比最大為56.7%和72.5%；次生林小流域內(nèi)發(fā)生淺層滑坡的坡度為10°～60°，其中40°～50°范圍內(nèi)淺層滑坡數(shù)量占比和淺層滑坡破損面積占比最大為39.0%和49.7%。可見，研究流域內(nèi)淺層滑坡的發(fā)生坡度均在10°以上，坡度<10°的坡面上均未發(fā)生淺層滑坡。在農(nóng)地小流域、人工林小流域、次生林小流域內(nèi)，淺層滑坡數(shù)量與淺層滑坡破損面積均隨著坡度的增大先增大后減小，在40°～50°的坡面上淺層滑坡數(shù)量與破損面積均為最大，說明在該范圍內(nèi)，淺層滑坡最容易發(fā)生，即研究區(qū)內(nèi)淺層滑坡在不同土地利用類型的小流域中最容易發(fā)生在40°～50°的坡面上。

圖4 不同坡度下的淺層滑坡數(shù)量與面積

由圖5可知，農(nóng)地小流域內(nèi)的淺層滑坡分布于45°～315°的坡向范圍內(nèi)，淺層滑坡數(shù)量和淺層滑坡破損面積分別在225.0°～247.5°和90.0°～122.5°的坡向上達(dá)到峰值，占比18.4%和25.8%；人工林小流域內(nèi)淺層滑坡分布于45.0°～337.5°的坡向范圍內(nèi)，淺層滑坡數(shù)量和淺層滑坡破損面積分別在157.5°～180.0°和112.5°～135.0°的坡向上達(dá)到峰值，占比14.7%和18.8%；次生林小流域內(nèi)淺層滑坡分布于22.5°～337.5°的坡向范圍內(nèi)，淺層滑坡數(shù)量和淺層滑坡破損面積分別在135.0°～157.5°和112.5°～135.0°的范圍內(nèi)達(dá)到峰值，占比17.1%和23.2%?？梢园l(fā)現(xiàn)，農(nóng)地小流域內(nèi)坡向?yàn)?15.0°～45.0°的坡面、人工林小流域內(nèi)337.5°～45.0°的坡面、次生林小流域內(nèi)337.5°～22.5°的坡面均未發(fā)生淺層滑坡，即本次極端降雨過程中蔡家川流域內(nèi)的陰坡均未發(fā)生淺層滑坡，這很可能是蔡家川流域?yàn)闁|西走向，陰坡多為支溝的溝頭，占比較小所致?？傮w而言，蔡家川流域內(nèi)的淺層滑坡數(shù)量和破損面積在隨坡向變化上并未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律，說明坡向?qū)τ跍\層滑坡發(fā)生的影響可能不大。

圖5 不同坡向下的淺層滑坡數(shù)量與面積

4 討 論

4.1 地面植被對淺層滑坡發(fā)生的影響

通常認(rèn)為，地面植被的存在對于預(yù)防淺層滑坡的發(fā)生具有積極的作用。植被冠層對于誘發(fā)淺層滑坡的降雨有截留作用，通過林冠對降雨的再分配，減少了到達(dá)地面的雨水量，從而有可能降低淺層滑坡發(fā)生可能性；同時(shí)植被的根系不僅能夠團(tuán)聚松散的土體，還能夠有效改善土體的力學(xué)性質(zhì)，通過橫向摩擦和縱向錨固作用增加土體的變形能力和抗剪強(qiáng)度，提高坡體的穩(wěn)定性，降低淺層滑坡發(fā)生的可能；此外，植被能作為淺層滑坡滑動(dòng)路徑上的攔擋物，能阻礙淺層滑坡的運(yùn)動(dòng)，控制淺層滑坡的破損面積。然而，由表4可知，本研究的3個(gè)小流域植被覆蓋度均高于85%，且都觀察到大量淺層滑坡的發(fā)生，說明植被在防治淺層滑坡的作用上仍然具有一定限度。在植被狀況良好的地區(qū)內(nèi)發(fā)生的淺層滑坡的相關(guān)報(bào)道屢見不鮮，如2019年7月23日災(zāi)難性淺層滑坡發(fā)生于貴州水城縣內(nèi)較高植被覆蓋區(qū)域，2013年7月25日甘肅天水市森林地區(qū)發(fā)生大規(guī)模群發(fā)性淺層滑坡，2018年9月2日云南文山州麻栗坡縣上千余處淺層滑坡-泥石流災(zāi)害發(fā)生在高植被覆蓋區(qū)。本次調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，發(fā)生淺層滑坡的坡面植被蓋度均在82%以上，可見植被的存在并不能完全杜絕淺層滑坡的發(fā)生。

表4 不同小流域類型內(nèi)淺層滑坡處的植被類型與覆蓋度

但是，在小流域尺度上，土地利用類型/植被類型是影響淺層滑坡的重要因素。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不同土地利用類型的小流域內(nèi)單位面積上的淺層滑坡數(shù)量和破損面積差異顯著，其中農(nóng)地小流域內(nèi)單位面積上淺層滑坡數(shù)量最多，破損面積最大，人工林小流域單位面積上淺層滑坡數(shù)量居中，破損面積居中，而次生林小流域單位面積上淺層滑坡數(shù)量最少，破損面積最小。這表明不同土地利用類型對小流域內(nèi)的淺層滑坡的發(fā)生起到?jīng)Q定性作用，尤其群落結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、物種多樣性更為豐富的次生林對預(yù)防淺層滑坡的發(fā)生有更好的效果。有研究也指出，草木結(jié)合種植對于提高邊坡穩(wěn)定性的效果優(yōu)于種植單一草本或喬木。草灌組合植被對邊坡土體抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)效果大于單一草本或灌木。這可能是次生林與人工林和農(nóng)地相比，有著更為復(fù)合的林冠結(jié)構(gòu)與根系系統(tǒng)，在延緩雨水入滲、增加土體抗剪強(qiáng)度、阻攔淺層滑坡運(yùn)動(dòng)等方面的效果更佳。因此，在黃土高原通過實(shí)施大面積退耕還林工程，坡面植被得以有效恢復(fù)的同時(shí)，如何采取有效的植被管控措施，促進(jìn)植被向結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、層次多樣化、物種豐富化的方向演替，是在小流域尺度上防治極端暴雨引起淺層滑坡發(fā)生的有效措施。

4.2 地形對淺層滑坡發(fā)生的影響

坡度顯著影響著巖石與土壤的應(yīng)力分布，對于淺層滑坡的發(fā)生與發(fā)育具有重要作用。本研究在農(nóng)地小流域、人工林小流域、次生林小流域內(nèi)均觀察到淺層滑坡的數(shù)量與破損面積隨著坡度的增大先增加后減少，且峰值出現(xiàn)在40°～50°的坡面上，說明極端暴雨引發(fā)的淺層滑坡主要發(fā)生在40°～50°的坡面上。本次調(diào)查結(jié)果同其他關(guān)于坡度對淺層滑坡影響的研究結(jié)論有所不同，袁康等發(fā)現(xiàn)，淺層滑坡最易發(fā)生于20°～30°的范圍內(nèi)，而吳昊等發(fā)現(xiàn)，淺層滑坡最易發(fā)生在50°～60°的范圍內(nèi)，調(diào)查結(jié)果的差異可能是由于研究區(qū)域獨(dú)特的地理位置、地貌條件，甚至誘發(fā)淺層滑坡的強(qiáng)降雨事件等多種因素導(dǎo)致。但這些研究都表明，淺層滑坡最易發(fā)生的坡度均處在研究區(qū)坡度分級的中間位置，這可能與淺層滑坡發(fā)生的力學(xué)條件密切相關(guān)。本研究確定了晉西黃土區(qū)在極端降雨條件下淺層滑坡最易發(fā)生于40°～50°的坡面上，因此需要著重做好該范圍內(nèi)的護(hù)坡措施以預(yù)防極端降雨誘發(fā)的淺層滑坡。

相較于坡度而言，本研究反映出坡向?qū)\層滑坡的影響較小，淺層滑坡數(shù)量與破損面積隨坡向并沒有明顯的變化規(guī)律。與坡度對淺層滑坡發(fā)生的直接影響不同，坡向是通過影響太陽輻射和水汽分布，造成土壤、地表植被的和降雨的差異性，進(jìn)而間接影響淺層滑坡的發(fā)生與發(fā)育過程。在本研究中，研究區(qū)域較小，坡向?qū)τ谕寥?、地表植被和降雨等方面的影響并不顯著，對淺層滑坡的間接影響較小，不是影響淺層滑坡的主導(dǎo)因素。

5 結(jié) 論

(1)極端降雨降雨量為年平均降雨量的31.2%，達(dá)到了161.3 mm，降雨歷時(shí)84 h，峰值降雨強(qiáng)度7 mm/h，平均降雨強(qiáng)度2.1 mm/h，發(fā)生該種程度降雨頻率為0.16%，為625年一遇的極端暴雨。

(2)蔡家川流域內(nèi)的農(nóng)地小流域、人工林小流域和次生林小流域共計(jì)發(fā)生淺層滑坡479 處，破損面積達(dá)183 881.3 m，80%的淺層滑坡破損面積在529 m以下，90%的淺層滑坡面積小于885 m。

(3)單位面積上淺層滑坡的數(shù)量與破損面積均表現(xiàn)為農(nóng)地小流域(214個(gè)/km，109 241 m/km)>人工林小流域(163個(gè)/km，48 779 m/km)>次生林小流域(42個(gè)/km，17 176 m/km)，在小流域尺度上森林植被對淺層滑坡的防治作用顯著高于農(nóng)地，且次生林地預(yù)防淺層滑坡的作用優(yōu)于人工林地。

(4)淺層滑坡發(fā)生的坡面坡度為10°～80°，淺層滑坡數(shù)量與破損面積均隨著坡度的增大而增大，在40°～50°范圍內(nèi)達(dá)到峰值，坡度大于50°后，淺層滑坡數(shù)量與破損面積隨坡度增大而減少，坡度是影響淺層滑坡的主導(dǎo)因素。

(5)淺層滑坡主要發(fā)生在坡向?yàn)?2.5°～337.5°的坡面上，淺層滑坡數(shù)量和破損面積隨坡向變化并未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，坡向?qū)\層滑坡的影響不大。