喜馬拉雅山地區大型泥石流遙感調查與發育特征研究

童立強，聶洪峰，李建存，郭兆成

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

喜馬拉雅山地區是我國地質災害最為嚴重的區域之一。地質災害對當地社會經濟發展和生態環境帶來了極大危害，每年造成直接經濟損失數以億計。區內主要的地質災害包括滑坡、泥石流、崩塌、凍脹融沉、碎石流和冰湖潰決等，每年汛期均有險情發生。近幾年來，隨著全球溫室效應加劇，氣溫上升，喜馬拉雅山地區的冰川正以平均10～15 m/a的速度退縮，成為全球冰川退縮最快的區域之一。伴隨著生態環境的進一步惡化，喜馬拉雅山地區的滑坡、泥石流、崩塌和冰湖潰決等地質災害的發生頻率有逐步增高的趨勢[1-4]。

研究區地曠人稀、山高路險，空氣稀薄，地質災害的實地調查極為困難。以往的地質災害研究或調查工作，多是針對典型的小流域地區[5-7]，或針對大型工程的沿線地區開展[8-10]，尚沒有覆蓋全區的高精度調查成果，所得到的區域尺度的地質災害分布、發育特征與形成規律具有一定的局限性。而遙感調查方法具有視域廣、數據采集快、連續觀察和不受地形限制等特點，近些年來在地質災害調查領域得到廣泛應用[11]。中國地質調查局于2006年部署了“喜馬拉雅山地區重大地質災害遙感調查”項目，以期基于多源遙感數據獲取喜馬拉雅山地區地質災害的類型和空間分布等信息，總結該區域地質災害的形成條件與發育規律，為區域減災防災工作提供基礎數據和科學決策依據。

本文是“喜馬拉雅山地區重大地質災害遙感調查”項目的總結成果之一。以研究區多源遙感數據為基礎，通過建立各種類型泥石流的遙感解譯標志，采用人機交互和目視解譯的方法獲取喜馬拉雅山地區泥石流的類型、空間分布及發育特征等信息;利用GIS空間分析手段，對泥石流分布及其背景環境數據進行疊置分析，研究和總結泥石流的水源類型、長度、形態、比降、集水區面積和運動方向等發育特征;定量統計泥石流在工程地質巖組、地質構造、地形地貌、土地利用類型、植被蓋度、降水量與氣候等不同環境背景條件中的指標，分析泥石流的形成條件及其與外部影響因素的關系，總結喜馬拉雅山地區泥石流的發育規律，為喜馬拉雅山地區減災防災工作提供基礎數據和科學決策依據。

1 研究區概況

研究區位于我國西藏自治區南部，西起阿里地區的札達縣、葛爾縣，東側以雅魯藏布江為界，北界為雅魯藏布江大斷裂，南至國界，地理范圍在E 78°～95°30′，N 26°～33°之間;東西長約 1 700 km，南北寬約60～250 km，總面積約170 000 km2(圖1)。

圖1 研究區位置與范圍示意圖Fig.1 Sketch map of location and boundary of study area

喜馬拉雅山是近EW走向的山系，由許多平行山脈組成，地勢總體上南坡陡峻、北坡平緩，西高東低、北高南低;海拔高度由西北向東南呈階梯式遞降，西部平均海拔5 000 m以上，東部平均海拔4 700 m左右。研究區內的河流分屬雅魯藏布江和朗欽藏布江2大水系。雅魯藏布江發源于喜馬拉雅山北麓仲巴縣境內的杰馬央宗冰川，全長2 057 km，流域面積24×104km2，流域平均海拔約4 500 m;朗欽藏布江主要在札達縣境內。其他河流有孔雀河、吉隆藏布、波曲、澎曲、康布麻曲、洛扎雄曲和達旺河等[12-15]。

區內地層發育齊全且復雜多變，以大面積出露前寒武系變質巖和從奧陶紀至新近紀基本連續沉積的海相地層為特點，顯生宇沉積地層總厚度達12 500 m。區內巖漿巖活動較強烈，具有活動期次多、類型多、階段性強等特點。侵入巖主要為花崗巖類，以元古宙及奧陶紀花崗巖和中新世淡色花崗巖為主，侏羅紀花崗巖僅有個別巖體出露，多集中于高喜馬拉雅帶和拉軌崗日帶，顯示了花崗巖形成時代自南至北由老變新的趨勢[15-17]。喜馬拉雅山經歷了多期、多層次的構造變形，在大地構造位置上屬岡瓦納北緣特提斯構造域晚古生代—中生代岡底斯—喜馬拉雅構造區，分為印度陸塊、印度河—雅魯藏布江結合帶和拉達克—岡底斯—拉薩—騰沖陸塊3個二級構造單元;從南到北可劃分低喜馬拉雅、高喜馬拉雅、北喜馬拉雅南帶、康馬—隆子、雅魯藏布江、拉薩—察隅和岡科布斯坦—達拉克等7個構造-地層分區[16-17]。

2 數據與方法

2.1 數據

2.1.1 遙感數據

因研究區范圍跨度大，同一顆衛星的遙感圖像數據難以一次覆蓋整個研究區，故本文采用了多種衛星不同傳感器獲取的遙感圖像。各類遙感數據的基本特征與數據預處理情況詳見表1。

表1 遙感數據源及其基本特征Tab.1 Remote sensing data sourcers and their basic characteristics

2.1.2 區域背景數據

除遙感數據外，本文采用的其他數據還包括地質、地形和氣候區資料等。其中，地質資料主要采用最新的1∶25萬區域地質調查成果;地形資料為1∶25萬DEM和區域地形圖;降雨及氣候區資料為中國自然地理圖集附圖及亞東縣等10個氣象臺站采集的近50 a以來的降雨量和氣象資料;土地利用資料為全國第一次土地詳查成果。

2.2 方法

本文采用的遙感調查方法包括建立泥石流遙感解譯標志以及人機交互與目視解譯。利用GIS空間分析手段，通過疊置統計泥石流分布與工程地質巖組、地質構造、地形地貌、土地利用類型、植被蓋度和氣象等不同環境背景數據，定量分析喜馬拉雅山地區泥石流的形成條件及其與影響因素的關系，總結泥石流的發育規律。限于篇幅，本文著重介紹泥石流的解譯標志和用于泥石流分類的影像特征。

2.2.1 泥石流解譯標志

研究區內泥石流的遙感影像特征在災害的不同部位、不同地形地貌區及不同地質特點區有所差別。泥石流在遙感圖像中呈明顯的不規則條帶狀、蝌蚪狀、瓢狀等形態，其邊界多齒狀、不光滑，前端多呈舌狀，后端呈瓢狀，在喇叭狀溝谷出口處呈扇狀或錐狀。泥石流物源區的巖石破碎、物源豐富，在遙感圖像中沖溝發育，植被不發育，第四紀松散堆積物較多;流通區往往有陡坡地，形成新鮮的碎屑流;堆積區為溝谷下游出口，地形突變為平緩、呈扇型，有較強的浮雕凸起感，表面有流水形成的網狀細溝等(圖2)。

圖2 泥石流遙感解譯標志Fig.2 Remote sensing interpretation keys of debris flow

研究區內泥石流的分布在遙感圖像中多呈陡立而平直的淺溝和充滿蝌蚪狀堆積物的坡腳，有時堆積物呈串珠狀排列于坡腳，形成堆積扇群(圖3)。泥石流區的整體色調、影紋特征與其周圍植被較發育或基巖區差異明顯。泥石流扇的色調與基巖區和風化堆積物的色調近乎一致，其區別在于色調飽和度和明度有較大的差異。新形成的泥石流堆積體因其內部水分充足，色調的飽和度較高，亮度比背景的低;干涸的泥石流堆積體則與之相反。泥石流內部的色調多不均一，有時呈紊亂的色調;泥石流的影像花紋多呈斑狀、斑點狀，花紋結構較粗糙[18]。

圖3 泥石流群立體影像圖Fig.3 3D image of debris flow

2.2.2 泥石流分類

根據遙感技術的特點和遙感能夠識別的泥石流類型，泥石流的分類系統主要有規模分類、水源類型分類和發育階段分類。按照泥石流堆積區的面積，可分為巨型(堆積體面積＞0.5 km2)和大型(堆積體面積0.5～0.2 km2)泥石流;按照水源條件，可分為雨水型、冰雪融水型、潰決型和混合型泥石流;按照泥石流的發育階段特點和溝谷的碎屑物質及勢能條件，可分為發育期、旺盛期、衰敗期及停歇期泥石流。發育期泥石流的上游侵蝕、溝道和沉積扇都不明顯，僅有零星的泥石流沉積物。旺盛期泥石流的上游侵蝕強烈，各類不良地質過程發育;溝道和沖積扇上有明顯的泥石流沉積物并有多條流路，沖積扇上無灌叢和林木，僅有稀疏的雜草。衰敗期泥石流的上游已侵蝕到分水嶺，有堅硬的基巖出露;侵蝕溝兩側雜草叢生，溝道內階地發育，形態明顯;沖積扇已無明顯的泥石流堆積，有灌叢和林木生長，溝道固定。停歇期泥石流是指泥石流已經停止活動，與衰敗期泥石流的影像特征類似，區別是其河道坡降更小，勢能條件更差[19-21]。

3 大型泥石流空間分布

喜馬拉雅山地區共分布有大型以上泥石流361條(其中巨型泥石流353條、大型泥石流8條)。根據所獲取的研究區泥石流的坐標位置信息，區域泥石流災害的空間分布具有如下特點:

1)叢集性分布。研究區內存在16個泥石流集中片區:雅魯藏布江南岸米林縣段，隆子縣脫機拉山一帶，洛扎縣庫拉抗日北麓，康馬縣涅如堆鄉涅如藏布東岸，康馬縣康馬鎮、薩瑪達鄉江日曲兩岸，定結縣江嘎鎮、薩爾鄉葉如藏布西岸，定日縣曲當鄉通門一帶，定日縣扎果鄉至崗嘎鎮以東中尼公路段，聶拉木縣門布以西中尼公路段，聶拉木縣聶拉木鎮至亞來波曲段，吉隆縣扎隆溝以南吉隆溝兩岸，仲巴縣亞熱鄉西邊緣，札達縣達巴鄉西北部，札達縣城南部象泉河支流瑪朗曲兩岸，噶爾縣北西阿伊拉日山東麓和噶爾縣扎西崗鄉北西噶爾藏布兩岸(圖4)。

圖4 研究區泥石流分布Fig.4 Distribution of debris flows in study area

2)北坡最為發育。根據泥石流溝道的流向，喜馬拉雅山脈的北坡(陰坡)大型泥石流溝最多。其中，陰坡泥石流溝144條，西坡泥石流溝62條，東坡和南坡(陽坡)的泥石流分別有55條和53條，東北坡泥石流溝26條，其他3個方向的泥石流極少(表2)。

表2 研究區泥石流流向Tab.2 Flow direction of debris flows in study area

陰坡大型泥石流的數目是陽坡的2.7倍，大型泥石流在陰坡比陽坡更發育。例如洛扎縣喜馬拉雅山脈主脊的庫拉抗日山陰坡發育了近20條泥石流，但其陽坡卻沒有泥石流;距喜馬拉雅山脈主脊較遠的阿依拉日山的東北坡發育了19條泥石流，但其陽坡卻未解譯出泥石流。這種現象與有些人認為喜馬拉雅山陽坡地帶更易發育泥石流的認識[10-22]不同，有待進一步研究。

4 大型泥石流發育特征

研究區內的大型泥石流發育具有如下特征:

1)發育階段。大型泥石流多處于發育旺盛期，其中旺盛期222條，發育期52條，衰敗期44條，停歇期43條(表3)。

表3 研究區泥石流發育階段Tab.3 Evolution stages of debris flows in study area

2)水源類型。研究區內雨水型泥石流最多(254條，占泥石流總數的70%)，其次為冰雪融水型泥石流(107條，占泥石流總數的30%)。

3)溝道比降。大型泥石流的主溝道比降在200‰ ～100‰ 之間的最多(138條)，比降在300‰～200‰之間的泥石流溝有87條，比降小于100‰的泥石流溝有71條(表4)。由此可見，溝道比降過大時碎屑物不易原地留存，難以形成大型泥石流。

表4 泥石流溝道比降Tab.4 Channel gradients of debris flows

4)形態及溝道長度。研究區內漏斗狀泥石流232條，長條狀泥石流129條。泥石流的溝道長度主要集中在1～4 km范圍內。其中，溝道長度1～2 km的泥石流溝最多，其次為2～3 km的泥石流溝。溝道長的泥石流少，但災害規模相對較大(表5)。

表5 泥石流溝道長度Tab.5 Channel length of debris flows

5 大型泥石流形成的背景特征

5.1 基本條件

泥石流發育的基本條件是豐富的松散固體物質、有利的地形條件和充足的水源條件。其中地質條件為泥石流的形成提供了松散固體物質，控制著泥石流的空間分布與規模;而山坡坡度、溝道比降及地貌類型等只有達到一定范圍時，對泥石流的形成才是有利的;對泥石流產生影響的水源因素主要是降水量的變化[10]。

5.1.1 地質條件

1)工程地質巖組。泥石流災害與工程地質巖組之間的關系密切。從表6中的統計結果可以看出，在泥石流流域內，工程地質巖組面積分布比例較大的分別是軟弱巖夾較軟弱巖組、較堅硬巖與軟弱巖互層巖組、較軟弱巖夾軟弱巖組、較軟弱巖組、較堅硬巖夾軟弱巖組。相對來說，比較軟弱的巖石更易為泥石流的發育提供物源[18];軟硬巖互層的巖組由于易發生崩塌、滑坡等，也為溝谷泥石流的形成提供了物源條件。

表6 泥石流流域與工程巖組面積比重Tab.6 Ratios of catchment area of debrisflows and rock masse area

2)地質構造。地質構造是泥石流發育的控制性因素。本文利用GIS對泥石流發育個數與泥石流到斷層帶的距離進行了分析(圖5)。從圖5可以看出，泥石流發育的個數在總體上隨著泥石流到斷層帶距離的增大而急劇減小。泥石流主要發育在距斷層帶8 km以內;距斷層帶大于8 km后，泥石流發育的個數降低到一個較少而穩定的水平。由此可見，一方面斷層帶附近破碎的巖石為泥石流的形成提供了物源，另一方面斷層帶活動形成的陡峭溝谷又為泥石流的形成提供了地形條件。

圖5 泥石流條數與到斷層距離統計對比Fig.5 Relationship of number of debris flows and distance from debris flows to fault

5.1.2 地形地貌條件

1)地形。將泥石流流域與地形坡度信息進行疊置分析可以看出，研究區內泥石流流域內的地形坡度主要在5°～25°之間，其中絕大部分在5°～15°。隨著地形坡度的增高，大型泥石流發育的比例呈現先上升后下降的趨勢(表7)。

表7 泥石流流域內地形坡度Tab.7 Slopes in debris flow catchment

將泥石流分布與地形粗糙度進行空間疊置分析，統計結果(表8)顯示，泥石流發育和活動與地形粗糙度大致呈正相關關系，即地形的粗糙度越大、大型泥石流發育的概率越大。

表8 泥石流流域不同地形粗糙度的面積Tab.8 Areas of different levels of roughness in debris flow catchment

2)地貌。將泥石流分布與地貌類型進行空間疊置分析(表9)，結果表明，喜馬拉雅山地區的泥石流主要發生在相對高差和絕對高程都較大的地貌區域;相對來說，高位中山地貌區更易產生大型泥石流。

表9 不同地貌區內泥石流流域面積Tab.9 Areas of debris flow catchment in different geomorphologic region

5.1.3 水源條件

降雨量是衡量泥石流水源條件的重要指標。根據中國自然地理圖集[23]，對泥石流流域與降雨量空間分布圖進行疊置分析，結果見表10。泥石流數量與降雨量大致呈正態分布，泥石流流域內分布面積占區域分布面積比例最高的降雨量區間為300～400 mm/a，可見并不是降雨量越大、大型泥石流就越發育。通常情況下，暴雨常常是泥石流的激發條件。

表10 不同降雨量的泥石流流域面積Tab.10 Areas of debris flow catchment in different precipitations

5.2 其他影響因素

除直接控制泥石流形成的地質、地形地貌和水源條件外，植被覆蓋、土地利用等因素也對泥石流發育產生一定影響。

5.2.1 植被覆蓋

對泥石流流域與基于NDVI指標的區域植被覆蓋度圖進行疊置分析，結果見表11。泥石流流域總體上植被覆蓋較差，52%的泥石流流域內的植被覆蓋小于10%。泥石流流域面積與植被覆蓋度呈負相關，即從總體上看，植被發育差的區域更易發生泥石流。

表11 不同植被覆蓋區的泥石流流域面積Tab.11 Areas of debris flow catchment in different greenness region

5.2.2 土地利用類型

對泥石流流域與區域土地利用圖進行疊置分析，統計泥石流流域及其所屬各種土地利用類型的面積(表12)。107條冰雪融水泥石流占冰川及永久積雪區的10.08%;其他類型泥石流流域內草地、裸巖及裸地最多，有林地區泥石流最少，且多為停歇期。因此，裸巖及裸地、草地和荒草地是泥石流相對易發區。

表12 不同土地利用類型的泥石流流域面積Tab.12 Areas of debris flow catchment in different land use types

5.2.3 氣候區

根據中國自然地理圖集[23]，將氣候帶資料與泥石流流域進行空間疊置分析，結果見表13。溫帶草原氣候區發育泥石流205條，寒帶荒漠氣候區發育泥石流81條，溫帶落葉闊葉林氣候區發育泥石流54條(多處于停歇期)，溫帶森林草原氣候區發育泥石流19條，北亞熱帶季風性落葉闊葉、常綠闊葉林氣候區和中亞熱帶季風性常綠闊葉林氣候各發育1條泥石流。按泥石流條數密度分析，溫帶草原氣候區、溫帶落葉闊葉林氣候區和溫帶森林草原氣候區的泥石流條數密度大于區域平均值(2.14)，寒帶荒漠氣候區泥石流密度為1.62，其余氣候區基本不發育泥石流，最易于發育泥石流的是溫帶草原氣候區。

表13 不同氣候區中泥石流流域面積與密度Tab.13 Area and density of debris flows in different climatic zones

6 結論

1)喜馬拉雅山大型泥石流空間分布特征為:①具有叢集性特點，較為集中地分布在16個區域;②陰坡較陽坡發育，陰坡大型泥石流是陽坡的2.7倍。

2)喜馬拉雅山大型泥石流發育特征為:①水源類型以降雨為主，占泥石流總數的70%;②發育期多處于旺盛期，占泥石流總數的61%;③主溝道比降在200‰～100‰之間的最多;④標準形態的漏斗狀最多，占泥石流總數的64%;⑤溝道長度主要集中在1～4 km范圍內。

3)喜馬拉雅山泥石流形成背景特征為:①形成泥石流的松散堆積物質主要由軟弱巖夾較軟弱、較堅硬巖與軟弱巖互層等巖組提供;②地質構造活動提供了松散堆積物和陡峭溝道地形，泥石流主要發育在距斷層帶8 km以內的區域;③隨著斜坡坡度變大泥石流發育的比例呈現先上升后下降的趨勢;④泥石流發育和活動與地形粗糙度大致呈正相關關系，地形粗糙度越大泥石流發育的概率也越大;⑤高位中山地貌區更易產生泥石流;⑥降雨型泥石流在300～400 mm/a降雨量的區域比例最大;⑦泥石流流域面積與綠度呈負相關，植被覆蓋差的區域更易發生泥石流;⑧裸巖及裸地、草地和荒草地是泥石流相對易發的土地利用類型區;⑨最易發育泥石流的氣候區是溫帶草原氣候區。

限于本文的篇幅及遙感調查的工作性質，本文僅從宏觀上討論了喜馬拉雅山地區泥石流的分布、發育及其形成背景等特征。針對某些具體的問題(如泥石流在喜馬拉雅山地區南北坡分布差異的機制等)，還需進一步研究。

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