河北太行山區(qū)土地利用類型對泥石流災害的敏感性分析

楊 萌，曹洪洋，李 曉

1.河北地質大學 勘查技術與工程學院，河北 石家莊 050031；2. 石家莊學院 資源與環(huán)境科學學院，河北 石家莊 050035

泥石流是我國常見的地質災害之一，具有突發(fā)性強、持續(xù)時間短、來勢兇猛等特點[1]。泥石流通常發(fā)生在山區(qū)、地形險峻地區(qū)和其他溝壑由于暴雨暴雪等引起的山體滑坡，并攜帶大量的泥沙、碎塊等的特殊洪流，是地質、地貌、水文、植被等綜合作用的結果。泥石流的爆發(fā)嚴重威脅著下游地區(qū)人民的生命財產安全、農田土地、道路交通等社會基礎設施，破壞自然生態(tài)環(huán)境，嚴重制約著社會經濟的發(fā)展[2]。土地利用是人類與自然環(huán)境密切交叉的領域，涉及國家經濟安全、生態(tài)安全、糧食安全關系到經濟發(fā)展全局[3]。在城鄉(xiāng)一體化背景之下，土地利用是我國農業(yè)生產建設的關鍵，是人類有目的地開發(fā)利用土地資源的一切活動，人類在利用土地資源促進社會經濟發(fā)展的同時，也引起土地覆蓋的變化,并對地質環(huán)境產生巨大的影響,對人類社會的生存和發(fā)展構成極大的威脅[4-6]。

河北太行山區(qū)構造運動強烈，斷裂與節(jié)理十分發(fā)育[7-9]，在其獨特的地質環(huán)境背景下極易發(fā)生泥石流和滑坡等地質災害。泥石流災害不僅與地質環(huán)境相關，土地利用類型也是泥石流災害發(fā)生的重要因素，人類工程建設活動、陡坡種植等不合理的土地利用方式均能促進泥石流災害的發(fā)生[10-13]。

以往學者對泥石流的研究往往是定性的，定量研究較少，特別是人類活動對地質災害之間的潛在關系研究較少。在此背景下，定量研究二者關系尤為重要，本文以河北太行山區(qū)歷史泥石流數據和遙感數據為研究基礎，基于遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)建立敏感性分析模型，定量分析土地利用類型與泥石流災害二者之間的敏感性關系，研究成果將為合理的利用土地資源，減少土地利用對泥石流災害的影響及土地利用結構的調整和泥石流的防災減災提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理概況

河北太行山位于河北省西部(圖1)，地理坐標介于36°13′～39°30′ N，113°30′～115°44′ E之間，北起騾切崖山、小五臺山、靈山一線，南至漳河，西與山西省為鄰，東接河北平原，南北蜿蜒420 km，海拔100～2 000 m[14]。地勢西高東低，由西向東至渤海灣依次呈下降趨勢?？蓜澐譃橹猩健⒅械蜕健⒌蜕胶颓鹆晁膫€區(qū)，泥石流主要發(fā)生在中低山區(qū)，山坡坡度較大。屬于暖溫帶半干旱氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，年降水量為550～800 mm，主要集中在七、八月份，日降雨量最大可達300 mm。

圖1 河北太行山區(qū)地理位置和泥石流分布圖Fig.1 Geographical location and debris flow map of the study area

圖2 部分泥石流流域圖Fig.2 Partial debris flow basin map

1.2 泥石流概況

河北太行山區(qū)主要包括石家莊、保定、邯鄲、邢臺四個地區(qū)，研究區(qū)1996—2013年發(fā)生泥石流災害223處。泥石流災害空間分布不均衡，主要集中在石家莊西部，爆發(fā)的泥石流占整個區(qū)域的42.15%；保定次之，占33.63%；邢臺泥石流占比最少，只占全區(qū)的7.62%(表1)。圖2為邢臺市部分典型泥石流流域圖。從時間上看，泥石流災害主要發(fā)生在1996年、2002年、2010年、2011年，其中大部分泥石流災害主要發(fā)生在7—8月雨季。

表1 1996—2013年河北太行山區(qū)泥石流區(qū)域分布表Table 1 Regional distribution of debris flow in Taihang Mountain area, Hebei Province, 1996-2013

2 研究數據與方法

2.1 研究數據

根據數據的有效性和可獲取性，Landsat衛(wèi)星遙感數據是比較理想的數據源，具有覆蓋范圍大、分辨率高、重復率大等特點[15-16]。論文以太行山區(qū)歷史泥石流災害數據為基礎，結合來源于地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)的影像數據和數字高程模型(DEM)數據，DEM數據空間分辨率為30 m；影像數據是河北太行山區(qū)2000年、2006年和2013年的Landsat TM/ETM+衛(wèi)星多光譜遙感資料，空間分辨率30 m，共計31景，影像質量較好(表2)。

研究在ENVI 5.1和ArcGIS 10.2平臺下進行遙感影像解譯和泥石流災害的分析等工作。

表2 2000年、2006年和2013年太行山區(qū)Landsat遙感影像匯總Table 2 Landsat remote sensing image summary in Taihang Mountain, 2000, 2006 and 2013

2.2 研究方法

泥石流影響因子的定量研究是基于歷史數據進行的，而信息量模型正是以相似頻率為基礎的概率統(tǒng)計模型，是基于歷史數據完成的，因此將信息量模型引入泥石流研究是可行的。信息量模型是由我國學者殷坤龍和宴同珍提出[17]，其理論基礎是信息論。近年來，學者將信息量模型引入地質災害領域，廣泛應用于滑坡敏感性分析[18]。信息量模型利用信息熵的概念定量分析各種因素綜合作用下地質災害易發(fā)性的模型，是進行區(qū)域地質災害預測評價的一種有效方法，信息量值越大發(fā)生災害的可能性越大。

在進行不同土地利用方式對泥石流活動的敏感性分析研究時，由于泥石流具有流域面狀的特征，因此在進行土地利用對泥石流敏感性分析采用面積分析，利用式(1)計算不同土地利用方式對泥石流的敏感性。

SCDi=ln(Hi/D)=ln[(ANLi/ALi)/(AN/AT)]

(1)

式中：SCDi表示研究區(qū)內第i類土地利用方式的敏感性；ANLi表示泥石流流域中第i類土地利用方式的面積；ALi研究區(qū)內第i類土地利用方式的面積；AN研究區(qū)內泥石流出現的總面積；AT表示研究區(qū)的總面積。

SCD為正值，表示敏感，并且值越大敏感性越高，反之SCD為負值，表示不敏感，該值越小敏感性越低，災害發(fā)生率越低。

3 土地利用對泥石流的敏感性分析

在ENVI 5.1和ArcGIS 10.2軟件支持下，首先對2000年、2006年和2013年太行山區(qū)影像進行分類；其次對DEM進行坡度分級得到不同坡度級別上的泥石流災害狀況；最后由敏感性模型計算不同年份、不同坡度等級上土地利用對泥石流的敏感性。

3.1 不同年份土地利用現狀

根據太行山區(qū)1996—2013年發(fā)生泥石流的情況，選取具有代表性TM、ETM+遙感影像，首先對影像進行拼接、裁剪、校正等預處理，其次選取band5、band4、band3多波段合成假彩色圖像，應用最大似然法進行監(jiān)督分類，將太行山地區(qū)的土地利用類型分為耕地、水體濕地、城鄉(xiāng)建設用地、裸地和林地五大類(表3)。總體分類精度分別為 98.381%、96.033%和97.644%，分類結果良好。

從表3可以看出，研究區(qū)內土地利用類型以林地、耕地、城鄉(xiāng)建設用地為主。

2000—2006年間，耕地、水體濕地、城鄉(xiāng)建設用地面積均有不同程度的增加，其中城鄉(xiāng)建設用地面積增加的最多，由3.09×103km2增加到3.81×103km2，共計增加0.72×103km2，變化幅度占總土地面積的2.05%；林地有減少現象，由23.05×103km2減少到22.4×103km2，共計減少1.85×103km2。

2006—2013年間，水體濕地、城鄉(xiāng)建設用地、林地面積均有所增加，城鄉(xiāng)建設用地面積增加的幅度最大，增加了3.27×103km2，變化幅度占比9.30%；其次為林地，在7年間增加了1.2103km2。耕地面積減少幅度最大，由8.16×103km2減少到3.76×103km2，總共減少了4.4×103km2，變化幅度占比12.51%。

表3 2000—2006年、2006—2013年土地利用類型面積及變化表 單位：面積(103 km2)、比例(%)Table 3 Land use type area and change table from 2000 to 2006 and 2006 to 2013

總的來說，2000—2013年間土地面積變化的主要趨勢是隨著耕地的減少，城鄉(xiāng)建設用地明顯增加。變化幅度由大到小依次為：耕地、城鄉(xiāng)建設用地、林地、裸地及水體濕地。

3.2 不同坡度等級下泥石流數量

坡度是發(fā)生泥石流災害的重要因素，其大小直接影響著泥石流災害的發(fā)生。本文將兼顧坡度影響因子定量分析土地利用對泥石流的敏感性。

本文在ArcGIS平臺下對DEM數據進行坡度提取，將坡度分為0°～5°，5°～15°，15°～25°，25°～35°，35°～45°，45°～55°，55°～65°和65°～90°八個等級。計算每個坡度等級占研究區(qū)總面積的百分比(圖3)。利用ArcGIS工具將坡度數據圖層和泥石流災害點數據圖層進行疊加，得到泥石流災害在不同坡度等級上的分布情況(圖4)。

圖3 不同坡度等級面積百分比 圖4 不同坡度等級上泥石流數量Fig.3 Percentage of different grades Fig.4 Number of debris flows on different grades

由圖3可知，研究區(qū)內斜坡以低坡和中緩坡為主，0°～5°范圍內太行山區(qū)內有白洋淀等眾多河流、水域，因此此范圍內斜坡占比較，約為36.21%；5°～35°的斜坡占了絕大部分面積，占研究區(qū)總坡度的62.41%；尤以5°～25°范圍內的斜坡占54.50%，幾乎占坡度總面積的一半。

根據圖4所示，研究區(qū)內泥石流主要分布在坡度為5°～15°的范圍內，數量為122個，占研究區(qū)泥石流總數的55%；其次為坡度在之間0°～15°和25°～35°之間，分別為31個和53個，數量分別占研究區(qū)泥石流總數的14%和24%；在坡度>35°的范圍內泥石流災害發(fā)生的數量最少。由此表明太行山區(qū)最有利于泥石流發(fā)育的坡度范圍為5°～35°間。通過對比圖3和圖4發(fā)現，太行山區(qū)內不同坡度等級上泥石流數量的分布與不同坡度等級的面積比例基本吻合。

3.3 各坡度等級下不同土地利用方式對泥石流的敏感性

在ArcGIS平臺下，對解譯出的土地利用方式與坡度等級圖層進行疊加處理，得到泥石流流域在不同坡度等級上的土地利用方式的面積。由敏感性模型(式1)計算不同年份、不同坡度等級下土地利用類型對泥石流的敏感性SCD(各坡度等級分別用1～8表示，見表4、圖5)。

由表4和圖5可知，不同的土地利用方式在不同坡度等級下對泥石流的敏感性不同。

具體來說，河北太行山區(qū)泥石流災害，總體上隨著坡度的增加，各類土地利用方式的敏感性值都有增加的趨勢，當坡度在15°～35°之間時，隨著坡度的增加，城鄉(xiāng)建設用地、林地、裸地的敏感性值快速增加達到最大值。

表4 泥石流在不同土地利用和不同坡度上的敏感性Table 4 Sensitivity of debris flow to different land uses and different slopes

注：/表示該類土地中沒有發(fā)生泥石流災害。

圖5 不同年份不同坡度等級土地利用類型對泥石流的敏感性Fig.5 Sensitivity of land use types to debris flow in different grades in different years

由圖5(a)可知，2000年期間，在暴雨的作用下泥石流災害較多，結合坡度的分布情況，研究區(qū)內對泥石流最為敏感的是40°～45°的水體濕地(SCD=2.60)；其次為40°～45°的林地(SCD=1.61)，再次為35°～45°的水體濕地(SCD=1.37)；15°～35°的水體濕地、林地和25°～35°的裸地對泥石流較敏感，敏感性值0SCD1。40°～45°的耕地、城鄉(xiāng)建設用地和裸地以及55°～90°之間沒有泥石流分布對泥石流最不敏感；其次為0°～5°的耕地、城鄉(xiāng)建設用地、5°～15°的裸地、35°～45°的城鄉(xiāng)建設用地SCD-2.0，草地、5°～45°的水體濕地、15°～35°的城鄉(xiāng)建設用地，低海拔的裸地和林地的SCD-1.0對泥石流較不敏感。

由圖5(b)可知，就土地利用類來說，2006年城鄉(xiāng)建設用地對泥石流災害的敏感性最好。當坡度在5°～25°時，研究區(qū)內耕地、水體濕地、城鄉(xiāng)建設用地和林地對泥石流的敏感性達到最大值，在該坡度范圍內易發(fā)生泥石流，其中最為敏感的是的城鄉(xiāng)建設用地(SCD=0.51)；隨著坡度的增加敏感性逐漸下降，35°～45°的林地對泥石流的敏感性最小(SCD=-3.33)。

由圖5(c)可知，2013年水體濕地對泥石流最為敏感，其次為城鄉(xiāng)建設用地。在不同坡度等級下，城鄉(xiāng)建設用地、水體濕地、林地對泥石流的敏感性在25°～35°間達到該類土地的最大值，水體濕地對泥石流的敏感性最大(SCD=1.12)，其次為15°～25°的耕地(SCD=-0.70)，該年份裸地中沒有泥石流分布其對泥石流的敏感性最差。

4 結論與建議

4.1 結論

文利用多波段遙感影像，分析了2000年、2006年和2013年三個不同時期河北太行山區(qū)土地利用類型，利用信息量模型綜合分析了不同坡度等級下土地利用對泥石流的敏感性，主要結論有：

(1)利用敏感性分析模型定量分析該區(qū)域不同坡度等級下土地利用對泥石流災害的敏感性，研究結論為：5°～35°坡度范圍內極易發(fā)生泥石流，當坡度>45°時幾乎沒有泥石流災害發(fā)生，當坡度在15°～35°之間時，隨著坡度的增加，城鄉(xiāng)建設用地、林地、裸地的敏感性值快速增加達到最大值；研究區(qū)內的易導致泥石流災害發(fā)生的土地利用類型依次為中海拔高度的水體濕地、城鄉(xiāng)建設用地及耕地，低海拔高度的耕地、城鄉(xiāng)建設用地；高海拔高度的林地和裸地、低海拔高度的水體濕地對泥石流最不敏感。

(2)綜合3個時間段，研究區(qū)城鄉(xiāng)建設用地、耕地對泥石流災害較為敏感，隨著城鄉(xiāng)建設用地面積逐漸增加，對泥石流災害逐漸敏感，表明人類活動對泥石流災害的發(fā)生具有一定的促進作用。同時，裸地、林地對泥石流災害的敏感性較低，說明林地可防止水土流失，減少泥石流災害的發(fā)生，故可通過提高植被覆蓋率，發(fā)展林地減少泥石流災害。水體濕地對泥石流災害有一定的影響，在暴雨的作用下極易引發(fā)泥石流。

4.2 建議

論文研究過程中受到基礎數據的影響，很多工作還需進一步的研究完善：

(1)研究所采用的Landsat TM/ETM+數據，，分辨率相對較低，對土地利用分類的精度有一定的影響，擬在后期研究中將更高分辨率的影像引入到本項研究中。

(2)泥石流的形成分布與地形、氣候、地質、人類活動等因素有關，論文僅分析了不同坡度級別上人類活動對泥石流的影響，后期還將考慮降雨、地層巖性等因素進行綜合分析，并運用多種模型進行對比分析，得到更加精確的結果。