汶川地震震中地區崩滑體的植被恢復與長期效應

王飛龍， 陳 明， 王曉迪， 丁 軍， 張 皓

(1.中國建筑西南勘察設計研究院有限公司， 四川 成都 610052；2.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室， 四川 成都 610059)

在全球范圍內，地震一直以來被認為是山地地貌形成的重要驅動因子，也是誘發滑坡的主要因子之一，發生在山區的中至強級地震會觸發成千上萬的崩塌、滑坡。強震不僅引發大量的同震崩塌、滑坡，而且還會在震后很長時間內加劇斜坡的不穩定性。強震所造成的不僅僅是嚴重的人員傷亡、巨大的經濟損失，更重要地是對震區山地環境的長期效應及一系列的二次災害事件。近年來，在世界范圍內，大量的地質災害鏈被地震引發，例如1999年臺灣集集地震、2010年海地地震、2013年蘆山地震、2017年九寨溝地震[1-4]。發生在山地區域的大地震通常會造成大量崩塌、滑坡，對區域的植被覆蓋和生長造成嚴重影響。對植被產生的負面影響可能持續多年，植被恢復經歷動態變化。汶川地震造成了大面積的山體滑坡，剝離了很多植被。震后期間，崩滑體上植被開始恢復，并對減輕震后山地災害發揮了重要作用[5-6]。同時，植被根系對土壤抗剪強度具有明顯的增強作用[7-9]。恢復的植被也會改變坡面地表的水文特性。例如，恢復的植被冠層可以攔截降雨，減少滑坡表面的飛濺侵蝕。然而，在地震災害研究中，地震后植被恢復對崩滑體活動減少的影響尚未得到充分認識[10]，因此研究震后植被的恢復可以有效的預測滑坡的活動發展趨勢。

受地震后降水的干擾，這些松散堆積體和斜坡很容易被侵蝕運移，可能導致多年來泥沙輸移量增加[11-13]。然而，地震后觀測數據顯示，地震后滑坡高活動期僅持續了1～4 a[6]。盡管存在大量可侵蝕的松散物質，但地震后斜坡的侵蝕量遠遠小于估計量[14]，引發該地區泥石流的降雨最小閾值在地震后開始逐漸增加，這意味著植被因素在地震后減緩地質災害中發揮作用，崩滑體的植被恢復可能加強其自身穩定性；即使是早期演替植物(如草本植物)也可以減少滑坡發生淺層活動的可能性[8]。盡管影響滑坡植被恢復的因素很復雜，但恢復植被的存在至少表明松散沉積物和斜坡的瞬時穩定性，這種斜坡穩定性是植被恢復的先決條件。本文主要研究同震崩滑體上的植被覆蓋度恢復變化，這里崩滑體指崩塌、滑坡等坡面物質。崩滑體植被恢復狀況可以一定程度上反應其活動性，因此，研究崩滑體的植被恢復趨勢對于震后滑坡泥石流活動的趨勢預測具有關鍵性的作用。

1 研究區概況

本文主要選取汶川地震極震區同震崩塌、滑坡較多地區作為研究區域，進行特大地震后崩滑體植被覆蓋度恢復特征研究。研究區域位于中國四川省汶川縣映秀鎮附近的汶川地震震中附近。映秀—北川斷裂帶屬于龍門山斷裂帶，橫穿研究區，形成了整個研究區的主要發震斷層，地震烈度為Ⅺ級。上層為土壤覆蓋層，下層是風化和高度破碎的巖石，大部分是火成巖(花崗巖、閃長巖)，但也存在變質巖和沉積巖(砂巖)，以及第四紀沉積物。地形主要是含高、中、低山斜坡地貌及岷江河谷地貌，具有較高的起伏度(約760～3 200 m)，地形坡度在0°～65°范圍間，地震力引發了嚴重的崩塌、滑坡，其面積覆蓋了研究區面積的39.47%。在過去的十年中，該地區經歷了持續的山體滑坡、泥石流和山洪暴發。研究區主要包括紅椿溝、燒房溝、映秀磨子溝、瓦司溝、豆芽坪溝、麻羊店溝6條泥石流流域，流域面積共17.96 km2，流域面積分布在0.61～5.52 km2之間，泥石流主溝長度在1.76～4.03 km之間。

研究區屬亞熱帶濕潤氣候，根據1998—2010年記錄數據，年平均氣溫13 ℃，年平均降水量為1 134 mm，6—9月的降雨約占全年的70%，其中8月份降水量最大，月平均最大降水量為289.9 mm；研究區水系發育，岷江是長江上游的一條支流，由北向南穿過映秀，河谷深切，水流湍急，年平均流量452 m3/s。

2 數據來源及方法

基于Landsat影像質量情況，在備選遙感影像集合中，本文基于研究區選擇200704，200806，201103，201305，201503，201704共6期Landsat影像數據作為計算植被覆蓋度及評價分析數據源。本文的研究對象主要是同震崩滑體，由于計算植被恢復率需以“5·12”汶川地震時間接近的影像為基準，該期影像主要被用于識別同震崩滑體區域植被覆蓋指數，由于滑坡體區域基本處于裸露狀態，故該期的時間節點不會對數據分析造成影響。考慮到山地植物生長季候明顯，因此其余影像年份均選于相近季節月份?；谝陨蠑祿肊rdas軟件結合DEM數據和河流水系圖對確定的遙感影像進行幾何精校正和配準，對所用Landsat影像數據進行輻射定標、FLAASH大氣校正、研究區邊界裁切等預處理，提取研究區多期NDVI植被數據，并結合震后解譯的同震崩滑體，利用公式(1)計算崩滑體的植被恢復率。

(1)

式中：VRR表示植被恢復率(vegetation recovery rate， VRR)，NDVIT表示地震年后某一年的植被指數，NDVIPost表示地震后(2008年)植被指數，NDVIPre表示地震前(2007年)植被指數。

基于解譯的汶川震后同震滑坡(見圖1)，由于典型研究區的2007年的影像數據的局限性，提取的NDVI左上角出現異常，因此將這部分同震崩滑體剔除，以流域內的其余強震崩滑體為對象研究坡體上的植被恢復情況。根據許積層等[15]對震后植被恢復率的相關研究，根據研究區植被的實際恢復情況，將植被恢復率(VRR)劃分為4級:極差(VRR<0)，差(0100%)。

圖1 四川省汶川縣映秀鎮同震崩滑體解譯結果

3 崩滑體植被恢復趨勢與特征

3.1 時間尺度上植被恢復變化趨勢

研究區典型泥石流流域崩滑體植被恢復率分布如圖2所示，由圖2可見震后3 a，崩滑體的活動性仍較高，植被恢復較差，2011年植被恢復水平在差以下的面積為438.93 hm2，占整體的比值為68%， 2013年后大部分處于中等恢復以上，恢復較差的比例雖隨時間有減少趨勢，但仍然占比20%～30%之間。從圖3中各個等級植被恢復率所占面積比例變化可知，在研究區范圍內，2011年植被恢復中等程度以上僅32%，其中良好僅有7%，表明2008—2011期間，滑坡泥石流活動頻率較高，缺少植被恢復的穩定條件，2013年相較于2011年植被有了較大程度上的恢復，中等程度以上占68%，其中良好就占了29%，約1/3的崩滑體恢復較差，表明2011—2013年期間滑坡泥石流的活動性有所降低。2015年恢復較差占29%，2017年恢復較差占21%，可以看出2013年以后植被恢復率的變化不顯著，表明至2013年植被大部分崩滑體就已達到較好的恢復水平了，2013年后處于一個緩慢的恢復水平，植被恢復率無較大變異性，滑坡泥石流活動減弱趨于平穩。汶川震后研究區植被覆蓋度恢復總體較好，表現為極差、差的植被恢復比例減少，中等、良好植被恢復面積增加。

圖2 映秀鎮多時相崩滑體坡體植被恢復率等級變化

圖3 映秀鎮多時相崩滑體植被恢復率等級變化

由圖4可知，研究區汶川地震后前期植被恢復速率較快，至2013后恢復速率減慢。從2013—2017年，NDVI的年平均恢復速率為0.02/a，根據擬合模型預計2022年NDVI可以恢復到0.817，接近于震前水平，表明研究區震后受損植被的恢復期約為15 a，楊文濤等[16-17]根據地震后8 a的植被恢復情況，估計地震后崩滑體活動將在20 a內恢復到地震前的狀態，這與本文得到的結論存在差異，可能是由于數據和提取方法上存在差異造成的。由于本文主要是以NDVI為標準，只能反映植被覆蓋度的變化，因此研究區震后植被恢復從種群結構上來看需要更長的時間才能恢復到震前水平。

圖4 四川省汶川縣映秀鎮崩滑體植被恢復趨勢

3.2 植被恢復空間分布特征

進一步分析植被恢復率在空間上的分布，統計最近一期2017年植被恢復等級在坡度、高程、坡向不同分級區間的各恢復等級的面積(見圖5)。從圖5可知，就坡度而言，各坡度區間基本都以中等及以上恢復水平為主，表明至2017年研究區坡體植被已經達到一個良好的水平，30°～50°的坡度區間內差等以下與中等以上均為最多，這是由于同震滑坡主要分布在該區間的控制影響。從高程而言，植被恢復率為差等的植被主要分布在1 500～2 100 m高程區間內，總的來看，隨著海拔的增高，差、極差等級的比例逐漸增加，表明高海拔植被恢復較慢，這是由于高海拔區域重力勢能較大，崩滑體易失穩活動；在9 00～1 200 m的低海拔區域出現異常，可能是由于公路建設、人工開挖所導致植被受損。就坡向而言，各坡向以中等以上的恢復等級為主，其所占比例均大于50%,恢復較差的主要在E，SE，S坡向。表明SE向崩滑體活動敏感性高，NW向崩滑體活動敏感性低，這與汶川地震波傳播方向、斷層走向、斷層逆沖運動、山脈走向等因素都有內在聯系，同時東南坡向為陽坡，降雨集中，崩滑體易失穩，植被恢復環境較差。

圖5 四川省汶川縣映秀鎮植被恢復等級與地形因子評估

4 結 論

汶川震后同震滑坡體上植被恢復的長期變化過程，以及針對造成這類變化的控制因子的研究成果相對缺乏，針對上述問題，本文以長時間序列NDVI數據為基礎，在統計分析震后多時序滑坡體植被恢復特征及變化趨勢的基礎上獲得震后長時期山地環境恢復規律。

(1) 通過2011,2013,2015,2017年的植被恢復率變化分析，可知震后3 a，崩滑體的活動性仍較高，植被恢復較差，差等以下比例68%，2013年后大部分處于中等恢復以上，恢復較差的比例雖隨時間有減少趨勢，但仍然在20%～30%之間，至2017年，研究區坡體植被恢復已經達到較好的恢復水平。

(2) 汶川地震后前期植被恢復速率較快，2008—2013年間平均恢復速率為0.06 /a，至2013后恢復速率減慢。從2013—2017年NDVI的年平均恢復速率為0.02 /a根據擬合模型預計2022年可以恢復到震前水平，表明研究區震后受損植被的恢復期約為15 a。

(3) 至2017年，研究區坡體植被已經達到一個良好的水平，植被恢復差等以下的仍主要處于30°～50°的坡度區間，1 500～2 100 m高程區間，E，SE，E坡向。

植被恢復雖然從一定程度上反映崩滑體活動強度趨勢，但只是山地環境恢復的表觀現象，并不能完全代表坡體內部自身穩定程度，這是僅通過空中遙感監測手段的不足，在之后的研究中應該更多地結合地面物理試驗手段去研究滑坡體巖土強度的恢復變化，以達到對震后災害活動發育預測的準確性。