基于光學遙感技術的冰崩隱患遙感調查及鏈式結構研究
——以西藏自治區藏東南地區為例

2022-03-24 10:07:08劉文王猛宋班余天彬黃細超江煜孫渝江

自然資源遙感 2022年1期

劉文，王猛，宋班，余天彬，黃細超，江煜，孫渝江

(四川省地質調查院(稀有稀土戰略資源評價與利用四川省重點實驗室)，成都 610081)

0 引言

冰崩災害指在重力作用下，位于斜坡上的冰川發生斷裂、崩塌、解體形成碎屑流或造成冰湖潰決洪水及堰塞湖潰決洪水等威脅人民生命財產安全的現象[1]。冰崩常發生在高山極高山區，地點偏遠、人煙稀少、難以接近，遙感技術是進行冰崩研究不可或缺的手段之一。Sangewar[2]認為遙感技術徹底改變了目前與冰川/雪有關的研究設想，它可在最小時間框架內同時研究更大的區域，利用遙感技術可以研究冰川衰退模式、冰川運動記錄、古冰川以及冰川誘發的災害等，并列舉了在印度查謨、喀什米爾、喜馬偕爾、北阿坎德、錫金等地區的成功應用。在已發生的冰崩災害方面，Leinss等[3]利用Landsat1—8、Sentinel-2，ASTER，WorldView等多種衛星影像，研究了塔吉克斯坦Petra Pervogo山脈1973—2019年間的冰崩事件，認為該地區冰崩主要有4個集中分布區，高溫、軟弱且細粒的沉積物可能是該區冰崩發生的關鍵因素； Gilbert等[4]利用氣象數據、遙感影像和三維熱力模型，重建了西藏阿里地區阿魯錯冰川崩塌前的熱力學狀態、冰川厚度以及崩塌時冰崩體的運動速度、基底剪切應力和冰崩的破壞性，并與2002年發生于高加索山脈科爾卡冰川冰崩事件進行對比分析，認為富含黏土和泥砂的冰磧物在阿魯錯冰崩和科爾卡冰崩中扮演著重要角色； K??b等[5]認為這2處巨型低角度冰崩是在氣候等外力作用下，氣溫升高導致冰體與下伏沉積物間的摩擦力不斷減小，進而引發的大規模冰崩。在冰崩災害應急方面，Wang等[6]以災害應急條件下高效監測冰雪崩為出發點，提出了一種基于Sentinel衛星數據的積雪覆蓋成圖方法，該方法利用應急條件下獲取的SAR圖像和多光譜圖像，挖掘Sentinel數據在雪蓋制圖領域的應用潛力，數據處理時間小于2 h，可以滿足災害應急監測要求。在冰崩隱患動態監測與預警方面，Margreth等[7]對阿爾卑斯山脈艾格爾峰西側的懸冰川進行了遙感動態監測，在2015年懸冰川前部的正后方出現冰裂縫，認為是冰崩發生的前兆，潛在冰崩體達8 000 m3，威脅少女峰滑雪區及相關區域的生命財產安全，提出了監測預警等建議，為冰崩災害的預防提供了基礎資料。

青藏高原及周邊地區平均海拔超過4 000 m，具有除南極、北極之外最大的冰儲量，有“亞洲水塔”之稱[8]。在全球變暖背景下，作為全球氣候變化的敏感區，青藏高原冰川表現出狀態失常，其中以藏東南地區冰量虧損及面積萎縮幅度最大，主要表現為冰川消融加速、冰川失穩等，受內外動力作用的共同影響，與冰川運動有著密切關系的冰崩災害發生頻率逐年上升[9]。近年來，青藏高原冰崩災害受學者的廣泛關注，研究成果主要集中在冰崩災害的物質組成、運動特征、成因、類型劃分等方面[1,10-11]，缺乏對冰崩災害分布規律和鏈式結構的相關報道。本文以光學遙感技術為手段，在藏東南地區開展冰崩隱患遙感調查，分析總結冰崩隱患的基本特征和分布規律，討論冰崩隱患的鏈式結構和動態變化趨勢，以期為藏東南地區冰崩災害的研究和防災減災工作提供基礎資料。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況

研究區屬于喜馬拉雅東構造結，地處歐亞板塊與印度洋板塊會聚、碰撞的核心部位，是青藏高原東南緣構造最復雜的地區。根據巖漿巖組合、火山-沉積建造、變質/變形作用、地質構造等區域地質資料，區內自南向北可劃分出3個主要地質單元：高喜馬拉雅變質體、雅魯藏布江蛇綠混雜巖帶以及拉薩地體[12]。東、西邊界分別以右旋為主的墨脫—阿尼橋走滑斷裂帶和以左旋為主的東久—米林走滑斷裂帶為界。北邊界由一系列NW向斷裂組成，包括嘉黎斷裂帶、西興拉斷裂帶、雅魯藏布江縫合帶以及巴青—類烏齊走滑斷裂帶等[13-14]。研究區斷裂主要呈近EW向和近NS向展布，其次為NNE向、NE向、NW向，其斷裂屬性、規模、活動時間、活動強度具有明顯差異。近EW向斷裂一般規模較大，有些具深大斷裂性質，多為逆沖、逆沖兼走滑斷層，第四紀早期、中期仍有活動。近NS向、NNE向、NE向及NW向斷裂單條規模一般不大，其中近NS向、NNE向、NE向斷裂常集中分布，構成近NS向或NNE向的拉張、剪切斷裂帶，形成于第四紀初期，晚第四紀以來活動十分明顯，總體呈現東強西弱、北強南弱的趨勢。

1.2 數據源

研究區選用Landsat8、高分一號、高分二號、WorldView-2和無人機航攝等多源衛星數據，空間分辨率包括中高分辨率15 m，2.0 m，0.8 m，0.5 m和0.2 m(表1)。優選云覆蓋<1%，雪覆蓋<5%的衛星數據開展不同精度的解譯工作。

表1 光學遙感數據一覽表

2 研究方法

本文以已有資料為基礎，通過實地觀察典型冰崩災害的特征，并與光學遙感影像對照，根據遙感影像上冰崩災害的色調、形態、紋理、陰影等特征，建立遙感解譯標志，開展研究區冰崩隱患的遙感初步解譯。初步解譯后，選取高位冰崩多發區開展野外踏勘，系統建立冰崩隱患解譯標志，以此為基礎開展冰崩隱患詳細解譯，并開展野外驗證。本次遙感解譯工作參照《地質災害遙感調查技術規定》(DD2015—01)、《遙感地質解譯方法指南》(DD2011—03)等技術標準，研究區冰崩隱患區域性光學遙感解譯滿足1∶50 000比例尺精度要求，典型點光學遙感解譯滿足1∶2 000比例尺精度要求。

冰崩隱患點遙感影像特征： ①在形態上潛在冰崩體呈舌形、長條形等形態，多位于冰川末端，冰川前端亦可見，地勢較陡(圖1C)； ②潛在冰崩體因冰川各部分運動速度不均勻形成有各種冰裂隙，影像上呈暗色紋理狀，以橫裂隙為主，側裂隙和縱裂隙次之(圖1D、表2)。已發生的冰崩災害遙感影像特征： ①冰崩源區影像上呈淺灰色、暗棕色，地勢較陡，下游冰崩碎屑物堆積區與周圍巖體色調、地貌有明顯差異(圖1B)； ②冰崩源區影像上呈暗褐色調，地勢較陡，冰崩災害發生后碎屑流堵塞溝道，鏟刮區與周圍巖體在色調、紋理上有明顯差異，局部形成堰塞湖(圖1A)； ③冰崩源區影像上呈暗棕色，地勢較陡，冰崩導致冰湖潰決，潰口與周圍巖體在色調、紋理上有明顯差異(表2)。

1.巨型冰崩隱患； 2.特大型冰崩隱患； 3.大型冰崩隱患； 4.研究區范圍； 5.冰崩隱患集中分布區帶； 6.分布區帶編號

表2 冰崩隱患光學遙感解譯標志一覽表

3 結果與分析

3.1 冰崩災害基本特征

本次共解譯出冰崩隱患232處，高程分布在3 450～5 620 m之間，其中高程3 500～5 000 m有139處，>5 000 m有93處。前后緣高差分布在100～2 500 m之間，其中<500 m有90處，[500，1 000) m有83處，[1 000，2 000) m有54處，≥2 000 m有5處。從規模上來看，劉金花等[15]研究認為藏南卡魯雄峰地區冰川平均厚度約30 m； R?thlisberger[16]提出冰崩的形成機理類似于山體滑坡，本次以30 m厚度估算潛在冰崩體的體積，以滑坡規模等級的標準劃分冰崩隱患的規模，其中大型47處，特大型147處，巨型38處。從潛在冰崩體分布的地形特征來看，主要分布在“上陡下緩”的靠椅型地形中坡度較陡的斜坡處，多位于冰川末端，冰川前端也有發育，潛在冰崩體上常發育橫向冰裂縫。

3.2 冰崩災害空間分布規律

研究區冰崩隱患主要分布在冰川數量眾多、素有冰川之鄉的波密縣114處，其次是嘉黎縣40處、米林縣31處、八宿縣23處、巴宜區13處、邊壩縣9處、墨脫縣2處。冰崩隱患的形成與地形地貌、冰川分布等條件關系密切，結合地質環境背景，在研究區劃分為4個集中分布區、2個集中分布帶(圖1)。

3.2.1 冰崩災害集中分布區

1)依嘎村集中分布區(Ⅰ)。位于研究區西部，總體呈近圓形展布，直徑約28 km，識別出冰崩隱患40處，其中大型8處、特大型25處、巨型7處。冰崩隱患主要發育在洛窮弄溝、洛弄弄溝、衣布溝兩側的高山、極高山區。

2)魯朗—派鎮集中分布區(Ⅱ)。位于研究區中部，總體近NNW向展布，長約50 km，寬約30 km，識別出冰崩隱患36處，其中大型7處、特大型27處、巨型2處。冰崩隱患主要沿南迦巴瓦峰、加拉白壘峰等極高山的四周分布。

3)扎木鎮集中分布區(Ⅲ)。位于研究區中東部，總體近NW向展布，長約57 km，寬約30 km，識別出冰崩隱患26處，其中大型4處、特大型16處、巨型6處。該集中分布區冰川十分發育，冰崩隱患主要發育在容錯冰川、康削冰川、撒龍冰川等冰川的末端。

4)然烏鎮集中分布區(Ⅳ)。位于研究區東部，總體近NE向展布，長約35 km，寬約20 km，識別出冰崩隱患45處，其中大型23處、特大型16處、巨型6處。冰崩隱患主要發育在然烏湖兩側的高山、極高山區，以米堆冰川、來古冰川等冰川為分布中心。

3.2.2 冰崩災害集中分布帶

1)易貢—古鄉集中分布帶(Ⅴ)。位于研究區中部，總體近NW向帶狀展布，長約100 km，寬約17 km，識別出冰崩隱患33處，其中大型4處、特大型26處、巨型3處。冰崩隱患主要發育在帕隆藏布、易貢藏布干流兩側的高山、極高山區，且右岸數量多于左岸。

2)玉許鄉集中分布帶(Ⅵ)。位于研究區中北部，總體近EW向帶狀展布，長約89 km，寬約15 km。共計冰崩隱患26處，其中特大型18處、巨型8處。冰崩隱患主要發育在帕隆藏布、易貢藏布支流的高山、極高山區，多位于冰川末端。

3.3 冰崩災害鏈式結構

災害鏈一般指原生災害及其引起的一種或多種次生災害所形成的災害系列[17]。在藏東南地區，隨著氣溫的逐年升高，冰雪加速消融，冰川不斷退縮，冰湖數量增多、面積增大，冰磧物規模增大，導致冰崩及其次生災害發生的概率增加，常以災害鏈的形式成災。本文基于光學遙感解譯成果，根據冰崩隱患與其可能引起的次生災害之間的時空關系，將藏東南冰崩災害鏈分為以下3種類型： ①冰崩-冰湖潰決-泥石流災害鏈，以格嘎溝、然則日阿錯、金翁錯、米堆溝為代表； ②冰崩-碎屑流-堰塞湖-洪水災害鏈，以色東普溝、然烏湖口、尖母普曲為代表； ③冰崩-碎屑流災害鏈，以則隆弄溝、柏隆隆巴為代表。

3.3.1 冰崩-冰湖潰決-泥石流災害鏈

以冰崩為主要誘因的冰湖潰決是我國西藏自治區典型的地質災害類型之一，具有突發性強、規模大、破壞力強和危害范圍廣等特點，往往造成下游地區遭受慘重的生命財產損失[18]，研究區冰崩-冰湖潰決-泥石流災害鏈中比較容易發生潰決的冰湖為冰川終磧湖，其末端與冰舌的距離很近，冰崩體運動至冰湖中易形成涌浪，致使冰湖潰決，洪水與溝道中冰磧物、滑坡、崩塌、溝道堆積等物源相互作用最終形成泥石流。研究區此類型災害鏈以格嘎溝、然則日阿錯、金翁錯和米堆溝為代表，現以米堆溝為例，應用光學遙感的手段分析該類型冰崩災害鏈的鏈式結構與動態變化特征。

根據米堆溝光學衛星影像及數字高程模型，米堆溝溝口和溝中部分別是米堆冰川旅游集散地和米堆村所在地，以米堆村為界，米堆村以北溝深且狹窄，米堆村以南為典型的冰川U型谷，冰川發育。米堆溝流域面積約122.9 km2，溝口高程約3 600 m，最高點高程約6 335 m(位于流域正后方)，高差2 735 m，主溝兩側發育大小支溝近11條。米堆溝內發育潛在冰崩體6處，主要水動力條件及物源類型有冰湖15處、冰磧物3處、崩塌21處等(圖2)。潛在冰崩體面積介于9.5×104～6.6×106m2之間，總面積約1.5×107m2，主要分布在米堆溝后部。潛在冰崩體前緣高程分布在4 030～5 350 m之間，后緣高程分布在5 100～6 040 m之間，前后緣高差分布在100～2 000 m之間，后緣距溝口高差分布在1 500～2 430 m之間。冰湖主要分布在冰磧物堆積體上，面積介于61～2.4×105m2之間，總面積約2.7×105m2，高程介于3 820～4 700 m之間。冰磧物總面積約5.0×106m2，主要分布在米堆冰川前緣的溝道內，沿主溝分布。崩塌成片分布，總面積約1.3×107m2，崩塌堆積體總面積約4.2×106m2，崩源區總面積約9.1×106m2，主要分布在主溝中前部左、右兩岸的高陡斜坡處。

1.崩塌界線及主崩方向； 2.潛在冰崩體； 3.冰湖； 4.冰磧物； 5.流域界線

根據2001—2020年遙感數據，潛在冰崩體冰裂隙在2001—2020年間呈逐漸增多的趨勢。圖3為米堆冰川冰裂隙及冰湖多期遙感影像對比，圖中紅色箭頭所指位置為冰裂隙，藍色箭頭所指位置為局部崩落體。在2001—2013年之間局部存在崩落現象(圖3(a)—(b))，2014—2020年間冰裂隙在數量和規模的增長速度加快(圖3(c)—(f))，原來的數條小裂隙已經貫通成大裂隙，增加了末端冰體的不穩定性。冰湖水體面積在2001—2020年間亦呈規律性變化，2001—2017年間呈逐漸增大的趨勢，至2020年湖水面積增長顯著，多個小冰湖已貫穿形成一個大冰湖(圖3(g)—(l))。潛在冰崩體裂縫規模、冰湖水體面積的急劇增加，可能會導致冰川內部流動水不斷增多、摩擦力不斷減小，在重力作用下當冰川向下運動的驅動力大于靜摩擦力時引發冰崩，形成冰崩-冰湖潰決-泥石流鏈式災害，直接威脅米堆村、米堆冰川旅游集散地及國道318，若泥石流運動至米堆溝口堵塞帕隆藏布，必將形成更大的災害鏈。

(d) 2015年2月7日區域A(e) 2017年12月12日區域A(f) 2020年10月31日區域A

(g) 2001年11月14日區域B(h) 2013年2月12日區域B(i) 2014年11月8日區域B

(j) 2015年2月7日區域B(k) 2017年12月12日區域B(l) 2020年10月31日區域B

3.3.2 冰崩-碎屑流-堰塞湖-洪水災害鏈

此類災害鏈的潛在冰崩體主要分布在雅魯藏布江、帕隆藏布、易貢藏布兩側的高山、極高山區，潛在冰崩體失穩可向下高速運動，并鏟刮溝道中崩塌、滑坡堆積體以及冰磧物等物源，進一步演化為碎屑流直達河道中，形成冰崩-碎屑流-堰塞湖-洪水災害鏈，該類型災害鏈為研究區主要的冰崩鏈式災害，以色東普溝、然烏湖口和尖母普曲為代表，常具多發性。現以尖母普曲為例，應用光學遙感的手段分析該類型冰崩災害鏈的鏈式結構與動態變化特征。

根據尖母普曲光學衛星影像及數字高程模型可知，尖母普曲流域面積約17.6 km2，溝口高程約3 600 m，最高點高程約5 550 m(位于流域右后方)，高差1 950 m，主溝兩側發育小支溝2條，溝口匯入帕隆藏布，溝口對岸為國道318和村莊。尖母普曲內發育潛在冰崩體3處，主要物源類型有崩塌9處、滑坡5處、溝道堆積5處(圖4)。

1.崩塌界線及主崩方向； 2.滑坡界線及主滑方向； 3.潛在冰崩體； 4.溝道堆積； 5.流域界線； 6.早期泥石流扇； 7.晚期泥石流扇

潛在冰崩體面積介于9.7×104～1.4×106m2之間，總面積約1.7×106m2。潛在冰崩體主要分布在尖母普曲后部，前緣高程分布在3 820～4 685 m之間，后緣高程分布在4 600～5 240 m之間，前后緣高差分布在510～1 100 m之間，后緣距溝口高差分布在1 000～1 640 m之間。滑坡分布在溝道中部兩側斜坡上，總面積約2.9×105m2，滑坡源區總面積約2.3×105m2，滑坡堆積體總面積約6.5×104m2，部分堆積體伸入溝道已被冰雪融水帶走。溝道堆積物總面積約1.3×106m2，主要分布在尖母普曲中部的溝道內、后緣的緩坡處，沿主溝分布。崩塌成片分布，總面積約7.9×105m2，崩源區總面積約5.7×105m2，崩塌堆積體總面積約2.2×105m2，分布在主溝中部右岸的高陡斜坡處。

根據尖母普曲2006—2019年間遙感數據，對尖母普曲潛在冰崩體、溝道物源、溝口扇形堆積進行對比分析。尖母普曲在2006年4月30日—2019年11月7日之間至少發生2次高位地質災害。第一次為2006—2015年之間，該次高位地質災害使尖母普曲溝道寬度由約50 m增寬至約65 m，同時形成大規模泥石流，堵塞帕隆藏布形成了堰塞湖，摧毀了溝口對岸的318國道和房屋，致使318國道改道，從遙感影像可知，該次高位地質災害主要物源為冰崩體、崩塌、滑坡和溝道堆積物，冰川的加速融化可能是其主要水動力條件之一；第二次為2015—2019年之間，該次高位地質災害使尖母普曲溝道寬度由約65 m增寬至約93 m，再次形成大規模泥石流，摧毀了溝對岸左側帕隆藏布河流階地的房屋和農田，該次高位地質災害主要物源為第一次高位地質災害物源區不穩定塊體的進一步解體(圖5)，圖5(d)—(f)中紅色箭頭指示運動方向。

(d) 2006年4月30日區域B(e) 2015年7月25日區域B(f) 2019年11月7日區域B

多期光學遙感影像表明，近年來尖母普曲后緣冰川活動強烈，冰川融化速度加快，加之崩塌、滑坡、溝道堆積物等物源十分豐富，同時受西南季風影響，尖母普曲地區降水豐富且多暴雨，目前尖母普曲高位地質災害處于欠穩定狀態，可能發生冰崩-崩塌-泥石流-堰塞湖-洪水鏈式災害，直接威脅318國道和溝口對岸村莊的生命財產安全。

3.3.3 冰崩-碎屑流(泥石流)災害鏈

該類災害鏈主要表現為潛在冰崩體脫離冰川迅速向下運動，解體并鏟刮、浸潤溝道冰磧物形成碎屑流，破壞沿途村莊、公共交通設施等，造成巨大的生命財產損失，以則隆弄溝和柏隆隆巴為代表。本文以則隆弄溝為例，應用光學遙感的手段分析該類型冰崩災害鏈的鏈式結構與動態變化特征。

根據則隆弄溝光學衛星影像及數字高程模型，則隆弄溝流域面積約41 km2，溝口高程約2 850 m，最高點高程約7 780 m(位于流域正后方的南迦巴瓦峰)，高差4 930 m，主溝兩側發育大小支溝5條。則隆弄溝中后部呈“V”字形，2條冰川溝谷在海拔約4 000 m處相交匯，在地貌形態上形成三面環山、一面出口的斗狀地形。溝內發育潛在冰崩體5處，以及呈帶分布的冰磧物等主要物源類型(圖6)。潛在冰崩體面積介于2.1×105～8.2×105m2之間，總面積約2.4×106m2，主要分布在則隆弄溝后部和左側中部，潛在冰崩體前緣高程分布在4 500～4 720 m之間，后緣高程分布在5 080～5 610 m之間，前后緣高差分布在360～1 110 m之間，后緣距溝口高差分布在2 230～276 m之間。冰磧物總面積約5.2×106m2，分布在溝道中、后部，沿主溝及支溝分布。根據則隆弄溝2017—2020年間遙感數據，對則隆弄溝后緣冰磧物、溝口泥石流扇進行對比分析。海拔約4 000 m處為則隆弄溝高位地質災害形成區與流通區的分界點，分界點以上地形較緩，在冰川融水作用下，冰磧物等物源沿冰川溝谷往下移動，在分界點處逐漸積累；分界點以下的流通區溝道中顏色一直較淺，說明冰磧物呈不穩定狀態(圖7(a)—(c))。在2017—2020年以前，則隆弄溝口泥石流扇面積呈逐漸減小趨勢(圖7(d)—(e))。2020年夏季，可能因潛在冰崩體的脫離并向下運動，一部分冰崩體因摩擦生熱轉化成為冰雪融水并浸潤冰磧物，分界點附近的冰磧物發生蠕變開始下滑形成碎屑流(泥石流)(圖7(c))。直白溝大橋附近地勢逐漸開闊，碎屑流(泥石流)呈扇形分開直接沖擊大橋左右橋墩，致使左岸橋墩錯位約40 cm，并切穿老泥石流扇形成新的泥石流堆積扇(圖7(f))，形成了冰崩-碎屑流(泥石流)災害鏈，由于冰磧物等物源長期處于不穩定狀態，該災害鏈極有可能再次發生。