青海省湟水流域地質災害動態變化遙感監測

辛榮芳， 李宗仁， 張焜， 張興， 黃麗， 劉寶山

(1.青海省地質調查院，西寧 810012； 2.青海省遙感大數據工程技術研究中心，西寧 810012； 3.自然資源青海衛星應用技術中心，西寧 810012； 4.青藏高原北部地質過程與礦產資源重點實驗室，西寧 810012)

0 引言

湟水流域作為青海省經濟文化最發達地區，集中了青海省近60%的人口、52%的耕地和70%以上的工礦企業，特定的地貌、氣候和地質環境以及經濟與社會的持續快速發展使得地質災害發生數量明顯增加[1]。因而研究該區域地質災害成因、動態變化特征具有巨大的現實意義，可為青海省地質災害防治工作提供基礎數據和建議。

以往我國開展的地質災害遙感調查以國外衛星為主[2-4]，隨著高分辨率對地觀測系統重大專項、國家民用空間基礎設施中長期發展規劃(2015—2025年)的實施，ZY-3，ZY1-02C，GF-1和GF-2等遙感數據提高了我國高空間分辨率衛星數據自給率，已逐步取代同等分辨率的國外衛星遙感數據，且近幾年來在地質災害遙感調查中得到了廣泛應用[5-6]； 但研究區內的地質災害調查工作停留在以縣、市為單位的地面調查，在宏觀觀測與動態調查研究方面有所欠缺。本次研究從宏觀的角度去了解研究地質災害的分布情況及誘發原因，利用國產衛星遙感數據分辨率高的特點，提取廣域范圍內的災害信息，對研究區內的地質災害研究提供了極大的便利[7-9]，亦推動了國產高分遙感數據在重大自然災害和突發事件應急監測與評估應用中的跨越式發展。

1 研究區概況

青海省湟水流域位于青藏高原東北部，青海省東部地區，地理坐標范圍為E100°40′～103°03′，N36°02′～37°25′，總面積約1.6萬km2。行政區劃范圍包括西寧市轄區、湟中縣、湟源縣、大通回族土族自治縣、海東市平安區、樂都區、民和回族土族自治縣和海北藏族自治州海晏縣等12個縣(區)，其中湟中縣于2019年撤縣改區，研究階段在此之前，因此本文中還是稱為湟中縣。研究區整體形態呈長條狀，西寬東窄，地勢西高東低(圖1)，屬高原干旱、半干旱大陸性氣候，多風、少雨、日溫差大、降雨量小但相對集中、蒸發量大、垂直氣候分帶明顯。流域內年平均氣溫為5.1 ℃，最高氣溫為34.7 ℃，最低氣溫為-32.6 ℃，愈向上游氣溫愈低，海拔每升高100 m，氣溫下降約0.6 ℃，其下游民和回族土族自治縣多年均氣溫為9.07 ℃，上游海晏縣多年平均氣溫為-0.3 ℃。

圖1 研究區地貌特征Fig.1 Geomorphic feature of the study area

2 數據與方法

本文在前人研究成果的基礎上，基于高分辨率多光譜遙感影像進行專題信息提取和變化監測分析，并利用地理信息系統(geographic information system，GIS)空間分析功能開展評估。具體技術流程如圖2所示，主要包括以下4個部分： 1)數據選取。本次研究選取了2016年3月、2017年4月獲取的GF-1數據和2016年7月、2017年7月、2017年10月獲取的GF-2數據作為主要數據源進行地質災害信息提取(圖3)，同時還收集了研究區2009—2015年相關遙感影像作為監測對比數據(表1)。

圖2 技術流程圖Fig.2 Technical flow chart

(a) 2016年 (b) 2017年圖3 本研究所用國產高分遙感數據分布Fig.3 Domestic high-resolutions remote sensing data distribution for this study

表1 監測對比數據收集情況一覽表Tab.1 List of monitoring and comparison data collection

2)圖像處理。主要包括正射校正、地理配準、影像融合等。首先利用數字高程模型(digital elevation model，DEM)和影像PRC參數對GF-1和GF-2影像進行幾何糾正和正射處理； 其次利用自主研發的衛星影像自動化處理系統構建的青海省衛星影像基準網將不同時相、不同傳感器的多源異構影像數據進行地理配準再采用全像素融合(Pansharp)方法對GF-1和GF-2數據的多光譜與其全色波段進行融合，該方法在增強高分辨率空間紋理細節的同時，光譜信息失真度最小，更適合于國產高分影像的融合。

3)地質災害信息提取。首先，結合典型地質災害的遙感樣本庫和高分遙感影像的數據特點，建立研究區地質災害的高分辨率多光譜遙感信息分類提取標志，并基于DEM提取地質災害發生前后的相關信息[10-11]； 其次，進行地質災害發生前后的影像變化檢測，通過人機交互解譯形成地質災害遙感監測成果。地質災害在高分辨率多光譜影像上都具有明顯的形態、結構和紋理特征。例如，滑坡(圖4(a))： 后壁一般較陡峻并呈圍椅狀，滑坡體與周圍地質體在形態、色調、紋理、植被發育及生長狀況上有明顯的差異[12-15]； 崩塌(圖4(b))： 堆積體地貌特征明顯，多發育在溝谷或河流兩側的陡崖、陡坎或巖體破碎地帶，崩塌后壁陡峭而粗糙，其顏色與巖性有關，多呈淺色調或接近灰白，植被稀疏，崩塌體在坡腳形成錐狀的堆積體； 泥石流(圖4(c))： 多呈淺色樹枝狀影像特征，泥石流溝口一般有扇狀堆積物，其上流水線紊亂而明顯； 不穩定斜坡(圖4(d))： 發育于較陡山坡上，影像上表面粗糙，由于植被不發育，色調較淺，多呈灰白色、白色，局部失穩形成滑塌現象。

(a) 滑坡 (b) 崩塌(c) 泥石流(d) 不穩定斜坡圖4 典型地質災害遙感解譯標志Fig.4 Remote sensing interpretation indicators of typical geological disasters

4)分析評估。綜合利用地形分析、緩沖分析、疊加分析和統計分析等方法對地質災害空間分布及變化同地質構造、地層巖性、地形地貌、大氣降雨、人類工程活動等之間的關系進行分析評估。以柵格DEM數據為基礎，利用ArcGIS軟件中3D Analyst工具提取研究區坡度、坡向和坡型(曲率)等反映地形的各個因子； 利用Spatial Analyst工具對地質構造、人類工程活動等數據進行緩沖分析，并與地質災害數據疊加后統計得出地質災害空間分布與地質構造、地層巖性、地形地貌、人類工程活動等孕災背景數據的相關性； 利用克里金插值法統計分析得出地質災害在不同大氣降雨區間的分布特征。通過上述分析結果剖析地質災害的主要誘發因素及其變化特征，為地質災害防治提供地質依據。

3 地質災害分布特征

經2017年遙感調查，研究區共計有崩塌和滑坡等地質災害點3 188處(表2)。區內地質災害在空間分布上具有明顯的差異性。從數量上看，地質災害在空間分布上明顯受控于地質背景條件，主要分布于第四紀黃土區，占區內地質災害總數的76.20%。崩塌、滑坡及不穩定斜坡多具有群發性、多期次性特點； 小型滑坡之間、小型滑坡與大型滑坡之間則存在明顯的“親和”性[16]，小型滑坡一般會成群出現，或者集中分布在大型滑坡之上及其周邊。湟水谷地及其一級支溝中下游兩側是地質災害的集中發育區[17]，地質災害沿湟水河及其一、二級支流中下游呈帶狀集中分布，其分布密度與河流及溝谷的侵蝕切割作用關系密切，河谷凹岸一般為崩塌集中發育區。泥石流溝主要分布于山前地帶，少量分布于山區與丘陵區過渡帶。不穩定斜坡多由人類工程活動引起，主要是由于人們削坡建房、修路開挖坡腳和礦業活動等破壞原有坡體而形成。

表2 研究區地質災害遙感解譯統計Tab.2 Statistic of remote sensing interpretation of geological disasters in the study area

1)不同地貌分布特征。區內可分為侵蝕構造中高山、侵蝕構造中低山、侵蝕構造低山、剝蝕堆積黃土丘陵和河谷沖洪積平原5個地貌類型。絕大多數地質災害位于剝蝕堆積黃土丘陵區，約占比例為81.49%，特別在剝蝕堆積黃土丘陵區向河谷沖洪積平原區過度地帶，是地質災害的集中分布區。

2)不同地形分布特征。研究區大部分地區為高陡的斜坡地形，利用DEM數據將全區坡型劃分為4個基本類型，即凸型、直線型、階梯型和凹型，統計結果表明，區內地質災害多位于凸型坡與直線型坡，共計2 157處。對全區滑坡、崩塌和不穩定斜坡所處斜坡坡向進行統計。結果表明，區內地質災害坡向在90°～135°，136°～180°和270°～315°等3個區間的數量最多，共計1 829處，占總災害數量的57.38%(圖5)。因與區內河流發育走向有關，湟水河各主要支流總體走向呈SW—NE向，這就決定了河流兩側斜坡的坡向正好分布在以上3個區間之內，與災害分布狀況的統計結果相一致。

圖5 地質災害坡向玫瑰花圖Fig.5 Geological disasters slope rose diagram

3)不同巖性分布特征。區內地質災害主要分布于黃土區與新近紀—古近紀碎屑巖區，其成因模式應有其特定的內在條件。研究區是由西南部的日月山斷裂、拉脊山斷裂和北部的達坂山南緣斷裂圍限的新生代盆地。古近紀的喜馬拉雅運動使該地區弱隆起，中新世以后構造活動強烈，陸內匯聚作用加劇，形成了斷裂控制下的斷陷盆地，堆積了紅色厚層的新生代河湖相沉積物[18]，為后期地質災害的形成儲備了豐富的物質條件。

4 地質災害變化特征及成因分析

表3為研究區地質災害變化分類統計。

表3 研究區地質災害變化分類統計Tab.3 Classified statistic of geological disasters changes in the study area

以2009—2010年遙感影像為基準，通過與2016年、2017年度遙感調查對比分析，區內共發現變化地質災害點233處，約占區內地質災害總數的7.31%。其中，主要由降雨等自然因素引起地質災害變化19處，因人類工程活動所導致的地質災害變化達214處。

4.1 大氣降雨與地質災害變化

研究區2009—2017年間主要由降雨等自然因素引發的地質災害變化19處，災害類型以滑坡為主，所占地質災害變化總量的8.15%。大氣降雨對地質災害的誘發作用主要表現為改變地形地貌、土體結構及穩定性、土體的力學強度等[19]。以西寧市城東區王家莊滑坡為例，2017年8月5—8日市區持續強降雨，北山綠化區于8月8日發生山體滑坡。遙感影像顯示(圖6)，滑坡體周界清晰，與周圍色調差異明顯，后壁呈弧形。滑坡體長約160 m，寬約80 m，平面面積約8 000 m2。滑坡造成4人死亡，綠化區看護房被掩埋。該處原為一崩塌隱患點，受西寧北山綠化長期灌溉和持續降雨的影響，泥巖中膏鹽溶蝕后，形成大量空洞，并導致上覆黃土的吸力下降，強度顯著降低，斜坡地帶水力梯度增大，提高了水流的滲透力[20]。重力荷載作用下巖土體發生蠕動剪切破壞，致使斜坡穩定性下降[21-22]，最終導致了滑坡的失穩滑動。

(a) 2016年(b) 2017年圖6 西寧市城東區王家莊滑坡發生前后影像對比Fig.6 Image comparison of Wangjiazhuang landslide before and after occurrence in Chengdong，Xining

4.2 人類工程活動與地質災害變化

研究區2009—2017年間因人類工程活動所導致的地質災害變化有214處，所占地質災害變化總量的91.85%。以大通回族土族自治縣城關鎮大莊滑坡為例(圖7)，2016年9月25日該處發生滑坡，土方量達30萬m3，導致62戶村民耕地被毀，1家沙場、1家信鴿養殖場和1家磚瓦廠設施被掩埋，事故造成直接經濟損失達131萬元。通過多期遙感影像對比分析可知，城關鎮磚瓦廠在2003年以前已經開始運營，隨著磚瓦廠在斜坡坡腳取土日益增加，坡腳遭到破壞，導致2016年發生了滑坡。2017年遙感影像上滑坡特征明顯，可見滑坡后壁、滑坡臺階、后緣洼地、后緣拉裂縫、橫向裂縫和滑坡舌等微地貌，滑坡周界清晰，滑坡體長為750 m，寬為480 m，平面面積為4.4萬m2，呈不規則形狀，主滑方向為185°； 該滑坡體上部為巨厚層黃土，下部為新近紀泥巖、粉砂巖。城關鎮磚瓦廠切坡取土破壞了斜坡的結構和完整性，使原本較陡的斜坡臨空面增大，整個斜坡從前緣向后山逐次卸荷—拉裂—牽引并漸進發展，形成整體性滑坡險情[23]，再加上降雨入滲，最終導致了該滑坡的發生。

(a) 2003年 (b) 2013年 (c) 2016年 (d) 2017年圖7 大通回族土族自治縣城關鎮大莊滑坡影像對比Fig.7 Image comparison of Dazhuang landslide in Chengguan，Datong

區內其余的108處地質災害變化點為已實施工程治理或搬遷治理的地質災害點。如圖8所示，西寧市林家崖滑坡區的坡體上部進行了削坡處理，修建了梯形的護坡，坡腳居民進行了整體搬遷，建筑物進行了拆除，降低了地質災害所帶來的危害。

(a) 2010年 (b) 2017年圖8 西寧市林家崖滑坡治理前后影像對比Fig.8 Image comparison of Linjiaya landslide before and after treatment in Xining

4.3 地層巖性與地質災害變化

統計分析發現，區內125處地質災害動態變化點(不含108處地質災害治理點)，分布于第四紀黃土中的災害變化點72處(圖9)，所占比例約57.60%； 分布于新近紀—古近紀紅色砂巖、泥巖中的災害變化點35處，所占比例28.00%； 分布于其他地層中的災害變化點僅8處，所占比例6.40%。由此可見地質災害發生、發展最為活躍的地區為第四紀黃土覆蓋區，其次為新近紀—古近紀泥巖區，基巖區地質災害分布相對較少，也相對較為穩定。說明導致區內斜坡不穩定的地層巖性因素，是分布廣、厚度大的新近紀—古近紀含有泥巖、石膏、碎屑巖及第四紀黃土，這是研究區崩塌滑坡最主要的物質來源。

(a) 2011年 (b) 2013年圖9 西寧市城西區漢莊小區滑坡前后對比Fig.9 Comparison before and after landslide in Hanzhuang，Chengxi，Xining

4.4 地質構造與地質災害變化

區內125處(不含地質災害治理點)地質災害變化點中僅有59處(47.20%)與斷裂構造的關系不明顯； 其余的66處地質災害變化點(52.80%)多沿斷裂分布。說明斷裂活動在一定程度上影響著地質災害的發生、發展。

研究區為新構造作用下的新生代斷陷盆地，邊界斷裂及盆地內次級斷裂的早期活動，控制了區內地形地貌、地質構造和地層巖性等，并致使區內巖石(泥巖、粉砂巖、砂礫巖)中的節理、裂隙發育，為地質災害的形成、發展提供了地質構造、地層巖性等條件。如西寧市城西區張家灣滑坡，2011年遙感影像顯示后壁處存在一處較新的小滑坡體，滑坡體上植被稀疏，發育橫向紋理，呈舌形。2012年影像顯示滑坡后緣失穩，發生了新的滑動，寬度約120 m，滑坡后壁向后移動5～20 m。2014年滑坡西部發生小型崩塌現象。該滑坡沿湟水河隱伏斷裂分布(圖10)，在張家灣一帶，斷層構成山前高臺地與山麓沖洪積、坡積帶的分界，高15 m的沖溝階地由含礫黃土構成，超覆于桔紅色新近紀泥巖之上。該斷層發育在新近紀泥巖中，斷錯新近紀地層約5 m，斷層上覆連續穩定的第四紀沉積物，厚約10 m。晚更新世以來未見活動跡象[24]。但該斷層造成了張家灣地區斷層所控制的新近紀地層及湟水河Ⅲ級階地巖土體破碎、松散、節理發育等，導致巖土體失穩。同時，由于西寧盆地經歷多次隆升和沉積，盆地內發育多級階地，使得西寧張家灣地區邊坡坡度較大，造成邊坡不穩，易于滑動。

圖10 西寧市城西區張家灣滑坡遙感解譯Fig.10 Remote sensing interpretation of Zhangjiawan landslide in Chengxi，Xining

5 結論

本文基于地質災害遙感調查與監測，結合孕災背景參數進行統計分析，探討了湟水流域內地質災害發生、發展與地質環境、自然因素和人類活動的關系。研究結果表明：

1)研究區內有崩塌和滑坡體等地質災害點共3 188處，主要分布于第四紀黃土區與新近紀—古近紀碎屑巖區。新構造運動的大幅度差異性隆升及盆地內沉積的泥、砂巖互層結構含鹽地層及巨厚層黃土應是本區地質災害密集發育的內部條件。

2)2009—2017年間區內共發生變化的地質災害點233處。其中，降雨等自然因素引發災害發生變化19處，集中發生于降雨充沛的7—8月份。因人類工程活動所導致的地質災害變化有214處，人類工程活動誘發了地質災害的發生、發展，還存在正向影響作用。災害變化點主要分布于第四紀黃土覆蓋區，新近紀—古近紀碎屑巖區和基巖區。研究表明青海省湟水流域地質災害發生程度、規模、數量和發展趨勢受降雨、人類工程活動和巖石構造單元的影響。

3)隨著國產高分衛星的陸續發射，利用國產高分影像開展地質災害動態監測具有明顯的優勢。通過地質災害分布規律、動態變化的遙感地質分析可以深化基于地質環境、自然因素和人類活動與地質災害變化的理論研究，提升應對地質災害發生的能力與水平，使防災減災工作更具針對性、有效性。