甘肃省积石山县泥石流空间分布及分析
本文内容来源于《测绘通报》2022年第7期，审图号：GS京（2022）0341号
强德霞1,2, 马海政3, 朱自平2, 苟彦梅1
基金项目：甘肃省教育厅创新基金(K2021B-409)
关键词：积石山县, 泥石流, GIS技术, 空间分布, 叠置分析
摘要 ：泥石流灾害突发性强,成灾速度快,危害严重,易给人民生命财产和社会基础建设造成严重损失。本文以甘肃省积石山县2018年8月2—3日泥石流发生时的降雨数据为临界值,结合该地区地形地貌、土壤土质、植被覆盖、水文等环境变量数据,利用GIS技术进行数据分析,发现积石山县刘集乡、石塬乡、大河家镇等为泥石流灾害高危易发区域。引发当地泥石流的原因主要为:①植被破坏严重,土体不稳定,强降雨引起泥石流;②研究区属于黄土高原地貌,水体侵蚀导致极易发生泥石流;③对黄河沿岸破坏较为严重,夏秋汛期,黄河水量猛增,对没有植被保护的土壤剧烈冲刷,为泥石流的发生提供了物质条件。
泥石流是指在山区或其他沟谷深壑、地形险峻的地区，由短时强降雨引发的山体滑坡，在重力及流水搬运作用下携带大量泥沙、石块等固体碎屑物，沿沟谷或斜坡向地势较低的地方流动的一种特殊洪流[1]。2018年8月2—3日，甘肃省积石山县突降罕见大暴雨，降水量达194 mm, 持续9 h。暴雨造成的泥石流导致该县多个乡镇受到不同程度的灾害，最严重的为大河家镇黄河大桥和吹麻滩镇桥头大桥，发生不同程度倒塌，对当地基本农田、公共设施、居民地及居民的生命安全等造成了严重的影响[2]。鉴于泥石流对受灾区域造成较大负面影响，研究泥石流的空间分布，分析诱导灾害发生的因子，从而为防灾减灾提供科学精确的预警，成为很多学者研究的目的。研究主要集中在以下方面：一是通过泥石流灾害发生的空间分布规律，分析泥石流的发生与降雨量、水网密度、海拔之间的关系[3,4];二是在通过对遥感影像解译提取泥石流空间分布的基础上，分析植被覆盖对泥石流发生产生的影响[5];三是在典型流域，通过对流域内的岩性、海拔、季节性降雨的分析，确定对泥石流的发生起决定性作用的因素[6]。
本文以GIS平台为基础，在对灾害发生区域及有效降雨量进行充分分析的基础上，根据研究区地质环境基础条件和气象条件选取影响因子，逐步判别分析，筛选对泥石流危险范围贡献较大的影响因子进行空间分析，对泥石流的最大危险范围进行预测，以期为政府制定地质灾害防治规划及预警信息发布提供参考。
1 研究区概况
积石山县位于甘肃省西南部、临夏回族自治州西北部，是黄土高原和青藏高原交汇的过渡地带。地势西南高，东北低，起伏明显，大部分为山地，山脉以小积石山为主，地貌以山地、河谷及黄土高原地貌为主。土壤主要以石灰性灰褐土、褐土、山原红壤、黄红壤、红黏土、积钙红黏土、钙质粗骨土、草毡土、黑毡土等类型为主。县域内降水稀少，受地势因素影响，降水西南多东北少，高山丘陵多平川谷地少，夏秋两季较多冬春两季较少，主要集中在7—9月。植被人为破坏严重，逆向演替强烈，天然植被彻底破坏，形成目前的森林草原和次生人工植被。
2 数据与分析
2.1 数据来源
(1)ALOS-DEM数据。
日本对地观测卫星ALOS能够获取全球高分辨率陆地观测数据[7]。本文采用空间分辨率为12 m的ALOS-DEM数据，投影为WGS-84坐标系统，基准面为D_WGS-84。通过DEM数据可提取高程、坡度、坡向等地貌因子，以及盆域、河流网络等水文因子。
(2)植被覆盖和地面影像数据。
甘肃省积石山县14级植被覆盖区域栅格数据和地面影像栅格数据，空间分辨率为19.11 m, 投影为WGS-84坐标系统。
(3)土壤类型数据。
土壤数据集来自中国科学院南京土壤研究所发布的第二次土壤普查的1∶100万中国土壤图和土壤类型代码表，数据为栅格格式，空间分辨率为30弧秒(约1 km),主要包括土壤类型名称、面积、分布等。
(4)降水数据。
降雨是诱发泥石流的主要动力因素[8]。根据降雨能级和泥石流活动规模关系(见表1)[9],积石山县年降水量为467～734 mm, 属于年降雨量小于800 mm的西北地区。在无前期降雨的情况下，研究区10 min、1 h、24 h可能发生泥石流的界限值分别为10、40、50 mm, 而2018年8月2—3日发生泥石流的日均降水量为51.70 mm, 最大降水量达194 mm, 均超过本区域可能发生泥石流的界限值。以研究区2018年8月2—3日泥石流发生时的降雨数据为临界值，进行研究分析。
表1 降雨能级和泥石流活动规模关系
2.2 影响因子分析
2.2.1 地形对泥石流的影响
地形条件是泥石流形成的先决条件。与地形相关的因子主要有高程、山坡坡度、坡向等。泥石流主要发生在地势较陡峭的山区，高差越大，泥石流发生的概率越大。不同坡向上植被覆盖度、土壤类型及松散度不同，对泥石流的发生也有一定影响。植被的根系深入土层，降雨初期，根系吸收降水，对土体具有锚固作用[10]。土质颗粒对水体的吸收不同，随着雨水的渗入，土体的渗透系数增大，泥石流发生的概率也随之增大[11]。如图1所示。
(1)高程因子。积石山县海拔高程变化范围较大，地势起伏的差异导致地貌结构极不稳定，为泥石流灾害的物源提供了一定的势能[12]。泥石流发生频数、位置与高程和地质结构具有密切关系。高差较小，地质结构稳定，则较少发生泥石流；高差变化较大且地势较低的地方，则泥石流发生较频繁，即主要发生在海拔250～2250 m的区域。
(2)坡度因子。坡度的大小会影响地表中流体物源的大小和强度。坡度的变化导致土壤的稳定性和地表水动力发生变化，降雨侵蚀能力和侵蚀强度随着坡度的增大而增强。不同地区坡度的陡度对泥石流的发展起着制约作用。泥石流灾害主要发生在0～10°和20°～25°两个坡度范围内。当坡度超过50°,几乎很少发生泥石流灾害[13,14]。
(3)坡向因子。地面的光、水、热资源与土壤、岩石和植被等密切相关。迎风坡多水分，容易发生泥石流；阳坡具有太阳辐射强、辐射时间长、昼夜温差大等特点，冰雪融化较快，风化作用强且速度快，容易形成松散固体物质，为泥石流的产生提供先决条件。泥石流的发生频数、位置与坡向有密切的关系，一般集中在东坡和东南坡向[12]。
通过叠置分析可知，积石山泥石流主要发生在海拔250～2250 m的区域，以及0～10°和20°～25°两个范围的坡度(东坡和东南坡向)区域。
图1 地形条件分析
2.2.2 水文因子
降雨是发生泥石流的重要条件。降雨的强度越大，对地表产生的侵蚀和冲击越大[15]。泥石流的形成须有强烈的地表径流，地表径流是爆发泥石流的动力条件。地表径流对山坡和沟床不断冲蚀掏挖，山体塌滑下来的大量泥沙石块等固体物质被水流挟带搅拌，在重力和惯性力的作用下急速奔泻。长历时降雨使得一定水量聚集，土体呈饱和状态，也极易发生泥石流。水文因子分析如图2所示(1 mile≈1.61 km)。
2.2.3 土壤因子
固体松散物质是泥石流发生的基础物质条件[16]。本文对研究区土壤分布进行分析， 结合对历史泥石流发生区域的实地调查，发现泥石流发生地域与铁铝土、半淋溶土分布地域高度吻合。土壤的抗剪强度是指土体对于外部荷载所产生的剪应力的极限抵抗能力，也是研究降雨型泥石流灾害时需重点参考的数据[17,18]。铁铝土纲包括黄红壤、山原红壤等土壤类型，半淋溶土纲则包括褐土、石灰性褐土等土壤类型。这几种类型的土壤抗剪强度均低于1(见表2),在遭受较长时间的强降雨后，土体经过充分浸润，重力陡增，在一定的地形条件下会发生崩塌、滑坡，成为泥石流的物源基础。
图2 水文因子分析
表2 积石山县主要土壤类型抗剪强度
据查阅关于泥石流发生位置和频数与土壤类型研究结果的相关资料，结合土壤类型抗剪强度和实地历史泥石流发生区域调查数据，表明黄红壤、山原红壤、褐土、石灰性褐土发生泥石流的频率较高。土壤类型分布如图3所示。
图3 积石山县土壤类型分布
2.2.4 植被对泥石流的影响
植被对泥石流具有良好的抑制作用。植被可以涵养水源，减少地表径流，锚固土体，增强土体的稳定性[19,20]。植被的冠层、灌木层、凋落物、根系通过拦截降水减少降水的侵蚀，并固定土壤，以提高土壤抗侵蚀能力。植被覆盖率低的地区，岩土体风化程度高，河流和雨水侵蚀强度大，土壤稳定性差，易爆发泥石流灾害。一般植被覆盖率低、土地裸露度高的生态环境较为脆弱的地区较容易发生泥石流。植被覆盖区域如图4所示。
图4 积石山县植被覆盖区域
2.3 影响因子权重分析
诱发积石山泥石流的因子主要有地形、降水、植被及土壤。构建判断矩阵，确定各因子的权重值为
判断矩阵的特征向量为[0.581 0.768 6 0.224 2 0.146]T。各因子的权重如下：地形为0.581,降水为0.768 6,植被为0.224 2,土壤为0.146。通过因子的权重可知，积石山泥石流最大的影响因子为降水，其次为地形和植被，土壤对泥石流的发生也有一定作用。
2.4 影响因子叠置分析
通过对影响因子的权重分析可知，积石山县的泥石流属于降雨型泥石流。降水、地形、植被、土壤等因素是降雨型泥石流发生的主要影响因子[21]。选取降水、地形、植被覆盖、土壤类型4个影响因子进行空间分析，研究泥石流易发区域。从预处理好的数据中对符合泥石流发生条件的信息进行提取、叠置交集，综合得出易发或高危区域，即降雨临界值下的泥石流高危发生区域；再将叠置交集分析得出的泥石流易发区域放置在研究区影像图上，可直观显示泥石流易发地区。影响因子叠置分析如图5所示。
3 结果与分析
根据以上4项影响因子，提取符合泥石流发生的数据进行空间分析，结果显示，泥石流灾害易发区域主要集中积石山县西北部小积石山麓、刘集河流域、临近黄河南岸区域，约占研究区总面积的2%,行政区划属于刘集乡、石塬乡、大河家镇。分析成因分别如下。
图5 影响因子叠置
(1)刘集乡泥石流区域。
呈集中连片分布的最大易发区域在刘集乡境内南部区域的河崖村、大山庄村、国家4A级景区大山庄峡风景区内，该区域在2016—2018年多次发生洪水、滑坡及泥石流灾害，并导致该区域居民区及其附属物遭到严重损害；无序砍伐植被加剧了该地区的水土流失，减少了植被覆盖度面积，致使岩石裸露，岩石和土壤的风化程度加快，受河流、雨水侵蚀强度大，土体稳定性差，最终导致爆发泥石流灾害。
(2)石塬乡泥石流区域。
石塬乡属于典型的黄土高原地貌。该地域发生泥石流的原因主要为：①植被覆盖率低，除黄土塬上人为种植的农作物外，基本无其他植被；②与黄土高原特有的黄土峁地貌相关，黄土峁以3°～10°向四周倾斜，并逐渐过渡为坡度为15°～35°的峁坡，该坡度恰好是泥石流灾害发生的条件之一，且该区域土壤类型为山原红壤，为泥石流提供了物源基础，因此成为泥石流易发区域。
(3)大河家镇泥石流区域。
大河家镇是整个研究区海拔最低、地势起伏最小、最平缓的区域。属于河漫滩性质的一个河谷地带。根据实地调查得知，当地居民在黄河边大肆建砂料场，挖沙取沙，导致黄河岸边农田、植被锐减，夏秋汛期，黄河水量猛增，对没有植被保护的土壤剧烈冲刷，为泥石流的发生提供物质条件。
4 结 语
积石山县泥石流属于降雨型泥石流。本文利用GIS技术，选取地形、水文、植被覆盖、土壤类型4个环境影响因子，对积石山县泥石流易发区域进行研究。结果显示，泥石流灾害易发区域主要集中积石山县西北部小积石山麓、刘集河流域、临近黄河南岸区域，约占研究区总面积的2%。引发当地泥石流的主要原因有3个：一是季节性暴雨使得地形较为复杂的区域容易发生泥石流，且当地植被破坏严重，植被覆盖度较低，致使岩石裸露，岩石和土壤的风化程度加快，受河流、雨水侵蚀强度大，土体稳定性差；二是研究区属于黄土高原地貌，土壤类型为山原红壤，抗剪度较低，在水体的侵蚀下极易发生泥石流；三是当地人为破坏较为严重，在黄河边大肆建砂料场，挖沙取沙，导致黄河岸边农田、植被锐减，夏秋汛期，黄河水量猛增，对没有植被保护的土壤剧烈冲刷，为泥石流的发生提供了物质条件。
终审：金 君
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