晉西黃土區極端降雨后淺層滑坡調查及影響因素分析

李 陽, 張建軍,2,3,4, 魏廣闊, 胡亞偉, 趙宇輝, 唐 鵬

(1.北京林業大學水土保持學院，北京 100083；2.山西吉縣森林生態系統國家野外科學觀測研究站，山西 吉縣 042200；3.北京林業大學水土保持國家林業局重點實驗室，北京 100083；4.北京林業大學林業生態工程教育部工程研究中心，北京 100083)

降雨是導致淺層滑坡災害的直接誘發因素之一。近年來，氣候變化導致的極端降雨事件時有發生，引發的淺層滑坡、泥石流等災害十分嚴重，不僅造成了嚴重的水土流失，更嚴重威脅生命財產安全。因此，研究暴雨等極端降雨條件下淺層滑坡的發生規律，對于開展淺層滑坡的災害預警、風險評價與防治措施實施等方面具有重要實際意義。

植被對邊坡穩定性起著重要作用，對于淺層滑坡的發生與發育具有顯著影響。已有研究表明，植被通過根系網絡固定土體，加強土體的抗剪強度，改善邊坡的土體應力，降低土體中的集中應力，從而提高邊坡穩定性，降低淺層滑坡發生的可能性，因此植物根系加固是一種具有潛在經濟效益和環境友好的提高土體強度的方法。有大量植被覆蓋的斜坡比沒有植被覆蓋的斜坡更穩定，也更不容易發生淺層滑坡。但也有研究表明，即使有良好的植被覆蓋，在極端暴雨狀況下也會發生淺層滑坡。如2016年7月17日，受持續性強降雨影響，湖南省湘西土家族苗族自治州古丈縣墨戎鎮龍鼻村附近植被狀況良好的山體邊坡發生滑坡災害；由于特大暴雨的發生，2013年7月21日，陜北富縣地表覆蓋度在90%以上的林區發生多處淺層滑坡?，F有關于地面植被對淺層滑坡的影響多集中于單種植物根系對土體的力學效應，較少探討不同地面植被類型對淺層滑坡的影響，尤其基于小流域尺度分析植被類型對淺層滑坡的影響相對較少。

此外，地形對于淺層滑坡發生發展的影響同樣十分重要。淺層滑坡因其是重力作用下的災害，其發育和分布無疑受到地形的控制作用。坡度和坡向是2個反映地形的重要因素，對淺層滑坡的發生與發展具有一定的決定作用。坡度通過影響下滑力和巖土的應力分布而對淺層滑坡有控制性作用，對于物質組成均一、各向同性的坡體，淺層滑坡發育的可能性隨著坡度的增大而增大。坡向則是通過影響太陽輻射和水分分布，進而影響降水、植被、侵蝕和風化作用等因素造成淺層滑坡的規律性分異。然而，目前關于地形對于淺層滑坡的影響研究多是利用淺層滑坡發生較為久遠后的調查資料，這可能會導致那些在較短時間植被恢復良好的小規模淺層滑坡被忽略。極端降雨發生后，及時的淺層滑坡調查資料能更完全地反映地形因素對淺層滑坡的影響，而這種研究相對較少。

為此，本研究基于2021年10月3—6日山西省臨汾市吉縣發生的極端降雨事件，于10月14—21日利用無人機對吉縣蔡家川流域的淺層滑坡情況進行實地調查，分析淺層滑坡數量、規模及分布規律，探討淺層滑坡與植被類型、地形因素的關系，以期為極端暴雨條件下黃土高原地區淺層滑坡預警預防提供參考。

1 研究區概況

山西省臨汾市吉縣屬溫帶大陸性季風氣候，其特點是春冬干旱少雨，夏秋降雨集中。多年平均氣溫10.5 ℃，極端最低氣溫-21.3 ℃；極端最高氣溫39.7 ℃。年平均降水量520.3 mm，年平均降水時間為109天，6—10月的降水量占全年的75%以上。地勢東北高，西南低。東部和北部為呂梁山脈西麓，峰巒疊嶂。向西、向南逐漸過渡到黃土丘陵溝壑區，地表破碎，溝壑縱橫。

本研究選擇山西吉縣森林生態系統國家野外科學觀測研究站的蔡家川流域作為調查對象，流域面積34.23 km，東西走向，地理坐標110°39′45"—110°47′45"E，36°14′24"—36° 18′23"N，屬于典型的梁狀丘陵溝壑區。海拔900～1 513 m。土壤以褐土為主，微堿性，抗蝕性差，黃土母質，土層厚度幾十至百米，土質較均勻。流域內土地利用類型以林地、灌木林地、草地、農地為主，森林覆蓋率達80%以上。流域上游主要為由遼東櫟() 、山楊() 、黑樺() 、北京丁香() 等組成的天然次生林，中游為由刺槐() 、油松() 、側柏() 組成的人工林，下游為荒草地和農地。

2 材料與方法

2.1 降雨數據的采集

本次調查的降雨數據來源于山西吉縣森林生態系統國家野外科學觀測研究站在流域內布設的10個雨量站(圖1)，雨量計為翻斗式自記雨量計，精度為0.2 mm。

2.2 淺層滑坡野外調查

淺層滑坡調查于2021年10月14—21日在蔡家川流域內進行，選擇了次生林小流域、人工林小流域和農地小流域共3個不同土地利用類型的小流域(圖1)作為調查對象，3個小流域的基本情況見表1。

圖1 蔡家川流域概況

表1 小流域概況

使用搭載高精度攝像鏡頭的大疆悟二型無人機對3個小流域進行航拍，通過野外選點、相控點布設、航線規劃、攝影測量作業、照片整理、影像建模、產品生成等環節，最終生成高分辨率的數字正射影像圖和數字表面模型。通過無人機航拍(飛行高度200 m)進行淺層滑坡的調查，采用對比暴雨前流域衛星遙感影像與暴雨后無人機航拍數字正射影像，識別流域內發生淺層滑坡的具體部位，解譯淺層滑坡發生后植被的破壞面積，淺層滑坡在無人機照片上非常清晰，很容易識別和判斷，淺層滑坡特征非常明顯，滑坡破壞區域內色調較淺、發白發亮，且地表植被破壞情況嚴重，能夠很清晰地解譯出發生的淺層滑坡及破壞的區域。并且本次調查是在暴雨后15天內完成，這些淺層滑坡發生部位人很難到達，人類活動還沒有對滑坡部位造成干擾。因此使用Arcgis軟件采用目視解譯的方法勾勒3個小流域內所發生的淺層滑坡，統計淺層滑坡的數量，計算淺層滑坡的破損面積(滑坡體發生、滑動及堆積整個過程所造成的地面植被破壞面積)，并利用數字高程模型生成坡度圖和坡向圖。

為了驗證目視解譯方法的準確性，利用皮尺對流域內標志性建筑物和典型的淺層滑坡進行實地測量，同時采用目視解譯方法計算該標志性建筑物和典型淺層滑坡的長度與面積，以此分析目視解譯方法的誤差，經對比分析得出目視解譯的長度誤差在2.76%以內，面積誤差在5.60%以內，表明利用無人機拍攝的高分辨率影像采用目視解譯的方法能夠準確地計算出長度與面積。

3 結果與分析

3.1 蔡家川流域極端降雨事件特征

表2為各個雨量站對本次極端降雨的特征值。由表2可知，降雨量為140.5～178.8 mm，平均值為161.3 mm，為年平均降水量的31.2%；降雨歷時84 h，平均降雨強度2.1 mm/h，最大10 min降雨強度33.6 mm/h，最大30 min降雨強度25.2 mm/h。利用吉縣1960—2020 年60 年降雨記錄進行頻率計算得出，本次降雨的頻率為0.16%，為625年一遇的極端暴雨。

表2 蔡家川流域極端降雨事件特征

由圖2可知，從10月3日0時開始至10月6日16時結束，其間出現了4個峰值，分別出現在10月3日7—9時，10月4日6—7時、10月4日18—20時以及10月5日22時至10月6日1時，峰值降雨強度達到7 mm/h。

圖2 極端降雨過程

3.2 淺層滑坡的統計特征

通過無人機拍攝的影像對3個不同土地利用類型小流域內發生的淺層滑坡進行目視解譯得出，本次極端降雨期間共發生479個淺層滑坡，破損總面積達到183 881.3 m，規模最小的僅為12.0 m，規模最大的為5 969.8 m，平均面積為383.9 m。圖3為淺層滑坡破損面積的累積頻率曲線，由圖3可知，80%的淺層滑坡破損面積在529 m以下，90%的淺層滑坡破損面積在885 m以下。

圖3 淺層滑坡破損面積累積頻率曲線

3.3 淺層滑坡與流域土地利用類型的關系

為了消除小流域面積差異的影響，選擇使用數量密度與面積密度反映單位面積上發生淺層滑坡的數量與破損面積。由表3可知，淺層滑坡的數量密度與面積密度均表現為農地小流域(214個/km，109 241.3 m/km)>人工林小流域(163個/km，48 779.7 m/km)>次生林小流域(42個/km，17 176.3 m/km)，可以認為以農地為主要土地利用的小流域內發生的淺層滑坡數量明顯多于人工林小流域和次生林小流域，而且農地小流域內發生的淺層滑坡的破損面積也明顯大于人工林小流域和次生林小流域。這表明在小流域尺度上森林對預防淺層滑坡的積極作用顯著高于農地，且次生林對淺層滑坡的預防作用優于人工林。

表3 不同類型小流域內淺層滑坡特征

農地小流域內淺層滑坡的破損面積最高值達5 969.8 m，平均值為510.3 m，均大于次生林小流域和人工林小流域，說明農地小流域內發生的淺層滑坡不僅數量多，而且規模較大。本次調查中淺層滑坡破損面積的最小值為12.0 m，出現在人工林小流域內，人工林小

流域內淺層滑坡破損面積的平均值也低于農地小流域和次生林小流域，表明人工林能有效降低流域內淺層滑坡的數量和規模。次生林小流域內淺層滑坡的數量密度和面積密度均為3個小流域中最小，說明次生林對極端暴雨引發的淺層滑坡具有顯著的預防效果。

3.4 地形與淺層滑坡的關系

由圖4可知，農地小流域內發生淺層滑坡的坡度為10°～60°，其中40°～50°的坡面上淺層滑坡數量占比和淺層滑坡破損面積占比最大，分別為45.4%和48.0%；人工林小流域內發生淺層滑坡的坡度10°～80°，其中40°～50°的坡面上淺層滑坡數量占比和淺層滑坡破損面積占比最大為56.7%和72.5%；次生林小流域內發生淺層滑坡的坡度為10°～60°，其中40°～50°范圍內淺層滑坡數量占比和淺層滑坡破損面積占比最大為39.0%和49.7%?？梢?，研究流域內淺層滑坡的發生坡度均在10°以上，坡度<10°的坡面上均未發生淺層滑坡。在農地小流域、人工林小流域、次生林小流域內，淺層滑坡數量與淺層滑坡破損面積均隨著坡度的增大先增大后減小，在40°～50°的坡面上淺層滑坡數量與破損面積均為最大，說明在該范圍內，淺層滑坡最容易發生，即研究區內淺層滑坡在不同土地利用類型的小流域中最容易發生在40°～50°的坡面上。

圖4 不同坡度下的淺層滑坡數量與面積

由圖5可知，農地小流域內的淺層滑坡分布于45°～315°的坡向范圍內，淺層滑坡數量和淺層滑坡破損面積分別在225.0°～247.5°和90.0°～122.5°的坡向上達到峰值，占比18.4%和25.8%；人工林小流域內淺層滑坡分布于45.0°～337.5°的坡向范圍內，淺層滑坡數量和淺層滑坡破損面積分別在157.5°～180.0°和112.5°～135.0°的坡向上達到峰值，占比14.7%和18.8%；次生林小流域內淺層滑坡分布于22.5°～337.5°的坡向范圍內，淺層滑坡數量和淺層滑坡破損面積分別在135.0°～157.5°和112.5°～135.0°的范圍內達到峰值，占比17.1%和23.2%?？梢园l現，農地小流域內坡向為315.0°～45.0°的坡面、人工林小流域內337.5°～45.0°的坡面、次生林小流域內337.5°～22.5°的坡面均未發生淺層滑坡，即本次極端降雨過程中蔡家川流域內的陰坡均未發生淺層滑坡，這很可能是蔡家川流域為東西走向，陰坡多為支溝的溝頭，占比較小所致?？傮w而言，蔡家川流域內的淺層滑坡數量和破損面積在隨坡向變化上并未表現出明顯的規律，說明坡向對于淺層滑坡發生的影響可能不大。

圖5 不同坡向下的淺層滑坡數量與面積

4 討 論

4.1 地面植被對淺層滑坡發生的影響

通常認為，地面植被的存在對于預防淺層滑坡的發生具有積極的作用。植被冠層對于誘發淺層滑坡的降雨有截留作用，通過林冠對降雨的再分配，減少了到達地面的雨水量，從而有可能降低淺層滑坡發生可能性；同時植被的根系不僅能夠團聚松散的土體，還能夠有效改善土體的力學性質，通過橫向摩擦和縱向錨固作用增加土體的變形能力和抗剪強度，提高坡體的穩定性，降低淺層滑坡發生的可能；此外，植被能作為淺層滑坡滑動路徑上的攔擋物，能阻礙淺層滑坡的運動，控制淺層滑坡的破損面積。然而，由表4可知，本研究的3個小流域植被覆蓋度均高于85%，且都觀察到大量淺層滑坡的發生，說明植被在防治淺層滑坡的作用上仍然具有一定限度。在植被狀況良好的地區內發生的淺層滑坡的相關報道屢見不鮮，如2019年7月23日災難性淺層滑坡發生于貴州水城縣內較高植被覆蓋區域，2013年7月25日甘肅天水市森林地區發生大規模群發性淺層滑坡，2018年9月2日云南文山州麻栗坡縣上千余處淺層滑坡-泥石流災害發生在高植被覆蓋區。本次調查中也發現，發生淺層滑坡的坡面植被蓋度均在82%以上，可見植被的存在并不能完全杜絕淺層滑坡的發生。

表4 不同小流域類型內淺層滑坡處的植被類型與覆蓋度

但是，在小流域尺度上，土地利用類型/植被類型是影響淺層滑坡的重要因素。本次調查發現，不同土地利用類型的小流域內單位面積上的淺層滑坡數量和破損面積差異顯著，其中農地小流域內單位面積上淺層滑坡數量最多，破損面積最大，人工林小流域單位面積上淺層滑坡數量居中，破損面積居中，而次生林小流域單位面積上淺層滑坡數量最少，破損面積最小。這表明不同土地利用類型對小流域內的淺層滑坡的發生起到決定性作用，尤其群落結構更為復雜、物種多樣性更為豐富的次生林對預防淺層滑坡的發生有更好的效果。有研究也指出，草木結合種植對于提高邊坡穩定性的效果優于種植單一草本或喬木。草灌組合植被對邊坡土體抗剪強度增強效果大于單一草本或灌木。這可能是次生林與人工林和農地相比，有著更為復合的林冠結構與根系系統，在延緩雨水入滲、增加土體抗剪強度、阻攔淺層滑坡運動等方面的效果更佳。因此，在黃土高原通過實施大面積退耕還林工程，坡面植被得以有效恢復的同時，如何采取有效的植被管控措施，促進植被向結構復雜化、層次多樣化、物種豐富化的方向演替，是在小流域尺度上防治極端暴雨引起淺層滑坡發生的有效措施。

4.2 地形對淺層滑坡發生的影響

坡度顯著影響著巖石與土壤的應力分布，對于淺層滑坡的發生與發育具有重要作用。本研究在農地小流域、人工林小流域、次生林小流域內均觀察到淺層滑坡的數量與破損面積隨著坡度的增大先增加后減少，且峰值出現在40°～50°的坡面上，說明極端暴雨引發的淺層滑坡主要發生在40°～50°的坡面上。本次調查結果同其他關于坡度對淺層滑坡影響的研究結論有所不同，袁康等發現，淺層滑坡最易發生于20°～30°的范圍內，而吳昊等發現，淺層滑坡最易發生在50°～60°的范圍內，調查結果的差異可能是由于研究區域獨特的地理位置、地貌條件，甚至誘發淺層滑坡的強降雨事件等多種因素導致。但這些研究都表明，淺層滑坡最易發生的坡度均處在研究區坡度分級的中間位置，這可能與淺層滑坡發生的力學條件密切相關。本研究確定了晉西黃土區在極端降雨條件下淺層滑坡最易發生于40°～50°的坡面上，因此需要著重做好該范圍內的護坡措施以預防極端降雨誘發的淺層滑坡。

相較于坡度而言，本研究反映出坡向對淺層滑坡的影響較小，淺層滑坡數量與破損面積隨坡向并沒有明顯的變化規律。與坡度對淺層滑坡發生的直接影響不同，坡向是通過影響太陽輻射和水汽分布，造成土壤、地表植被的和降雨的差異性，進而間接影響淺層滑坡的發生與發育過程。在本研究中，研究區域較小，坡向對于土壤、地表植被和降雨等方面的影響并不顯著，對淺層滑坡的間接影響較小，不是影響淺層滑坡的主導因素。

5 結 論

(1)極端降雨降雨量為年平均降雨量的31.2%，達到了161.3 mm，降雨歷時84 h，峰值降雨強度7 mm/h，平均降雨強度2.1 mm/h，發生該種程度降雨頻率為0.16%，為625年一遇的極端暴雨。

(2)蔡家川流域內的農地小流域、人工林小流域和次生林小流域共計發生淺層滑坡479 處，破損面積達183 881.3 m，80%的淺層滑坡破損面積在529 m以下，90%的淺層滑坡面積小于885 m。

(3)單位面積上淺層滑坡的數量與破損面積均表現為農地小流域(214個/km，109 241 m/km)>人工林小流域(163個/km，48 779 m/km)>次生林小流域(42個/km，17 176 m/km)，在小流域尺度上森林植被對淺層滑坡的防治作用顯著高于農地，且次生林地預防淺層滑坡的作用優于人工林地。

(4)淺層滑坡發生的坡面坡度為10°～80°，淺層滑坡數量與破損面積均隨著坡度的增大而增大，在40°～50°范圍內達到峰值，坡度大于50°后，淺層滑坡數量與破損面積隨坡度增大而減少，坡度是影響淺層滑坡的主導因素。

(5)淺層滑坡主要發生在坡向為22.5°～337.5°的坡面上，淺層滑坡數量和破損面積隨坡向變化并未表現出明顯的規律性，坡向對淺層滑坡的影響不大。