九寨沟县位于四川省阿坝州东北部、青藏高原东北缘、岷山山脉的东部以及龙门山山脉的西北部,地处青藏高原与四川盆地的大地貌单元过渡的深切割高山峡谷地带。境内山脉纵横,峰峦重叠,相对高差悬殊,形成以高山深切河谷为主的地貌类型。由于地形陡峻,前缘临空条件发育,坡体表面松散物质沿与完整基岩接触面下滑的下滑分力较大,坡体稳定性较差,因此易在斜坡部位形成滑坡; 在地形切割形成陡崖的地段,由于岩体卸荷常形成崩塌、危岩,危及住户安全; 区内支沟沟域面积较大,沟道纵坡较陡,两侧岸坡高陡,泥石流物源发育。

本次地震发震区位于龙门山断裂带、塔藏断裂带、岷江断裂带和虎牙断裂带的交汇处,发震断裂带为虎牙断裂,地震破裂面走向NW,倾向WS,倾角70°～80°,最大滑动距离85 cm,主破裂长约30 km(李渝生等,2017; 刘华国等,2018)。根据中国地震台网中心数据可知,近百年内此次地震震中500 km范围内发生过多次6.5级以上地震。

采用2017年8月6日和8月18日的Sentinel-1A SAR雷达数据,入射角43.8°,水平照射方位南东12.9°,垂直基线距+35.7 m,利用DInSAR技术进行干涉处理获取地震后研究区形变场(视线向形变)。同震地表形变的视线向绝对量值如图1所示,形变量值为-25～11 cm,这一结果是水平形变与垂直形变在视线向投影的结果,负值代表远离卫星形变,正值代表靠近卫星形变。通过对比其它研究人员成果(姚鑫等,2017; 孟庆筱,党学会,2018),升轨数据与降轨数据结果完全相反,再次证明九寨沟地震为走滑断层诱发的地震。形变分布主要在震中1 km范围内,呈“果核状”。

地震后,九寨沟县地质灾害调查结果显示,震后地质灾害主要以崩塌地质灾害为(图1),发育有主崩塌144处、不稳定斜坡59处、滑坡57处。对比震前地质灾害调查结果(崩塌163处、不稳定斜坡43处、滑坡78处),不稳定斜坡数量明显增多,如图2所示。将地震前后地质灾害叠加至同震形变图与九寨沟县行政区划图(图1),可发现震前地质灾害均匀分布于九寨沟县各个区域,主要分布于沟道中; 而震后地质灾害集中分布于同震大形变区域内(Ⅷ烈度区内),且同样主要分布于沟道中。在同震大形变区外分布有一定量地质灾害,其原因在于地震会诱发不稳定斜坡,且会演化为崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害。对比现有成果,本研究调查得出的震后地质灾害少于其他研究成果,分析其原因为所选用数据为现场调查结果,而其他成果是遥感影像解译的成果,但现场调查结果对于震后地震灾害成果有一定代表性。

图1 九寨沟MS7.0地震同震形变及研究区地质灾害分布
Fig.1 Co-seismic deformation of Jiuzhaigou MS7.0 earthquake and geological hazard distribution in the study area

图2 九寨沟MS7.0地震前后研究区地质灾害统计
Fig.2 Statistics of geological hazard before and after the Jiuzhaigou MS7.0 earthquake in the study area

震前地质灾害影响因子主要为地形、地貌因子、岩土体性质因子、自然因素因子、人类活动因子。而地震诱发崩塌、滑坡等地质灾害的分布是地震参数及斜坡参数等多种影响因素综合作用的结果(许冲,2018)。

震前因子分析:受地形地貌的控制,地质灾害在垂直高程上的分布具有明显不均匀性,河流

图3 九寨沟县地质灾害诱发评价因子分级图
Fig.3 Classification map of evaluating factors induced by geological disasters of Jiuzhaigou county

的下切往往会形成陡壁或悬崖,坡体原来平衡的应力状态遭到破坏,并引起应力释放,产生与河岸或与开挖平行的卸荷裂隙,并不断加深、扩大; 降雨量分布对于地质灾害的形成具有一定的控制作用; 作为斜坡的物质组成,岩土体的性质对斜坡的稳定性有很大的控制作用。

震后因子分析:汶川地震地质灾害分布规律表明绝大多数地质灾害发生于高程为650～2 500 m的地形陡变带; 斜坡坡度是控制斜坡稳定性的重要因素,不同坡度的斜坡对于地震波的响应表现为微地貌的控制作用; 从斜坡变形破坏机理来看,具有随高程增加的放大效应; 地震对震裂斜坡效应具有明显的距离效应,且震裂斜坡具有明显的断层错动方向效应和背坡面效应(黄润秋,李为乐,2008)。

对研究区地质灾害发育特征、时间和空间分布规律进行分析,重点考虑震前的斜坡效应与震后地震效应,综合考虑斜坡震裂效应和指标获取情况,最终确定12个指标因子,分别为高程、斜坡坡度、坡向、沟谷密度、年平均降雨量、与河流距离、工程岩组、与断层距离、地震动峰值加速度(PGA)、地震烈度、坡向与震源初动方向夹角和同震形变。这些指标因子主要由30 m精度DEM计算与反演而成,1:25万地质图生成,形变图主要是根据DInSAR形变结果制作(图3)。

通过各个因子对于地震前后地质灾害控制性作用,提取震前地质灾害影响因子:与河流距离、工程岩组、年平均降雨量、坡向、坡度、高程、沟谷密度; 震后地质灾害影响因子:地震烈度、与断层距离、PGA、坡向与震源初动方向夹角、同震形变、高程、坡度(图3)。

叠加九寨沟地震前后地质灾害点与各个因子分级图,对各个因子各等级中地质灾害频率比进行统计。由图4可见,震前地质灾害主要分布于距离水系400 m范围,软硬互层与软质岩体,年降雨量为550～580 mm、坡向(NE,E,SE)、坡度0°～15°、高程1 131～2 200 m、沟谷密度(0.1～1.8)×10^-4 km/km²这些因子等级范围内; 震后地质灾害主要分布于地震烈度Ⅸ、断层距1.5 km内、PGA大于0.16 g、坡向与震源初动方向夹角157.5°～202.5°、同震形变负值区域、高程1 131～2 700 m、坡度0°～15°这些因子等级范围内。对比地震前后2个共同因子可发现,震后地质灾害主要集中于高高程处,而低坡度为地震前后地质灾害高发区。

地质灾害的风险性是危险度和易损度共同作用的结果,是灾害自然属性和社会属性的结合。地质灾害风险评价模型可表示为:

R=H×V(1)

式中:R为地质灾害的风险度; H为地质灾害的危险度; V为地质灾害的易损度。

地质灾害危险度评价模型采用频率比累加模型:

H=∑ⁿ_i=1(F_i)/(∑^m_j=1F_ij)(2)

式中:F_ij为第i个因子j等级的频率比。

地质灾害易损度采用土地利用类型定性评价,赋值标准主要为土地价值,具体划分如表1所示。

表1 各类土地易损度
Tab.1 The vulnerability of various types of land

根据以上崩滑地质灾害在各个因子各个等级中的频率比计算结果,运用危险度计算模型计算地震前后九寨沟县崩滑地质灾害危险性,危险性分级标准采用半定量分级,划分为:低危险区(0～0.2)、较低危险区(0.2～0.4)、中危险区(0.4～0.6)、较高危险区(0.6～0.8)、高危险区(0.8～1)。

对比地震前后地质灾害危险性评价结果(图5),发现具有一定的相似性:较高、高危险区大部分集中于沟道两侧,沟道中往往发育有河流,水对斜坡的冲刷、软化与动水压力作用导致岸坡岩土体强度大幅度降低,且动水压力作用使河谷两岸边坡变得更加陡峭、起伏度更大,在地势的作用下易产生地质灾害。但地震前后最大差异在于:震前危险区通常集中于沟道两侧,而震后高危险区不仅集中于沟道两侧,同时也分布于九寨沟地震高烈度区域内。

根据“地理国情监测云平台”在九寨沟地震后提供的土地利用规划图划分各类土地,由表1对其进行赋值,运用ArcGIS中自然断裂法进行易损性分级,低易损区主要为未利用土地与水域,较低易损区主要为草地,中易损区主要为林地,较高易损区为耕地,高易损区主要为城乡、工矿居民用地(图6)。

图4 九寨沟MS7.0地震前后地质灾害点与各个因子关系图
Fig.4 Relationship between geological disasters and each factors before and after Jiuzhaigou MS7.0 earthquake

图5 九寨沟MS7.0地震前(a)、后(b)研究区崩滑地质灾害危险性区划
Fig.5 Division of geological disaster risk of the study area before and after Jiuzhaigou MS7.0 earthquake

图6 九寨沟县土地利用图(a)及地质灾害易损性评价结果(b)
Fig.6 Land using map(a)and results of vulnerability assessment of geological hazards(b)of Jiuzhaigou county

总结国内外风险分级方法,地质灾害风险划分方法可分为3种:①定性分析评价。刘希林等(2001)在风险研究中,以危险性与易损性等级划分为基础,进而划分风险的等级,通过理论与实践进行相互验证,具有一定的合理性,并在风险评价中广为应用; ②半定量分析评价。与定性风险分级很相似,半定量风险评价中定性描述的文字换成了数值,目的是扩大量度的等级。由于每一个数值与实际的后果和可能性程度并不存在精确的关系,这里的数值不是像在定量分析中提供的真实的风险值,仅仅是用来识别量度范围; ③定量分析评价。定量风险评价是在资料十分完备时采用,分析损害的具体数量和发生的可能性,分析结果给出每种风险发生的概率值和发生后的严重程度。

区域尺度(中、大比例尺)的地质灾害风险评价,主要采用的是定性与半定量分析方法,在地质灾害易发性评价的基础上,考虑诱发地质灾害因素的时间概率,开展地质灾害的可能性或概率的分析评价。因此本文采用定性分级方法(图7)。

根据定性分级标准,叠加危险性分级与易损性分级结果,最终实现九寨沟县地震前后地质灾害风险区划。

图7 地质灾害风险定性分级标准
Fig.7 Criteria for qualitative classification of geological disaster risk