摘要：滑坡因其巨大的破壞性和危險性引發各國學者的廣泛關注和深入研究。很多災難性滑坡事件發生在河流兩岸或者蓄水庫區的邊坡，提前發現這些區域的滑坡隱患并采取相應的防治措施是減小人民生命財產損失的前提。中國西北地區的龍羊峽—劉家峽河段是黃河上游重要的生態保護區，也是水電開發的重點區域。本文利用多個軌道的422景Sentinel-1 SAR影像對龍陽峽—劉家峽段進行滑坡的探測和編目。結果表明，龍陽峽—劉家峽段共探測到滑坡597處，主要分布在海拔1800-3000m、坡度20-30°之間的斜坡提上。面積小于10000 m2的滑坡占探測到活動滑坡總數的80%，滑坡的空間分布與子盆地的相對活動構造指數具有強相關性，說明滑坡的發育受到了區域斷層活動的控制，這可能與黃河上游特殊的地質巖性有關。通過本文研究，我們總結了一個基于多軌道SAR數據和多InSAR技術的滑坡探測和監測框架，這個框架保障監測精度的同時極大地提高了作業效率，所提出的框架可用于其他具有類似復雜地貌區域的活動滑坡的高效和系統地探測和編目。
關鍵詞：黃河上游，滑坡，InSAR時間序列，水電站，Sentinel-1
1.引言
對于滑坡災害的調查對黃河流域有著重要的意義，滑坡不僅會導致土地的流失，還會加速水土流失，影響土地的肥力和可持續利用。黃河流域是中國重要的糧食產區，滑坡的發生會影響農田的產出，進而影響糧食生產和農業經濟；滑坡可能會帶走土壤、污染物等，使其進入黃河水體中，導致水質惡化。這對于黃河的水資源管理和供水安全都是一個威脅；黃河流域的堤壩建設是為了防止洪水侵襲，而滑坡可能會對這些堤壩造成破壞，從而削弱了防洪能力，增加了洪災的風險；滑坡可能會危及周邊居民和基礎設施的安全。在黃河流域人口密集的地區，滑坡造成的人員傷亡和財產損失可能會對當地社會經濟產生嚴重影響；黃河流域是中國的重要工業基地，也是交通運輸的要地。滑坡可能會破壞道路、鐵路等基礎設施，影響交通運輸的暢通，同時也會影響工程建設的進行；滑坡對黃河具有重要性，涉及到水土保持、生態環境、水資源、防洪、人類安全、社會經濟和基礎設施等多個方面。因此，地方政府和相關部門需要密切關注滑坡風險，采取合適的預防措施和應急措施，以減少滑坡對黃河流域造成的不利影響。
黃河上游龍羊峽-劉家峽段位于中國黃土高原和青藏高原之間，活動構造復雜，地貌類型多樣。青藏高原隆起和擠壓形成的高山峽谷地形特別適合建設水電站從而滿足灌溉、防洪和發電的需要。然而，該地區獨特的地質背景也發育了分布廣泛的滑坡地質災害。
圖1黃河上游龍羊峽—劉家峽段地質地貌背景
本文試圖對龍羊峽-劉家峽段的活動滑坡進行探測并分析其時空行為。首先從多軌道InSAR圖像中獲得廣域視距(LOS)地表變形速度。結合地表位移速度、地形因素和地貌特征對活動滑坡進行識別，并定量分析活動滑坡的空間分布特征。此外，還對李家峽水庫和席芨灘滑坡進行了地表位移時間序列分析。最后，對已探測到的活動滑坡的聚集機制和可能的觸發因素進行了討論。
2.研究區域
黃河上游龍羊峽-劉家峽段全長約388公里，是黃河流域生態保護的關鍵區域，該地區位于快速隆升的青藏高原和相對隆升的黃土高原的交匯處[1]，西秦嶺斷裂和拉脊山斷裂帶控制著區域構造活動，區域地表演化長期以來受到青藏高原東北擠壓的影響，形成了盆地和山脈地形[2]。新近紀以后，蘭州盆地、臨夏盆地、西寧盆地和貴德盆地逐漸演化為獨立的沉積盆地[3]，盆地邊緣在地質歷史上長期受到黃河及其支流的侵蝕和切割，為滑坡的形成提供了有利的地貌條件[4,5]。該地區為典型的干旱-半干旱大陸性高原氣候，具有短暫涼爽的夏季和漫長寒冷的冬季。獨特的氣候條件導致巖石風化嚴重，植被稀疏。年平均降水量316-436毫米，主要集中在夏季和秋季。
3.數據與方法
總共使用了422景Sentinel-1單視復數圖像(SLC)，包括兩個上升和兩個下降軌道數據集。利用2年 (2020年1月至2022年3月)的影像進行廣域活動滑坡探測，利用5年半(2016年9月至2022年3月)的影像進行變形時間序列反演。采用30 m的數字高程模型(DEM)去除干涉圖中的地形相位。采用通用大氣校正在線服務(GACOS)中的對流層延遲產品來削弱大氣延遲誤差。
本文提出一個廣域活動滑坡探測與監測框架，該框架包括三個主要模塊，如圖2所示。第一個模塊是廣域活動滑坡探測，包括LOS變形速度圖的獲取和活動滑坡的識別。該模塊使用GACOS輔助InSAR-Stacking方法獲得地理編碼的LOS位移速度。將多軌數據集生成的LOS速度圖與光學圖像中出現的地貌特征結合起來識別活動滑坡。該模塊的最終輸出是具有變形和地貌屬性的滑坡清單。當識別出具有較大形變速率和潛在危險的斜坡時采用模塊2，該模塊用于跟蹤其位移時間序列模式，利用各種先進的時序InSAR技術可以準確、可靠地分析滑坡的時間特性。第三個模塊包括對監測到的活動滑坡進行分析并提供預防風險的建議。本模塊強調活動滑坡的時空行為特征，如聚類現象和非線性運動。可能的內部和外部因素，如地質構造、地貌、暴雨、地下水位和水庫蓄水用來解釋這些行為。
圖2活動滑坡探測與監測技術框架
4.結果與分析
圖3(a)和(c)顯示了黃河上游龍羊峽-劉家峽段的地表LOS形變速度圖，分別由兩個上升和下降軌道的Sentinel-1數據集生成。InSAR觀測覆蓋總面積為37 873平方公里。圖例中的正值(藍色)表示位移朝向衛星移動，負值(紅色)表示位移遠離衛星。對比升降軌數據重疊區域內的變形速率，可以看出相鄰軌跡之間的相關性較高，說明LOS位移速率具有較高的可靠性。
將InSAR反演的LOS速率圖與地形因子和光學影像相結合來識別活動滑坡。LOS形變速率絕對值大于1 cm/yr和坡角大于5°的形變區認為活動滑坡。然后，對多時相光學圖像進行視覺解譯以消除對滑坡的誤判，盡可能根據其地貌特征繪制滑坡邊界。最后，本文得到597個活動滑坡的目錄清單，包括它們的位置、大小、邊界和變形速率，其中291個僅通過升軌數據獲取，177個僅通過降軌數據獲取，129個可由升降軌數據同時觀測。這些結果說明了使用多軌數據進行滑坡探測的必要性，這可以極大地減少SAR側視引起幾何畸變的影響。
圖3 黃河上游龍羊峽—劉家峽段LOS向地表形變速率與探測到的活動滑坡空間分布
對探測到的活動滑坡的坡角、坡向、高程和面積進行了定量分析。約82.3%滑坡分布在海拔2000至3000米之間；活動滑坡在海拔2600米左右最為發育；在海拔2600米以下，滑坡數量隨海拔高度的增加而增加；然而海拔2600米以上，滑坡數量隨海拔高度的增加而逐漸減少。此外，隨著坡度的增加，活躍滑坡數量減少，約89.2%的滑坡發生在坡度為5°~ 30°的區域，探測到的活動滑坡以中小型滑坡為主，面積小于8×105 m2的滑坡占滑坡總數的79.2%；然而，應該注意的是，仍有30個活動滑坡的面積大于3×106 m2。此外，滑坡坡向幾乎是均勻分布的，說明它們沒有主要的坡向。
圖4 黃河上游龍羊峽—劉家峽段活動滑坡空間分布統計
5.討論
探測到的活動滑坡的空間分布與區域斷層的走向具有很好對應性。滑坡集中在拉脊山斷裂帶和西秦嶺斷裂之間，且空間密度在尖扎-群科盆地最高。本文引入了相對活動構造指數(Iat)來揭示活動滑坡發育的聚類機制[6]。該因子可以評價相對構造活動，更重要的是，根據幾個地貌指標表征晚新生代構造活動與相應盆地地質災害發生的關系[7]。Iat的值可以用地貌指數的總和除以應用指數的數量來計算，并分為由強（等級1）到弱（等級4）四個等級。
龍羊峽-劉家峽段內各子盆地的Iat分類結果如圖5a所示。觀測到的滑坡空間聚集與盆地構造活動顯著相關，尤其在尖扎-群科盆地，相對構造活動強，滑坡密度也大。如圖5(b)所示為滑坡的空間密度圖，顯示了每平方公里區域內活躍滑坡的數量。對子盆地的相對構造活動分類進行柵格化，并重新采樣到與滑坡密度圖相同的區域如圖5(c)，然后計算不同類別對應的平均滑坡密度。結果表明，等級1-4的Iat滑坡對應的平均滑坡密度分別為0.080、0.060、0.057和0.040，這表明該區域的群聚滑坡與區域構造活動有關。此外，基礎地質圖顯示，循化-尖扎-群科盆地地層巖性、厚度差異較大，上部地層以砂巖、泥巖、砂礫巖為主，第四系細砂、粉砂、黃土夾層外露，松散的巖性為滑坡群的形成提供了物質基礎[8]。
圖5 黃河上游龍羊峽—劉家峽段滑坡空間分布受相對構造活動水平(Iat)控制
6.結論
對河流廊道沿線潛在活動滑坡的探測和監測可以更好地預防災害、保護人民生命財產、促進可持續發展。由于復雜地質環境和水電站建設，黃河上游龍羊峽-劉家峽段出現了大量滑坡。本文利用多個軌道Sentinel-1數據集生成了黃河上游龍羊峽-劉家峽段活動滑坡的編目清單，在約37873平方公里的區域內共探測到597處活動滑坡，鑒于滑坡的空間聚焦特性，引入相對構造活動因子(Iat)證明了滑坡空間分布與區域的構造活動水平有關。更重要的是，本研究總結了活動滑坡的廣域探測與監測技術框架，該框架可在大空間尺度上快速捕捉滑坡的活動及演化特征，有利于滑坡的防災減災。
參考文獻
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