我院山地灾害团队在黄土高原“植被-滑坡”关系研究方向研究取得突破

作者：吉县站   更新时间：2023-05-02

      近年来，我国黄土高原因极端暴雨诱发的滑坡、泥流、淤地坝溃决等多种水土流失现象引起了广泛关注。区域内的极端暴雨事件数量逐渐增加，且呈现出不断加剧的趋势。2013年7月1日至25日，在长时间的降雨和短时间内的高强度降雨影响下，延安和天水地区发生了大范围的浅层滑坡和泥石流灾害。我院山地灾害研究团队以2013年天水和延安的极端暴雨诱发的浅层滑坡事件为研究案例，从宏观层面探讨了浅层滑坡空间分布与植被覆盖之间的关系。同时，从微观角度深入研究了滑坡的触发条件、植被根系与岩土体物理性质对斜坡稳定性的影响，以及滑坡分布坡向效应的内在机制。

       一、在宏观方面，针对上述两个研究区域，分别进行了滑坡空间分布规律的研究：

      在延安市宝塔区，研究发现连接陡峭地区和平坦地区的过渡性斜坡上发生山体滑坡的可能性更高。朝南且植被稀疏的边坡发生滑坡的概率较朝北且植被茂密的边坡更高，然而，滑坡分布差异的主要控制因素是植被覆盖度，而不是坡向。在天水市娘娘坝镇，植物根系的平均横向表观粘聚力并不是随着植被覆盖而线性增加的，当植被覆盖指数超过0.2时，它们才表现出正相关关系（图1）。同时，通过滑坡宽度和植被覆盖指数之间的关系发现，较强的横向表观内聚力可能导致较大的滑坡体积。对延安市的研究还指出，在高植被覆盖指数的地区相较于中、低植被覆盖指数的地区，滑坡通常具有“数量较少、但表面积较大，滑动深度更深、体积更大、坡度更陡”的特征（图2），高植被覆盖区域的滑坡失稳可能是因为复杂的根系结构使得地下有更多的水文路径及植被加重了坡体的下滑驱动力。

图1 不同GRVI范围下不同坡向上的滑坡面积概率（李牧阳提供）

图2 研究区中滑坡相对于植被分布特征（a）NDVI分类（红点表示发生山体滑坡的位置），（b）不同坡度的平均NDVI，（c）低覆盖植被区的滑坡分布，（d）中等覆盖植被区的滑坡分布，（e）高覆盖植被区的滑坡分布（邓家勇提供）

       二、在微观层面上，针对天水市进行了不同林分结构下滑坡启动条件差异以及同种林分条件下滑坡坡向差异的机理研究：

      （1）通过遥感分析和实地调查发现：在油松林中，常见的滑坡具有更大的滑动面积和上坡贡献面积；而在落叶松林中，产生的滑坡具有较深的滑动厚度，且坡度相对较平缓。尽管两种林分内土体的有效粘聚力和内摩擦角相似，但油松林的植物根系生物量更大，导致根土体饱和导水率更高。因此，油松林需要更大的上坡贡献面积和降雨条件来驱动滑坡失稳（见图3）。这项研究进一步证实了根系网络导致的“促渗”效应。同时，研究结果也表明，在植被护坡的研究领域中，根系促渗所带来的“负”作用需要引起重视。

     （2）在滑坡空间分布规律时，发现了一个有趣的现象：朝南的滑坡在规模和数量上均超过北坡，朝南斜坡上的滑坡概率更高，基底面积更大。国外一些学者将其归因于根系的机械作用。然而，在同一岩性、同一林分的小流域内，南北坡也表现出了明显的滑坡差异性分布，而且这些浅层滑坡的厚度都远远超过根系生长的深度，因此该观测结果不能归因于根系，而与斜坡水文有关的“水-力”条件有关。研究团队通过细致的调查发现：南北坡基岩风化程度的差异形成了具有不同渗透特性的土层结构，这是导致滑坡产生坡向效应的根本原因。朝南边坡有着更高的风化程度，土层结构更加紧致，颗粒更加细腻。虽然有着较高的土壤粘聚力但是渗透性较低，而朝北边坡岩土体风化程度较低，土层结构松散，有很多的粗颗粒和块石，土体有着较高的内摩擦角和高饱和导水率。在无限斜坡模型分析结果中，降雨条件下朝南边坡的稳定性整体上是低于北坡的，在充足的前期降雨和短历时暴雨的情况下，南坡土体的应力条件会容易发生变化，由于较高的蓄水量和较低的渗漏率会导致滑动带土体更容易形成正孔隙水压力，而北坡只可能在强降雨条件下才会失稳（图4）。

图3 两种林分中浅层滑坡的上坡集水区面积与坡度的关系（代智盛提供）

图4 斜坡稳定性特征（a）降雨数据，（b）饱和度，（c）有限斜坡模型，（d）无限斜坡模型。粉色虚线表示FS=1（郭漾林提供）

以上研究发表在工程技术—地球科学领域高水平期刊《Bulletin of Engineering Geology and the Environment》、《Landslides》、《Hydrology and Earth System Science》，标题分别为“Landslide response to vegetation by example of July 25–26, 2013, extreme rainstorm, Tianshui, Gansu Province, China”、“Shallow landslide characteristics and its response to vegetation by example of July 2013, extreme rainstorm, Central Loess Plateau, China”、“Initiation conditions of shallow landslides in two man‑made forests and back estimation of the possible rainfall threshold”、“Elucidating the role of soil hydraulic properties on aspect-dependent landslide initiation”。以上论文的第一作者分别为邓家勇、李牧阳、代智盛、郭漾林，通讯作者均为马超老师，研究工作得到了第二次青藏高原科学考察和研究项目（2019QZKK0902）、国家重点研究项目（2016YFC0501604-05），国家自然科学重点计划（42130701）、国家自然科学基金（42177309）和中央高校基本科研业务费（2018BLCB03）的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1007/s10064-020-02000-9

                         https://doi.org/10.1007/s10064-022-02606-1

                         https://doi.org/10.1007/s10346-021-01823-1

                         https://doi.org/10.5194/hess-27-1667-2023

作者：马超   审核：张会兰   编辑：汪海娇