利用地理空间数据挖掘研究冻融作用对不同地形下滑坡活动的影响：以青藏高原祁连冻土区为例

《CATENA》：Impact of freeze-thaw on landslide activity under diverse topographies using geospatial data mining: Insights from Qilian Permafrost Region, Tibetan Plateau

冻融循环对祁连山冻土区滑坡活动的影响及地形耦合效应研究。摘要：利用地理空间数据挖掘方法，量化冻融循环与坡度、坡向、海拔等地形因素的耦合作用。结果表明冻融贡献率6.2%，显著高于单一地形因子，年冻融次数阈值225-275次后滑坡易发性骤增，陡坡和松散层集中区影响最显著，南坡因太阳辐射更强冻融更剧烈。

　　

杨玉婷|梅刚|马正静|徐能雄|彭建兵

中国地质大学（北京）工程技术学院，中国

摘要

青藏高原祁连冻土区的滑坡活动受到冻融过程的显著影响，这些过程改变了土壤的力学性质和地下水文条件，从而影响边坡的稳定性。然而，冻融对滑坡活动的定量影响，以及冻融与地形共同作用对滑坡活动的影响尚未得到充分量化，尤其是在受冻土影响的山区。在这项研究中，我们利用地理空间数据挖掘技术，量化了不同地形条件下冻融循环对滑坡活动的影响。我们进一步研究了冻融循环与地形因素之间的共同作用，以确定冻融效应变得显著的条件。结果表明，冻融循环是滑坡活动的次要但重要的触发因素，其贡献约为6.2%，显著高于海拔和坡向的影响。研究区域确定了一个年度冻融循环次数的临界阈值（225–275次），超过该阈值后，滑坡易发性显著增加。此外，冻融循环与坡度和海拔有很强的耦合效应，在陡坡和松散沉积物集中的高海拔地区，这种影响更为明显。值得注意的是，由于水分条件有利，北向坡面的滑坡更多；而南向坡面由于太阳辐射引起的强烈温度波动，冻融过程对每次滑坡的贡献更大。这些发现强调了冻融循环作为滑坡活动关键环境触发因素的重要性，并为理解气候变暖情景下的边坡不稳定性提供了定量依据。

引言

全球变暖目前正在对世界各地产生影响（Hjort等人，2022年）。青藏高原被称为“第三极”，拥有广泛的冻土层，并通过其对气候变化的响应对全球气候系统产生重大影响（郭睿等人，2023年）。1986年至2015年间，青藏高原的冻土退化速率为每十年$327\times 1<msup><mrow><mn>0</mn></mrow><mrow><mn>3</mn></mrow></msup><mspace></mspace><msup><mrow><mi>公里</mi></mrow></msup>$（张刚等人，2022年；杨宇等，2024年）。这一变化改变了冻土区的水文平衡，可能加剧地质灾害（包括滑坡），对当地人口和基础设施造成严重影响（陈晨等人，2025年）。

在高山冻土区，冻融过程不仅是一种气候变量，而且是一种强烈的物理风化过程，它从根本上改变了土壤和岩体的力学和物理性质（王伟等人，2024年；王伟等人，2021年）。孔隙水的反复相变可能导致累积疲劳损伤，降低剪切强度，削弱边坡稳定性，最终引发滑坡（张飞等人，2022年）。滑坡反过来会破坏植被覆盖，减少生物多样性，并加速景观破碎化，产生重大的生态和社会经济影响（杨宇等人，2022年；邱晓等，2025年）。然而，现有的滑坡易发性评估通常将气候因素和地质条件视为静态或独立变量，忽略了冻融过程的动态作用。因此，量化冻融过程与滑坡活动之间的影响对于有效的滑坡预测和减灾至关重要，因为它可以将冻融风化机制纳入风险评估模型，从而避免在岩石和土壤疲劳而非降水为主要触发因素的地区低估灾害风险。

地形是控制重力不稳定性的主要内在因素，同时调节冻融过程的空间异质性（陈晨等人，2023年；徐能雄等人，2025年）。冻融循环和地形不是作为独立的驱动因素，而是通过相互作用的风化和运输过程相互耦合。海拔和坡向等地形因素严格控制着水热条件——包括太阳辐射和温度梯度——从而决定冻融循环的频率和强度。相反，冻融循环作为地形演变的加速器，通过霜冻风化作用使松散物质在陡坡上移动。例如，在昼夜温差显著的高海拔地区，冻融引起的损伤表现出从表面到深处的累积效应。此外，坡度显著影响太阳辐射平衡，可能在阳光照射的（南向）坡面和阴凉的（北向）坡面之间形成不同的冻融机制。然而，特别是在什么地形条件下冻融过程作为触发因素或准备因素的具体共同作用仍不清楚。这种异质性表明，冻融对滑坡的影响本质上是空间性的，并受当地环境条件的制约。

青藏东南部地区为温暖潮湿的印度洋气流进入高原提供了主要通道（陈晨等人，2024年）。该地区的南北走向的横贯山脉和深切峡谷增强了水蒸气的地形拦截作用（谢强等人，2022年），形成了年降水量超过1500毫米的亚热带湿润气候（严晨等人，2020年）。该地区的冻融过程表现出明显的季节性变化，滑坡发生频率与高降水量和陡峭地形密切相关。相比之下，青藏高原东北部（如祁连冻土区）则以广阔的高原景观为特征，地形相对平缓，主要受西风带的影响。该地区气候寒冷干燥，年降水量低于600毫米（吴伟等人，2022年）。该地区的冻土退化主要表现为多年冻土下界的上升和冻融引起的沙漠化扩展（张刚等人，2022年）。该地区的滑坡主要受冻融循环导致的表土力学强度减弱的影响（郭睿等人，2023年）。尽管冻融过程很重要，但在干旱的高山过渡带，冻融过程对滑坡的影响相对于湿润的东南部地区研究较少（张刚等人，2024年）。

虽然冻融循环被广泛认为是冻土区重要的地貌过程，但它们对滑坡活动的定量贡献及其与地形因素的联合效应仍需进一步探索，而且这些环境中的重力滑坡常常与热喀斯特特征混淆。例如，尽管（刘阳等人，2024年）利用高分辨率光学图像和时间序列InSAR技术揭示了青藏高原中部热喀斯特滑坡的时空分布和气候响应，但仅研究了一种滑坡类型，未探讨冻融循环对一般重力滑坡的影响。同样，王伟等人（2025年）使用改进的ISBAS方法自动识别了潜在的热喀斯特滑坡，但他们的研究未详细探讨冻融过程如何与地形参数结合控制滑坡的空间分布。裴晨等人（2023年）研究了气候变化驱动的塔什库尔干河流域滑坡活动的增加，表明由于升温速率的提高，滑坡数量随海拔升高而增加。然而，这项研究未深入分析地形因素与滑坡分布之间的量化关系，也未全面评估冻融循环与极端降水的耦合触发效应。尽管（丛浩等人，2025年）提供了关于冻融循环和融雪渗透引起的膨胀土坡滑坡机制的宝贵见解，但他们的研究集中在坡面工程背景下，而非不同地形下的区域尺度自然滑坡模式。

为了解决这些问题，本研究旨在探讨祁连山脉冻土区不同地形条件下冻融循环对滑坡活动的影响，并明确冻融过程成为显著驱动因素的具体地貌条件。“不同地形条件”既包括用于统计分析的离散地形单元（由海拔、坡度和坡向定义），也包括用于研究联合效应的连续地形梯度，从而全面理解控制滑坡发生的冻融-地形耦合系统。

首先，我们使用U-Net深度学习模型为研究区域建立了滑坡清单，并分析了几何和拓扑特征，以研究区域外的退化塌陷作为参考，突出特征差异。其次，我们结合Geo-detector因子检测器和随机森林模型以及SHAP全局重要性分析，量化了冻融循环对滑坡活动的贡献。第三，我们使用随机森林模型结合SHAP依赖性分析，确定了冻融循环的阈值范围及其对滑坡活动的差异效应。最后，我们通过Geo-detector交互检测器和随机森林模型结合SHAP交互分析，分析了冻融循环和地形条件对滑坡活动的联合效应。研究结果有望为高山地区地质灾害的早期识别提供新方法，有助于改善寒冷地区的地质灾害预测和预防策略。

研究区域

研究区域主要位于中国青海省海西蒙古族藏族自治州天峻县与德令哈市之间。从地理上看，它位于青藏高原祁连冻土区的冻土带内，经度大约在97.8°–98.6°东，纬度大约在37.5°–38.3°北，覆盖面积约为3738平方公里（图1）。作为一个典型的高山冻土区...

方法

在本节中，我们将介绍用于量化冻融循环对滑坡活动贡献的方法，确定冻融循环的阈值范围及其对滑坡活动的差异效应，以及分析冻融循环与地形条件对滑坡活动的联合效应。

结果

在本节中，我们首先量化了冻融循环对滑坡活动的贡献。然后，我们确定了冻融循环的阈值范围及其对滑坡活动的差异效应。最后，我们分析了冻融循环与地形条件对滑坡活动的联合效应。

冻融循环的作用：滑坡的次要但重要触发因素

在本节中，我们试图解释为什么冻融循环是滑坡的次要但重要触发因素。坡度被广泛认为是控制滑坡发展的主要地形因素，我们的Geo-detector分析证实了这一观点，坡度在所有环境因素中获得了最高的$q值。然而，我们的结果进一步表明，尽管冻融循环不是滑坡形成的主导控制因素，但它们...$

结论

了解冻融循环在触发滑坡活动中的作用对于评估受冻土影响的高山地区的边坡稳定性和预测地质灾害风险至关重要，特别是在气候持续变暖的背景下。在这项研究中，我们利用地理空间数据挖掘技术量化了祁连冻土区不同地形条件下冻融对滑坡活动的影响，并探讨了其与地形因素的联合效应，以明确冻融...

CRediT作者贡献声明

杨玉婷：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，资源，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。梅刚：撰写 – 审稿与编辑，监督，调查，资金获取。马正静：监督，资金获取。徐能雄：监督，调查。彭建兵：项目管理，调查。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了基于AI的工具来提高语言清晰度。使用这些工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42277161）、中国博士后科学基金（项目编号：2024T170859）和CPSF博士后奖学金计划（项目编号：GZB20230685）的共同支持。