从启动到停止：绘制滑坡运动距离敏感性与泥石流淹没范围的简易方法

《Landslides》：From start to stop: Simple methods for mapping susceptibility to landslide runout and debris-flow inundation

　　

滑坡运动距离和泥石流淹没可对其初始源区以外的区域造成严重破坏，导致大范围的损毁和大量人员伤亡。理解滑坡在何处启动及其可能运动多远，对于全球许多地区而言至关重要。然而，大多数滑坡易发性图侧重于起始区域，未能纳入运动距离区域。此外，灾害程度随滑坡活动性程度的差异而变化显著，且泥石流在超出其初始源区运动过程中可能发生体积增长。本研究中，研究人员利用美国地质调查局（USGS）Grfin Tools软件套件，在密克罗尼西亚联邦（Federated States of Micronesia, FSM）绘制了从启动到停止的易发性区域，该区域滑坡和泥石流运动至平缓地面构成致命威胁。Grfin Tools中的基于数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）的模型采用简单、经验且文献充分记载的方法，仅需极少参数，因此可用于缺乏详细物理性质数据的地区。研究人员阐述了如何利用直接滑坡观测估算所需参数的方法，并提出了在缺乏直接观测时的替代方法。研究人员在密克罗尼西亚联邦进行的简单参数估算成功预测了与历史滑坡运动距离和泥石流淹没相匹配的区域，以及无淹没的区域。除创建初步区域评估外，Grfin Tools还可用于比较多种情景和/或识别需进一步调查的区域。

滑坡及由其转化而成的泥石流可延伸至远离源区的区域，对平缓地带的居民区和基础设施构成严重威胁，这一过程的区域评估方法亟待发展。现有滑坡易发性制图多聚焦于滑坡源区识别，忽视了运动距离区与淹没区的刻画；同时，现有数值模拟模型（如RAMMS、D-Claw、r.avaflow等）虽能刻画泥石流运动过程，但依赖详细的场地特定材料属性参数，难以在数据匮乏区域开展区域性应用。此外，滑坡活动性存在从源区近程停滞到远程渠道化运动的光谱式差异，且泥石流在运移过程中常伴随显著的体积增长效应，现有方法尚难以系统性整合这一连续过程。针对上述问题，研究人员在《Landslides》发表了关于从"启动到停止"全光谱滑坡易发性制图方法的研究，以太平洋岛国密克罗尼西亚联邦（FSM）的科斯雷（Kosrae）、波纳佩（Pohnpei）和丘克（Chuuk）三个岛屿州为研究区，旨在建立一套无需详细物理性质数据、基于简单经验参数的区域性评估方法。

研究人员采用美国地质调查局（USGS）开发的Grfin Tools软件套件（"Grfin"为Growth + flow + inundation的缩写）开展研究。该技术方法的核心理念是基于10米分辨率DEM，通过整合三个相互关联的模块实现对滑坡运动全过程的刻画：潜在滑坡源区识别模块、滑坡运动距离（runout）模拟模块、以及泥石流体积增长与淹没区预测模块。源区识别采用坡度阈值法，基于DEM衍生的坡度和曲率等地形属性进行判定；运动距离模块采用经典的H/L比值（高度/长度比，即角度-到达法，angle-of-reach）经验模型，沿DEM地面流方向追踪滑坡物质运移路径；泥石流淹没模块则基于Griswold和Iverson（2008）提出的全球普遍适用的体积-面积标度关系（A=0.1V^2/3，B=20V^2/3，其中V为泥石流体积，A为断面淹没面积，B为平面淹没面积），将平面淹没面积系统分配至地形流路径中。尤为关键的是，Grfin Tools创新性地引入了体积增长因子（growth factor）概念，以综合表征泥石流在下游运动过程中因沟道床面侵蚀、岸坡坍塌、相邻坡面滑坡补给及汇流效应等导致的体积增大现象，而非逐一量化各增长过程。

研究区密克罗尼西亚联邦位于赤道以北、巴布亚新几内亚东北方向的太平洋海域，由600余个岛屿组成，总面积约2900 km²。研究聚焦于科斯雷、波纳佩和丘克三个具有陡峭地形且已知发生过致命滑坡事件的岛屿州。这些岛屿均为inactive basaltic shield volcano（ inactive玄武岩盾状火山）的侵蚀残余体，沿东西向的Caroline Ridge（卡罗琳海岭）分布，基性火山岩与火山碎屑岩构成主要地质基础。区域气候属热带雨林海洋性气候，年降水量呈显著的东西梯度：科斯雷约5200 mm，波纳佩约4800 mm，丘克约3600 mm，且台风活动同样呈现西强东弱的格局。地形方面，科斯雷以陡坡和短小陡峻沟谷为主；波纳佩拥有较宽的平缓海岸带和较长沟谷；丘克岛屿规模较小，发育沟谷较少但局部坡度陡峭。土壤风化深度亦呈东西向变化趋势：较年轻的科斯雷以薄层（<0.5 m）、排水良好的土壤为主，而最年老的丘克则广泛发育厚层（>1.5 m）、深度风化的saprolite（残余土）材料，这种风化程度的差异直接影响了滑坡的活动性特征。

在参数确定方面，研究人员充分利用了有限的历史滑坡观测资料进行参数估计，并提出了无直接观测时的替代方法。对于滑坡源区参数，基于约20年卫星影像解译的滑坡编目数据，采用滑坡后壁坡度分布的25th percentile（第25百分位数）并取整至最近的5°作为最小坡度阈值，科斯雷、波纳佩、丘克分别确定为25°、20°、15°，且该阈值与DEM提取的≥5°地形的中值坡度高度吻合。对于滑坡运动距离参数，同样基于观测数据的25th percentile确定角度-到达阈值，三个岛屿州分别为25°、20°、15°，呈现出与源区坡度相似的系统性梯度，且运动角度较源区坡度低约3–4°。对于泥石流增长区界定，采用3°最小沟道坡度阈值，结合50 m固定水平距离的沟道坡度计算及0.9的增长区比（growth-zone ratio，即上游增长区沟道长度占总上游沟道长度的比例），对于波纳佩和科斯雷还辅以0.0005 m^-1的曲率滤除平坦开敞区的孤立陡段。对于体积增长因子估计，采用基于潜在滑坡源区面积的比例方法：假设单次大范围滑坡事件中约5%的潜在源区面积发生破坏（U_ev=0.05 m²/m²），结合各岛典型滑坡厚度（D_avg：科斯雷1 m、波纳佩调整后2 m、丘克10 m），按c₁=U_ev×D_avg计算面积增长因子，分别为0.05、0.2、0.5 m³/m²。波纳佩原始估算值为0.1 m³/m²，经野外沉积物验证调整后提高至0.2 m³/m²，该调整幅度在Reid等人（2023）报道的类似地形2–13倍变异范围内具有合理性。

研究结果呈现了三类不同滑坡活动性区域的空间分布特征。源区分布于陡峭 slope，运动距离区覆盖源区并向坡下延伸至平缓地带，泥石流淹没区则沿沟道网络展布。三者的叠置形成了完整的易发性图谱。科斯雷因广泛分布的陡峭地形和发育良好的沟道网络，预测了大量 reaching coastal flat（抵达海岸平原）的泥石流淹没区；波纳佩因较缓和的地形，潜在泥石流多局限于陡坡附近，远离海岸线；丘克虽具部分陡坡，但大型沟道较少，泥石流渠道化淹没相对有限，而非渠道化滑坡运动距离则广泛分布并局部抵达海岸。模型验证方面，研究人员采用独立于参数确定的野外 debris-flow deposit（泥石流沉积物）观测数据进行精度评价。通过混淆矩阵分析，以真阳性率（True Positivity Rate, TPR）和平衡精度（Balanced Accuracy, BA）为主要指标，三个岛屿州的TPR和BA均达0.85–1.0（85%–100%），表明模型对历史泥石流的有无均有良好的预测能力。对于标注为"maybe"（可能）的观测点，模型对科斯雷和丘克亦多数预测为可能淹没区。

在讨论部分，研究人员强调该方法的核心优势在于以极少参数实现从滑坡启动到沉积的全光谱易发性评估，弥补了传统源区-only susceptibility analysis（易发性分析）的不足。方法适用于数据匮乏区域，参数可基于地形度量进行初步估计：当一般滑坡易发地形的中值坡度小于15°时，源区最小坡度和运动角度均可采用约15°；更陡地形则可采用20°–30°的角度-到达值；泥石流增长区和增长因子可借鉴类似地形的已有研究结果。同时研究明确指出其局限性：方法不表征时间效应，无法提供速度和冲击力等动态信息；未纳入降雨等触发因素驱动机制；成果为长期易发性而非特定事件预测，单次严重风暴通常仅影响5%–10%的图斑区域。尽管如此，该方法通过简易经验模型实现了多模式滑坡运动的快速区域制图，计算效率高且无需指定难以获取的初始流体积，特别适用于土地利用规划、应急响应准备及详细灾害评估的前期筛选。Grfin Tools的灵活性允许通过调整参数进行多情景比较，为决策支持提供技术支撑。最后，研究结论指出，这种简单方法能够快速、客观地识别滑坡源区、坡面运动距离区和泥石流淹没区，使mitigation strategies（减灾策略）可根据不同分区差异制定；当直接观测资料缺乏时，基于地形度量的简单参数估计即可满足初步评估需求；该方法可推广至其他地质地貌背景和不同分辨率DEM应用中，为全球尤其是数据匮乏地区的滑坡灾害风险管理提供了实用工具。