The role of human activities on sediment connectivity of shallow landslides
人类活动对浅层滑坡泥沙连通性的影响
流域内泥沙连通性在很大程度上取决于流域形态的复杂性和人为的景观改变。在此背景下，本研究评估了人为对景观改变和泥沙输送的影响。针对三种不同的人类影响情景进行了泥沙连通性评估：(i)排水系统密度降低；(ii)道路网络变化；(iii)土地利用变化。此外，以浅层滑坡为泥沙源，评价其与下游地区(如主河道和道路网络)之间的潜在联系。分析了意大利亚平宁半岛北部地区两个大小和形态不同的小流域：里约热内卢Frate(1.9平方公里)和Versa(38平方公里)流域。浅层滑坡发生于2009年(里约热内卢Frate和Versa)和2013年(Versa)。
结果强调了景观复杂性在上游泥沙源(如浅层滑坡)与主河道和道路耦合/解耦方面的作用。确定了以高连通性为特征的不稳定现象，从而可以确定哪些地区即可能会潜在地破坏重要基础设施或导致河床淤积或阻塞引起洪水的地方。提供了一个方法框架，以帮助改进流域和土地管理战略，特别是在浅层滑坡易发地区。
泥沙连通性可以定义为泥沙在地貌系统中移动的潜力。连通性分析评价了地貌系统中泥沙源和汇之间的联系。连通性在空间和时间上有所不同，主要与以下因素有关：(i)流域的形态复杂性；(ii)植被的空间配置；(iii)景观的人为改变。
（1）景观复杂性在局部尺度上可能较低，但在山坡和/或流域尺度上则非常高。（2）植被覆盖通过其对地表粗糙度和局部截留泥沙能力的影响，降低了上下游之间的耦合。植被和植被变化显著影响山坡的地表径流和泥沙动态，进一步控制河道系统的横向输沙率。然而，它对泥沙连通性的作用在时间上是动态的，反映了气候变化或土地利用和管理实践的变化。（3）泥沙连通性的大小和时间变化随人类活动而变化，如土地利用变化、排水系统改变和道路的发展。
泥沙连通性评价对于估算源汇泥沙路径至关重要。滑坡等扰动可能破坏泥沙连通性模式，特别是在极端事件期间。有一系列定性和定量方法来评估泥沙连通性。定性方法一般基于地貌和沉积学的实地观测以及通过实地仪器监测泥沙通量。定量方法主要涉及基于地理信息系统中通常可用的地形指数和模型。迄今为止，很少有研究将地貌测量方法和连通性在浅层滑坡分析中的应用进行比较。
本文试图通过以下方面的分析来解决这一缺陷：i)评估浅层滑坡易发区的泥沙连通性，以更好地表征具有不同复杂程度的景观中的泥沙源区；ii)评估人类对景观的改变及其对泥沙动力学的影响，特别关注浅层滑坡调动的泥沙，以促进有效的土地和流域管理战略。
研究区位于亚平宁山脉北部末端的Oltrepò Pavese(图1)里约热内卢Frate(1.9平方公里)和Versa(38.2平方公里)流域。
图 1 Oltrepò Pavese地区和两个流域(左)。研究区岩性(右)：a)里约热内卢Frate流域；b)Versa流域。
里约热内卢Frate流域海拔95-295 m a.s.l。其形态结构与亚平宁边缘的岩性和构造/新构造环境密切相关，沿山脊线具有明显的高程不规则性，狭窄山谷中的河道网络具有明显的斜坡断裂。Versa流域平均海拔128-662 m。形态结构具有Oltrepò Pavese的特征，坡度相对均匀，水文网络发育良好。
里约热内卢Frate流域基岩(图1a)由中低渗透砂质砾岩基岩覆盖在不渗透粉砂质泥质基岩和蒸发白垩质泥质和石膏上形成。表层土壤主要为粘土和粉砂。土壤深度<2.0 m。Versa流域(图1b)基岩由泥灰岩、钙质泥灰岩、砂岩和鳞状页岩组成。粘质土壤，3-4 m厚。
土壤质地的差异影响着研究区域的地貌环境。里约热内卢Frate流域坡度可超过35°，还有狭窄的小山谷。Versa流域，坡度一般在15-25°之间。这些地质地貌环境影响了两个地区的土地利用变化。Versa流域的缓坡允许自1950年以来引进的农业机械实践的高度开发。农业实践的优化导致该地区从耕地完全转变为葡萄园，使该地区转变为发达的经济中心。相比之下，里约热内卢Frate流域的很大一部分自1954年以来已被废弃，森林面积(+17%)和未开垦面积(+15%)逐渐增加，葡萄园面积急剧减少(-45%)。社会变化以及该地区的人数的减少导致土地管护的减少。自20世纪80年代以来，这些流域的排水系统密度急剧下降，原因是土地管护和水土保持工程日益恶化，以及与之相关的地表径流和侵蚀增加。
这两个研究区域最近都受到浅层滑坡的影响，分别由2009年4月27日至28日(Rio Frate和Versa流域)以及2013年3月和4月(Versa流域)的地震引发。2009年在Frate流域有245处浅层滑坡，滑坡平均长度约为35 m，面积最小为13 m2，最大为6289 m2，平均约为473 m2。Versa流域共196次浅层滑坡，平均长度为48.5 m，面积5.7-8098.1 m2，平均491.5 m2。Versa流域在2013年3-4月期间，共193次浅层滑坡，平均长度为56.2 m，面积从7.5-14,612.1 m2，平均1155 m2。
研究区浅层滑坡的分布与降雨的分布具有潜在的关系。2009年4月27-28日62小时内，里约热内卢Frate流域累积降雨量160 mm，Versa流域累积降雨量100 mm。坡度的差异也可能影响了两个流域失稳现象的发生。在里约热内卢Frate流域最显著的滑坡影响参数是坡度，最陡坡度对应的最高浅层滑坡可能性。2013年3 - 4月的浅层滑坡发生在持续30 - 50 h累积降雨量>40 mm的降雨事件之后。
Borselli等人(2008)定义的基于地形的泥沙连通性指数(IC)代表了流域不同部分之间的潜在联系。本文采用Cavalli等人对IC的改进，以更好地表征表面过程和特性，并利用高分辨率DMS。
IC定义为：
其中Dup和Ddn分别为连通性的上d坡分量和下坡分量。Dup表示上游有效泥沙向下运移的潜力，取决于上坡汇水面积、平均坡度和地形粗糙度。Ddn考虑颗粒到达最近的目标或下沉点所经过的流动路径长度，取决于路径长度、下坡路径上的地形粗糙度和坡度。IC值越大连通性越强。采用SedInConnect 2.1计算IC。所有输入光栅文件必须是GeoTIFF光栅格式，必须设置输入DTM。
确定IC是为了评价与浅层滑坡发生相关的人为因素对泥沙动力学的影响(图2)。考虑了三种情景：(i)排水系统密度的演变；(ii)道路网络的变化；(iii)土地利用的变化。
图 2 方法示意图。针对每种情况，给出了输入目标和权重因子。在散点图中，y轴表示与浅层滑坡相关的平均标准化IC值，x轴表示浅层滑坡与参考目标的平均距离
（i）在第一个场景中，以4个排水密度递减的河道网络为目标进行IC计算。河道网络的变化被考虑在内，以代表两个研究区域在过去60年里小型排水系统的逐渐减少(图3)。使用恒定排水面积阈值方法，将里约热内卢Frate和Versa的DTMs作为输入，自动提取河流网络(表1)。
图 3 在里约热内卢Frate流域(上)和Versa流域(下)自动推导四个排水系统，用作IC的计算。从左边到右，分别为1980、2003、2007和2009年的情况。
表 1 不同排水密度河网提取的流域面积阈值
对1980年至2009年的航拍照片进行了视觉解译，以便将自动提取的水系网络与观测到的排水系统的真实演变进行比较。分析评估了两个研究区域的改良排水系统随时间变化对泥沙动力学的影响，主要集中在山坡-河道耦合程度上。
(ii)第二个IC场景涉及使用4个密度不断增加的道路网络目标。分析与道路网络演变相关的泥沙连通性变化。该分析仅在里约热内卢Frate流域进行。
（iii）在第三种情景中，两个研究区域过去60年的土地利用变化被集成到IC计算中。分别使用了1954、1980、2000、2007和2012年的土地利用地图。
为了表示与每个土地利用类别相关的水流阻抗，需要使用地面流曼宁的n粗糙度值。这个参数可以从曼宁方程推导出来，计算公式如下：
其中，n为地面流曼宁的n粗糙度值，A为有效流面积，R为水力半径，S为地表坡度，Q为流量。然后使用地面流曼宁的n粗糙度值的最终地图计算权重因子(W)，以模拟泥沙通量阻抗(表2)。
表 2 地表流动曼宁n粗糙度值分配给每一类可用的土地利用地图和推导的W因子
用下面的公式计算W：
在所有的分析中，IC由连通性图表示，将其分为四类(低，中低，中高，高)。提取IC图后，根据公式（4）进行IC的平均标准化（z-score）：
其中：
ICz-score = IC的平均标准化值，IC=IC值，μ=IC的平均值，σ=IC的标准差。
利用5 m分辨率激光雷达产生的DTM作为输入，获得研究区主要地形特征和水文参数。在实现了环境遥感特别计划(PST-A)之后，环境和陆地海洋保护部提供了数字遥感数据表。在2009年的地震中，使用0.15 m分辨率的彩色航空照片绘制浅层滑坡。对于2013年的事件，通过昴宿星卫星图像的视觉解释确定了浅层滑坡。根据Cruden和Varnes(1996)的分类，确定了五种滑坡类型(见表3)
1954年、1980年、2000年、2003年、2007年、2009年的正射照片和1954年、1980年、2000年、2007年和2012年的土地利用地图用于泥沙连通性分析。利用土地利用图推导出地面流曼宁的n粗糙度值作为加权因子(W)，以模拟泥沙通量阻抗。
表 3 根据Cruden和Varnes(1996)分类确定的五种浅层滑坡类型描述
1.第一个场景:排水系统密度的演变：
图4报告了IC分布随排水密度改变的主要变化。在这两个研究区域，多年来土地利用的变化和文化习俗的改变影响了排水系统的演变，导致密度逐渐降低，从而导致小型排水网络的消失。在里约热内卢Frate流域，IC中高值和高值的区域比例较高。随着排水密度的降低，IC中高值和高值的区域逐渐减少，仅局限于坡度最大的部分流域(图4)。相比之下，在Versa流域，几乎整个区域的IC值为低和中低值，这表明由于坡度较缓和河道较长，这些区域倾向于与河流网络解耦。即随着多年来排水密度的降低，其解耦性更强。
图 4 使用四个河道网络为目标场景，里约热内卢Frate流域(上)和Versa流域(下)获得的连通性图。
图5和图6所示考虑4种排水密度下浅层滑坡与河网的连通性。每个浅层滑坡的ICz-score是根据其与河流网络的平均距离绘制的。确定以最高连通性值为特征的不稳定现象，并表征其在流域内的空间分布。
在里约热内卢Frate流域，图5显示了随着与河网距离的增加，IC值会逐渐降低。在距离排水系统约100 m处可以观察到一个特定的垂直趋势(图5)。在距离河流网络相同的距离下，浅层滑坡表现出不同程度的连通性。距离排水网络约100 m处的IC值较高，与河流网络直接相连的浅层滑坡有关(图5a)。较低的连通性与其他缓冲区(如街道)在到达主要河流之前的滑坡有关(图5b)。距河网50 m缓冲区内的浅层滑坡IC值最高。这些特征主要是c型浅层破坏(图5 d)。d型滑坡也表现出明显的行为，其特征是直接与河流相连时具有中等-高连通性(图5e)，或被其他缓冲区拦截时IC值较低(图5f)。发生在道路切面(b2型)的旋转-平移滑动显示出最低的IC值(图5c)。
图 5 里约热内卢Frate流域到排水系统和标准化IC的距离。以浅层滑坡为例，计算滑坡到河网的距离。黑色框架突出了距离河流网络约100 m处的特殊垂直趋势。图中根据浅层滑坡的位置和类型，强调了不同程度的连通性：a) IC值较高且与河道直接相连的浅层滑坡;b) IC值较低，并被街道和建筑物等缓冲物拦截的浅层滑坡;c)滑坡类型b2, IC值最低;d) IC值最高的c型滑坡;e) d型滑坡，与河流直接相连，IC值中高;f) d型滑坡，IC值较低。点的大小代表滑坡的范围(m2)。
对于Versa流域，图6中的散点图显示IC随着浅层滑坡与排水系统距离的增加而减小。IC值较高的浅层滑坡位于距离河道网500 m缓冲区内，主要为c型浅层滑坡。有趣的是，尽管a型浅层滑坡运动有限，但当其足够接近河道网络时，IC值相对较高(图6 a, b)。
图 6 到Versa流域的排水系统和标准化IC的距离。红色虚线矩形突出了那些IC值最高的浅层滑坡:a)复杂滑坡，b)初期平移滑坡。
通过对2009年事件的正射影像和图像将IC结果与实际情况进行比较，确认了所进行分析的准确性(图7)，IC值高的地区与浅层滑坡积极向河网输送泥沙的部分流域有关，会造成河网堵塞(图7a)。
图7所示。以高IC值为特征的浅层滑坡在2009年事件期间有效地到达了主要河道网络:a)里约热内卢Frate流域;b)Versa流域。
2. 第二种场景:道路网络的变化：
在图8中，IC的变化与里约热内卢Frate流域路网配置的变化有关。在2009年的活动中，发现不稳定的斜坡与主要道路网络之间有很强的联系。
随着时间的推移，中高IC值的区域几乎保持不变(图8)。它们代表了流域中大多数浅层滑坡发生的区域。此外，在1954年至2007年期间，流域南部的IC逐渐增加，这可能是由于2003年至2007年期间新建了新的农业道路。
图 8 从左到右分别分析了四个道路网络。通过对1954年、1980年、2003年和2007年的照片进行视觉解译，将道路网络数字化;得到的4个IC图显示在底部。
在图9中，每个滑坡的ICz-score与它到路网的平均距离绘制。散点图显示，IC的最高值与靠近道路发育的b2型浅层滑坡有关(图9a)。c型浅层滑坡影响街道和建筑物(图9b)，IC值为中高值。
图 9 里约热内卢Frate流域与道路的距离和标准化IC。浅层滑坡类型:a) IC值最高的b2型浅层滑坡;b) c型浅层滑坡达到街道，连通性值中-高。
对2009年地震正射影像和现场数据的分析证实，具有高IC值的地区是受滑坡活动影响最大的地区(图10)。
图10所示。在2009年里约热内卢Frate流域的活动中，具有高IC值的浅山体滑坡有效地冲击了主要道路网络。
3. 第三种情况:多时间的土地利用变化：
图11显示了分析情景下土地利用变化对IC的影响。在Versa流域，IC的空间分布似乎不受过去60年所分析的两个流域发生的土地利用变化的影响，因为流域始终以农业区为特征，泥沙通量阻抗没有任何重要的改变。
图11所示。上:里约热内卢Frate(上)和Versa(下)流域土地利用情况的IC图。从左起，五个情景分别代表了1954、1980、2000、2007和2012年的土地利用情况。
与Versa研究区不同，1980-2007年里约热内卢Frate流域观测到了一些差异(图12)。连通性下降尤其明显，可能与土地遗弃有关。这反映了从葡萄园到其他类型土地利用的转变。具体而言，在里约热内卢Frate流域，灌木和树木逐渐自然地生长在废弃的葡萄园中。现场证据表明，灌木在5年内完全占领了废弃的葡萄园。在另外5年内，树木逐渐取代了灌木。斜坡植被覆盖的增加可被认为是导致上游泥沙源与下游地区脱节的主要因素。1980年以后，浅层滑坡连通性IC平均值从-1.67下降到-1.73，标准差从0.92下降到0.91。
图 12 1980年和2007年情景的IC地图(上)和土地利用地图(下)。矩形突出了IC发生显著变化的区域，以及同一区域发生的土地利用变化。W:森林;Ab VN:废弃的葡萄园;Per VN:与最大坡度垂直的葡萄园;Par VN:与最大坡度平行的葡萄园;UN:未开垦地区。
讨 论
许多研究试图强调景观连通性对于解释景观对人类干扰的响应以及管理应用的重要性。然而，关于不同类型的人类活动如何影响连通性鲜有明确信息。本文对流域尺度泥沙动力学的分析研究三种人为因素对泥沙输移过程的作用：排水系统变化的影响、道路网络的增加和土地利用的变化。
应用IC主要代表了一种研究连通性的结构方法，因为它没有具体考虑可以推断功能连通性的系统动态。采用这种结构方法取决于坡度特征和植被覆盖对两个分析流域的山坡不稳定性的高度影响。这种方法的局限性在于，IC是构造连通性的静态表示，因此它不能提供沉积通量的动态信息。
流域的地貌特征和人类对地表的改造对连通性有很大的影响。在Versa流域，相对于近年来的人类活动，地貌环境对泥沙连通性的控制程度更高。山坡与下游地区之间存在明显的脱钩行为。三种情况下，平均IC值都较低。Versa流域中很少有区域表现出中等高度的连通性。滑坡主要集中在2009和2013年受浅层滑坡影响的地区，滑坡类型主要为复杂滑坡，分布在距离河网平均500 m范围内。
在里约热内卢Frate流域，景观人为改变对泥沙连通性有较大的反馈作用。特别是，目标(河流和道路)的空间配置对流域内的连通性程度及其模式有直接影响。此外，1980年以后发生的土地利用改造导致该地区浅层滑坡与主流网络的连通性降低，在此期间，该地区的葡萄园和森林被弃置。
基于Cavalli等人的方法，使用泥沙连通性的形态计量指数研究了与人类活动对景观特征影响相关的三个方面：1）由于小型网络逐渐消失而导致的排水密度下降；2）道路网络密度的增加；3）土地利用变化。分析显示了连通性的分布如何随着人为引起的变化而变化。
结果表明：
（1）里约热内卢Frate研究区域的连通性值最高，多年来，该流域的小型排水网络减少，道路网络增加，对高连通性值的空间分布有显著影响，一般在距离河流和道路网络平均50 m的缓冲范围内。
（2）Versa流域的不连通区域比例很高，连通性值为中低和低。Versa流域中中高水平的连通性集中在距离河网平均500 m以内的区域。
（3）土地利用变化对泥沙连通性变化具有不同程度的影响。在里约热内卢Frate流域，随着葡萄园逐渐转变为废弃葡萄园和森林，植被增加IC下降。然而，在Versa流域，土地利用变化对泥沙连通性没有显著影响。
（4）浅层滑坡泥沙与道路或河流之间的连通程度为风险评估提供了有用的建议。它可识别因河床淤积或阻塞而导致道路受损及/或淹没可能性较高的地区。
本研究评估了人类活动对地表形态和泥沙路径的影响，显示了与浅层滑坡相关的连通性模式如何随时间变化。最不稳定的地点和与主要排水系统和/或道路网络有效耦合的泥沙源区可以作为改善土地和流域管理的基本起点。
作者 | 娟龙
编辑 | 回毅滢
