对气候变化敏感的西喜马拉雅结域基于流域地貌形态测量的水文地貌灾害与脆弱性评估：以阿斯托尔河流域为例

《Science of The Total Environment》：Hydrogeomorphic hazards and vulnerability assessment through basin morphometry in the climate change sensitive western Himalayan syntaxis: A case study of the Astore river basin

　　

## 摘要

本研究对西部喜马拉雅构造弧Astore河流域进行了水文地质灾害与脆弱性评估。水文地质灾害，即泥石流、泥流和河流洪水，对当地社区和基础设施构成重大风险。事先识别特定的流动类型至关重要，因为不同类型的流动需要特定的补救措施。为实现这一目标，首先利用现场数据和高分辨率卫星图像将Astore河流域划分为65个子流域，从而能够识别产生泥石流、泥流和河流洪水的子流域。这种基于现场分类的方法通过统计分析所选的形态测量参数进行了验证，包括流域梅尔顿比值、流域起伏比、流域面积、流域长度、流域坡度、流域沟道长度和扇形坡度。通过交叉相关图建立了所有形态测量参数的阈值，以区分子流域尺度的水文地质灾害类型。对具有>90%预测准确性的参数进行形态测量分析显示，每个子流域和灾害类型都有独特的特征。产生泥石流的子流域通常较小（流域面积<10 km2）、陡峭（扇形坡度>10°），具有高的流域梅尔顿比值（>0.60）和流域起伏比（>0.37）。相反，产生河流洪水的子流域较大、较平缓，具有低的流域梅尔顿比值（<0.30）、低的流域起伏比（<0.37）、大的流域面积（>10 km2）和温和的扇形坡度（<5°）。产生泥流的子流域处于中间范围。将形态测量分析结果与冰川湖泊和人类定居点清单以及松散碎屑覆盖的空间分布相结合，评估子流域级的综合灾害和脆弱性地图，为构造活跃且气候脆弱的喜马拉雅地区的风险减轻和可持续发展规划提供了关键见解。

## 引言

水文地质灾害包括泥石流、泥流、河流洪水、雪崩、滑坡和落石等自然灾害（Sakals等，2006）。本研究重点关注前三种类型：泥石流（DF）、泥流（DFd）和河流洪水（FFd）。泥石流被排列为最具破坏性的自然灾害，特别是在山区（Wilford等，2004）。其突然发生、高流动性、显著冲击力和大运行距离促成了其破坏潜力（Glade，2005）。泥石流是快速移动（0.8至28 m/s）的质量运动，由分选不良、含水丰富的碎屑沉积物（岩石和土壤）组成，由于重力作用向下坡方向移动，其特征为涌动的沉积物浆体，固相组成至少占体积的60%（按重量计>80%），与水充分混合。泥石流的密度通常在1800至2400 kg/m3之间，约为河流洪水的两倍。相比之下，泥流（Wilford等，2004识别）是一种高浓度流动，其沉积物浓度介于正常河流洪水和泥石流之间，密度在1300至1800 kg/m3之间。这些泥石流、泥流和河流洪水事件与其他坡面灾害不同，因为它们周期性发生在已建立的暂时性冲沟、暂时性河道和常年性溪流中（Hungr等，2014）。水文地质灾害通常由季风降雨、暴雨、快速积雪融化、地震、冰川湖溃决、雪崩以及滑坡堰塞湖和冰川冰堰塞湖的溃决等因素触发。然而，泥石流和泥流的发生取决于流域或冲沟内是否有足够的松散物质，这些物质主要由滑坡、碎屑崩塌、落石和岩石风化提供。

在全球范围内，泥石流和泥流造成了重大的经济损失和人员伤亡。Dowling和Santi（2014）估计1950年至2011年间，全球213起泥石流和泥流事件造成77,779人遇难。与全球趋势类似，喜马拉雅地区，特别是印度河上游盆地的灾难性水文地质灾害是司空见惯的现象，往往导致人员伤亡和财产损失（Bazai等，2025）。Shabbir等（2023）记录了2003年至2019年间巴基斯坦境内1089起坡面和水文地质灾害（包括落石、岩崩、泥石流、泥流、泥石流和泥流），其中180起致命事件造成1072人死亡。

巴基斯坦北部由于地形陡峭、构造活动活跃、地质脆弱、高起伏以及有利于水和沉积物积累和突然释放的气候条件，对水文地质灾害特别脆弱（Hewitt，1982）。研究区域（Astore河流域，ARB）的局部起伏通常超过4000米，在Nanga Parbat Haramosh山体（NPHM）等地区达到7000米以上。1992年9月的暴雨以及2010年和2022年7-8月的强季风降雨导致了数百起泥石流和泥流，造成村庄、灌溉渠道、水电站和路网的广泛破坏（Hong等，2023）。特别是2022年的强烈季风降雨，在印度河上游盆地（IRB）沿线触发了广泛的滑坡、泥石流和泥流，并导致全国三分之一地区发生广泛洪水。该事件使超过3000万人流离失所，造成1000人死亡，并造成超过300亿美元的损失和经济损失（Hong等，2023）。

本研究聚焦的Astore河流域（ARB）是印度河上游盆地（UIB）的一个子流域，位于西部喜马拉雅构造枢纽（Nanga Parbat Haramosh构造枢纽，NPHS）内（图1）。Astore河是印度河的主要支流，流经Astore河谷并在Ramghat Pul附近汇入印度河。与其他山区一样，研究区域内面向山谷的坡面，具有高起伏、地质脆弱和构造活跃的山脉特征，汇入相对平坦的泛滥平原。这些山谷坡面通常由支流溪流排水，当进入谷底时沉积沉积物，形成如泥石流锥、泥石流扇和/或冲积扇等地貌。在可用于定居的平坦土地稀缺的地区，这些台地成为居住和农业的热门地点。然而，这些扇形区虽然由于肥沃的土壤和水源而显得有吸引力，但也极易受到水文地质灾害的影响，特别是在强降水、雪崩和冰川湖溃决洪水（GLOF）期间（Khan等，2013）。

巴基斯坦北部的地质灾害评估研究大多局限于喀喇昆仑公路（KKH）沿线的一条狭长走廊，现已成为中巴经济走廊（CPEC）的一部分。尽管在ARB等偏远的印度河上游盆地其他地区频繁发生灾难性的泥石流和泥流事件，但全面的水文地质灾害脆弱性评估和风险仍然稀缺。这代表了一个关键的缺口，因为这些灾害的有效减轻从根本上依赖于正确识别主导的流动类型/过程，然而在ARB独特且活跃的地质环境中，尚不存在经过验证的框架来实现这种区分。解决这一知识缺口将有助于发现并向危险社区通报潜在的水文地质灾害。

泥石流和泥流可以在同一流域内交替发生，但在地貌学、流变学和沉积学方面存在显著差异（Ilinca，2021）。例如，泥石流的峰值流量是河流洪水的5至40倍，同样，泥流的峰值流量仅为河流洪水流量的两倍（Hungr等，2014）。Costa（1988）指出，水文地质过程的错误解释和分类可能导致实施无效和/或不正确的补救或缓解措施。例如，由于泥石流的高碎屑含量可能导致堵塞，渠化并不是解决泥石流的合适方案。

因此，本研究首先基于扇形沉积物的诊断特征和现场分析，以及通过高分辨率卫星图像进行分析，将研究区域的子流域分类为产生泥石流、泥流和河流洪水的类型。这种基于现场分类的Astore河流域子流域进一步通过关键形态测量参数的交叉相关分析进行验证，即流域面积（BA）、流域长度（BL）、流域坡度（BG）、流域沟道长度（BCL）、流域起伏比（BRR）、流域梅尔顿比值（BMR）和扇形坡度（FG），并成功提取了子流域级水文地质灾害潜力的定量形态测量参数阈值。通过将导出的形态测量参数阈值与研究区域内的冰川湖泊、松散碎屑覆盖分布和人类人口/定居点的空间清单相结合，我们生成了评估Astore河流域水文地质灾害和脆弱性的精确地图。

为了解决研究缺口并明确展示流域对气候变化敏感性，本研究有三个主要目标：(1) 开发和验证区域特定的形态测量阈值，以识别Astore河流域内易发生水文地质灾害的子流域，该地区是易受气候驱动灾害影响的喜马拉雅地区；(2) 通过将形态测量阈值与冰川湖泊、松散碎屑覆盖分布和人类定居点清单相结合，为Astore河流域生成综合的灾害和脆弱性地图；(3) 建立一个稳健、可复制的框架，用于在其他类似数据稀缺的喜马拉雅流域进行水文地质灾害评估。

本研究通过展示西部喜马拉雅构造弧的流域特征存在显著差异且需要区域特定校准，对全球形态测量模型提出了挑战。本研究的关键创新是为Astore河流域在子流域尺度生成综合的灾害和脆弱性评估地图，以及基于四个最有效形态测量参数（BMR、BRR、BA和FG）阈值简化的预测图，作为实用工具，当地规划者、工程师和决策者即使不是地貌学专家，也可迅速评估研究区域潜在的水文地质灾害。

## 章节片段

### 研究区域的地质和构造环境

Astore河流域（ARB）位于西部喜马拉雅构造弧，介于经度74°39′7.62″和纬度35°34′20.7″之间，主要覆盖巴基斯坦吉尔吉特-巴尔蒂斯坦（GB）省Astore区（图1）。Astore河的排水网络主要由17条主要河流和许多其他小支流补给，当地称为Gah（图6a & b）。Astore河最终在Ramghat Pul附近汇入印度河。Astore河流域覆盖面积约3991.91 km2，海拔范围为...

### 数据

本研究采用多源地理空间数据集来分析Astore河流域的地质、地形和土地利用。研究区域的地质和构造框架使用Searle和Khan（1996）出版的地质图建立（图3）。地形分析主要基于从ALOS PALSAR辐射地形校正（RTC）数据衍生的12.5米分辨率数字高程模型（DEM），从阿拉斯加卫星设施获取（https://search.asf.alaska.edu/#/；

### 形态测量分析结果

Astore河流域65个子流域及其相关28个扇形的形态测量分析显示，基于主导表面过程类型，相同参数存在变化（表2和表3）。流域面积（BA），作为控制水文地质流发生和分布的关键表面水文地质因素，在研究区域的不同子流域类型中差异显著（Ilinca，2021）。对于22个产生泥石流的子流域，BA值范围为4.74至49.09 km2，平均值为9.94 km2。对于...

## 讨论

Astore河流域内65个子流域和相关28个扇形的形态测量分析提供了关于流域形态、扇形沉积物特征和塑造景观的主导水文地质过程之间复杂关系的关键见解。分析显示，从以泥石流为主导的流域到以河流洪水为主导的流域，形态测量特征存在明显过渡，沿此谱系BA和BL增加，而BG、BRR和BMR减少（图7、图8）。这些...

## 结论

本研究通过将ALOS PALSAR DEM的地形指标、冰川湖泊和人类人口清单、松散碎屑的空间分布以及现场观察整合到流域形态测量框架中，为西部喜马拉雅构造弧的Astore河流域提供了综合的水文地质灾害特征分析。由现场数据支持的形态测量分析已被证明是初步区域流域级规划的有效工具，能够实现...

## CRediT作者贡献声明

Khan Zada：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，软件，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念化。
Shengwen Qi：写作——审阅与编辑，验证，监督，项目管理，方法学，资金获取，概念化。
Xiao Lu：写作——审阅与编辑，方法学，数据管理。
Xueliang Wang：写作——审阅与编辑，方法学。
Songfeng Guo：写作——审阅与编辑，方法学，资金获取。
Ammar Hussain：
Izhar Ahmed：

## 利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

## 致谢

本研究由第二次青藏高原综合科学考察研究计划（STEP）支持，资助号2019QZKK0904，以及中国国家重点研发计划支持，资助号2023YFC3012004-05。

Khan Zada | Shengwen Qi | Xiao Lu | Xueliang Wang | Songfeng Guo | Ammar Hussain | Izhar Ahmed
中国科学院地质与地球物理研究所，岩石圈与环境协同演化重点实验室，北京，100029，中国