基于HP滤波法、XGBoost的台阶型滑坡位移预测及阈值研究

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自三峡大坝蓄水以来,由于受到多种因素的共同作用,库区滑坡发生变形和破坏的数量明显增多,使得库区成为我国地质灾害频发的区域。台阶型滑坡在库区滑坡中是一种比较典型的滑坡,受到降雨和库水位调度的作用,其变形在每年的5至8月发生明显变化,在其余月份几乎保持不变,从而位移时间曲线呈现为台阶状。对于这种类型的滑坡,变形常在几个月内急剧增加,难以判断滑坡什么时候发生破坏,严重影响邻近区域人民的生命财产安全。因此,开展台阶型滑坡位移预测以及阈值设定的研究能够提供科学依据,避免滑坡所带来的重大损失。论文以八字门滑坡和白水河滑坡这两个典型的台阶型滑坡为研究对象,主要的研究成果如下:(1)提出了一种基于HP滤波、极限梯度提升算法(XGBoost)的预测模型,进行台阶型滑坡位移预测的研究。(1)根据位移时间序列的分析,采用HP滤波将滑坡总位移分解为趋势项位移和周期项位移。趋势项位移采用多项式函数进行预测,预测结果与实际结果相差很小。与此同时,对比移动平均方法、经验模态分解(EMD)提取的趋势项位移预测,HP滤波提取的趋势项位移预测精度最高。(2)周期项位移受到多种因素(降雨、库水位)的共同影响,采用灰色关联度等方式选取合适的诱发因素。采用XGBoost、支持向量机(SVR)、反向传播神经网络(BP-NN)这三种预测模型对周期项位移进行预测,结果表明XGBoost预测模型的预测效果优于SVR预测模型和BP-NN预测模型。此外,XGBoost预测模型在位移发生明显变化的预测中,预测的趋势与实际趋势基本一致,且预测的误差相差不大。最终,总位移预测结果是由趋势项位移和周期项位移的预测结果叠加而得到,误差处于可接受的范围。(2)采用核密度估计、Copula函数以及风险价值模型(Va R)计算台阶型滑坡的月位移、降雨量和库水位波动的阈值。(1)通过肯德尔相关系数和斯皮尔曼相关系数判断月位移变化量与降雨量、库水位波动的滞后月数,得出月位移变化量与滞后一个月降雨量、滞后四个月库水位波动的相关程度最大。(2)采用核密度估计对月位移变化量、滞后一个月降雨量和滞后四个月库水位波动拟合各自的边缘分布函数,再采用Copula函数构造月位移变化量与滞后一个月降雨量、月位移变化量与滞后四个月库水位波动的二元Copula联合分布函数,最后,采用Va R对二元Copula联合分布函数进行逆向求解得出滑坡的阈值。八字门滑坡的月位移变化量、滞后一个月降雨量和滞后四个月库水位波动的阈值分别为119.4mm、268.5mm、9.4m,白水河滑坡的月位移变化量、滞后一个月降雨量和滞后四个月库水位波动的阈值分别为103.9mm、288.5mm、9.6m。(3)在前面的分析中,只考虑了月位移变化量与降雨量或者库水位波动的影响,为进一步完善,考虑月位移变化量与降雨量、库水位波动的综合影响,构造月位移变化量与滞后一个月降雨量、滞后四个月库水位波动的三元Copula联合分布函数。最终,八字门滑坡的月位移变化量、滞后一个月降雨量、滞后四个月库水位波动的阈值分别为164.5mm、311.6mm、9.7m,白水河滑坡的月位移变化量、滞后一个月降雨量、滞后四个月库水位波动的阈值分别为199.9mm、298.3mm、10.5m。另外,这三个阈值需同时满足。
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