区域浅层滑坡危险性的评价模型研究及其应用

来源 :中国地质大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhangyanfangzhang
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我国是一个地质灾害多发的国家。在众多地质灾害中,尤以滑坡灾害的占比最大,它们具有规模大、机制复杂、危害性严重等明显特点,在世界范围内具有代表性。受雨季强降水以及库水位周期性变动的影响,我国三峡库区成为了滑坡灾害集中发育的地区,给当地人民生命和财产安全造成了巨大威胁。因此,进行区域滑坡危险性评价对于库区防灾减灾工作十分必要。同时,在全球环境快速变化的今天,滑坡活动受到多种动态因素影响,最明显的就是土地利用变化以及气候变化,因此,不同环境模式下的危险性动态评估对于认识滑坡风险并制定风险缓解措施具有重要意义。受益于地理信息系统(GIS)技术的发展,多种区域滑坡空间建模方法已被开发并应用。与其它类型的模型方法相比,确定性模型可以将滑坡发生机理与岩土体的物理性质相结合,对于更好的认识滑坡破坏过程有很大帮助。但是,现有的用于滑坡危险性评价的确定性模型仍然存在几个主要问题:一是由于使用Richards方程对非饱和土中的降雨入渗进行分析,造成模型计算时间成本高;二是很多模型无法解决土壤空间分布的不确定性问题,只能使用单一参数值作为模型的输入。这些都极大限制了确定性模型在大型区域滑坡危险性评价中的应用与推广。鉴于上述问题,本论文提出了一种能够快速进行区域浅层滑坡危险性评估的确定性模型FSLAM(Fast Shallow Landslide Assessment Model)。分别以中国三峡库区万州区和西班牙比利牛斯山地区的Val d’Aran地区为研究对象,对于FSLAM的建模过程进行了描述,并对其在区域浅层滑坡危险性评估中可能的应用方式与前景进行了探讨,取得了如下的成果和结论:(1)介绍了FSLAM模型原理并基于Fortran语言进行编程。FSLAM模型共包括三部分:一是使用基于摩尔-库伦理论的无限斜坡模型进行岩土建模;二是考虑了地下水的两种运动方式(横向流和垂直流)来实现简化的水文建模。包括了两种降雨形式,即前期有效降雨和触发事件降雨,来计算坡体内的地下水位;三是地表径流模型,通过应用美国地质调查局提出的“径流曲线数”方法,通过降雨栅格输入计算地表径流量。同时,FSLAM模型包含了随机方法,允许输入岩土体物理参数的范围值而不是一个特定值,在一定程度上减小了参数的不确定性问题。(2)通过模型敏感性分析来计算模型中各参数的重要性。FSLAM模型共含有12个参数,包括2个坡体几何形态参数(坡度角、上游汇水面积)、6个岩土体物理参数(密度、孔隙度、渗透系数、土层厚度、土壤内聚力、内摩擦角)、2个与地表植被有关的参数(根系内聚力、径流曲线数)和2个降雨参数(前期有效降雨、诱发事件降雨)。使用角度为25°、栅格分辨率为10 m的均质各向同性斜坡,计算了FSLAM模型得到的斜坡稳定性系数对于各个参数的敏感性。结果显示两个内聚力参数以及内摩擦角是对FSLAM计算结果最为重要的输入参数,其它参数的重要性要远小于上述参数。使用帕累托方法在显著性水平为0.99的条件下对上述参数的重要性进行了分析,结果与敏感性分析的结果相一致。(3)以中国三峡库区万州区为例,基于FSLAM模型分析了在不同降雨重现期条件下,全区浅层滑坡危险性的变化。使用遥感数据集提取了研究区30天前期降雨和每日极值降雨,通过分析浅层滑坡与降雨数据的关系,确定了原始滑坡数据库中7天左右的时间不确定性。在包含了时间不确定性的前提下,本文利用“水平衡”理论和统计分布模型进行了研究区降雨空间分布制图。使用了1995-2005年期间的浅层滑坡进行了参数反演,并利用FSLAM进行了建模。计算表明对于包含约750万个栅格单元的万州区而言,FSLAM模型的计算时间小于两分钟。当使用的诱发事件降雨的重现期水平增大时,研究区浅层滑坡的危险性水平也明显增大;但各个地区的变化各不相同,中部和西部整体的危险性水平增长要大于其它地区。总的来说,FSLAM模型可以有效开展不同降雨重现期条件下的区域滑坡危险性评估与预测。(4)以西班牙比利牛斯山中部的Val d’Aran地区为例,基于FSLAM模型分析未来环境变化对区域滑坡危险性的影响。该地区2013年由于强降雨和融雪诱发的群体滑坡事件被选为案例,其境内两个水文气象站的地表峰值径流量监测值被用来进行输入参数的反演。对未来降雨变化趋势的分析显示未来极端降雨相比于现在会明显增大。如果重现期为100年,则极端降雨值在21世纪中后期将增加14%-26%;对研究区土地利用变化的模拟表明,未来的森林面积将明显增大,而灌木和草地的面积将会减小。使用FSLAM模型量化并对比两种未来变化对于滑坡危险性的影响,结果显示森林面积的增加(根系内聚力增加)所产生的坡体稳定效果要大于降雨变化对坡体产生的不利效果。所以当两种变化同时存在时,研究区的整体稳定性条件整体增加,滑坡危险性减小。
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