基于物理模型和数字高程数据的浅层滑坡危险性评估

基于物理模型和数字高程数据的浅层滑坡危险性评估摘录：将地形影响浅层滑坡形成的分析模型应用到具有高精度数字高程数据的实验山区盆地——位于意大利北部的Cordon流域（面积5Km2）。模型概化了因受地形地貌影响而容易发生浅层滑坡的地区。模型由两部分组成：浅层地表径流的稳定流模型和大坡度的Coulomb破坏模型，该模型假定土壤在破坏条件下失去内聚力。一系列滑坡证明了研究区的不稳定性，也为通过比较观测值和模型预测值，为模型运行提供数据。模型能够以连续方式再现滑坡的产生和发展，但在模型中没有考虑土壤力学性质和传递系数的空间变异性会影响相似地貌条件下滑坡的发生和发展。关键字浅层滑坡碎石流地下迳流数字高程数据道罗麦特炸药前言在全世界险峻的多山地带的不稳定斜坡是土地管理者的关注热点之一。在陡峭斜坡上最常见的物质坡移类型是易滑土壤和碎石堆积物。由于暴风雨或积雪快速融化导致土层和岩床之间的水压上升，可以触发浅层断裂。这会导致土层或其下面的不透水层断裂。这些土块分离并下滑，水量的增加能形成碎石流并促进下滑。我们可以用多种方法来评估滑坡危害：（1）分析滑坡陡崖和沉积物描述潜在危险的区域。(De-Graff1985)（2）观察不稳定斜坡并对各种因素特征多元分析。(Carrara1983;Carrara和其它人1991)（3）在斜坡几何学，地质学，和结构学的基础上进行稳定性等级划分。(Hollingsworth和Kovacs1981;Montgomery和其它人1991)。近几年来，常使用地理信息系统(GIS)很快的描绘潜在的滑坡危险区.GIS能以数字形式有效的组织空间分布数据,并允许迅速评估不同的数据类型(Gupta和Joshi1990;Carrara及其它1991,1995)和抽出相关的地形数据之间的空间相互关系。在数字模型中使用上面列出技术中的一个，模型中保留地形控制的物理基础、土壤性质和如降雨等触发因素，能用来作为评价的标准。这些模型化技术在估计浅层滑坡发生的时间是因为我们能从高精度数字高程数据中确定地表地貌，它还在滑坡开始过程中扮演主要控制手段。这样的模型使用精确的位置信息，也有可以解决根据经验绘出危险区域的出色地图上的不正确的地方。另外，这样的模型能提供一个预测浅层滑坡分布的理性基础。在盆地水平，分布式，物理基础模型描绘了考虑可控参数的空间变化的主要方法。浅层滑坡模型在盆地地区已发展成为无限倾斜方程的基础。(Wardandothers1981;OkimuraandIchikawa1985;MontgomeryandDietrich1994;BurtonandBathurst1994;WuandSidle1995;amongothers)Dietrich和其合作伙伴(1992)，还有蒙哥马利和Dietrich(1994)基于数值高程数据发展了一个简单的模型，它连接一个浅层直流渗透模型和无限—倾斜稳定模型。这种模式提供一个框架来解释地貌演变过程对陡峭土层影响和初步确定集水斜坡发生滑坡可能性。这一项研究目的是评估用由蒙哥马利和Dietrich(1994)发表的倾斜稳定模型来预测Dolomites山脉的浅层滑坡(意大利阿尔卑斯山东部)的结果。滑坡陡崖的详细记录用来证明不稳定位置，还通过比较观测值和模型预测值提供模型性能验证。水文和斜坡稳定关系模型模型由二个部份组成:一个稳定的地下径流模型和一个平面无限倾斜，非粘性土与厚度和倾斜坡度的关系的库仑力模型。（MontgomeryandDietrich1994）对平面无限倾斜得分析很早就被应用到斜坡稳定的研究中，特别是在坡上的土壤分化物厚度远远小于斜坡长度和斜坡表面近似于断裂平面的两个地方。水文模型计算稳定地下径流深度用于盆地的每个网格。在模型中，作用倾斜的径流假定是合适的，因为它们就是为了在岩石上的滑坡滑动而设计的。模型是会出现偏差的，特别是深层的岩土，而且流程矢量将会影响剪切力的计算(IversonandMajor1987)。另外，在土壤和地下岩层之间的水力导电率的大小不同能引起地下水平行流动的障碍(ReidandIverson1992)。模型的参数：地形参数（a/b，a是向上斜坡的长度，b是等高线长度，得到当地的倾角θ），水文参数（稳定降雨，r，渗透率，T），土工参数（湿土密度s和内在的摩擦系数φ）。水文模型的配置被下面的假定支持：1、土壤的渗入能力总是大大超过降雨强度，所以地表径流被忽略只考虑地下径流；2、侧面的地下水渗透率被假定与地表倾斜成比例的，这暗示地下水流动与地表是平行的。3.、水的导电率在任何深度被假定一致。4.、假定补给空间不变。5.假定情况一直不变，所以，地下渗透率与补给和倾斜斜坡地下渗透率一致。提供给每一个网格的水量总是空间连续性相等的。地下水排出量等于补给量是：q=ra（1）补给量也可以表示为水力梯度和土壤渗透系数，公式表示：q=bTsinθ（2）俘h周是饱和土突壤的厚度禽，黑他z越是土壤总橡厚度。通描过公式能贱得到含水饭量钟W尝，就是饱炕和土壤水博的体积比胸上总土壤隆体积。写按成：跑W仙=钻羡皮俱穗乘崖谅甩恐距满（惕3躬）满因蹲此蚕,灾预土壤的含厕水量在弱瑞或不透水侍层将会增浪加（侮低蓄T萍），在圆包角面（高活a/决b粘），在倾分斜度小的怪（稿低走θ桑）。在起解伏不平的淋山区，含古水量在通郊过凸地时煌粗略的累保持持续海，在南凹地平稳弟的增加（鸣a袖/复b意增加畜和阔θ励减小）。修对于非粘寇性材料和能倾粉斜透-珍领平行的渗园出室量奉,揪那无肢限蜘-帐积倾斜稳定昏模型能被踩写当万做科:告ρ担s爬z抬tan因θ私=钟(驼ρ扎s大z违-问ρ蹲w惜h俊)ta汉n坊φ贩喉由胸献链喉最（永4兼）救ρ两w竭是水的密膊度，拣将浙（剖3浅）公式通针过凑h/竿z手代入戒（既4王）公式中扣，众那样得到壁可以判定总伴随等高刚线变化排欢水区域变爽化的公式确，这样那妻些不稳定去区的地形觉参数就可干得到：袭钳钞居残箱鱼凡(5)恩基于这方羞式抬,贤四个稳定娇参数被定开义间:裳诸无条件不落稳定，不杏稳定的，装稳定的，踢无条件稳引定。假如抖土块蒸干到了后不能订一致就是尊无条件不描稳定。当收tan隐θ≥这tan创φ葱这个条件芒成立。不夸稳定的参拢数是根据带公式便（填5口）得出的咳结果。无驰条件稳定单参数是当贯饱和时得耕出的结果坟一直稳定课的，这样素的条件可因以写成：告菠碗竹殖盲喜类瓜(6)撇对于潜在恳的不稳定袜的元素，绢含水量伴叛随巷r搅的增加将荷会增加直社到越过稳全定极限。哲一旦这个兴极限被越芽过了，在吹强降雨下往参数还是挣不稳定。迫这样，就刺可以预测龄能引起不秤稳定的最鹿小降雨量轻，被称作侵临界降雨嫂量，有公巡式别（控5滑）得到：神鞭辆败具迅返驶(7)呆公式历（摔7润）的形成玩是有各点旧降雨量都输相等的假哄定。答低颈r滩ac找参数意味现着浅层滑植坡更易发夜生。相反奖，籍高鞋r遥ac膊意味滑坡喝稳定，形纲成滑坡必疑须要有长太期较小的毅降雨。公涂式秘（袜7伸）的构造狐显示了临差界降雨量刃随斜坡的茧减少而增护加，随斜覆坡的增加切而减少。绪在山区盆断地在下落肿的斜坡和鬼在下坡增猫加的排水爽量之间的睁交换一般胀导致在河渠流源头的广最低临界蹈降雨量。能在典型的态起伏不平陆的山区，贺最小临界道降雨量常问发生在起炼伏变换的脚下坡上。丽这些观察予结果是由陪John剂son盛and莫Sita晃r(1杂990)疯分析吊San兼Fran却cisc陆oBay柏的滑坡碎断石流开始街地点。研姨究者观察辜到开始的右地点一般柏在起伏转首换点。术模型在对蜡浅层滑坡钩在大面积颗盆地的分煮布预测已墙被证明是最成功的简(撤Mont晌gome取rya姨ndD哭ietr痕ich镰1994养)愁。这些应秀用与覆盖栗在地层上窃的土壤和勿少量出露愧的岩石有监关。这些中应用在盆狐地的模型冤不能忽誓视出露的跪岩石，因牵为滑坡通古常在多山逝地区爆发该，这意味阿着在地表污和地下径会流是同样壁适应的假停定是正确笨的。这能眨解释在小渣山上每个剖点地表和彩地下水补摸排到达平诉衡的时间击不一样，滨临界降雨皮量也不一纸样。一个画新的基于浑类似于含量水量的指逼标的模型挽被建立了绿，它解决孕了模型结否果不明朗辟的问题。运当不相同脊的地表和呆地下径流淋的流动速玻度被引入敌模型中，蜓指标允许煤对下游出享露岩石的柄作用区域符进行描述从。通过使直用类似含予水量的指捧标去计算斤土壤的饱向和程度得劲到的结果自正在进行占价值评估待。树应用和讨貌论井模型被应泳用在意大见利阿尔卑鄙斯山东部捎的一毙个格5杰平方千米卷的遣Rio岂Cord遍on列盆地资(Fi瓜g.1制)塘。海拔范破围肝在睁176蝴3影和咱2748眼ma第.s.俭l访之间，平赠均海拔晨在牌2200件ma玩.s.落l纠。盆地岭被拴40旁—朝6对0冶米长的小克山岗切割请，平均坡弄度以在壤27寺o房，常后见岛30与o酷--恢40尝o既的倾斜：询当地有一贫个斜坡超鼓过堵45海o据。对水位遣和沉积物筝的勘查，士该区没有缺人类活动漂的干扰。吊该区是典篇型的高山姨气候和每锅年平垂均供1100期m臣m剪的降水量针。主要的欣降雪是从事十一月到析四月。地肺表水在五季月和六月池藉着融雪丙水支配，雅但是夏天野和初秋的陕洪水对地处表水的贡威献同样重清要。更多展的关于这创个盆地的稀水文地质己和工程地架质描述在吨别的文章云里哪(化Fatt诵orel底lia命ndo怎ther唉s19励88;击Bill崖ian奇doth脊ers膏1995究)仪。山上的架碎石和分袜水岭最高梳点组成滑违坡体。在瘦分水岭中滨部和底部层分布了石仅灰质岩，乓泥质石灰枝岩，和砂炸质出露岩荣。第四纪优堆石和碎介石堆积物终也非常常由见。植被寺中草本植趋物最多娱占神61临%塑，灌木分工布也广泛电占莫18扣%嘴，高大的仙云杉和乔惜木仅在山桐坡底部发驼现总共燥占孙7粪%贡。在盆地呆中处有预14义%戚的裸露岩车石和土壤独。浅层滑指坡是一个放重要的沉砌积物在陡术峭的斜坡彩和山谷中坏滑动的现乔象。医在蛾图克1启中可以看签到这块区协域有很多扔的陡崖，母图母1兰中显示了范大量滑坡席目前有不么稳定的现叠象。滑坡廉区域总错计义0.16若5km麻2身，大约占壁盆际地侮3颈%火的面积，盈平均倾斜坛角合为纷29源o夏。欠图表2食中显示了射一个典型绕的滑坡，糟它是由侧Rene缠aua端ndD探ietr印ich(颤1987焰)拥观察到的君，滑坡面孔宽颈7.5鞋---1分2.5桐m队长留15--岂25即m蓬，长宽比挂值抛在冤1.1晴—巧2.祸5找之间。奶图竭1润还显示了竭由出路、丙露岩床组谁成的陡峭谢斜坡和悬鼻崖。为土监质斜坡设鱼计的模型图在这里不怪能使用。忘大部分的仰滑坡分布漆在岩石山辨的布满小衔石块的下肯坡处。在冻这些例子蝇中水流集养中在沟谷丸里浸泡岩送石，渗入眼堆积物下吧面，导致耻浅层斜坡宋以碎石流炕的形式滑歌到坡底薄(灵Marc迟hia立ndT征ecca休199揭6)忌。岁驾讲海拔数据打模型已为倍Cord烂on婚盆地建立恳一叶个饥1访：棋1000钥0敏的等高线堵图，地形科图最小精犁度袜为议1呼0挨米。这些戏数据形成届一个每奴格萄1范0绞米的网格园图。这些侵地形网格退图可以用葵来准确的盗描述研究授区的地形背，也被用桂作山坡比渴例的基础辉。拣声尚三维立体祖空间地形低图；当地歌斜坡；单感位等高线玩和地形指舟标的排水害量乓（慎a础/跟（涛bsi由n跑θ巴））；都章能用辟WODI验TEM愈（地下水织流动方向哨的数据模妹型）计算锤出来，这灶是基饭于触DEM穿S沿为水文学沿开发的特猾定的软件岭包。上斜岂坡区域的标计算需要宇特别的技国术，因为袋在上斜坡撞每一点的沈水流方向戴要采用分昆布式的而险不是相邻躺式的。使巨用上斜坡笛流程的概乌念可以计警算地形指颗数，去描途述地表水崭受地形起瓦伏的控制罚汇合或分曾流，由昆点因和其他堵人合作开宪发滨（辨199感1丢）。通过君这种方法闻，特定区扰域的作用扣能用单位瘦水流在相劲邻起伏的膜区域的分阅配来计算与。坤因和孤其合作者喜提出并证博明了单位忽水流勉fi固向其相邻加的低地吐i取流动的公禁式：（8）雪这里的求咏和是所有颂的相邻低莲地牧:巩S辽是倾斜的普方向异，粘L斧是作为一罩个重要因屯素奇的酸‘对有效的等堵高线长度锤’祝。导L同取聋0.钳5轰作主要的境邻边销和颂0.35推4壶作对角线客上的邻边唯。计算出息的每个单哨元对盆地乞的单位贡观献描述在旋图胜3弯中。用适迷当的模型确可以计算于盆地的一触些特征。女植被与植宽物根系对箩盆地斜坡起的稳定性通影响是非远常有限。胡这边的大健部分土壤尸作非粘性仰土来考虑鄙，勾Borg窗a滩在研究研鸟究区降雨夺量和地表甩径流模型新的关系时摧提出对水奴文模型的得一些假定批。降雨量闸很显然的纯不可能高草于土壤的啄渗透率，娃因此地表侄径流是不旋会出现的梢。另介外诞,困辫在这非常哭险峻的山晚区地带，咬承压水头千对地下水雪起支配作恨用，地形晶能控制含层泥水的流随向和水量尼，这是豪由方Bur笨t逮所建辽议呀(197抚8捎)进。速率低串的地下水锡可以被假候定为稳定制状态。这泻种情况仅耻仅只会发货生在假如惜地下每一呜点都能长颗时间的持援续衡量接条到补给，铺并且补排它保持平衡勇。然而在悦这个例子坛中，地下斧水从上坡妨仅能得到残很少的补扛给，并且呢补给缓慢唤，那样地温下补排不越能保持平悠衡。因此友，在这里史考虑临界忌降雨量仅舰是因为其宽与承压水鸦头有关。煤在猛Cord探on鞋盆地的研揉究区提供另了趟一个估计沉水文和地也质对土壤栋压力的基伟础。土壤睁厚度在山哈嘴上在逗0.1笨—息0.近3案米之间，览在山洼里忘超封过侮0.筒2丛米。通过剥测量密度拐，湿土的航密度大概贡是水慧的队1.细8坦倍。以前锁在这个领蓄域的研究垃提出了内组磨察角度卡要防在诉33巩o响到乞38象o塘之裤间宪,豆这就意味渠着现在计衔算要锡用努35兄o遣。土壤饱据和导电率幅从深度护在份0.绿5吸米丙的违10驾-2诊m渔s奉–蠢1吨到偿1.0直—挂2.很0捏米梁的顷10慰-5旱m假s赞–蒜1(储Fent狗i19湾92)羞。基于这呈些和其它铺的数据，渔估拔算出土壤文渗透率莲在悟5雹—获3揪0反米每天，削取荒1员5荐米每天计湿算。熟对最终模尝型上估算梨不稳定因码素的影响槽，要使用幼公离式狭7谎并代入有粮效范围内胆的渗透率竖。饥图度4黄和播图拳5伤显示栋了击φ捷取阳35腾o薯T泪取筑5英—饼3倦0裹米每天时挎分别得到世的降雨量朵，分析是眼以根据以炎前出现在让盆地的四阀组降雨量熄范围划分针，结0谜—岔5鹅0役，食50替—暮10躬0清，跑100-石20爹0蝶，雨≥回200m和m/耻d辰。这些地冷图提供了约对滑坡开绣始时的水庙头关系预葱测。公泰式价7尸显示了渗更透率的增已加导致临此界降雨量织的增加。液通过比较偶图确4怪和泪5湖，很好的盏表现了当竖渗透系数戒增加时临探界降雨量飞能明显的久增加。对撇无条件稳闹定和不稳便定分类不晕受渗透系只数的影响河。在最后停的模型中袄对不稳定恨因素的更岔广泛的评浪价正在进仇行。临界蹄降雨量的仿空间模型闪显示盆地迫能根据不盗稳地的水笼头化分成荒三个不同腐的带。盆饿地最高的浩部分包括妇相应出露振的岩床，严下游是相仇应比较平情缓的中间鉴地带，相蔑反地，在丝紧挨盆地食出口的区歉域是更加邮陡峭的，消并且大多绑数区域是锣潜在地不谱稳定的。旱观察并比承较滑坡位庙置，利用刚模型提供图稳定性预丝测。用这凡种方法两寸种类型的防错误可以舞鉴别出来守（冈1天）通过模翅型预测不栗稳定点，贼但不能观悦察到活动霉痕迹。销（逼2丝）预测了洽稳定点但晶稳定斜坡叔不能被显命示出来。震第一种错床误揭示了证模型过多连的预测了占浅层滑坡虏的不稳定打。然而，膝应该也观竞察它这个招错误可能临起因于隐窜瞒那从前目某时滑动斗的区域。夹例如，差文不多六年蓝观察在研弓究区域表鞋明小的浅蜻层滑坡运贞动伤痕迅音速地愈合薪并且是难奶在只魔有花3-厘4揭年之后查待出。错误嘴的第二个捞类型表明新模型不充丽分地描述杆在哪个具该体环境设私置导致山刊崩的过程禁。不管起扯因，不管暗什么原因出，第一个冰错误的类冠型揭露一络个被解释辅为有危害唉的点在将简来极可能宜不会发生换，然而第完二个错误他是模棱两半可的，那萌要求进一索步调查。积理想的模侦型应该将济后一种可易能降到最闪低宋(Ca芹rrar庄aand师oth池ers像1995创)垫。程比较被观请察的山崩颂地点，用读模型预测作通过映射叠被观察的萌山崩和比胃较在被预暗言的重要劝降雨量地陵图，获得外在各种各暴样的临界往降雨量下蛾，积水区郊域的面积瞎和对滑坡腊区域的影尤响的分数烫（表一）优。更好的躁模型结果诵映射出，出在小范围尤的集水区盏和对应于题低临界降祝雨量的被请观察的滑绍坡区域之搅间的一个奥更大的区山别。举例架来说，表脖一报道纳在洒0糠—霸50mm液/d冒帜的临界降更雨量集水拦区励占伐39.2迎%疼。而相应灭的需要观殖察区达装到掌64.2俗%拥。这意味侦着，按预恒期的更多醒的滑坡现延象成比例浮的出现在伸被预言为浴不稳定的向区域。富(司r朋cr嘉50m兵mda克y飞–震1)江.棋仅通过在值占总面炸积辩86.4洞%染的覆盖土帝壤的区域龟使用模型推得出的结蛮果在表中铅报道出来崇了。结果待显示了预冠言了无条伤件不稳定猛的单元比近观察到的惠多（前混者位10.3悠%援，后借者饮3胡%煎）。同类喜的摩擦系隙数价值在脉整体盆地裤和在描述闪每个点的困积极作用逼的模型局良限性的使佳用，也许题导致这种苏错误的类哥型。如上件所述，得闲到这个结丽果的一个蛾部份解释限可以由最跪近产生滑膀坡的映射倡区域的局商限提供。错并且，许求多观察点详的预言为主不稳定的范实际上是役由粘于品GI朱S捏不正确地婶辨认有稀匪薄的不连萍续的土壤傍覆盖面和隆普遍出露帆岩床。模尼型在这些晨点不能正恰确地预言苹。欲山崩区域昌的找10深%市被预言是定无条件地湾稳定的。妥对这些观搞察点的分谅析表我示帆,吹合这些错误谁频繁地发岛生在忽略蹈不计的区鸡域不能被焦准确地表笑示的小浅罪山崩。而临且作,誓在土壤被俘覆盖的表典面不规则哲的岩床倾狮斜之下可瓦能导致浅格层地下水须与倾斜表枪面对失败午。这样不检稳定现象盖可能发生食模型预言柴是稳定的炉倾斜。此炮外兽,跪在模型中姥被忽略了宣的因素是盖在运输主取要向下地盯下水流的浩自然孔隙切和其它大亦孔隙。孔植隙作为含黄土水流的艺通道可以嘉决定不管罪接受到什竭么样的流耍入物的斜榆坡的流动鹅速度。孔刚隙的出现脑显示可能伏解决典型圈水文学模番型地表水郊的局限。泡但桥是狐,誉妈由于水流疏形式的不认同和不确桑定范性猪,竿筒它仍然是竭水文学模圾型难处理得的一个组涝成部份。糟在痒表护1搬中被列出懒的结果表聚明嗽,姐被考虑作眠为无条件察地不稳定贤的区域比海预期的少叮（比较盆楚地中的相尝应区域）使。相物反畏,槐临界降雨勾量解低部(0-5塔0闹症毫弱米滴/渣天鸡)活的滑坡区河域是相当折大的。这厚意味着一村方面单独秋以表面倾脏斜的现象央不能足够讲辨认滑坡愚潜在区域犹，另一方座面地形因判素在辨认祝山崩开始糊的潜在区邮域在模型梦使用中证到实是成功免的。总绞之赌,轮刺超事过汗80%稠咬被观察的岭山崩区域忍被预言是凶无条件地摇不稳定的江或在低降绒雨量下会圈滑动的，曲对于盆地静剩余部分晃这区域减转少组到而50日%色。这些结第果显堡示级,励由模型提葬供的浅层共滑坡的开臣始过程的距描述是相授当单一总的场,饰乡这样的结堵果可能被责适度地考焦虑。裤结论和展还望戴货掀在这篇论怎文中，一瞎个基于分掌散的物理丢的边坡稳度定模型，腰以前取被置Mont秒gom