宮清華，黃光慶

(1．中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣東廣州510640;2．廣州地理研究所，廣東廣州510070;3．中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100049)

地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警是目前我國(guó)采用最多的宏觀尺度的區(qū)域預(yù)警方式，一般是以行政區(qū)域?yàn)榛締卧M(jìn)行預(yù)警［1-3］，這種預(yù)警方式無(wú)法反映災(zāi)害的形成機(jī)理，同時(shí)也無(wú)法滿(mǎn)足精細(xì)化預(yù)警的精度要求。不同以往以行政單元或者柵格單元為預(yù)警單元的傳統(tǒng)，本文從滑坡災(zāi)害的成災(zāi)機(jī)理入手研究，將具有滑坡災(zāi)變特征的斜坡單元作為預(yù)警單元，并將洪水、人類(lèi)工活動(dòng)等因素引入到預(yù)警模型中，建立氣象-地形-水文-人文-地質(zhì)耦合的滑坡預(yù)警模型，彌補(bǔ)傳統(tǒng)山洪地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中缺乏洪水和人類(lèi)工程活動(dòng)要素的考慮的不足，使得災(zāi)害預(yù)警更符合實(shí)際和有效。

1 預(yù)警空間單元的選擇

滑坡是邊坡巖土體在降雨、人文活動(dòng)等觸發(fā)因素的作用下，受斜坡地形、地質(zhì)等內(nèi)部因素的影響，發(fā)生變形破壞失穩(wěn)的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，斜坡單元是基本保證單元內(nèi)部屬性一致的最小尺度，同時(shí)，斜坡單元內(nèi)部無(wú)河溝等沖蝕，容易累積松散堆積物和地下水，是容易發(fā)生滑動(dòng)的區(qū)域。鑒于此，本文選用斜坡單元作為預(yù)警單元。以1∶1萬(wàn)地形圖生成的DEM為斜坡單元?jiǎng)澐值幕A(chǔ)，采用源頭切割法，以山脊線(xiàn)及溝谷線(xiàn)為邊界，在GIS平臺(tái)上，經(jīng)執(zhí)行斜坡單元?jiǎng)澐殖淌綄?shí)現(xiàn)斜坡單元?jiǎng)澐?，劃分結(jié)果如圖1所示。

2 氣象－地形－水文－地質(zhì)－人文耦合預(yù)警模型

2.1 氣象－水文－地質(zhì)耦合關(guān)系

在研究氣象-地形-水文的耦合關(guān)系中，我們發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)飽和因子w將氣象-水文關(guān)系和水文 -地質(zhì)關(guān)系關(guān)聯(lián)起來(lái)，形成基于飽和因子(w)的氣象 -水文 -地質(zhì)耦合模型［4］。我們研究滑坡災(zāi)害的預(yù)警模型最終的落腳點(diǎn)是研究引發(fā)滑坡災(zāi)害的水文臨界點(diǎn)，假設(shè)斜坡處于極限平衡狀態(tài)，即穩(wěn)定系數(shù)Fs=1，此時(shí)將反映氣象降水量和水文飽和情況的飽和因子之間的關(guān)系式和反映飽和情況與斜坡穩(wěn)定性之間關(guān)系的進(jìn)行聯(lián)立，即得到降水量和穩(wěn)定性之間的關(guān)系式，即氣象 -水文 -地質(zhì)之間的耦合關(guān)系，計(jì)算過(guò)程參見(jiàn)參考文獻(xiàn)［4］。

式中:q為臨界降雨量(mm);C′為有效粘聚力(kPa);φ為內(nèi)摩擦角;θ為滑面傾角;a為比集水面積(m2);T為導(dǎo)水系數(shù)(m/d);γ為土體容重(kN/m3)。

圖1 研究區(qū)斜坡單元?jiǎng)澐?/p>

2.2 氣象 －水文 －地質(zhì) －人文耦合關(guān)系

在對(duì)研究區(qū)的進(jìn)一步調(diào)查研究中，我們發(fā)現(xiàn)山洪和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)滑坡災(zāi)害也有不可忽略的影響作用。它們影響的根本是改變了地貌形態(tài)和地下水循環(huán)，從而影響斜坡穩(wěn)定性。人類(lèi)活動(dòng)對(duì)斜坡的影響目前尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本文通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)和實(shí)地的綜合研究，假設(shè)人類(lèi)活動(dòng)和山洪沖刷作用最強(qiáng)時(shí)，斜坡的穩(wěn)定系數(shù)降低50%。也就是說(shuō)天然狀態(tài)下，斜坡穩(wěn)定性系數(shù)為0．5，受人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)烈影響，斜坡處于臨界狀態(tài)。以此類(lèi)推。

式中:R為人類(lèi)活動(dòng)定量化指數(shù)歸一化值;H為山洪因子歸一化值。此時(shí)，斜坡處于極限平衡狀態(tài)，由式(1)和式(2)推出臨界降雨量為:

3 模型計(jì)算

3.1 模型參數(shù)的設(shè)置

模型中的地形參數(shù)坡度(θ)和比集水面積(a)，利用DEM，通過(guò)GIS空間分析功能運(yùn)算獲得。因地質(zhì)參數(shù)的大小主要取決于巖性類(lèi)別，因此我們按照巖性類(lèi)型將研究區(qū)分成三種地質(zhì)區(qū)如圖2所示，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地質(zhì)參數(shù)的反算工作。根據(jù)查閱歷史文獻(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查實(shí)驗(yàn)［5-10］，確定了各地質(zhì)區(qū)的平均地質(zhì)參數(shù)如表1所示。其中土壤容重(γ)和內(nèi)摩擦角(φ)在每個(gè)地質(zhì)區(qū)內(nèi)基本穩(wěn)定，因此，直接采納各個(gè)分區(qū)的平均值。導(dǎo)水系數(shù)(T)、粘聚力(C)、人類(lèi)活動(dòng)定量化指數(shù)(R)、山洪影響程度(H)四個(gè)值通過(guò)GIS和相關(guān)的研究結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和反推。

表1 各地質(zhì)區(qū)地質(zhì)參數(shù)

圖2 小流域地質(zhì)分區(qū)圖

3．1．1 導(dǎo)水系數(shù)T

從上文知滑坡土體的導(dǎo)水系數(shù)T=Kh=KZcosθ，K的取值如表1所示。前人的研究發(fā)現(xiàn)土層厚度和坡度具有較高的相關(guān)性［11］，為求得松崗河小流域的土層厚度分布情況，進(jìn)行了土壤深度的野外量測(cè)工作，主要的量測(cè)項(xiàng)目為土層厚度和地表坡度，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)松崗河小流域地區(qū)坡度和土層厚度之間的關(guān)系進(jìn)行回歸模擬得到y(tǒng)=-2．864ln(x)+10．719。根據(jù)單元平均坡度值可反推土層厚度分布，進(jìn)而獲得導(dǎo)水系數(shù)分布，如圖3、圖4所示。

圖3 斜坡單元土層平均厚度分布圖

圖4 斜坡單元的導(dǎo)水系數(shù)分布圖

3．1．2 土壤有效粘聚力C′

土壤的有效粘聚力是土壤粘聚力與植物根系粘聚力的組合［12］，因此本研究根據(jù)植被覆蓋的情況，結(jié)合幾個(gè)地質(zhì)分區(qū)的土壤類(lèi)型及粘聚力數(shù)值分布情況，運(yùn)算土壤的有效粘聚力。以植被指數(shù)推算有效粘聚力的方式確定有效粘聚力的運(yùn)算:

式中:C′為有效粘聚力;Cmax為最大有效粘聚力;NDVI為植被指數(shù)。式中Cmax通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料和野外調(diào)查獲得表1，NDVI通過(guò)遙感圖像反演計(jì)算獲得。最后經(jīng)過(guò)GIS的地圖代數(shù)功能運(yùn)算每個(gè)斜坡單元的土壤有效粘聚力如圖5所示。

圖5 斜坡單元有效粘聚力分布圖

3．1．3 人類(lèi)工程活動(dòng)定量化指數(shù)R

由于人類(lèi)活動(dòng)包羅萬(wàn)象，需要從中選擇一些重要的活動(dòng)作為衡量人類(lèi)活動(dòng)的指標(biāo)。對(duì)于不同的問(wèn)題，選擇的指標(biāo)不同。鑒于松崗河小流域以農(nóng)業(yè)為主體經(jīng)濟(jì)，人類(lèi)活動(dòng)主要包括開(kāi)墾種植、修筑房屋和道路幾個(gè)方面，因此，選取墾植指數(shù)、建筑強(qiáng)度、道路密度幾個(gè)指標(biāo)分別衡量人類(lèi)開(kāi)墾強(qiáng)度、人類(lèi)工程活動(dòng)和道路切割程度，構(gòu)建了區(qū)域人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;然后，采用層次分析法獲取各指標(biāo)的權(quán)重;最后，利用加權(quán)法將各指標(biāo)綜合獲取區(qū)域人類(lèi)活動(dòng)定量化指數(shù)［13］。篇幅限制，本文不贅述。

3．1．4 山洪因子H

洪水誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害除了具有一般山地災(zāi)害的基本特征外，其特殊性在于水位上漲使得滑坡賦存的水文地質(zhì)環(huán)境發(fā)生了變化。水巖作用導(dǎo)致巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低，對(duì)滲透穩(wěn)定性的影響等。本文運(yùn)用斜坡單元內(nèi)山洪影響范圍占斜坡單元的面積比作為山洪因子。通過(guò)ARCGIS分析平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)。

3.2 評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果

首先，在ARCGIS平臺(tái)下，對(duì)研究區(qū)內(nèi)的斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到如圖6所示的研究區(qū)滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃圖。對(duì)于概率不穩(wěn)定區(qū)，運(yùn)用公式(3)構(gòu)建氣象-地形-水文-地質(zhì)-人文多要素耦合模型，并按照上文的模型參數(shù)設(shè)置，計(jì)算每一個(gè)斜坡單元的臨界降雨量值，結(jié)果如圖7所示。將每個(gè)單元的臨界降雨量值與實(shí)際雨量對(duì)比，即可得到在特定降雨量條件下的斜坡穩(wěn)定性情況，以達(dá)到預(yù)警目的。

圖6 研究區(qū)滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃圖

圖7 研究區(qū)邊坡臨界降雨量值

4 模型驗(yàn)證

由于滑坡災(zāi)害發(fā)生的隨機(jī)性和研究的基礎(chǔ)相對(duì)較為薄弱，目前還沒(méi)有形成較為完善的災(zāi)情記錄體系，小流域地區(qū)缺乏長(zhǎng)期的野外監(jiān)測(cè)資料，因此預(yù)警模型的驗(yàn)證工作缺乏充足數(shù)據(jù)支撐，本文試圖通過(guò)歷史資料對(duì)模型進(jìn)行點(diǎn)狀驗(yàn)證。

根據(jù)現(xiàn)有的歷史資料［5，14］，在研究區(qū)內(nèi)有 3 個(gè)記錄的災(zāi)害點(diǎn)，其中2個(gè)災(zāi)害點(diǎn)是位于不穩(wěn)定區(qū)(圖7);第3個(gè)災(zāi)害點(diǎn)是位于概率不穩(wěn)定區(qū)，根據(jù)歷史記錄，2000年4月30日，在梅州市梅縣瑤上鎮(zhèn)白葉村發(fā)生滑坡(第3個(gè)災(zāi)害點(diǎn))，對(duì)照廣東省氣象數(shù)據(jù)，該日梅州地區(qū)24 h降雨量為43．3 mm，而模型運(yùn)算的該滑坡點(diǎn)的臨界降雨量值為44．14 mm。以上可以說(shuō)明模型的結(jié)果較為理想。

5 結(jié)論

(1)滑坡災(zāi)變預(yù)警的基本工作是確定預(yù)警單元，預(yù)警單元的確定要考慮滑坡的成災(zāi)機(jī)理，考慮模型計(jì)算過(guò)程等等，傳統(tǒng)預(yù)警模型中以柵格單元和行政單元作為基本的預(yù)警單元，這兩種劃分方法雖能簡(jiǎn)單快速的實(shí)現(xiàn)預(yù)警模型計(jì)算，但是卻不能科學(xué)的反應(yīng)成災(zāi)機(jī)理。本文將斜坡單元引入預(yù)警模型，這種預(yù)警單元即能反應(yīng)滑坡災(zāi)變的成災(zāi)規(guī)律，又能方便快速地實(shí)現(xiàn)預(yù)警運(yùn)算。

(2)由于滑坡災(zāi)害不僅僅是大氣降水誘發(fā)的，還與地質(zhì)條件和水文條件息息相關(guān)，本文基于滑坡災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理建立了氣象-地形-水文-地質(zhì)-人文耦合的預(yù)警模型。并根據(jù)歷史資料對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明模型運(yùn)算效果較為理想。

(3)本文的不足之處是模型在幾種假設(shè)條件的基礎(chǔ)上完成的，假設(shè)條件與實(shí)際情況有一定出入，對(duì)模型的驗(yàn)證部分因缺少長(zhǎng)期的野外監(jiān)測(cè)資料而無(wú)法系統(tǒng)完成，只能根據(jù)歷史資料做了幾點(diǎn)驗(yàn)證，這些將在下一步工作中將深入研究。

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