滑坡預(yù)測的水文-力學(xué)耦合模型研究.pdf

1、降雨觸發(fā)的滑坡是頻繁發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，對人類的生命和財(cái)產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。由于降雨觸發(fā)的滑坡及其影響因素具有時(shí)空分布的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的對單個(gè)邊坡的穩(wěn)定性分析和滑坡預(yù)測方法由于費(fèi)用高，技術(shù)復(fù)雜，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足區(qū)域滑坡災(zāi)害研究的需要。近年來，隨著地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)對區(qū)域的滑坡災(zāi)害制圖和預(yù)測成為可能。以GIS為技術(shù)平臺(tái)，考慮降雨引起的地下水位波動(dòng)和土壤含水量增加對邊坡穩(wěn)定性的影響，構(gòu)建小流域滑坡預(yù)測的

2、水文-力學(xué)耦合模型，預(yù)測降雨觸發(fā)下滑坡的發(fā)生，具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。 總結(jié)前人基于GIS對滑坡災(zāi)害的研究方法和成果，同時(shí)查閱滑坡災(zāi)害文獻(xiàn)資料和對日本滑坡實(shí)例進(jìn)行分析，歸納出降雨引起滑坡的影響因素及邊坡破壞機(jī)理，構(gòu)建小流域滑坡預(yù)測的水文-力學(xué)耦合模型：采用有限差分算法，基于物理的小流域滑坡分布式水文模型模擬地下水位波動(dòng)和土壤含水量的變化；以邊坡單元為研究對象，基于柵格數(shù)據(jù)的極限平衡方法計(jì)算邊坡安全系數(shù)；在計(jì)算過程中實(shí)現(xiàn)地下

3、水模擬與邊坡安全系數(shù)計(jì)算的耦合，預(yù)測滑坡的發(fā)生。 運(yùn)用水文-力學(xué)耦合模型預(yù)測滑坡，首先要對研究的小流域進(jìn)行邊坡單元?jiǎng)澐趾脱芯糠秶M(jìn)行空間離散。以柵格數(shù)據(jù)的數(shù)字高程模型(DEM)為基礎(chǔ)，研究DEM對空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式，水文分析和地形分析算法。擴(kuò)展現(xiàn)有的GIS水文分析和三維建模功能，實(shí)現(xiàn)基于柵格數(shù)據(jù)的邊坡單元自動(dòng)劃分和有限差分網(wǎng)格的自動(dòng)生成。 SHE及其改進(jìn)模型是基于物理的分布式流域水文模型，能夠模擬植被、地形、地質(zhì)等因素的

4、空間變化對流域降雨-徑流影響，此類模型具有明確物理學(xué)機(jī)制，能夠適用于不同流域。本文借鑒SHE模型的思想，建立小流域滑坡水文模型，用來模擬地下水位波動(dòng)和土壤含水量的變化。小流域在水平方向上由正方形柵格組成，垂直方向上簡化為樹冠、非飽和層和飽和層三層結(jié)構(gòu)。非飽和層土壤水流用一維Richards微分方程描述，飽和層水流用三維滲流微分方程描述。 極限平衡方法具有概念清晰，數(shù)學(xué)表達(dá)簡潔等特點(diǎn)，被廣泛用于邊坡穩(wěn)定性分析。但在GIS中運(yùn)用三維

5、極限平衡方法進(jìn)行滑坡研究還不多。本文考慮隨時(shí)間過程降雨入滲引起的地下水位波動(dòng)和土壤含水量變化，采用三維極限平衡方法，建立基于DEM的邊坡力學(xué)模型，計(jì)算邊坡安全系數(shù)，分析邊坡的穩(wěn)定性和預(yù)測滑坡的發(fā)生。 對滑坡預(yù)測的水文-力學(xué)耦合模型計(jì)算過程中信息交互進(jìn)行描述，并對其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，如建立壤中流、地下水流非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)其有限差分方程和求解過程，水文-力學(xué)耦合模型滑坡預(yù)測的算法。在以上研究的基礎(chǔ)上，對水文-力學(xué)耦合