滑坡預(yù)測的水文-力學耦合模型研究.pdf

1、降雨觸發(fā)的滑坡是頻繁發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，對人類的生命和財產(chǎn)構(gòu)成嚴重威脅。由于降雨觸發(fā)的滑坡及其影響因素具有時空分布的特點，傳統(tǒng)的對單個邊坡的穩(wěn)定性分析和滑坡預(yù)測方法由于費用高，技術(shù)復雜，遠遠不能滿足區(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)庫和計算機技術(shù)飛速發(fā)展，運用現(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，考慮降雨引起的地下水位波動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，具有重要的學術(shù)意義和應(yīng)用價值。 總結(jié)前人基于GIS對滑坡災(zāi)害的研究方法和成果，同時查閱滑坡災(zāi)害文獻資料和對日本滑坡實例進行分析，歸納出降雨引起滑坡的影響因素及邊坡破壞機理，構(gòu)建小流域滑坡預(yù)測的水文-力學耦合模型：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)的極限平衡方法計算邊坡安全系數(shù)；在計算過程中實現(xiàn)地下

3、水模擬與邊坡安全系數(shù)計算的耦合，預(yù)測滑坡的發(fā)生。 運用水文-力學耦合模型預(yù)測滑坡，首先要對研究的小流域進行邊坡單元劃分和研究范圍進行空間離散。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)的存儲格式，水文分析和地形分析算法。擴展現(xiàn)有的GIS水文分析和三維建模功能，實現(xiàn)基于柵格數(shù)據(jù)的邊坡單元自動劃分和有限差分網(wǎng)格的自動生成。 SHE及其改進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機制，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)學表達簡潔等特點，被廣泛用于邊坡穩(wěn)定性分析。但在GIS中運用三維

5、極限平衡方法進行滑坡研究還不多。本文考慮隨時間過程降雨入滲引起的地下水位波動和土壤含水量變化，采用三維極限平衡方法，建立基于DEM的邊坡力學模型，計算邊坡安全系數(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-力學耦合模型計算過程中信息交互進行描述，并對其實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，如建立壤中流、地下水流非穩(wěn)態(tài)流動的數(shù)學模型，推導其有限差分方程和求解過程，水文-力學耦合模型滑坡預(yù)測的算法。在以上研究的基礎(chǔ)上，對水文-力學耦合