基于SINMAP模型的不同降雨強度下小流域滑坡危險性分析*

劉博文，宮清華，張沐鋒,郭家忠，鐘軍偉，茍登文，賈曉強

(1.昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093；2.廣東省科學院廣州地理研究所，廣東省地理空間信息技術(shù)與應(yīng)用公共實驗室，廣東省遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用重點實驗室，廣東 廣州 510070；3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室，廣東 廣州 511458；4.西南科技大學 環(huán)境與資源學院，四川 綿陽 621000)

0 引言

群發(fā)性滑坡一般在一定區(qū)域內(nèi)大量突發(fā)，在空間和時間上具有關(guān)聯(lián)性，這種關(guān)聯(lián)在空間上既受一定的區(qū)域地質(zhì)、巖性、地貌和水文等條件影響，也與某一次災(zāi)害性氣象事件的分布(如臺風、暴雨)密切相關(guān)[1]。位于高州市的馬貴鎮(zhèn)在2010年遭臺風“凡比亞”席卷，導致全鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害3 578處，災(zāi)害總面積4.966 km2，對人民生命財產(chǎn)安全造成了嚴重影響。降雨型滑坡發(fā)生的主要原因在于持續(xù)強降雨引發(fā)地下水位上升，土壤飽和，濕度指數(shù)增加，導致其有效剪切強度降低。以往的滑坡敏感性評價主要基于滑坡發(fā)生時的最大降雨量，而在降雨量還未達到較高值時也會有淺層滑坡發(fā)生，故探究不同降雨量對滑坡敏感性的影響評價可為滑坡災(zāi)害預(yù)測的反演提供很好的幫助。

現(xiàn)有滑坡敏感性評價研究主要分為定性、定量、定性定量相結(jié)合三種分析方法。定性分析方法是專家根據(jù)經(jīng)驗對滑坡進行評判的一種主觀經(jīng)驗法，又稱為專家評估法。定量評價方法主要是通過建立滑坡穩(wěn)定性影響因子體系，運用數(shù)學或數(shù)值模擬手段分析滑坡與各影響因子之間的聯(lián)系而得出評價結(jié)果。根據(jù)不同分析手段定量評價方法又可以分為概率模型、統(tǒng)計分析模型、確定性模型等。統(tǒng)計預(yù)測方法操作簡單，易于理解，應(yīng)用廣泛，但難以描述滑坡與相關(guān)因素之間的非線性關(guān)系[2]；確定性模型往往基于對研究區(qū)詳細的地質(zhì)條件和地質(zhì)環(huán)境的分析，力學意義明確，假設(shè)條件較多，需要參數(shù)類型較多，因而對評價的反映也更好。降雨型滑坡控制因素是地下水位的變化，水文-力學模型為使用最廣泛的確定性模型。MESIINA和SCARABELLI對比了SHALSTAB模型和SINMAP模型，認為很難為SHALSTAB模型選擇適合整個區(qū)域的空間均勻分布的參數(shù)值，而SINMAP模型則可以考慮不同巖土類型及其力學特性[3]。TRIGRS模型區(qū)別于前兩者之處為考慮了瞬態(tài)降雨入滲和土體含水率的重分布[4]。

小流域單元巖土特性與水文地質(zhì)特征基本一致，對于確定性模型其物理過程和力學模型的合理性以及參數(shù)的確定性都有較好的分析基礎(chǔ)，本文選用SINMAP模型進行不同降雨強度下的滑坡敏感性評價。LAZZARI[5]利用SINMAP對意大利巴斯立卡塔中西部地區(qū)進行了滑坡敏感性評價，得到的穩(wěn)定性指數(shù)分布與滑坡統(tǒng)計比較結(jié)果表明該模型具有良好的預(yù)測能力。AKGUN等[6]等利用SINMAP對庫爾屯大壩庫區(qū)進行了滑坡敏感性評價，并運用AUC方法對生成的地圖進行了驗證，算得AUC為0.65，表明其精度是可以接受的。RABONZA等[7]基于DTM使用SINMAP軟件生成的滑坡地圖與超級臺風“海燕”造成的滑坡清單的檢測率為97.5%。武利[8]利用SINMAP模型對陜西省略陽縣區(qū)域性滑坡危險性進行了評估，并驗證了模型的準確性。高波等[9]以延安市為研究區(qū)建立了基于SINMAP模型的滑坡危險性評價模型，定量評價了不同降雨強度下滑坡區(qū)域面積的遷移與轉(zhuǎn)化規(guī)律。SINMAP模型是一種考慮入滲等外部因素的連續(xù)模型，主要強調(diào)地形因素影響下降雨匯流作用與土體飽和強度的關(guān)系。馬貴鎮(zhèn)屬低山丘陵山地地貌，馬貴河貫穿整個鎮(zhèn)轄區(qū)，崩塌、滑坡主要分布在該鎮(zhèn)境內(nèi)各水系干流及其分支兩側(cè)的山坡上[10]，因此，對馬貴鎮(zhèn)以小流域為單位采用SINMAP模型進行不同降雨條件下的滑坡危險性分析，以期為預(yù)測區(qū)域邊坡失穩(wěn)提供參考。

1 研究區(qū)概況

馬貴鎮(zhèn)位于茂名市高州北部山區(qū)，全鎮(zhèn)總面積157 km2，總?cè)丝诩s3.2萬人，總產(chǎn)值超7億元；屬亞熱帶季風氣候，受南海海洋氣候影響，處于粵西暴雨中心區(qū)，多年平均降雨量約1 700 mm，多年平均氣溫21.3～23.2 ℃；巖土體以華南典型的花崗巖及其風化物為主，厚度大、含水量高、表層拉張節(jié)理裂隙發(fā)育；地形以華南地區(qū)典型的低山高丘山地地貌為主，地形起伏度為938 m；災(zāi)害主要以暴雨型淺層滑坡、山洪、泥石流為主。馬貴河貫穿整個馬貴鎮(zhèn)，滑坡高易發(fā)區(qū)域主要分布在馬貴鎮(zhèn)深水村，該處居民點分布較廣[10]，故本文選取深水村作為典型研究區(qū)(見圖1)。

圖1 研究區(qū)位置和數(shù)字高程模型(DEM)

2 SINMAP模型理論與數(shù)據(jù)處理

SINMAP(Stability Index Mapping)模型將無限長斜坡穩(wěn)定性模型與TOPMODEL模型相結(jié)合，依托TOPMODEL模型獲取的地形濕度指數(shù)數(shù)據(jù)及DEM獲取的坡度、有效匯水面積等數(shù)據(jù)，基于GIS平臺進行定量分析，得到穩(wěn)定性分級[見式(1)]，從而實現(xiàn)對研究區(qū)的穩(wěn)定性評價。

(1)

式中，θ、a可根據(jù)DEM計算得到；r為常量，由研究區(qū)的土體密度決定；C、R/T、tanφ為可變參數(shù)，T為土體導水系數(shù)，C、tanφ表征土體抗剪強度，根據(jù)其可能取值范圍分別確定C、R/T、tanφ的上限與下限，并假定其在指定范圍內(nèi)均勻分布。

由于模型參數(shù)具有時間和空間的不確定性，因此很難確定具體數(shù)值。SINMAP模型引入了邊坡穩(wěn)定性指數(shù)(SI)的概念，并提供了一種解決參數(shù)不確定性的概率方法。SI定義為在不確定性范圍內(nèi)參數(shù)分布均勻的情況下位置穩(wěn)定的概率。

C、tanφ選最小值，R/T選最大值，代表導致斜坡失穩(wěn)的最有利情況，此時的FS最小；C、tanφ選最大值，R/T選最小值，代表保持斜坡穩(wěn)定的最有利情況，此時的FS最大。當FSmin>1時，穩(wěn)定性指數(shù)SI=FSmin，該斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；當FSmin<1、FSmax>1時，該斜坡存在失穩(wěn)的可能，SI=Prob(FS>1),01)=0。根據(jù)計算結(jié)果，對穩(wěn)定性等級進行劃分(見表1)。

表1 穩(wěn)定性等級劃分

用ArcGIS10.2對研究區(qū)進行坡度坡向和特定集水區(qū)劃分，將災(zāi)害點疊加在深水村區(qū)域上。研究區(qū)海拔在357～1 295 m，其中在400～800 m范圍內(nèi)的滑坡發(fā)生數(shù)量占比達到81%。將坡度進行分級顯示，坡度范圍在0°～64°，地勢高低起伏，其中南部沿河谷地段坡度較緩，北部地勢陡峭；對坡向進行分級顯示，可觀測到明顯的分水線、集水線；特定集水區(qū)分級顯示，得到明顯的小流域劃分。前期預(yù)處理結(jié)果如圖2-圖5所示。

圖2 災(zāi)害點分布圖

圖3 坡度圖

圖4 坡向圖

圖5 特定集水區(qū)圖

3 數(shù)據(jù)來源與參數(shù)設(shè)置

粵西地區(qū)屬低山丘陵山地地貌，為廣東三大暴雨中心之一，暴雨、臺風等強對流天氣頻發(fā)[11]，致使該地區(qū)有大量的松散沉積物堆積在中等海拔位置。研究區(qū)內(nèi)覆蓋地層為晚元古代地層，為保證工程地質(zhì)條件一致，將研究區(qū)劃分為同一校準區(qū)。在深水村分6個點采樣，通過室內(nèi)土工三軸試驗獲得試樣的物理力學參數(shù)(見表2)。

表2 SINMAP模型選取的基本參數(shù)值

根據(jù)茂名地區(qū)近50年的降雨強度數(shù)據(jù)，假定有效降雨強度R分別為50 mm/d(暴雨)、100 mm/d(大暴雨)、250 mm/d(特大暴雨)和臺風“凡比亞”當日造成的最大降雨量829.7 mm，分別計算不同降雨強度下的T/R值，以評價4個不同降雨強度下的邊坡穩(wěn)定性(見表3)。

表3 不同降雨強度下的T/R值

4 結(jié)果分析

通過前期的數(shù)據(jù)準備和分析，采用不用降雨強度下的SINMAP校準模型，得到研究區(qū)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，利用表1將研究區(qū)劃分為6個區(qū)域：極穩(wěn)定區(qū)、穩(wěn)定區(qū)、基本穩(wěn)定區(qū)、潛在不穩(wěn)定區(qū)、不穩(wěn)定區(qū)和極不穩(wěn)定區(qū)。模型淺層滑坡預(yù)測評價結(jié)果如圖6所示。

(a)暴雨

由圖6可知，隨著降雨強度的增大，不穩(wěn)定區(qū)和極不穩(wěn)定區(qū)顯著增多，且主要分布在各水系單元的兩側(cè)，這與現(xiàn)場觀測結(jié)果一致。根據(jù)模型評價結(jié)果(見表4)可知，降雨強度從50 mm/d增加至829.7 mm/d，不穩(wěn)定區(qū)域的面積占比從47.04%減少至21.11%，極不穩(wěn)定區(qū)域的面積占比從45.25%增加至72.24%，潛在不穩(wěn)定區(qū)域的面積占比在2.97%～4.03%。從每一次有效降雨強度增加的情況來看：從50 mm/d增加至100 mm/d時，極不穩(wěn)定區(qū)面積占比有3.3個百分點的增幅；從100 mm/d增加至250 mm/d時，極不穩(wěn)定區(qū)面積占比增幅達到了7.7個百分點；從250 mm/d增加至829.7 mm/d時，極不穩(wěn)定區(qū)面積占比增加了16個百分點。在SINMAP模型中極不穩(wěn)定區(qū)即表示SI=0，最能反映滑坡敏感性的失穩(wěn)態(tài)勢，可見不同降雨強度下的滑坡敏感性評價結(jié)果也不同，且成正相關(guān)。

表4 不同降雨強度下的斜坡失穩(wěn)情況

SINMAP模型會將較大的區(qū)域劃分為不穩(wěn)定或穩(wěn)定區(qū)域[12]，因此為表征不同降雨強度下的斜坡失穩(wěn)情況，選取潛在不穩(wěn)定、不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定區(qū)域進行區(qū)域面積分析。

利用ROC曲線確定滑坡敏感性模型的準確性。ROC曲線常用來評估診斷試驗的準確性，ROC曲線下的面積(AUC)包含0.5～1的值，其中AUC的值越接近1表示模型越準確，如接近0.5則表示模型準確性較差。為了將ROC方法應(yīng)用于SINMAP模型的驗證，利用從滑坡和非滑坡位置隨機選取的像素點制作具有代表性的不同數(shù)據(jù)集，從而得到SINMAP模型的ROC曲線(見圖7)。由圖7可知，AUC值為0.87，說明模型準確性較好，能較好地反映模型的預(yù)測情況。

圖7 SINMAP模型的ROC曲線

5 結(jié)論與討論

為進一步分析降雨強度影響滑坡分布的詳細特征，得到了不同降雨強度下的不同穩(wěn)定性區(qū)域面積，其占比和變化規(guī)律如圖8、圖9所示。

圖8 不同降雨強度下的邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)占比

圖9 不同降雨強度下的邊坡穩(wěn)定性區(qū)域面積分布

由圖8、圖9可知，隨著降雨強度的增大，不穩(wěn)定區(qū)域面積和比例顯著下降，極不穩(wěn)定區(qū)域的面積和比例顯著增加。根據(jù)此變化趨勢可以對該區(qū)域進行滑坡預(yù)警反演，推算預(yù)警降雨強度。

隨著降雨強度的增大，地形濕度指數(shù)增大，土體抗剪強度降低，模型結(jié)果顯示不穩(wěn)定和極不穩(wěn)定區(qū)域主要集中在流域單元的兩側(cè)，是人類活動集聚區(qū)，可能還存在人為對邊坡的破壞因素；模型預(yù)測結(jié)果顯示的研究區(qū)敏感性指數(shù)在極不穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)達到了92%，空間分布以各個流域單位的兩側(cè)為主；實際災(zāi)害點在400～800 m海拔范圍內(nèi)的分布占災(zāi)害點總數(shù)的81%；與實際災(zāi)害發(fā)生點對比發(fā)現(xiàn)，通過模型分析得到的極不穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)的分布與實際災(zāi)害點空間分布有一定偏差。模型對邊坡穩(wěn)定性的評價是基于柵格單元，與真實的滑坡范圍有一定差異，評價結(jié)果也是以每一個柵格單元顯示，而斜坡單元可能包含多個柵格單元，若上部柵格單元評價為失穩(wěn)狀態(tài)，下部柵格單元評價為穩(wěn)定狀態(tài)，就會影響該斜坡單元的穩(wěn)定性評價。

粵西地區(qū)群發(fā)性滑坡評價工作的難度還很大，要對其危險性區(qū)域進行科學劃分，不僅需要合理選擇最小單元，還需要獲取該區(qū)域翔實的土體參數(shù)等。本文采用SINMAP模型對研究區(qū)進行不同降雨強度下的斜坡穩(wěn)定性評價，該方法仍有許多需要改進之處，如：考慮滑坡深度問題、植被根系固結(jié)度對土體抗剪強度的影響、柵格單元穩(wěn)定性評價對斜坡單元失穩(wěn)判定的有效程度等。