专利名称：降雨作用下流域滑坡时空预测方法
技术领域：
本项目涉及一种流域尺度的滑坡时空预测方法，通过将基于物理概念的水文模型和无限边坡稳定性模型相结合，对流域范围内滑坡灾变过程进行三维时空预测，是一种将土力学、水力学与计算机数值模拟相结合的滑坡预警预报方法。
背景技术：
我国滑坡是地质灾害多发区，滑坡每年造成巨大的经济损失和人员伤亡。滑坡作为一种地质灾害，严重地危害当地居民的生产生活。滑坡的预警预报一直是工程界研究的重点之一，其分析理论越来越丰富，但由于滑坡灾害的突发特征及其在运动规律上所表现出的不确定性，有关滑坡预测方面的研究仍没有达到较高预测精度和通用性。滑坡的产生受多种自然因素以及人类活动的影响，其中降雨是诱发滑坡最重要也是最广泛的因素。降雨对滑坡的作用主要表现在，雨水的大量下渗，导致斜坡上的土石层含水量增大，地下水位线抬升，甚至在斜坡下部的隔水层上击水，从而增加了滑体的重量，降低土石层的抗剪强度。因此，如何准确地获取土石层含水量及地下水位线的时空变化，是求解滑坡体稳定性的基础。目前，滑坡的预测方法主要集中在简单边坡如道路边坡、水库边坡领域，在流域尺度边坡稳定性时空分布规律的影响相对较少。根据滑坡体稳定性计算方法的不同，滑坡预测模型主要可分为确定性模型与非确定性模型两类。确定性模型通过力学极限平衡原理来求解不同位置不同深度下稳定性系数，应用最广的如无限边坡稳定性模型；非确定性模型主要通过数理统计方法对相关参数进行分析，主要包括指标分析模型、概率统计分析预测模型以及模糊集预测模型等。根据所采用的水文模型类型的不同，滑坡预测模型可分为基于经验概念水文模型和基于物理概念水文模型两大类。基于经验概念的水文模型相对简单，发展较早，以此基础建立的滑坡预测模型已经广泛应用。相比之下，基于物理概念的水文模型模拟信息量丰富，能捕捉多种水文要素的时空变化过程，但由于求解复杂，对计算要求较高，以此基础建立的滑坡预测模型发展相对较晚。不同的滑坡体稳定计算方法与水文模型相结合，产生了多种类型的滑坡预测模型。这些模型均有各自的优缺点，如非确定性模型一般适用于特定的研究地区，很难提取与滑坡体地质、力学及其他外界条件有关的信息，不能进行很好的物理力学解释，现有的确定性模型主要缺点在于很难找到一个适合于具有多种不确定因素的复杂介质模型，其中现有的无限边坡稳定模型采用地表坡度方向作为滑坡体滑动方向，在洼地区域的滑坡稳定性计算趋于安全。传统的经验水文模型，在求解时需要对地形进行洼地填充预处理，以满足水文模型的正常产汇流以及滑坡方向等要求，在运用得当的前提下，能够提供具有相对精度的结果，适用于某些对过程细节没有要求的科学研究及工程实践。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种降雨作用下流域滑坡时空预测方法。为解决技术问题，本发明的解决方案是提供一种降雨作用下流域滑坡时空预测方法，包括以下步骤(1)根据流域的DEM地形数据及土层厚度建立三维网格，向参数输入模块输入不同位置的土壤、植被、气象数据，生成InHM水文模型所需的边界条件；(2)根据其边界条件计算流域内的水文要素时空变化，使用InHM水文模型模拟地表水二维流动和地下水三维流动(模型包括地表水二维流动模拟和地下水三维流动模拟， 两者共同影响土壤含水量的变化)、任意位置土壤含水量变化和任意位置水力坡度变化的水文要素；(3)改进的无限边坡稳定模型以水力坡度方向作为滑动面方向建立极限平衡方程，以水力坡度方向作为潜在的滑动方向，并将之用于滑坡计算模块；根据InHM水文模型生成的水文要素，使用滑坡计算模块计算流域内任意三维位置的安全系数SF ；若安全系数 SF小于1，则为潜在的滑坡位置；记录该位置的深度、时间和体积；所述任意点的安全系数SF表示为
权利要求
1.降雨作用下流域滑坡时空预测方法，包括以下步骤(1)根据流域的DEM地形数据及土层厚度建立三维网格，向参数输入模块输入不同位置的土壤、植被、气象数据，生成InHM水文模型所需的边界条件；(2)根据其边界条件计算流域内的水文要素时空变化，使用InHM水文模型模拟地表水二维流动和地下水三维流动、任意位置土壤含水量变化和任意位置水力坡度变化的水文要素；(3)无限边坡稳定模型以水力坡度方向作为滑动面方向建立极限平衡方程，以水力坡度方向作为潜在的滑动方向，并将之用于滑坡计算模块；根据InHM水文模型生成的水文要素，使用滑坡计算模块计算流域内任意三维位置的安全系数SF ；若安全系数SF小于1，则为潜在的滑坡位置；记录该位置的深度、时间和体积；所述任意点的安全系数SF表示为
2.根据权利要求1所述的降雨作用下流域滑坡时空预测方法，其特征在于，所述步骤 (1)中，建立三维网格时，DEM数据无需进行洼地处理，保留地形的原始特征。
3.根据权利要求1所述的降雨作用下流域滑坡时空预测方法，其特征在于，步骤(2) 中，使用里查兹方程描述地下水在饱和或非饱和土体及孔洞中的流动
4.根据权利要求1所述的降雨作用下流域滑坡时空预测方法，其特征在于，步骤(3) 中，对于任意地点，安全系数的计算从表层逐层计算到底层，选取安全系数最小的层位作为潜在的滑动位置。
5.根据权利要求1所述的降雨作用下流域滑坡时空预测方法，其特征在于，步骤(5) 中，还包括选择不同降雨特性下流域首次进入不稳定状态的时间以及完全恢复稳定状态的时间作为判定标准，通过指数函数拟合降雨过程中和降雨结束后流域安全系数临界曲线， 将预测区域分为无条件稳定，稳定以及不稳定区域。
全文摘要
本发明涉及流域尺度的滑坡时空预测方法，旨在提供一种降雨作用下流域滑坡时空预测方法。该方法包括使用InHM水文模型、无限边坡稳定模型、滑坡计算模块计算流域内任意三维位置的安全系数SF，并通过可视化模块拟合为指定时间流域安全系数分布图和指定时间流域滑坡深度图，并显示于显示设备；若存在滑坡，则选择显示流域滑坡时间分布图。本发明可实现对流域滑坡进行快速有效的分析和预测；克服了以往模型在复杂地形需要洼地预处理的不足，保留了自然流域地貌水文响应特性，滑坡体更接近于实际滑坡体形状，降低预测误差。同时提高了模型的精度和适用性。适用于简单边坡、复杂边坡及流域尺度的滑坡预测。
文档编号G06F19/00GK102306233SQ201110161350
公开日2012年1月4日 申请日期2011年6月15日 优先权日2011年6月15日
发明者冉启华, 苏丹阳 申请人:浙江大学