降雨作用下流域滑坡时空预测方法

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。

主权项

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：$\mathrm{SF}=\frac{c^{\prime }+c_r+{\cos }^2\theta \tan \phi {\int }_0^z{\rho }^{\prime }\mathrm{gdz}}{\sin \theta \cos \theta {\int }_0^z\mathrm{\rho gdz}}---\left(1\right)$式中：c′、c_r分别为土的有效粘聚力和根系粘聚力，单位为kPa；θ为滑动方向，即水力坡度方向；φ为有效内摩擦角，°；ρ、ρ′分别为土壤密度和土壤有效密度，单位为kg/m³；z为土体深度；而土壤密度表示为含水量的函数，具体如下：ρ＝n_sS_wρ_w+(1-n_s)d_sρ_w      (2)其中d_s为土壤颗粒比重；n_s为土壤孔隙度；S_w为土体含水量；ρ_w为水密度；式(1)与(2)中，c′、c_r、φ、d_s和n_s由土壤特性数据给定，S_w通过InHM水文模型获得；水力坡度方向θ通过线性平均方式获得，计算公式如下：$\theta =\arctan (\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{\Delta {(\psi +h)}_i}{{\mathrm{\Delta l}}_i}/n)---\left(3\right)$式中，△(ψ+h)_i表示该点与其相连的第i节点总水头差，Δl_i表示该点与其相连的第i节点距离，n表示与该点相连的节点数；将式(2)和(3)代入式(1)可获得边坡上任意点沿深度方向的安全系数；当SF＞1，该位置是稳定的，反之则不稳定，表示存在滑坡；(4)通过可视化模块，将步骤(3)所得的数据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；(5)参数输出模块输出流域的滑坡时间、滑坡位置、滑坡体大小统计值和滑坡预测函数，以此建立不同降雨条件下流域边坡稳定性分区图。