基于LSTM＿TCN模型的降雨型滑坡时间概率预测及气象预警建模

如果滑坡发生时间信息不完备则会导致滑坡与降雨时序关系错误,以至于降雨阈值模型精度偏低。以重庆市万州区1995-2015年所发生的降雨型滑坡为研究对象,将区内严重缺失历史滑坡时间信息的恒合乡作为验证区,提出了一种基于长短时记忆网络(LSTM)融合时域卷积网络(TCN)的模型方法。该方法通过模拟降雨型滑坡发生时间与降雨量间的非线性关系,重建降雨型滑坡事件在某日发生的时间概率。将重建时间信息后的滑坡事件进行了验证与筛选,应用于累积有效降雨量-降雨历时曲线的合理划分,构建了滑坡气象预警模型。结果表明,本方法所预测滑坡时间概率平均值达到90.33%,高于人工神经网络(ANN)(71.17%)、LSTM(72.75%)和TCN(86.91%)的概率。利用预测概率高于90%的滑坡,将验证区18个时间信息扩充至201个。基于扩充时间信息后的滑坡数据所构建的气象预警模型比仅利用历史滑坡事件具有更合理的预警分级,在严重警告级别上有效预警率提升了42.86%。结果说明该方法可弥补野外调查中灾害数据时间信息不足的问题,为降雨型滑坡气象预警工作提供数据支撑,由此提高气象预警准确率。     

湖北省黄冈市降雨型滑坡气象预警判据

黄冈市是湖北省汛期地质灾害频发区之一, 地质灾害类型以滑坡为主, 其中75%为降雨型滑坡。通过统计分析黄冈市近10年滑坡与降雨的相关关系, 在考虑黄冈市地质灾害易发性分区基础上, 研究黄冈市降雨型滑坡的降雨阈值, 利用逻辑回归模型建立滑坡发生的概率预测模型, 再针对不同等级易发区提出对应的气象预警判据。最后以历史降雨及其滑坡事件检验预警判据的合理性与可信度。结果表明, 所建立的气象预警判据在时间尺度上由以往依托气象部门的中长期预警精细到了24 h的短临预警, 在空间尺度上确定了不同等级易发区的降雨型滑坡气象预警判据。预警准确率大幅提升, 显著提高了黄冈市降雨型滑坡气象预警精度, 可为临灾转移提供精细化的技术指导, 有效降低降雨型滑坡灾害带来的生命财产损失。      

台风-非台风降雨型滑坡的多时段临界雨量值预测模型

统计确定临界降雨量是滑坡早期预警常用的方法。东南沿海地区台风暴雨不同于一般降雨, 常引发滑坡灾害, 从而威胁沿海地区人民生命财产安全。为了建立台风和非台风降雨型滑坡临界降雨量预测模型, 以浙江丽水市为例, 基于2010-2020年台风暴雨、非台风降雨诱发滑坡与降雨量的统计, 构建了丽水市滑坡发生概率和有效降雨量的关系, 提出了多时长临界降雨量预测模型, 并开展了台风和非台风降雨型滑坡预测模型结果的对比分析。结果表明, 非台风降雨与台风暴雨之间雨型和雨量差异是导致丽水市内2类降雨滑坡预测模型差异的主要原因; 以多时长预测模型确定的临界雨量值法和有效降雨天数更加符合丽水市降雨型滑坡的预测预报, 且预测精度相比于传统相关性分析法更高。研究成果对于开发区域降雨型滑坡预测模型具有理论意义, 对我国东南沿海地区汛期滑坡早期预警具有重要实际意义。      

四川省滑坡灾害气象预警模型建立与验证

四川省滑坡灾害严重,特别是2008年之后,灾情显著加剧,如何预防滑坡灾害是保护人民生命财产安全的有效途径。滑坡灾害的预警模型研究是滑坡灾害预防领域的核心课题。本文对四川省滑坡灾害危险性进行了评价,并开展了滑坡灾害气象风险预警模型研究。①以确定性系数的方法量化坡度、地形起伏度、水文地质岩性、植被覆盖度、地震烈度和年均降雨量因子,建立逻辑回归模型,定量地进行四川省滑坡灾害危险性区划,并对结果进行验证。结果表明,四川省滑坡灾害高危险性区域成“Y”字型分布,此外川中、川东北地区滑坡灾害危险性也非常高,这与四川省滑坡灾害的空间分布情况相符。②在前期滑坡灾害与降雨量统计分析、滑坡灾害危险性评价的基础上,以滑坡灾害危险性评价为静态因子,日降雨量数据为动态因子,通过逻辑回归模型的结果,确定以当日降雨量概率化值、滑坡灾害危险性值、前一日降雨概率化值、前两日降雨概率化值、前三日降雨概率化值为临灾模型影响因子,各因子对预警结果影响程度按上述顺序递减,建立了地质-气象耦合的临灾气象预警模型。通过检验区数据对模型的检验表明,该预警模型能成功预警80%以上的滑坡灾害;通过滑坡灾害群发个例检验发现,该预警模型与四川省现用模型相比,预警区域明显减小,空报率和漏报率显著降低。     

基于WebGIS云南滑坡灾害气象预警分析模型

针对云南主要由降雨引起的滑坡地质灾害现象,对云南近8年来的滑坡灾害数据和降雨量数据进行了分析,研究并设计了一种针对滑坡地质灾害发生的时空耦合预警分析模型。并在此基础上,通过与WebGIS技术的耦合,运用新一代的RIA技术Silverlight,基于MapGIS IGServer平台,在异步响应的网络中使用流程化的操作方式构建出云南省地质灾害气象预警系统。通过实例检验表明该滑坡地质灾害气象预警分析模型的应用,能够为相关部门提供更精确、及时的减灾防灾对策。     

基于有效降雨阈值的澧源镇滑坡灾害危险性分析

以湖南省澧源镇为例,利用证据权模型和灰色关联度模型分别计算了坡度、地层岩性、斜坡形态、土地利用类型、人类工程活动5个因子二级状态证据权值和一级因子权重;综合2种模型确定全区滑坡易发性指数后,完成基于斜坡单元的全区滑坡易发性区划;根据研究区岩土体类型（碎屑岩类、碳酸盐岩夹碎屑岩类、碳酸盐岩类和松散岩土体类）分组研究不同滑坡发生概率下的有效降雨阈值曲线（I-D曲线）。研究降雨时间为3日、有效强度为22.4 mm/d的降雨工况下各岩土体类型滑坡发生的时间概率。综合时间概率和易发性结果得到澧源镇基于有效降雨阈值的滑坡灾害危险性区划图。研究结果表明:澧源镇滑坡灾害高和极高易发区占研究区总面积的25%,主要沿澧河分布;极高危险区和高危险区占研究区总面积的14%,主要分布在澧河北侧。      

降雨型黄土滑坡预警研究现状综述

黄土滑坡是一类典型的地质灾害,但目前并没有针对这类滑坡的区域性预警模型。介绍了黄土滑坡的分类和滑带特征研究现状,讨论了降雨型滑坡的两类预警模型:降雨型滑坡临界雨量模型,包括区域统计概率预警和临界雨量阈值预警;物理预警模型,主要为通过建立力学稳定性分析和降雨入渗模型耦合得到的预警模型。分析了降雨或地下水作用下土体含水量变化对滑坡稳定性的影响研究和黄土滑坡的预警研究现状,最后根据前人研究现状讨论了现有预警模型的特点并提出了未来降雨型黄土滑坡预警可能的发展方向。      

新铺下二台滑坡变形机制及中长期预报模型

以奉节新铺下二台滑坡为例, 基于GPS位移监测数据、裂缝数据、降雨量及库水位等多源数据, 总结分析了大型古滑坡的复活规律, 引入滑坡中长期预报模型, 实现了以季度或月份为时间单位的跨水文年滑坡位移预测, 并通过岩土体蠕变压缩模型, 验证了推移式滑坡后缘裂缝形成机理。结果表明: ①降雨是下二台滑坡变形的主导因素, 滑坡变形使得滑体产生裂缝并成为降雨入渗通道, 加剧了岩体破碎与软弱层软化, 降低了滑坡稳定性, 集中持续降雨可使滑坡失稳破坏; ②通过模型预测值与地表监测数据的比较, 将年降雨量作为滑坡中长期预报模型中的主控因素具有实际可操作性且有助于提高滑坡中长预报精度; ③推移式滑坡后缘裂缝由滑坡推移式位移和岩土体压缩形成, 引入蠕变压缩模型计算的裂缝宽度并和监测数据的比较说明, 蠕变压缩模型非常适合该类边坡, 同时应用岩土体蠕变压缩模型反推得到岩土体平均变形模量, 判断岩体破碎程度, 可以为滑坡稳定性分析及后续工程治理提供参考。      

风振影响下乔木坡地暴雨型浅层滑坡演化机制

强对流或台风等极端天气下乔木坡地发生浅层滑坡灾害往往是暴雨和强风共同作用的结果。以皖南山区一处暴雨型浅层滑坡——畈章组滑坡为例, 通过现场调查和气象资料的分析表明, 除暴雨外风荷载也有可能促进滑坡的启动。为揭示该滑坡启动与破坏后这一完整运动过程的演化机制, 首先基于无限斜坡模型分析了实际降雨条件下的滑坡稳定性, 然后对取自于滑坡体内乔木根系周围和滑动面附近的两种土样利用DPRI型环剪仪, 分别开展了不排水循环剪切试验和自然排水残余剪切试验。结果表明: ①降雨入渗引起滑动面孔隙水压力的上升, 并导致稳定性的降低是畈章组滑坡启动的直接原因; ②乔木根系周围的饱和土在风振作用产生的动剪切荷载下易形成高的超孔隙水压力, 并导致浅表层的局部失稳滑动, 增加了畈章组滑坡整体破坏的可能性; ③滑动面土体的残余强度具有强烈的"正速率效应", 从而控制了畈章组滑坡启动后不会表现出高速远程的运动特征, 与现场调查结论一致。研究结果可以为暴雨协同风振作用下富乔木坡地浅层滑坡的预警预报研究提供参考。      

三峡库区麻柳林滑坡变形特征及演化模拟

在库水位波动和降雨作用的共同影响下，库岸滑坡的变形规律往往更为复杂。以三峡库区麻柳林滑坡为例，基于野外调查、钻探编录、深部位移监测以及数值模拟等手段，分析了库水位波动和降雨作用下滑坡变形特征及演化规律。结果表明:麻柳林滑坡在粉质黏土层和块石层交界处发育一个次级滑带，目前该滑坡主要沿次级滑带运动，导致次级滑动的原因与坡体物质的差异性有关；S_i(S_f)指标分析法揭示滑坡的滑带还未完全破坏，滑坡仍处于蠕变状态；根据三峡水库水位调度规律，将一个完整水文年划分为6个阶段，数值模拟结果表明滑坡在库水位缓慢下降阶段变形速率较小、在快速下降阶段和低水位阶段变形速率持续增大、在快速上升阶段和缓慢上升阶段以及高水位阶段变形速率则保持平稳。其中，降雨的直接影响和降雨导致库水位波动进而对滑坡变形造成的间接影响，使得麻柳林滑坡在低水位阶段的变形显著增加、稳定性最差，应加强该时段内滑坡的监测和预警。      

气候变化情景下广东省降雨诱发型滑坡灾害潜在分布及预测

降雨诱发型滑坡灾害导致了人居环境的破坏并带来巨大的经济损失,尤其是在经济高度发达的粤港澳大湾区城市群。因此,急需有关降雨诱发型滑坡灾害分布的影响因素以及未来气候变化情景下潜在分布的研究。本文从气候变化角度出发,基于最大熵（MaxEnt）模型,结合气候、地形、地表覆盖等数据,揭示不同影响因素对当前气候环境下广东省滑坡空间分布的作用,进而阐述了未来气候情景下滑坡的潜在分布。结果表明：① 影响滑坡灾害空间分布的主要因子为最湿季度降雨量、7月降雨量、海拔和4月降雨量;② 当最湿季度降雨量处于593~742 mm、7月降雨量处于139~223 mm、海拔处于81~397 m和4月降雨量处于154~186 mm之间时,滑坡灾害较易发生;③ 受到气候变化的影响,当前密集分布于粤东地区的滑坡灾害高风险区的潜在分布范围和危害性总体呈现扩大趋势。本研究的结果可以为国土空间规划及城市群灾害预防提供科学依据。     

降雨引发地质灾害的预报工作亟待规范

“地质灾害气象预报预警”和“地质灾害气象风险预警”内涵不清,以致人们可能被误导,认为通过气象（降雨）就可以预报滑坡、泥石流等地质灾害。 引发滑坡、泥石流的降雨量与地层岩性、断裂构造、地形地貌、植被土壤等地质环境因素密切相关,这些因素在空间上是变化的,在一个降雨区域的不同地方,降雨引发滑坡、泥石流的概率不同。     

降雨对滑坡的影响与基于ANSYS的滑坡数值模拟研究

分析了四川理县一处山体滑坡2014-08～2015-08的监测数据。结果表明,滑坡处于缓慢发生中,滑移的主要方向指向山体旁的学校;1 a中3个监测点在该方向上的累积位移量分别为180 mm、262 mm和448 mm。分析降雨量资料发现,降雨对山体滑坡有延迟的影响。利用ANSYS软件对滑坡发生的过程进行数值模拟,并计算监测点的位移,结果与实际观测情况吻合较好,得到降雨量与弹性模量、密度、粘聚力、内摩擦角之间的关系。该数值模拟实验提供了一种预测滑坡的新方法。     

降雨促发黄土滑坡的启动机制模拟

黄土滑坡和降雨关系尤为密切。为深入研究降雨入渗对滑坡的促发作用,在对陕西西安地区“9·17”灞桥滑坡现场勘察的基础上,利用数值模拟方法系统研究了黄土边坡在降雨入渗条件下土体相关物理力学指标的变化响应特征及时空分布规律;从滑动面安全系数变化的角度分析了边坡的失稳过程,并揭示了该类滑坡的启动机制。结果表明：(1)降雨入渗首先引起坡面土体的基质吸力逐渐降低,而且不同分布位置的降幅不同;(2)滑坡启动前,坡体的高体积含水量范围随降雨明显扩大,且体积含水量表现出从古土壤层向邻近黄土层递减的规律;(3)边坡的水平方向位移自坡面中部向坡体的上下部呈放射状递减特征,垂直方向位移由上至下逐渐减小,而临界滑动面的安全系数也随降雨入渗过程逐步递减;(4)节理处土体的孔隙水压力和体积含水量的变化响应时间及幅度都早于且强于坡体其他区域,坡体内最大剪应变的区域分布与坡面基本平行,模拟结果与原型滑坡一致;(5)基于黄土独特的水敏性、地质构造和人类工程活动等诱因的影响,加上节理裂隙为水的入渗和运移提供了优势通道,降雨加速了黄土潜蚀和坡体结构破坏过程,改变了边坡内部应力场、位移场和水文地质条件,进而促发了滑坡。     

基于坡表变形分析与降雨响应模拟的立节北山滑坡运动特征

速度倒数法(INV)是基于坡表变形特征的滑坡启滑预测工具, 其与滑坡内部多物理场演化的关系仍需进一步明晰。开展了甘肃省舟曲县立节北山滑坡的勘察与坡表变形监测, 采用基于速度倒数法、速度阈值法、以非饱和土理论为基础的边坡降雨响应模拟3种方法, 对该滑坡的运动特征与失稳的内在机制展开了研究。研究结果表明: 边坡变形速度倒数-时间曲线有明显的加速起始点。速度倒数在2021年6月3日达到最低值后, 进入约60 d的平稳期, 在9月20日突然加速, 并在20 d内速度达到200 mm/d以上, 变形不再收敛。基于速度倒数法得到的滑坡生命周期结束点, 与实际的失稳点相差8 d, 提前约130 d对该突发性滑坡进行了预报。根据全过程速度时程曲线, 存在20, 60, 100 mm/d的多级速度阈值。边坡应力场、变形场、渗流场的数值模拟结果显示, 变形时程曲线的拐点与降雨强度的增加相关, 累计降雨量与安全系数呈指数负相关。数值模拟得到的累计变形为2 250 mm, 变形速度为10~35 mm/d, 速度倒数为0.03~0.12 d/mm, 与实际监测数据接近。综上所述, 速度倒数法对立节北山滑坡的生命周期进行了有效预测, 基于速度的预警阈值受长时序变形时程曲线波动的影响, 采用以非饱和土理论为基础的数值模拟明晰了立节北山滑坡变形对降雨的响应机制。      

顾及降雨及库水位因素的滑坡时滞分析与预测——以三峡库区新铺滑坡为例

降雨及库水位涨落是引起库岸滑坡形变失稳的主要诱发因素,但滑坡位移速率对此类诱发因素的响应具有一定的滞后性,影响人类对滑坡所处运动状态的判断与预测。针对常规预测模型中未考虑时滞效应的问题,利用三峡库区新铺滑坡的GNSS位移监测数据、奉节气象站降雨数据以及三峡库区库水位涨落数据,通过对监测区内9个GNSS监测点的位移速率序列与降雨量、库水位高程序列进行时滞互相关分析,确定时滞参数,进而应用多变量灰色系统理论方法,建立了时滞GM(1,3)预测模型,并对滑坡位移速率进行预测验证。结果表明:三峡库区新铺滑坡位移速率与降雨量显著相关,对降雨量的响应滞后时间约为5 d,滑体中后部受降雨影响比前缘更明显;位移速率与库水位高程高度相关,对三峡库区库水位涨落的响应滞后时间约为31 d,滑坡前缘受库水位涨落影响更明显,且离长江越近,滞后时间越短;利用加入时滞参数的时滞GM(1,3)模型进行预测,模型拟合优度达到0.702,相比GM(1,1)模型和未顾及时滞因素的GM(1,3)模型,预测精度分别提升了53.8%和58.3%,平均绝对误差百分比分别降低了7.19%和7.47%,在滑坡位移速率预测及库岸滑坡防灾减灾领域具有一定的工程应用价值。     

降雨与开挖作用下黄土滑坡失稳过程分析: 以关中地区长武县杨厂村老庙滑坡为例

降雨入渗和人工开挖是诱发黄土滑坡的重要因素, 为了研究在这2种诱因作用下关中地区黄土滑坡失稳过程及其对稳定性的影响, 以陕西省长武县杨厂村老庙滑坡为研究对象, 通过现场调查、地质测绘和钻孔勘探, 查明了该滑坡变形特征, 定性分析了滑坡变形演变过程; 基于滑坡变形前15 d内日降雨量实测值, 采用有限元软件, 对坡脚开挖后连续降雨作用下滑坡形成过程进行了仿真模拟; 基于强度折减法对该滑坡稳定性变化规律进行了研究。结果表明: ①关中地区特殊的地层结构是滑坡变形的内因, 降雨是最主要的诱发因素; ②滑坡失稳演化过程表现为: 坡体处于蠕滑状态, 坡脚开挖后, 坡体前缘失稳, 牵引中后缘坡体向下错动而产生张拉裂缝, 在降雨作用下, 雨水沿裂缝渗入坡体深部, 滑坡中部岩土体浸水后抗剪强度降低, 从而导致黄土层与红黏土层接触面饱水形成贯通滑带, 诱发深层滑坡; ③滑坡开挖后较初始状态, 稳定性系数降幅为0.102, 此后受连续降雨影响, 稳定性系数在前10 d以平均0.010/d的速率缓慢下降, 第10~13 d以0.034/d的速率快速下降至最低, 第13 d以后开始回升。研究结果可以为该类滑坡防治提供有效依据。      

基于降雨强度-历时评价边坡稳定性——以安徽省3个边坡为例

为了探究降雨条件对边坡稳定性的影响,确定降雨阈值曲线,利用FLAC^2D 7.0数值模拟软件对安徽省3个小型边坡进行饱和-非饱和渗流及稳定性分析,获取了边坡安全系数随降雨强度和历时的变化趋势。边坡监测位置处孔隙水压力与饱和度的变化结果显示：降雨对边坡的影响是有限的,降雨历时越长,极限降雨强度越小并趋于稳定,边坡趋于饱和,此时安全系数达到最小值,后续降雨对边坡安全系数影响很小;为确保安全,假设临界安全系数为1.15,对应降雨强度为临界降雨强度,降雨历时越长,临界降雨强度越小并趋于稳定,3个边坡临界降雨强度趋于稳定时分别为13、12和16 mm·d^-1,对应的降雨历时分别为5、9和12 d,表明前期降雨对边坡稳定性影响很大。利用这3个边坡的临界降雨强度数据进行降雨阈值曲线拟合,并以435组安徽省2008～2022年历史灾害降雨数据验证该降雨阈值曲线。结果表明：95%以上的灾害数据点可以被该降雨阈值曲线预测。     

降雨模式对震后泥石流起动模式影响的试验研究: 以九寨天堂沟为例

降雨过程中降雨强度的变化会影响土体渗透率及饱和过程, 从而改变土体的力学性质, 影响泥石流起动模式及破坏规模。为探究不同降雨模式对震后泥石流起动机制的影响, 自制了小比例模型槽, 结合可控雨型的降雨模拟系统, 进行了人工降雨诱发泥石流的室内模型试验; 基于不同降雨模式下泥石流的起动过程分析, 对坡体内部含水率和孔隙水压力的变化规律进行了研究。研究结果表明: 递增型降雨模式下泥石流发生突然, 呈整体滑坡转化为泥石流起动模式, 坡体破坏规模最大; 递减型降雨模式下表现为后退式溃散失稳起动模式; 均匀型降雨模式下则表现为溯源侵蚀起动模式; 中峰型降雨模式下以局部滑坡转化为泥石流起动模式; Ⅴ型降雨模式下则由坡面侵蚀加剧转化为泥石流启动模式, 破坏规模最小。研究结果可以为九寨沟地区泥石流的预报预警提供参考。      

浙江省玄武岩台地稳定性评价:以嵊州市地雅园滑坡为例

玄武岩台地型滑坡是一种特殊的滑坡类型，此前对其稳定性的研究较少。以嵊州市地雅园滑坡为研究对象，采用三维数值模拟的方法进行了稳定性分析评价，首先基于详细的地质资料采用三维模拟软件进行了建模；然后基于P-Ⅲ型分布曲线确定了降雨重现期，分别采用岩土软件MIDAS进行了滑坡稳定性模拟与三维运动模拟平台DAN3D软件进行了滑坡影响范围计算；最后对影响地雅园滑坡稳定性的因子进行了敏感性分析。结果表明:不同降雨强度对地雅园滑坡稳定性的影响不同，最不利工况为百年一遇降雨工况，此时滑坡稳定性系数为0.946，破坏概率为65.25%，影响范围最大增加了36.83%；内摩擦角和降雨是影响地雅园滑坡稳定性的主要因子。分析原因认为玄武岩台地型滑坡稳定性主要与硅藻土滑带、节理裂隙面的发育情况、降雨入渗滞后性有明显的相关性。本研究成果可为同类滑坡稳定性评价提供参考依据。