第27卷第12期岩石力学与工程学报V ol.27 No.12 2008年12月Chine Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec.，2008基于GIS区域边坡失稳灾害预测与评价
王纯祥1，蒋宇静1，谢谟文2，江崎哲郎3
(1. 长崎大学工学部，日本长崎 852–8521；2. 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；
3. 九州大学工学部，日本福冈 819–0395)
摘要：滑坡和泥石流是边坡失稳后两种主要的运动方式，是山区重大的地质灾害。对既往滑坡和泥石流进行研究，以此作为基础来预测和评价本地区潜在的滑坡和泥石流灾害，是防灾减灾的一个重要措施。大多数泥石流是在强降雨的情况下，由滑坡滑入山谷河道而形成的。基于地理信息系统(GIS)和数值模型相结合的方法，采用两步骤方法预测和评价日本熊本县水俣市宝川区集地区的滑坡和泥石流灾害。首先分析该区域可能存在的新滑坡，然后假定这些滑坡在遇到强降雨时形成泥石流，利用数值模拟流动过程分析其在三维复杂地形下的泛滥过程，预测可能受害的房屋和路段。
关键词：边坡工程；滑坡；泥石流；地理信息系统(GIS)；数值模型；灾害；评价
中图分类号：P 642.22 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)12–2449–06
PREDICTION AND ASSESSMENT OF REGIONAL SLOPE-FAILURE
HAZARD BASED ON GIS
WANG Chunxiang1，JIANG Yujing1，XIE Mowen2，ESAKI Tetsuro3
(1. Faculty of Engineering，Nagasaki University，Nagasaki852–8521，Japan；2. School of Civil and Environment Engineering，
University of Science and Technology Beijing，Beijing100083，China；3. Faculty of Engineering，Kyushu University，
Fukuoka819–0395，Japan)
Abstract：Landslides and debris flows，the main types of movements when slope failures occur，are sources of vere geohazards in mountainous regions throughout the world. Area-scale landslide and debris flow hazard prediction and asssment are hot topics in the rearch of geohazards. The study of the mechanism and properties of historical landslide is a valuable reference for prediction and asssment of the future landslide hazard in adjacent or geotechnically similar area and is also uful for hazards mitigation. Most debris flows originally occur in the form of rainfall-induced landslides before they move into a valley channel. Bad on the coupling of geograp
hic information system(GIS) and numerical model，a two-step method is adopted to predict and asss the disasters of landslide and debris flow in Atsumari area，Minamata City，Kumamoto Prefecture，Japan. Firstly，the potential new landslides are predicted. Then，it is suppod that landslide will transform into debris flow when meeting heavy rainfall；using GIS-bad numerical simulation model of debris flow，the inundated area across three-dimensional terrain is simulated；and the potentially affected homes，streams and road ctions are predicted. Key words：slope engineering；landslide；debris flow；geographic information system(GIS)；numerical model；hazards；asssment
收稿日期：2008–05–20；修回日期：2008–08–28
作者简介：王纯祥(1972–)，男，博士，1997年毕业于山东科技大学土木建筑学院，主要从事岩土工程及GIS应用与开发方面的研究工作。E-mail：
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1 引 言
边坡失稳后岩土体的运动方式主要有3种：滑动(滑坡)、流动(降雨条件下形成泥石流)与滚动(滚石、落
石)。滑坡和泥石流是山区严重的自然灾害，在世界各地每年都造成大量的人员伤亡和重大的财产损失。而且随着经济的发展和城市化的扩大，以及全球温暖化引起气候的变化，特别是每年降雨量的增加，这些自然灾害呈每年增加的趋势。因此，在易于产生滑坡的地区，对滑坡灾害的预测和评估是防灾和减灾的一个重要措施，也是近年来一个热门的研究课题[1
～11]
。
在研究分析较大范围山岭区域内的滑坡灾害时，对已发生的滑坡破坏机制及灾害分析的研究可用于对本区域滑坡灾害再发可能性的分析[12]。作为区域滑坡灾害预测和评价研究的基础，根据J. N. Hutchinson 等[7
，10]
的研究，本文给出了以下假定：
(1) 滑坡总是发生在具有相同地质、地貌、水文地质、气候条件下的区域。
(2) 滑坡产生的诱发条件相同。降雨和地震是诱发滑坡的两个主要条件，本文主要考虑降雨因素。
(3) 滑坡的运动方式相同。大多数泥石流是在强降雨的情况下，洪水冲击滑坡土石体形成泥石流，即运动方式为：边坡失稳→滑坡体滑动→土石体和雨水混合物的高速流动(泥石流)。
基于以上假定，本文给出了基于GIS 的区域边坡失稳灾害预测和评价的两步骤方法，即首先给出了研究区域内可能存在的滑坡，然后假定在降雨的情况下，洪水冲击滑坡土石体形成泥石流，利用数值模拟结果，可以得到其泛滥范围、可能受害的房屋和路段等(见图1)。
图1 区域边坡失稳灾害预测和评价步骤
Fig.1 Approaches for prediction and asssment of regional
slope-failure hazard
2 区域滑坡泥石流灾害预测方法
2.1 边坡失稳后土石体的运动方式
边坡失稳后土石体的运动方式受岩土体材料物理特性、水文地质条件、降雨条件和地形条件等控制，主要有滑动和流动两种方式。图2所示为发生在美国加利福尼亚州La Conchita 的滑坡，山腰的路段和山脚下的许多房屋受到了破坏，这是一典型的滑动运动模式。图3是发生在日本熊本县水俣市宝
图2 边坡失稳后典型的滑动运动方式(照片来自USGS) Fig.2 Landslide ：a typical movement of slope failure(photo is
provided by USGS)
图3 发生在2003年水俣市宝川区集地区降雨诱发滑坡形
成的泥石流(照片来自亚洲航测公司) Fig.3 Debris-flow triggered by landslide and rainfall in Atsumari
area ，Minamata city ，Kumamoto Prefecture ，Japan in 2003(photo is provided by Asia Air Survey Co.，Ltd.，Japan)
步骤1
既往滑坡
力学物理 参数
基于GIS 的三维边
坡稳定分析[14，
15]
降雨
步骤2
基于GIS 的二维泥
石流数值模拟[13，
14]既往泥石流 流变参数 可能受害的房屋、路段等
第27卷第12期王纯祥，等. 基于GIS区域边坡失稳灾害预测与评价 • 2451 •
川区集地区的泥石流灾害，造成15人死亡和14座房屋破坏的大灾难。由此可见，运动方式不一样，造成的灾害的范围和大小也不一样。一般来说，由降雨诱发滑坡形成的泥石流造成的灾害比滑动造成的危害要大得多。
2.2 基于GIS的区域滑坡灾害评价方法
区域滑坡灾害预测评价是滑坡灾害研究领域重点和热点问题之一。它应当能够回答如下几个问题：
(1) 边坡失稳将在什么位置发生，规模如何；
(2) 滑坡的移动距离，受灾范围如何；
(3) 受灾范围内可能受害的房屋、路段等如何。
通过回答以上问题，可以得到该地区完整的防灾图，以便在边坡失稳诱发因素(强降雨、地震等)情况下，为地质工作者和决策者提供分析决策支持。
地理信息系统(GIS)由于有良好的数据结构功能、强大的数据处理能力、空间分析能力以及WebGIS功能，近年来在滑坡灾害分析评价中得到广泛的应用。J. Chacón等[11]参考了660篇GIS在滑坡灾害应用的文献，总结了GIS在滑坡普查、滑坡敏感性分析、滑坡灾害分析和滑坡风险分析中的应用。这里利用GIS和三维极限平衡分析相结合的方法对区域滑坡灾害作出评价。具体的方法是首先将较大的研究区域划分成若干边坡单元，在每一边坡单元内，利用基于GIS修订的三维Hovland模型，滑动面形状假定为椭球体的下半部，椭球体的3个轴参数采用Monte Carlo随机方法来搜索最小安全系数下的关键滑动面，详细的方法参考相关研究[13，14]。
2.3 基于数值模拟的流动灾害分析
谢谟文等[12]在分析评价泥石流的泛滥范围时，是根据一既往泥石流的范围得出影响范围的宽度和山
谷溪流倾斜角的正切值的函数式关系来分析潜在泥石流产生的灾害的，这种方法存在一定的不足。因为不同的山谷溪流函数式的系数可能不同，而求此方法无法给出泥石流的动态流动过程、堆积深度等。这里采用一种基于GIS的泥石流二维数值模拟方法来分析其沿着三维地形的动态泛滥过程和灾害产生过程。
由降雨诱发滑坡形成的泥石流是由雨水、不同大小的土石块组成的混合物。它通常突然爆发，来势凶猛，比滑坡等灾害破坏力更为强大。为了模拟泥石流的流动过程，可假定其遵循连续不可压缩非定常流体流动行为，利用浅水运动原理积分得到二维数值方程[15]，其中连续方程为
h M N
t x y
∂∂∂
++=
∂∂∂
(1)
运动方程为
()()
M M u M v H
gh
t x y x
αα
∂∂∂∂
++=−+
∂∂∂∂
22
22
cos tan
x
M M
gh
x y
υβθϕ
⎛⎞
∂∂
+−
⎜⎟
∂∂
⎝⎠
(2)
()()
N Nu N v H
gh
t x y y
αα
∂∂∂∂
++=−+
∂∂∂∂
22
22
cos tan
y
N N
gh
x y
υβθϕ
⎛⎞
∂∂
+−
⎜⎟
∂∂
⎝⎠
(3) 式中：h为泥石流的深度；M u h
=；N v h
=；u，
v分别为x，y方向的平均流速；α为速度补正系数，对于泥石流α= 1.25；H为地面高程与泥石流深度之和；υ为运动黏性系数，υ=/
µρ，µ为黏度，ρ为泥石流的平均密度；β为垂直正应力和水平正应力之
比；
x
θ，
y
θ分别为泥石流运动时在某点x，y方向的倾角；tanϕ为动摩擦因数；g为重力加速度；t为时间。
由于GIS的栅格(raster)数据可以作为有限差分法的网格，因此式(1)～(3)可用有限差分法来求解。
3 实例分析
3.1 研究区域概况和可能存在的滑坡
2003年7月19～20日，日本熊本县水俣市连续2 d的大暴雨，引起了许多滑坡和泥石流，其中发生在宝川区集地区的泥石流是最大的、破坏力最为严重的一个(见图3)。这次泥石流是由高度为10～15 m的滑坡失稳后，与雨水共同作用沿山谷溪流形成巨大的泥石流，袭击了下游约1.5 km的集村，造成了15人死亡、14栋房屋遭到破坏的大灾难。该滑坡的发生与该地区的地质条件和降雨密切相关。现场调查表明，该区域的地质条件是：基岩为互层状砂岩和页岩(An–5)，为不透水层；上覆凝灰角砾岩和安山岩溶岩(An–7)，风化严重，透水性极好。
为了防止该地区类似灾难的再发生，对该区域的滑坡和泥石流灾害的预测和评价是十分必要的。研究范围为水俣市宝川区集地区3.0 km×2.7 km的区域(见图4)。该区域的地质情况如图5所示。由于该地区的气候条件和水文地质条件相同，滑坡容易
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图4 研究区域 Fig.4 Study area
图5 岩性分布图
Fig.5 Lithological map in study area
发生在An –7和An –5的交界处。根据节2.2的研究方法，得到该区域可能存在的滑坡如图6所示。
图6 可能存在的滑坡
Fig.6 Distribution of potential landslides
3.2 区域泥石流灾害图
根据2003年7月发生在该地区的泥石流，利用节2.3的基于GIS 的二维数值模拟模型和作者[16]的成果，
对泥石流的流变参数进行了反计算，模拟过程如图7所示，流变参数如表1所示。基于本文节1中假定可知，该区域发生滑坡和泥石流的灾害类型是相同的，即可能产生的泥石流是降雨诱发滑坡形
成的。在研究区域内，有5个山谷，对每一山谷内选择一个可能的滑坡来模拟泥石流产生的灾害，共5个案例滑坡，如图6中1～5所示，其中案例1是2003年7月实际发生的滑坡案例。利用表1的流变参数和基于GIS 的二维数值模拟模型，对可能发生滑坡的案例2～5进行了模拟，得到了相应的动态流动过程，如图8～11所示。流动时间和流动距离如表2所示。根据这些泥石流的泛滥过程，可以表示出受灾害的范围、房屋和路段，如图12所示。
(a) 30 s (b) 90 s
(c) 180 s (d) 220 s
图7 2003年7月泥石流动态数值模拟
Fig.7 Dynamic simulation for debris flow occuring in July 2003
表1 流变参数
Table 1 Rheological parameters
ρ /(kg ·m －
3)
α β µ/(Pa ·s) g /(m ·s －2)
tan ϕ 2 200
1.25
1.0
0.11 9.8
0.6
2003年滑坡
可能存在的滑坡河流 道路
N
2
3
4 5
1
0.00 0.25 0.50 km
N
0.00 0.25 0.50 km
An –7
An –5
2003年滑坡
2003年滑坡
房屋 河流 道路
N
第27卷 第12期 王纯祥，等. 基于GIS 区域边坡失稳灾害预测与评价 • 2453 •
(a) 30 s (b) 70 s
(c) 120 s (d) 160 s
图8 案例2的数值模拟
Fig.8 Numerical simulation for ca 2
(a) 30 s (b) 80 s
(c) 120 s (d) 180 s
图9 案例3的数值模拟
Fig.9 Numerical simulation for ca 3
(a) 30 s (b) 100 s
图10 案例4的数值模拟 Fig.10 Numerical simulation for ca 4
(a) 30 s (b) 100 s
图11 案例5的数值模拟 Fig.11 Numerical simulation for ca 5
表2 可能发生滑坡的案例2～5的模拟结果 Table 2 Simulation results for cas 2–5 with potential
landslides
案例编号
时间/s
流动距离/m
平均速度/(m ·s －
1)
2 160 1 100 6.9
3 180 1 300
7.2 4 100 700
7.0
5 50 400 8.0
图12 区域灾害图
Fig.12 Hazard map with distribution of hous ，rivers and roads
N
0.00 0.25 0.50 km N
N
N
0.00 0.25 0.50 km 0.00 0.25 0.50 km
0.00 0.25 0.50
km
0.00 0.25 0.50 km 0.00 0.25 0.50 km
N
N
N
N
N
N
0.00 0.25 0.50 km
0.00 0.25 0.50 km
0.00 0.25 0.50 km
0.00 0.25 0.50
km
0.00 0.25 0.50 km
0.00 0.25 0.50 km
N
0.00 0.25 0.50 km
N
N
2003年泥石流
2
3
4
5
2003年受灾房屋
可能受灾房屋 道路 河流
