植被覆被条件下不稳定斜坡分...律探究——以大渡河流域为例_秦明月.pdf
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1、书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0628-10秦明月,郭剑,邹强 2023 植被覆被条件下不稳定斜坡分布规律探究 以大渡河流域为例J 工程地质学报,31(2):628637 doi:1013544/jcnkijeg2020667Qin Mingyue,Guo Jian,Zou Qiang 2023 Preliminary study on distribution characteristics of potentially unstable vegetated-slopes:A case study of
2、Daduiver basinJ Journal of Engineering Geology,31(2):628637 doi:1013544/jcnkijeg2020667植被覆被条件下不稳定斜坡分布规律探究 以大渡河流域为例*秦明月郭剑邹强(中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所,山地灾害与地表过程重点实验室,成都 610041,中国)(中国科学院大学,北京 100049,中国)(长安大学地质工程与测绘学院,西安 710054,中国)(中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心,北京 100101,中国)摘要近年,浅层滑坡、泥石流灾害发生在植被良好区的频率较大。一方面,植被对灾害的抑制或促
3、进作用还有待进一步深入认知;另一方面,目前灾害风险源评估方法中较少考虑植被对斜坡稳定性的影响。为探究不同植被类型对浅层斜坡的稳定性影响,本文以大渡河流域作为研究区,通过对区域坡度、坡向及植被等数据提取和坡面划分,采用有限差分数值计算方法,对区域内划分的 40 000 余个斜坡进行了稳定性计算,获取了该区域不同植被覆被条件下浅层斜坡的稳定性系数,探究在不同植被覆被条件下浅层不稳定斜坡的分布规律。结果表明随着坡度增加不同植被类型稳定斜坡数下降程度不一,总体上乔木林覆被斜坡稳定性较差,灌丛次之,草甸较好。进一步对区域内潜在浅层不稳定斜坡的植被类型和坡度进行统计分析,发现不同植被类型覆被条件下不稳定斜
4、坡的坡度分布具有正态分布特征,基于建立的 3 种不同植被类型不稳定斜坡发育概率与坡度间的函数关系,确定出不同植被类型不稳定斜坡发育概率最高的坡度区间:乔木林为 26.0 37.0,灌丛为 28.0 39.0,草甸为 31.039.0。本研究可以为流域尺度滑坡、泥石流等地质灾害的防治与规划提供依据,为良好植被区灾害风险评估中指标量化和权重确定提供数据支撑和思路参考。关键词大渡河流域;植被类型;坡度;斜坡稳定性;正态分布中图分类号:TU42;S157文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg2020667*收稿日期:20201230;修回日期:20210310基金项目:国家自然科学基
5、金 重 大 项 目(资助 号:41790432),中 国 科 学 院 战 略 性 先 导 科 技 专 项(资 助 号:XDA23090202,XDA23090303),中国科学院率先行动“百人计划”(资助号:Y92100100)This research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No 41790432),the Strategic Priority esearch Program of Chi-nese Academy of Sciences(Grant Nos XDA2309
6、0202,XDA23090303)and the CAS Pioneer Hundred Talents Program(Grant No Y92100100)第一(通讯)作者简介:秦明月(1995),女,学士,主要从事山地灾害形成机理研究工作 E-mail:qinmingyueimdeaccnPELIMINAY STUDY ON DISTIBUTION CHAACTEISTICS OF PO-TENTIALLY UNSTABLE VEGETATED-SLOPES:A CASE STUDY OF DADUIVE BASINQIN MingyueGUO JianZOU Qiang(Key Lab
7、oratory of Mountain Hazards and Earth Surface Process/Institute of Mountain Hazards and Environment,Chinese Academy of Sciences(CAS),Chengdu 610041,China)(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)(Department of Geological Engineering,Chang an University,Xi an 710054,China)(CAS
8、Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences,Chinese Academy of Sciences(CAS),Beijing 100101,China)AbstractVegetation can effectively suppress shallow landslides But landslide,debris flow and other disasters al-so occur in areas with good vegetation under special circumstances such as rai
9、nstorm Due to the numerous factorsaffecting slope stability by different vegetations,it is difficult to assess slope stability and disaster risk So there isno preferable evaluation or assessment method In view of this situation,the Dadu iver Basin is chosen as the re-search area Through the regional
10、 terrain,slope,vegetation data extraction and slope division,the numerical calcu-lation method of finite difference is adopted to calculate the stability of more than 40,000 slopes divided in the re-gion Then the factors of safety of slopes under different vegetation covers are obtained Based on veg
11、etation type,slope,it is found that different types of vegetation cover conditions of unstable slope gradient distribution have anormal slope stability of law Based on the results of all potential unstable slope s vegetation type and grade of sta-tistical analysis and distribution characteristic,we
12、set up three different vegetation types of unstable slope develop-ment function relation between probability and slope The calculation results show that as the slope increases,thenumber of stable slopes for different vegetation types decreases to different degrees In general,arbor forests coverslope
13、s have poor stability,followed by shrubs,and the meadows were better In addition,the slope range with thehighest probability of unstable slope development is different:26.037.0for arbor forest,28.039.0for shrub,and 31.039.0for meadow This study can provide a basis for the prevention and planning of
14、landslide,debrisflow and other geological disasters in the basin,and also provide more reliable data and ideas for the quantificationof indexes and determination of weights in disaster risk assessment of good vegetation areasKey wordsDadu iver Basin;Vegetation type;Slope;Slope stability;Normal distr
15、ibution0引言植被通常对坡面固体物质的运移具有一定的抑制作用。植被冠层的截留作用,对大气降雨进行重分配,时空上延缓了坡面雨水的入渗量(Toba et al,2008);植物网状根系团聚松散固体物质,有效地提高了坡面抗冲刷侵蚀能力(Lin et al,2014);植被根系通过增加土体抗剪强度(Ishak et al,2012;古丽迪娜,2019),起到加筋锚固作用,提高斜坡稳定性,降低了滑坡、泥石流等灾害发生的风险(Cui et al,2013)。然而,近年来在植被良好区频繁发生大规模泥石流、浅层滑坡等灾害。例如,2003 年 6 月 20日四川凉山州普格县大规模泥石流灾害暴发在森林植被率
16、高达 70%以上的流域内(陈晓清等,2006);2013 年7 月25 日甘肃天水市秦州区6000 余处浅层滑坡群发生在植被覆盖率高达 80%以上的坡体(刘林通,2018);2018 年 9 月 2 日,云南文山州麻栗坡县上千余处浅层滑坡泥石流灾害发生在高植被覆盖区(Yang et al,2020)。以上实例表明,深入认知植被对斜坡稳定性的正面或负面影响是全面掌握植被覆被斜坡灾害活动特征的重要基础,也是植被覆被山区灾害风险源准确评估亟需考虑的。由于植被根系深度的限制,将滑动深度2 m 且植被条件良好的坡体作为浅层斜坡稳定性研究对象(Sidle et al,2016)。而植被覆被条件下影响浅层斜
17、坡稳定性的因素众多,如土壤类型、植被类型、地形条件及水动力特征等。一些学者(Gadi et al,2018;Ni et al,2018;Switaa et al,2018;Yang et al,2018)通过对单个斜坡失稳破坏模式和临界条件分析入92631(2)秦明月等:植被覆被条件下不稳定斜坡分布规律探究 以大渡河流域为例手,采用控制变量的思想,设置在主研究因素变化、其余因素不变的条件下,探讨了不同单因素对斜坡稳定性的影响。这种单坡体、单因素的分析方法虽然能突出植被某一方面对斜坡稳定性的影响,但没有建立多因素耦合的计算方法,因此这些方法难以从流域尺度揭示植被覆被不稳定斜坡的分布规律。而区域上
18、对斜坡稳定性的规律研究多采用滑坡易发性因子分析的方法(樊芷吟等,2018;杨晨晨等,2020),这些方法主要基于数学统计方法和预测模型,缺乏考虑坡体失稳的物理力学过程,这也是区域尺度分析斜坡稳定性的一大难点。而近年,Salvaticiet al(2018)和 Strauch et al(2018)分别通过构建高分辨率边坡稳定性计算模型和基于气象水文的浅层滑坡启动模型,主要耦合了水文、土壤等因子初步获得了预测植被覆被斜坡浅层滑坡发生概率的方法。虽然以上研究结果能够为流域尺度地表灾害的预测提供支撑,但由于耦合因素较多、计算量大、缺乏植被特征参数等缺陷,难以应用到流域尺度滑坡、泥石流等山地灾害的易发
19、性快速分析与评估中(冯杭建等,2017;Sinarta et al,2017)。鉴于此,本文选取大渡河流域为研究区,综合考虑土壤、坡度、植被等因子,通过将植被自重、根系加筋等物理作用考虑到植被覆被浅层斜坡稳定性数值计算中。在获得流域内所有浅层斜坡稳定性系数的基础上,进一步探究区内不稳定斜坡的分布规律,最终建立不同植被覆被条件下不稳定浅层斜坡发育概率与坡度间的函数关系,为流域内植被覆被斜坡稳定性评价与灾害风险评估提供新的研究思路和数据参考。1研究区概况大渡河流域处于四川盆地和川西高原过渡地带,总体地势为西北高、东南低,地形陡峻,海拔相差较大,如图 1a,其中最高峰为贡嘎山主峰(7556 m),最
20、低为大渡河出口(461 m)(吴俊峰,2013)。区内新构造运动活跃,地质构造复杂,主要位于松潘褶皱系和扬子准地台,区内岩性变化复杂,地层自震旦系到第四系均有出露。滑坡、泥石流等山地灾害广泛发育、活动频繁,是我国山地灾害最严重的地区之一。据不完全统计,区内共发生不同类型和规模的山地灾害 1000 余处(丁俊等,2007),存在的地质灾害隐患点 2000 多处(巴仁基等,2011)。区内气候、生态、水文环境分异明显,干热河谷图 1(a)大渡河流域高程及水系分布图;(b)大渡河流域植被区划Fig 1(a)DEM elevation and water system distributionmap
21、of Dadu iver Basin;(b)Vegetation zoning mapof Dadu iver Basin与干湿河谷气候交汇,水系发达,植被类型丰富(成文东,2019)。从图 1b 中可以看出,区内植被分布呈现明显的水平和垂直地带性,流域植被类型随海拔变化主要可分为阔叶林、针阔混交林、针叶林、灌丛、草地等。区内植被类型的多样性与灾害的频发性高度重合,是研究植被覆被浅层斜坡稳定性规律的典型流域。2研究方法本文将植被对浅层坡体稳定性的影响主要考虑在地表以上的自重荷载及地下根系的加筋作用两方面,将植被类型主要分为乔木林、灌丛及草甸 3 大类。首先通过对区内地质地形与植被等数据提取,结
22、合坡面划分结果,采用有限差分的数值计算方法,对区域内划分的 40 000 余个斜坡进行了稳定性计算,获得该区域不同植被覆被条件下浅层斜坡的稳定性系数,进而采用 Jarque-Bera(JB)检验方法,探究在流域尺度不同植被覆被条件下潜在浅层不稳定斜坡分布规律。总体研究思路流程如图 2 所示,关键步骤主要包括斜坡单元划分、坡体数值模型构建、计算参数赋值等。2.1斜坡单元划分基于分辨率为 12.5 m 的 DEM 数据,通过 Arc-GIS 软件获取了研究区坡度和坡向地形因子;然后利用坡向数据进行坡体划分与合并,同时结合坡度数据进行辅助划分;在此基础上,利用 ArcGIS 消除036Journal
23、 of Engineering Geology工程地质学报2023图 2斜坡稳定性计算流程图Fig 2Flow chart of slope stability calculation工具进行分割后处理,融合得到斜坡单元数据中的细小碎斑,最终将研究区大渡河流域划分为 43 397个斜坡单元。2.2计算模型建立基于提取的斜坡地形数据构建数值计算模型尺寸,并通过加长坡顶及坡脚的长度,减少边界效应对计算结果的影响(张鲁渝等,2003;郑颖人等,2004)。研究区浅层滑坡实例表明,植被覆被斜坡的含根系土层厚度一般小于 2 m,其下为强风化土体与基岩,因此将斜坡计算模型分为基岩层、纯土层及含根系土层。根
24、据 Yan et al(2020)所获取的中国堆积层空间分布图,对区域内所有坡体的堆积层厚度进行提取。再根据大渡河流域植被分布图,并结合野外调查对区域植被根系深度(包含 95%根量)即根系土层厚度进行取值。由于计算中单个坡体的尺度较小,而目前可获得的区域堆积层厚度分布数据和植被类型数据的精度无法满足,因此对同一个坡体的堆积层厚度和根系土层厚度分别进行了均值化处理,同一个坡体分别采用了统一的堆积层厚度和根系土层厚度。纯土层的厚度则由堆积层厚度减去根系土层厚度计算获得。为了满足各层对稳定性计算精度的要求,根系土层与纯土层的单元网格尺寸设置为 0.20.5 m,基岩层单元网格尺寸设置为 12 m,并
25、对不同岩土体层进行参数赋值。模型计算时,初始应力场按自重应力场考虑,边界条件统一采用位移控制,采用 Mohr-Coulomb 破坏准则进行稳定性计算。为简化区域内坡体稳定性计算模型,本文中假设滑面位于地下水位之上,不考虑地下水位和土体饱水性对斜坡稳定性的影响。坡体模型示意图如图 3。图 3模型建立及单元划分示意图Fig 3Schematic diagram of model establishmentand unit division2.3计算参数赋值植被地上自重荷载与地下根系土层强度是数值计算模型中重要的两类参数。野外实地调查发现草甸与矮小灌丛施加在斜坡上的自重荷载对浅层坡体的稳定性影响较小
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