北京2023年7月极端暴雨引发的浅层滑坡群形成与运动控制因素研究

作者及机构
本研究由同济大学土木工程学院的Hao Ma和Fawu Wang（通讯作者）合作完成，发表于Geomorphology期刊2025年第478卷。Fawu Wang同时任职于教育部同济大学岩土及地下工程重点实验室。研究获得国家自然科学基金（42230715）和中央高校基本科研业务费资助。

学术背景
在全球气候变暖背景下，极端降水事件频发，山区强降雨易诱发大规模滑坡灾害。2023年7月29日至8月2日，北京遭遇140年仪器记录以来的最强暴雨（最大累计降水量1025毫米），引发西部山区15,174处浅层滑坡，造成重大损失。研究旨在揭示此次滑坡群的空间分布规律、运动特征及控制因素，为类似区域的灾害防治提供科学依据。研究领域属于工程地质学（Engineering Geology）与地貌学（Geomorphology）交叉范畴，重点关注降雨诱发滑坡（rainfall-induced landslides）的成灾机制。

研究流程与方法
1. 滑坡编录与验证
- 数据源：基于SiweiEarth提供的0.8-2米分辨率光学卫星影像（暴雨前2.5个月及灾后1个月内），采用人工目视解译法识别滑坡，使用OvitalMap软件标注滑坡几何中心（点要素）、影响范围（面要素）和运动轨迹（线要素）。
- 分类标准：按运动模式将滑坡分为四类：无沟道滑流型（70%以上）、沟道滑流型、洪水混合滑流型（流动性最强）及纯滑动/崩塌型（不足2%）。
- 野外验证：通过2023年8月至2024年4月的三次实地调查，确认403处滑坡，验证解译精度为84%。发现95%的滑坡初始破坏模式为土岩界面平移滑动（translational sliding）或残积砾石土旋转滑动（rotational sliding），平均厚度1-3米。

1. 控制因子提取

   • 16项环境因子：包括地质（地层年代、岩性、距断层距离DTF）、地形（坡度、高程、地形湿度指数TWI等）、生态（归一化植被指数NDVI）及气象（累计降水量）数据。
     
   • 空间分析：基于ALOS 12.5米DEM和Sentinel-2影像，通过ArcGIS 10.8提取各滑坡点的因子值。

2. 统计与机器学习建模

   • 密度计算：采用高斯核密度估计法（Gaussian kernel density）量化滑坡空间聚集性，最优窗口半径2.7公里。
     
   • 相关性分析：Pearson检验显示滑坡密度与降水量（|r|<0.3）、距断层距离（DTF）相关性显著；流动性指数（H/L，即垂直落差/水平运动距离）与坡度强相关（r=0.7）。
     
   • 随机森林回归：排除高相关性变量（如地形起伏度与坡度）后，模型显示降水量（权重26.2%）和DTF（24.7%）主导滑坡分布，坡度（54.2%）控制流动性（测试集R²=0.518）。

主要结果
1. 空间分布特征
- 滑坡集中分布于门头沟区西北/东南部及昌平区西南部，最高密度达69处/km²（雁翅村附近）。
- 岩性控制：震旦系白云岩（占比最高）和二叠系砂砾岩易发滑坡，但断层邻近性（DTF公里）是集群主因。野外观察发现，断层带内岩石破碎化（块径<0.2米）显著降低抗风化能力（图13）。
- 降水阈值：300-600毫米降水区间滑坡数量最多，但最高密度区（如雁翅村）降水量反而低于300毫米，说明断层活动的影响超过降水强度。

1. 运动机制
   
   • 流体化运动：90%滑坡的H/L<0.7（等效摩擦角<35°），表现为长程流动。缓坡（<27°）更易因土壤饱和液化促进流动（图14a-d），而陡坡（>40°）滑坡因碰撞耗能减弱流动性（图14e-h）。
     
   • 规模-流动性关系：滑坡面积（20-124,000 m²）与运动距离呈幂律关系，大范围灾害多由小体积滑坡流体化扩展所致。

结论与价值
1. 科学价值
- 揭示了断层活动通过岩石破碎化间接控制滑坡集群的新机制，突破了传统降雨阈值模型的局限性。
- 提出坡度通过影响土壤液化程度调控流动性的物理模型，解释了缓坡长程滑坡的成因。

1. 应用价值
   
   • 建议北京西部山区优先监测断层带内高海拔区域，增设流动路径上的工程屏障（如拦挡坝）。
     
   • 植被覆盖（NDVI>0.7）未能有效防灾，需优化浅层土体加固技术。

研究亮点
1. 方法创新：结合高分辨率卫星影像解译与野外验证，建立迄今最完整的北京滑坡事件库（15,174处）。
2. 理论突破：首次量化断层活动对降雨型滑坡集群的控制权重（DTF贡献24.7%）。
3. 灾害预警启示：极端降水下，传统低风险缓坡区可能因流体化转变为高威胁区。

其他发现
- 道路填方滑坡占比5%（表4），提示基础设施边坡需强化排水设计。
- 历史对比显示，此次事件滑坡数量远超北京以往记录（北京市规划和自然资源委员会，2022），凸显气候变化加剧地质灾害风险。

（注：全文术语首次出现均标注英文原词，如“归一化植被指数NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）”）