巴西累西腓大都市区滑坡易感性与土壤水动力学的联合分析研究

作者及机构
本研究由Cristiane Ribeiro de Melo（巴西地质调查局Recife分部）、Paulo Abadie Guedes（伯南布哥联邦理工学院）、Samuel França Amorim（伯南布哥联邦大学）、Fellipe Henrique Borba Alves（伯南布哥气候与水管理局）和José Almir Cirilo（伯南布哥联邦大学Agreste校区）合作完成，发表于国际岩土与环境工程期刊 Soils and Rocks 2021年第44卷第2期（DOI: 10.28927/SR.2021.051420）。

学术背景

研究领域与动机
该研究属于地质灾害防治与岩土工程交叉领域，聚焦于热带城市边坡失稳机制。巴西累西腓大都会区的Barreiras组地层因松散砂黏土沉积结构、强降雨及人类活动干预，长期面临浅层滑坡风险。传统研究多依赖单一模型评估滑坡易发性，而本研究创新性地结合了滑坡空间易感性模型（SINMAP）与土壤水动力学模型（HYDRUS-1D），旨在通过多模型协同分析提升滑坡预警精度。

科学问题
1. Barreiras组地层滑坡的触发机制与降雨阈值关系；
2. 人类活动（如植被破坏、边坡开挖）对滑坡敏感性的放大效应；
3. 开源工具在资源有限地区的灾害管理适用性。

研究方法与流程

1. 研究区域与数据采集

研究对象
选择累西腓大都会区的Lagoa Encantada社区（面积6 km²），该区域75%的历史滑坡事件发生于Barreiras组地层，且2013–2017年记录65次滑坡。

数据来源
- 地形数据：1米分辨率激光雷达（LiDAR）数字高程模型（DEM）；
- 土壤参数：通过手动螺旋钻取样（5个钻孔，深度3.7–8.9米），按USCS（Unified Soil Classification System）分类为黏土质砂（SC）；
- 水文数据：当地气象站48小时最大降雨记录（120.59 mm）；
- 历史滑坡点：75个验证点来自累西腓民防局（CODECIR）。

2. 模型构建与模拟

（1）SINMAP滑坡易感性分析

输入参数
- 土壤物理特性：密度2,670 kg/m³、内摩擦角29°–36.1°、黏聚力0–8.88 kPa；
- 水文参数：透射率（Transmissivity）0.1526 m²/h；
- 降雨情景：
- 情景1：低降雨期（月累计20.31 mm）；
- 情景2：极端降雨（48小时120.59 mm）。

模型运行
通过稳定性指数（Stability Index, SI）划分6类风险区域（SI为不稳定），计算覆盖面积0.614 km²（22.4%区域因DEM精度限制未计算）。

（2）HYDRUS-1D土壤水动力学模拟

模型设置
- 土壤分层：0–12 cm为砂质黏壤土（Sandy Clay Loam），13–200 cm为壤质砂土（Loamy Sand）；
- 模拟周期：2014年1–9月（包含真实滑坡事件日）；
- 边界条件：忽略地下水影响，采用van Genuchten水力模型。

关键输出
- 累计渗透量（Infiltration Volume）与降雨关系；
- 滑坡触发阈值分析。

主要结果

1. 滑坡易感性变化

• 情景1（低降雨）：55%滑坡点位于不稳定区（SI）；
  
• 情景2（极端降雨）：不稳定区扩大71%，77%滑坡点落入高风险区（图4）。
  
• 地形影响：滑坡点集中分布于坡度20°–44°区域（图5），证实地形是独立于降雨的关键触发因子。
  

2. 土壤水渗透规律

• 真实滑坡事件（2014年）：滑坡当日累计降雨>100 mm时，渗透量达70%（表6）；
  
• 情景2模拟：48小时极端降雨下，累计渗透80.1 cm（占降雨量75%），与真实事件数据吻合（图7）。
  

3. 模型协同验证

• SINMAP的“无数据”区域（22.4%）受DEM分辨率限制，但高精度DEM仍无法完全消除此问题；
  
• HYDRUS-1D因忽略边坡坡度，可能高估渗透量，但其累积渗透阈值（82.9±4.3 cm）可作为预警指标。
  

结论与价值

科学意义
1. 首次在Barreiras组地层实现滑坡易感性与水文过程的联合建模，揭示了累积渗透量是比瞬时降雨更可靠的预警参数；
2. 验证了开源工具（SINMAP+HYDRUS-1D）在资源受限地区的适用性，为类似地区提供低成本分析框架。

应用价值
- 地方政府可基于SI阈值（如SI<1.25）划定高风险区，优先实施加固工程；
- 建议结合实时渗透监测数据优化预警系统。

研究亮点

1. 方法创新：首次将SINMAP的空间易感性分析与HYDRUS-1D的时间序列渗透模拟结合，弥补了单一模型的局限性；
   
2. 数据开放性：全部采用公开数据与开源软件，推动研究成果在发展中国家推广；
   
3. 工程启示：指出植被根系对边坡稳定性的双刃剑效应（部分树种可能加剧渗透）。
   

局限性与展望
- 未考虑生活污水下渗对土壤强度的弱化作用；
- 未来需扩展至多土壤类型区域的模型验证。

（全文约2,200字）