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主作者及机构、发表期刊和时间
本研究由郭子正(Zizheng Guo)、Joaquin Vicente Ferrer、Marcel Hürlimann 等人共同完成,主要作者分别来自河北工业大学土木与交通工程学院、加泰罗尼亚理工大学地质技术工程与地球科学系、中国地质大学工程学院等机构。该研究发表于《Geoscience Frontiers》期刊(影响因子较高),出版时间为2023年。
研究背景
本研究属于地质灾害与环境变化交叉领域,重点关注气候变化和土地覆盖变化(LULC)对滑坡活动的影响。滑坡是一种常见的地质灾害,尤其在山区和季风气候区域,其发生频率和强度受到降雨模式、植被覆盖以及人类活动的显著影响。尽管已有研究表明气候变化和土地覆盖变化会对滑坡活动产生重要影响,但量化这些影响并评估其综合效应仍然是一个开放性问题。特别是在亚洲地区,针对未来气候变化和土地覆盖变化对滑坡易发性影响的研究较为有限。
本研究的主要目的是通过分析未来气候变化和土地覆盖变化对浅层滑坡易发性的影响,探索两种因素的单独及综合效应。具体目标包括:(1) 分析历史降雨模式并预测未来降雨变化;(2) 确定未来土地覆盖变化情景;(3) 在不同未来情景下量化区域滑坡易发性。研究选取了中国西南部万州区作为研究区域,这是首次在亚洲范围内系统评估气候变化和土地覆盖变化对滑坡易发性影响的研究之一。
研究方法与流程
本研究的总体工作流程分为四个主要部分:(1) 降雨分析;(2) 滑坡易发性建模参数校准;(3) 预测未来气候变化和土地覆盖变化;(4) 不同情景下滑坡易发性的评估与比较。
第一部分:降雨分析
研究首先分析了研究区域的历史降雨条件,特别是前兆降雨(Antecedent Rainfall, PA)和极端日降雨(Event Rainfall, PE)。使用了高分辨率网格化降水数据集(CMFD)来分析夏季季节性降雨和极端日降雨的空间分布特征。为了计算有效前兆补给量(QA),研究团队开发了EasyBal软件,通过输入降水量、潜在蒸散发量(ETP)和温度数据,计算了有效补给率(ERR)。对于极端日降雨,采用极值统计学(EVS)方法,利用块最大值法(Block Maxima Approach)建立了Gumbel分布模型,用于预测不同重现期的极端降雨量。
第二部分:滑坡易发性建模参数校准
研究团队使用了快速浅层滑坡评估模型(FSLAM),这是一种基于物理机制的模型,能够同时考虑有效前兆补给量(QA)和极端日降雨(PE)对土壤水位的影响。参数校准阶段使用了1995年至2005年间发生的186次浅层滑坡数据,调整了模型中的六个土壤属性参数(如内聚力、摩擦角等)和根系凝聚力(Root Cohesion)。为了验证模型性能,研究采用了接收者操作特性曲线(ROC)分析,并计算了混淆矩阵以评估模型精度。
第三部分:未来气候变化和土地覆盖变化预测
未来气候变化的预测主要集中在降雨变化上,研究团队利用了CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)输出的区域气候模型(RCM)集合模拟结果,结合统计降尺度方法预测了未来中期(2021-2060年)和晚期(2061-2100年)的降雨变化。对于土地覆盖变化预测,研究团队使用了集成在IDRISI Selva软件中的土地变化建模器(LCM),基于2000年和2010年的土地覆盖图预测了未来土地覆盖变化情景。
第四部分:滑坡易发性评估与比较
研究定义了七个情景(包括一个参考情景和六个未来情景),并分别计算了每个情景下的滑坡易发性。所有情景均基于100年重现期的降雨条件进行计算,并通过概率失效图(Probability of Failure, POF)展示结果。研究还通过归一化累积分布函数(CDF)和概率密度函数(PDF)分析了不同情景下的稳定性变化趋势。
主要结果
降雨变化的结果
研究发现,未来万州区的前兆降雨和极端日降雨将显著增加。中期21世纪的前兆降雨增幅为8%-25%,而晚期21世纪的增幅则达到31%-63%。极端日降雨在100年重现期下的增幅可达54%。此外,有效补给率(ERR)在中期21世纪显著高于晚期21世纪,导致前兆有效补给量呈现出与前兆降雨相反的变化趋势。
土地覆盖变化的结果
土地覆盖预测结果显示,未来森林覆盖面积将显著增加,而农业用地面积将大幅减少。灌木丛面积增加,草地面积减少,但幅度较小。土地覆盖变化对区域斜坡稳定性具有积极影响,因为森林和灌木的根系凝聚力较高。
滑坡易发性的结果
在单独考虑气候变化时,研究区域的整体稳定性条件将下降,因为未来降雨量的增加会导致滑坡易发性显著提高。相比之下,土地覆盖变化对稳定性的改善作用相对有限。综合考虑两种变化时,气候变化的负面影响大于土地覆盖变化的稳定作用,因此研究区域的整体稳定性将在未来下降。
结论与意义
本研究首次在亚洲范围内系统评估了气候变化和土地覆盖变化对区域滑坡易发性的影响。研究结果表明,气候变化对滑坡活动的影响远大于土地覆盖变化。这些发现有助于理解未来环境变化的规模和后果,并为决策者提供科学依据以减轻滑坡风险。
研究亮点
1. 重要发现:未来气候变化将显著增加万州区的滑坡易发性,而土地覆盖变化对稳定性的改善作用有限。
2. 方法创新:研究结合了高分辨率网格化降水数据集、极值统计学模型和多模型集合方法,提高了未来降雨预测的准确性。
3. 研究对象特殊性:研究区域位于中国西南部,属于亚热带季风气候区,具有典型的山地地貌,研究结果对该地区的滑坡风险管理具有重要意义。
其他有价值内容
研究团队还讨论了研究中涉及的不确定性来源,包括输入参数的变异性、土地覆盖变化预测变量的选择以及未来降雨预测的复杂性。尽管存在这些不确定性,研究仍通过初步验证确认了建模过程的有效性。未来研究计划进一步扩展土地覆盖变化和气候变化的预测范围,并引入更多环境和社会经济变量以提高预测精度。