黄土高原浅层滑坡预测研究：基于TRIGRS模型的延安案例分析

作者及发表信息

本研究由Jianqi Zhuang（长安大学地质工程与测绘学院/西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室）、Jianbing Peng（通讯作者，同单位）、Gonghui Wang（日本京都大学防灾研究所滑坡研究中心）、Javed Iqbal（巴基斯坦阿伯塔巴德科技大学地球科学系）、Ying Wang、Wei Li、Qiang Xu（成都理工大学环境与土木工程学院）、Xinghua Zhu（长安大学）共同完成。论文发表于Earth Surface Processes and Landforms期刊，2016年10月在线发布，2017年6月正式刊出（卷42，页915–927）。

学术背景

研究领域与科学问题

本研究属于地质灾害预测与防治领域，聚焦降雨诱发的浅层滑坡（shallow landslides）机制与空间预测。黄土高原是中国滑坡灾害高发区，其独特的马兰黄土（Malan loess）、离石黄土（Lishi loess）和午城黄土（Wucheng loess）结构（孔隙率高、垂直节理发育、遇水易软化）导致其对降雨极为敏感。2013年7月12日，延安市遭遇百年一遇暴雨（24小时降雨量87.8毫米），触发35处浅层滑坡，造成27人死亡。传统统计模型（如逻辑回归、模糊逻辑）依赖历史数据，而物理模型（如TRIGRS）能结合水文过程与力学稳定性，更适合动态预测。

研究目标

1. 验证TRIGRS模型（Transient Rainfall Infiltration and Grid-based Regional Slope-Stability model）在黄土高原的适用性；
   
2. 揭示降雨参数（强度、持续时间）对黄土斜坡稳定性的影响规律；
   
3. 对比TRIGRS与稳态水文模型SINMAP（Stability INdex MAPping）的预测精度。
   

研究方法与流程

1. 数据采集与参数测定

• 滑坡特征调查：通过航拍和实地测绘（比例尺1:10,000）记录35处滑坡的深度、面积、体积，结果显示：
  
  • 深度均米（70%为1–2米）；
    
  • 面积91%<200平方米；
    
  • 体积90%<1000立方米（图3）。
    
• 土体参数测试：
  
  • 剪切强度：直剪试验测得黏聚力（cohesion）17.4–42.7 kPa（均值34.0 kPa），内摩擦角（internal friction angle）19.6°–24.6°（均值22.5°）；
    
  • 渗透性：双环入渗试验显示渗透率随深度递减（表层3.76×10⁻² m/h，2米处0.44×10⁻² m/h）；
    
  • 最大入渗深度：通过土壤水分传感器监测确认≤2.0米（图7）。
    

2. TRIGRS模型构建

• 输入数据：
  
  • 10米分辨率DEM生成坡度、坡向图；
    
  • 土壤深度统一设为2米；
    
  • 地下水位>40米（钻孔数据）；
    
  • 降雨数据（3小时间隔，最大强度8.96 mm/h）。
    
• 模型方程：
  
  • 安全系数（Factor of Safety, FS）计算（公式1）结合黏聚力、内摩擦角、孔隙水压力（ϕ）；
    
  • 瞬态孔隙水压力通过Richards方程模拟（公式2），考虑降雨历时与渗透扩散率（hydraulic diffusivity）。
    

3. 模型验证与对比

• 时间动态分析：生成暴雨后6、12、18、24小时的FS图（图9），显示不稳定区域（FS）占比从0.2%增至5.1%，与实地滑坡分布一致（1255个网格预测失效）；
  
• ROC曲线评估：TRIGRS的AUC（曲线下面积）为0.787，优于SINMAP的0.682（图10）；
  
• 降雨情景模拟：对比短时强降雨（60 mm/2 h）、持续强降雨（8.4 mm/24 h）、持续弱降雨（0.86 mm/24 h），发现持续强降雨触发滑坡面积最大（14.5%）。
  

主要结果与逻辑链条

1. 滑坡特征：所有滑坡均为浅层（米），集中分布于25°–45°坡度、凸形坡面（占40.8%），符合黄土渗透性随深度递减的规律（图4）。
   
2. 模型预测：TRIGRS成功捕捉滑坡时空分布，24小时预测与实地数据重合度高，证明其适用于黄土高原（图9d）。
   
3. 降雨机制：持续强降雨通过深层入渗（>1米）显著升高孔隙水压力，而短时暴雨因径流损失影响较小（图12）。
   

结论与价值

科学意义

• 首次将TRIGRS模型应用于中国黄土高原，证实其能有效预测浅层滑坡的临界降雨阈值；
  
• 揭示黄土滑坡对持续强降雨的敏感性高于短时暴雨，为预警策略提供理论依据。
  

应用价值

• TRIGRS优于传统统计模型，适合区域尺度土地利用规划；
  
• 建议延安市重点关注凸形坡面和25°–45°坡度带的监测。
  

研究亮点

1. 方法创新：结合瞬态水文模型与高分辨率DEM，实现动态稳定性分析；
   
2. 数据验证：通过原位监测（土壤水分、入渗率）约束模型参数，提升预测可靠性；
   
3. 对比研究：明确TRIGRS在特定降雨阈值下的优势，弥补SINMAP的过预测缺陷。
   

其他发现

• 植被根系可能通过改变土体各向异性影响滑坡，但“退耕还林”工程的具体效应需进一步研究；
  
• 历史降雨（antecedent rainfall）对黄土滑坡的触发作用显著，未来模型需整合这一因子。
  

（注：全文术语首次出现时标注英文，如“安全系数（Factor of Safety, FS）”）