基于物理模型的浅层滑坡易发性评估研究：水文与稳定性假设的比较
作者及机构
本研究由Muhammet Durmaz（中东技术大学土木工程系）、Marcel Hürlimann（西班牙加泰罗尼亚理工大学土木与环境工程系）、Nejan Huvaj（中东技术大学）和Vicente Medina（西班牙加泰罗尼亚理工大学热机工程系）合作完成，发表于2023年7月的《Engineering Geology》期刊（卷323，文章编号107237）。
学术背景
浅层滑坡是由降雨触发的常见地质灾害，物理模型（physically-based models）因其能模拟水文力学过程而被广泛用于滑坡易发性评估。然而，现有模型在水文假设（如稳态/瞬态渗流）和稳定性计算方法（如无限斜坡假设/三维极限平衡法）上存在差异，且模型性能受滑坡形态（如长深比、宽深比）和数字高程模型（DEM, Digital Elevation Model）分辨率的影响尚未系统研究。
本研究以2017年土耳其里泽省Kaptanpaşa地区降雨触发的1025处浅层滑坡为案例，对比两种水文模型（FSLAM和TRIGRS）与两种稳定性分析方法（无限斜坡法和Scoops3D的三维球面破坏面法），并提出一种基于敏感性分析的半自动化参数校准策略。研究目标包括：
1. 揭示滑坡形态对模型性能的影响；
2. 开发高效参数校准方法；
3. 评估不同模型组合的预测精度。
研究流程
1. 研究区与数据准备
- 滑坡编录：基于无人机航测的10厘米分辨率数字表面模型（DSM），提取滑坡源区几何参数（深度、长度、宽度及比值），按形态分为四类：
- Type 1：符合无限斜坡假设且尺寸≥10米的山坡滑坡；
- Type 2：不符合无限斜坡假设但尺寸≥10米的山坡滑坡；
- Type 3：人工切坡或河岸滑坡；
- Type 4：任一尺寸<10米的小型滑坡。
- 输入数据：包括10米分辨率DEM、地质图（Kaçkar花岗岩、Çatak组）、土工参数（ cohesion黏聚力c′、摩擦角∅′、饱和导水率Ks）、降雨数据（2017年9月27-29日累计82.6 mm）。
2. 模型方法
- 水文模型：
- FSLAM：结合稳态侧向流（贡献面积法）和垂向入渗（曲线数法CN），计算孔隙水压力。
- TRIGRS：基于Richards方程和Gardner模型模拟瞬态渗流，考虑非饱和土特性。
- 稳定性模型：
- 无限斜坡法：假设二维破坏面，忽略相邻土柱相互作用。
- Scoops3D：采用Bishop简化法搜索三维球面破坏面，需校准搜索参数（如最小/最大面积限值）。
3. 参数校准策略
提出半自动化校准流程：
1. 稳定性参数（c′, ∅′, z）校准：通过Matlab代码生成10,000组参数组合，基于ROC曲线下面积（AUC）和极端条件（饱和/初始状态）筛选最优解；
2. 水力参数（Ks, α, CN）优化：以平衡准确度（BA）最大化为目标，限制参数在实测范围内。
该策略显著减少计算耗时，尤其适用于TRIGRS等计算密集型模型。
4. 性能评估
- 指标：真阳性率（TPR）、假阳性率（FPR）、AUC。
- 对比维度：
- 水文模型（FSLAM vs. TRIGRS vs. 饱和假设）；
- 稳定性方法（无限斜坡法 vs. Scoops3D）；
- 滑坡类型（Type 1-4）。
主要结果
1. 水文模型性能
- FSLAM优于TRIGRS：AUC分别为0.757和0.713。TRIGRS因低估孔隙水压力上升导致TPR较低（0.43 vs. FSLAM的0.49）。
- 侧向流的重要性：引入稳态补给（qa=0.001×Ks）后，TRIGRS的TPR从0.29提升至0.43。
2. 稳定性方法对比
- Scoops3D整体更优：AUC达0.671（无限斜坡法为0.637），但对长深比/宽深比高的滑坡（Type 1）预测偏保守（TPR=0.28），因其球面破坏面假设低估了平面破坏的土体体积。
- 无限斜坡法的局限性：在Type 2滑坡中表现较差（TPR=0.39），因其忽略三维相互作用。
3. 滑坡形态的影响
- Type 4小型滑坡：尽管尺寸小于DEM分辨率（10米），但因空间聚集性仍被有效识别（TPR≈Type 1）。
- Type 3切坡滑坡：因破坏机制复杂（如坡脚侵蚀），模型预测精度较低。
结论与价值
- 科学价值：首次量化了滑坡形态对物理模型性能的影响，证明长深比高的滑坡需采用三维稳定性方法。
- 方法创新：提出的校准策略通过结合极端条件分析与敏感性分析，显著提升参数优化效率。
- 应用指导：10米分辨率DEM可满足小型滑坡预测，但需针对不同滑坡类型选择模型组合（如Type 2推荐Scoops3D+FSLAM）。
研究亮点
- 形态学启示：揭示了滑坡几何特征与模型假设的匹配度对预测精度的决定性作用。
- 高效校准：通过分离稳定性与水力参数校准，解决了数据稀缺区的模型参数化难题。
- 跨模型对比：为水文-力学耦合模型的选用提供了实证依据，尤其适用于类似里泽的高降雨山区。
其他发现：森林覆盖区因根系加固作用（cr=10 kPa）滑坡稀少，但模型未考虑树种差异，未来可结合遥感数据细化参数空间变异。