类型a

主要作者与机构及发表信息
该研究的主要作者为Nilo Lemuel J. Dolojan（东北大学土木与环境工程系）和Shuji Moriguchi、Masakazu Hashimoto（东北大学国际灾害科学研究所），以及Nguyen Xuan Tinh（CTI Engineering International Co., Ltd.）、Hitoshi Tanaka（东北大学自由艺术与科学研究所）和Kenjiro Terada（东北大学国际灾害科学研究所）。该研究于2023年6月7日在线发表于《Engineering Geology》期刊。

学术背景
本研究属于地质工程与水文学交叉领域，旨在通过结合水文和岩土力学原理，开发一种流域尺度的多灾害评估方法，用于模拟和预测强降雨引发的浅层滑坡和洪水灾害。近年来，由于极端降雨事件频发，滑坡和洪水成为全球范围内最常见的自然灾害之一。例如，在日本，仅2018年以来的三次重大降雨灾害就导致了至少465人死亡，超过5万栋建筑被毁，经济损失高达数万亿日元。尽管已有许多研究分别探讨滑坡和洪水的发生机制，但这些研究往往独立进行，未能充分考虑两者之间的相互作用。因此，本研究的目标是提出一种统一的框架，通过耦合地表径流、入渗和边坡稳定性分析，刻画强降雨期间滑坡和洪水的空间和时间响应，从而为灾害预警和应急规划提供支持。

详细研究流程
本研究包括以下几个主要步骤：

1. 地表径流建模
   研究采用了一种混合的地表径流模型，结合零惯性（Zero-Inertia, ZI）模型和局部惯性（Local-Inertia, LI）模型的优势，以减少时间步长限制并提高计算效率。ZI模型适用于山地斜坡区域，而LI模型则用于平原和河道区域。通过设定一个坡度阈值（βz=0.15，即8.53°）区分两种模型的应用范围。地表径流的控制方程基于浅水方程（Shallow Water Equations, SWE），并通过数值离散化求解界面通量和水位变化。

2. 入渗分析
   入渗过程采用Green-Ampt模型进行估算。该模型假设土壤初始湿度均匀分布，并考虑了非稳定降雨和倾斜表面的影响。研究根据土壤特性（如饱和导水率、毛细吸力等）和降雨强度计算累积入渗量和湿润锋深度。

3. 边坡稳定性分析
   边坡稳定性分析基于无限斜坡模型（Infinite Slope Model），该模型假设滑动面平行于地表且深度较浅。研究结合Mohr-Coulomb失效准则和有效应力理论，计算安全系数（Factor of Safety, FS）。此外，研究还考虑了地表径流对边坡稳定性的影响，将水流重量作为附加荷载纳入计算。

4. 滑坡运动路径分析
   为了可视化潜在的滑坡运动路径，研究采用了Tarboton（1997）提出的D-Infinity流方向算法和摩擦线法（Friction Line Method）。通过设置两个阈值（Alpha角度阈值和比例阈值），研究确定了潜在的滑坡影响区域。

5. 数据来源与参数设置
   研究使用了多种数据集，包括地形数据（来自日本地理空间信息局，分辨率为10米）、土壤分布数据（来自ISRIC，分辨率为250米）、降雨数据（来自日本气象厅，时间分辨率为30分钟）以及河流流量数据（来自日本国土交通省）。所有栅格数据均重采样至10米分辨率，并投影到统一坐标系下。

主要结果
1. 地表径流与洪水淹没模拟
模型成功模拟了2019年台风Hagibis期间Marumori镇的河流涨水和洪水淹没情况。模拟结果与观测数据（如Uchikawa站和Abukuma站的水位记录）高度一致，其Nash-Sutcliffe效率（NSE）分别为0.977和0.997，均方根误差（RMSE）分别为0.512米和0.210米。此外，模拟的洪水淹没深度与基于航拍照片生成的淹没地图也具有良好的一致性（RMSE=0.43米）。

1. 滑坡稳定性分析
   研究对Koyasu社区的滑坡事件进行了详细分析。结果显示，当灾害警报发布时，滑坡区域的安全系数刚刚降至不稳定状态（FS=0.97），湿润锋深度为0.36米。随后，模型预测了持续的失稳过程，最终在模拟结束时（10月13日6:00 AM）计算出最小安全系数为0.86，对应的滑动面深度为0.86米。这一结果与实际测量的滑动面深度（平均0.5-1米）相符。

2. 滑坡分类与空间分布验证
   研究通过ROC曲线（Receiver Operating Characteristic Curve）评估了模型的分类性能。结果显示，模型在区分滑坡点和非滑坡点方面表现出色，ROC曲线下面积（AUC）达到0.882。此外，模型对滑坡运动路径的预测也具有较高的精度，其精确率、召回率和F1分数分别为0.69、0.68和0.69。

结论与意义
本研究提出了一种流域尺度的多灾害评估方法，能够合理估计强降雨条件下流域的水文和岩土响应。该方法在区域到流域尺度的应用中提供了初步的灾害概览，为后续详细场地分析提供了有价值的工具。研究的主要价值体现在以下方面：
1. 科学价值：通过耦合地表径流、入渗和边坡稳定性分析，提供了一种统一的框架，用于模拟滑坡和洪水的时空响应。
2. 应用价值：模型可以用于灾害预警系统，帮助制定应急规划和响应措施，特别是在强降雨事件中识别潜在的滑坡和洪水高风险区域。

研究亮点
1. 提出了混合地表径流模型（ZI+LI），显著提高了计算效率和空间分辨率。
2. 结合Green-Ampt入渗模型和无限斜坡模型，实现了对浅层滑坡和洪水的统一模拟。
3. 首次尝试通过简单的滑坡运动路径分析，间接可视化泥石流的发生可能性及其行为特征。

其他有价值的内容
研究还讨论了模型的局限性和未来改进方向。例如，模型假设滑动面与湿润锋深度一致，这在短期强降雨事件中是合理的，但在长期降雨或浅层土壤区域可能不适用。此外，模型未考虑地下水位和复杂排水系统的影响，这在城市区域的洪水模拟中可能导致一定误差。未来的研究可以通过引入更高分辨率的数据和更复杂的边界条件来进一步改进模型的精度和适用性。