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学术前沿 | Journal of Hydrology 黄土高原沟壑区降雨阈值与滑坡易发性相结合的滑坡预警模型构建—以兰州市为例

学术   2024-10-29 08:01   陕西  

滑坡降雨阈值的区域预报很复杂，降雨阈值的经验预测依赖于历史统计数据。为得到强度 （I） ∼ 持续时间 （D） 降雨阈值，以兰州市为研究对象，采用野外调查、3S 技术、数理统计和 Python 语言环境开发了一套自动降雨阈值计算程序。采用因子消除、信息值法、证据权重、频率比、密度法和受试者工作特征（ROC）曲线得到滑坡易发性，结合I ∼ D降雨阈值（时间概率）和滑坡易发性（空间概率）构建区域滑坡降雨阈值预警级别（红、橙、黄、蓝）。结果表明：历史上滑坡的降雨持续时间在0.99—216 h之间，其中占92.78 h，6—96 h占92.78 %，降雨强度在0.11—23.6 mm/h之间，随着降雨阈值概率的增加，降雨阈值曲线的α和β逐渐增加。此外，在降雨条件概率相同的情况下，城关区滑坡发生频率较高，裸地面积较大，坡度和年降雨量分别小于10 °和300 mm。采用 15 、 9 和 6 个因子获得滑坡易发性，在不同方法和不同因子组合下，ROC 的精度在 0.78 到 0.80 之间。滑坡易发性的空间分布非常相似。在时空概率下，红色、橙色、黄色和蓝色水平分别有 35 、 12、 25 和 108 次滑坡，但在时间概率下分别有 30 、 26、 54 和 70 次。在不同条件下，分别有 89 个、69 个和 22 个滑坡点的警戒级别保持不变、增加和降低。通过整合降雨阈值的时空概率，有效提高了降雨阈值预警和预测的能力和准确性。
图 1.滑坡降雨阈值预警等级系统建模流程图
图 2.地理位置分布。
图 3.（a） 研究区滑坡和气象站的分布，（b） 滑坡照片。
图 4.降雨事件重建流程图。
图 5.不同控制因素对山体滑坡发生的影响：（a） 海拔，（b） 坡度，（c） 坡向，（d） 平面曲率，（e） 到溪流的距离，（f） 溪流功率指数，（g） 排水密度，（h） 年降雨量，（i） 到断层的距离，（j） 峰值地面加速度，（k） 岩性，（l） 到道路的距离，（m） 人口密度，（n） 土地利用和 （o） 植被。
图 6.基于降雨阈值和山体滑坡易感性组合的启发式方法中使用的降雨阈值警告级别矩阵。
图 7.某气象站某一时期降雨子事件重建的识别结果。
图 8.一个气象站降雨事件重建后的降雨强度和持续时间。NL代表降雨事件引起的滑坡发生，NE是非山体滑坡引起的降雨事件。
图 9.不同条件概率下 I ∼ D 降雨阈值的分布。
图 10.不同方法和因素组合下的滑坡易发性：（a） WOE-15 因素，（b） IV-15 因素，（c） FR-15 因素，（d） WOE-9 因素，（e） IV-9 因素，（f） FR-9 因素，（g） WOE-6 因素，（h） IV-6 因素，（i） FR-6 因素。
图 11.使用不同方法和因素的组合比较和验证滑坡易发性的准确性：（a） 密度法和 （b） ROC 曲线。
图 12.经验降雨阈值警告等级的分布。
图 13.融合降雨阈值和滑坡易发性分布。
图 14.不同条件下降雨阈值曲线的分布：（a） 区或县，（b） 土地利用，（c） 坡度 （SL），（d） 年降雨量 （AR）。
图 15.图 15.与其他地区的降雨阈值比较分析。
在降雨事件重构过程中考虑多个参数 （Gs、Emax、ER、P1、P2 和 P3） 和降雨数据，自动计算异常降雨值、孤立降雨事件、降雨子事件和降雨事件。
与历史滑坡相关的降雨持续时间从 0.99 h 到 216 h 不等，持续 6 h 到 96 h 的降雨持续时间占所有持续时间的 92.78 %。降雨强度在 0.11 毫米/小时和 23.6 毫米/小时之间。当概率范围为 5 % 至 90 % 时，I ∼ D 降雨阈值曲线通常是平行的，表明降雨诱发滑坡的概率随着条件概率的增加而逐渐增加。此外，在降雨条件概率相同的情况下，坡度小于 10 °、年降雨量小于 300 mm 的城关区滑坡相对容易发生，裸露土地较多。在相同降雨条件下，该地区的 I ∼ D 降雨阈值普遍高于中国和世界其他地区。
采用 15 、 9 和 6 个因素确定 LS，在不同方法和不同因素组合下，ROC 结果的准确性范围为 0.78 至 0.80。不同因子组合和方法的易感率结果相似。这表明该计算方法只是一种手段，明确区域滑坡的主控因素和灾害背景具有重要意义。换句话说，用于获得区域地质灾害易感性结果的因子较少。
在综合和独立条件下，红色级别的滑坡数量几乎一致。在考虑时空概率时，红色、橙色、黄色和蓝色级别有 35、12、25 和 108 次滑坡，以及 30、26、54 和 70 次。然而，在其他水平上也观察到了差异。在不同条件下，89 个、 69 个和 22 个滑坡点分别与不变、升高和降低的警报级别相关联。这些结果表明，综合结果有助于提高不同地区降雨阈值预测的能力和准确性。
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