黃茨滑坡時間預測預報

李嘉祺 康 田 周鵬超 孫 昊

(中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

1 概述

大量的研究與實踐表明:由于滑體變形規(guī)律的復雜性，滑坡的中長期預報較難，不確定性較為顯著；而在短期和臨滑預報階段，滑坡位移時序變化相對確定，此時滑坡劇滑時間預報才有實現(xiàn)的可能[1]。

1995年1月30日凌晨，甘肅省蘭州市鹽鍋峽鎮(zhèn)黃茨村北側黑方臺南緣突然發(fā)生滑坡，但由于鐵科院西北分院已預報其即將于1995年1月31日～2月7日整體下滑，從而避免了大量的人員傷亡和經濟財產損失[2,3]。本文以黃茨滑坡為例，采用齋藤迪孝法、曲線回歸分析模型和灰色GM(1,1)模型分別對黃茨滑坡進行短期時間預測。

2 黃茨滑坡概況

黃茨滑坡位于甘肅省蘭州市鹽鍋峽鎮(zhèn)黃茨村北側黑方臺南緣，是一個典型的由灌溉引發(fā)的臺緣滑坡，其自軟塑黃土至卵石層底面為18 m為持水層，地下水滲流層面(5 cm厚的飽水軟塑黏土)即為滑面位置。

1994年8月～1995年1月，鐵科院西北分院對其進行了長達半年的監(jiān)測，積累了大量的監(jiān)測資料，文章預測模型主要以電子自記單點位移計的數(shù)據(jù)為基礎。12月22日～1月22日，儀器故障，無資料。分析A7和B2的監(jiān)測數(shù)據(jù)，1995年11月25日～12月21日共27 d數(shù)據(jù)見圖1，1996年1月23日～1996年1月29日數(shù)據(jù)見圖2。

3 時間預測預報

3.1 Verhulst灰色模型預測

Verhulst生物生長模型最早由晏同珍教授應用于滑坡預測預報研究[4-6]，其微分方程形式是：

(1)

(2)

(3)

設位移觀測數(shù)據(jù)的時間間隔為Δt，則式(3)可寫成：

(4)

滑坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)(等時間距=Δt)為：

對監(jiān)測數(shù)據(jù)處理得到累加生成數(shù)列：

(5)

式(4)和(5)聯(lián)立得:

(6)

(7)

a,b系數(shù)根據(jù)下式求解：

(8)

其中，矩陣(A┆B)為矩陣A和B的合矩陣。

學生自評問卷的調查結果顯示，94%的學生認為知曉游泳自救與水上救助知識對學會安全游泳是非常重要的，98%的學生渴望學習游泳自救與水上救助，提升這方面能力，而57%的學生不喜歡上體育課是因為“競技游泳技術教學為主（蛙泳、自由泳等）與我無關”。

表1 觀測點A7日位移值

根據(jù)表1所列數(shù)據(jù)，采用7個點的位移觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)觀測的時間間隔為1 d，t1=1995年1月23日，按照Verhulst灰色系統(tǒng)模型建模的步驟建立預測方程，得到：

a=0.295 563，b=0.001 774。

將a,b代入得時間預測方程為：

(9)

滑坡的預測破壞時間為1995年1月31日13點55分。

表2 觀測點B2日位移值

根據(jù)表2所列數(shù)據(jù)，采用7個點的位移觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)觀測的時間間隔為1 d，t1=1995年1月23日，按照Verhulst灰色系統(tǒng)模型建模的步驟建立預測方程，得到：

a=0.625 778，b=0.002 4。

將a,b代入得時間預測方程為：

(10)

滑坡的預測破壞時間為1995年1月30日0點18分。

3.2 GM(1，1)模型

灰色GM(1，1)模型和Verhulst模型思路上是一致的。灰色系統(tǒng)對于信息不完整或不完全的實際情況具有良好的適用性，它能夠解決貧信息，少數(shù)據(jù)的實際問題，其中GM(1,1)模型[7-11]在滑坡預報中得到廣泛的運用。其原理如下：

tr=ln(tanα)/a(X(0)(1)-b/a)/(-a)>tn。

其中，tr為滑坡監(jiān)測資料最后一個數(shù)據(jù)所對應的時間。

利用11月25日～12月21日監(jiān)測數(shù)據(jù)進行滑坡短期預測反分析，結果如表3所示。

表3 基于GM(1,1)模型預測結果

3.3 齋藤的蠕變模型預測

齋藤迪孝方法是以蠕變理論為依據(jù),得出均質土滑坡時間預報的一種經驗公式[11-14]，具體如下：

1)計算地面位移:

x1(t1)，x2(t2)，x3(t3)…。

2)計算平均速度的倒數(shù):

4)畫直線連接A和B。

5)延長直線，交橫軸于點tr，即為滑坡破壞時間。

運用該模型對黃茨滑坡進行預報，選取23,26,29三天數(shù)據(jù)進行蠕變破壞模型計算，計算結果如圖3所示。當y=0時，x分別等于32.606,38.125，即監(jiān)測點A7和B2的預測時間分別為2月1日14點33分和2月7日3點00分。

3.4 小結

灰色Verhulst模型，依據(jù)1月23日～1月29日機械式位移計A7日數(shù)據(jù)的預報結果為1月31日13點55分，最接近實際時間。而齋藤的蠕變模型得出的破壞時間則分別為2月1日14點33分和1995年2月7日3點00分，不同數(shù)據(jù)預測的結果差異很大。GM(1，1)模型中進行短期預報時，1994.12.15～1994.12.21時間內電子式位移計B2監(jiān)測資料預測效果比較好，而其他情況下差別比較大。

4 結語

1)三種預測模型都能大致預測出滑坡的滑動時間，其中Verhulst模型與齋藤的蠕變模型適宜于滑坡的臨滑預報，GM(1，1)模型適用于中短期預測預報。

2)滑坡的時間預測精度與選取數(shù)據(jù)有關，主要包括三部分：監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度；監(jiān)測孔的分布位置；滑坡運動所處的階段。同時在預測前對監(jiān)測信息數(shù)據(jù)列進行分析研究，以便獲得信息序列的特性，依據(jù)得出的特性對其進行相應的預先處理。

3)對于日本齋藤的蠕變模型預測時，其t1與t2的位移s有很大的任意性，而預測精度又與t1和s的取值有很大關系，所以其預測精度與適用性有待進一步研究，其模型有待進一步完善。