高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡成災機制及預警模型研究綜述

豆紅強,簡文彬,王 浩,樊秀峰,劉紅位,吳振祥

(1. 福州大學 紫金地質與礦業學院,福建 福州 350108; 2. 福建省地質災害重點實驗室,福建 福州 350002)

0 引言

我國地處太平洋西岸,海岸線自北向南綿延18 000 km有余,平均每年約有7～8個臺風和熱帶氣旋登陸,是世界上臺風登陸最頻繁的國家之一[1-2]。由于我國沿海山地丘陵地區地質環境復雜且極為脆弱,受臺風裹挾而來的狂風暴雨的作用極易誘發滑坡、泥石流等地質災害,給人民群眾的生命財產、工農業生產及交通運輸等帶來嚴重威脅和極大損失[3-4]。如2009年8月9日超強臺風“莫拉克”在福建霞浦登陸,隨后僅在福建、浙江兩省即誘發滑坡、崩塌和泥石流地質災害160余起,其中浙江臨安林竹村滑坡直接致死11人。與此同時,沿海山地丘陵地區的植被覆蓋度一般較高,如素有“八山一水一分田”之稱的福建省,其植被覆蓋度高達70%左右。可見,臺風暴雨型滑坡災害的地質載體多屬植被發育斜坡,臺風暴雨過后,滑坡多呈星點狀點綴于高植被覆蓋斜坡之上。

臺風暴雨型滑坡的頻繁發生及其造成的危害早已引起世界各國政府部門、國際組織及工程界的高度重視,并相繼開展了臺風暴雨型滑坡的調查評價、監測預警與示范點建設以及防治應急等工作[2,5-6]。但是,目前有關臺風暴雨型滑坡的研究多以案例分析為主,且忽視了風荷載、植被特征等關鍵因子的影響。事實上,高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡是地質-植被-氣象多要素共同作用的結果,其孕災環境與成災機制更為復雜。另一方面,由于高植被覆蓋區內的斜坡變形跡象和滑坡征兆被植被遮擋,往往較難發現,表現出顯著的隱蔽性,致使其在監測預警、應急響應方面仍缺乏實用、先進的技術支撐。

在當前全球氣候變暖和人類活動日益加劇的大背景下,臺風頻次和強度有增加增強趨勢[7-8],可以預見,未來臺風暴雨誘發的高植被覆蓋區的滑坡災害在數量和規模上都有擴大化的態勢,如何合理高效地應對高植被覆蓋區的臺風暴雨型滑坡災害已成為當前科技人員所面臨的重大難題。為此,文中針對高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡的群發、突發以及高隱蔽特性,在整理大量文獻的基礎上,總結高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡的發育特征,從臺風暴雨型滑坡成災機理、植被對斜坡穩定性的影響和降雨型滑坡預警預報等3個方面系統客觀地評述當前研究現狀與不足,并展望了今后重點工作方向,希望能夠拋磚引玉,為臺風暴雨型滑坡的研究開辟新的視角和研究思路,最終為全球高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡的預警與防控提供科學決策和技術支撐。

1 臺風暴雨型滑坡發育特征

以地質環境復雜、植被廣為發育且頻遭臺風暴雨襲擊的浙閩兩省為例,借助文獻檢索和現場調研總結了高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡的發育特征,其總體表現為點多、面廣、規模小和危害大。圖1即為發生于福建省閩清縣的典型植被覆蓋區臺風暴雨型滑波。

圖1 典型高植被覆蓋區的滑坡Fig. 1 Rainfall-induced landslides in high vegetation coverage area

1.1 地貌地質特征

張泰麗[2]和ZHUANG等[9]統計分析了浙江省內303處臺風暴雨誘發的滑坡,結果表明該類滑坡以表層滑坡為主,其中土質滑坡102處,占總數的33.7%;其余201處則為強-全風化層滑坡,占總數的66.3%;滑坡規模小于1 000 m3且滑體厚度小于3 m的滑坡點共計207處,約占總數的68.3%。池永翔等[10]根據福建省地質災害詳細調查資料指出福建省受臺風暴雨影響的滑坡以小型淺層土質滑坡為主,多為坡高<30 m、坡度為25°～45°的斜坡。袁康等[11]基于Planet衛星影像研究了安徽寧國市受臺風“利奇馬”襲擊而誘發的滑坡發育特征,結果表明臺風暴雨型滑坡在高程[300 m, 600 m)區間、坡度[20°, 30°)區間發育較為集中。

綜上可知,臺風暴雨型滑坡基本上為未固結的第四系殘坡積層和基巖全風化的淺層土質滑坡,滑體厚度多為1～5 m,滑坡的規模整體較小,一般小于1 000 m3,少數大于3 000 m3,平面形態多呈長條形,滑面多為第四系覆蓋層與下伏基巖接觸界面和土層內部軟弱面。

1.2 時空分布特征

就時間尺度而言,降雨誘發的滑坡并非全部發生在降雨期間,而是部分滑坡啟動時間與降雨存在一定的遲滯,滯后時長從1～10 d不等。如謝劍明等[12]、高華喜等[13]著重探討了滑坡遲滯時長與降雨強度的關系;陳麗霞等[14]和趙國通等[15]統計分析了降雨誘發滑坡失穩遲滯時長與滑坡工程地質巖組分布的關系;除此之外,坡體裂隙發育[16-17]、滑坡體物理力學和滲透參數的不確定性[18-19]、以及雨水對滑坡體的浸泡軟化作用[20]、甚至邊坡體內的封閉氣體[21]等均對滑坡的失穩滯后有一定影響。

但是,對臺風暴雨型滑坡而言,由于臺風裹挾而來的降雨具有過程雨量大、降雨強度大等特點,致使其總體上表現為“即雨即滑”,多與臺風登陸-離境過程大致同步,無明顯滯后現象。如2005年7月襲擊浙江的“海棠”臺風所誘發的滑坡主要發生于2015年7月19日,其與極端暴雨同步,無滯后性[2];影響溫州的臺風“泰利”的主體降雨時間為8月31日8時—9月3日8時,其誘發的滑坡則集中發生于2005年9月1日,明顯處在臺風暴雨期間[22];閆金凱等[23]則以影響福建的“蘇力”臺風和“西馬侖”臺風為例指出分別有87.5%和95.2%的滑坡集中爆發在臺風登陸后的12 h內(此時恰為主體降雨高峰段)。

另一方面,從空間尺度上講,臺風暴雨型滑坡的空間分布與臺風路徑及其影響范圍高度一致。滑坡點主要分布在距臺風中心路徑垂直距離小于200 km的范圍內,在200～300 km范圍內也有所分布,大于300 km 范圍內的滑坡點極少。如,“云娜”臺風誘發的滑坡有91%集中在距臺風中心路徑50～180 km的區域內;“海棠”臺風誘發的滑坡約83%集中在距臺風中心路徑120～200 km的區域內[22]。

與此同時,臺風暴雨型滑坡歷史統計數據表明:滑坡與臺風分布范圍、強度的關聯性程度不盡相同,但總體上,其基本都發生在臺風7級(平均風速約為13.9～17.1 m/s)風圈半徑內,其中一部分在10級(平均風速約為24.5～28.4 m/s)風圈半徑內[9]。可見,滑坡點發育分布位置及密度與臺風風荷載密切相關。

1.3 上覆植被特征

如前所述,浙閩兩省臺風暴雨誘發滑坡的地質載體多屬植被發育斜坡,其上覆植被種類繁多,多以喬木、竹、茶樹、灌木、草以及果樹、農作物等類型為主。其中以喬木居多,且坡面植被覆蓋度一般較高。陳光平[22]統計分析了臺風“泰利”誘發的溫州地區滑坡的上覆植被類型,結果表明臺風暴雨型滑坡上覆植被以喬木居多,占45%,灌木次之,占23%。王照財等[24]則通過對2004—2009年間溫州11次臺風誘發滑坡的野外調查資料歸納,發現溫州地區臺風暴雨型滑坡坡面植被類型以喬木、竹居多,分別占33%和30%,其次為草、灌木,占比分別為21%和16%,如圖2所示。閆金凱等[23]以及ZHUANG等[9]研究指出福建臺風暴雨型滑坡上覆植被同樣以喬木居多(以杉樹、松樹為主),竹次之,灌木和草則相對較少。

圖2 溫州臺風暴雨型滑坡上覆植被類型Fig. 2 Types of vegetation overlying landslides induced by typhoon and associated rainstorm in Wenzhou

2 研究現狀

2.1 臺風暴雨型滑坡成災機理

臺風暴雨具有顯著的降雨中心降雨強度大、歷時短、雨量集中的單峰特點,故在其作用下斜坡坡面沖蝕嚴重、地下水響應靈敏且滲流擴散迅速,由此觸發的滑坡多以局部淺層失穩破壞為主,除此之外,還表現為以覆蓋層沿基巖接觸面發生的突變型滑坡和沿層內錯動帶發生的切層緩動型滑坡2種類型[2,25-26]。

臺風暴雨型滑坡是內外動力機制共同作用的結果,影響因素眾多。為明確臺風暴雨型滑坡的關鍵致災因子,研究人員借助統計分析、灰色關聯分析等方法綜合探討了暴雨、強風、植被、地形地貌、地層巖性、構造、斜坡結構以及人類工程活動等因子的作用,強調指出臺風暴雨是此類滑坡最重要的激發因素,并與地層巖性與斜坡結構密切相關[27-30]。進一步的,一部分學者又基于現場監測、室內模型試驗和數值模擬揭示了臺風暴雨型滑坡的失穩演化過程即為臺風暴雨與斜坡巖土體耦合的過程,即短期集中強降雨一方面造成斜坡內瞬時孔隙水壓驟增,另一方面則通過地表徑流沖刷、滲流作用等方式改變巖土體結構和力學性質,兩者共同作用促使滑移面上剪應力增加,抗剪強度降低[31-32]。筆者即借助室內模型試驗總結了臺風暴雨型土質滑坡的失穩演化規律,其變形大致可分為壓縮沉降微變形階段、勻速變形階段以及加速變形階段,尤其在加速變形階段,其變形曲線呈非線性且具有顯著的突發性[33],如圖3和圖4所示。此外,已有研究表明,濕潤鋒下移導致的土體基質吸力減少是降雨型滑坡失穩的主要原因,而土壤前期含水率又是影響濕潤鋒下移過程的重要因素之一,眾多學者亦基于數值模擬、現場監測以及物理模型(尤其是Green-Ampt模型)探討了前期含水率對臺風暴雨型滑坡穩定性的影響規律[34-37],乃至基于土壤含水率的動態變化開展了臺風暴雨型滑坡的預警預測研究[38-39]。

圖3 臺風暴雨型滑坡失穩演化過程Fig. 3 Failure evolutions of landslide induced by typhoon and associated rainstorm

我國臺風暴雨型滑坡多發生于東南沿海高植被覆蓋區,而當前有關其成因機理的研究多未考慮植被覆蓋層的作用,甚至還刻意消除植被的影響。顯然,這些基于無植被裸坡所得的既有成果難以準確刻畫臺風暴雨對植被發育斜坡的水-力響應行為。當然,亦有部分學者從純統計學的角度研究了植被對臺風暴雨型滑坡的作用[40],甚至開展了臺風暴雨下含植被斜坡室內物理試驗[41]。但這些研究仍以定性描述為主,未能定量揭示地質-植被-氣象相互作用下高植被覆蓋區臺風降雨型滑坡的成災機制。

2.2 植被對斜坡穩定性的影響

植被對斜坡穩定性的作用大體可歸納為水文效應和力學效應2個方面。具體來講,植被冠層截流可減輕雨水對斜坡土體的沖刷濺蝕,根系以及枯枝落葉腐殖質可降低地表徑流對斜坡表層土體沖刷和侵蝕作用,植物則通過蒸騰作用降低斜坡土體內的孔隙水壓力。與此同時,植被又可通過根系加筋作用增強斜坡淺層土體的抗剪強度,并借助深層根系的錨固作用和水平根系的牽引作用提高斜坡的整體穩定性。為深入揭示并量化植被的水文效應和力學效應,國內外學者從不同植物類型、植物根系分布特征與根-土相互作用等方面探索了植物特征與有效降雨量的內在關系[42],構建了考慮植物根系形狀的地下水滲流與地表徑流耦合運移模型[43],建立了根系增強土體抗剪強度理論(如Wu-Waldron模型、Fiber-Bundle模型、Root-Bundle模型)[44-46],并在此基礎上提出考慮植被作用的斜坡穩定性計算理論[47-49],典型的如式(1)和式(2)所示:

(1)

(2)

式中:Fs為植被發育斜坡的安全系數;Cs為土體黏聚力(kPa);Cr為植被根系所提供的黏聚力(kPa);φ為土體內摩擦角(°);ρs、ρw與ρr分別為斜坡土體、水以及植被根系的密度(kg/m3);D為坡體厚度(m);m為土層深度范圍內的飽和部分;θ為坡角;Br為單位地表面積下的總生物量(kg/m2);Tr為全部根系的抗拉強度(N/m2);K為假設根系均勻分布下根系從體積島面積的轉換系數(m-1)。

但是,植被對斜坡穩定性的作用是復雜的、多方面的,并非都顯現出積極的作用,甚者在一些關鍵問題上還存有爭議。如有研究表明植被對斜坡長期演化和深層滑坡孕育有顯著貢獻[50],對高陡斜坡甚至有促滑作用[51];再如,植被根系在土中所形成的復雜網絡一方面在一定程度上限制土體開裂,減小土體的滲透特性;另一方面則因根系網絡形成的滲流通道深度與截面大小不一而產生優先流,其可能加速雨水的入滲與擴散,亦有可能因根系阻塞而形成滯水平臺。但兩者的協同作用對植被發育斜坡入滲特性的影響尚不清楚[52-54]。圖5即系統的展示了不同工況下植被根系構型對坡體優先流的影響,直觀地再現了其復雜、多面效應。其中,圖5(a)順坡向根系有助于入滲雨水排泄,圖5(b)根端可誘發局部水壓增加,圖5(c)根系分叉可使入滲雨水分散或集中,圖5(d)彎長根系可使入滲雨水分散或集中,具體取決于根系走向,圖5(e)當大多數根系沿坡向上時,易在根莖處形成孔隙水集聚,圖5(f)當多數根系沿坡向下時,其有助于入滲雨水的排泄,圖5(g)向裂縫方向生長的根系增加了雨水匯聚,圖5(h)直根系將雨水向土層深部入滲,若存在縫隙,將排泄至基巖內部;否則,將致使土-巖界面處的孔隙水壓顯著增加,圖5(i)叢生根系可使雨水入滲至坡體淺表層,圖5(j)根簇/群可顯著增加孔隙水壓,圖5(k)根系重疊纏繞且垂直于斜坡時可攔截向下入滲的雨水,導致局部孔隙水壓增加,圖5(l)不同植物根系構型在不同地形地貌條件下,其對植被發育斜坡優先流的影響也各有不同。此外,對不同土體含水率下根-土復合體抗剪強度的變化規律亦有不同認識,一種認為根-土復合體抗剪強度隨著土壤含水量增加而減小,另一種則認為其隨著土壤含水量增加而先增加后減小[55-57]。而即便在區域大尺度上,當前對植被覆蓋度與滑坡時空格局關系也未達成統一認識[58-60]。

圖5 植被根系構型對邊坡優先流影響的示意圖Fig. 5 Illustrations of the effects of root architecture on preferential flow

與此同時,強臺風裹挾著巨大能量,常伴有12級以上的大風,由此對植被發育斜坡的穩定性亦有顯著影響。最直觀的表現即為植被風振效應,其一方面直接導致植被根系周圍土體結構的破壞,降低土體力學性質;另一方面則為雨水入滲提供了更為快速便捷的通道[22]。但當前有關風荷載與植被相互作用的研究多集中于林業工程領域,借助理論分析、數值模擬以及風洞試驗等手段開展一般風場中風荷載作用林木力學特性、模型及風致林木倒伏等方面的研究[61-63]。早在1965年,WRIGHT[64]就建立了平均風速沿樹高度方向分布的指數函數模型;RUDNICKI等[65]、VOLLSINGER等[66]則基于風洞試驗研究了風作用下樹木所承受的風力以及透風系數隨風速的變化規律。同時最新研究發現,在強風作用下(如臺風),樹木運動特性與一般風場作用迥異,其材料和幾何非線性對樹木倒伏影響顯著。進一步的,亦有學者基于單株植物模型提出了考慮等效風荷載作用下的邊坡計算模型[67-68]。典型的,ZHUANG等[9]基于修正的多自由度樹木搖擺模型建立了臺風荷載下樹木力學響應方程,如式(3)～式(5)所示:

(3)

(4)

Gi=mig·sinθi·cosθi

(5)

式中:m,c,k,φ分別為第一個模態的質量、阻尼、剛度和形態;y是其相關的廣義位移;Fwi為風荷載;ht為樹高;ρ為空氣密度;Cd為阻力系數;Af為正面面積;u為風速;θi則為該段相對于垂直方向的傾角。

總體上,臺風暴雨下植被對斜坡穩定性的影響是“風雨同舟”作用下水文效應與力學效應共同作用的結果,而先前研究更多的是將水文效應和力學效應單獨進行分析,尤其缺乏探索植被在風驅雨作用下致使斜坡地表裂隙萌生、優先入滲的動態過程,致使所得的結論存在一定局限性和不完整性,難以全面體現植被對斜坡穩定性的復雜作用。

2.3 降雨型滑坡的預警預報

如何實現降雨型滑坡預警預報的精確性、時效性一直是防災減災的關鍵環節。當前,降雨型滑坡預測模型的研究主要集中在兩大方向:一種是基于統計學原理探求降雨特征與滑坡之間數學關系的統計預測模型,近年來該模型由于數學方法和電子計算機技術的日益成熟而逐步得到廣泛應用。在降雨型滑坡的統計研究中,降雨臨界值選取的判別指標多種多樣,其中有基于降雨強度的時降雨強度指標和日降雨強度指標[69],有基于累計降雨量的24 h降雨量、12 h降雨量,甚至前15 d累計降雨量指標[70-71],也有降雨強度-降雨持時、累計降雨量-歷史閾值的雙因素判別指標[72-73]。表1和表2分別統計給出了全球和我國典型區域降雨型滑坡的降雨閾值及其適用范圍。顯然,統計預測模型在作為區域滑坡災害預報時具有簡便易用的特點,但該模型往往過于強調數據間的統計關系,無法闡釋降雨誘發滑坡發生的內在機制,只能適用于特定區域,且當缺乏足夠的滑坡案例及降雨資料時,降雨臨界值的選擇含有較強的主觀成分。

表1 全球典型區域降雨型滑坡的降雨閾值Table 1 Rainfall thresholds for rainfall-landslide around the world

表2 我國典型地區降雨型滑坡降雨閾值Table 2 Rainfall thresholds for rainfall-landslide in China

另一種是從降雨誘發滑坡機制出發的動力預測模型,其又可分為單體滑坡預測模型和區域滑坡耦合預測模型。前者主要是基于滑坡位移監測數據開展單體滑坡成災機理的研究并對其位移演化發展做出預測[101-103],也即是說其僅對單體邊坡的穩定性進行預測預報;后者是以降雨誘發滑坡啟動的力學機制為基礎,將雨水入滲模型、水文模型與邊坡穩定分析模型進行有機耦合。特別是地理信息系統(geographic information system, GIS)的快速發展,為耦合預測模型的研究提供了寬廣的平臺,并產生了眾多基于GIS的滑坡耦合預測模型。具有代表性的有SHALSTAB (shallow landslide stability model)模型[104-105]、SINMAP (stability index mapping)模型[106-107]、DSLAM (distributed shallow landslide model)模型[108]和TRIGRS (transient rainfall infiltration and grid-based regional slope-stability model)模型[109-110]等。這些模型均具有各自的優勢但同時也存在一定的不足,如SHALSTAB模型和SINMAP模型未考慮復雜降雨過程與動水壓力對邊坡穩定性的影響;TRIGRS模型雖然可用于復雜的降雨工況,但其在計算邊坡穩定性時仍采用理想化的均質邊坡模型。除此之外,一些學者在此基礎上進一步發展了能考慮巖土體參數不確定性的滑坡耦合分析模型,但其僅考慮土體強度參數(如黏聚力和內摩擦角)的不確定性,而忽略表現為強變異性的飽和滲透系數和降雨的時空分布特性[111-113]。

總體來說,上述研究成果對臺風暴雨型滑坡的防控與應急發揮了積極的作用。但是統計資料表明,因當前統計預警模型和動力預警模型所提取的預警指標過于單一,使其在預警時間和預警范圍上并不具有優勢,其成功預警率并不理想[114-115]。更重要的是,不論是統計預警模型還是動力預警模型均未充分考慮植被對滑坡的復雜作用,嚴重降低高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡預警預報的精確性和時效性。

3 討論與展望

3.1 當前研究存在的不足

縱觀國內外研究,有關高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡的研究在成災機制與預警模型方面仍存在以下深層次的問題亟待解決。

1)臺風-暴雨共同作用下植被發育斜坡的水文動態響應刻畫不足

斜坡因其所處的復雜地形地質條件與上覆植被作用往往造成土體入滲特性在空間上具有明顯分區、分帶和各向異性等特征。尤其是植被發育斜坡中裂隙、植被根系等所構成的優先流通道,促使其以非均衡優先流的方式發生垂向和側向快速下滲以補給地下水,或集聚形成滯水平臺。與此同時,臺風還通過植被將風荷載傳遞至斜坡內部土層,致使坡體表面裂隙萌生并促使雨水有優先入滲。但是,目前尚缺乏臺風-暴雨共同作用下植被發育斜坡的雨水優先入滲的現場監測或試驗數據,更缺乏復雜地形地質條件下考慮植被作用的大氣降雨-地表水-地下水轉化過程的理論模型,難以定量刻畫臺風-暴雨共同作用下植被發育斜坡的水文動態響應。

2)高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡成災機制仍不清晰,以及由此導致滑坡穩定性評價方法缺乏針對性

本質上講,滑坡災害是一種具有時空屬性的環境地質問題。但當前在揭示其失穩機制時,往往側重氣象、工程擾動等外界環境的作用,而對滑坡自身地質條件和植被作用的復雜性考慮不足。例如,福建省廣泛發育有由巖層與上覆殘坡積松散堆積層組成的二元結構邊坡,對該類邊坡的失穩啟動,植被僅能起到延緩作用,對其破壞模式并無決定性影響。此外,在研究植被作用時,仍將其水文效應和力學效應進行單獨分析,未考慮其水-力耦合作用。

進一步的,因高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡的成災機制仍不清晰,在評價其穩定性時,未考慮植被根區的優先流效應,且多將植被根系對土體的貢獻直接模擬為增加土體的黏聚力,或將含根系土層視為復合增強層,進而過高估計其穩定性。另一方面,植被根系表現為顯著的時空變異特性,其與生長齡期、空間位置等密切相關,而當前的確定性評價方法則難以反映其隨機性。

3)考慮多參量耦合的高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡動態預警模型鮮有涉及,已有預警模型對群發型滑坡災害的精細化、精準化預警不足

由于臺風暴雨觸發的滑坡具有分布廣、突發性強、位置不明確等特點,其預警模型的構建開始向多尺度、精細化方向發展,但在其發展過程中,還存在諸多關鍵問題。例如,在區域尺度上,如何快速精確的獲取高植被覆蓋區斜坡的基礎數據?能否基于植被指數信息反演植被根系的空間分布特征并量化根系對土層抗剪強度的貢獻?能否充分體現高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡的復雜孕災環境和成災機制?在單體滑坡尺度上,結合其失穩力學機制,哪些監測指標可直接或間接作為臺風暴雨條件下植被發育斜坡的失穩判據?能否在繁多的監測數據中凝練動態預警指標以提升預警精度與時效。

3.2 今后工作方向與展望

高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡是地質-植被-氣象多要素共同作用的結果,其研究涉及工程地質學、植物學、計算力學、地球信息科學等多個學科分支,必須注重多學科的交叉融合,筆者建議從如下4個方面開展研究。

1)繼續查明高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡的復雜孕災環境與其特征規律

綜合運用資料調查、遙感解譯及地質大數據分析等手段查明典型高植被覆蓋區的臺風氣象條件(歷史登陸臺風的頻次、風力、風速及降雨中心位置、強度、持續時間等)、植被特征(植被群落的形貌特征、根系形態、植被覆蓋度)與地質背景(地形地貌、工程地質、水文地質及人類活動)等復雜孕災環境及其與臺風暴雨型滑坡發育規律(時間、地點、規模、災害特征等)的關聯特征,并建立植被發育斜坡的典型地質概化模型。

2)深入揭示臺風暴雨下植被發育斜坡的水文響應規律

植被發育斜坡對臺風暴雨的響應過程復雜。首先,可開展植被截流野外觀測試驗,定量研究臺風-暴雨共同作用下植被截流效應與其降雨再分配過程;其次,開展臺風-暴雨共同作用下含植被的土柱入滲試驗,研究臺風荷載下植被根系松動區范圍,刻畫風驅雨作用下植被致使斜坡地表裂隙萌生、優先入滲的動態過程;進一步的,開展典型植被根系優先流染色原位入滲試驗,捕捉植被根土的優先流路徑的分布特征;最后,基于飽和-非飽和滲流理論,建立復雜地質地形條件下考慮植被根區優先流和根系吸水作用的地表徑流與地下水滲流的水分運移模型,揭示臺風暴雨下植被發育斜坡的水分運移規律與其孔隙水壓的分布特征,如圖6所示。

圖6 臺風暴雨下植被發育斜坡的水文響應示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the hydrological response of vegetated slopes under typhoon storms

3)重點建立高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡臨滑判據與其穩定性評價模型

臺風暴雨型滑坡多表現為突發性,其本質即為其孕育發生是一個從漸變到突變的過程。綜合運用室內模型試驗、數值模擬以及理論分析等手段,研究復雜孕災環境下植被發育斜坡的成災全過程與失穩模式;以經典的齋藤3階段變形曲線為依托,基于多維多物理量表征信息(位移、應力、含水量、水位、孔隙水壓、雨量、植被特征等),建立滑坡不同失穩演化階段的變形特征、轉化條件與臨滑判據(圖7)。

圖7 齋藤3階段變形曲線Fig. 7 Three-stage deformation curve of landslide proposed by Saito

進一步的,在建立植被發育斜坡的穩定性計算模型時,可嘗試根據植物的形態學和生理學特點,量化影響斜坡穩定性的植被特征參數。如,植物自重荷載擬通過植物高度、胸徑、樹形和樹齡等生長特性予以簡化確定;植被根土相互作用的定量表達則著重考慮植被根系密度、傾向、分支點以及分支結構等特征,建立定量描述根系錨固作用與加筋作用下土體抗剪強度增量的等效模型; 植被風荷載則嘗試基于風洞數值模擬試驗分析不同植被類型、地表粗糙度以及坡面形態等工況下的植被風荷載體型系數及其傳遞至土層的荷載分布模式。

4)嘗試構建臺風暴雨預報-過境-離境全過程的高植被覆蓋區滑坡的預警模型

臺風與其裹挾而來的暴雨路徑復雜且難以預測,加之影響范圍廣泛,因此,構建時空多尺度預警模型以實現滑坡易發區的識別與精準定位是防災減災的落腳點。此時,可從開發融合機理和過程的物理模型與大數據機器學習模型入手,針對高植被覆蓋區的臺風暴雨型滑坡提出基于實時臺風暴雨路徑的分級預警指標與其分級區間。

其中,在構建物理預警模型時,可通過研究典型植被根冠異速生長關系,進而實現基于植被指數反演植被根系的空間分布特征;同時,為獲取高分辨率、高精度的數字高程模型,可基于機載LiDAR實現高植被覆蓋區斜坡地形地貌信息與植被信息的快速提取,其示意圖如圖8所示。

4 結論

文中在系統總結浙閩兩省高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡發育特征并回顧當前研究現狀的基礎上,得到如下結論:

1)高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡基本上為未固結的第四系殘坡積層和基巖全風化的淺層土質滑坡,且坡面植被覆蓋度一般較高,其啟動時間多與臺風登陸-離境過程大致同步,發育分布位置及密度與臺風風荷載密切相關。

2)重點梳理并剖析了臺風暴雨型滑坡成災機制、植被對斜坡穩定性的影響及其預警預報的研究現狀與不足,藉此指出了當前有關高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡的研究仍存在臺風-暴雨共同作用下植被發育斜坡的水文動態響應刻畫不足、成災機制仍不清晰以及由此導致滑坡穩定性評價方法缺乏針對性、考慮多參量耦合的動態預警模型鮮有涉及且已有預警模型對群發型滑坡災害的精細化、精準化預警不足等亟待解決的深層次問題。

3)高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡是地質-植被-氣象多要素共同作用的結果,其研究須注重多學科的交叉融合,建議未來研究應繼續查明高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡的孕災環境與其發育規律,揭示臺風暴雨下植被發育斜坡的水文響應規律,建立高植被覆蓋區臺風暴雨型滑坡臨滑判據與其穩定性評價模型,最終構建臺風暴雨預報-過境-離境全過程的高植被覆蓋區滑坡的動態預警模型。