建立基于物理的模型以评估流域尺度的降雨引起的浅层滑坡风险：以意大利索伦托半岛为例
摘要
流域尺度的降雨诱发浅层滑坡灾害评估是一个重大挑战。传统的滑坡危险性评估经验方法往往假设过去造成滑坡灾害的条件在未来不会改变。这一假设在气候变化情景中可能站不住脚。因此，基于物理的模型(PBM)代表了包括气候变化影响的自然方法。原则上，PBMs需要结合三维(3-D)机械模型和水流模型。然而，由于流域尺度的全三维有限元模型需要相对较小的单元来捕捉孔隙水压力梯度，为此，引入了力学模型(即无限坡度)和水流模型(即一维或混合三维模型)的简化，这些模型通常基于先验假设，且未得到实验证据的证实。本文提出了一种基于地质勘察和岩土工程勘察的自下而上建立PBM的方法。首先，将PBM设置为尽可能简单，然后，如果该模型无法模拟过去的滑坡事件，则将其移至更高的复杂度。该方法用于索伦托半岛的案例研究和1996-1997年冬季记录的两次大陆滑坡事件。
关键词：降雨、流状滑坡、非饱和土体、水流。
前言
由降雨引起的大面积滑坡是主要的自然灾害之一，造成了重大的经济和人员损失。流域尺度的滑坡灾害时空评价是制定滑坡风险缓解措施的关键。
滑坡灾害可以用经验方法量化。这些方法是基于滑坡发生的历史记录与易感性或触发因素的关联，这分别导致了易感性地图和降雨阈值的形成。敏感性图的主要局限性是识别坡度易导致滑坡的因素，这是基于对滑坡机制的直观了解，而不是基于集水区的物理模型（PBM）。相比之下，经验降雨量阈值通常基于过去曾造成山体滑坡的降雨量和(或)强度-持续时间的最小或“安全”阈值。降雨量阈值的保守性可能会导致错误警报，从而对预警系统失去信心。总体而言，传统的经验模型隐含地基于这样的假设，即过去导致失败的地貌和气象条件将在未来保持不变。这一假设在气候变化情景中不太可能成立。
如果通过PBMS对滑坡风险进行量化，就可以克服这些限制。这些模型结合了引发滑坡的力学模型和雨水渗透的水力模型。原则上，集水尺度的分析包括三维稳定性分析和三维水流分析。虽然三维分析对单个滑坡来说并不是一个挑战，但如果区域延伸到几公里，并且孔隙水压力剖面需要以厘米的分辨率确定，那么计算负担就会变得令人望而却步。
因此，为流域尺度分析而设计的PBM已被简化，以将问题缩小到二维或一维条件。实际上，大多数边坡破坏力学模型都是基于一维无限大边坡的。
相反，考虑了不同的方法来模拟雨水入渗和侧向流动。一组模型只考虑饱和水流，忽略了土体剖面非饱和上部对水分再分配机制的影响。这些措施包括SHALSTAB、TRIGRS和SHIA-Landslide。第二组考虑了非饱和流动。考虑一种混合三维水流模型，该模型将侧向流动与垂直流动解耦。但是，后者是使用流域的相对粗离散化来建模的，这可能无法捕获雨水渗透过程中可能产生的高孔隙水压力梯度。Savage等人（2004），Baum等人（2010），以及Papa等（2013年）考虑一维垂直渗透以实现水流的封闭形式分析解决方案。
这些方法的共同点是，流域尺度的水力模型是先验建立的，没有考虑到特定区域的具体山坡水文和滑坡机制。水力模型的目的是“通用”的，因此以“自上而下”的方式适用于任何集水区。
本文提出了另一种“自下而上”的方法来模拟降雨诱发的浅层滑坡。PBMs是根据历史滑坡事件的地质、地貌和岩土调查而建造的。首先，将PBM设置为尽可能简单，然后，如果该模型无法模拟过去的滑坡事件，则将其移至更高的复杂度。换言之，PBMs的机械部件和液压部件最初都采用一维方案。然后，针对历史上发生的山体滑坡事件对其进行测试。如果测试是否定的，则模型被放大到更高的复杂性级别(例如，2-D流)。
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