我国单体滑坡模拟和区域滑坡易发性评价研究进展

吴赛男，田 毅，2

(1.中国地质大学(北京)土地科学技术学院，北京 100083；2.北京市国土资源信息研究与开发重点实验室，北京 100083)

0 引言

滑坡是指斜坡上的岩、土体由于受多种因素(地震、降水入渗及水流冲刷、人工挖破等)的影响，在重力作用下，沿着一定的软弱面(带)整体或分散顺坡向下滑动的自然现象及其形成的地貌形态，俗称“走山”、“垮山”、“地滑”、“土溜”、“山剥皮”等。随着近年来自然环境演化和人类工程活动对自然环境的改变，作为主要地质灾害之一的滑坡灾害频发，给人民的财产和生命安全造成极大的威胁。据国家测绘地理信息局统计，2008年1月至2017年3月全国共发生山体滑坡486次，开展滑坡模拟已成为减灾防灾的重要内容。研究滑坡灾害形成机理、开展滑坡启动预警，既是保护人民财产和生命安全的需要，更是减灾防灾与自然资源管理决策的需要。因此，分析滑坡灾害研究内容、研究方法、研究模型的发展变化及其各自的优缺点，总结滑坡地质灾害研究的发展趋势，无疑对今后的滑坡稳定性评估、成灾预警及灾害治理具有重要的指导作用。

1 数据来源及研究思路

本文以万方数据库为文献检索平台，以“滑坡”“模拟”作为检索项进行篇名或关键词检索，检索时段为1988年至今。对初步筛选得到的文献，利用NoteExpress软件，开展作者、年份和关键词等信息的提取和归纳，分析滑坡模拟研究变化趋势，总结研究现状与不足，进而提出滑坡模拟未来发展建议。

本研究采用文献计量法与内容分析法相结合的研究方法，分析我国滑坡模拟进展，为地质综合减灾防灾与自然资源统一管理提供决策参考。

2 滑坡模拟研究发展与研究领域拓展

2.1 研究趋势

1988年后随着计算机的发展，我国的滑坡滑坡模拟研究开始起步。2000年后，随着现代信息技术、测绘技术和虚拟现实技术的发展，相关研究进入快速增长期。2007年前后，由于我国地震诱发的次生灾害频发，滑坡模拟研究出现第一个研究高峰期。2010年后，伴随着我国城镇化快速推进，中西部基础设施建设的加快，滑坡灾害多发，相关研究进入快速发展期(图1)。

图1 滑坡模拟相关研究论文数量的年度变化趋势(1988～2018)Fig.1 Annual trend of research papers on landslide simulation(1988～2018)

2.2 主要研究内容

对关键词进行统计可获得滑坡模拟研究的热点。经对1988年至今的1 121篇文献利用NoteExpress软件统计发现，共涉及2 743个关键词、累计出现6 522次。其中，关键词出现频次小于30的有2 726个。为此，本文将30频次作为标准线区分高、低频关键词(表1)，进而从关键词的特性进一步分析主要的研究内容。

表1 滑坡重点热点高频关键词统计

从表1可知，我国滑坡模拟研究领域主要集中在滑坡机理研究、滑坡模拟方法、滑坡治理研究以及重点区域研究。其中，涉及研究机理的关键词频次为345，尤其是滑坡稳定性分析；涉及技术方法的关键词频次为841，尤其是为滑坡数值模拟；涉及滑坡应用治理关键词频次为101，尤其是抗滑桩研究与应用；涉及研究区域的关键词出现频次达85，主要集中在三峡库区和黄土高原。

2.3 作者分析

统计显示，滑坡模拟研究涉及作者2 088人次，篇均合作度为1.84。从作者合作性情况看，合作性研究609篇，占比53.66%，说明合作性研究是该类研究的主要形式(表2)。同时，以个人独立研究也有一定占比。

表2 论文作者合作情况

通常，统计研究群体的分布特征可以客观地体现该领域研究领导核心群，从而进一步把握研究重难点。根据普赖斯理论[1]，核心作者中发文量最多的作者所发论文(Nmax)与发文量最少作者所发论文量(Nmin)关系密切公式(1)。

Nmin=0.749×(Nmax)1/2(1)

根据公式1计算可知，本领域核心作者最少发文量Nmin=2.90篇(在此本文取整为3篇)，发文量大于3篇可列入核心作者，人数为119人，是滑坡模拟研究领域的核心作者或核心作者群。其中，来自成都理工大学的许强教授的发文量最多，达15篇。另外，分析发文量前五的作者，分别来自成都理工大学、生态环境部、上海交通大学、自然资源部地质灾害技术指导中心、浙江大学等科研院所与大学，研究重点涉及地质灾害评价、监测预警方法研究、边坡稳定性分析等方面，说明滑坡模拟研究在我国已呈现多部门、多领域、多学科共进的特点(表3)。

2.4 期刊统计分析

按期刊载文数量递减顺序进行统计排列，根据布拉德福定律，在各个分区文章数量大约相等的情况下，可将文献综述研究的期刊分为核心区、相关区、非相关区三个区，其期刊数量成1∶n∶n2(n为常数)的关系[2]。基于该定律，本文计算得到滑坡模拟研究的期刊数量比中核心区、相关区、非相关区依次约为1∶5∶18，即n值为5。按照布拉德福定律，发文量在前25名的期刊为本领域研究的核心区期刊(表4)，这些期刊载文量占整个研究领域的46.66%。其中，排名前三的依次为《工程地质学报》(总研究占比5.06%)、《岩土力学》(总研究占比4.40%)、《岩石力学与工程学报》(总研究占比4.24%)。

表3 核心作者及其研究情况

表4 核心期刊及发文量

3 物理模拟与数值模拟相结合与滑坡模拟三新趋势

3.1 研究方法

目前，我国滑坡模拟方法研究主要是开展滑坡运动过程分析，涉及方法包括经验统计法、力学模型计算法、物理模型试验法以及数值模拟法等方面[3]。其中滑坡模拟方法以滑坡运动过程分析为主、滑坡模拟以物理模拟与数值模拟相结合为主(图2)。

图2 滑坡动态模拟方法年度变化Fig.2 Annual change of dynamic simulation method of landslide

其中，经验统计法研究方面，从2007出现，逐步增多。例如，王思敬教授、王效宁博士在对我国数个大型滑坡运动机理研究基础上,通过滑坡全过程能量分析,提出了最大滑速及滑距计算公式。甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所结合多个典型黄土滑坡灾害实例的研究反演,提出了考虑滑出条件的黄土滑坡空间预报理论模型。

力学计算模型法中，应用最为广泛是滑坡块体模型法，包括单一质点块体模型、独立单元模型以及可变块体运动二维模型等[4]。例如，刘忠玉等[5]建立了预测高速滑坡远程的块体运动模型。

物理模拟法主要包括室内实验室模拟和现场模拟。例如，任光明等[6]利用物理模拟再现顺层坡滑坡的形成机制；范宣梅等[7]以四川省宣汉县天台乡滑坡为地质原型,通过物理模拟再现滑坡的变形破坏过程；张健等[8]结合野外现场调查,利用三维振动台物理模拟试验,研究了大光包滑坡在地震作用下的启动机制与破坏过程,探讨了滑坡发生与坡体结构的密切关系；曹从伍等[9]基于物理模拟实验对黑方台黄土滑坡破坏机理进行研究；易志坚等[10]采用物理模拟中的底摩擦试验方法和离散元数值计算对唐古栋滑坡的成因机制进行分析；张灵熹等[11]基于工程地质勘察,建立边坡地质模型,结合底摩擦试验、二维离散元和有限元模拟等方法,探讨云盘头滑坡的变形破坏机制。

从2007年起，数值模拟法逐步成为主要研究方法，包括连续介质模型和非连续介质模型2类。其中，DAN-W 和 DAN-3D 是连续介质模型的典型代表，非连续介质模型多采用离散单元法[3]；齐超等[12]通过滑坡动力分析软件DAN-W分别建立了摩擦模型、Voellmy模型和F—V等3种不同的滑坡数值模型，对东河口滑坡一碎屑流进行了模拟；高杨等[13]通过二维DAN-W模拟,选取Frctional、Voellmy等流变模型,模拟了滑坡运动的整个过程。柴贺军等[14]运用离限单元法模拟藏渡密县易贡多发生大型山体崩滑体破坏、运动全过程。

3.2 研究模型

根据模型是否考虑滑坡内在的物理力学机制可以分为确定性模型和非确定性模型方法，非确定性模型通常包括统计模型、模式识别模型、模糊数学模型以及一些复合模型[15]。

确定性模型是在滑坡失稳的物理过程和力学机制基础上，以稳定性状态为评价指标，结合基础区域空间数据对区域滑坡发生的危险性进行评价预测[15]。例如，陈悦丽等[16]应用 SHALSTAB模型计算安全系数；武利[17]以陕西省略阳县为试验区构建了分布式斜坡稳定性定量评估模型SINMAP；夏蒙等[18]以山西兴县某典型黄土斜坡为例，结合TRIGRS模型与Rosenblueth点估法，研究了降雨对浅层黄土滑坡的影响(表5)。

表5 滑坡确定性模型对比分析表

非确定性模型通常包括统计模型，模式识别模型，模糊数学模型以及一些复合模型，各种方法还在不断发展完善中[15](表6)。例如，王志旺等[19]采用证据权法对长江三峡库区秭归——巴东段进行了滑坡危险度区划研究。安凯强等[20]运用信息量支持下的SVM模型对三峡库区滑坡灾害易发性进行评价，并以模型决策值的零点和突变点确定易发性等级划分标准。刘玉洲等[21]采用二级模糊综合评判的方法对三峡库区的实际滑坡进行了稳定性的计算。

表6 滑坡非确定性模型对比分析表

3.3 发展趋势

近年来，随着三维建模理论和方法在地质体和地形领域广泛应用，基于“3S”技术、三维动态建模和虚拟现实技术，滑坡模拟出现了“数据采集新、数据分析新、可视化方式新”的“三新”趋势，滑坡模拟研究进入新领域。例如，申杰等[22]开展了免标定扩充现实技术在滑坡可视化中的应用；王旭春等[23]探讨了GIS可视化技术在滑坡主滑动方向确定、建筑物适宜程度综合解析方面的应用；乔建平等[24]将GIS与人工智能结合实现三维可视化滑坡危险度评价。祝文化等[25]利用可视化软件IDL，建立了基于 Delaunay三角网的滑坡体规则格网地面模型和滑动面三维可视化模型；张昆等[26]基于3D GIS技术,结合具体的滑坡变形监测工程实例,采用不规则三角网和等高线构建了滑坡体三维模型；肖盛燮等[27]基于VC和OpenGL的三维滑坡可视化演绎系统采用跟踪球算法完成了灵活的人机交互功能；李明超等[28]开展了面向滑坡地质体三维建模的NURBS-BRep混合数据结构和地质结构单元实体构造技术；刘釜保[29]基于3DSMax与OpenGL相结合对复杂物体建模对水库库岸滑坡进行可视化研究；李建辉等[30]阐述了滑坡点云数据采集、数据处理、三维模型可视化的基本方法,实现了滑坡体地形精细三维模型制作；谭冬生等[31]通过应用Open GL软件成功开发出滑坡三维可视化软件。

4 结束语

综合而言，滑坡模拟研究由起步进入快速发展阶段，重点热点主要涉及滑坡机理、滑坡模拟、滑坡治理以及重点区域，滑坡灾害空间预测方法地区性差异研究是其研究难点，呈现多部门、多领域、多学科共进状态。与此同时，滑坡模拟方法以滑坡运动过程分析为主、滑坡模拟物理模拟与数值模拟相结合，呈现 “数据采集新、数据分析新、可视化方式新”的三新趋势。考虑到滑坡灾害空间预测方法区域性研究理论相对不成熟，因此在可视化基础上开展特定区域空间连续自动预测是该领域发展方向。