基于耦合数值模拟的土壤深度对浅层滑坡与泥石流时空效应评估研究

本研究针对土壤深度对降雨诱发浅层滑坡及后续泥石流的时空影响机制不清的问题，通过开发滑坡-泥石流耦合数值模型（TiVaSS-Deb2D），采用坡度模型（S）、高程模型（Z）和均匀模型（U）三种土壤深度配置方案，模拟2011年韩国牛眠山灾害事件。研究发现土壤深度增加会延迟滑坡启动时间但扩大灾害规模，同时显著影响泥石流的侵蚀裹挟过程。研究为无资料山区地质灾害预测提供了关键参数敏感性分析和模型优化方案，对灾害风险管理具有重要实践意义。

　　

在全球气候变化背景下，降雨诱发的浅层滑坡及其向泥石流的转化已成为山区最具破坏性的地质灾害之一。这类灾害往往具有突发性强、破坏力大、预测困难等特点，对人类社会构成严重威胁。尽管近年来遥感技术和数值模拟方法取得了长足进步，但研究者们发现一个关键参数——土壤深度的空间变异性及其时空效应——仍然未被充分认知。由于直接获取大范围山区土壤深度数据存在巨大困难，如何准确估算这一参数并评估其对灾害过程的影响，成为地质灾害预测领域的瓶颈问题。

韩国首尔牛眠山2011年发生的重大滑坡-泥石流灾害事件为深入研究这一问题提供了理想案例。该事件发生在城市化山区，造成重大人员伤亡和财产损失，且有详细的现场调查数据和气象记录。由韩国地球科学与矿产资源研究所的李承俊等人组成的研究团队，在《Progress in Disaster Science》上发表了这项创新性研究，通过耦合数值分析方法系统揭示了土壤深度对浅层滑坡和泥石流时空分布的影响机制。

研究采用了两个核心数值模型：TiVaSS（Time-variant Slope Stability，时间变异边坡稳定性）模型进行三维地下水流分析和边坡稳定性评估，以及Deb2D（Debris flow 2D）模型基于浅水方程进行泥石流运动模拟。研究人员创新性地将两个模型耦合，将TiVaSS模拟的滑坡区域（位置、规模和深度）作为Deb2D的输入源，实现了从滑坡触发到泥石流运动的全过程分析。

关键技术方法包括：1）基于10m分辨率DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）的滑坡分析和5m分辨率DEM的泥石流模拟；2）三种土壤深度映射方法（坡度基础的S模型、高程基础的Z模型和均匀深度的U模型）；3）采用ROC（Receiver Operating Characteristic，受试者工作特征）方法进行模型性能定量评估；4）结合现场58个钻孔数据验证模型准确性。

研究结果方面：

3.1. 滑坡模拟结果显示土壤深度配置显著影响滑坡时空特征。S模型预测滑坡发生时间比实际提前3小时（06:00），发生在平均坡度30.4°的较陡区域；Z模型预测延迟7小时（16:00），发生在平均高程132m的较低区域。U模型分析表明，土壤深度从1.00m增加到2.75m时，滑坡发生时间从06:00延迟到14:00，但灾害规模不断扩大。ROC分析显示U模型在2.75m深度时空间错误率最低（0.496），但时间误差最大（5小时延迟）。

3.2. 泥石流模拟结果表明土壤深度通过影响初始滑坡规模进而控制泥石流强度。S模型模拟的泥石流影响范围与实际情况吻合较好（错误率0.378），而Z模型虽然准确率较高（TPR 0.871）但错误率也更高（0.435）。U模型分析发现1.75m土壤深度时错误率最低（0.369），表明存在最优土壤深度值。深土壤条件增加了可侵蚀物质体积，提高了泥石流最大流动高度，但最终堆积范围受地形控制。

4.1. 讨论部分深入分析了土壤深度的时空效应机制。研究表明土壤深度D出现在安全系数公式(9)的第一和第三项分母中：增加土壤深度会削弱根系凝聚力（第三项）但同时减弱降雨入渗对稳定性的负面影响（第一项），导致整体边坡稳定性提高和启动延迟。然而当降雨充分饱和土壤层后，第一项（压力水头ψ和有效饱和度S_e）主导作用增强，深土壤条件反而放大不稳定性。

研究还发现滑坡发生时间选择对模拟准确性有显著影响。基于模拟确定的发生时间比固定使用实际时间（09:00）的预测准确性更高，误差率变化最高达0.432/小时。泥石流模拟中的误差被侵蚀裹挟过程放大，特别是在预测发生时间晚于实际时间的场景中。

4.2. 研究承认存在一定局限性，包括假设所有滑坡同时转化为泥石流、使用统一流变参数，以及未明确考虑植被对边坡稳定性的影响。作者指出这些因素在具有显著地理变异的大流域中需要更差异化处理。

研究结论强调土壤深度是控制滑坡启动时间和规模以及泥石流影响程度的关键因素。当缺乏直接土壤深度数据时，基于坡度的S模型比基于高程的Z模型提供更可靠的预测结果。均匀深度模型分析表明，选择接近研究中值的土壤深度（1.75-2.25m）可获得最佳模拟效果。这些发现不仅深化了对降雨诱发滑坡-泥石流灾害机制的科学认识，而且为无资料山区地质灾害评估提供了实用框架，对发展更稳健的预测模型和风险管理策略具有重要价值。

该研究的创新性在于首次通过耦合数值模拟系统量化了土壤深度对滑坡-泥石流全过程的时空影响，揭示了土壤深度与降雨强度的交互作用机制，为地质灾害预测中的参数敏感性分析提供了新范式。研究成果对山区城乡规划、灾害预警系统建设和应急管理具有直接指导意义，特别是在面临气候变化导致极端降雨事件增加的背景下，这种基于物理过程的模拟方法将变得越来越重要。