在模拟滑坡体流动、泥石流和山洪暴发过程中，纵向侵蚀与横向侵蚀的整合

《Journal of Hydrology》：Integration of vertical and lateral erosion in modelling landslide mass flows, debris flows and flash floods

　　

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  开发了一种深度平均模型，用于耦合垂直溢流和侧向河岸侵蚀过程。
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  由耦合侵蚀驱动的河道演化机制包括河岸变陡、崩塌和逐步加宽。
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  通过水槽试验和典型危险案例验证，该模型为地质灾害评估提供了有效的工具。

引言

大规模地质灾害（如滑坡、泥石流、洪水和溃坝洪水）总是伴随着大量河道沉积物的冲刷和携带（Croissant等人，2017年；Iverson，2012年；Gregoretti等人，2019年；Wang等人，2022年）。这一过程改变了物质组成（例如固体浓度），并影响了流动物质的物理性质（例如流动阻力）（Takahashi，1981年；Jiang等人，2021年；Frank等人，2017年）。该过程还促进了河道形态特征（例如横截面宽度和河道深度）的重新配置，对后续的滑坡和泥石流事件有着直接影响（Westoby等人，2023年；Ning等人，2024年）。物质流动会侵蚀河道底部沉积物（即溢流侵蚀；图1d），使相邻的河岸斜坡变得更陡，并引发不稳定物质的脱落（即河岸崩塌；图1e）。这些脱落的物质被卷入移动的泥石流中，导致河道加宽（即侧向侵蚀；图1f）。此类事件曾多次发生，例如2000年的Yigong灾害（Delaney等人，2015年）、2009年的Spreitgraben事件（Frank等人，2015年；Geotest等人，2009年）以及2018年的Sedongpu灾害（Jiang等人，2025a）。现有的研究主要集中在流动物质溢过河道沉积物时的向下侵蚀现象，即溢流侵蚀（Iverson，2012年）。然而，很少有研究量化侧向侵蚀及其相关影响（Lyu等人，2017年；Choi等人，2018年）。

理解侧向侵蚀和河岸崩塌对于地貌变化分析和多灾种分析非常重要（Lyu等人，2017年）。先前的研究表明，侧向侵蚀可以增加径流河道的宽度，促进物质流动并放大灾害威胁（Frank等人，2015年）。此外，侧向侵蚀还可以将地质物质引入径流河道，增加流动物质的质量，从而影响流动行为（Rema?tre，2006年；Godt和Coe，2007年）。残留的河岸崩塌沉积物在后续滑坡-泥石流级联灾害引起的溢流侵蚀过程中也可以作为可侵蚀的物质（Lyu等人，2017年）。

基于物理的侧向侵蚀和河岸崩塌模拟是量化与物质流动相关的级联灾害的强大工具。常见的方法是首先描述河道的地貌特性及其横截面几何形状，然后通过直接模拟预定义的横截面剖面来进行一维侵蚀分析。径流河道的侧向扩展通常通过两种主要方法来处理：河岸坡度稳定性分析（Chen等人，2015年；Xue等人，2021年）和经验缩放关系，其中床面侵蚀率通过校准的侧向侵蚀系数进行缩放（Chang等人，2010年；Song等人，2022年）。然而，这些模型无法准确捕捉河道床面与滑动河岸斜坡之间的复杂二维流动现象。由于侧向侵蚀和河岸崩塌过程的简化，这些模型往往无法完全捕获流体动力学和地貌过程之间的复杂相互作用。

三维计算（3D）流体动力学模拟是模拟滑坡-泥石流级联灾害中传播和侵蚀过程的强大工具，例如Flow-3D和Ansys Fluent（Wang等人，2024年；Zhang等人，2023年）。在3D模拟中，灾害传播是通过求解三维纳维-斯托克斯方程来模拟的，而侵蚀现象则使用床面载荷传输方程来处理（Haun等人，2011年；Wang等人，2024年），例如Exner方程（Coleman等人，2009年）。然而，流体动力学方法无法模拟河岸崩塌过程。大型变形计算方法，如平滑粒子流体动力学和物质点方法，被用来分析河岸坡度不稳定性和滑坡-泥石流动力学（Shen等人，2024年；Li等人，2024年）。然而，这些方法的计算效率较低且成本较高，限制了它们快速计算大范围地区级联灾害的能力。

深度平均数值模拟方法（2D方法）假设流体深度远小于域的水平尺度，从而忽略了垂直速度差异。2D方法能够在降低计算成本的情况下有效模拟大规模区域内的物质流动传播（Xia等人，2023年）。由于其三维复杂性和流体动力学条件、河岸稳定性和沉积物传输动力之间的复杂相互作用，这种模拟存在挑战（Dazzi等人，2019年）。在实际应用中，通常采用简化的数值方法。可以通过具有预设几何特性的时变地形来模拟渐进式河岸崩塌（Dewals等人，2011年），或者将浅水方程（SWE）与沉积物传输模型结合起来（Faeh，2007年；Guan等人，2014年；Swartenbroekx等人，2010年）。一些模型的核心原理是在局部坡度超过临界坡度角时对其进行重塑（Swartenbroekx等人，2010年；Volz等人，2012年）。这些2D模型捕捉的基本侵蚀过程包括两个步骤。首先，溢流侵蚀逐渐增加河岸坡度角；当这个角度超过坡度稳定性阈值时，就会触发河岸崩塌，导致径流河道加宽，如图1所示。然而，它们无法捕捉侵蚀过程（包括溢流侵蚀和侧向侵蚀）与流动物质物理性质演变（例如固体浓度和流变行为的变化）之间的动态反馈。此外，这些模型仅适用于清水或沉积物含量低的流动情况，因此无法在统一计算框架内支持泥石流和洪水灾害的综合分析。

本研究提出了一种深度平均建模框架，用于综合分析级联地质灾害链中的垂直和侧向侵蚀过程，包括长距离滑坡、泥石流、溃坝洪水和突发洪水。该工作的核心贡献在于将河岸崩塌和坡度调整算法与二维深度平均物质流动模拟框架相结合，该框架包含了溢流侵蚀、沉积物浓度依赖的流变性和动态侵蚀-沉积过程。这种综合建模方法具有实际意义，特别适用于处理非粘性和粘性河道河岸地质材料。模型通过水槽实验进行了验证，并通过2020年的Zelunglung（Zelongnong）事件和2018年的Sedongpu灾害的实际案例进行了演示。

本文的结构如下。第2节介绍了所提出模型的整体框架。第3节介绍了用于验证和应用该模型的实验。第4节研究了真实世界中的事件。

章节摘录

模型描述

本节介绍了流动物质的控制方程和物理性质。本研究提出的模型包括三个模块：（1）深度平均流体动力学和沉积物传输模块；（2）溢流携带-沉积模块；（3）侧向侵蚀-河岸崩塌模块。

模型验证

以2005年的溃坝洪水实验（Morris & Hassan，2005）作为基准，评估了所提出模型的性能。实验是在一个长50米、宽10米的水槽中进行的（图5）。水槽的左侧被指定为进水通道，向其中供水直到大坝上游区域充满水，使水位超过导流通道的高度。沿A-A截面的大坝侧视图展示了

研究区域

为了评估所提出的模型，我们在本节报告了两个案例研究：2020年的Zelunglung（Zelongnong）灾害和2018年的Sedongpu溃坝洪水（图9）。这些研究区域位于雅鲁藏布江的大峡谷（图9）。该地区经常发生泥石流、河流堵塞事件和溃坝洪水。Sedongpu（29°44′54′'N，94°56′21′'E）和Zelunglung（29°36′05′'N，94°56′40′'E）流域位于

结论

垂直和侧向侵蚀对于由级联灾害（如滑坡和泥石流）引起的地貌变化非常重要。这两种侵蚀过程可以将地质物质引入河道，放大物质流动并改变流动行为。基于物理的模拟是灾害分析和评估的有用工具。然而，现有的模型未能捕捉侵蚀过程与流动物质物理性质演变之间的动态反馈（例如

CRediT作者贡献声明

Ruochen Jiang：写作 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证，软件，资源，方法论，研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。Wenjun Lu：写作 – 审稿与编辑，方法论，研究。Shihao Xiao：研究。Xin He：研究。Ruiqiang Bai：研究。Yingyue Han：研究。Mingdong Wei：写作 – 审稿与编辑。Dalei Peng：写作 – 审稿与编辑，资源，研究。

未引用的参考文献

Chen和Zhang，2015年；Liu和He，2024年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到了香港研究资助委员会（编号JRFS2526-6S09、T22-606/23-R和16210122）以及

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