GIS技术支持下的滑坡涌浪灾害分析研究

LANDSLIDE IMPULSIVE WAVE HAZARD STUDY SUPPORTED BY GIS TECHNOLOGY
HUANG Bolin1 2，YIN Yueping2 3，WANG Shichang1，LIU Guangning1，CHEN Xiaoting1
， ，
(1. Wuhan Centre of China Geological Survey，Wuhan，Hubei 430205，China；2. Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan，Hubei 430074，China；3. China Institute for Geo-environment Monitoring，Beijing 100081，China)
−0.68
(1) (2)
λ = 0.27ts gh
，结合
间(t)，h 为静止水深(m)，g 为重力加速度(m/s2)，Vw
式中：η 为初始特征波高(m)， ts 为滑体水下运动时 为滑坡体积与滑坡入水宽度的比值(m2)， λ 为波长 (m)。式(1)，(2)的预测值与物理相似试验值相关性 为 0.66。应用该涌浪源，B. L. Huang 等[14]模拟了
收稿日期：2012–07–18；修回日期：2012–09–11 基金项目：国土资源部中国地质调查局灾害预警项目(1212011014027) 作者简介：黄波林(1979–)，男，2001 年毕业于吉林大学岩土工程专业，现为博士研究生、副研究员，主要从事地质灾害及涌浪灾害方面的研究工作。 E-mail：hbolinjlcd@yahoo.com.cn
Abstract：Impulsive wave generated by landslide is a complex and dynamic process，wave propagation overly extended the dangerous range of landslide. Landslide impulsive wave simulation adopted wave dynamic model is hot in relative field in foreign，which can efficiently simulate long wave propagation problems. In this paper，the authors introduce wave dynamic model and form fast assessing system for tsunamis generated by geo-hazard(FAST) supported by GIS technology. FAST is made up of pre-processing module， simulation module， and post processing module，which can calculate impulsive wave according to the type of landslide failure，and can intuitively display water elevation change condition of point，line，surface and volume. It has characteristics of manageability，high efficiency and visibility. The paper takes Maocaopo landslide in Wu Gorge of Three Gorges Reservoir for example， and forecast impulsive wave generated by this landslide， verifying the feasibility and utility of FAST. The simulation result shows that the maximum wave amplitude is 25 m，the maximum run-up height is 12.5 m，and after landslide failure 444.5 s，a 2.5 m run-up wave will arrive in Wushan County. This soft offer a new analysis method and visualization platform for early warning and risk assessment work on geo-hazard impulsive wave in reservoir. Key words：engineering geology；wave dynamic mechanic；landslide impulsive wave；fast assessing system for tsunamis generated by geo-hazard(FAST)；Three Gorges Reservoir；Maocaopo landslide
第 32 卷 增 2 2013 年 7 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.32 Supp.2 July，2013
GIS 技术支持下的滑坡涌浪灾害分析研究
黄波林 1 2，殷跃平 2 3，王世昌 1，刘广宁 1，陈小婷 1
[12] [5] [3] [4]
高或淹没。FAST融合GIS技术，改进GEO-WAVE模 型，分为前处理的数据输入、初始涌浪计算、涌浪 传播计算和结果后处理这4 个阶段三大模块。FAST 能够高效地处理初始涌浪计算、传播爬高计算，能 够更直观地展示各维度水面高程变化情况。 综合开发的 FAST 软件与 GEO-WAVE 模型相 比较，增强了如下功能：(1) 通过整理分析相关研 究进展， 将滑坡涌浪源按照滑坡失稳类型进行划分， 并设置相应的计算模块。(2) 修改了GEOWAVE繁 复的数据输入格式，采用国内较为常用的 GIS 矢量 数据格式，增加自检环节，减少输入的错误率，增 强了可操作性和计算效率。(3) 利用三维图形技术 自动处理计算结果文件，可形成点、线、面、体随 时间变化的记录文件。(4) 叠加遥感影像，评估可 能的受灾人员、财产与基础设施范围，增加随鼠标 显示 GPS 位置和波高功能，为直观展示涌浪灾害提 供专业化的视角平台。 2.1 滑坡初始涌浪计算 滑坡初始涌浪对整个滑坡涌浪分析而言是至关 重要的，它是传播浪的源。涌浪源的精确性决定涌 浪传播和爬高计算的准确性。而这一初始涌浪源与 滑坡失稳模式有着较大关联，不同失稳模式的滑坡 入水会产生不同的涌浪效应。因此需要对分析的滑 坡对象进行相应的工程地质分析，以确定需要采用 的滑坡涌浪源计算模型。本文采用的初始涌浪计算 公式为 S. W. Joseph 等[13]通过无因次分析和物理相 似试验分析得到的，该涌浪源波高和波长公式如下： t g h η = 1.32 s Vw h 2
， ，
(1. 武汉地质调查中心，湖北 武汉
430205；2. 中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074；3. 中国地质环境监测院，北京 100081)
摘要：引入水波动力学模型，结合 GIS 技术，开发形成滑坡涌浪灾害快速评价系统软件(FAST)，该软件由前处理 模块、涌浪计算模块和后处理模块组成，能够按滑坡失稳类型处理涌浪计算，能够更直观地展示水质点、剖面线、 水面和水体的高程变化情况，具有易入手、易操作、高效率和可视化等特点。以三峡库区巫峡茅草坡滑坡为例， 应用 FAST 预测该滑坡失稳后的涌浪效应，验证 FAST 的可行性和实用性。模拟结果表明茅草坡滑坡失稳会造成 最大的涌浪高度为 25 m，最大涌浪爬高为 12.5 m，滑坡发生 444.5 s 后以 2.5 m 的最大爬坡浪到达巫山县城。该技 术方法为快速合理确定水库崩滑体涌浪灾害预警范围及风险管理评价等工作提供一套新的分析手段和可视化平 台。 关键词：工程地质；水波动力学；滑坡涌浪；滑坡涌浪灾害快速评价系统软件；三峡库区；茅草坡滑坡 中图分类号：P 642 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2013)增 2–3844–08
第 32 卷
增2
黄波林等：GIS 技术支持下的滑坡涌浪灾害分析研究
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1
引
言
2
滑坡涌浪预测分析模型
典型的滑坡涌浪有3 个阶段：形成、传播、爬
滑坡涌浪灾害预测评价是水库地质灾害和坝区 工程地质的重要研究内容，是地质灾害学和水力学 的交叉领域，也是地质灾害预警的重要内容。如 1985 年 6 月 12 日发生的新滩滑坡，当时灾害预警范围仅 限于滑坡区域，因此被摧毁的新滩古镇居民 1 370 余人无一人伤亡。但滑坡入水在对岸激起的涌浪高 达 54 m，波及上、下游江面约 42 km。损坏、击毁 8 km 范围内木船 64 只、 小型机动船 13 艘， 船员 10 人遇难，失踪 2 人[1]。滑坡体进入水体后，滑体能 量传递给水体，危害区域急剧变大，由滑坡运动区 扩展至超长距离带状的涌浪波及区，大大增加了水 库滑坡灾害预警难度。 滑坡涌浪灾害数值模拟技术是国内外开展相关 工作的重要研究手段，该方法可以较全面地分析涌 浪灾害，具有准确、经济、合理等优势[2]，其形成 的结果可视化程度高，有利于滑坡涌浪灾害预警。 根据力学模型，数值模型可分为流体力学模型和水 波动力学或波浪理论模型。利用流体力学模型，国 内外一些研究者采用有限元法 、 有限差分法 、 有 限体积法 进行了相关研究。该模型精细地刻画了 水质点的运动，使得进行计算所需资源非常大，耗 时较长，不利于模拟涌浪长距离传播和爬坡。在国 内较少有研究人员采用水波动力学模型研究滑坡涌 浪，目前该方法在国外是研究的热点，它具有耗资 源少，计算时间快等特点。根据波浪数学模型，水 波动力学模型可分为包辛奈斯克模型 (Boussinesqtype models)、非线性浅水波模型(non-linear shallow water wave equations，NSWW)和潜势流模型(potential flow equations)[6-7]。采用这些模型，P. Watts等[8-11]对 一些地质灾害涌浪实例进行了研究。由于水波动力 学模型近年来才开始发展，其适用性和实用性都还 不完善。 本文引入水波动力学GEO-WAVE模型
GIS技术，二次开发形成了库区滑坡涌浪灾害快速 评价系统软件(FAST)。并以三峡库区巫峡茅草坡滑 坡为例，应用 FAST分析了该滑坡失稳可能形成的 涌浪灾害， 为快速合理确定水库崩滑体涌浪灾害预 警范围及其风险管理评价等工作提供一套新的分 析手段。
2008 年 11 月 23 日龚家方斜坡失稳造成的涌浪现 象，模拟结果与野外调查结果吻合性高。在涌浪波 形成期间，涌浪波势能和动能基本是由滑坡体的能 量传导而产生。因此，滑坡水下运动停止时间 ts 也
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2013 年
是初始涌浪波的形成时间 t0 。当 t = t0 时，河面形 成波高为 η ，波长为 λ 的滑坡涌浪孤立波[12]。 2.2 传播及爬高计算 从波的类型上看，滑坡涌浪波属于非线性浅水 波
[1源自文库]
模拟结果[17-19]。GEO-WAVE中应用了美国特拉华大 学开发的开源程序FUNWAVE作为传播及爬高计算 模型。FUNWAVE 是基于Boussinesq精确解[12]的带 散射的非线性波浪模型，能够模拟各种波而不仅限 于长波。FAST利用FUNWAVE模型，将涌浪源t = t0 时的 η 值 、 u 值等计算流体的初始状态自动带入 Boussinesq方程中， 就可以得到 t ＞ t 0 后任一时刻的 流体的运动状态；用于模拟波浪传播以及波浪传 播过程中波浪破碎和爬高[12]。 2.3 3S 技术的前后处理模块 FAST 利用的 GEO-WAVE 开源程序没有前后 处理功能，需要提前准备输入的数据，过程繁琐， 入门操作十分困难。由于大部分陆地在计算过程中 被过滤掉了，计算结果的可视化和实用性非常差。 FAST 利用 GIS 技术建立了前后处理模块，可让研 究区域及计算结果用图形图像方式形象、直观地显