高植被覆盖区台风暴雨型滑坡成灾机制及预警模型研究综述

豆红强,简文彬,王 浩,樊秀峰,刘红位,吴振祥

(1. 福州大学 紫金地质与矿业学院,福建 福州 350108; 2. 福建省地质灾害重点实验室,福建 福州 350002)

0 引言

我国地处太平洋西岸,海岸线自北向南绵延18 000 km有余,平均每年约有7～8个台风和热带气旋登陆,是世界上台风登陆最频繁的国家之一[1-2]。由于我国沿海山地丘陵地区地质环境复杂且极为脆弱,受台风裹挟而来的狂风暴雨的作用极易诱发滑坡、泥石流等地质灾害,给人民群众的生命财产、工农业生产及交通运输等带来严重威胁和极大损失[3-4]。如2009年8月9日超强台风“莫拉克”在福建霞浦登陆,随后仅在福建、浙江两省即诱发滑坡、崩塌和泥石流地质灾害160余起,其中浙江临安林竹村滑坡直接致死11人。与此同时,沿海山地丘陵地区的植被覆盖度一般较高,如素有“八山一水一分田”之称的福建省,其植被覆盖度高达70%左右。可见,台风暴雨型滑坡灾害的地质载体多属植被发育斜坡,台风暴雨过后,滑坡多呈星点状点缀于高植被覆盖斜坡之上。

台风暴雨型滑坡的频繁发生及其造成的危害早已引起世界各国政府部门、国际组织及工程界的高度重视,并相继开展了台风暴雨型滑坡的调查评价、监测预警与示范点建设以及防治应急等工作[2,5-6]。但是,目前有关台风暴雨型滑坡的研究多以案例分析为主,且忽视了风荷载、植被特征等关键因子的影响。事实上,高植被覆盖区台风暴雨型滑坡是地质-植被-气象多要素共同作用的结果,其孕灾环境与成灾机制更为复杂。另一方面,由于高植被覆盖区内的斜坡变形迹象和滑坡征兆被植被遮挡,往往较难发现,表现出显著的隐蔽性,致使其在监测预警、应急响应方面仍缺乏实用、先进的技术支撑。

在当前全球气候变暖和人类活动日益加剧的大背景下,台风频次和强度有增加增强趋势[7-8],可以预见,未来台风暴雨诱发的高植被覆盖区的滑坡灾害在数量和规模上都有扩大化的态势,如何合理高效地应对高植被覆盖区的台风暴雨型滑坡灾害已成为当前科技人员所面临的重大难题。为此,文中针对高植被覆盖区台风暴雨型滑坡的群发、突发以及高隐蔽特性,在整理大量文献的基础上,总结高植被覆盖区台风暴雨型滑坡的发育特征,从台风暴雨型滑坡成灾机理、植被对斜坡稳定性的影响和降雨型滑坡预警预报等3个方面系统客观地评述当前研究现状与不足,并展望了今后重点工作方向,希望能够抛砖引玉,为台风暴雨型滑坡的研究开辟新的视角和研究思路,最终为全球高植被覆盖区台风暴雨型滑坡的预警与防控提供科学决策和技术支撑。

1 台风暴雨型滑坡发育特征

以地质环境复杂、植被广为发育且频遭台风暴雨袭击的浙闽两省为例,借助文献检索和现场调研总结了高植被覆盖区台风暴雨型滑坡的发育特征,其总体表现为点多、面广、规模小和危害大。图1即为发生于福建省闽清县的典型植被覆盖区台风暴雨型滑波。

图1 典型高植被覆盖区的滑坡Fig. 1 Rainfall-induced landslides in high vegetation coverage area

1.1 地貌地质特征

张泰丽[2]和ZHUANG等[9]统计分析了浙江省内303处台风暴雨诱发的滑坡,结果表明该类滑坡以表层滑坡为主,其中土质滑坡102处,占总数的33.7%;其余201处则为强-全风化层滑坡,占总数的66.3%;滑坡规模小于1 000 m3且滑体厚度小于3 m的滑坡点共计207处,约占总数的68.3%。池永翔等[10]根据福建省地质灾害详细调查资料指出福建省受台风暴雨影响的滑坡以小型浅层土质滑坡为主,多为坡高<30 m、坡度为25°～45°的斜坡。袁康等[11]基于Planet卫星影像研究了安徽宁国市受台风“利奇马”袭击而诱发的滑坡发育特征,结果表明台风暴雨型滑坡在高程[300 m, 600 m)区间、坡度[20°, 30°)区间发育较为集中。

综上可知,台风暴雨型滑坡基本上为未固结的第四系残坡积层和基岩全风化的浅层土质滑坡,滑体厚度多为1～5 m,滑坡的规模整体较小,一般小于1 000 m3,少数大于3 000 m3,平面形态多呈长条形,滑面多为第四系覆盖层与下伏基岩接触界面和土层内部软弱面。

1.2 时空分布特征

就时间尺度而言,降雨诱发的滑坡并非全部发生在降雨期间,而是部分滑坡启动时间与降雨存在一定的迟滞,滞后时长从1～10 d不等。如谢剑明等[12]、高华喜等[13]着重探讨了滑坡迟滞时长与降雨强度的关系;陈丽霞等[14]和赵国通等[15]统计分析了降雨诱发滑坡失稳迟滞时长与滑坡工程地质岩组分布的关系;除此之外,坡体裂隙发育[16-17]、滑坡体物理力学和渗透参数的不确定性[18-19]、以及雨水对滑坡体的浸泡软化作用[20]、甚至边坡体内的封闭气体[21]等均对滑坡的失稳滞后有一定影响。

但是,对台风暴雨型滑坡而言,由于台风裹挟而来的降雨具有过程雨量大、降雨强度大等特点,致使其总体上表现为“即雨即滑”,多与台风登陆-离境过程大致同步,无明显滞后现象。如2005年7月袭击浙江的“海棠”台风所诱发的滑坡主要发生于2015年7月19日,其与极端暴雨同步,无滞后性[2];影响温州的台风“泰利”的主体降雨时间为8月31日8时—9月3日8时,其诱发的滑坡则集中发生于2005年9月1日,明显处在台风暴雨期间[22];闫金凯等[23]则以影响福建的“苏力”台风和“西马仑”台风为例指出分别有87.5%和95.2%的滑坡集中爆发在台风登陆后的12 h内(此时恰为主体降雨高峰段)。

另一方面,从空间尺度上讲,台风暴雨型滑坡的空间分布与台风路径及其影响范围高度一致。滑坡点主要分布在距台风中心路径垂直距离小于200 km的范围内,在200～300 km范围内也有所分布,大于300 km 范围内的滑坡点极少。如,“云娜”台风诱发的滑坡有91%集中在距台风中心路径50～180 km的区域内;“海棠”台风诱发的滑坡约83%集中在距台风中心路径120～200 km的区域内[22]。

与此同时,台风暴雨型滑坡历史统计数据表明:滑坡与台风分布范围、强度的关联性程度不尽相同,但总体上,其基本都发生在台风7级(平均风速约为13.9～17.1 m/s)风圈半径内,其中一部分在10级(平均风速约为24.5～28.4 m/s)风圈半径内[9]。可见,滑坡点发育分布位置及密度与台风风荷载密切相关。

1.3 上覆植被特征

如前所述,浙闽两省台风暴雨诱发滑坡的地质载体多属植被发育斜坡,其上覆植被种类繁多,多以乔木、竹、茶树、灌木、草以及果树、农作物等类型为主。其中以乔木居多,且坡面植被覆盖度一般较高。陈光平[22]统计分析了台风“泰利”诱发的温州地区滑坡的上覆植被类型,结果表明台风暴雨型滑坡上覆植被以乔木居多,占45%,灌木次之,占23%。王照财等[24]则通过对2004—2009年间温州11次台风诱发滑坡的野外调查资料归纳,发现温州地区台风暴雨型滑坡坡面植被类型以乔木、竹居多,分别占33%和30%,其次为草、灌木,占比分别为21%和16%,如图2所示。闫金凯等[23]以及ZHUANG等[9]研究指出福建台风暴雨型滑坡上覆植被同样以乔木居多(以杉树、松树为主),竹次之,灌木和草则相对较少。

图2 温州台风暴雨型滑坡上覆植被类型Fig. 2 Types of vegetation overlying landslides induced by typhoon and associated rainstorm in Wenzhou

2 研究现状

2.1 台风暴雨型滑坡成灾机理

台风暴雨具有显著的降雨中心降雨强度大、历时短、雨量集中的单峰特点,故在其作用下斜坡坡面冲蚀严重、地下水响应灵敏且渗流扩散迅速,由此触发的滑坡多以局部浅层失稳破坏为主,除此之外,还表现为以覆盖层沿基岩接触面发生的突变型滑坡和沿层内错动带发生的切层缓动型滑坡2种类型[2,25-26]。

台风暴雨型滑坡是内外动力机制共同作用的结果,影响因素众多。为明确台风暴雨型滑坡的关键致灾因子,研究人员借助统计分析、灰色关联分析等方法综合探讨了暴雨、强风、植被、地形地貌、地层岩性、构造、斜坡结构以及人类工程活动等因子的作用,强调指出台风暴雨是此类滑坡最重要的激发因素,并与地层岩性与斜坡结构密切相关[27-30]。进一步的,一部分学者又基于现场监测、室内模型试验和数值模拟揭示了台风暴雨型滑坡的失稳演化过程即为台风暴雨与斜坡岩土体耦合的过程,即短期集中强降雨一方面造成斜坡内瞬时孔隙水压骤增,另一方面则通过地表径流冲刷、渗流作用等方式改变岩土体结构和力学性质,两者共同作用促使滑移面上剪应力增加,抗剪强度降低[31-32]。笔者即借助室内模型试验总结了台风暴雨型土质滑坡的失稳演化规律,其变形大致可分为压缩沉降微变形阶段、匀速变形阶段以及加速变形阶段,尤其在加速变形阶段,其变形曲线呈非线性且具有显著的突发性[33],如图3和图4所示。此外,已有研究表明,湿润锋下移导致的土体基质吸力减少是降雨型滑坡失稳的主要原因,而土壤前期含水率又是影响湿润锋下移过程的重要因素之一,众多学者亦基于数值模拟、现场监测以及物理模型(尤其是Green-Ampt模型)探讨了前期含水率对台风暴雨型滑坡稳定性的影响规律[34-37],乃至基于土壤含水率的动态变化开展了台风暴雨型滑坡的预警预测研究[38-39]。

图3 台风暴雨型滑坡失稳演化过程Fig. 3 Failure evolutions of landslide induced by typhoon and associated rainstorm

我国台风暴雨型滑坡多发生于东南沿海高植被覆盖区,而当前有关其成因机理的研究多未考虑植被覆盖层的作用,甚至还刻意消除植被的影响。显然,这些基于无植被裸坡所得的既有成果难以准确刻画台风暴雨对植被发育斜坡的水-力响应行为。当然,亦有部分学者从纯统计学的角度研究了植被对台风暴雨型滑坡的作用[40],甚至开展了台风暴雨下含植被斜坡室内物理试验[41]。但这些研究仍以定性描述为主,未能定量揭示地质-植被-气象相互作用下高植被覆盖区台风降雨型滑坡的成灾机制。

2.2 植被对斜坡稳定性的影响

植被对斜坡稳定性的作用大体可归纳为水文效应和力学效应2个方面。具体来讲,植被冠层截流可减轻雨水对斜坡土体的冲刷溅蚀,根系以及枯枝落叶腐殖质可降低地表径流对斜坡表层土体冲刷和侵蚀作用,植物则通过蒸腾作用降低斜坡土体内的孔隙水压力。与此同时,植被又可通过根系加筋作用增强斜坡浅层土体的抗剪强度,并借助深层根系的锚固作用和水平根系的牵引作用提高斜坡的整体稳定性。为深入揭示并量化植被的水文效应和力学效应,国内外学者从不同植物类型、植物根系分布特征与根-土相互作用等方面探索了植物特征与有效降雨量的内在关系[42],构建了考虑植物根系形状的地下水渗流与地表径流耦合运移模型[43],建立了根系增强土体抗剪强度理论(如Wu-Waldron模型、Fiber-Bundle模型、Root-Bundle模型)[44-46],并在此基础上提出考虑植被作用的斜坡稳定性计算理论[47-49],典型的如式(1)和式(2)所示:

(1)

(2)

式中:Fs为植被发育斜坡的安全系数;Cs为土体黏聚力(kPa);Cr为植被根系所提供的黏聚力(kPa);φ为土体内摩擦角(°);ρs、ρw与ρr分别为斜坡土体、水以及植被根系的密度(kg/m3);D为坡体厚度(m);m为土层深度范围内的饱和部分;θ为坡角;Br为单位地表面积下的总生物量(kg/m2);Tr为全部根系的抗拉强度(N/m2);K为假设根系均匀分布下根系从体积岛面积的转换系数(m-1)。

但是,植被对斜坡稳定性的作用是复杂的、多方面的,并非都显现出积极的作用,甚者在一些关键问题上还存有争议。如有研究表明植被对斜坡长期演化和深层滑坡孕育有显著贡献[50],对高陡斜坡甚至有促滑作用[51];再如,植被根系在土中所形成的复杂网络一方面在一定程度上限制土体开裂,减小土体的渗透特性;另一方面则因根系网络形成的渗流通道深度与截面大小不一而产生优先流,其可能加速雨水的入渗与扩散,亦有可能因根系阻塞而形成滞水平台。但两者的协同作用对植被发育斜坡入渗特性的影响尚不清楚[52-54]。图5即系统的展示了不同工况下植被根系构型对坡体优先流的影响,直观地再现了其复杂、多面效应。其中,图5(a)顺坡向根系有助于入渗雨水排泄,图5(b)根端可诱发局部水压增加,图5(c)根系分叉可使入渗雨水分散或集中,图5(d)弯长根系可使入渗雨水分散或集中,具体取决于根系走向,图5(e)当大多数根系沿坡向上时,易在根茎处形成孔隙水集聚,图5(f)当多数根系沿坡向下时,其有助于入渗雨水的排泄,图5(g)向裂缝方向生长的根系增加了雨水汇聚,图5(h)直根系将雨水向土层深部入渗,若存在缝隙,将排泄至基岩内部;否则,将致使土-岩界面处的孔隙水压显著增加,图5(i)丛生根系可使雨水入渗至坡体浅表层,图5(j)根簇/群可显著增加孔隙水压,图5(k)根系重叠缠绕且垂直于斜坡时可拦截向下入渗的雨水,导致局部孔隙水压增加,图5(l)不同植物根系构型在不同地形地貌条件下,其对植被发育斜坡优先流的影响也各有不同。此外,对不同土体含水率下根-土复合体抗剪强度的变化规律亦有不同认识,一种认为根-土复合体抗剪强度随着土壤含水量增加而减小,另一种则认为其随着土壤含水量增加而先增加后减小[55-57]。而即便在区域大尺度上,当前对植被覆盖度与滑坡时空格局关系也未达成统一认识[58-60]。

图5 植被根系构型对边坡优先流影响的示意图Fig. 5 Illustrations of the effects of root architecture on preferential flow

与此同时,强台风裹挟着巨大能量,常伴有12级以上的大风,由此对植被发育斜坡的稳定性亦有显著影响。最直观的表现即为植被风振效应,其一方面直接导致植被根系周围土体结构的破坏,降低土体力学性质;另一方面则为雨水入渗提供了更为快速便捷的通道[22]。但当前有关风荷载与植被相互作用的研究多集中于林业工程领域,借助理论分析、数值模拟以及风洞试验等手段开展一般风场中风荷载作用林木力学特性、模型及风致林木倒伏等方面的研究[61-63]。早在1965年,WRIGHT[64]就建立了平均风速沿树高度方向分布的指数函数模型;RUDNICKI等[65]、VOLLSINGER等[66]则基于风洞试验研究了风作用下树木所承受的风力以及透风系数随风速的变化规律。同时最新研究发现,在强风作用下(如台风),树木运动特性与一般风场作用迥异,其材料和几何非线性对树木倒伏影响显著。进一步的,亦有学者基于单株植物模型提出了考虑等效风荷载作用下的边坡计算模型[67-68]。典型的,ZHUANG等[9]基于修正的多自由度树木摇摆模型建立了台风荷载下树木力学响应方程,如式(3)～式(5)所示:

(3)

(4)

Gi=mig·sinθi·cosθi

(5)

式中:m,c,k,φ分别为第一个模态的质量、阻尼、刚度和形态;y是其相关的广义位移;Fwi为风荷载;ht为树高;ρ为空气密度;Cd为阻力系数;Af为正面面积;u为风速;θi则为该段相对于垂直方向的倾角。

总体上,台风暴雨下植被对斜坡稳定性的影响是“风雨同舟”作用下水文效应与力学效应共同作用的结果,而先前研究更多的是将水文效应和力学效应单独进行分析,尤其缺乏探索植被在风驱雨作用下致使斜坡地表裂隙萌生、优先入渗的动态过程,致使所得的结论存在一定局限性和不完整性,难以全面体现植被对斜坡稳定性的复杂作用。

2.3 降雨型滑坡的预警预报

如何实现降雨型滑坡预警预报的精确性、时效性一直是防灾减灾的关键环节。当前,降雨型滑坡预测模型的研究主要集中在两大方向:一种是基于统计学原理探求降雨特征与滑坡之间数学关系的统计预测模型,近年来该模型由于数学方法和电子计算机技术的日益成熟而逐步得到广泛应用。在降雨型滑坡的统计研究中,降雨临界值选取的判别指标多种多样,其中有基于降雨强度的时降雨强度指标和日降雨强度指标[69],有基于累计降雨量的24 h降雨量、12 h降雨量,甚至前15 d累计降雨量指标[70-71],也有降雨强度-降雨持时、累计降雨量-历史阈值的双因素判别指标[72-73]。表1和表2分别统计给出了全球和我国典型区域降雨型滑坡的降雨阈值及其适用范围。显然,统计预测模型在作为区域滑坡灾害预报时具有简便易用的特点,但该模型往往过于强调数据间的统计关系,无法阐释降雨诱发滑坡发生的内在机制,只能适用于特定区域,且当缺乏足够的滑坡案例及降雨资料时,降雨临界值的选择含有较强的主观成分。

表1 全球典型区域降雨型滑坡的降雨阈值Table 1 Rainfall thresholds for rainfall-landslide around the world

表2 我国典型地区降雨型滑坡降雨阈值Table 2 Rainfall thresholds for rainfall-landslide in China

另一种是从降雨诱发滑坡机制出发的动力预测模型,其又可分为单体滑坡预测模型和区域滑坡耦合预测模型。前者主要是基于滑坡位移监测数据开展单体滑坡成灾机理的研究并对其位移演化发展做出预测[101-103],也即是说其仅对单体边坡的稳定性进行预测预报;后者是以降雨诱发滑坡启动的力学机制为基础,将雨水入渗模型、水文模型与边坡稳定分析模型进行有机耦合。特别是地理信息系统(geographic information system, GIS)的快速发展,为耦合预测模型的研究提供了宽广的平台,并产生了众多基于GIS的滑坡耦合预测模型。具有代表性的有SHALSTAB (shallow landslide stability model)模型[104-105]、SINMAP (stability index mapping)模型[106-107]、DSLAM (distributed shallow landslide model)模型[108]和TRIGRS (transient rainfall infiltration and grid-based regional slope-stability model)模型[109-110]等。这些模型均具有各自的优势但同时也存在一定的不足,如SHALSTAB模型和SINMAP模型未考虑复杂降雨过程与动水压力对边坡稳定性的影响;TRIGRS模型虽然可用于复杂的降雨工况,但其在计算边坡稳定性时仍采用理想化的均质边坡模型。除此之外,一些学者在此基础上进一步发展了能考虑岩土体参数不确定性的滑坡耦合分析模型,但其仅考虑土体强度参数(如黏聚力和内摩擦角)的不确定性,而忽略表现为强变异性的饱和渗透系数和降雨的时空分布特性[111-113]。

总体来说,上述研究成果对台风暴雨型滑坡的防控与应急发挥了积极的作用。但是统计资料表明,因当前统计预警模型和动力预警模型所提取的预警指标过于单一,使其在预警时间和预警范围上并不具有优势,其成功预警率并不理想[114-115]。更重要的是,不论是统计预警模型还是动力预警模型均未充分考虑植被对滑坡的复杂作用,严重降低高植被覆盖区台风暴雨型滑坡预警预报的精确性和时效性。

3 讨论与展望

3.1 当前研究存在的不足

纵观国内外研究,有关高植被覆盖区台风暴雨型滑坡的研究在成灾机制与预警模型方面仍存在以下深层次的问题亟待解决。

1)台风-暴雨共同作用下植被发育斜坡的水文动态响应刻画不足

斜坡因其所处的复杂地形地质条件与上覆植被作用往往造成土体入渗特性在空间上具有明显分区、分带和各向异性等特征。尤其是植被发育斜坡中裂隙、植被根系等所构成的优先流通道,促使其以非均衡优先流的方式发生垂向和侧向快速下渗以补给地下水,或集聚形成滞水平台。与此同时,台风还通过植被将风荷载传递至斜坡内部土层,致使坡体表面裂隙萌生并促使雨水有优先入渗。但是,目前尚缺乏台风-暴雨共同作用下植被发育斜坡的雨水优先入渗的现场监测或试验数据,更缺乏复杂地形地质条件下考虑植被作用的大气降雨-地表水-地下水转化过程的理论模型,难以定量刻画台风-暴雨共同作用下植被发育斜坡的水文动态响应。

2)高植被覆盖区台风暴雨型滑坡成灾机制仍不清晰,以及由此导致滑坡稳定性评价方法缺乏针对性

本质上讲,滑坡灾害是一种具有时空属性的环境地质问题。但当前在揭示其失稳机制时,往往侧重气象、工程扰动等外界环境的作用,而对滑坡自身地质条件和植被作用的复杂性考虑不足。例如,福建省广泛发育有由岩层与上覆残坡积松散堆积层组成的二元结构边坡,对该类边坡的失稳启动,植被仅能起到延缓作用,对其破坏模式并无决定性影响。此外,在研究植被作用时,仍将其水文效应和力学效应进行单独分析,未考虑其水-力耦合作用。

进一步的,因高植被覆盖区台风暴雨型滑坡的成灾机制仍不清晰,在评价其稳定性时,未考虑植被根区的优先流效应,且多将植被根系对土体的贡献直接模拟为增加土体的黏聚力,或将含根系土层视为复合增强层,进而过高估计其稳定性。另一方面,植被根系表现为显著的时空变异特性,其与生长龄期、空间位置等密切相关,而当前的确定性评价方法则难以反映其随机性。

3)考虑多参量耦合的高植被覆盖区台风暴雨型滑坡动态预警模型鲜有涉及,已有预警模型对群发型滑坡灾害的精细化、精准化预警不足

由于台风暴雨触发的滑坡具有分布广、突发性强、位置不明确等特点,其预警模型的构建开始向多尺度、精细化方向发展,但在其发展过程中,还存在诸多关键问题。例如,在区域尺度上,如何快速精确的获取高植被覆盖区斜坡的基础数据?能否基于植被指数信息反演植被根系的空间分布特征并量化根系对土层抗剪强度的贡献?能否充分体现高植被覆盖区台风暴雨型滑坡的复杂孕灾环境和成灾机制?在单体滑坡尺度上,结合其失稳力学机制,哪些监测指标可直接或间接作为台风暴雨条件下植被发育斜坡的失稳判据?能否在繁多的监测数据中凝练动态预警指标以提升预警精度与时效。

3.2 今后工作方向与展望

高植被覆盖区台风暴雨型滑坡是地质-植被-气象多要素共同作用的结果,其研究涉及工程地质学、植物学、计算力学、地球信息科学等多个学科分支,必须注重多学科的交叉融合,笔者建议从如下4个方面开展研究。

1)继续查明高植被覆盖区台风暴雨型滑坡的复杂孕灾环境与其特征规律

综合运用资料调查、遥感解译及地质大数据分析等手段查明典型高植被覆盖区的台风气象条件(历史登陆台风的频次、风力、风速及降雨中心位置、强度、持续时间等)、植被特征(植被群落的形貌特征、根系形态、植被覆盖度)与地质背景(地形地貌、工程地质、水文地质及人类活动)等复杂孕灾环境及其与台风暴雨型滑坡发育规律(时间、地点、规模、灾害特征等)的关联特征,并建立植被发育斜坡的典型地质概化模型。

2)深入揭示台风暴雨下植被发育斜坡的水文响应规律

植被发育斜坡对台风暴雨的响应过程复杂。首先,可开展植被截流野外观测试验,定量研究台风-暴雨共同作用下植被截流效应与其降雨再分配过程;其次,开展台风-暴雨共同作用下含植被的土柱入渗试验,研究台风荷载下植被根系松动区范围,刻画风驱雨作用下植被致使斜坡地表裂隙萌生、优先入渗的动态过程;进一步的,开展典型植被根系优先流染色原位入渗试验,捕捉植被根土的优先流路径的分布特征;最后,基于饱和-非饱和渗流理论,建立复杂地质地形条件下考虑植被根区优先流和根系吸水作用的地表径流与地下水渗流的水分运移模型,揭示台风暴雨下植被发育斜坡的水分运移规律与其孔隙水压的分布特征,如图6所示。

图6 台风暴雨下植被发育斜坡的水文响应示意图Fig. 6 Schematic diagram of the hydrological response of vegetated slopes under typhoon storms

3)重点建立高植被覆盖区台风暴雨型滑坡临滑判据与其稳定性评价模型

台风暴雨型滑坡多表现为突发性,其本质即为其孕育发生是一个从渐变到突变的过程。综合运用室内模型试验、数值模拟以及理论分析等手段,研究复杂孕灾环境下植被发育斜坡的成灾全过程与失稳模式;以经典的斋藤3阶段变形曲线为依托,基于多维多物理量表征信息(位移、应力、含水量、水位、孔隙水压、雨量、植被特征等),建立滑坡不同失稳演化阶段的变形特征、转化条件与临滑判据(图7)。

图7 斋藤3阶段变形曲线Fig. 7 Three-stage deformation curve of landslide proposed by Saito

进一步的,在建立植被发育斜坡的稳定性计算模型时,可尝试根据植物的形态学和生理学特点,量化影响斜坡稳定性的植被特征参数。如,植物自重荷载拟通过植物高度、胸径、树形和树龄等生长特性予以简化确定;植被根土相互作用的定量表达则着重考虑植被根系密度、倾向、分支点以及分支结构等特征,建立定量描述根系锚固作用与加筋作用下土体抗剪强度增量的等效模型; 植被风荷载则尝试基于风洞数值模拟试验分析不同植被类型、地表粗糙度以及坡面形态等工况下的植被风荷载体型系数及其传递至土层的荷载分布模式。

4)尝试构建台风暴雨预报-过境-离境全过程的高植被覆盖区滑坡的预警模型

台风与其裹挟而来的暴雨路径复杂且难以预测,加之影响范围广泛,因此,构建时空多尺度预警模型以实现滑坡易发区的识别与精准定位是防灾减灾的落脚点。此时,可从开发融合机理和过程的物理模型与大数据机器学习模型入手,针对高植被覆盖区的台风暴雨型滑坡提出基于实时台风暴雨路径的分级预警指标与其分级区间。

其中,在构建物理预警模型时,可通过研究典型植被根冠异速生长关系,进而实现基于植被指数反演植被根系的空间分布特征;同时,为获取高分辨率、高精度的数字高程模型,可基于机载LiDAR实现高植被覆盖区斜坡地形地貌信息与植被信息的快速提取,其示意图如图8所示。

4 结论

文中在系统总结浙闽两省高植被覆盖区台风暴雨型滑坡发育特征并回顾当前研究现状的基础上,得到如下结论:

1)高植被覆盖区台风暴雨型滑坡基本上为未固结的第四系残坡积层和基岩全风化的浅层土质滑坡,且坡面植被覆盖度一般较高,其启动时间多与台风登陆-离境过程大致同步,发育分布位置及密度与台风风荷载密切相关。

2)重点梳理并剖析了台风暴雨型滑坡成灾机制、植被对斜坡稳定性的影响及其预警预报的研究现状与不足,藉此指出了当前有关高植被覆盖区台风暴雨型滑坡的研究仍存在台风-暴雨共同作用下植被发育斜坡的水文动态响应刻画不足、成灾机制仍不清晰以及由此导致滑坡稳定性评价方法缺乏针对性、考虑多参量耦合的动态预警模型鲜有涉及且已有预警模型对群发型滑坡灾害的精细化、精准化预警不足等亟待解决的深层次问题。

3)高植被覆盖区台风暴雨型滑坡是地质-植被-气象多要素共同作用的结果,其研究须注重多学科的交叉融合,建议未来研究应继续查明高植被覆盖区台风暴雨型滑坡的孕灾环境与其发育规律,揭示台风暴雨下植被发育斜坡的水文响应规律,建立高植被覆盖区台风暴雨型滑坡临滑判据与其稳定性评价模型,最终构建台风暴雨预报-过境-离境全过程的高植被覆盖区滑坡的动态预警模型。