[发明专利]一种导致流域滑坡风险的降雨阈值分析方法

权利要求书

1.一种导致流域滑坡风险的降雨阈值分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据目标流域的DEM地形数据及土层厚度数据建立三维网格；向参数输入模块中输入目标流域不同位置的土壤、植被、气象数据，用以生成RIRM水文模型所需的边界条件和初始条件；

(2)RIRM水文模型根据步骤(1)中的边界条件计算流域内的水文要素的时空变化，所述水文要素至少包括：地表水二维流动和地下水三维流动的流速与流向、任意位置土壤含水量和任意位置水力坡度；

(3)无限斜坡稳定性模型以水力坡度方向作为滑动面方向建立极限平衡方程，并以水力坡度方向作为潜在的滑动方向用于滑坡计算模块；根据步骤(2)中RIRM水文模型生成的水文要素，使用滑坡计算模块计算流域内任意三维位置的流域边坡稳定性参考指标，包括安全系数SF、滑坡体积以及滑坡面积；

(4)绘制在不同降雨历时和不同降雨强度情况下，安全系数SF、滑坡体积以及滑坡面积分别随时间变化的关系曲线；对滑坡变形破坏与降雨之间的关系进行分析，得到不同情况下造成流域滑坡风险的降雨阈值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述RIRM水文模型的边界条件至少包括流域边界、降雨强度及历时，初始条件至少包括土壤含水量和地下水位；

向参数输入模块中输入的土壤、植被、气象数据至少包括：降雨强度、初始土壤含水量、曼宁系数、土壤饱和导水率、土壤孔隙度，以及土壤水分特征曲线中的两个参数alpha和beta；其中，降雨强度、初始土壤含水量、土壤饱和导水率和土壤孔隙度是基于模拟计算前对流域进行实测所得数据的平均值而确定，曼宁系数和土壤水分特征曲线中的两个参数是经验取值确定。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，使用里查兹方程描述地下水在饱和或非饱和土体及孔洞中的流动，计算在降雨驱动下的土体含水量和水力坡度的变化过程；其中，三维地下水在饱和或非饱和土体及孔洞中的流动表示为：

式中：A为与地表/地下土体对应的面积；Q为达西流量；B为各种边界上的输入/输出项；E为地表与地下土体间的交换水量；V为与地表/地下土体对应的体积，φ为孔隙率；S_w为土壤饱和度；t为时间；K_r为相对渗透率，ρ_w为水密度，g为重力加速度，μ_w为流体动力粘度，K为固有渗透率，ψ为压强水头，z为地表高程。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述RIRM水文模型是具有自学习能力的数学模型，能够根据计算过程实时生成的运算结果对预先基于经验选取的输入参数值的基于经验选取的数值进行实时校正调整，从而生成新的计算工况用于重新进行运算；重复执行该运算过程若干次后，达到最优状态。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，

任意点的安全系数SF表达为：

式中：c_s、c_r分别为土的有效粘聚力和根系粘聚力，kPa；θ为滑动方向(水力坡度方向)，°；φ为有效内摩擦角，°；ρ_s、ρ′分别为土壤密度和土壤有效密度，kg/m³；h为土体深度，m；g为重力加速度，N/kg；

而土壤密度表示为土壤饱和度的函数，具体如下：

ρ_s＝n_sS_wρ_w+(1-n_s)d_sρ_w (4)

其中：n_s为土壤孔隙度；S_w为土壤饱和度；ρ_w为水密度；d_s为土壤颗粒比重；

式(3)与(4)中，c_s、c_r、φ、d_s和n_s由土壤特性数据给定，S_w通过RIRM水文模型求解得到；

水力坡度方向通过线性平均的方法获得，计算公式如下：

式中，Δ(ψ+h)_i表示目标流域的三维网格中某点与其相连的第i节点总水头差，Δd_i表示该点与其相连的第i节点距离，n表示与该点相连的节点数，通过网格结构和RIRM水文模型求解得到；将式(4)和(5)代入式(3)求得边坡上任意点沿深度方向的安全系数。