山区小流域暴雨山洪灾害分区预警研究

受水沙耦合致灾作用，暴雨山洪灾害一般表现为山洪洪水灾害、山洪水沙灾害及山洪泥石流灾害三种模式，不同灾害模式的成灾特点、灾害规模、致灾指标及阈值常存在显著差异。传统暴雨山洪灾害防治预警技术的研究思路主要以“雨量-径流-成灾水位”雨水情分析为主，缺乏“雨-水-沙”变化系统研究，未充分考虑洪水泥沙耦合作用下山洪灾害易灾区的成灾特征，造成泥沙超量补给的“沟床淤积-水位陡增”型山洪灾害极易漏警。结合金沙江支流中都河小流域和岷江支流白沙河小流域山洪灾害实地调查及分析，初步表明流域内山体滑坡形成的松散体是流域水沙运动的重要泥沙补给源，从而极易诱发暴雨山洪水沙灾害和山洪泥石流灾害。采用TRIGRS模型分析中都河小流域和白沙河小流域的滑坡易发性，将滑坡低风险区划为暴雨山洪洪水灾害预警区，对具有丰富固体物源的滑坡中、高风险区，根据陡缓衔接河段泥沙易灾区判别法划分为山洪水沙灾害和山洪泥石流灾害预警区。结合4种暴雨山洪洪水灾害预警方法即洪水水位上涨率判定法、实时累积雨量法、水位-流量反推法及简易雨量站广播预警法，计算中都河小流域典型暴雨山洪灾害预警区的预警指标，以基于河床冲淤变化的洪水位上涨率法确定白沙河小流域暴雨条件下山洪水沙灾害预警区的预警水位。结果表明：TRIGRS模型划分的滑坡风险区与中都河小流域和白沙河小流域滑坡、泥石流灾害调查较为吻合；中都河小流域滑坡风险较低，沿河村落均可划为山洪洪水灾害预警区；白沙河小流域下游滑坡风险较低的沿河村落可划为山洪洪水灾害区，中、上游为滑坡中、高风险区，其中沟床陡缓坡衔接段划为山洪水沙灾害预警区、陡坡段划为山洪泥石流预警区。中都河小流域暴雨山洪灾害预警分析表明水位-流量反推法和简易雨量站广播预警法预警效果较差；洪水上涨率判定法与实时累积雨量法精度较高，对暴雨山洪洪水致灾时刻能够提前捕捉，而且能够显著提高预警处置时效性。此外，采用河床冲淤变化的水位上涨率法，白沙河小流域暴雨山洪水沙灾害预警效果较好。因此，本文构建的山区小流域暴雨山洪灾害分区预警方法具有较好的可靠性，可为山洪灾害预警提供技术支持。     

山区暴雨山洪水沙灾害预报预警关键技术研究构想与成果展望

山洪灾害为全球重大自然灾害之一,本世纪全球因山洪灾害造成的经济损失已高达每年460多亿美元。我国山洪灾害防治区面积约占陆地面积的40%,山洪灾害造成的人员死亡约占洪涝灾害死亡人数的70%。近年来,我国全面开展山洪灾害防治项目建设,目前已基本建成了专群结合的山洪灾害防治体系,山洪灾害监测预警技术水平明显提升。山区暴雨山洪灾害实例表明,重大人员伤亡与重大财产损失的山洪灾害事件往往源于洪水和泥沙的共同作用,然而,以往在进行山洪灾害防治时,大多仅关注“洪水”的作用,忽视了“洪水和泥沙”共同作用将显著增大山洪灾害的致灾风险乃至出现“小洪水大灾害”。为了进一步提高山洪灾害防控能力和完善山洪灾害防御体系,亟需深入研究暴雨山洪水沙灾害预报预警关键技术。“山区暴雨山洪水沙灾害预报预警关键技术研究与示范”项目,以洪水和泥沙共同作用为切入点,凝练了四个需攻克的关键科学技术问题：1)山区暴雨作用下流域产流产沙异变机制、水沙过程与沟床剧变耦合致灾机制；2)山区暴雨山洪水沙灾害早期识别与致灾要素一体化智能监测技术；3)山区暴雨山洪水沙运动过程模拟与快速预报技术；4)基于山洪水沙灾害动力过程的灾害风险动态评估与预警防控技术。围绕关键科学技术问题的内涵,提出五个需开展的重点研究内容：1)山区暴雨产流产沙过程与水沙耦合致灾机制研究；2)山区暴雨山洪水沙灾害早期识别与智能监测技术；3)山区暴雨山洪水沙运动过程模拟与快速预报技术；4)山区暴雨山洪水沙灾害风险动态评估与预警技术；5)山区暴雨山洪水沙灾害预报预警防控平台构建与示范。研究成果将揭示山区暴雨产流产沙过程与水沙耦合致灾机制,提出山区暴雨山洪水沙灾害早期识别方法、山区暴雨山洪水沙灾害智能监测技术体系、山洪水沙运动过程模拟与快速预报技术、山洪水沙灾害风险动态评估与预警技术等,构建集早期识别、风险评估及综合防控一体化的暴雨山洪水沙灾害预报预警防控平台,提升我国暴雨山洪灾害监测预警与防控的实时性、精准度和智能化水平。     

泥沙补给突变下的山洪灾害研究构想和成果展望

全球山地面积占陆地面积的30%,每年有超过5 000人死于山洪灾害。中国山洪灾害防治区面积占陆地面积的48%,居住人口占全国人口的44.2%。2000年以来,中国每年约1 000人因山洪灾害死亡,山洪灾害死亡人数占洪涝灾害死亡人数的70%左右。山地区域地形险峻,地表破碎,表层风化层厚,局地暴雨频发,洪水陡涨猛落,沟床冲淤调整剧烈,山洪水沙运动耦合致灾突出。山洪灾害防治已成为中国工农业、能源、交通、国防安全等国家重大工程基础建设、区域社会经济发展和人民生命财产安全面临的突出难题,暴雨山洪灾害研究仍是中国当前防洪减灾工作的重点和难点。面对严峻的山洪水沙灾害风险形势,传统忽略泥沙运动影响的防灾理论与技术难以解决山洪水沙耦合致灾问题,无法满足目前重大山洪水沙灾害防治的实际需求,突出表现为泥沙补给突变对重大山洪灾害的成灾效应认识不够、山洪水沙运动耦合成灾区识别不清、山洪水沙灾害防治技术针对性不强、山洪水沙运动防灾减灾的区域联动性考虑不全等。因此,急需通过系统梳理暴雨山洪水沙运动规律,实现山洪水沙耦合成灾理论创新,提出重大山洪水沙灾害的源头治理和区域全面防范的有效措施,显著提高中国山洪水沙灾害防治技术水平,为保障国家重大工程安全和人民生命财产安全提供理论基础和技术支撑。长期以来的暴雨山洪灾害预报预警理论及防治技术研究多以降雨–径流–水位分析为主,以临界降雨/水位阈值条件为判据,较少涉及泥沙补给突变引发的沟床剧烈调整致灾机制,而大量的暴雨山洪灾害现场表明泥沙补给与洪水的耦合作用是重大山洪灾害的关键源动力。"泥沙补给突变下的山洪灾害研究"项目以山区暴雨山洪灾害现场调查与灾害试验反演模拟为基础,采用水文学、土力学、水力学及河流动力学等理论方法和水沙运动数值模拟技术,突出研究山区小流域暴雨洪水、坡地破坏产沙、宽级配卵砾石输沙以及沟床来沙超量补给的水沙运动耦合致灾过程。通过系统研究山地区域暴雨洪水及其产沙特征、复杂沟床输沙动力,以及超量泥沙补给下的水沙运动及其沟床响应规律,以揭示山地区域暴雨山洪过程与泥沙补给突变的沟床响应致灾机理,为山地区域山洪灾害预警及灾害防治提供依据,并及时丰富和完善暴雨山洪灾害所涉及的水沙运动规律与沟床响应致灾防治技术。     

基于半监督机器学习的滑坡易发性预测建模

为了克服滑坡编录样本不足、扩充滑坡样本较困难、主观随机选择的非滑坡样本准确性较低等缺点,以江西省南康区为例,拟用半监督卡方自交互侦测决策树(SSCHAID)和半监督反向传播神经网络(SSBPNN)进行滑坡易发性预测(LSP), 在已知滑坡样本和随机选取的非滑坡样本基础上,用全监督机器学习将初始LSP划分成不同级别;将高分辨率遥感影像和初始滑坡易发性图中的极高易发区叠加,筛选一定数量的潜在滑坡栅格单元扩充滑坡样本;从极低易发区选取非滑坡栅格单元组合成新的输出变量;将新的输出变量导入全监督机器学习,获得最终LSP并评价其精度. 结果表明：半监督机器学习的LSP精度远高于全监督机器学习的LSP精度.     

衢江区小流域山洪灾害的防御

衢州市衢江区经常形成山洪、泥石流、滑坡等灾害．应合理划分山洪风险区域,正确处理避灾与治理关系,进一步加强防灾减灾体系建设,逐步建立和完善小流域山洪灾害的防御保障体系,减小暴雨洪水的灾害损失．     

基于GIS和信息量法的伊犁黄土滑坡易发性评价

伊犁州位于新疆西北部,黄土分布范围较广,境内降雨丰沛.近年来,随着人类工程活动的增强,黄土滑坡灾害进一步加剧.以新疆伊犁州伊宁县某滑坡密集区域为研究区,在Google Earth平台上采用人工目视方法解译出3424处滑坡.选取高程、坡度、坡向、地形位置指数(TPI)、距道路距离、距河流距离、距断层距离、多年平均降雨量、归一化植被指数(NDVI)共九个滑坡影响因子,运用信息量法进行滑坡易发性评价.将研究区的滑坡易发性分为极低易发区、低易发区、中易发区、高易发区和极高易发区,采用感受性曲线(ROC)对评价结果进行检验.结果 表明:信息量模型训练集和验证集的成功率均在80％以上,信息量模型的评价结果较为理想;高易发区和极高易发区内滑坡数量有2660个,占滑坡总数的77.69％,滑坡面积为2.2 km2,占滑坡总面积的60.27％.基于GI S和信息量法的滑坡易发性评价结果可以为该区域地质灾害防灾减灾工作提供科学依据和可靠参考.     

基于GIS的延边地区道路周边滑坡灾害易发程度分析

为防治延边地区滑坡灾害,利用遥感技术(remote sensing,RS)和地理信息系统(geographic information system,GIS)对整个延边地区进行滑坡灾害易发程度分析,并在此基础上进一步分析该地区道路周边滑坡灾害易发区分布情况.首先,选择6个影响较大的滑坡灾害影响因子(坡度、坡向、土壤、地质、土地利用、断层),利用层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)确定这6个因子的权重;然后,结合GIS软件的栅格数据叠加功能绘制出滑坡灾害易发程度图,并将整个研究区划分成极高、高、中和低4个层次;最后,将滑坡灾害易发程度图分别与道路200、500、800、1 000m及1 000m之外的缓冲区图叠加,以此分析各道路缓冲区范围内滑坡灾害易发区的分布特点,为道路周边滑坡灾害重点防范区的选定提供参考.     

基于耦合信息量法选择负样本的区域滑坡易发性预测

机器学习(Machine Learning, ML)模型预测滑坡易发性时选择合理的负样本对预测结果具有重要影响,现有研究大多从整个研究区或从低坡度等特定属性区内随机选择负样本,这些负样本往往不够准确或以偏概全,降低了易发性制图的可靠性。为解决这一问题,拟提出耦合信息量法(Information Value, IV)的ML模型开展易发性建模。以江西省瑞金市为例,采用IV法将环境因子的属性值转化为对滑坡贡献的信息量值,划定极低和低易发区并从中随机选择出ML模型训练验证用的负样本数据,构建全新的信息量-支持向量机(IV-SVM)、信息量-随机森林(IV-RF)耦合模型并预测瑞金滑坡易发性;进一步与从全区随机选择负样本的单独SVM和RF模型,以及从坡度小于2°的特定属性区内随机选负样本的低坡度SVM和RF模型做对比研究;最后采用Kappa系数和ROC曲线等指标验证和比较建模结果。IV-SVM和IV-RF模型的Kappa系数为0.828和0.9146且对应ROC曲线的AUC值为0.876和0.939,分别高于单独SVM、RF和低坡度SVM、RF模型;同时,IV-SVM和IV-RF模型的易发性概率分布的平均值较小而标准差较大。结果表明：1) IV-SVM和IV-RF模型具有比单独SVM和RF模型,以及低坡度SVM和RF模型更高的滑坡易发性预测精度且更有效的反映了瑞金滑坡易发性分布规律;2) RF模型相较于SVM模型具有更高的预测精度;3) IV-RF等耦合模型能够弥补单独模型存在的负样本采样不准确和低坡度模型对坡度因子区间选择的缺点而提高预测精度更加合适机器学习的滑坡易发性预测建模。总之,本文研究为机器学习预测滑坡易发性的负样本采样方法提供新思路。     

暴雨山洪灾害预警指标计算方法比较研究

山区河流受地形地貌及降雨过程影响，洪水具有显著的陡涨陡落过程，这种短历时陡涨过程极大缩短了沿河居民的有效安全转移时间，给山洪灾害防治带来了极大困难。山洪预警预报是山洪灾害防治非工程措施的重要组成部分，一般分为水位预警和雨量预警。由于山区洪水历时短且监测站不足，水位预警在国内应用较少，传统流量反推法常以雨洪同频计算预警雨量，预警结果多出现漏警，不能满足防御山洪灾害的实际需求。为提高暴雨山洪的预警精度及预警时长，提出了基于洪水上涨率判定法和实时累积雨量法两种计算预警指标的新方法。以四川省金沙江支流中都河流域“8.16”山洪灾害为例，根据预警准确性及预警时长对三种预警方法的效果，探讨了与传统水位流量反推法的差异。结果表明：传统水位流量反推法的预警精度较低，难以达到预期的预警效果；洪水上涨率判定法的预警精度较高，但该方法的预警时长受洪水涨退特性影响，对延长预警时长有一定影响；采用基于小流域场次洪水与降雨过程变化关系的实时累积雨量法其结果均未出现漏警，且有效延长了预警时长，若以山洪灾害技术要求的30分钟为准，提出的新方法延长预警时长基本超过30%，满足预警要求。因此，建议在设定累积雨量阈值的基础上结合洪水上涨率进行灾害预警，以便更为有效地提高山洪灾害的预警准确率。     

滑坡易发性预测建模的不确定性：不同“非滑坡样本”选择方式的影响

滑坡易发性预测建模中如何选择非滑坡是影响建模结果的重要不确定因素。为研究不同非滑坡选择方式的影响规律，拟用5种方式，即全区随机、坡度低于5°区域、滑坡缓冲300 m外区域、信息量（IV）法、半监督法来选择出与滑坡等比例的非滑坡样本；进一步将各选择方式与随机森林（RF）耦合构建随机RF、低坡度RF、缓冲区RF、IV–RF及半监督RF等模型。以江西南康区为例，获取高程、岩性、公路密度等19种环境因子和233个滑坡编录，将滑坡编录划分为2 598个滑坡栅格单元构建上述耦合模型的输入–输出数据集。再采用预测精度和易发性指数分布等指标分析其建模不确定性。进一步针对耦合模型预测的滑坡易发性指数分布不合理等问题，在半监督RF建模时采用滑坡与非滑坡比例为1∶2的样本集开展建模并与1∶1等比例样本集工况作对比。结果表明：1）低坡度RF、缓冲区RF、IV–RF和半监督RF等模型的预测精度均大幅优于随机RF模型，可见准确选择非滑坡样本对易发性建模至关重要；2）半监督RF模型选择非滑坡样本的建模性能最优，且半监督RF在滑坡∶非滑坡=1∶2比其在1∶1时预测的易发性指数分布规律更准确可信。后续研究中有必要更深入探索滑坡与非滑坡样本的比例问题。     

不同水沙条件下弯道河床冲淤与漫滩洪水特性研究

我国西南山区山洪灾害频发,严重威胁山区社会发展和人民生命财产安全。由于地形限制,山区常见弯曲河道,而弯曲段时常发生山洪灾害。以往弯曲河道水沙运动及河床演变的研究成果难以有效识别弯曲河道漫滩洪水下凹岸易灾区域范围。基于四川省芦山县王家村弯曲河道漫滩洪水灾害的现场观测,本文设计了弯曲水槽模型,测量了不同水沙条件下弯道水面超高、河床地形、凹岸水位和滩槽纵向流速,探讨了漫滩洪水的致灾机制,识别了漫滩洪水下弯曲河道易灾区范围。结果表明,上游流量是弯道漫滩洪水致灾的关键因素,而上游泥沙补给是次要因素。弯道水面超高随泥沙补给增加而增大,经对比计算,兰运长等的率定参数能较好预测河床冲淤稳定的弯道水面超高。水流不漫滩时,泥沙补给仅造成弯道凸岸轻微淤积,对弯道凹岸水位提升的影响很小。洪水漫滩后,上游流量增大造成凹岸水位和滩地流速显著增加。随着泥沙补给不断增大,弯曲主河道河床整体淤积,但淤积对水位和滩地流速的影响较小。30-60°断面区域是90°弯曲河道的易灾区范围,这是因为该区域内的滩地流速大于主河道流速和上游来流流速,滩地最大流速出现在弯道50°断面,其值可达上游来流流速的1.3倍。从水动力学角度分析,洪水漫滩时,滩地流速显著增大是王家村弯曲河段弯顶附近滩地成灾的原因。     

机器学习方法在滑坡易发性评价中的应用

中国山区多、地形复杂,构造发育、地质灾害隐患分布广泛.滑坡作为山区最具灾难性的地质灾害之一,严重威胁着人民群众的生命及财产安全.构建滑坡易发性模型能够量化滑坡发生的可能性,对制定防灾措施、减少潜在风险具有重要作用.由于经验驱动模型难以量化,且往往依赖主观判断,近年来,滑坡易发性模型的精度与准确度在从经验驱动和统计理论模...     

山洪灾害发生规律及成因研究

上世纪80年代以来,山洪灾害频繁发生,经济损失不断上升.分析表明黑龙江省山洪发生时空分布特征基本同全省暴雨分布相一致,山洪暴发前3 h、24 h及前10 d降雨量为有效     

基于GIS的长白山地区山体滑坡易发程度分析

将地理信息系统（GIS）和遥感技术（Rs）相结合,利用地质图、土壤图、土地利用图、坡度图、坡向图对长白山地区进行了山体滑坡易发程度分析．首先基于遥感技术对长白山地区的卫星图像进行了分类,并绘制了土地利用图,然后用长白山地区的数字高程模型分别获取了坡度和坡向信息;其次利用AHP技术计算了5种山体滑坡影响因子的重要度,结果显示坡度重要度最高,坡向重要度最低;最后根据山体滑坡影响因子的重要度,使用GIS的栅格数据叠置功能绘制了山体滑坡易发区划图,图中显示最危险区域（危险度≥O．9）主要分布在集安市、临江市和和龙市周围的山区地带中靠近中朝边界的地区．     

A Physical Modeling Case Study on Sediment Disasters of Waterpower Stations in Mountain Rivers

A physical modeling case study on flood and sediment disaster of waterpower stations in mountain rivers was conducted.Field observations and laboratory experiments show that the reasons induced disasters of Boluo Waterpower Station are those main characteristics of mountain rivers in South-Western China.High speed flows with velocities between 10 to 20 m/s are provided with strong sediment canting capacity in flood season.Steep banks with thick loose surfaces are rich in sediment supply by landslides and debris flows.Con- centrated rainstorm of 79.5mm in 6 hours formed suddenly a flood with a return period of 50 years in“July 28 flood-sediment disaster”.Artificially,the location of the workshop is too low,and occupies part of cross area for flood travel.Physical modeling studies provide suggestions to protect the hydropower station.Crest of flood control dykes must be increased 3 m to meet the requirement of floods with 50 years return period;Constructing flood and sediment retarding areas along Wahei River;Steep banks with thick loose surface need to be protect- ed to control landslides and debris flow;Finally sediment guiding dykes are suggested in front of the tail-water channel.     

西南山区大型水电工程库岸滑坡InSAR早期识别与监测研究进展

我国西南山区大型水电工程大量建设于金沙江、澜沧江、雅砻江流域,但是这些流域复杂的地层、岩性、构造、水文等地质条件导致水电工程库岸滑坡灾害分布广泛,多发频发。合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术凭借其覆盖范围广、监测精度高、不受云雾遮挡等特点为水电工程库岸滑坡早期识别与监测带来了新的机遇,在近年来得到水电工程建设及库岸地质灾害防治相关领域的极大重视。基于此,对西南山区大型水电工程库岸滑坡InSAR早期识别与监测的应用概况进行了梳理,从研究时间、研究内容、研究对象等多角度进行了分析; 对水电工程库岸滑坡InSAR早期识别与监测技术的研究现状、研究热点进行了归纳与总结,揭示了以白鹤滩水电站为里程碑,水电工程库岸滑坡早期识别与监测目前已开始进入InSAR技术应用与研究的爆发阶段; 最后,探讨了水电工程全生命周期(蓄水前阶段、蓄水阶段、蓄水后阶段)对InSAR技术的不同应用需求与算法适用性。随着SAR数据质量提升与算法进步,InSAR技术必将常规化地参与到水电工程全生命周期库岸滑坡的识别与监测工作中,为水电工程库岸滑坡的早期识别、监测预警、触发机理研究及灾害防治等提供重要支撑,提升我国水电工程库岸滑坡地质灾害防治能力。     

崩滑碎屑体堵江成坝研究综述与展望

堰塞坝是由崩塌、滑坡、泥石流等斜坡失稳体堵塞河流而形成的天然坝体。我国是堰塞坝的高发区,在作者统计的全世界范围内堰塞坝案例中,发生在我国的高达758例,占比59%。近年来,频发的地质构造活动和极端气候灾害(台风、暴雨、融雪等)诱发了大量的堰塞坝,严重威胁所在流域的生命财产安全。崩滑碎屑体堵江形成的堰塞坝通常结构松散、稳定性差、溃决程度大、溃决速度快,容易形成巨型洪灾,对下游生命财产造成更大危害。首先简要总结了一般堰塞坝堵江研究,阐明了崩滑型堰塞坝成坝特点。然后分析崩滑碎屑体运动及破碎机理和碎屑体堵江成坝机理研究,明确了颗粒破碎和水流条件对坝体形态特征、物质组成和稳定性的作用。崩滑碎屑体堵江通常有3种成坝模式：滑入型、爬高型和折返型,不同类型堰塞坝的稳定性具有显著差异。堰塞坝的稳定性与坝体关键特征参数(几何形态、坝体结构和物质组成)密切相关,而坝体特征参数又主要由崩滑体在运移过程中碰撞破碎和入河堵江时的固液耦合作用共同决定。考虑上述两种因素,结合物源性质、边坡地形、河谷及水流条件,本文提出了成坝影响因素与堰塞坝的空间形态、结构特征及稳定性的内在关系的研究思路,以便建立基于坝体稳定性快速评价的坝体特征预测模型。本研究的开展可为堰塞坝形成前坝体特征的事先预测以及堰塞坝形成后坝体稳定性的快速评估等方面的研究与实践提供重要理论依据。