高速滑坡碎裂化过程及运动放大效应的试验和模型研究

滑坡灾害给人民的生命财产安全构成了巨大威胁，尤其是高速远程滑坡-碎屑流，其规模大、运动距离远、致灾影响严重，如何更好的了解高速远程滑坡-碎屑流相关动力机制具有重要的科学意义和实用价值。高速远程滑坡-碎屑流运动过程有两个科学问题极为关键，即运动碎屑化和运动沿程侵蚀放大。 项目采用现场调研、统计分析、常规力学试验、物理模型试验、理论分析和数值模拟等手段，通过多年持续系统性的研究，在滑坡运动破碎、沿程侵蚀放大、致灾响应、风险评估等方面取得了一定的进展。主要有： （1）基于重锤破碎、霍普金森压杆试验以及滑坡块体运动破碎物理模型试验，并结合图像识别、高速影像分析、数据处理等技术手段，揭示了高速滑坡碎裂化的动力学过程，并建立用于描述滑坡碎裂化过程的理论模型，尤其是滑坡块体冲击破碎块体粒径分布的估算方法。 （2）在对典型灾难性滑坡现场痕迹勘测以及历史滑坡数据分析的基础上，针对性的设计了多套滑坡物理模型实验槽，结合力学试验、理论分析及数值模拟等手段，提出了滑坡运动沿程冲切铲刮作用机制，并建立了相应的理论模型。 （3）基于典型灾难性滑坡现场调研、室内物理模型试验以及数值模拟，提出了滑坡运动放大效应的力学机制，并结合能量守恒原理及颗粒材料破坏力学等理论，建立了用于描述滑坡运动放大效应的力学模型。 （4）基于数值模拟和理论分析，提出了用于估算滑坡运动距离、滑坡冲击力、运动速度演化以及滑坡规模放大等灾害参数的经验性公式。 相关成果在国际滑坡领域权威期刊Landslides等上共发表论文21篇；申请发明专利2件，获授权实用新型专利1件、软件著作权2件；参加国内外学术会议18次，作特邀报告8次；培养毕业硕士3人、与国内外同行交流合作紧密；获2018年度教育部科技进步一等奖等科研奖励多项，在西藏易贡滑坡、汶川地震文家沟滑坡、2017年茂县叠溪滑坡、2018年金沙江白格滑坡-堰塞湖、云南鲁甸红石岩滑坡-堰塞湖等灾害的相关工作中获得了应用。 2100433B

本课题以高速远程滑坡碎屑流为研究对象，重点研究高速滑坡运动过程中的两个关键问题：滑坡碎裂化并转化为碎屑流的动力过程及由冲击铲刮作用导致的滑坡运动放大效应。采用现场调查、物理模型试验、理论分析和数值试验等手段，对高速滑坡碎屑流的动力过程、力学机制及模型进行研究。基于岩石冲击破碎试验和滑坡块体运动碎裂化试验，提出用于描述滑坡体碎裂化情况的定量化参数；建立用于描述高速滑坡碎裂化过程的力学模型。在大量室内物理模型试验和数值试验基础上，提出滑坡冲击铲刮效应的作用机制及其对运动放大效应的影响；重点研究水存在条件下对冲击铲刮效应及滑坡动力学过程的影响。综合滑坡实例统计数据，提出用于估算滑坡运动距离、速度演化及滑坡体积规模放大等灾害参数的经验性公式。研究得到的滑坡灾害参数估算模型可为高速远程滑坡的防灾减灾提供理论依据，具有较高的研究意义和社会价值。

栖地碎裂化栖地碎裂化是一动态过程

栖息地的破碎化可定义为对连续性栖息地的扰动过程，而这种扰动又可产生一系列的空间格局，无论是过程还是格局都处于动态之中。在理解栖地碎裂化时首先要界定什么样的栖息地是破碎的和什么样的栖息地不是破碎的，右图描述了栖地碎裂化过程及其不同阶段的空间格局，可以从图中看出哪些栖息地是未破碎的、哪些栖息地是破碎的以及哪些栖息地是严重破碎的，即栖地碎裂化程度的梯度变异。以往的研究经验告诉人们破碎化程度可以通过测量斑块面积和隔离度而获得，这种研究方式随着景观生态学的渗透理论的应用而得到补充和加强。在具体问题研究过程中，往往将未破碎的栖息地称为同质的栖息地，并于尺度关系密切，栖地碎裂化格局随着研究尺度的改变而变化。图中所描述的梯度是连续的，而不是单独的以隔离度为基础任意地分为“已破碎的”和“未破碎的”，因为栖地碎裂化是一连续的动态过程。

动物种群对栖地碎裂化过程的不同阶段有着不同的反应，即动物种群对栖地碎裂化的反应受时间动态的影响。在栖地碎裂化初期，由于对某一地段的习惯，有些个体对栖息地的变化不会立即做出反应，这一现象容易隐藏和掩盖破碎化效应，从而对某些动物种群形成“生态陷阱”。另外，在栖地碎裂化过程中，个体间的替代作用和种群中的漂泊者会产生类似的效果。有些物种对栖地碎裂化的反应是快速地进入残余的栖息地斑块中，所以残余的栖息地斑块中暂时增加了物种丰富度和个体密度。在破碎化栖息地中，群体的社会吸引力也能改变个体的分布模式从而在对栖息地变化的反应上产生时滞。然而，随着栖地碎裂化过程的持续和时间序列的变化，破碎化效应对动物种群的各种不良后果会相继出现。

栖地碎裂化尺度的重要性

空间和时间尺度包含于任何生态系统的过程中，对于自然现象的描述与选择的尺度有很大关系，在不同尺度上，生态系统模式的表现过程往往不一致。例如，在地中海区域，有些鸟类的空间分布格局在细小尺度上可以表现为均匀型而在较大尺度上又表现为聚集型。尺度越大，生态系统的成分就越复杂，但其变异性往往随着尺度的增大而缩小，可预测性增强。相反，小尺度下的生态系统尽管成分相对简单，但由于随机现象的增加，使生态系统变得不可预测。VanTurnhout等在不同空间尺度上对荷兰的繁殖鸟类多样性进行了25a的监测，发现在不同尺度下，鸟类物种多样性的表现模式并不一样，他们的实验结果证实了在较大尺度上鸟类多样性的分布模式具有更强的可预测性。

尺度的变化可能会影响人们对栖地碎裂化的理解，不应该试图决定哪一种尺度是最合理的，而应该把工作重点放在理解和认识研究对象在不同尺度上的发生规律。最佳生态尺度的选择随着研究对象和研究问题的不同而发生变化。例如，一片面积为100hm²森林破碎成10个森林斑块，对领域面积相对较小的白喉林莺来说，必须面临着一种选择，即正确的判断哪些斑块是适合生存的，哪些不是，如果判断有误，可能带来灭顶之灾。而这种破碎化对领域面积较大苍鹰似乎不产生影响，这10个斑块只是苍鹰栖息地中细密的纹理。生态尺度的选择还与研究的焦点是动物个体还是动物种群密切相关。对于同一种鸟类而言，研究种群的尺度往往大于研究个体的尺度。例如，一只雄性松鸡在繁殖季节需要20～50hm²的森林作为领域，一个松鸡繁殖种群往往需要10000hm²的林地作为繁殖场所。另外，同一物种在不同的区域领域面积差异较大，在选择研究尺度时应该加以区别，例如，斑点林鸮个体的年领域范围在不同的区域从500hm²到5000hm²不等。

有关栖地碎裂化研究的理论基础主要有岛屿生物地理学理论、景观生态学中的结构与功能原理和集合种群理论。在利用岛屿生物地理学理论对生境破碎化进行研究时，有两点假设：一是将斑块比喻成海洋中的岛屿；二是假设斑块周围的异质环境对斑块中的有机体来说是难易逾越的“海洋”。然而，事实并非如此。栖息地斑块之间的通透性远远大于真正的岛屿。斑块动物种群受周围环境的影响较大，这些影响有时甚至大于斑块内部的结构效应。所以，岛屿生物地里理论在研究栖地碎裂化时受到了一定的局限。景观生态学的结构与功能原理从复杂的空间格局出发，将空间格局定义为基质、斑块和廊道等元素来研究破碎生境中的种群动态，充分考虑了生境的空间异质性。结构与功能原理强调环境的复杂物理结构，探求不同空间尺度上异质物理环境所产生的种群、群落与生态系统水平上的生态后果，由于这种复杂性，所以数学建模和量化分析困难重重。集合种群理论充分考虑了斑块空间格局对种群的影响，对空间环境的简化使其理论内涵与实际应用能有效地结合在一起。经典的集合种群理论由Levins于1969年提出，在随后的几十年里McCullough、Schwartz、Hanski等学者对该理论进行了完善和补充，提出了状态转换模型、多种群模拟模型和关联函数模型等。Pulliam及Pulliam和Danielson提出了源种群、汇种群以及相应的源生境、汇生境的概念，为集合种群理论增添了新的活力，并使集合种群理论得以广泛地应用到栖地碎裂化对动物种群影响的研究中。 2100433B

国内外几乎所有的高速远程滑坡皆呈现流体化的运动特征。这些滑坡的滑体都毫不例外的从有一定结构的岩体转化为流体化的湿碎屑流或干碎屑流。本项目将以1991年发生的云南头寨沟滑坡为原型，研究高速滑体碰撞冲击碎屑化和碎屑体之间相互碰撞进一步破碎的动力学机理；研究干碎屑流运动过程中不同粒径碎屑颗粒的起动速度，计算碎屑体运动过程中受到的空气动力；应用二相流理论研究高速远程滑坡碎屑流运动特征和运动机理，建立适合高速远程滑坡干碎屑流的流动模型；采用颗粒流程序(PFC2D)研究高速远程滑坡碎屑流的运动过程和不同时刻碎屑物的堆积特征，分析滑坡远程碎屑流运动速度和动能随时间的变化规律。本项目成果丰富了高速远程滑坡流体动力学理论的内涵，具有重要的学术价值，对防灾减灾有重要意义。