山地災(zāi)害鏈承傳系統(tǒng)非線性響應(yīng)特性研究.pdf

1、我國是一個多山國家，山區(qū)面積約占國土面積的三分之二，滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，尤其是山地災(zāi)害鏈?zhǔn)录?，更造成一般山地?zāi)害所無法比擬的大范圍危害。近年來，隨著全球氣候變化異常和人類社會經(jīng)濟(jì)活動的不斷增強，極端天氣和地質(zhì)災(zāi)害增多，山地災(zāi)害鏈?zhǔn)录性黾拥内厔?，成為我國山區(qū)人民生命財產(chǎn)安全和重大工程的嚴(yán)重威脅。因此，有關(guān)山地災(zāi)害鏈形成機理、傳播過程、成災(zāi)模式和減災(zāi)對策的研究，是具有重要科學(xué)意義和明確應(yīng)用背景的課題。
　　鑒于山地災(zāi)害

2、鏈的研究整體尚處于起步階段，而災(zāi)害承傳系統(tǒng)的響應(yīng)特性是在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中使災(zāi)勢擴(kuò)大的最重要的環(huán)節(jié)，因此本文確定將其作為論文的主攻方向;并選擇地震觸發(fā)崩塌滑坡、降雨泥石流以及堰塞湖潰決這三種典型山地災(zāi)害鏈作為研究的原型。針對災(zāi)害承傳系統(tǒng)的非線性特性，選擇自組織臨界狀態(tài)理論、元胞自動機、去趨勢互相關(guān)分析等非線性科學(xué)的理論與方法，并運用航衛(wèi)片遙感資料解譯、野外現(xiàn)場考察、振動臺沙堆模型實驗、振動臺水箱模型實驗、計算機模擬等手段，揭示在原生事件系統(tǒng)的干

3、擾下，災(zāi)害承傳系統(tǒng)的非線性響應(yīng)特性。主要工作和研究結(jié)論如下:
　　(1)針對地震觸發(fā)崩塌滑坡、降雨泥石流兩類原型問題的特點，分別設(shè)計了擾動強度遞增、擾動強度為隨機變量序列的元胞自動機模型，開展了一系列變擾動情況下的元胞自動機沙堆模型實驗，獲得了一批擾動條件變化下SOC系統(tǒng)承傳特性的結(jié)論，拓展了SOC在災(zāi)變理論中的應(yīng)用，對元胞自動機沙堆模型實驗技術(shù)的發(fā)展亦具有促進(jìn)作用。
　　(2)提出當(dāng)且僅當(dāng)處于地貌發(fā)育階段幼年晚期的谷地以及

4、壯年期的山地，其坡面總能維持在臨界坡度，系統(tǒng)已經(jīng)演化到了臨界狀態(tài)，崩塌、滑坡、泥石流等斜坡重力作用地表過程，其共同特征是能量的耗散是以斜坡物質(zhì)失穩(wěn)下滑實現(xiàn)的，從物理概化角度，可認(rèn)為沙堆模型是一種能抓住真實斜坡系統(tǒng)基本特征的簡單理想模型，因而它們的動力學(xué)特征都應(yīng)能在SOC的概念框架下得到解釋。從而界定了SOC在山地學(xué)中的適用范圍。
　　(3)汶川地震實震資料表明，在Ⅸ度區(qū)崩塌滑坡規(guī)模與出現(xiàn)頻率之間的關(guān)系可用冪律描述，Ⅹ度區(qū)這一關(guān)系基

5、本服從冪律分布，Ⅺ度區(qū)更偏向于對數(shù)正態(tài);蘆山地震實震資料表明，Ⅸ度、Ⅷ度、Ⅶ度烈度區(qū)，崩塌滑坡規(guī)模與出現(xiàn)頻率之間的關(guān)系均可用冪律描述，但隨地震烈度的降低，崩塌滑坡點的密度單調(diào)減小。元胞自動機模擬實驗表明，以擾動值1-Fmax為界可以劃分為兩個區(qū)間，沙堆模型的動力學(xué)特性呈現(xiàn)出不同的性質(zhì):在擾動值小于1-Fmax的區(qū)間，隨擾動強度的降低，系統(tǒng)的動力學(xué)特性均能用冪律描述，但雪崩密度相應(yīng)減小，因此，在此區(qū)間必須增加雪崩密度指標(biāo)才能構(gòu)成對SOC系

6、統(tǒng)統(tǒng)計特性的完整描述;在擾動值大于1-Fmax的區(qū)間，隨擾動強度的增加，沙堆模型的動力學(xué)特性將經(jīng)歷冪律—冪律弱化—對數(shù)正態(tài)分布的演變過程。實現(xiàn)了從物理角度對不同烈度區(qū)地震觸發(fā)崩塌滑坡分布規(guī)律演變機理的詮釋，初步建立了從Ⅶ度到Ⅺ度不同烈度區(qū)地震觸發(fā)崩塌滑坡總體特征的完整表征體系。
　　(4)提出泥石流溝谷系統(tǒng)具有自組織臨界性的推斷具有合理性。以蔣家溝泥石流為范例的研究表明，重力侵蝕型泥石流徑流量的分布呈現(xiàn)為冪律形式或者接近于當(dāng)?shù)貐^(qū)域

7、性降雨的概型;泥石流徑流量規(guī)模與頻率之間的分布具有衰減型的尾部，是SOC系統(tǒng)普適性的特征。據(jù)此利用極值統(tǒng)計理論，建立了不同設(shè)計基準(zhǔn)期蔣家溝泥石流最大徑流量極值分布的數(shù)學(xué)模型，為解決泥石流防治工程可靠性設(shè)計中泥石流荷載概型確定這一難點問題，提供了新思路和方法。
　　(5)2010年墨西哥下加利福利亞洲Ms7.2級地震中地震波與池水涌浪的相關(guān)性分析結(jié)果表明，地震波與池水涌浪均為正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性時間尺度約為4s。振動臺水箱模型實驗重現(xiàn)

8、了同樣的規(guī)律。輸入三種頻譜特性不同的地震波振動臺水箱模型實驗表明，地震波主頻是決定相關(guān)性時間尺度的主要因素。據(jù)此，提出振動臺水箱模型實驗?zāi)芊从痴鎸嵉牡卣鹩坷艘?guī)律，利用水箱模型研究地震涌浪研究方案合理;在建模時，由于地震波與地震涌浪的相關(guān)性時間尺度事前并無法得知，作為一種簡化處理，可以地震波主頻的周期作為相關(guān)性時間尺度的取值。結(jié)論為地震引發(fā)庫、湖水涌浪模型的研發(fā)提供了理論指導(dǎo)。
　　(6)將原生事件系統(tǒng)與災(zāi)害承傳系統(tǒng)均為SOC的情況

9、定義為SOC—SOC系統(tǒng)災(zāi)害鏈問題。在以降雨—泥石流為典型SOC—SOC系統(tǒng)災(zāi)害鏈的研究中，通過元胞自動機模擬，提出其傳遞特性是:當(dāng)擾動輸入平均強度較小時，通過次級SOC系統(tǒng)的傳遞，會將總體動態(tài)特性的復(fù)雜性放大;之后隨著擾動平均強度的遞增，次級系統(tǒng)的放大作用逐漸減弱，直至消失，體現(xiàn)為次級SOC系統(tǒng)的b值趨近為擾動事件序列的b值，因此b值的變化可以表征SOC災(zāi)害承傳系統(tǒng)自組織效應(yīng)的作用。這是關(guān)于SOC—SOC系統(tǒng)災(zāi)害鏈傳遞特性的有益探索。