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1、国外地质灾害调查、监测、预警预报 国外地质灾害调查、监测、预警预报 （美国、加拿大、法国、日本、意大利情况介绍） 美国地质调查局 美国地质调查局 美国地质调查局提出了 20062010年滑坡 灾害计划（LHP）该计划可以帮助美国地质调 查局（USGS）利用可靠的科学信息来降低自然 灾害造成的生命和财产损失的任务。LHP 的任 务是提供可以降低滑坡损失的信息，促进人们 对滑坡灾害的了解，制定科学的减灾战略，提 高公众的安全意识。 20062010 年的 LHP 计划是 一 新的预测模型 最近几年来，LHP 开发了一些评价斜坡稳 定性或滑坡敏感性的模型。根据这些模型可以 推测将来滑坡发生的时间、位
2、置和规模。其中 一个模型是 SCOOPS，可以分析从沿海峭壁到 火山爆发的三维深部旋转破坏。LHP 计划对这 一模型进行了改进，使其可以分析相似尺度下 的三维滑动破坏。由于这个模型可以提供破坏 体积的信息，LHP 也计划将这一模型与火山灾 害计划的模型结合起来，预测滑坡和泥石流沿 坡而下的泛滥区。USGS 开发的另一个模型是 TEIGRS，可以分析与时间相关的降雨入渗量和 其造成的浅层崩积物的不稳定性。LHP 计划改 进了这一模型，并用它分析暴雨开始时非饱和 土壤的入渗以及在持续降雨过程中形成的侧向 流动。同时也需要在实时降雨和（或）地震地 面运动的条件下，为满足滑坡敏感性的静态图 以及编制第
3、二代动态图的需要，研究各种敏感 性模型的概率结果。对滑坡历史和重现情况要 继续进行研究，以便更好地认识美国大部分地 区发生滑坡的可能性，包括研究美国东部山区 由于强降雨造成的滑坡事件，确定这一地区的 降雨阈值。另外，可以应用改进的模型评价美 国其它地区的滑坡灾害。 计划还将这些模型引入到一个决策支持系 统中，以迅速评价火灾后发生的泥石流灾害。 LHP 已经建立了火灾后泥石流响应和发生过程 的数据库，包括根据地球资源探测卫星图像获 取的全国范围内火灾程度的实用信息。计划对 现有的经验模型以及研究火灾区径流和侵蚀过 程的物理模型进行改进。预计这些模型可以提 高火灾后泥石流评价的精度和准确性。 二
4、新的滑坡监测技术 LHP 计划改进和开发动态滑坡环境的监测 技术。这些技术可以更好地预测将来的滑坡活 动。该计划预计可以提高实时监测能力，采用 成本较低的 GPS 接收器等仪器来监测从缓慢蠕 变到迅速灾难性破坏的滑坡活动。如果条件允 许，还计划应用地球资源探测卫星数据和高分 辨率的遥感数据，如 LIDAR 和 SAR，对滑坡活 动进行探测、绘图或做出迅速评价。 三 对知之甚少的滑坡过程的研究 LHP 计划将研究重点放在以下特别棘手且 缺乏对其认识的滑坡灾害上。这一成果有助于 开发新的评价工具： 1、进行野外分析研究，以更好地认识泥石 流的发展过程。许多破坏性的泥石流的规模最 初都很小，通过侵蚀
5、流经的通道和向下运移过 程中携带沉积物的“体积膨胀”作用而逐渐扩 大。认识泥石流的发展机制和前期状态有助于 对泥石流灾害进行评价。 2、需要对能够引起滑坡沉积物再次活动的 必要条件进行研究。这一工作有助于预测引起 老滑坡再次活动的条件。 3、要不断寻求其它机构的协助，以便研究 和应用不同方法来评价岩崩灾害对公共土地的 影响。 LHP 的长期目标： 一 滑坡灾害评价 在美国进行滑坡野外调查、研究、监测和 分析以减小滑坡灾害和风险时，特别要强调的 是采用 GIS 和遥感技术开发新方法和开展试点 研究。根据以后发生的滑坡，对滑坡灾害评价 进行有效性检验。 二 活动滑坡监测和模拟 对活动滑坡和不稳定边
6、坡进行远程和近距 离的实时监测，有助于提高公共安全，进一步 认 识 滑 坡 的 起 动 机 制 和 滑 坡 速 度 。 与 NOAA/NWS、 USGS 地震和火山灾害计划、 NPS 以及其它联邦、州和地方机构合作，对可能诱 发滑坡的外部因素进行监测。进行包括模拟和 分析在内的研究，以进一步认识滑坡的诱发机 制和发生前的征兆，这样有助于预测滑坡的起 动、扩大或再活动。需要不断开发预测滑坡位 置、 起动和影响的物理模型。 为了使与 DOGAMI 合作的滑坡研究顺利进行，LHP 计划在俄勒冈 州西部地区增加一些监测点。 三 滑坡灾害发生后的迅速评价 开发随机性和确定性模型及方法，包括降 雨阈值，来
7、预测与气候相关的滑坡起动机制。 与 NWS 合作，为迅速处理数据、进行预测以及 通知合作伙伴和其他用户，建立分析系统、运 算法则、协议和程序。这些系统和运算法则， 如简单的降雨累积和降雨持续时间的阈值模 型，可以通过现有的实时雨量站网获取的数据 进行评估和改进。同时需要与 FEMA、联邦土 地管理机构、州/县应急管理机构和 USGS 的其 它项目合作，对火灾后的烧毁程度和发生泥石 流的可能性做出迅速评价。 针对加利福尼亚南部最近发生过火灾的盆 地，建立可能造成泥石流活动的降雨累积量和 持续时间的阈值。与 NWS 合作，将阈值引入加 利福尼亚南部最近发生过火灾地区的泥石流预 警原型系统中。 将
8、USGS 和 NWS 的泥石流预警 系统应用到美国其它地区，首先从阿巴拉契亚 山区开始，LHP 科学家不断对该地区的降雨阈 值进行改进。同时也与 DOGAMI 和俄勒冈州林 业部合作，确定俄勒冈州西部地区的降雨累积 量和持续时间的阈值。 四 交流和减灾 不断向联邦、州和当地政府，私人企业， 土地规划人员，那些监测土地开发的环境影响 和制定土地利用政策的人以及部分市民提供滑 坡信息。研究滑坡信息在提高减灾能力中的作 用，根据这些研究结果，可以对信息传递进行 改进，以达到减灾的目标。需要在全国范围内 不断汇编与滑坡相关的损失数据，收集可用的 滑坡图件和详细目录。另外，USGS 也直接或间 接对火山
9、灾害计划、国家合作地质填图计划、 地震灾害计划、沿海和海洋地质计划、水资源 和地理学提供专业的滑坡灾害支持。这些计划 直接研究和评价由暴雨、地震、野火、火山、 水下滑坡、河流和海岸侵蚀造成的滑坡、泥石 流和火山泥流。 滑 坡 滑 坡 美国地质调查局（USGS）的战略提出： USGS 应该制定一个旨在了解滑坡过程和诱发 机制的研究计划，主要的战略目标是：1 确定 研究日程表和执行计划，更好地了解滑坡过程、 临界值和诱发因素，从而预测滑坡灾害；2 建 立可以用于预测滑坡灾害的地面变形和斜坡失 稳科学模型；3 建立不同诱发因素（如强降雨、 地震等）的滑坡灾害时空预测系统。 很好地了解滑坡过程的机制是
10、建立可靠滑 坡预警系统和进行有效减灾工作的基础。 1 对任何潜在的滑坡地点的调查要搞清楚如 下的问题：（1）滑坡是怎样诱发的？（2）滑 坡发生的预兆是什么？（3）滑坡会有多大规 模？（4）滑坡体运动多远？（5）滑坡运动多 快？上述问题的答案因滑坡类型和滑坡体物质 状况的不同而异。滑落到高速公路上的一块岩 石也许会造成可怕的灾祸，在人口密集区，一 个高速滑动的小型滑坡也许比一个大的缓慢滑 坡对公众造成更大的威胁。在香港，体积为 2 200m3的小滑坡也曾造成人员死亡事故（Works Bureau,1998）。 2 基岩滑坡：在美国，相当多的地区都分布有 软弱岩石，曾经发生古滑坡或者现代滑坡。因
11、此应该搞清楚下列问题：（1）控制基岩滑坡分 布的因素？（2）气候变化如何影响基岩滑坡？ （3）控制滑坡速度的因素？（4）在稳定滑坡 上进行开发的安全性如何？ 3 水下滑坡：美国滑坡减灾战略应该延伸至近 海区域，重新认识水下滑坡伴随产生的特殊问 题，尤其是在表面和地下采样以及进行原位土 工测试难度很大。应该搞清楚下列问题：（1） 如何进行有效填图？（2）斜坡失稳中水化气的 作用？（3）如何评价水下滑坡的工程地质特 征？（4）如何将工程地质特征进行风险评价？ 为了回答这些问题，应该制定一个全面研 究计划，包括的内容如下： （1）野外实地特征； （2）试验室特征；（3）工程地质和水文地质 模型计算结
12、果； （4） 动力学模拟计算结果； （5） 野外实地研究有助于确定场地特征和模型的有 效性。 只有建立在许多进行长期野外工作基础上 的科学研究规划才可以解释与滑坡过程有关的 许多重要问题。这些问题涉及范围很广，从物 质特征确定，到孔隙压力研究，到地质力学分 析，到大的变形评价，主要是取决于滑坡类型 的特定性质和地质环境。应该由 USGS 和其他 联邦及州机构合作选择野外工作位置和制定典 型点的工作计划。应该由易于进行技术转让的 私人或公共机构在典型点进行专项研究。尽管 应该优先考虑对泥石流、软弱基岩滑坡和可能 的水下滑坡进行野外实地研究，但是如果条件 合适也要考虑其它滑坡类型。以前，USGS
13、进行 的滑坡工作主要集中在根据野外工作进行灾害 填图和评估。随着人们对滑坡机理的进一步认 识以及现代数理力学理论和计算机技术的迅速 发展,各种预测预报方法不断涌现,且取得较好 的预测结果。 滑坡预测预报主要包括空间和时间两个方 面,缺一不可。滑坡的空间预测为时间预报提供 对象；滑坡时间预报的选点必须首先以滑坡空 间预测成果为依据,从而避免盲目设点造成错漏 的弊端。 滑坡空间预测预报.空间预测是指对滑坡发 生的地点、规模等的预测,目前使用较多的方法 有以下几种: 传统的稳定系数预测法 稳定系数预 测法是最早的滑坡空间预测的方法。该法通过 计算滑坡体的安全系数 Fs 来预测某一具体边坡 的稳定性。
14、 Fs =F抗滑力/F下滑力 当 Fs 1.0 时， 边坡处于稳定状态。 计算稳定性系数的方法有多种，如基于极 限平衡理论的条分法、瑞典法、数值分析法等。 在计算中，参数的选取直接影响到分析结果的 正确性。这种方法多适用于单体滑坡的预测， 在工程中应用非常广泛，且为设计人员熟悉。 信息模型法。信息模型法把各种滑坡因 素在滑坡作用过程中所起作用的大小程度用信 息量表达。 灾变模型预测法。计算边坡的稳定系数 需要涉及到岩土的计算参数，由于岩土性质的 不确定性和离散性，使得同一边坡采用不同的 计算参数得出差别较大结果，甚至得出相反的 结论。采用灾变理论避开了这些不确定性的参 数的影响，它假定系统在任
15、何时刻的状态都可 完全由给定的几个状态内部量(x1,x2?,xn)的 值来确定，同时系统还受到m个独立的控制量 (u1,u2?um)的控制，通过数学方法，研究系统 状态的稳定与否与各量值的关系。该方法综合 考虑了各种边坡要素对边坡稳定性的不同程度 的影响，能较真实地描绘边坡系统的状态。 3 模糊综合评判法。边坡的稳定性受诸多 因素的影响，很难用一个确定的结论来表述其 稳定还是不稳定，往往用模糊概念来表述，如 把边坡的稳定等级分为“危险区”、“不稳定 区”、“较不稳定”、“稳定区”等。模糊综 合评判方法就是对边坡稳定性等级进行分类， 并通过专家评分或构造隶属函数确定对同一等 级各因素以及某一因素
16、在不同等级中对边坡稳 定性的影响程度(隶属度)，建立模糊评判矩阵， 确定边坡的稳定性对各等级的隶属程度，最后 按择优原则预测边坡的稳定性。该方法的最终 结果是否可靠，受单因素的选择和隶属度的确 定影响较大。 滑坡时间预测预报。时间预报是指对滑坡发 生的具体时间的预报，即对已获取的监测数据， 通过数学模型来预测未来某一时刻坡体的状 态。目前常用的方法有: 斋滕法。该方法以土体的蠕变理论为基 础。土体的蠕变分为三个阶段，第阶段是减 速蠕变阶段，第阶段是稳定蠕变阶段，第 阶段是加速蠕变阶段。1965 年，斋滕迪孝根据 室内实验和仪器监测的结果，提出以第蠕变 阶段和第蠕变阶段的应变速率为基本参数的 预
17、测预报经验公式，认为在稳定蠕变阶段，各 时刻的应变速率与该时刻距破坏时刻的时间的 对数成反比，相应计算公式为: lgtr =2.33-0.916lg0.59 在加速蠕变阶段，取期间变形量相等的t1、 t2、t3三个时间来计算最后破坏时间，相应计算 公式为: 公式中，tr为边坡最终破坏时间。 灰色理论模型预测。色模型是根据德国 数学及生物学家Verhulst用灰色系统理论建立 的用于生物繁殖量的预测模型演变过来的滑坡 时间预测预报模型。灰色理论的预测是趋势性 预测，在实际使用中，为了保证预测的现实逼 近性，通常需要用最新的实测数据进行建模。 预测模型为: 其中 a，b 为与滑坡位移原始监测数据有
19、 50 公路两侧的多处滑坡设 计并实现了活动滑坡实时监测系统（Real- Time Monitoring of Active Landslides） 。 近十年来， 滑坡 监测研究的一个热点是时间域反射测试技术 (TDR)的应用，它由美国的研究人员最早运用， 目前已发展为一种成熟的滑坡监测技术。同时， 监测系统与预警系统（Alarm System）的衔接也 是目前国外研究的热点，现阶段国外较新的监测 手段与技术包括 GPS 监测、 高分辨率遥感监测、 三维扫描测量监测、光纤形变测量技术“BOTDR” 等。同时，大量被利用的还有多种传统的监测技 术与方法，如全站仪为主要设备的位移测量、地 下水位
20、监测、降雨量监测、应力监测等。 4 实 例实 例 用光纤传感器研究边坡稳定性的监测系统 为了使用光纤传感器监测道路边坡的稳定 性， 这个研究开发了三种监测系统， BOTDR （光 纤形变测量技术）系统、FBG 系统和 MDM 系 统。这些系统已经在日本的几个地方经过了测 试，校验了它们的应用。本论文就是说明了这 些系统的校验结果(摘要)。 印度南部 Nilgiris 可见区和近红外区滑坡带 成分的反射光谱（摘要） 滑坡在发生以前没有任何预兆，因此它对 人类、植被和地貌造成相当大的危害。这样的 不可预见性需要开发详细滑坡研究的方法和技 术。用遥感技术能够较好地确定滑坡和滑坡易 发区。然而多数的方
21、法都是对航空图片和卫星 图片的解译。这片论文与遥感技术的评价有关， 绘制印度南部 Nilgiris 滑坡地带的组成图。 研究 中用卫星图像选择了 Marappalam 滑坡带， 用以 研究这些构成地带的反射特征，即滑动带、岩 石露头、土层、植被、密高岭土等。用电阻磁 谱法 （EMS） 研究可见区和近红外线区域(0.4m to 1.1m)。对多重瞬时卫星图片进行分析，确 定和绘制 Marappalam 滑坡。过去的滑坡卫星图 片显示出滑坡是位于两个明显轮廓线的交点 处。根据反射系数的，可观察到较年轻的滑坡 在可见区和近红外区反射系数高。NDVI（正常 的不同植被指数）低表示滑坡区或、易发生滑 坡
22、的区域或者岩层露头，因此这种光谱敏感技 术和多重成像解译技术可以根据滑坡的研究和 不同灾害管理的有效要素。 Chichi 地震诱发的滑坡（摘要） 1999 年 9 月 21 日 chi- chi 地震诱发了许多 滑坡发生。这些滑坡根据研究中的 SPOT 成像 已经编制成图。用 GIS 作为工具，作者建立了 地震诱发滑坡的 GIS 平台， 分析了它们的特点， 包括类型、分布、面积和数量等。滑坡的分布 和面积可与震源、断层的距离、与道路的距离、 与河流的距离、岩石类型、斜坡的坡度和斜坡 的距离相比。研究应用了 SPOT 卫星成像和航 空照片确定滑坡。地图信息 GIS 软件用于数字 化滑坡的位置和范
23、围。 然后计算 Chi- Chi 地震诱 发的滑坡的数量和面积。GIS 的空间函数用于 分析滑坡分布和诱发滑坡因素之间的关系。 用恒定散射技术监测滑坡和构造运动（摘 要） 欧洲空间组织European Space Agency (ESA)用地球资源卫星(ERS) 合成孔径雷达 (SAR) 传感器在南加利福利亚上空获得的55帧 影，其处理结果表明，恒定散射体（PS）的测 量精度非常接近它的理论极限值 (大约 1mm), 对描述一个复杂的断层系统来说，出现毫米级 的误差现象，是正常并允许的。已经对南加利 福尼亚卫星定位系统综合网络(SCIGN)的 GPS 有关固定测站的位移，与其相应的时间序列进
24、行了对应比较。此外，逐个分析恒定散射体的 像素特性，为在雷达靶标低相关区探索独特相 位创造了可能条件。这使得只要人工建筑物或 裸露的岩体有一个可充分利用的空间分布密度, 宇宙空间干涉仪便可在广阔飘渺的区域进行测 量。安科纳滑坡(意大利中部)的评价，是通过对 时间跨度在1992年6月至 2000年12月之间的61 帧 ERS 影像的处理分析而做出的。其结果已 经与安科纳市政当局在此期间用光学水准测量 获得的滑坡变形值做了比较。综观恒定散射体 PS 与 GPS 及光学水准测量的特性，发现它们 在一定程度上是相互延伸和互补的；亦即，三 种技术的互补使用，将有力的提高大地变形监 测的质量和可靠性。 滑
25、坡风险分析实例研究（摘要） 在喜马拉雅地区，通过运用随机现场模型， 结合斜坡稳定性分析，对由于土体参数易变性 引起的滑坡风险不确定性进行研究。在滑坡地 区一个典型斜坡的水平方向和垂直方向上，就 试验样品数量、承压水位的变化和地震效应等 的准确程度的空间差异性影响进行了研究。结 果表明土体参数的偏差程度、土体参数的空间 分异、试验样品的数量和承压水位的变化对滑 坡地区斜坡稳定性的影响尤为显著。结果同时 表明，用均匀变化的假说来判断斜坡稳定性是 保守的。研究成果是一个有益的成功的范例； 同时应指出，地下排水形式的缓解措施能改善 滑坡地区斜坡稳定性。 华盛顿州西雅图地区预报降水诱发的早期 滑坡使用的
26、方法 对与已发生在西雅图的山体滑坡相关的降 雨数据的分析，可以判定诱发山体滑坡的降雨 限量。同时借助降水量，确定多个山体滑坡事 件的空气温度，可以总结出一种方法来预测在 11 月到 3 月的潮湿季节出现的山体滑坡，这个 方法所用数据是采集于山体缓坡发生之前的三 天的降水量，以及在这三天之前的 15 天的降水 量。数据表明这 15 天的降水量影响随后 3 天的 降水量，正是这 3 天的降水量诱发了山体滑坡。 分析的结果也表明可以使用空气的温度来帮助 确定造成山体滑坡的条件。分析表明与山体滑 坡相关的降水量的平均最高值都出现在日空气 温度最大值在 46 到 56 华氏（9 到 13 摄氏度）， 而
27、且几乎所有山体滑坡都出现在日最高温度 43 华氏度至上。在冬天雨季期间，预测滑坡发生 的方法是基于降水的临界值和气温指数。很方 便的便可从最近的气象站得到日或是每小时的 降水量，可以计算得到 3 天的和在这 3 天之前 15 天的总降水量。同时，临界值公式被用来确 定一个诱发滑坡的降水指数。（条件是前期 15 天的降水少于 3.0 英寸）。从实际或被观察到的 3 天的降水量减去 3 降水临界值得到的。 012 (0.67)3.5)ppp= + 或者 012 0.673.5ppp=+ P0是降水指数；P1由英寸表示的 3 天内（72 小 时） 的实际降水； P2是在 3 天前的 15 天降水量；
28、 P0是正的条件下，在降水临界值之上，如是负 值，它在临界值之下。 降水指数和气温指数一道用来确定当时的 条件或者基于降水和气温预报条件，表明有利 于诱发滑坡的时间。当日最高气温大于430F，有 利条件被确定，以下两个准则就有一个能出现。 当 15 天的前期降水小于 3.0 英寸， 降水指数P0是 正值。当 15 天的前期降水大于 3.0 英寸，而接 下来的 3 天降水大于 1 英寸。在这项研究中， 描述了在西雅图地区降水量与历史性的滑坡关 系，并基于降水临界值与气温指数，提出了一 个预报滑坡发生的新方法。研究结果表明，前 期 15 天的累计降水并由此影响到的 3 天降水量 是诱发滑坡开始发生
30、要因素也需要进行同样的考虑。例 如，土壤水分蒸发蒸腾损失总量和融化过程能 影响到一定量的降水， 同时对渗透也有用，并 且降水临界值和气温指数可以通过考虑不同类 型的，单独的滑坡发生更好的定义。小的迅速 的滑坡和泥石流在强降水后就可能突然发生， 然而，缓慢运动的、深层次的滑坡是典型的降 水响应逐渐发生的。工作包括对未来冬天雨季 和分析历史气候以及和没有作为这项研究的滑 坡数据的编辑与分析，得到一个评估方法。如 果评估是确定的有用的方法，它可应用在有典 型滑坡危害的其他区域。 6 降雨入渗引发的滑坡 由降水引发的滑坡所涉及的物理过程作用 根本不同的时间尺度，这些时间尺度的间相互 关系，指导改进了这
31、数学模型，此模型利用理 查德方程式的简化形式来评估在不同情况下降 水渗透对滑坡的发生时间、深度和坡体加速度 的影响。最长的恰当时间尺度是 A/D。D 是最 大的土壤水力扩散系数，A 是汇水面积。其中， A 的重心坐标和深度 H，在可能发生滑坡的滑 动面位置，潜在地影响着地下水压力。建立响 应于降水的稳定的背景水压力在(x，y，H)处的 演化状况需要把时间尺度调到比 A/D 更大一 些，这些时间尺度通常从几天到几十年不等。 这些稳定的地下水压力在(x，y，H)处影响着滑 坡发生的内在趋势，但是它们不引发边坡破坏， 边坡破坏产生于一个较短时间尺度 H2/D0 的降 水，此时间尺度与暴雨时瞬时的孔隙
32、水压力传 递相关，通常这个时间序列从几分钟到几个月 不等，影响滑坡对降水响应的最小时间尺度是 gH / 其中 g 是重力加速度，边坡破坏后的滑 坡运动发生在这个时间尺度内，这表明如果所 有其它因素是变量，则厚度最小的滑坡滑动速 度会在瞬间变大，水文过程对滑坡发生过程的 影响是通过交互作用的时间尺度实现的，这些 时间尺度由一个响应函数 R(t*)= * */exp ( 1/)(1/)tterfc t 相 互 联 系 （R(t*)决定于标准时间 t*）。结合地形资料， 降水强度和时长信息，无限坡长的边坡破坏标 准和牛顿第二定律，利用响应函数 R(t*)来预测 由降水引发的滑坡所发生的时间，滑坡深度
33、和 坡体加速状况，资料取自于发生深度小，速度 快的滑坡与发生深度大速度缓的滑坡之间的实 例对比。 高山区滑坡研究中卫星成像的使用（摘要） 滑坡给人类生活带来一系列的灾害，在大 多数的山脉中，滑坡都是活动的。然而由于不 同的自然条件，直接评价边坡滑动的敏感性是 困难的。因此，这样的环境下，遥感技术提供 了许多滑坡潜力调查感兴趣的资料，特别是在 少数发达国家，它们的资源和环境信息都是有 限的。然而这就需要确保技术是有效的、可靠 的、能够按照取得的数据的数量和准确性提供 经济价值。在天然地形条件下，这篇论文用某 一研究实例，比较了评价滑坡敏感性的陆地卫 星 ETM+和 IKONOS 成像的可用性。根
34、据位于 尼泊尔和不丹丘陵地带的六个研究区域的研究 进行这些工作。在每一个实例中，成像直接地 用于滑坡的绘图和调查滑坡可能性的重要因素 诸如，水的渗漏。成像的结果广泛地用于野外 调查。这个研究说明目前的陆地卫星 ETM+， 由于它的成本相对低并且分辨率高，是绘制滑 坡敏感性图件的最经济有效的工具 。但是它的 空间分辨率有它的局限性。这种限制用高的分 辨率、多谱段的 IKONOS 成像可以避免，它可 以使得甚至更小的滑坡可以详细的绘制出来。 然而，多数光谱分辨率的局限性对于因素类型 的绘制可用性很小。遗憾的是，这种高费用的 成像将继续妨碍这种技术在发展中国家的开发 和使用。 活动滑坡的实时监测 美
35、国的每个州都有滑坡威胁着人们的生命 和财产。为了降低活动滑坡的危害，美国地质 调查局开发、使用了滑坡实时监测系统。通过 监测可以发现急速、具有灾难性滑坡运动的早 期标志。最新最快的监测或者说实时监控 ，提 供滑坡活动的即时信息 ，从而有可能挽救生命 和财产。实时监测获得的连续资料也使人们对 滑坡活动有了较好的认识，使工程师能够设计 更有效的方案来终止滑坡活动。1997 年 1 月大 雨期间，内华达州塞拉地区成千上万吨土体塌 方毁坏了三家房屋，阻塞了加利福尼亚州北部 的一条主要道路（U.S.50）,并且造成美洲河附 近短暂断流。滑坡体阻塞的河水迅速淹没了两 辆正在公路上行驶的车辆，最终引发了一场
36、戏 剧性的营救。公路重新开通花费了 4.5 亿美元， 而公路断行造成的间接经济损失超过 5 亿美元。 在上述地区，几个大型活动滑坡继续威胁 7 着 U.S.50 公路。虽然这些滑坡平常移动缓慢， 但是有些可能会发生灾难性的倒塌。为了减少 这些滑坡造成的风险， 美国地质调查局 （USGS） 与其它机构合作，迅速采取行动，利用 USGS 研发的用来监测边远地区活火山的系统，为滑 坡活动提供了不间断的实时监测。传感器响应 装置生成的图表通过因特网对当地官员、技术 工程师、突发事件管理人员实现共享。为什么 要远程搜集滑坡的实时数据？实时系统对滑坡 活动的即时侦查可以在紧要关头挽救生命、保 护财产。传统
37、的实地观察，即使采取定期检测， 也不能觉察出滑坡发生时的变化。此外，在活 动滑坡上工作可能会有危险，并且滑坡大规模 活动经常发生在暴风雨期间，那时的可见度非 常低。远程实时监测持续提供数据，可以使人 们更好的了解滑坡动态；反过来，能够使工程 师制定出终止滑坡活动更有效的方案。美国地 质调查局对滑坡区实施远程监测，每时每刻都 在测量地下水的流动和地面压力。变形监测器 用来探测地面的伸长或缩短，它记录了滑坡向 坡下运动的距离。埋在滑坡里面的地震检波器 用来监测由滑坡运动引起的地面振动。正常情 况下，数据每隔 10 分钟向 USGS 的电脑传送一 次。但是，如果大规模滑坡运动引起的强烈地 面振动被检
38、测到以后，数据将立即传输。目前， 58 号系统对沿着 U.S.50 公路的 5 个滑坡被实时 监控。与加州交通局合作运行的这个系统，为 工程师和地质学家提供了滑坡活动早期的数 据，有助于其制定阻止滑坡下滑的补救措施。 从这些滑坡中的任何一个获得的数据都在网站 /hwy50 上供市民参考。 美国地质调查局还建立了其它远程滑坡实时监 测站点。在华盛顿州的西雅图附近，实时系统 监 测 着 一 个 威 胁 主 要 铁 路 的 滑 坡 (/woodway)；在加利福 尼亚的里约热内卢，另外一个系统监控一个
39、威 胁 140 户人家的大滑坡。美国地质调查局通过 远程监控，在加利福尼亚州的弗里蒙特市发现 滑坡移动威胁着坡下的居民，记录了新墨西哥 州不稳定斜坡上天然火灾的影响。在科罗拉多 州，几个滑坡站点的远程监控则提供了由大型 缓变滑坡或急速泥石流引发的地面移动的信 息。包括滑坡在内的活跃地面运动在美国的每 一个州区都存在。为了降低滑坡灾害的风险， 美国地质调查局的科学家们已经开发了实时监 测系统和其它设备，用来帮助人们了解、预测 滑坡发生时间、地方和方式。科学家们还在滑 坡灾害发生期间向当局提供技术支持。美国地 质调查局滑坡灾害系统的工作宗旨是保护整个 国家人民的生命和财产，使之免于滑坡灾害。 运用
40、地理信息系统新技术进行滑坡稳定性 三维评价和滑动过程模拟研究（摘要） 该方法在传统的边坡稳定性三维分析模型 的基础上,提出了一个全新的基于 GIS 的边坡稳 定性三维栅格分析模型。在这个模型中，假定 初始滑动 面就是椭 球底面, 采用蒙特卡洛 （Monte- Carlo）随机模拟方法，在求取最小安 全系数法的同时,确定出最危险滑动面。运用 GIS 栅格模型和 GIS 数据模拟滑坡滑动过程时， 滑坡体将沿主滑方向滑动，直到其安全系数上 升到 1 为止。所有的计算均可通过一个称为三 维边坡地理信息系统（3DSLOPGIS）的计算程 序来完成，该程序主要利用 GIS 的空间数据处 理分析功能。 太平
41、洋西北的复合滑坡类型（摘要） 太平洋西北海岸山脉经常遭受伴随冬天风 暴出现的许多相对较小的滑坡事件。1998 年 11 月和 12 月两次风暴后，发生了一次典型的滑坡 事件。 11 月的风暴在华盛顿南 King 县诱发了一 些小滑坡，堵塞了一些道路，包括西雅图机场 附近的北行的州际 5 号公路，但没有造成严重 破坏。12 月的风暴要严重一些，融雪水的径流 与降雨量相结合产生洪水并诱发了遍及华盛顿 西部的滑坡，尤其是西部的俄勒冈。一些滑坡 造成了严重的破坏作用，造成了许多道路和公 路堵塞。美国地质调查局的科学家们进行了调 查研究来确定滑坡诱发机制，并且报导该滑坡 8 有许多类型，包括土体滑动、岩
42、石滑动、岩崩、 快速土流和泥石流。 密歇根巨大的海岸滑坡（摘要） 1995 年 2 月，当地居民乔治威克斯在沿着 密歇根国家湖岸的 Sleeping Bear 沙丘的海滨散 步时，惊奇地发现刚在最近形成的美丽海滩， 已经落入了密歇根湖。由几百万立方英尺砂组 成的沙滩在巨大的海岸滑坡中消失在湖水之 下。幸运的是，当海滩滑入湖中时，没有人在 海滩上。美国地质调查局被指定调查和确定滑 坡产生的原因，1997 年，美国地质调查局的科 学家研究了 1995 年滑坡的水下部分。在靠近海 岸处发现一个深洞，而在此之前是一个平缓的 倾斜湖底，还发现了一个厚的滑动碎屑层，延 伸到 2 英里以外的近海，入水深度超
43、过了 250 英尺，比想象的更远也更深。滑动较深部分的 水下视频显示，原生长在悬崖中的树林，由于 滑动进入到深水中。最有可能的原因是，冰冻 悬崖面或承压砂层融雪滞留造成了悬崖上孔隙 压力增加，有历史资料支持这一推断，1914 年 12 月和 1971 年 3 月，Sleeping Bear Point 发生 了两次类似的滑坡，也是出现在冬季的反常变 暖天气。 加利福尼亚约塞米蒂山谷岩崩（摘要） 岩崩和其它的块体运动是形成约塞米蒂山 谷景观的重要因素。 在历史时期已经发生了 400 多次的岩崩，造成 9 人死亡和多人受伤。据记 载，最大的岩崩发生在 1996 年 7 月，两块大岩 石结合形成约
44、70000 吨的重量，从 2000 英尺高 的 Glacier Point 悬崖下落到快乐群岛的谷底 （Wieczorek 等，1992）。岩石下落产生了空气 爆炸，压平了附近的 2000 棵树木，造成了 1 人 死亡，14 人严重受伤。国家园林局和美国地质 调查局的地质学家对地质灾害进行了评价，并 对约塞米蒂山谷潜在的岩崩灾害区和范围进行 填图。然而这些图件不能预测岩崩的发生时间 和发生频率；因此，既不能确定特定点发生岩 崩的可能性，也不能评价给人类或设施可能造 成的破坏。在约塞米蒂，持续发生岩崩灾害。 2001 年 2 月 12 日，岩崩造成了公园东 0.5 英里 的 El 入口道路（14
45、0 公路）堵塞约 24 小时。道 路上方一尺寸不太清楚的花岗岩石板松动了大 约 1000 英尺，最后碎成许多直径在 212 英尺 的小块，造成路面损坏。 地 面 沉 降 地 面 沉 降 地面沉降是地面由于地下物质运移而发生 的渐进下陷或急剧下沉。这是一个全球性问题, 仅在美国,已经有遍及 45个州， 超过 44030km2的 土地受到了地面沉降的影响,相当于新汉布什尔 州与佛蒙特州的总和。由此引发的经济损失更 是惊人:仅在圣克拉拉山谷,沉降所造成的直接 经济损失,在 1979 年大约为 1.31 亿美元,而到了 1998 年则高达 3 亿美元。造成这一灾害的原因 主要有含水层的压实、有机质土的
46、疏干排水、 地下采矿、自然压实、溶坑以及永冻土的解冻 等。 一 地面沉降类型 根据土质条件,美国的地面沉降主要可以分 为三大类:第一类,含水层压实引发的地面沉降； 第二类,有机土的疏干引发地面沉降；第三类, 洞穴塌陷引发的地面沉降。 二 缓解措施 1 ASR 技术的应用 为了满足供水和改善水质的要求,含水层存 储和恢复技术(ASR)在美国各州得以广泛的应 用。在圣克拉拉山谷,目前的需水量仍然很大, 但由于地表水的引入,回灌得以实施,使得地下 水抽汲量减少,从而防止了地下水位重回历史最 低位。另外,该区水资源管理局在当地的河流上 建立了 5 个蓄水坝以收集雨水,这样增加了河水 对流经区的地下水的
47、补给。该区是美国第一个 被发现也是第一个采取了有效措施而在 1969 年 前后终止了沉降的地区。同样的情况还有亚历 9 桑那州的中南部,通过引入科罗拉多河的河水减 少了对地下水的需求强度,从而缓解了地面沉 降。 2 改变土地使用类型 将土地使用由农业用地型向城市用地型转 变,以降低需水强度,防止地下水位的进一步下 降。特别适用于佛罗里达州的泥沼区,这种方法 可以防止有机土的进一步分解。 3 节水 利用含水层组贮藏和运输地下水,要优于造 价高昂的地表蓄水和输水系统。因此节水是制 止沉降的一项重要举措。如在圣琼斯地区,目前 人均用水量只有 1920 年的五分之一,远低于过 去作为农业用地时的用水量
48、。因此即便是在 19761977 和 19871991 年,这两个加州的主 要的旱期里,水位还是保持在历史最低水位以 上。 4 加固堤防 防止洪水泛滥和海水入侵。例如在加利福 尼亚州的 SACRAMENTO- SANJOAQUIN 三角 洲,大面积的人工堤坝及人工岛有效的保护了这 个三角洲,使之免遭海水的入侵,同时维持了有 利的淡水坡度,保持了它的淡水源作用。 5 立法 在圣克拉拉山谷成立了一个专门的水资源 管理机构来管理该区的用水,使地表水和地下水 得到了长期有效的综合利用。许多地区甚至采 取法制措施来防治地面沉降。例如 1980 年通过 了“亚历桑那地下水管理法案”。其基本目标 是:加强对
49、已衰竭含水层组的管理;把有限的地 下水资源进行最合理的分配;发展新的水资源供 应来增加亚历桑那的地下水资源。 6 减少落水洞产生的影响 已有的案例表明,落水洞的活动与地下水的 抽取有直接关系,控制地下水位的波动可以防止 落水洞的形成。佛罗里达西南水资源管理区与 其他水资源机构通力合作,设立了佛罗里达中西 部地下水的临界水位。最低水位的提出将会改 良一些诱发条件,减少落水洞产生的影响。 三 地面沉降的监测 1 伸长计测量地面沉降和水平位移 钻孔伸长计可记录地表与钻孔底部的参照 点之间垂直距离发生的连续变化。在含水层系 出现压实的地区,伸长计是精确测量观测点连续 变形的最有效的工具。当地下阶地标志
50、处于压 实含水层系底部时,伸长计可以作为局部测量的 稳定参照点或初始点。在一个简单的仪器中插 入多级伸长计还可以同时测量不同深度段的含 水层系的压实程度。 2 雷达干涉测量技术(InSAR) 干涉测量合成孔径雷达(简称 InSAR)是一 种高效的新工具。它运用雷达信号测量地壳变 形。它的出现使空间清晰度和测量分辨率达到 空前的高度。合成孔径雷达(简称 SAR)通过空 间飞行器卫星绕轨道运行,数学的合成一个大型 的操作天线,并产生高空图像分辨能力。对某个 地区而言,若在一段时期内,它有一些稳定的雷 达反射物体,那么就可对反射物体处的变化进行 高精度的测量。在理想状况下,可测量出 5 10mm 的
51、抬升变化。 3 GPS 测量 基于人造卫星的全球定位系统(GPS)的诞 生之前,地面测量最常用的工具是经纬仪和光电 测距仪(简称 EDM)。水准测量技术方法很简单, 但它的精确度却很高,即使在测量精度要求不高 的情况下,这种方法也能够测量到数英里外 0.05(1mm)英尺的抬升变化。但在大规模的测量 中,水准测量和 EDM 测量所产生的错误就会明 显增加。 当测量范围较小(不超过 8km)且测量密 度较大时,人们通常采用气泡水准测量,因为它 的精确度高而且成本相对较低。对于大规模的 10 区域网应该采用先进的全球定位系统(GPS)进 行全方位的测量。GPS 可借助于人造地球卫星 进行三边测量定
52、位。它的原理就是利用雷达信 号从卫星传到接收天线所需的时间来计算距 离。通过接收器与至少 4 颗人造卫星之间的距 离(即三边测量术)就可准确地确定所处位置的 三维坐标。目前 GPS 可达到的精度为 58cm。 在地面沉降和其他的地壳运动测量中,当两台 GPS 接受器放在各自的观测点上同时接受由同 组卫星群(至少由 4 颗人造卫星组成)发射出的 雷达信号时,这两个观测点的相对位置即可确 定。在随后的某个时间段里,当人造卫星再次捕 捉到这两个观测点时,它们在这段时间里发生的 相对运动就可被测出。 测量网上的各个观测点都可采用该方法进 行测量。第一个地面沉降监测测量网 1992 年在 加利福尼亚莫哈
53、韦沙漠的 Antelope 山谷中诞 生。它主要用于确定古阶地的沉降,确保测量点 间(间距为几十英里)的测量精度以便今后的沉 降监测。GPS 测量技术也是一种多功能的勘探 手段,它可以迅速地判定沉降的大概位置,以便 设置更加精密可随时随地测量的仪器(如伸长 计)。加拿大和伊朗也已应用了这种监测方法。 表 1 列出了各种沉降监测方法的比较。 表 1 沉降监测方法的比较 测 量 方 法 测量方式 分辨率 空间测量密度 空间测量范围 水准仪 垂直测量 0.11 10100 线网 光电测距仪 水平测量 1 10100 线网 伸长仪 垂直测量 0.010.1 13 点 点 卷尺 水平测量 0.3 110
54、110 线列 不胀钢尺 水平测量 0.0001 1 线 石英管 垂直测量 0.00001 1 线 水平测量 20 10100 GPS 垂直测量 5 网 InSAR 测距 5 100 00010000 000 象素点 注:表中所示分辨率为最大分辨率；InSAR 图上的一个象素点在实际地面上代表 4080 m 2 实 例 实 例 利用 InSAR 测量地面沉降（摘要） 在美国直接受下陷影响地区达 45 个，受灾 面积超过 17000 平方英里,每年相关经济损失约 为 125 万美元。 导致下陷的主要原因有含水层 系统挤压、有机土壤排水、地下采矿、自然挤 压 、 污 水 池 、 冻 土 融 化 等
55、( 国 家 调 查 委 员 会,1991)。一个强大的映射成图工具(InSAR)对 于评估和缓解下陷方面比较有效。 InSAR 能够 以惊人的精度监测地表微小形变。InSAR 所形 成的干涉图增强了我们监控和处理由于含水层 系统挤压引起的下陷，也展现了人类控制自然 物理过程的新视野。干涉合成孔径雷达(InSAR) 是一种新型的用雷达信号监测地表微小形变的 工具, 其反映的空间细节水平非常惊人， 测量结 果精度很高。美国地质调查局及其他一些单位 正在利用 InSAR 成图和监控由于含水层系压造 成的。雷达干涉测量法应用于地球物理，它在 11 利用雷达定相反射信号测量地表高程距离变化 方 面 具
56、有 自 己 的 优 势 (Gabriel 等 ,1989 年 ; Massonnet 和 Feigl,1998)。 由于卫星天线所限， 在地球轨道卫星上的普通雷达数据的地面分辨 率很小，只有 300 到 400 英里。合成孔径雷达 (SAR)进行了改进， 在沿轨道运行的太空船上安 装大量工作天线，将他们进行数学改造合成， 从而具备获取高空间分辨率成像能力,分辨率能 达到数百英尺。 加利福尼亚三角洲沉降（摘要） 位于加利福尼亚州的萨克拉曼多圣 joaqiun 河三角洲曾为泥炭及泥炭类淤积层所覆盖的巨 大潮汐淡水湿地。从十九世纪末期开始，人们 沿渠建立了防洪堤，使土地免于洪水灾害并进 行耕作。 目
57、前三角洲为特别富裕的农业区 （1993 年农业收入超过五亿美元），这个富饶的农业 区是美国其它州的淡水供应地，也是北水南调 的中心。大部分水被调往南部圣 joaquin 山谷及 加利福尼亚州的中部及南部地区。防洪堤坝区 域及小岛可以防止咸水入侵，保持淡水水力坡 度，并保护抽水设施。然而，堤坝后方持续地 面沉降降低了坝体稳定性，导致北水南调输水 系统水质恶化。目前，三角洲中 1100km2 的堤 坝没有很好的保护 57 块岛地免受洪水侵害。再 造农业耕地，导致中西部三角洲上的岛地地面 沉降，多年来的平均沉降速度为每年 1- 3 英寸 （Rojstaczer 和 others,1991），在三角洲
58、中部 的岛地目前低于海平面 10- 25 英尺。 由于持续的 沉降，必须对堤坝进行定期维护和加固。 用全球定位系统(GPS)和人工干涉雷达 (InSAR)监测加利福尼亚 Coachell 峡谷地区 的地面沉降，1996- 1998（摘要） 在加利福尼亚的 Coachell 峡谷，由地下水 水位下降引起的地面沉降一直被认为是一个潜 在的问题。二十年代早期，当地的工农业和生 活用水就主要依靠地下水，从而导致在 40 年代 晚期，当地地下水水位下降了 15 米。在 1949 年， 随着Colorado河水注入Coachella峡谷开始， 地下水的抽取量开始减少，地下水水位在 50 年 代到 70 年
59、代有所恢复。从 70 年代末期开始， 当地对水的需求量大增，注入的地表水不能满 足需要，重新导致了对地下水抽取的增加和地 下水水位下降。但具体到该地区发生地面沉降 的幅度和时间还不太确定。因为数据稀少，准 确性差，并且该地区构造活动强烈，在过去的 几百万里已经发生过许多次地面沉降，其进一 步加剧了数据解释的复杂性。地表海拔高度数 据是从各个渠道得到的，因此他们采用的是不 同的方法和不同的地理标准。因为以上原因， 该峡谷南部地区 1930- 1996 年之间的 150mm 的 下沉量可能有90mm 的误差。 在 1996- 1998 年 期间地面沉降发生的具体位置和下降幅度是由 GPS 和 InSAR 两种方法得到的。对该地区 14 个 GPS 监测桩的监测结果显示从
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