重力地貌过程研究的理论与方法

第7卷3期

1999年9月　　　JOURNAL OF BASIC SCIENCE AND ENGI NEER ING 　　　September 1999应用基础与工程科学学报Vol. 7, No. 3

重力地貌过程研究的理论与方法

王　军　　倪晋仁　　杨小毛

(北京大学环境科学中心, 北京100871) X

摘要　　在对重力地貌过程特点分析的基础上, 从地貌学角度出发就重力地貌

过程的研究现状进行了综述, 重点论述了近年来发展的各种理论与方法及遥感

GIS 技术在重力地貌过程研究中的应用, 并对今后重力地貌过程研究的难点进

行了探讨.

关键词　　重力地貌　方法　过程

重力地貌过程是斜坡陡壁上风化碎屑或不稳定的土石岩体在重力作用下以某种形式向坡面下方运动的过程, 也可以视为以重力为主营力, 间或有水、冰和风参与的地貌过程. 广泛分布于地球表面的重力侵蚀过程, 从土壤颗粒的蠕动到巨型海底滑坡, 从碎屑的滚动到复杂的泥石流运动, 产生了多种多样的地貌形态. 重力侵蚀过程不仅时刻改变着地表形态, 同时也为其它营力提供了侵蚀搬运的物源.

重力地貌过程作为一种地质灾害过程受到了广泛的关注, 但在理论地貌学或在区域地貌演化研究中却常常被忽略或仅给予定性描述. 有关重力侵蚀过程及其在侵蚀产沙、流域演化中作用的定量研究很少, 要回答这些问题涉及地貌学的基本理论及众多相邻学科. 从为数不多的这类研究中可以发现, 在许多地区重力地貌过程是区域地貌演化中的一个十分活跃的因子, 特别是在新构造活动强烈和快速抬升的地区, 重力地貌过程分布区的土壤侵蚀模数远大于其它侵蚀营力作用的地区[1～3]. 重力地貌过程侵蚀特性的研究首先要判断其空间分布、强度、频度和产沙特点, 然后才能对其在区域演化中的贡献作出判断. 所以, 从区域地貌演化的角度探讨重力地貌过程是很有意义的.

1　重力地貌过程的分类与特征

1. 1　重力地貌过程的分类

考虑到重力地貌过程的复杂多样性, 对其进行分类是一项很重要的工作. 由于研究角度和经验的不同, 研究者对其提出了多种多样的分类[4, 5]. 现有分类方法在术语的运用方面还不够规范[6].

传统的分类方法主要是按照各种影响因子来划分[7], 包括活动的年龄和程度、地理位物质的堆积形态、侵蚀面的形态和工程地质性质等. 这种列表式的分类方法简便易行, 但

1999-08-10收稿　　　　　　　　　　　

X 高等学校博士学科点专项科项基金资助项目置、气候类型、物质类型和粒径、下层的地质因素、移动方式和相对快慢、活动的诱发因素、

使得采用不同分类方法获得的野外调查和地貌制图成果之间的交流变得比较困难. 根据运动机理的分类相对简单一些, 主要分为坠落(fall ) 、滑动(slide ) 、流动(flow ) 、隆起(heave) 、下陷(sag) 、倾倒(topple) 和复合类型[8]. 文献[9]中提出了一个综合上述两种方法的分类方案, 主要考虑了运动机理及由其产生的形态变化、物质成分和运动速率. 文献

[10]则针对黄土高原地区提出了按照触发因素的分类.

以上这些分类方案总体上都是描述性的, 难以定量化, 特别是不能满足地貌演化过程数学模拟的要求. 近年来, 由于对坡面稳定性三维分析研究的迅速发展, 一些基于工程力学性质的分类思路被提了出来, 特别是对剪切力和剪切面的分析尤为重要. 然而到目前为止, 还没有提出更具普遍意义的方法[5].

1. 2　重力地貌过程的特征

重力地貌过程的产生、发展和消亡是多种自然要素共同作用的结果, 同时重力地貌过程也在多个方面表现出自身的特点.

(1) 重力地貌过程的水平分带性

宏观地质构造格局控制了重力地貌过程水平分布特征, 地球上重力地貌过程主要分布在各大板块边缘上升山脉形成的构造带和地震、火山活跃带, 特别集中于环太平洋带和阿尔卑斯山—喜马拉雅山带, 典型的地区如阿尔卑斯山区、美国太平洋沿岸山地、日本列岛、中亚地区和我国的西南部地区都位于这些活跃带上[11].

我国重力地貌过程分布特征具有明显的水平地带性特征, 大致以大兴安岭—张家口—榆林—兰州—昌都一线为界. 在此线以西是青藏高原的高寒干燥区和内陆温暖干燥区. 前者以冰缘作用下的融冻滑坡、融冻泥石流为主, 在高山冰雪堆积区还有冰崩、雪崩作用. 青藏高原东南部和南部山区, 发育巨大的崩塌、滑坡、冰川泥石流、冰崩和雪崩过程. 后者仅在盆地边缘和河渠两岸发生较小规模的崩塌和滑坡. 在分界线以东, 又以秦岭—淮河为界分为南北两区, 南区的重力地貌过程比北区的普遍的多, 尤其是在西南部山区, 是大型重力地貌过程和恶性水土流失的密集多发区. 综观全国, 陇南地区、小江地区、川西地区和藏东南地区是我国的四大重力地貌作用区, 这里地震和新构造运动强烈, 地层破碎、地形陡峻、气候多变, 崩塌、滑坡、泥石流随处可见, 此起彼伏[12].

在我国黄土高原地区, 由于岩性比较均一, 构造活动内部差异不大, 在降水因子的控制下, 重力地貌过程的分布表现了另一种水平地带性

(2) 重力地貌过程的垂直分带性[13].

重力地貌过程的垂直分带性表现为两种情况:一是重力地貌过程的作用形式和强度随着海拔高度的变化而发生明显的组合变化, 二是沿斜坡部位的不同而表现出的分带性. 马东涛在研究陇南地区的重力地貌过程特征时, 将从流域分水岭到沟谷底部的重力地貌分为四带:崩塌滑动滑动崩塌带和泥石流作用带. 重力地貌过程在斜坡上的分带性以黄土谷坡最为典型:谷坡上部多发育小型滑塌和滑坡, 中下部有小型沟壁崩塌、浅层滑坡和泻流过程; 最下部坡角沟岸则以小型滑坡、崩塌、滑塌为主. 这主要是由于坡面的不同部位坡度和水分情况的不同而造成的

(3) 重力地貌过程的连锁性[15][14].

由于重力地貌过程在坡面上具有垂直分带特征,

至下表现为崩塌—滑坡—泥石流的连锁表现过程. 其中, 土壤孔隙水含量的空间变化是一个比较重要的控制因子[16～19].

(4) 重力地貌过程的群发性

重力地貌过程在地震、火山爆发和暴雨过程的触发下往往成群出现, 形成比较大的灾害过程, 这一现象已为人们所熟知, 也使得识别重力地貌过程对流域演化过程的影响十分困难.

(5) 重力地貌过程的继承性

新的重力地貌过程往往发育在老的重力地貌的基础上, 老的重力地貌为新的过程创造了地形和物质基础, 如崩塌形成的倒石锥在降雨的作用下进一步液化形成泥石流, 滑坡形成的陡壁常是崩塌多发地点. 新的过程在许多情况下表现为老的重力地貌过程的复活, 如老滑坡体上产生新的滑坡. 这些都是重力地貌过程继承性的表现. 它使得重力地貌可以长时间、大范围地继承和延续. 当气候变化与构造活动同期时, 这种现象最为明显. 空间分布规律[20, 21]. 文献[22]则通过对加州某地多期航片资料的分析, 建立了滑坡再活动频率的定量关系.

(6) 重力地貌过程的阶段性

重力地貌过程必须发育在有一定角度的坡面之上, 坡面有其发生、发展和消亡的过程, 相应的重力地貌过程也就经历了发育期、旺盛期和消亡期. 在这三个阶段里, 重力地貌过程表现出了不同的活动特征.

(7) 重力地貌过程的周期性

重力地貌过程的发生发展要受到多种环境因子特别是气候因子的影响, 许多环境因子在不同时间尺度上都具有周期性变化的特征, 所以重力地貌过程也就表现出了相应的周期性. 这种周期性活动的时间尺度变化是非常巨大的, 从一年内的季节变化到第四纪期间冰期与间冰期的交替, 重力地貌过程的发育就随之表现了大小周期重叠交替的特点. 这一性质在第四纪气候变化的研究中得到了广泛应用. 周期性现象研究较多的是滑坡过程, 在气候作用下, 滑坡的发生有10年左右的周期性

(8) 重力地貌过程的地区分异[21]在黄土高原地区多规模、多期滑坡体所组成的滑坡群具有“大套小, 古套老, 老套新”.

重力地貌过程和其它地貌过程一样受到内外两种营力的作用. 从宏观上讲, 重力地貌的分布主要受构造活动的控制, 在局部区域上看, 气候、植被、岩性、地形的影响的强度因这几种因素组合关系的不同而有很大的变化, 同时这种不同组合也导致了重力地貌过程在不同地区产生了截然不同的特点.

西欧地区, 处在海洋性气候控制区, 降雨丰沛, 植被覆盖度高, 坡面上松散堆积物较少, 所以这个地区的重力地貌过程主要以滑坡和土溜(mud slide) 为主, 滑坡主要分布在坡面上, 以小型的浅层滑坡为主, 土溜过程主要发生在受到侵蚀的海滨地区. 这里坡面崩塌过程是比较少见的, 崩塌主要以河流塌岸的形式出现. 泥石流过程大多发生在坡脚和沟道中, 松散堆积物主要来源于坡面上的滑坡. 所以在这一地区对重力地貌过程的研究主要集中在滑坡过程. 由于西欧人口密度相对较大, 特别是在英国, 重力地貌过程的研究重点不是着眼于水土流失, [5]

美国相对于与西欧而言, 重力地貌过程复杂多样, 但因其绝大多数都发生在人口非常稀疏的地区, 研究重点主要集中于水土流失方面, 特别是强调人类活动、重力侵蚀和植被变化间的耦合过程. 由于美国在本土和拉丁美洲建设了许多穿越山区的公路, 所以围绕公路建设对重力地貌过程的影响开展了许多研究, 并且产生了一些对立的观点. 加拿大的研究工作主要针对由寒冻风化和冰雪融水引起的岩崩、泥石流等[24]. 拉丁美洲地区的泥石流过程比较严重, 除了这里很多地区降雨丰富外, 火山和地震是这里频繁发生大规模重力地貌过程的主要原因.

我国相对于世界上其它地区而言, 重力地貌过程的影响要大得多, 不但加剧了水土流失过程, 并且严重威胁着人们的安全. 据国土资源部地质司的有关统计, 我国目前共有1万多个村庄和400个县市面临土崩、泥石流和土地塌陷的威胁, 每年有1000多人在地质灾难中丧命. 我国为防治这些灾害过程作出了巨大的努力, 但限于目前的社会经济状况, 这些灾害过程在今后很长的一段时间内仍然会严重影响和制约局部地区的社会发展. 相对而言, 重力地貌过程对水土流失过程的影响是一个研究较少的方面, 但对黄土高原一些重点水土流失区的观测表明, 重力侵蚀在总侵蚀量中占有很高的比例[25][23]. 黄土高原地区除地形破碎、植被覆盖度低以外, 另一个诱发重力地貌过程大量发生的因素是气候条件, 全年绝大多数时间处于干旱状态, 导致泻流过程大量发育, 在坡脚、沟边产生了大量的松散堆积物. 当短暂而集中的雨季到来时, 在暴雨的影响下, 滑坡、泥石流过程大量发生.

(9) 重力地貌过程的形态特征

重力地貌过程可分为崩塌、滑坡、泥石流和土屑蠕动四大类, 在四大类之间有许多过渡类型, 形态特征复杂多样. 在野外调查中如何准确的识别重力地貌的类型、活动规模和活动性仍然是一个值得探讨的问题. 重力地貌过程的形态特征分析请参见有关文献[27～31].

2　重力地貌过程的研究方法和理论

2. 1　坡面不稳定性的判别方法

坡面不稳定性的判别是重力地貌过程研究的首要问题, 其实质是研究重力地貌过程的空间分布特征. 对这一问题本文将主要从地貌学的角度来探讨, 所提及的方法均是可在GIS 技术的支持下实现的, 对土地利用规划、水土保持有直接的指导意义.

用于地貌研究的坡面不稳定性判别方法或模型主要有三大类:因子加权法、多元统计法和基于物理模型过程的方法. 前两类方法是处理地学问题的常用方法, 本文不作详细介绍.

(1) 因子加权法和多元统计方法

因子加权法是在水土流失和重力地貌过程研究中采用最多的方法, 其优点是简便易行, 在GIS 上很容易实现, 而且可以将定性数据与定量数据结合在一起使用[32～40].

多元统计方法是在因子加权法的基础上发展而来的, 相对于加权平均法更具有客观性, 一旦通过多元统计建立起判别式, 使用起来和因子加权法同样简单[41～43].

近年来, 模糊集合、多层模糊稳定分析法、蒙特卡洛法、信息量预测模型、灰色系统方法、层次分析法、[44～59]

[60]利用1:50000的专题图比较了模糊集合方法和一般概率的方法在滑坡稳定性判别效果的差异.

因子加权法和多元统计方法最根本的弱点在于其判别方法受到研究者主观认识影响极大, 研究结果可比性差. 这种方法往往只反映重力侵蚀过程的空间差异, 代表一种累计的静态结果, 很难反映重力侵蚀过程的时间变化.

(2) 基于物理模型的过程方法

应用GIS 技术最大的优点在于给研究者提供了一个进行各种模型实验的平台, 大大降低了研究成本, 并且其成果可以来指导野外观测, 使数据采集工作更加富有成效. 将物理过程模型、精确的坡面稳定性模型和GIS 结合起来其前景是非常乐观的[61].

Miller 和Sias [62]研究了美国华盛顿州西北部Hazel 大型滑坡综合体, 采用了10m 间距的DEM 数据. 研究区域冰川沉积物较厚, 下渗条件好, 且地势相对平缓, 因此不考虑地表漫流过程. 采用Penman -Monteith 公式计算植被蒸发的水量, 地下水流动过程采用美国地质调查局开发的MODFE 模型, 坡面稳定性模型采用经典的Bishop 简化条带计算方法. 在IDRISI 的支持下计算了滑坡稳定性因子在坡角掏蚀、沟道下切和伐木活动的影响下的空间变化特征, 通过与1965～1991年航片资料的分析证明这种方法是一种比较有效的滑坡活动行为分析工具(site -specific analysis ).

Montgomery 等[63]研究了华盛顿州和俄勒冈州14个小流域的滑坡活动, 通过理论模型分析了3324个滑坡和临界降雨的关系, 探讨了滑坡活动的控制性因素. 模型实现时采用了30m 间距的DEM, 计算了各个流域的临界降雨空间分布, 并进行了分级统计. 结果发现滑坡发生的频率与触发滑坡的临界雨强之间有很好的负指数关系, 作者认为此关系可用来计算重力地貌过程的产生的沉积物通量. 模型中由于对土壤相对湿度采用了简化的计算方法, 使得该模型只适用于土壤或地貌沉积物厚度较小的情况.

[64]Wu 和Sidle 建立了分布式的基于物理过程的坡面稳定性模型(dSLAM ) , 子模型

包括无限坡面稳定模型、动力波地下水模型和连续变化植被根系强度模型. 这个模型基本计算单元没有采用栅格数据结构, 而是以由TAPES-C 模型[65]对等高线分析得到的不规则网格为基础, 简化了地下水流动模型的计算.

dSLAM 模型可以计算一次暴雨或长期降雨过程对FS (稳定系数) 空间变化的影响. 利用此模型对俄勒冈海岸山脉的一个小流域在1975年的一场暴雨过程中FS 实时的空间变化情况进行了模拟. 分析表明, 稳定系数的空间分布主要受地形和林木采伐方式的控制, 但大暴雨过程中地下水流动方式对其影响很大.

以上这三个研究实例表明, 利用基于物理过程的模型来研究坡面稳定性有着极大的优势, 特别是dSLAM 模型, 可对坡面稳定性的变化进行实时模拟, 提供了一个很好的研究在外界条件变化时重力地貌过程发展变化的技术平台. 但是, 由于物理过程模型还有许多不完善的地方, 特别是土壤物理力学性质的空间变化对重力地貌过程影响极大, 而现有的模型还无法将此包容进来. 另外, 这些模型都采用了DEM, 只能应用于小流域(面积一般不超过1000km ) , 否则模型计算的成本太高. 面对黄土高原这样的大区域, 将物理过程模型和经验统计模型联合使用可能会是一个比较好的解决办法.

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蒋忠信提出用泥石流系统的信息熵来判定泥石流沟谷活动性. 这种方法的实质是通过流域纵坡面形态判断流域发育状况, 利用重力地貌过程发育具有明显阶段性的特点来判断泥石流沟谷的活动性. 其应用基础是产水产沙条件均一、平面形态为扇形和菱形且没有受到大的人为改造的小流域. 文献[67, 68]用分形数学的方法研究了西藏樟木地区暴雨诱发滑坡分布的时空分维特征, 提出用空间维的变化来反映和预测区域滑坡活动性的变化. 计算的空间维特征更多反映的是滑坡分布密度的变化.

2. 2　重力地貌主要过程描述的理论

重力地貌过程是一种非常重要的侵蚀过程, 如何认识重力地貌过程在坡面和流域演化过程中的作用始终是一个比较困难的问题. 研究表明, 重力地貌过程对流域的产流产沙过程影响非常显著[69].

(1) 重力地貌过程强度和频度关系

重力地貌过程在时间和空间上都是一个离散的过程, 所以必须研究其强度和频度的关系, 才能对重力地貌过程的活动情况作出较准确的估计.

Hergarten 等[70](self-organized criticality).

临界自组织现象的概念是由Bak 等研究沙堆崩塌现象时提出的, 认为其是控制非线性系统演化的基本规律. 沙堆实验方法如下:每次从同一位置向桌面上掷下一粒沙子, 直到沙堆的角度达到临界状态不再增大时为止. 当沙堆逐渐变高, 角度不断增大时, 局部崩塌的最大尺寸也随之加大. 当达到临界状态, 即沙堆角度等于最大休止角时, 崩塌的最大尺寸不再变化. 此时, 再加入一粒沙子, 即可能引起各种尺寸的崩塌发生. 沙堆表面呈现分形特征, 崩塌的强度(产生崩塌的沙粒数量) 分布呈幂率关系(power -law ) . 幂率关系可简单定义如下:

P [X >x ]∝　P 为X >x 事件出现的概率-B [71][66](1)

　　这一现象一经发现即引起了人们多方面的关注, 从地震研究到社会经济领域都有应用的实例, 有些学者也发现一些地貌现象(特别是在河流演化中) 也存在这种关系[72].

模型模拟结果表明, 强度和频度呈幂率关系. Hergarten 等认为在水流侵蚀和构造运动长期渐变的条件下, 滑坡活动是一种临界自组织现象.

事实上Scheidegger [73]早在1973年就提出岩崩中存在着和崩塌规模有关的幂率规律. Czriok 等[74]通过物理实验方法模拟了山脉的空间形态特征, 并认为这里也存在临界自组织现象, 强调坡面起伏是由符合幂率分布的滑坡活动造成的. Hovius 等[75]对研究新西兰Southern Alps 研究结果表明此地的滑坡活动强度和频度呈明显的幂率关系, 并由此计算出滑坡活动的侵蚀贡献为9±4mm /yr .

至于滑坡活动强度和频度的幂率关系是否是一种普遍规律, 这仍然是一个难以回答的问题. Sapozhnikov 等对某些流域演化理论模型进行分析后对地貌演化过程能否纳入到临界自组织现象的理论框架中表示了怀疑. Vanstejin [77]比较了欧洲一些山脉的泥石流强度和频度模式的差别, 指出这些模式产生差别的原因难以用现有观测资料解释.

(2) 基于扩散方程的理论模型

为简单起见, 在坡面和流域演化模型中把坡面过程分为流水侵蚀和扩散过程两部分. 扩散过程是由坡面坡度所诱发的过程, 包括雨水溅蚀、[76]

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水溅蚀对坡面形态长期演化影响不大, 所以一般认为扩散过程主要是重力地貌过程.

扩散系数的确定有三种方法, 参见文献[78, 79], 其中文献[78]对现有多种结果进行了比较.

扩散方程描述的是重力地貌过程长期平均作用的结果. Fernandes 等[79]利用此方程研究了坡面响应降水、河流下切等变化时, 在重力地貌过程作用下达到均衡剖面所需要的时间. 用扩散方程描述的重力地貌过程模型主要用于研究坡面和流域的演化过程, 如Willgoose 等[80, 81]提出的流域演化模型

2¨õq s 2=c ++D +5t Q s (1-n ) 5x 5y (2)

式中, c 为构造抬升, q s 为单位宽度的输沙量(矢量) , Q s 为沉积物密度, n 为沉积物的孔隙度, D 为扩散系数; x , y 和z 为坡面空间坐标.

Willgoose 等对此方程进行了数值分析, 但主要关注于流域水系的发育过程. 文献

[82]在此基础上研究了由坡面漫流和滑坡过程控制下的流域地貌发育, 并认为坡度和集水面积存在一定的关系可以反映不同的控制因素. 文献[83]研究了沟头发育过程并且认为存在类似的关系.

2. 3　遥感遥测与GIS 技术

野外调查和室内实验分析是研究地貌过程的基本手段, 对重力地貌过程的研究也不例外. 最近几年, 遥感、遥测, 特别是GIS 和GPS 技术的飞速发展和广泛应用为重力地貌过程的研究提供了强有力的手段, 使其研究进入了一个崭新的阶段.

随着遥感图象分辨率的迅速提高, 将遥感技术应用于重力地貌过程的研究变得现实起来, 但将此技术发展为研究重力地貌过程的常规手段还需要一段时间. 以前的研究工作大多限于将卫星影象作为重力地貌过程大面积初步调查的一种辅助手段, 但这种应用的效果不够理想. 原因主要是分辨率太低和难于自动分类识别. 以T M 影象为例, 其分辨率为30m ×30m , 识别一个滑坡一般至少要9个点, 这样滑动面积小于90m ×90m 的滑坡将很难被反映出来. 另外, 重力地貌在遥感图象上要通过综合分析色调、纹理和周围的环境才能将其识别出来, 而且这些影象特征变化的幅度很大, 很难进行计算机自动分析. 已经或即将发射升空的一些地面分辨率可达3m ×3m 的新型多光谱卫星也为克服这些困难带来了转机. 目前, 最为重要的影象资料仍然是航片. 航片作为一种重要的重力地貌过程研究资料已经为地貌学家所熟知和广泛采用. 航片最大的优点在于其分辨率的一致性, 使得我们可以利用同一地点不同时期的航片来直接研究侵蚀堆积过程的变化. 不断普及的航片计算机辅助制图系统大大提高了解译和量算工作的效率. Chandler 等人提出了一种可以利用不同时期航片提取DT M 的技术, 使得航片能在重力地貌过程研究中提供更加丰富的信息[84, 85].

遥感技术的应用还表现在对坡面过程重要影响因子(如土壤含水量) 的测量上, 这主要归功于AIRSAR(Air -borne synthetic aperture radar) 和AVARIS(Advanced air-borne

[86]visible /infrared imaging spectrometer ) 技术的发展. 另外通过直升飞机上携带的

ALTP (Advanced laser topography profiler ) 设备可获得高精度的DT M 数据(分辨率可达2cm).

新型测量仪器和GPS 技术的结合给我们提供了大量坡面不稳定过程的实时监测数据, 这些观测不仅提供了大量的可供用来分析的数据, 而且使以前被人们所忽视的现象暴露出来. 尽管现在遥感遥测技术发展迅速, 但总有一些重要数据无法通过遥感遥测来获得, 所以野外调查和室内实验分析仍然是非常重要的.

GIS 技术对重力地貌过程研究的推进作用是非常巨大的, 特别是将传统的重力地貌灾害制图和GIS 分析相结合, 将重力地貌灾害区域划分的工作和土地利用规划很好地结合起来, 获得了良好的经济效益. 在GIS 应用中, 坡面不稳定性判别模型的选取是最重要的问题.

3　重力侵蚀过程研究展望

重力侵蚀过程的研究具有观测难、实验难、建模难、验证难四个突出的难点.

重力地貌过程是一个非连续过程, 因而其作用强度就成了和频率密切相关的问题, 为定点观测带来了困难. 以岩崩为例, 在很多情况下岩石表面某些部分年年都发生崩塌, 在其它情况下, 每隔几年才会出现偶然的崩塌. 即使在年年发生崩塌的情况下, 其数量也是会发生很大变化的. 岩崩的发生可能和特别剧烈的风化条件有关, 一般说来, 这种剧烈的风化条件, 十几年或几十年才会出现一次, 这种条件下发生的岩崩的数量比正常年份多得多. 所以, 任何未包括这种事件的短期观测, 会使过程的速率估算偏低. 同样, 包括这种事件的短期观测, 会使过程的速率估算偏高. 所以取得足够长时间的观测资料是非常重要的, 同时还要考虑到环境要素的长期变化, 才能对现代过程速率作出可靠的估算. 要想获取长时间的观测资料是比较困难的, 尤其是在区域地貌类型复杂多样的情况下. 遥感技术的广泛应用, 为解决这一问题提供了一种可能性, 但这方面的研究仍有待加强.

重力地貌的侵蚀和堆积过程发生在相对较小的空间范围之内, 对于经常采用的研究尺度而言, 可以看作是就地侵蚀、就近堆积. 重力侵蚀受人关注的另一方面影响在于为其它侵蚀方式提供了物源. 因此, 当采用侵蚀堆积的方法来研究一个区域时, 很难评定重力侵蚀所作出的贡献. 从模拟实验的角度而言现在还没有能够在室内很好地模拟重力侵蚀个体行为的方法, 对重力侵蚀过程群体行为的模拟则更为困难. 观测难、实验难直接导致了建模难和验证难. 但是, 重力侵蚀的发生和发展是要受到许多影响因子制约的, 因而对这些影响因子的研究将有助于认识重力侵蚀过程.

由上所述, 对重力地貌过程的研究正在从定性描述缓慢地迈向定量描述, 并且已从地貌、水利和工程等多个学科和不同角度开展了研究. 但目前这方面的进展不大, 这主要是因为目前还没有足够的观测和试验数据来支持, 这是今后进一步工作中首先要解决的问题. 在此基础上将理论模型与遥感和GIS 技术相结合, 能使我们进一步认识重力地貌过程的本质.

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Recent Progress in Gravitational

Geomorphic Process Studies

WANG Jun 　　NI Jinr en 　　YANG Xiaomao

(Cen ter for Environm ental Science , Peking Un iversity , Beijin g 100871)

Abstr act

An overview is given to the recent progresses in the studies of gravitation-

al er osion and gravitational geomorphic processes. T he paper analyses the typi-cal characteristics, presents the applications of various theories, methodologies and technologies , indicates the difficulties and major problems and pr ospects the trends for the future study in the field of gravitational geomor phology.

Keywords :pr ogr ess , gr avitational er osion , geomor phic process

第7卷3期

1999年9月　　　JOURNAL OF BASIC SCIENCE AND ENGI NEER ING 　　　September 1999应用基础与工程科学学报Vol. 7, No. 3

重力地貌过程研究的理论与方法

王　军　　倪晋仁　　杨小毛

(北京大学环境科学中心, 北京100871) X

摘要　　在对重力地貌过程特点分析的基础上, 从地貌学角度出发就重力地貌

过程的研究现状进行了综述, 重点论述了近年来发展的各种理论与方法及遥感

GIS 技术在重力地貌过程研究中的应用, 并对今后重力地貌过程研究的难点进

行了探讨.

关键词　　重力地貌　方法　过程

1　重力地貌过程的分类与特征

1. 1　重力地貌过程的分类

1999-08-10收稿　　　　　　　　　　　

X 高等学校博士学科点专项科项基金资助项目置、气候类型、物质类型和粒径、下层的地质因素、移动方式和相对快慢、活动的诱发因素、

[10]则针对黄土高原地区提出了按照触发因素的分类.

1. 2　重力地貌过程的特征

重力地貌过程的产生、发展和消亡是多种自然要素共同作用的结果, 同时重力地貌过程也在多个方面表现出自身的特点.

(1) 重力地貌过程的水平分带性

在我国黄土高原地区, 由于岩性比较均一, 构造活动内部差异不大, 在降水因子的控制下, 重力地貌过程的分布表现了另一种水平地带性

(2) 重力地貌过程的垂直分带性[13].

(3) 重力地貌过程的连锁性[15][14].

由于重力地貌过程在坡面上具有垂直分带特征,

至下表现为崩塌—滑坡—泥石流的连锁表现过程. 其中, 土壤孔隙水含量的空间变化是一个比较重要的控制因子[16～19].

(4) 重力地貌过程的群发性

(5) 重力地貌过程的继承性

(6) 重力地貌过程的阶段性

(7) 重力地貌过程的周期性

(8) 重力地貌过程的地区分异[21]在黄土高原地区多规模、多期滑坡体所组成的滑坡群具有“大套小, 古套老, 老套新”.

(9) 重力地貌过程的形态特征

2　重力地貌过程的研究方法和理论

2. 1　坡面不稳定性的判别方法

(1) 因子加权法和多元统计方法

近年来, 模糊集合、多层模糊稳定分析法、蒙特卡洛法、信息量预测模型、灰色系统方法、层次分析法、[44～59]

[60]利用1:50000的专题图比较了模糊集合方法和一般概率的方法在滑坡稳定性判别效果的差异.

(2) 基于物理模型的过程方法

[64]Wu 和Sidle 建立了分布式的基于物理过程的坡面稳定性模型(dSLAM ) , 子模型

No . 3　　　　　　　　　　　王军等:　重力地貌过程研究的理论与方法　　　　　　　　　　　245

2. 2　重力地貌主要过程描述的理论

(1) 重力地貌过程强度和频度关系

重力地貌过程在时间和空间上都是一个离散的过程, 所以必须研究其强度和频度的关系, 才能对重力地貌过程的活动情况作出较准确的估计.

Hergarten 等[70](self-organized criticality).

P [X >x ]∝　P 为X >x 事件出现的概率-B [71][66](1)

模型模拟结果表明, 强度和频度呈幂率关系. Hergarten 等认为在水流侵蚀和构造运动长期渐变的条件下, 滑坡活动是一种临界自组织现象.

(2) 基于扩散方程的理论模型

为简单起见, 在坡面和流域演化模型中把坡面过程分为流水侵蚀和扩散过程两部分. 扩散过程是由坡面坡度所诱发的过程, 包括雨水溅蚀、[76]

　　　　　　　　　　　　　　　　应用基础与工程科学学报　　　　　　　　　　　　　　Vol . 7246

水溅蚀对坡面形态长期演化影响不大, 所以一般认为扩散过程主要是重力地貌过程.

扩散系数的确定有三种方法, 参见文献[78, 79], 其中文献[78]对现有多种结果进行了比较.

2¨õq s 2=c ++D +5t Q s (1-n ) 5x 5y (2)

式中, c 为构造抬升, q s 为单位宽度的输沙量(矢量) , Q s 为沉积物密度, n 为沉积物的孔隙度, D 为扩散系数; x , y 和z 为坡面空间坐标.

Willgoose 等对此方程进行了数值分析, 但主要关注于流域水系的发育过程. 文献

2. 3　遥感遥测与GIS 技术

遥感技术的应用还表现在对坡面过程重要影响因子(如土壤含水量) 的测量上, 这主要归功于AIRSAR(Air -borne synthetic aperture radar) 和AVARIS(Advanced air-borne

[86]visible /infrared imaging spectrometer ) 技术的发展. 另外通过直升飞机上携带的

ALTP (Advanced laser topography profiler ) 设备可获得高精度的DT M 数据(分辨率可达2cm).

3　重力侵蚀过程研究展望

重力侵蚀过程的研究具有观测难、实验难、建模难、验证难四个突出的难点.

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Recent Progress in Gravitational

Geomorphic Process Studies

WANG Jun 　　NI Jinr en 　　YANG Xiaomao

(Cen ter for Environm ental Science , Peking Un iversity , Beijin g 100871)

Abstr act

An overview is given to the recent progresses in the studies of gravitation-

Keywords :pr ogr ess , gr avitational er osion , geomor phic process

重力地貌过程研究的理论与方法

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