云南省德欽縣直任龍曲泥石流治理工程防治效果研究

唐 勤，陳興長，*，柳金峰，馮 鑫，謝奎琳

（1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010；2.中國科學(xué)院、水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041）

0 引言

泥石流是一種常見的山地災(zāi)害，具有暴發(fā)突然、流速快、流量大、歷時短、破壞性極強等特點。工程措施作為泥石流治理的重要手段，在泥石流防治中得到了廣泛應(yīng)用，對防災(zāi)減災(zāi)起到至關(guān)重要的作用[1]。但如果設(shè)計不當(dāng)，質(zhì)量不過關(guān)或遭遇超設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的泥石流時，仍然會造成危害，甚至加重危害[2-6]。然而，目前針對泥石流治理工程防治效果的研究依然較少。深入開展泥石流防治工程的防治效果研究，對優(yōu)化防治方案和防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

泥石流防治工程的防治效果評價方法有實驗研究和數(shù)值模擬等。實驗研究在探尋規(guī)律和優(yōu)化設(shè)計方面具有重要意義，但由于實驗設(shè)計時只考慮主要影響因素，實驗結(jié)果很難直接應(yīng)用到生產(chǎn)實踐上。數(shù)值模擬可以以實際流域為模擬對象，具有成本低、重復(fù)性強等優(yōu)點，適用于防治效果評價。常用的數(shù)值模擬方法有Debris-2D模型[7-8]和FLO-2D模型[9]等。FLO-2D是O’Brien提出針對洪水和泥石流模擬的軟件，能夠模擬流體的流動速度和淤積深度并合理預(yù)測泥石流威脅范圍[10]，進(jìn)行泥石流危險性評價[11-13]，對泥石流在不同降雨頻率和不同工程條件下進(jìn)行模擬[14-15]。FLO-2D數(shù)值模擬運用較為成熟，是研究泥石流防治工程效果的有效手段[16-18]。

本文以云南省迪慶藏族自治州德欽縣直任龍曲為研究對象，在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，基于FLO-2D模擬軟件，利用研究區(qū)降雨參數(shù)和數(shù)字高程模型等數(shù)據(jù)，模擬不同頻率泥石流的運動過程，對比自然條件下和有治理工程條件下的泥石流流速、沖出方量和淤積情況的變化，從而對泥石流防治工程效果進(jìn)行評價。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域概況

直任龍曲位于云南省迪慶藏族自治州德欽縣。流域所在位置屬于橫斷山三江并流區(qū)，剝蝕中山地貌，地形起伏大，流域狹窄，河谷深切呈典型的“V”型谷。德欽縣屬寒溫帶山地季風(fēng)性氣候，隨著海拔的升高，氣溫降低，降水量增大。據(jù)中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)資料（2011—2020年）統(tǒng)計（表1），德欽縣近10年平均降水量774.5 mm，降雨集中在7月和8月；年平均降雪日56天，年平均氣溫6.2℃。直任龍曲為瀾滄江一級支流阿東河的右岸支溝，該區(qū)域以雨水補給為主，6—10月為汛期，8月為流量峰值期。

表1 泥石流流域月平均降雨量統(tǒng)計

根據(jù)1∶20萬區(qū)域地質(zhì)資料，研究區(qū)位于瀾滄江斷裂帶，德欽—沙沖大斷裂從流域內(nèi)部穿過，該斷裂走向為NW-SE方向。斷層的長期活動使得山體破碎，為泥石流活動提供了豐富的物源。

1.2 流域概況

直任龍曲溝流域呈闊葉形，流域面積30.69 km2，主溝長度10.99 km；北西高南東低，最高點海拔4821 m，相對高差2192 m，主溝床加權(quán)平均縱坡219.83‰。流域整體地勢高，海拔3500m以上區(qū)域占70%以上（表2、圖1a）；流域平均山坡坡度約38.5°，其中大于25°以上的區(qū)域占71.93%（表3）；流域左岸上游山頂、溝道及溝口堆積處坡度較緩，流域右岸中下游山坡坡度較大（圖1b）。

表2 直任龍曲流域地表高程分級統(tǒng)計

表3 直任龍曲流域坡度分級統(tǒng)計

圖1 直任龍曲高程和坡度分級圖Fig.1 Grading map of elevation and slope in Zhirenlongqu

流域內(nèi)主要出露有三疊系、二疊系和元古界地層（圖2）。巖性以碎屑沉積巖、砂質(zhì)灰?guī)r、凝灰?guī)r、火山角礫巖為主。流域右岸出露有印支-燕山期的巖漿巖，巖性以黑云母花崗巖（γK2）和石英閃長巖（δοT）為主，下游出露有大理巖、片麻巖和石英片巖等。

圖2 直任龍曲地質(zhì)圖Fig.2 Geological map of Zhirenlongqu

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和遙感解譯，流域內(nèi)松散固體物源總量約585.7×104m3，可能參與泥石流活動的動儲量為191.4×104m3（表4）。各類物源分布如圖3所示。

圖3 直任龍曲物源分布圖Fig.3 The source distribution map of Zhirenlongqu

表4 直任龍曲泥石流物源統(tǒng)計表

經(jīng)野外調(diào)查，直任龍曲為高頻稀性暴雨型泥石流。溝口為阿東村，現(xiàn)有居民約48戶268人，耕地約205畝，溝口有娘義公路經(jīng)過。泥石流嚴(yán)重威脅著堆積區(qū)人民的生命財產(chǎn)和交通設(shè)施安全。為防止泥石流造成危害，對泥石流進(jìn)行了治理，修建有三座攔砂壩和一個排導(dǎo)槽。目前，壩內(nèi)有少量淤積，排導(dǎo)槽完整，槽底較干凈（圖4）。根據(jù)實測，排導(dǎo)槽長約540 m，槽寬約6 m，深3 m，槽底縱坡約9.8%；槽底設(shè)有肋坎（圖4b）；攔砂壩壩高7～8 m，庫容2000～6500 m3（表5）。

表5 直任龍曲溝攔砂壩參數(shù)表

圖4 直任龍曲防治工程現(xiàn)狀圖Fig.4 Situation map of control projects of debris flow in Zhirenlongqu

2 FLO-2D原理和方法

FLO-2D是一個簡單的體積守恒模型；它是基于非牛頓體與中央有限差分的數(shù)值模擬方法，用于計算洪水和泥石流運動的集成軟件。流體本構(gòu)控制方程包括連續(xù)性方程和運動方程：

（1）連續(xù)性方程

（2）運動方程

式中，h為流動深度（m），t為泥石流持續(xù)時間（s），V為八個流動方向（x）之一的平均速度（m/s），i為流動表面上的降雨強度（mm/min），Sf為摩擦斜率分量，So為河床坡度，g為重力加速度。

流體運動時有八個潛在流動方向，即四個指南針方向（北、東、南和西）和四個對角線方向（東北、東南、西南和西北），每個方向的速度計算本質(zhì)上都是一維的，并且獨立于其他七個方向進(jìn)行求解。

FLO-2D數(shù)值模擬主要有以下五個步驟：

（1）確定集水點：在野外調(diào)查基礎(chǔ)上，對溝道進(jìn)行分區(qū)并結(jié)合物源分布情況，確定泥石流集水點的位置；集水點通常位于泥石流物源集中區(qū)并且是流域內(nèi)降雨匯集的位置。

（2）確定模擬參數(shù)：根據(jù)野外調(diào)查資料，結(jié)合FLO-2D用戶手冊，確定數(shù)值模擬中所需的各種參數(shù)。

（3）設(shè)置流量過程線：根據(jù)流域?qū)嶋H情況，設(shè)置集水點處流量過程線。

（4）設(shè)置步長進(jìn)行模擬：選用合理的時長及步長進(jìn)行模擬，獲取結(jié)果。

（5）導(dǎo)出結(jié)果：計算完成后，導(dǎo)出圖件和計算結(jié)果，用于后續(xù)分析。

3 泥石流運動過程模擬

3.1 地形處理及參數(shù)選取

3.1.1 地形數(shù)據(jù)處理

本次模擬選取該流域精度為12.5 m的DEM數(shù)據(jù)，通過ArcGIS處理轉(zhuǎn)換成ASCⅡ文件，將其導(dǎo)入FLO-2D軟件，通過Grid工具將其劃分為2 m×2 m的網(wǎng)格。

3.1.2 泥石流參數(shù)選取

體積濃度Cv根據(jù)泥石流的性質(zhì)，參照FlO-2D使用手冊綜合確定；賓漢屈服應(yīng)力以及賓漢粘滯系數(shù)（τ、η）的取值參考O′Brien（1988）中的建議值；曼寧系數(shù)（n）、層流阻滯系數(shù)（K）結(jié)合實地調(diào)查，并參考Woolhiser（1795）中的建議值進(jìn)行賦值；泥石流的土石比重（Gs）根據(jù)土石性質(zhì)確定；放大因子BF=1/（1-Cv）。具體計算參數(shù)取值見表6。

表6 泥石流參數(shù)取值

3.1.3 泥石流峰值流量計算

降雨過程的模擬主要根據(jù)《云南省暴雨洪水查算實用手冊》，利用雨洪法計算集水點處的暴雨洪峰流量（Qp）：

式中，Qp為p頻率下的暴雨峰值流量（m3/s）；ψ為流體的徑流系數(shù)；Sp為p頻率下的雨力（mm/h）；τ為匯流時間（h）；n為暴雨參數(shù)；F為匯水面積（km2）。

泥石流流量按配方法計算，公式如下：

式中，Qc為與Qp相同重現(xiàn)期的泥石流流量（m3/s）；Qp為p頻率下的暴雨峰值流量（m3/s）；D為堵塞系數(shù)，取1.2；BF為放大因子，BF=1/（1-Cv）。

一次泥石流過程總量可按泥石流過程線概化模型計算，根據(jù)泥石流歷時和最大流量，按泥石流暴漲暴落的特點，將其過程線概化成五角形，計算泥石流一次過程總量，計算公式如下：

Q為泥石流一次過程總量（m3）；T為泥石流歷時（s），Qc為泥石流最大峰值流量（m3/s）。不同重現(xiàn)周期暴雨峰值流量及泥石流峰值流量如表7所示。

表7 不同重現(xiàn)周期暴雨峰值流量和泥石流洪峰流量

3.2 泥石流模擬

3.2.1 自然條件下模擬

在自然條件下，分別模擬了3個重現(xiàn)周期（P=5%，P=2%，P=1%）的泥石流流動速度、沖出方量和堆積情況等。模擬結(jié)果如圖5-6所示。

圖5 自然條件下不同頻率泥石流淤積深度圖Fig.5 Silting-up depth map of debris flows without control project under different frequencies

在自然條件下，堆積扇左側(cè)偏低，泥石流淤積區(qū)偏向上游。當(dāng)降雨頻率P=5%時，堆積扇淤積面積1.75×104m2，平均淤積深度0.79 m，沖出固體物質(zhì)總量1.38×104m3。當(dāng)降雨頻率P=2%時，堆積扇淤積面積為3.55×104m2，平均淤積厚度為1.27 m，沖出固體物質(zhì)總量為4.5×104m3。當(dāng)降雨頻率P=1%時，堆積扇淤積面積為6.17×104m2，平均淤積厚度1.68 m，沖出固體物質(zhì)總量為10.36×104m3。泥石流最大淤積深度和最大流動速度主要位于溝道轉(zhuǎn)彎處及個別洼地。當(dāng)降雨頻率P=5%、P=2%、P=1%時，泥石流一次過程總量分別為20.67×104m3、40.30×104m3、79.39×104m3，與雨洪法計算結(jié)果基本一致（表7）。

3.2.2 有防治工程模擬

該流域共修建有三座攔砂壩和一個排導(dǎo)槽。根據(jù)現(xiàn)場測量的防治工程參數(shù)，對布設(shè)防治工程部位的地形進(jìn)行了處理，得到了帶防治工程的地形。不同降雨頻率下的數(shù)值模擬結(jié)果如圖7-8所示。

模擬結(jié)果顯示，當(dāng)降雨頻率P=5%時，泥石流全部被攔擋。其中，1號壩最大淤積深度為8.22 m，最大流動速度為5.85 m/s；2號壩最大淤積深度為9.69 m，最大流動速度為7.67 m/s；3號壩最大淤積深度4.14 m，最大流動速度為1.37 m/s（圖7a、圖8a）。

當(dāng)降雨頻率P=2%時，少量泥石流翻過3號壩，進(jìn)入排導(dǎo)槽，但未造成危害。其中，1號壩最大淤積深度為8.36 m，最大流動速度為4.96 m/s；2號壩最大淤積深度為9.73 m，最大流動速度為7.80 m/s；3號壩最大淤積深度為8.58 m，最大流動速度為3.04 m/s（圖7b、圖8b）；壩下主要淤積在排導(dǎo)槽內(nèi)，沖出固體物質(zhì)總量0.84×104m3。

當(dāng)降雨頻率P=1%時，泥石流通過排導(dǎo)槽匯入主河。其中，1號壩最大淤積深度為8.44 m，最大流動速度為5.04 m/s；2號壩最大淤積深度為10.27 m，最大流動速度為8.95 m/s；3號壩最大淤積深度為9.06 m，最大流動速度為3.00 m/s（圖7c、圖8c）。堆積扇淤積面積2.62×104m2，平均淤積厚度1.75 m，沖出固體物質(zhì)總量4.61×104m3。但是，從圖7c可以看出，部分泥石流從排導(dǎo)槽左側(cè)沖出，淤埋部分農(nóng)田，威脅房屋安全，造成一定的危害。

圖7 有工程條件下不同頻率泥石流淤積深度圖Fig.7 Silting-up depth map of debris flows with control projects under different frequencies

圖8 有工程條件下不同頻率泥石流流動速度圖Fig.8 Flow-velocity map of debris flow with control projects under different frequencies

4 工程防治效果分析

基于FLO-2D模擬泥石流在不同頻率和不同工況下運動過程，對比分析淤積范圍、沖出方量及流速的變化，對直任龍曲溝的防治工程的治理效果進(jìn)行分析和評價。

（1）泥石流沖出規(guī)模分析

在自然條件下，當(dāng)降雨頻率P=5%時，泥石流淤積深度和流速均較小，主要威脅溝道左側(cè)居民11戶，耕地約9.5畝；當(dāng)降雨頻率P=2%時，泥石流主要淤積堆積扇左側(cè)，威脅居民15戶，耕地約29畝，掩埋娘義公路段約130 m；當(dāng)降雨頻率P=1%時，泥石流淤積堆積扇大部分區(qū)域，威脅居民21戶，耕地約49畝，掩埋娘義公路段約265 m，并造成主河部分壅堵。因此，如果不進(jìn)行治理，該流域一旦暴發(fā)泥石流，將對下游直接造成危害。

由圖7、表8可知，在有防治工程條件下，當(dāng)降雨頻率P=5%時，泥石流未到達(dá)流域堆積扇，堆積區(qū)居民點和耕地免受危害。當(dāng)降雨頻率P=2%時，堆積扇區(qū)域泥石流主要淤積在排導(dǎo)槽內(nèi)，相比自然條件下，堆積區(qū)淤積面積減少89.30%，沖出總方量減少81.33%，居民點、耕地和娘義公路均免受危害。當(dāng)降雨頻率P=1%時，泥石流到達(dá)堆積扇，沿排導(dǎo)槽排入主河；與自然條件相比，堆積扇淤積面積減少57.52%，沖出總方量減少55.55%。但是，部分泥石流從排導(dǎo)槽左側(cè)沖出，淤積范圍0.57×104m2，平均淤積厚度1.41 m，沖出固體物質(zhì)總量0.80×104m3；將會對4戶居民造成危害。此外，因排導(dǎo)槽未接至主河，排導(dǎo)槽出口至阿東河段25畝耕地被淤埋。

表8 兩種工況下泥石流淤積面積和沖出方量對比表

模擬結(jié)果表明，當(dāng)暴發(fā)50年一遇及更高頻率的泥石流時，防治工程可有效地避免泥石流的危害；當(dāng)暴發(fā)百年一遇的泥石流時，防治工程可大大降低泥石流的危害。同自然條件下相比，該流域的防治工程防災(zāi)減災(zāi)效果明顯。

（2）泥石流沖出速度分析

對比3種不同頻率泥石流的流速發(fā)現(xiàn)，自然條件下泥石流的最大流動速度小于有防治工程條件下泥石流的最大流動速度。但由圖6和圖8可知，自然條件下的最大流動速度主要分布于溝道內(nèi)且成連續(xù)分布，整體流動速度均勻且較大。有防治工程條件下，泥石流的最大流動速度主要位于攔擋工程布設(shè)位置，原因在于泥石流沖撞攔擋工程快速回淤的過程流速快速增大而造成；而攔擋工程以下溝道流動速度小于同頻率自然條件下流動速度。該流域的排導(dǎo)槽內(nèi)設(shè)有肋坎，能有效減小泥石流的過流速度。防治工程對泥石流流速的削弱效果明顯，泥石流沖擊力得到有效控制。

圖6 自然條件下不同頻率泥石流流動速度圖Fig.6 Flow-velocity map of debris flows without control project under different frequencies

（3）不同防治方案的分析

當(dāng)直任龍曲溝遇20年一遇泥石流時，泥石流最終停止于3號壩前，其中1號和2號壩滿庫，若該流域僅修建一座或兩座攔砂壩的情況下，泥石流會因攔擋不住而到達(dá)下游堆積區(qū)，對下游居民點、耕地及公路造成危害，故該流域修建3座攔砂壩能有效攔擋20年一遇的泥石流。當(dāng)遭遇50年一遇和100年一遇泥石流時，下游若沒有排導(dǎo)工程，則泥石流將會向溝道左側(cè)運動，嚴(yán)重威脅堆積扇左側(cè)居民點和公路安全。

綜上所述，直任龍曲溝采用“攔擋+排導(dǎo)”的治理方案設(shè)計合理，能有效地防治20年一遇，甚至50年一遇的泥石流。

5 討論與結(jié)論

本文在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，基于FLO-2D數(shù)字模擬對直任龍曲泥石流防治工程效果進(jìn)行了評價，模擬結(jié)果直觀地反映了泥石流的淤積范圍和影響區(qū)域。該模型為定溝床模式，無法模擬泥石流在運動過程中對溝道的下切侵蝕和側(cè)蝕作用[19]；此外，在模擬前需要設(shè)計流量過程線，模擬過程中無法添加新的物源[20]。修建攔砂壩后泥石流會在壩后形成一個回淤緩坡，泥石流淤積于壩后起到反壓坡腳的作用，使得溝道兩岸坡體更加穩(wěn)定，泥石流淤積后在集水點以下不會有新增物源，溝道淤積后也不存在泥石流對溝道侵蝕和側(cè)蝕作用[2]。排導(dǎo)槽可以約束堆積區(qū)的流路，槽底通常設(shè)置肋檻，既可減速也可防止槽底下切。因此，在使用FLO-2D模擬有防治工程條件下的泥石流時，很好地避免了該模型前述的不足之處。從這個意義上講，F(xiàn)LO-2D更適宜于模擬有防治工程的泥石流，用于預(yù)測或評價防治效果。

直任龍曲溝已有的防治工程能有效防治20年一遇，甚至50年一遇的泥石流；但遭遇更低頻率的泥石流時，依然會對下游造成一定的危害。模擬結(jié)果顯示，在排導(dǎo)槽進(jìn)口段，由于接入口角度不夠合理，出現(xiàn)泥石流翻槽溢流，威脅左側(cè)居民點的情況。泥石流排導(dǎo)槽的設(shè)計還有進(jìn)一步優(yōu)化的余地。

通過本文研究，可得出以下結(jié)論：

（1）直任龍曲泥石流防治方案基本合理，能有效防治20年一遇，甚至50年一遇的泥石流；但是，排導(dǎo)槽設(shè)計仍有優(yōu)化的空間。

（2）FLO-2D適宜于模擬有防治工程的泥石流，可以較好地用于泥石流防治效果的預(yù)測或評價。

（3）直任龍曲遭遇超設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的泥石流時，仍然會造成危害，建議加強泥石流的監(jiān)測預(yù)警等防災(zāi)減災(zāi)措施。