基于FLO-2D的四川小金縣炭廠溝危險性評價

安昱丞 田野 夏雨璇 楊曉潔 張楚韓

摘 要：【目的】研究炭廠溝泥石流爆發(fā)時的危險性?！痉椒ā恳蕴繌S溝1：5 000等高線、50年降雨數(shù)據(jù)和掩膜作為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場勘察情況，運用FLO-2D和GIS軟件，模擬炭廠溝在不同降雨頻率下（10%、5%、2%和1%）泥石流的運動堆積過程?！窘Y(jié)果】以1%降雨頻率為例，模擬出的最大泥石流流速為20.97 m/s，最大泥石流流深為7.7 m，堆積面積為33 175 m?。極端危險區(qū)范圍占比81.8%，具有極高的危險性。對比模擬計算流速與公式計算流速來驗算精確度，結(jié)果顯示可靠性高?！窘Y(jié)論】通過選用流速和泥深作為泥石流危險度分區(qū)的定量指標(biāo)，得到炭廠溝泥石流的危險性分區(qū)圖，為該流域的災(zāi)害防治提供科學(xué)的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：FLO-2D；危險性評價；炭廠溝；泥石流；數(shù)值模擬

中圖分類號：P642.23 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）14-0104-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.021

Risk Assessment of Tanchang Valley in Xiaojin County， Sichuan Province Based on FLO-2D

AN Yucheng TIAN Ye XIA Yuxuan YANG Xiaojie ZHANG Chuhan

（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the risk of debris flow in Tanchang Valley. [Methods] Based on the 1：5 000 contour， the 50-year rainfall data and the mask of the Tanchang Valley， combined with the field survey， this paper uses FLO-2D and GIS software to simulate and calculate the movement and accumulation process of the debris flow in the Tanchang Valley under different rainfall frequencies （10%， 5%， 2% and 1%）， and studies the hazard of the debris flow in the Tanchang Valley. [Findings] Taking 1% rainfall frequency as an example， the maximum simulated debris flow velocity is 20.97 m/s， the maximum debris flow depth is 7.7 m， and the accumulation area is 33 175 m?. The scope of extreme danger zone accounts for 81.8%， which is extremely dangerous. The accuracy is checked by comparing the simulated flow rate with the formula flow rate， and the results show that the reliability is high. [Conclusions] By selecting velocity and mud depth as quantitative indicators of debris flow risk zoning， the hazard zoning map of debris flow in Tanchang Valley is obtained. It provides scientific reference for disaster prevention and control in the basin.

Keywords： FLO-2D; risk assessment; Tanchang ditch; debris flow; numerical simulation

0 引言

炭廠溝位于小金縣宅壟鄉(xiāng)雞心村二組，為小金川的一級支流，炭廠溝于2004年發(fā)生過大型泥石流，堵塞溝口處的小金川長達(dá)2 h。該地區(qū)每年在雨季都會發(fā)生規(guī)模不等的泥石流；在最近的一次地震中，流域內(nèi)發(fā)生了多處崩塌，形成了新的物源，堵塞了溝道，若遇強降水，會形成一定規(guī)模的泥石流，威脅下游溝口處的居民生命及財產(chǎn)安全，并對生態(tài)環(huán)境造成破壞。

顏恒明［1］借助FLO-2D對干溝進行了風(fēng)險性分析；唐得勝［2］對龍溪河地區(qū)做了不同頻率的泥石流數(shù)值模擬；周小軍等［3］對核桃溝模擬分析，并提出一些建議；王子亮等［4］對安寧河冷漬溝做了危險性分析；張奮翔等［5］對西藏若如村泥石流做了精確率很高的危險性評價圖。因此，本研究基于FLO-2D軟件對炭廠溝進行泥石流模擬，并對其危險性進行評價，以期為該地區(qū)的風(fēng)險評估提供參考。

1 研究區(qū)域概況

炭廠溝位于小金縣宅壟鄉(xiāng)雞心村二組，東距縣城美興鎮(zhèn)約15 km，在省道303線（小丹路）小金河對岸，因距離較近，一旦發(fā)生泥石流會對省道產(chǎn)生較大影響。

研究區(qū)屬于小金川一級支流，為中等切割的高山峽谷地貌，受區(qū)域整體間歇性抬升和河流強烈下切侵蝕作用的影響，區(qū)內(nèi)山勢巍峨，溝谷深切，呈現(xiàn)出強烈隆升深切割的中高山、高山地貌。炭廠溝泥石流溝口位于小金川右岸一級階地，上游地形坡度陡峻，地形坡度在30°～45°，屬風(fēng)化剝蝕斜坡地貌?？辈閰^(qū)最高地形約5 500 m，最低地形為約2 990 m，相對高差為2 510 m。

炭廠溝泥石流流域地勢N高SE低，溝道長約8.0 km，流域面積約13.0 km?。溝道兩側(cè)邊坡較陡，上游溝谷斷面形態(tài)大部分呈“U”字形，下游溝道呈“V”字形，局部呈“U”字形，溝床縱坡降330%～370%，平均350%。居民主要聚居在堆積扇體上，約有居民22戶100余人，居民區(qū)外為茂密果園。炭廠溝匯入小金川，入河口標(biāo)高為2 990 m。

近50年來最大降水量為739.1 mm，年日最大降水量37.1 mm，日最大平均降水量30.1 mm；小時最大降水量28.4 mm，小時最大平均降水量15.6 mm；10分鐘最大降水量15.3 mm，10分鐘最大平均降水量9.0 mm。該區(qū)激發(fā)泥石流形成的暴雨條件是充分的。

2 FLO-2D基本原理

運用FLO-2D［6］模擬泥石流運動時，主要利用中央有限差分法求解運動控制方程?？刂品匠贪B續(xù)方程和運動方程，分別控制泥石流體積質(zhì)量守恒和力平衡的動量守恒，即連續(xù)方程為式（1）至式（3）。

[?h?t+?hVx?x+?hVy?y=i] （1）

[Sfx=Sox-?h?t-Vxg?Vx?x-Vyg?Vy?x-1g?Vx?t]

（2）

[Sfy=Soy-?h?y-]

[Vyg?Vy?y-Vyg?Vy?x-1g?Vy?t] （3）

式中：t為時間；i為降雨強度；[Vx]為x方向的平均流速；[Vy]為y方向的平均流速；h為流動深度；g為重力加速度；[Sfx]和[Sfy]分別是x、y方向摩擦坡降；[Sox和Soy]分別是x、y方向溝床坡降。

同時，F(xiàn)LO-2D模擬泥石流流動是基于多方向的一維流體建立二維流體的模擬過程，并通過流變方程來控制泥石流的流動過程，其中流變方程為式（4）。

[Sf=Sy+Sv+Std]

[=τyγmh+kηu8γmh2+ntd2u2h43] （4）

式中：[Sy]為屈服坡降；[Sv]為黏滯坡降；[Std]為紊流－擴散坡降；[τy]為屈服應(yīng)力；[η]為黏滯系數(shù)；[γm]為泥石流體單位重；k為層流阻滯系數(shù)；[ntd]為等效曼寧系數(shù)。

3 參數(shù)選取

FLO-2D數(shù)值模擬選取的模擬參數(shù)有：等效曼寧系數(shù)[n]，泥石流土石材料比重Gx和體積濃度[Cv]，層流阻滯系數(shù)[K]，泥石流的屈服應(yīng)力[τ]及黏滯系數(shù)[η]，暴雨洪峰流量[Qp]和泥石流峰值流量[Qc]。

3.1 等效曼寧系數(shù)n

在泥石流模擬過程中，曼寧系數(shù)代表了地面的粗糙程度，對于溝道中的泥石流運動有著一定影響，根據(jù)FLO-2D手冊給出的建議值范圍，再結(jié)合炭廠溝流域的實際地表狀況，取炭廠溝的曼寧系數(shù)為0.2，堆積區(qū)為0.12。

3.2 泥沙體積濃度[Cv]

本研究通過模擬實驗測得泥石流重度，根據(jù)實際調(diào)查訪問，結(jié)合泥石流堆積扇，在現(xiàn)場配制，采用稱重法進行測定。現(xiàn)場配方試驗得，泥石流平均重度[γc]為1.648 t/m3。

根據(jù)對泥石流體積濃度計算為式（5）。

[Cv=γc-γwγs-γw] （5）

得 ? ? ? 到 ? ? ? ? [γs=2.65 t/m3，][γw=1.0 t/m3，][Cv=0.392 7。]

3.3 層流阻滯系數(shù)K

泥石流在流動期間會受到各種阻力，其會影響泥石流的運動過程，該阻力與層流阻滯系數(shù)息息相關(guān)。本研究參考Woolhiser［7］的相關(guān)數(shù)據(jù)和FLO-2D使用手冊見表1，取[K=2 240]。

3.4 流變系數(shù)

參考OBrien中的建議值見式（6）、式（7）。

[η=α1eβ1Cv] （6）

[τy=α2eβ2Cv] （7）

本研究炭廠溝流域取[α1=0.811]、[α2=0.004 62]、 [β1=13.72]、 [β2=11.24]。

3.5 泥石流峰值流量

采用《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》推薦的水科院推理公式［8］計算設(shè)計頻率條件下的洪水洪峰流量。泥石流流量計算利用流域可能產(chǎn)生的最大清水流量為依據(jù)，模擬不同重現(xiàn)周期下泥石流沖淤過程，選取不同的修正系數(shù)，根據(jù)FLO-2D使用手冊，將洪峰流量乘以放大因子（BF）可得到泥石流最大流量，結(jié)果見表2。

3.6 模擬時間

根據(jù)松散固體物源分布、泥石流流速和模擬結(jié)果等因素綜合考慮，與確定清水流量過程線時保持一致，為600 s。

4 炭廠溝泥石流模擬

在FLO-2D中導(dǎo)入ascii文件后，結(jié)果如圖2所示，本研究選擇選用5 m×5 m精度，圈定計算區(qū)域，選擇曼寧系數(shù)和其他泥石流參數(shù)，后設(shè)置集水點相應(yīng)的清水流量。選取參數(shù)見表3。

在10年、20年、50年和100年一遇降雨頻率下，獲得了炭廠溝流域泥石流在爆發(fā)時的堆積深度和流速，結(jié)合GIS得到了危險等級分區(qū)。模擬結(jié)果見圖3至圖5。

5 模擬結(jié)果危險性分析

5.1 模擬準(zhǔn)確度分析

本研究將公式計算與模擬的結(jié)果進行比較，以驗證模擬的效果，以50年一遇為例（04年）結(jié)果見表4。

可以看出，兩者之間具有1.0%～18.3%的誤差，在合理的范圍內(nèi)，證明此方法的可信度。

5.2 危險性模擬結(jié)果分析

泥石流評價的危險性主要是由泥石流的影響力和強度來衡量的。泥石流的影響力和泥石流強度，主要是通過泥石流的流速和泥深來決定。本研究結(jié)合參考唐川等［9］提出的危險性分區(qū)方法將其分為四種危險等級，見表5。

再將分區(qū)參數(shù)結(jié)合GIS進行測算，得到不同降雨頻率下的各危險區(qū)面積，及其所占比例，如圖6所示。

由模擬結(jié)果分析可以看出，泥石流危險性很高，溝道內(nèi)和下游堆積扇，大多為極度危險區(qū)，建議避開此區(qū)域。根據(jù)表5及圖6可以看出，降雨10年一遇時，極度危險區(qū)占比48 %；降雨20年一遇時，極度危險區(qū)占比53.6%；降雨50年一遇時，極度危險區(qū)占比74%；降雨100年一遇時，極度危險區(qū)占比81.8%。隨著降雨頻率的增大，100年一遇時，輕度危險區(qū)以上占比82.1%。

6 結(jié)論

本研究借助FLO-2D和GIS對炭廠溝在4種重現(xiàn)周期（10年，20年，50年，100年）下的泥石流爆發(fā)過程做了模擬，得到了如下結(jié)論。

①得到了溝道和堆積區(qū)的泥石流運動和堆積特征，隨著重現(xiàn)周期的增大，極端危險區(qū)的范圍隨之增加。

②極端危險區(qū)占比82%，應(yīng)該加強該流域的防災(zāi)減災(zāi)工作和泥石流預(yù)警管理，做好防治措施，例如在流通區(qū)溝道及堆積區(qū)前設(shè)置若干谷坊壩或攔擋壩等。

③本研究以數(shù)值模擬得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探討了炭廠溝流域危險性，該模型運用快捷簡單，取得了較好的結(jié)果。

參考文獻：

［1］顏恒明.基于FLO-2D的干溝泥石流風(fēng)險評價［D］.成都：西南交通大學(xué)，2017.

［2］唐得勝.基于FLO-2D模型的不同頻率泥石流數(shù)值模擬研究［D］.成都：成都理工大學(xué)，2014.

［3］周小軍，黃永威，姜元俊.基于FLO-2D的核桃溝泥石流數(shù)值模擬分析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019，56（S1）：231-238.

［4］王子亮，常鳴，劉沛源，等.安寧河流域典型溝谷泥石流危險性評價：以冷漬溝為例［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2022，33（3）：31-38.

［5］張奮翔，張路青，周劍，等.基于FLO-2D的西藏若如村泥石流危險性分析［J］.水資源與水工程學(xué)報，2019，30（5）：95-102.

［6］O'Brien.FLO‐2D Users Manual Version 2009［R］. Nutrioso：Software.informer，2006.

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［8］四川省水電局.四川省水文手冊［M］.成都：四川省水利電力局水文總站圖書出版社，1984.

［9］唐川，劉希林，朱靜.泥石流堆積泛濫區(qū)危險度的評價與應(yīng)用［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，1993（4）：79-84.