基于數(shù)值模擬的群發(fā)性泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)
——以甘肅岷縣麻路河流域?yàn)槔?/h1>
2021-05-08 07:30:08侯圣山王立朝劉軍友
曹 鵬，侯圣山，陳 亮，馮 振，王立朝，李 昂，劉軍友
（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院(自然資源部地質(zhì)災(zāi)害技術(shù)指導(dǎo)中心)，北京 100081）
0 引言
泥石流為固、液、氣三相混合流，一般在山區(qū)溝谷或坡面，由強(qiáng)降雨、洪水等自然或人為因素引發(fā)，具有歷時(shí)短，速度快、沖擊大、破壞強(qiáng)的特點(diǎn)[1]。2000——2020年，岷縣由于泥石流災(zāi)害造成的死亡人數(shù)共93 人。2012年5月10日，岷縣大范圍遭受強(qiáng)降雨夾冰雹，局部遭受百年一遇強(qiáng)降雨，引發(fā)大量泥石流災(zāi)害，造成18 人死亡[2]。
據(jù)2012年11月“岷縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查”成果，麻路溝流域2012年5月10日遭受五十年一遇降雨，引發(fā)群發(fā)性泥石流，主河泥位1.2 m，災(zāi)情較嚴(yán)重，損失牲畜33 頭，毀壞房屋5 間，農(nóng)田4.13×104m2，道路3 km，直接損失約37 萬(wàn)元，無(wú)人員傷亡[3]。經(jīng)野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，麻路河流域“5·10”泥石流堆積區(qū)特征明顯，“5·10”后又暴發(fā)過(guò)多次泥石流和洪水災(zāi)害。麻路溝是迭蔵河的支流，位于岷縣縣城上游3 km，麻路河流域暴發(fā)泥石流，不但對(duì)溝內(nèi)居民和財(cái)產(chǎn)造成威脅，還會(huì)威脅到沿迭蔵河分布的岷縣縣城區(qū)。因此，迫切需要針對(duì)麻路溝流域開(kāi)展危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，識(shí)別高危險(xiǎn)性泥石流溝，劃定泥石流中高危險(xiǎn)區(qū)域，為制定準(zhǔn)確有效的泥石流防治措施提供依據(jù)。
基于數(shù)值模擬的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法可以具體刻畫(huà)泥石流的運(yùn)動(dòng)特征，每個(gè)泥石流流域單元危險(xiǎn)度是非唯一的，從而可以區(qū)分流域內(nèi)不同區(qū)域的危險(xiǎn)等級(jí)，如胡凱衡等[4]以流體力學(xué)模型為基礎(chǔ)，用數(shù)值模擬的方法較精確地描述了泥石流流體運(yùn)動(dòng)和物理機(jī)制，段學(xué)良等[5]運(yùn)用Massflow 對(duì)的西藏仁布杰仲溝泥石流運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分析，侯圣山等[6]運(yùn)用FLO-2D 對(duì)甘肅岷縣耳陽(yáng)河流域內(nèi)6 條泥石流溝進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，楊濤等[7]運(yùn)用FLO-2D 對(duì)岷江小流域內(nèi)6 條泥石流溝進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，顏恒明[8]對(duì)都江堰市虹口鄉(xiāng)紅色村干溝進(jìn)行了數(shù)值模擬。但是，如上文所例的入?yún)R河流的單溝泥石流或群發(fā)泥石流，并未考慮強(qiáng)降雨過(guò)程中河流對(duì)泥石流堆積物的沖刷攜帶作用，故而對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)泥石流堆積扇范圍、淤積厚度具有不利影響。
本文選取岷縣麻路河流域中6 條泥石流溝和麻路河作為研究對(duì)象，首先建立主河水流模型，并基于當(dāng)?shù)仄骄陱?qiáng)和差異系數(shù)，運(yùn)用川西地區(qū)水文模型建立1%、2%、5%降雨頻率條件下泥石流流量過(guò)程曲線和流域上游支溝的清水流量過(guò)程曲線（2012年麻路河“5·10”泥石流降雨頻率為2%），在主河水流模型的基礎(chǔ)上對(duì)全流域施加不同頻率降雨進(jìn)行泥石流模擬，即可考慮主河對(duì)泥石流堆積物的沖刷攜帶作用，將2%降雨頻率條件下各泥石流堆積扇均深和范圍與野外調(diào)查結(jié)果對(duì)比，即可驗(yàn)證模型可靠性。根據(jù)模擬結(jié)果得出全流域（6 條泥石流溝，2 條清水支溝，1 條主河）危險(xiǎn)性分區(qū)圖，針對(duì)楊家溝、葉家溝、張家溝、大灣溝、峽里溝、拉路溝等6 條泥石流溝進(jìn)行了單獨(dú)的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，并圈定流域內(nèi)受中高危險(xiǎn)威脅的居民區(qū)，為災(zāi)害的精確防治和預(yù)警提供依據(jù)。
1 研究區(qū)概況
岷縣地處甘肅南部，為隴南山地與黃土高原接壤帶，屬西秦嶺北支中段，洮河流經(jīng)縣內(nèi)西北部，境內(nèi)泥石流災(zāi)害活動(dòng)非?；钴S[3]。
研究區(qū)麻路河流域位于岷縣西南部，流域東南邊界為黃河-長(zhǎng)江流域分水嶺，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，形成典型的中山構(gòu)造-侵蝕地貌。麻路河流域面積約33.29 km3，主河長(zhǎng)6.5 km，平均坡降120‰，流域平均寬度4.2 km，最高海拔3 180 m，位于東山，最低海拔2 400 m，位于麻路河匯入迭藏河溝口。
根據(jù)野外調(diào)查及勘查結(jié)果，流域內(nèi)地層主要為新近系青灰色礫巖砂巖及磚紅色粉砂質(zhì)泥巖，三疊系板巖頁(yè)巖，由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，巖體結(jié)構(gòu)面及風(fēng)化裂隙十分發(fā)育，巖體呈現(xiàn)為碎散狀，穩(wěn)定性極差，流域內(nèi)第四系沉積物主要為馬蘭黃土、殘坡積物、滑坡堆積物、泥石流堆積物等。
麻路河流域位于溫帶半濕潤(rùn)-高寒濕潤(rùn)氣候過(guò)渡帶，年均相對(duì)濕度為 65%，年均降水量在500～600 mm之間，降水時(shí)間分布不均，春夏季降水占年降水的 60%以上。由于地形和海拔影響，降雨量總體趨勢(shì)為由高山區(qū)向河谷區(qū)遞減，降雨歷時(shí)一般在6～12 h，降雨籠罩面積越小，其降雨強(qiáng)度越大。
麻路河屬黃河水系，為洮河的二級(jí)支流，麻路河由東向西從白土坡匯入迭藏河后，向北流6.12 km 后匯入洮河。岷縣縣城沿洮河和迭蔵河展布，麻路河匯入迭蔵河的位置為岷縣火車站所在地，下游3 km 即為岷縣縣城區(qū)（圖1）。
圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location map of study area
麻路河流域范圍內(nèi)共有8 條支溝，其中6 條為泥石流溝，均分布在主河?xùn)|岸，其余2 條清水支溝位于流域源頭（圖2）。6 條泥石流溝均處于活躍期，中上游溝谷截面呈“V”形，下游溝谷截面呈“U”形，泥石流溝縱比降在169‰～366‰。麻路河流域地形平均坡度在20°～30°（圖3），溝谷水源匯流區(qū)坡度較大，在30°～40°，據(jù)前人研究，最易發(fā)生泥石流的地形坡度在25°～45°[9]。麻路河流域地形見(jiàn)圖2，圖中溝谷編號(hào)1～8 分別代表?xiàng)罴覝?、葉家溝、張家溝、大灣溝、峽里溝、拉路溝、清水支溝1 和清水支溝2。麻路河泥石流溝具體特征參數(shù)示于表1。
圖3 地形坡度分級(jí)圖Fig.3 Topographic gradient classification map
表1 泥石流溝特征參數(shù)表Table 1 Characteristic parameters of debris flow gullies
麻路河流域泥石流固體物質(zhì)來(lái)源主要有四種類型：坡面物源（耕地）、崩塌滑坡物源、溝道物源以及人工棄渣物源。每年5——6月是岷縣春耕時(shí)節(jié)，坡面土地耕后松軟，在強(qiáng)降雨條件下，大量松散物質(zhì)易隨坡面徑流匯入溝谷，這是本區(qū)域泥石流固體物質(zhì)的最重要來(lái)源，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，流域內(nèi)耕地面積占總流域面積的58.5%，約19.47 km2，麻路河南岸耕地開(kāi)墾于河流沖洪積物和崩坡積次生黃土，平均厚度為1.8 m，北岸耕地開(kāi)墾于崩坡積次生黃土，部分開(kāi)墾于紫紅色泥巖和板巖全風(fēng)化碎屑堆積物，平均厚度為1.3 m；易于被徑流沖走的松散物質(zhì)主要是耕后土壤，研究區(qū)耕作深度約22 cm，據(jù)此測(cè)算麻路河流域泥石流溝坡面耕地可提供的松散物質(zhì)共146.94×104m3。6 條泥石流溝岸兩側(cè)塌岸非常發(fā)育，尤其各支溝上游連續(xù)塌岸現(xiàn)象非常普遍，溝內(nèi)滑坡大多發(fā)育于古老的泥石流堆積體及殘坡積體上，經(jīng)野外調(diào)查，麻路河流域塌岸、崩塌、滑坡共56 處，總體積為23.96×104m3（圖2，圖4）。溝道物源主要來(lái)源于近期泥石流淤積、河流再搬運(yùn)及流水對(duì)溝谷兩側(cè)古老泥石流堆積物的侵蝕，各溝溝底淤積深度為0.8～1.6 m，溝道松散物質(zhì)總量為17.34×104m3。楊家溝流通區(qū)有燒磚廠，棄渣堆積于溝內(nèi)，堆積面積約488 m2，體積約0.19×104m3，峽里溝上游左岸有一處采石場(chǎng)，占地面積8 500 m2，堆積碎石屑及碎石塊約1.72×104m3，在強(qiáng)降雨條件下，碎石屑及部分石塊可被坡面徑流搬運(yùn)至溝內(nèi)。各泥石流溝松散物質(zhì)儲(chǔ)量見(jiàn)表2。
圖2 麻路河流域平面示意圖Fig.2 Sketch map of Malu River basin
圖4 泥石流溝松散物質(zhì)Fig.4 Loose material in debris flow gullies
表2 麻路河流域泥石流溝松散物質(zhì)量（單位：104 m3）Table 2 Volume of loose material in debris flow gullies of Malu River basin (unit: 104 m3)
水是泥石流形成不可缺少的重要條件。麻路河流域“5·10”降雨由17 點(diǎn)到20 點(diǎn)，持續(xù)約4 h，總降雨量為43.8 mm，達(dá)到50年一遇的強(qiáng)度，其中18 點(diǎn)到19 點(diǎn)一小時(shí)降雨量為21.8 mm，而據(jù)前人研究，岷縣可能發(fā)生泥石流的24 h 的界限雨量H24(H)=30 mm，1 h 的界限雨量H1(H)=15 mm[3]，麻路河流域“5·10”降雨遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)界限雨量。除大灣溝外，其他5 條泥石流溝內(nèi)都有季節(jié)性水流，流量在6——8月份達(dá)到最大值，約0.3～0.9 m3/s。
2 FLO-2D 模擬
O’BRIEN[10]提出并驗(yàn)證了FLO-2D 數(shù)值模型，F(xiàn)LO-2D 可以用于二維流體模擬，預(yù)測(cè)流體運(yùn)動(dòng)特征，在實(shí)際應(yīng)用中，可以應(yīng)用到洪水、泥石流的模擬、潰壩分析以及城市淹沒(méi)等方面。
泥石流流體運(yùn)動(dòng)特征和堆積特征主要由流體流動(dòng)速度、流量、流深、流動(dòng)范圍等四個(gè)指標(biāo)表示。FLO-2D 實(shí)現(xiàn)四個(gè)指標(biāo)解算的原理是：將評(píng)價(jià)區(qū)域劃分為若干方形單元，每個(gè)單元均有各自的高程和粗糙度，連續(xù)方程（式1、2）和流體動(dòng)量方程（式3）可計(jì)算出每個(gè)單元的流深、流量，通過(guò)各單元的流深數(shù)值可以確定泥石流流動(dòng)范圍，流體動(dòng)量方程可以確定相鄰單元之間流體的流速。
式中：g——重力加速度;
Sfy、Sfx——X、Y方向摩擦坡降；
Sox、Soy——X、Y方向床底坡降。
式中：t——流體運(yùn)動(dòng)時(shí)間/s；
h——流深/m；
i——有效雨強(qiáng)/(mm·h-1)；
u——X方向流速/(m·s-1)；
v——Y方向流速/(m·s-1)。
2.1 參數(shù)選取
地形數(shù)據(jù)采用高精度1∶10 000 數(shù)字高程模型，將DEM 轉(zhuǎn)化為同等精度的ASCII 碼，結(jié)合ArcGIS 對(duì)流域邊界、水系、泥石流起動(dòng)點(diǎn)、居民區(qū)進(jìn)行矢量化，將ASCII 碼和矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到FLO-2D 后，把高程模型劃分為20 m×20 m 的網(wǎng)格并進(jìn)行插值計(jì)算，最后圈定計(jì)算區(qū)域，完成數(shù)據(jù)處理。
根據(jù)勘查成果，麻路河泥石流堆積物平均重度為2.53 g/cm3，泥石流性質(zhì)為黏性。據(jù)郭富赟等[11]對(duì)岷縣耳陽(yáng)河泥石流流體重度測(cè)算結(jié)果17.0～17.6 kN/m3，研究區(qū)與耳陽(yáng)河流域相鄰，泥石流堆積物物質(zhì)組成和粒度成分相近，故本文泥石流流體容重取值17.3 kN/m3，求得流體平均泥沙體積濃度為52.29%，由式（4）可求得，泥石流堆積物體積膨脹因子BF為2.10。
黏性泥石流流體體積濃度高（一般大于50%），由于屈服應(yīng)力，會(huì)產(chǎn)生層流作用，層間摩擦作用以層流阻滯系數(shù)表示，根據(jù)WOOLHIS（1975）的方法[12]測(cè)算結(jié)果（表3），研究區(qū)層流阻滯系數(shù)取值范圍為1 000～4 000，且數(shù)值隨地面粗糙度增大而增大，確定研究區(qū)層流阻滯系數(shù)為2 250。
表3 層流阻滯系數(shù)表Table 3 Laminar retardation coefficient
在流變模型中，流體屈服應(yīng)力τ 和黏滯系數(shù)η 與泥沙體積濃度cv具有指數(shù)關(guān)系，即流體濃度越大，其屈服應(yīng)力和黏滯性越強(qiáng)。根據(jù)堆積物的物質(zhì)組成及黏粒含量，將麻路河泥石流進(jìn)一步劃分為中阻黏性泥石流。王裕宜[13]根據(jù)不同阻力的黏性泥石流的泥砂比，獲得統(tǒng)一的流變參數(shù)計(jì)算式：
式中：nc——曼寧系數(shù)；
R——泥沙比（低阻泥石流：R=0.96；
R——中阻泥石流：R =0.75，高阻泥石流： R =0.29）；
h——泥深/m。
楊家溝、葉家溝、張家溝、大灣溝、峽里溝、拉路溝溝道泥深分別為2.4，2.5，2.5，1.0，1.9，1.3 m，由式（5）可求出：上述溝谷的曼寧系數(shù)分別為0.046，0.048，0.048，0，0.033，0.014。主河道曼寧系數(shù)根據(jù)FLO-2D 手冊(cè)設(shè)為0.15。已知R=0.75，聯(lián)立式（7）（8）（10）（11）得：α1=0.000 16、β1=17.41、α2=0.023、β2=18.28。
2.2 建立模型
本研究的研究區(qū)處于甘肅省南端，地形、地質(zhì)、氣象條件均與川西地區(qū)情況接近，岷山周邊的泥石流特征也與隴南、川西地區(qū)特征相似，因此本研究運(yùn)用川西水文模型（《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》）計(jì)算流域內(nèi)6 條支溝的基流量，基于各溝基流量通過(guò)FLO-2D 模擬主河水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，建立水系模型（圖5），并在野外實(shí)際觀測(cè)點(diǎn)位置（圖5中A、B 兩點(diǎn)）提取對(duì)應(yīng)單元流速、流深數(shù)據(jù)（圖6）。
圖5 降雨前流域水系模型Fig.5 River system model before rainfall
由圖6可知，泥石流暴發(fā)3.5 h 左右附近支溝水流首先匯流到A 點(diǎn)，之后由于上游水流匯入主河，導(dǎo)致4-6 h 內(nèi)流速與流深發(fā)生變化，約6.5 h 后流速與流深達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，整個(gè)流域的匯流時(shí)間為6.5 h。結(jié)合A、B 兩點(diǎn)流速與流深，可計(jì)算兩點(diǎn)流量分別為5.41 m3/s和4.00 m3/s，與野外觀測(cè)所得情況基本相符。
圖6 觀測(cè)點(diǎn)流速、流深Fig.6 Flow velocity and depth at observation point
通過(guò)岷縣地區(qū)泥石流歷史發(fā)現(xiàn)，本地群發(fā)性泥石流為單峰型，漲水快退水慢?；卺嚎h當(dāng)?shù)刈畲蠼涤陱?qiáng)度（表4），運(yùn)用推理公式法，得到六條泥石流溝在不同降雨頻率條件下的清水流量過(guò)程曲線，已知泥石流體積膨脹因子BF為2.1，可求出不同降雨頻率條件下泥石流流量過(guò)程曲線（圖7）。由圖7可知，2%降雨頻率條件下麻路溝流域6 條泥石流在0.5～1 h 內(nèi)先后達(dá)到洪峰，在3～4 h 后逐漸衰落，總體歷時(shí)約4 h，麻路河流域 “5·10”泥石流暴發(fā)于10日18 時(shí)左右，18 時(shí)30 分左右達(dá)到洪峰，21 時(shí)先后回落。
表4 不同頻率的降雨參數(shù)（單位：mm）Table 4 Rainfall parameters at different frequencies（unit:mm）
圖7 不同降雨頻率條件下泥石流流量過(guò)程曲線Fig.7 The flow process curve of debris flow under different rainfall frequency
2.3 模擬結(jié)果及驗(yàn)證
首先對(duì)2%降雨頻率條件下（即2012年“5·10”泥石流降雨條件）麻路河流域各泥石流溝和主河進(jìn)行模擬，得出流域中泥石流、洪流的流速及流深情況（圖8）。
圖8 2%降雨頻率條件下泥石流模擬結(jié)果Fig.8 Simulation results of debris flow under the condition of 2% rainfall frequency
為驗(yàn)證模型的可靠性，將2%降雨頻率條件下模擬堆積扇面積、均厚、位置及形狀與野外調(diào)查結(jié)果相對(duì)比：堆積扇面積和均厚驗(yàn)證方法為求取模擬與調(diào)查結(jié)果的誤差比率；堆積扇位置、形狀驗(yàn)證方法為對(duì)模擬和調(diào)查堆積扇范圍進(jìn)行幾何運(yùn)算，求取數(shù)值模擬精度因子Ac（式8），Ac越接近1，表明數(shù)值模擬與實(shí)際情況越吻合。
式中：S0——野外調(diào)查堆積扇與模擬堆積扇重疊面積/m2；
Sa——野外調(diào)查堆積扇面積/m2；
Sn——模擬堆積扇面積/m2。
h——泥深/m。
由對(duì)比結(jié)果可知（表5、6）：除峽里溝和拉路溝外，堆積扇面積的誤差比率為2.15%～18.03%，堆積扇均厚的誤差比率為-28.31%～-11.74%，數(shù)值模擬精度因子Ac為0.71～0.80，模擬結(jié)果較準(zhǔn)確。數(shù)值模擬泥石流堆積扇面積稍大且厚度稍小，主要原因?yàn)槎逊e扇邊緣部分經(jīng)過(guò)人為改造而難以確定，故平均厚度的取值往往趨向于堆積扇中部，且自2012年以來(lái)每年有少量泥沙沖出溝口也導(dǎo)致了堆積扇厚度增大。峽里溝和拉路溝由于地形限制形成共同的泥石流堆積扇，且堆積扇人為改造作用強(qiáng)烈，幾乎除河道外皆建有房屋，溝道人為擾動(dòng)強(qiáng)烈，可識(shí)別堆積扇范圍小，導(dǎo)致堆積扇范圍及均厚誤差比率高達(dá)35.75%和-67.91%，數(shù)值模擬精度因子僅為0.63。
表5 模擬-調(diào)查誤差率表Table 5 Simulation & survey comparison table
表6 數(shù)值模擬精度表Table 6 Numerical simulation accuracy table
總體上看，在天然水系上疊加降雨更加符合實(shí)際情況，考慮了主河洪水與沖出泥石流的相互作用，且為整個(gè)流域提供了洪水、泥石流的運(yùn)動(dòng)情況，經(jīng)驗(yàn)證天然工況下水系模型及降雨工況下泥石流模型模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)符合性較好，模型及參數(shù)較為可靠。
3 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與討論
由于2%降雨條件下模擬結(jié)果較好，故運(yùn)用同樣方法及參數(shù)對(duì)5%和1%降雨頻率條件下泥石流進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)三種情況進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。
泥石流的破壞形式主要為淤埋、沖擊和摩擦三種方式[14-17]。泥石流影響強(qiáng)度則和泥石流深度、流速、堆積有關(guān)。本研究運(yùn)用基于泥石流影響強(qiáng)度的危險(xiǎn)性分區(qū)方法（表7）進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)（圖9）。
表7 泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)指標(biāo)Table 7 Risk classification of debris flow
圖9 1%、2%、5%降雨頻率下危險(xiǎn)性分區(qū)圖Fig.9 Hazard zoning map in 1%、2%、5% rainfall frequency
由危險(xiǎn)性分區(qū)統(tǒng)計(jì)表（表8）得知，在不同降雨頻率條件下危險(xiǎn)性最高的泥石流溝為峽里溝和拉路溝，其共同堆積扇高危險(xiǎn)區(qū)面積比例超過(guò)60%，大灣溝和楊家溝堆積扇高危險(xiǎn)區(qū)面積和比例較小，危險(xiǎn)性最低。
表8 1%、2%、5%降雨頻率條件下泥石流堆積區(qū)危險(xiǎn)性分區(qū)統(tǒng)計(jì)表Table 8 Statistical table of hazard zoning of debris flow accumulation area in 1%、2%、5% rainfall frequency
對(duì)1%降雨頻率條件下危險(xiǎn)性分區(qū)圖進(jìn)一步分析，圈定出6 處受高度威脅的居民區(qū)見(jiàn)圖9（a），分別位于葉家溝、峽里溝、拉路溝泥石流堆積區(qū)，張家溝泥石流流通區(qū)和麻路河中下游河曲附近，危險(xiǎn)區(qū)分布細(xì)節(jié)示于圖10，已識(shí)別出百年一遇降雨條件下泥石流危險(xiǎn)區(qū)范圍內(nèi)的具體房屋（圖10）。圖10 中Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ三個(gè)區(qū)域，泥石流破壞形式主要為沖擊和淤埋，距離泥石流溝口和溝道近的房屋建筑首先受到強(qiáng)力沖擊，距離遠(yuǎn)的房屋建筑受到不同程度淤埋；圖10 中Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ三個(gè)區(qū)域，房屋建筑建于河曲一側(cè)，暴漲的洪水沖刷攜帶泥石流堆積物，在河曲處由于離心力的作用沖出河道，沖擊、淤埋沿岸居民建筑。在GIS 中測(cè)量，圖10 中6 處高危險(xiǎn)區(qū)受泥石流嚴(yán)重威脅的房屋面積共約為49 753.13 m2。
圖10 百年一遇降雨情況下高危險(xiǎn)區(qū)域細(xì)節(jié)圖Fig.10 The details of high risk area details (P=1%)
4 結(jié)論
本文基于岷縣當(dāng)?shù)亟涤陻?shù)據(jù)和川西水文模型，通過(guò)FLO-2D 建立麻路河流域水系模型和6 條群發(fā)性泥石流模型，考慮主河洪水對(duì)泥石流堆積物的沖刷攜帶作用，模擬2%降雨頻率條件下流域中泥石流的運(yùn)動(dòng)和堆積特征，以泥石流模擬結(jié)果與實(shí)際“5·10”泥石流調(diào)查結(jié)果相對(duì)比，證明了泥石流堆積扇模擬范圍、厚度、形狀、位置的準(zhǔn)確性，故進(jìn)一步以相同模型對(duì)1%和5%降雨頻率條件下泥石流進(jìn)行模擬并進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)，確定麻路河流域高危險(xiǎn)泥石流溝，選取百年一遇的強(qiáng)降雨的情況（P=1%），進(jìn)一步在遙感圖上圈定高危險(xiǎn)居民區(qū)并分析各自潛在受災(zāi)類型，為泥石流災(zāi)害綜合防治提供依據(jù)。
（1）1%、2%、5%降雨頻率條件下流域內(nèi)堆積扇危險(xiǎn)區(qū)總面積分別為0.126，0.115，0.109 km2，即降雨頻率越小，堆積扇危險(xiǎn)區(qū)總面積越大，但相差數(shù)值較小，故流域內(nèi)構(gòu)造-侵蝕微地貌對(duì)泥石流堆積扇范圍具有控制作用。
（2）根據(jù)1%、2%、5%降雨頻率條件下泥石流模擬結(jié)果進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)并對(duì)堆積扇危險(xiǎn)面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出在不同降雨頻率條件下危險(xiǎn)性最高的泥石流溝為峽里溝和拉路溝，所以應(yīng)將峽里溝和拉路溝作為泥石流防治工作的重點(diǎn)。
（3）通過(guò)重點(diǎn)受災(zāi)分析及主河流速圖，麻路河河曲處洪水流速明顯加大，且多為受災(zāi)部位，應(yīng)將河曲部位作為泥石流、洪流重點(diǎn)防治區(qū)域。
（4）針對(duì)全流域的群發(fā)性泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，考慮主河洪水作用的方法是可行可靠的。
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中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)2021年2期
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曹 鵬，侯圣山，陳 亮，馮 振，王立朝，李 昂，劉軍友
（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院(自然資源部地質(zhì)災(zāi)害技術(shù)指導(dǎo)中心)，北京 100081）
0 引言
泥石流為固、液、氣三相混合流，一般在山區(qū)溝谷或坡面，由強(qiáng)降雨、洪水等自然或人為因素引發(fā)，具有歷時(shí)短，速度快、沖擊大、破壞強(qiáng)的特點(diǎn)[1]。2000——2020年，岷縣由于泥石流災(zāi)害造成的死亡人數(shù)共93 人。2012年5月10日，岷縣大范圍遭受強(qiáng)降雨夾冰雹，局部遭受百年一遇強(qiáng)降雨，引發(fā)大量泥石流災(zāi)害，造成18 人死亡[2]。
據(jù)2012年11月“岷縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查”成果，麻路溝流域2012年5月10日遭受五十年一遇降雨，引發(fā)群發(fā)性泥石流，主河泥位1.2 m，災(zāi)情較嚴(yán)重，損失牲畜33 頭，毀壞房屋5 間，農(nóng)田4.13×104m2，道路3 km，直接損失約37 萬(wàn)元，無(wú)人員傷亡[3]。經(jīng)野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，麻路河流域“5·10”泥石流堆積區(qū)特征明顯，“5·10”后又暴發(fā)過(guò)多次泥石流和洪水災(zāi)害。麻路溝是迭蔵河的支流，位于岷縣縣城上游3 km，麻路河流域暴發(fā)泥石流，不但對(duì)溝內(nèi)居民和財(cái)產(chǎn)造成威脅，還會(huì)威脅到沿迭蔵河分布的岷縣縣城區(qū)。因此，迫切需要針對(duì)麻路溝流域開(kāi)展危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，識(shí)別高危險(xiǎn)性泥石流溝，劃定泥石流中高危險(xiǎn)區(qū)域，為制定準(zhǔn)確有效的泥石流防治措施提供依據(jù)。
基于數(shù)值模擬的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法可以具體刻畫(huà)泥石流的運(yùn)動(dòng)特征，每個(gè)泥石流流域單元危險(xiǎn)度是非唯一的，從而可以區(qū)分流域內(nèi)不同區(qū)域的危險(xiǎn)等級(jí)，如胡凱衡等[4]以流體力學(xué)模型為基礎(chǔ)，用數(shù)值模擬的方法較精確地描述了泥石流流體運(yùn)動(dòng)和物理機(jī)制，段學(xué)良等[5]運(yùn)用Massflow 對(duì)的西藏仁布杰仲溝泥石流運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分析，侯圣山等[6]運(yùn)用FLO-2D 對(duì)甘肅岷縣耳陽(yáng)河流域內(nèi)6 條泥石流溝進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，楊濤等[7]運(yùn)用FLO-2D 對(duì)岷江小流域內(nèi)6 條泥石流溝進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，顏恒明[8]對(duì)都江堰市虹口鄉(xiāng)紅色村干溝進(jìn)行了數(shù)值模擬。但是，如上文所例的入?yún)R河流的單溝泥石流或群發(fā)泥石流，并未考慮強(qiáng)降雨過(guò)程中河流對(duì)泥石流堆積物的沖刷攜帶作用，故而對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)泥石流堆積扇范圍、淤積厚度具有不利影響。
本文選取岷縣麻路河流域中6 條泥石流溝和麻路河作為研究對(duì)象，首先建立主河水流模型，并基于當(dāng)?shù)仄骄陱?qiáng)和差異系數(shù)，運(yùn)用川西地區(qū)水文模型建立1%、2%、5%降雨頻率條件下泥石流流量過(guò)程曲線和流域上游支溝的清水流量過(guò)程曲線（2012年麻路河“5·10”泥石流降雨頻率為2%），在主河水流模型的基礎(chǔ)上對(duì)全流域施加不同頻率降雨進(jìn)行泥石流模擬，即可考慮主河對(duì)泥石流堆積物的沖刷攜帶作用，將2%降雨頻率條件下各泥石流堆積扇均深和范圍與野外調(diào)查結(jié)果對(duì)比，即可驗(yàn)證模型可靠性。根據(jù)模擬結(jié)果得出全流域（6 條泥石流溝，2 條清水支溝，1 條主河）危險(xiǎn)性分區(qū)圖，針對(duì)楊家溝、葉家溝、張家溝、大灣溝、峽里溝、拉路溝等6 條泥石流溝進(jìn)行了單獨(dú)的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，并圈定流域內(nèi)受中高危險(xiǎn)威脅的居民區(qū)，為災(zāi)害的精確防治和預(yù)警提供依據(jù)。
1 研究區(qū)概況
岷縣地處甘肅南部，為隴南山地與黃土高原接壤帶，屬西秦嶺北支中段，洮河流經(jīng)縣內(nèi)西北部，境內(nèi)泥石流災(zāi)害活動(dòng)非?；钴S[3]。
研究區(qū)麻路河流域位于岷縣西南部，流域東南邊界為黃河-長(zhǎng)江流域分水嶺，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，形成典型的中山構(gòu)造-侵蝕地貌。麻路河流域面積約33.29 km3，主河長(zhǎng)6.5 km，平均坡降120‰，流域平均寬度4.2 km，最高海拔3 180 m，位于東山，最低海拔2 400 m，位于麻路河匯入迭藏河溝口。
根據(jù)野外調(diào)查及勘查結(jié)果，流域內(nèi)地層主要為新近系青灰色礫巖砂巖及磚紅色粉砂質(zhì)泥巖，三疊系板巖頁(yè)巖，由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，巖體結(jié)構(gòu)面及風(fēng)化裂隙十分發(fā)育，巖體呈現(xiàn)為碎散狀，穩(wěn)定性極差，流域內(nèi)第四系沉積物主要為馬蘭黃土、殘坡積物、滑坡堆積物、泥石流堆積物等。
麻路河流域位于溫帶半濕潤(rùn)-高寒濕潤(rùn)氣候過(guò)渡帶，年均相對(duì)濕度為 65%，年均降水量在500～600 mm之間，降水時(shí)間分布不均，春夏季降水占年降水的 60%以上。由于地形和海拔影響，降雨量總體趨勢(shì)為由高山區(qū)向河谷區(qū)遞減，降雨歷時(shí)一般在6～12 h，降雨籠罩面積越小，其降雨強(qiáng)度越大。
麻路河屬黃河水系，為洮河的二級(jí)支流，麻路河由東向西從白土坡匯入迭藏河后，向北流6.12 km 后匯入洮河。岷縣縣城沿洮河和迭蔵河展布，麻路河匯入迭蔵河的位置為岷縣火車站所在地，下游3 km 即為岷縣縣城區(qū)（圖1）。
圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location map of study area
麻路河流域范圍內(nèi)共有8 條支溝，其中6 條為泥石流溝，均分布在主河?xùn)|岸，其余2 條清水支溝位于流域源頭（圖2）。6 條泥石流溝均處于活躍期，中上游溝谷截面呈“V”形，下游溝谷截面呈“U”形，泥石流溝縱比降在169‰～366‰。麻路河流域地形平均坡度在20°～30°（圖3），溝谷水源匯流區(qū)坡度較大，在30°～40°，據(jù)前人研究，最易發(fā)生泥石流的地形坡度在25°～45°[9]。麻路河流域地形見(jiàn)圖2，圖中溝谷編號(hào)1～8 分別代表?xiàng)罴覝?、葉家溝、張家溝、大灣溝、峽里溝、拉路溝、清水支溝1 和清水支溝2。麻路河泥石流溝具體特征參數(shù)示于表1。
圖3 地形坡度分級(jí)圖Fig.3 Topographic gradient classification map
表1 泥石流溝特征參數(shù)表Table 1 Characteristic parameters of debris flow gullies
麻路河流域泥石流固體物質(zhì)來(lái)源主要有四種類型：坡面物源（耕地）、崩塌滑坡物源、溝道物源以及人工棄渣物源。每年5——6月是岷縣春耕時(shí)節(jié)，坡面土地耕后松軟，在強(qiáng)降雨條件下，大量松散物質(zhì)易隨坡面徑流匯入溝谷，這是本區(qū)域泥石流固體物質(zhì)的最重要來(lái)源，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，流域內(nèi)耕地面積占總流域面積的58.5%，約19.47 km2，麻路河南岸耕地開(kāi)墾于河流沖洪積物和崩坡積次生黃土，平均厚度為1.8 m，北岸耕地開(kāi)墾于崩坡積次生黃土，部分開(kāi)墾于紫紅色泥巖和板巖全風(fēng)化碎屑堆積物，平均厚度為1.3 m；易于被徑流沖走的松散物質(zhì)主要是耕后土壤，研究區(qū)耕作深度約22 cm，據(jù)此測(cè)算麻路河流域泥石流溝坡面耕地可提供的松散物質(zhì)共146.94×104m3。6 條泥石流溝岸兩側(cè)塌岸非常發(fā)育，尤其各支溝上游連續(xù)塌岸現(xiàn)象非常普遍，溝內(nèi)滑坡大多發(fā)育于古老的泥石流堆積體及殘坡積體上，經(jīng)野外調(diào)查，麻路河流域塌岸、崩塌、滑坡共56 處，總體積為23.96×104m3（圖2，圖4）。溝道物源主要來(lái)源于近期泥石流淤積、河流再搬運(yùn)及流水對(duì)溝谷兩側(cè)古老泥石流堆積物的侵蝕，各溝溝底淤積深度為0.8～1.6 m，溝道松散物質(zhì)總量為17.34×104m3。楊家溝流通區(qū)有燒磚廠，棄渣堆積于溝內(nèi)，堆積面積約488 m2，體積約0.19×104m3，峽里溝上游左岸有一處采石場(chǎng)，占地面積8 500 m2，堆積碎石屑及碎石塊約1.72×104m3，在強(qiáng)降雨條件下，碎石屑及部分石塊可被坡面徑流搬運(yùn)至溝內(nèi)。各泥石流溝松散物質(zhì)儲(chǔ)量見(jiàn)表2。
圖2 麻路河流域平面示意圖Fig.2 Sketch map of Malu River basin
圖4 泥石流溝松散物質(zhì)Fig.4 Loose material in debris flow gullies
表2 麻路河流域泥石流溝松散物質(zhì)量（單位：104 m3）Table 2 Volume of loose material in debris flow gullies of Malu River basin (unit: 104 m3)
水是泥石流形成不可缺少的重要條件。麻路河流域“5·10”降雨由17 點(diǎn)到20 點(diǎn)，持續(xù)約4 h，總降雨量為43.8 mm，達(dá)到50年一遇的強(qiáng)度，其中18 點(diǎn)到19 點(diǎn)一小時(shí)降雨量為21.8 mm，而據(jù)前人研究，岷縣可能發(fā)生泥石流的24 h 的界限雨量H24(H)=30 mm，1 h 的界限雨量H1(H)=15 mm[3]，麻路河流域“5·10”降雨遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)界限雨量。除大灣溝外，其他5 條泥石流溝內(nèi)都有季節(jié)性水流，流量在6——8月份達(dá)到最大值，約0.3～0.9 m3/s。
2 FLO-2D 模擬
O’BRIEN[10]提出并驗(yàn)證了FLO-2D 數(shù)值模型，F(xiàn)LO-2D 可以用于二維流體模擬，預(yù)測(cè)流體運(yùn)動(dòng)特征，在實(shí)際應(yīng)用中，可以應(yīng)用到洪水、泥石流的模擬、潰壩分析以及城市淹沒(méi)等方面。
泥石流流體運(yùn)動(dòng)特征和堆積特征主要由流體流動(dòng)速度、流量、流深、流動(dòng)范圍等四個(gè)指標(biāo)表示。FLO-2D 實(shí)現(xiàn)四個(gè)指標(biāo)解算的原理是：將評(píng)價(jià)區(qū)域劃分為若干方形單元，每個(gè)單元均有各自的高程和粗糙度，連續(xù)方程（式1、2）和流體動(dòng)量方程（式3）可計(jì)算出每個(gè)單元的流深、流量，通過(guò)各單元的流深數(shù)值可以確定泥石流流動(dòng)范圍，流體動(dòng)量方程可以確定相鄰單元之間流體的流速。
式中：g——重力加速度;
Sfy、Sfx——X、Y方向摩擦坡降；
Sox、Soy——X、Y方向床底坡降。
式中：t——流體運(yùn)動(dòng)時(shí)間/s；
h——流深/m；
i——有效雨強(qiáng)/(mm·h-1)；
u——X方向流速/(m·s-1)；
v——Y方向流速/(m·s-1)。
2.1 參數(shù)選取
地形數(shù)據(jù)采用高精度1∶10 000 數(shù)字高程模型，將DEM 轉(zhuǎn)化為同等精度的ASCII 碼，結(jié)合ArcGIS 對(duì)流域邊界、水系、泥石流起動(dòng)點(diǎn)、居民區(qū)進(jìn)行矢量化，將ASCII 碼和矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入到FLO-2D 后，把高程模型劃分為20 m×20 m 的網(wǎng)格并進(jìn)行插值計(jì)算，最后圈定計(jì)算區(qū)域，完成數(shù)據(jù)處理。
根據(jù)勘查成果，麻路河泥石流堆積物平均重度為2.53 g/cm3，泥石流性質(zhì)為黏性。據(jù)郭富赟等[11]對(duì)岷縣耳陽(yáng)河泥石流流體重度測(cè)算結(jié)果17.0～17.6 kN/m3，研究區(qū)與耳陽(yáng)河流域相鄰，泥石流堆積物物質(zhì)組成和粒度成分相近，故本文泥石流流體容重取值17.3 kN/m3，求得流體平均泥沙體積濃度為52.29%，由式（4）可求得，泥石流堆積物體積膨脹因子BF為2.10。
黏性泥石流流體體積濃度高（一般大于50%），由于屈服應(yīng)力，會(huì)產(chǎn)生層流作用，層間摩擦作用以層流阻滯系數(shù)表示，根據(jù)WOOLHIS（1975）的方法[12]測(cè)算結(jié)果（表3），研究區(qū)層流阻滯系數(shù)取值范圍為1 000～4 000，且數(shù)值隨地面粗糙度增大而增大，確定研究區(qū)層流阻滯系數(shù)為2 250。
表3 層流阻滯系數(shù)表Table 3 Laminar retardation coefficient
在流變模型中，流體屈服應(yīng)力τ 和黏滯系數(shù)η 與泥沙體積濃度cv具有指數(shù)關(guān)系，即流體濃度越大，其屈服應(yīng)力和黏滯性越強(qiáng)。根據(jù)堆積物的物質(zhì)組成及黏粒含量，將麻路河泥石流進(jìn)一步劃分為中阻黏性泥石流。王裕宜[13]根據(jù)不同阻力的黏性泥石流的泥砂比，獲得統(tǒng)一的流變參數(shù)計(jì)算式：
式中：nc——曼寧系數(shù)；
R——泥沙比（低阻泥石流：R=0.96；
R——中阻泥石流：R =0.75，高阻泥石流： R =0.29）；
h——泥深/m。
楊家溝、葉家溝、張家溝、大灣溝、峽里溝、拉路溝溝道泥深分別為2.4，2.5，2.5，1.0，1.9，1.3 m，由式（5）可求出：上述溝谷的曼寧系數(shù)分別為0.046，0.048，0.048，0，0.033，0.014。主河道曼寧系數(shù)根據(jù)FLO-2D 手冊(cè)設(shè)為0.15。已知R=0.75，聯(lián)立式（7）（8）（10）（11）得：α1=0.000 16、β1=17.41、α2=0.023、β2=18.28。
2.2 建立模型
本研究的研究區(qū)處于甘肅省南端，地形、地質(zhì)、氣象條件均與川西地區(qū)情況接近，岷山周邊的泥石流特征也與隴南、川西地區(qū)特征相似，因此本研究運(yùn)用川西水文模型（《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》）計(jì)算流域內(nèi)6 條支溝的基流量，基于各溝基流量通過(guò)FLO-2D 模擬主河水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，建立水系模型（圖5），并在野外實(shí)際觀測(cè)點(diǎn)位置（圖5中A、B 兩點(diǎn)）提取對(duì)應(yīng)單元流速、流深數(shù)據(jù)（圖6）。
圖5 降雨前流域水系模型Fig.5 River system model before rainfall
由圖6可知，泥石流暴發(fā)3.5 h 左右附近支溝水流首先匯流到A 點(diǎn)，之后由于上游水流匯入主河，導(dǎo)致4-6 h 內(nèi)流速與流深發(fā)生變化，約6.5 h 后流速與流深達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，整個(gè)流域的匯流時(shí)間為6.5 h。結(jié)合A、B 兩點(diǎn)流速與流深，可計(jì)算兩點(diǎn)流量分別為5.41 m3/s和4.00 m3/s，與野外觀測(cè)所得情況基本相符。
圖6 觀測(cè)點(diǎn)流速、流深Fig.6 Flow velocity and depth at observation point
通過(guò)岷縣地區(qū)泥石流歷史發(fā)現(xiàn)，本地群發(fā)性泥石流為單峰型，漲水快退水慢?；卺嚎h當(dāng)?shù)刈畲蠼涤陱?qiáng)度（表4），運(yùn)用推理公式法，得到六條泥石流溝在不同降雨頻率條件下的清水流量過(guò)程曲線，已知泥石流體積膨脹因子BF為2.1，可求出不同降雨頻率條件下泥石流流量過(guò)程曲線（圖7）。由圖7可知，2%降雨頻率條件下麻路溝流域6 條泥石流在0.5～1 h 內(nèi)先后達(dá)到洪峰，在3～4 h 后逐漸衰落，總體歷時(shí)約4 h，麻路河流域 “5·10”泥石流暴發(fā)于10日18 時(shí)左右，18 時(shí)30 分左右達(dá)到洪峰，21 時(shí)先后回落。
表4 不同頻率的降雨參數(shù)（單位：mm）Table 4 Rainfall parameters at different frequencies（unit:mm）
圖7 不同降雨頻率條件下泥石流流量過(guò)程曲線Fig.7 The flow process curve of debris flow under different rainfall frequency
2.3 模擬結(jié)果及驗(yàn)證
首先對(duì)2%降雨頻率條件下（即2012年“5·10”泥石流降雨條件）麻路河流域各泥石流溝和主河進(jìn)行模擬，得出流域中泥石流、洪流的流速及流深情況（圖8）。
圖8 2%降雨頻率條件下泥石流模擬結(jié)果Fig.8 Simulation results of debris flow under the condition of 2% rainfall frequency
為驗(yàn)證模型的可靠性，將2%降雨頻率條件下模擬堆積扇面積、均厚、位置及形狀與野外調(diào)查結(jié)果相對(duì)比：堆積扇面積和均厚驗(yàn)證方法為求取模擬與調(diào)查結(jié)果的誤差比率；堆積扇位置、形狀驗(yàn)證方法為對(duì)模擬和調(diào)查堆積扇范圍進(jìn)行幾何運(yùn)算，求取數(shù)值模擬精度因子Ac（式8），Ac越接近1，表明數(shù)值模擬與實(shí)際情況越吻合。
式中：S0——野外調(diào)查堆積扇與模擬堆積扇重疊面積/m2；
Sa——野外調(diào)查堆積扇面積/m2；
Sn——模擬堆積扇面積/m2。
h——泥深/m。
由對(duì)比結(jié)果可知（表5、6）：除峽里溝和拉路溝外，堆積扇面積的誤差比率為2.15%～18.03%，堆積扇均厚的誤差比率為-28.31%～-11.74%，數(shù)值模擬精度因子Ac為0.71～0.80，模擬結(jié)果較準(zhǔn)確。數(shù)值模擬泥石流堆積扇面積稍大且厚度稍小，主要原因?yàn)槎逊e扇邊緣部分經(jīng)過(guò)人為改造而難以確定，故平均厚度的取值往往趨向于堆積扇中部，且自2012年以來(lái)每年有少量泥沙沖出溝口也導(dǎo)致了堆積扇厚度增大。峽里溝和拉路溝由于地形限制形成共同的泥石流堆積扇，且堆積扇人為改造作用強(qiáng)烈，幾乎除河道外皆建有房屋，溝道人為擾動(dòng)強(qiáng)烈，可識(shí)別堆積扇范圍小，導(dǎo)致堆積扇范圍及均厚誤差比率高達(dá)35.75%和-67.91%，數(shù)值模擬精度因子僅為0.63。
表5 模擬-調(diào)查誤差率表Table 5 Simulation & survey comparison table
表6 數(shù)值模擬精度表Table 6 Numerical simulation accuracy table
總體上看，在天然水系上疊加降雨更加符合實(shí)際情況，考慮了主河洪水與沖出泥石流的相互作用，且為整個(gè)流域提供了洪水、泥石流的運(yùn)動(dòng)情況，經(jīng)驗(yàn)證天然工況下水系模型及降雨工況下泥石流模型模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)符合性較好，模型及參數(shù)較為可靠。
3 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與討論
由于2%降雨條件下模擬結(jié)果較好，故運(yùn)用同樣方法及參數(shù)對(duì)5%和1%降雨頻率條件下泥石流進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)三種情況進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。
泥石流的破壞形式主要為淤埋、沖擊和摩擦三種方式[14-17]。泥石流影響強(qiáng)度則和泥石流深度、流速、堆積有關(guān)。本研究運(yùn)用基于泥石流影響強(qiáng)度的危險(xiǎn)性分區(qū)方法（表7）進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)（圖9）。
表7 泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)指標(biāo)Table 7 Risk classification of debris flow
圖9 1%、2%、5%降雨頻率下危險(xiǎn)性分區(qū)圖Fig.9 Hazard zoning map in 1%、2%、5% rainfall frequency
由危險(xiǎn)性分區(qū)統(tǒng)計(jì)表（表8）得知，在不同降雨頻率條件下危險(xiǎn)性最高的泥石流溝為峽里溝和拉路溝，其共同堆積扇高危險(xiǎn)區(qū)面積比例超過(guò)60%，大灣溝和楊家溝堆積扇高危險(xiǎn)區(qū)面積和比例較小，危險(xiǎn)性最低。
表8 1%、2%、5%降雨頻率條件下泥石流堆積區(qū)危險(xiǎn)性分區(qū)統(tǒng)計(jì)表Table 8 Statistical table of hazard zoning of debris flow accumulation area in 1%、2%、5% rainfall frequency
對(duì)1%降雨頻率條件下危險(xiǎn)性分區(qū)圖進(jìn)一步分析，圈定出6 處受高度威脅的居民區(qū)見(jiàn)圖9（a），分別位于葉家溝、峽里溝、拉路溝泥石流堆積區(qū)，張家溝泥石流流通區(qū)和麻路河中下游河曲附近，危險(xiǎn)區(qū)分布細(xì)節(jié)示于圖10，已識(shí)別出百年一遇降雨條件下泥石流危險(xiǎn)區(qū)范圍內(nèi)的具體房屋（圖10）。圖10 中Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ三個(gè)區(qū)域，泥石流破壞形式主要為沖擊和淤埋，距離泥石流溝口和溝道近的房屋建筑首先受到強(qiáng)力沖擊，距離遠(yuǎn)的房屋建筑受到不同程度淤埋；圖10 中Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ三個(gè)區(qū)域，房屋建筑建于河曲一側(cè)，暴漲的洪水沖刷攜帶泥石流堆積物，在河曲處由于離心力的作用沖出河道，沖擊、淤埋沿岸居民建筑。在GIS 中測(cè)量，圖10 中6 處高危險(xiǎn)區(qū)受泥石流嚴(yán)重威脅的房屋面積共約為49 753.13 m2。
圖10 百年一遇降雨情況下高危險(xiǎn)區(qū)域細(xì)節(jié)圖Fig.10 The details of high risk area details (P=1%)
4 結(jié)論
本文基于岷縣當(dāng)?shù)亟涤陻?shù)據(jù)和川西水文模型，通過(guò)FLO-2D 建立麻路河流域水系模型和6 條群發(fā)性泥石流模型，考慮主河洪水對(duì)泥石流堆積物的沖刷攜帶作用，模擬2%降雨頻率條件下流域中泥石流的運(yùn)動(dòng)和堆積特征，以泥石流模擬結(jié)果與實(shí)際“5·10”泥石流調(diào)查結(jié)果相對(duì)比，證明了泥石流堆積扇模擬范圍、厚度、形狀、位置的準(zhǔn)確性，故進(jìn)一步以相同模型對(duì)1%和5%降雨頻率條件下泥石流進(jìn)行模擬并進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)，確定麻路河流域高危險(xiǎn)泥石流溝，選取百年一遇的強(qiáng)降雨的情況（P=1%），進(jìn)一步在遙感圖上圈定高危險(xiǎn)居民區(qū)并分析各自潛在受災(zāi)類型，為泥石流災(zāi)害綜合防治提供依據(jù)。
（1）1%、2%、5%降雨頻率條件下流域內(nèi)堆積扇危險(xiǎn)區(qū)總面積分別為0.126，0.115，0.109 km2，即降雨頻率越小，堆積扇危險(xiǎn)區(qū)總面積越大，但相差數(shù)值較小，故流域內(nèi)構(gòu)造-侵蝕微地貌對(duì)泥石流堆積扇范圍具有控制作用。
（2）根據(jù)1%、2%、5%降雨頻率條件下泥石流模擬結(jié)果進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)并對(duì)堆積扇危險(xiǎn)面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出在不同降雨頻率條件下危險(xiǎn)性最高的泥石流溝為峽里溝和拉路溝，所以應(yīng)將峽里溝和拉路溝作為泥石流防治工作的重點(diǎn)。
（3）通過(guò)重點(diǎn)受災(zāi)分析及主河流速圖，麻路河河曲處洪水流速明顯加大，且多為受災(zāi)部位，應(yīng)將河曲部位作為泥石流、洪流重點(diǎn)防治區(qū)域。
（4）針對(duì)全流域的群發(fā)性泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，考慮主河洪水作用的方法是可行可靠的。
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