謝奎林, 陳興長(zhǎng), 陳慧, 唐勤, 馮鑫

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院天府新區(qū)創(chuàng)新研究院, 綿陽(yáng) 621010)

泥石流是一種含有大量泥沙、石塊的特殊洪流,具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大、流速快、歷時(shí)短等特點(diǎn),常常造成大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,是影響中國(guó)山區(qū)建設(shè)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一[1-2]。2010年8月13日四川省綿竹市清平鄉(xiāng)走馬嶺溝暴發(fā)特大泥石流,造成379戶(hù)農(nóng)房被毀,致使綿遠(yuǎn)河改道并淹沒(méi)清平老場(chǎng)鎮(zhèn),直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3 000萬(wàn)元[3];同年8月14日,強(qiáng)降雨誘發(fā)汶川縣映秀鎮(zhèn)紅椿溝暴發(fā)泥石流,堵斷岷江主河,導(dǎo)致河水改道沖入映秀鎮(zhèn)新城,造成13人死亡、59人失蹤,數(shù)千人被迫避險(xiǎn)轉(zhuǎn)移[4];2016年5月8日,福建泰寧縣金溪左岸的蘆庵坑溝暴發(fā)特大規(guī)模的泥石流災(zāi)害,導(dǎo)致36人死亡或失蹤[5]。2020年6月17日,四川省甘孜州丹巴縣梅龍溝暴發(fā)大規(guī)模泥石流,阻斷小金川河形成堰塞湖,造成嚴(yán)重的次生災(zāi)害鏈[6]。泥石流災(zāi)害引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注,泥石流災(zāi)害的研究和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)一直是災(zāi)害研究領(lǐng)域的重點(diǎn)。

泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分為區(qū)域評(píng)價(jià)和單溝危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。區(qū)域評(píng)價(jià)主要是查明區(qū)域內(nèi)泥石流的危險(xiǎn)性,篩選重點(diǎn)研究的泥石流溝。單溝評(píng)價(jià)應(yīng)以泥石流危害為主要評(píng)價(jià)內(nèi)容。目前,這兩種尺度的評(píng)價(jià)方法很多是類(lèi)似的,如模糊綜合評(píng)價(jià)法、多元回歸分析法、信息量法以及灰色關(guān)聯(lián)分析法等[7-10]。這些評(píng)價(jià)方法雖然各不相同,但其原理基本一致,從泥石流形成條件出發(fā)(如泥石流成因,孕災(zāi)環(huán)境以及導(dǎo)致其暴發(fā)的誘發(fā)因子等)進(jìn)行評(píng)價(jià)[11],但這更像是泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)(泥石流發(fā)生的可能性)。泥石流的危險(xiǎn)性來(lái)自其危害,應(yīng)是泥石流發(fā)生的結(jié)果,而不是原因。因此,泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)應(yīng)是特定降雨頻率下泥石流危害范圍和大小[12]。

此外,這些方法得到的評(píng)價(jià)結(jié)果過(guò)于籠統(tǒng)和概化,往往一條泥石流溝得到一個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)。如果泥石流的危險(xiǎn)性來(lái)自其危害,那么在一個(gè)流域內(nèi)的不同部位,其危險(xiǎn)性等級(jí)應(yīng)該是不一樣的。從泥石流形成條件出發(fā)的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法無(wú)法對(duì)不同部位進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)。泥石流堆積區(qū)往往是山區(qū)人民生活和生產(chǎn)的重要場(chǎng)所之一[13],精細(xì)化的危險(xiǎn)性分區(qū),對(duì)泥石流灘地的合理開(kāi)發(fā)和利用,以及泥石流防災(zāi)減災(zāi)都具有重要意義。

隨著泥石流動(dòng)力學(xué)研究和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,泥石流動(dòng)力過(guò)程的數(shù)值模擬得到了快速發(fā)展,為精細(xì)化的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供了一種全新的手段。韓玫等[14]利用CFX軟件模擬再現(xiàn)了桃關(guān)溝泥石流泛濫過(guò)程,得到了泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)和相應(yīng)的危險(xiǎn)區(qū)范圍;劉福臻等[15]使用FLO-2D模擬了江達(dá)縣典型公路泥石流,合理地預(yù)測(cè)了公路泥石流的影響區(qū)域和危害程度。

盡管目前已經(jīng)有很多學(xué)者使用數(shù)值模擬的方法對(duì)泥石流進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià),但評(píng)價(jià)指標(biāo)和分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,有的以泥深或流速作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū),也有的以動(dòng)量、動(dòng)能為依據(jù)進(jìn)行危險(xiǎn)性劃分[16-17]。

基于此,現(xiàn)提出基于泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)(流速、泥深、沖擊力等)的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法。通過(guò)對(duì)泥石流危險(xiǎn)區(qū)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算和評(píng)價(jià),結(jié)合動(dòng)力學(xué)分區(qū)指標(biāo),實(shí)現(xiàn)單溝泥石流危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)分區(qū)。利用該方法對(duì)2010年甘肅舟曲“8·7”特大泥石流進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和分區(qū),以驗(yàn)證方法的可行性和實(shí)用性,為泥石流防災(zāi)減災(zāi)和災(zāi)害精細(xì)化管理提供支撐。

1 泥石流危害方式

1.1 沖擊危害

泥石流的危害方式主要表現(xiàn)為沖擊和淤埋,以沖擊破壞最為劇烈,往往給流通路徑上的建筑物造成毀滅性破壞。如,1981年成昆鐵路利子依達(dá)溝暴發(fā)特大泥石流,強(qiáng)大的沖擊力將直徑4 m 多的圓柱形橋墩攔腰截?cái)?當(dāng)時(shí)正在行駛的客車(chē)跌入泥石流溝中,數(shù)百人死亡[18]。沖擊危害與泥石流的沖擊力有關(guān),沖擊力越大,沖擊破壞就越嚴(yán)重。泥石流的沖擊力由漿體產(chǎn)生的整體動(dòng)壓力和大石塊撞擊力構(gòu)成,其中大石塊的瞬時(shí)沖擊會(huì)對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞,可能導(dǎo)致建筑物整體垮塌。這兩種沖擊力在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往相互疊加,其破壞能力巨大。

為了計(jì)算泥石流沖擊力,學(xué)者們建立了多種計(jì)算模型。其中,漿體沖擊力計(jì)算模型主要有動(dòng)力學(xué)模型[19-20]、靜力學(xué)模型[19,21]、動(dòng)量-沖量模型等[22];大石塊沖擊力計(jì)算方法則主要包括梁式計(jì)算法[23]和Hertz彈性碰撞理論計(jì)算法[24]等。常見(jiàn)的泥石流沖擊力計(jì)算方法列于表1?？梢钥闯?除靜力流體模型外,泥石流的沖擊力都與流速密切相關(guān)。漿體的沖擊力與流速的平方成正比,而大石塊的沖擊力與流速成正比。研究表明,隨著泥石流漿體和大石塊運(yùn)動(dòng)速度的增加,會(huì)導(dǎo)致砌體結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)建筑物產(chǎn)生嚴(yán)重位移和破壞,其中大石塊對(duì)簡(jiǎn)支梁的最大沖擊力更是近似線性增長(zhǎng)[25-27]。因此流速是泥石流沖擊力大小的主要決定性因素,也是衡量沖擊破壞能力的重要參考。

表1 泥石流沖擊力計(jì)算公式Table 1 Calculation formula of debris flow impact force

1.2 淤埋危害

淤埋危害是指泥石流流經(jīng)建筑物周邊或從建筑物的開(kāi)口進(jìn)入內(nèi)部時(shí),在其周?chē)蚪ㄖ飪?nèi)部淤積大量泥沙、石塊的現(xiàn)象。淤埋過(guò)程中可能會(huì)伴隨沖擊作用,不過(guò)一般不會(huì)造成建筑物結(jié)構(gòu)損壞,但會(huì)降低建筑物的使用壽命或使其喪失功能性。不僅如此,淤埋危害相對(duì)于沖擊危害的影響范圍更廣,危害對(duì)象更多,包括農(nóng)田、房屋以及基礎(chǔ)設(shè)施等,嚴(yán)重時(shí)甚至可能淤塞主河,形成堰塞湖,造成嚴(yán)重的災(zāi)害鏈[6]。如2010年映秀鎮(zhèn)紅椿溝暴發(fā)特大泥石流,沖出的泥石流堵斷岷江河道形成堰塞湖,導(dǎo)致洪水沖向映秀新城,致使數(shù)千群眾受災(zāi)[4]。

淤埋危害通常發(fā)生在泥石流堆積區(qū),其危害程度與泥石流的淤積深度有關(guān)[28]。淤積深度過(guò)大不僅造成承災(zāi)體功能性喪失,還可能影響其整體結(jié)構(gòu)。泥石流沖出總量越大,淤積范圍和深度往往越大。一次泥石流沖出總量可通過(guò)實(shí)測(cè)或計(jì)算的方法確定,實(shí)測(cè)方法精度高,但往往不具備測(cè)量條件。實(shí)際應(yīng)用中,往往通過(guò)計(jì)算暴雨洪峰流量,再按配方法計(jì)算泥石流峰值流量,最后根據(jù)泥石流暴漲暴落的特點(diǎn),按泥石流歷時(shí)和最大流量,將其過(guò)程線概化成五邊形進(jìn)行計(jì)算。具體計(jì)算方法如下。

暴雨洪峰流量Qp計(jì)算公式為

(1)

式(1)中:Qp為頻率為p時(shí)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(shí)間,h;n為暴雨參數(shù);F為匯水面積,km2。

泥石流峰值流量Qc計(jì)算公式為

Qc=QpDBF

(2)

式(2)中:Qc為與Qp相同重現(xiàn)期的泥石流峰值流量,m3/s;D為堵塞系數(shù);BF為放大因子。

泥石流一次過(guò)程總量計(jì)算公式為

Q=0.264TQc

(3)

式(3)中:Q為泥石流一次過(guò)程總量,m3;T為泥石流歷時(shí),s。

對(duì)于一條特定的泥石流溝,不同降雨頻率誘發(fā)的泥石流沖出總量不同,淤埋危害也不相同,而泥深是衡量泥石流淤積能力最直接的指標(biāo)。

2 單溝泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

泥石流的危險(xiǎn)性來(lái)自其危害,而泥石流的危害主要表現(xiàn)為對(duì)沿途承災(zāi)體的淤埋和沖擊破壞,而泥石流淤埋危害與泥深有關(guān),沖擊危害與流速有關(guān)。此外,承災(zāi)體被泥石流淤積的過(guò)程中往往還伴隨有沖擊破壞,因此,基于動(dòng)力過(guò)程的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)包含泥石流泥深、流速,以及二者的組合。

2.1.1 泥石流泥深

泥深可以反映泥石流對(duì)建筑物的淤埋能力,泥深越大對(duì)建筑物的淤埋危害越嚴(yán)重。對(duì)于一條特定的泥石流溝,泥深主要與一次泥石流過(guò)程沖出總量有關(guān)。對(duì)蔣家溝50組泥石流泥深觀測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)[29],泥石流泥深一般在3.5 m以下,并且在2 m以下居多。不同的泥深對(duì)建筑物和人員的危害程度是不同的。唐川等[30]將泥深1～2 m劃分為高危險(xiǎn)區(qū),泥深0.5～1 m劃分為中危險(xiǎn)區(qū),泥深小于0.5 m劃分為低危險(xiǎn)區(qū);常鳴[31]則將泥深大于2.5 m定為高危險(xiǎn),泥深0.5～2.5 m定為中危險(xiǎn)區(qū),泥深小于0.5 m定為低危險(xiǎn)區(qū);Lin等[32]則認(rèn)為泥石流前端堆積厚度大于1 m為高危險(xiǎn),小于0.2 m為低危險(xiǎn)。

故研究將泥深大于普通住宅樓一半高度即1.5 m時(shí),定為高危險(xiǎn)區(qū),該泥深范圍內(nèi),建筑物內(nèi)外部淤埋嚴(yán)重,難以恢復(fù)使用,同時(shí)人員一旦陷入泥石流中,將難以逃脫,會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。將泥深0.5～1.5 m劃為中危險(xiǎn),泥石流會(huì)部分淤埋建筑物,建筑物在一定程度上可以恢復(fù)使用。當(dāng)泥深小于0.5 m時(shí),對(duì)建筑物和人員都難以造成危害,但農(nóng)田淤埋嚴(yán)重。

2.1.2 泥石流流速

流速是對(duì)泥石流沖擊力的直接體現(xiàn),流速越大沖擊破壞越劇烈。實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)表明,泥石流的流速通常在4～10 m/s,最小的可能不足1 m/s,較大的則可達(dá)13～14 m/s,甚至更高[29,33],如舟曲特大泥石流出山口的瞬時(shí)速度可能達(dá)到27 m/s。流速是影響沖擊力的關(guān)鍵,不同的流速對(duì)建筑物的破壞程度不同。Wei等[34]研究發(fā)現(xiàn),框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)建筑物遭受泥石流災(zāi)害的極限承壓力分別為110.56 kN/m2和18.22 kN/m2,通過(guò)沖擊力計(jì)算公式反算出兩種建筑結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的臨界速度分別為4.3 m/s和1.7 m/s。因此,將流速2 m/s和4 m/s作為泥石流造成破壞時(shí)的流速分界點(diǎn),當(dāng)流速小于2 m/s時(shí)對(duì)建筑物的沖擊危害較小,不易對(duì)建筑物造成破壞;當(dāng)流速在2～4 m/s時(shí),磚砌體結(jié)構(gòu)的建筑物可能會(huì)遭受破壞;當(dāng)流速超過(guò)4 m/s時(shí)框架結(jié)構(gòu)建筑可能會(huì)被破壞。

2.1.3 泥深和流速的組合

泥石流的沖擊和淤埋危害往往同時(shí)發(fā)生,僅用泥深或流速單個(gè)指標(biāo)不能有效地刻畫(huà)其破壞能力。因此,很多學(xué)者以泥深和流速的組合來(lái)反映泥石流的危險(xiǎn)性。例如,Fiebiger[35]將泥深和流速進(jìn)行組合,定義出了泥石流強(qiáng)度公式,用強(qiáng)度大小來(lái)決定其危險(xiǎn)等級(jí)。此外,還有以動(dòng)量最大值劃分泥石流危險(xiǎn)性的,Hu等[36]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),動(dòng)能或動(dòng)量的綜合指標(biāo)比泥深或流速等單個(gè)指標(biāo)更適用于泥石流危險(xiǎn)性分區(qū),并推導(dǎo)出用流速和泥深乘積的最大值作為評(píng)估動(dòng)量的參數(shù)。

結(jié)合上述對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析,研究用泥深反映泥石流的淤埋能力,用綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)動(dòng)量反映泥石流的沖擊破壞能力,并以泥深和動(dòng)量?jī)蓚€(gè)指標(biāo),劃分泥石流危險(xiǎn)性等級(jí)。

2.2 泥石流危險(xiǎn)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

基于泥深和動(dòng)量的泥石流危險(xiǎn)區(qū)劃分方法,前人已經(jīng)做了大量研究,但不同學(xué)者對(duì)泥石流危險(xiǎn)性的劃分標(biāo)準(zhǔn)并不一致,表2列出了不同學(xué)者的泥石流危險(xiǎn)性劃分標(biāo)準(zhǔn)。

表2 不同學(xué)者的泥石流危險(xiǎn)性劃分表Table 2 Debris flow hazard classification table of different scholars

考慮到中國(guó)山區(qū)的主要建筑結(jié)構(gòu)有框架結(jié)構(gòu)、磚混砌體結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu),并多以砌體結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)為主?？蚣芙Y(jié)構(gòu)具有較好的抵抗地質(zhì)災(zāi)害的能力,而砌體結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)抵抗地質(zhì)災(zāi)害的能力較弱,受到泥石流危害時(shí)可能導(dǎo)致房屋損壞或倒塌。分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)泥深達(dá)到1.5 m,流速達(dá)到4 m/s時(shí),會(huì)對(duì)建筑物造成嚴(yán)重的淤埋危害,降低建筑物使用壽命或使其喪失功能性;同時(shí)在該流速下即使是框架結(jié)構(gòu)的建筑物也可能受到破壞,嚴(yán)重時(shí)甚至使建筑物傾斜、坍塌。當(dāng)泥深在0.5～1.5 m,流速在2～4 m/s時(shí),建筑物局部被淤埋,但農(nóng)田和基礎(chǔ)設(shè)施等淤埋嚴(yán)重;磚砌體結(jié)構(gòu)的建筑物可能會(huì)被泥石流破壞,生活生產(chǎn)場(chǎng)所恢復(fù)有一定困難。當(dāng)泥深小于0.5 m,流速小于2 m/s時(shí),泥石流對(duì)建筑物和人員基本無(wú)損傷,但可能造成農(nóng)田道路被淤埋,危害程度相對(duì)較輕。

通過(guò)分析,并基于Hu等[36]推導(dǎo)出的動(dòng)量評(píng)估參數(shù),將造成危害的最大泥深和最大流速乘積作為動(dòng)量分界值即6 m2/s和1 m2/s。于是,提出表3的泥石流危險(xiǎn)性劃分標(biāo)準(zhǔn),將泥石流危險(xiǎn)性劃分為高、中、低3個(gè)等級(jí)。高危險(xiǎn)區(qū)主要指泥石流泥深(H≥1.5 m)或動(dòng)量(HV≥6 m2/s)較大的區(qū)域,區(qū)內(nèi)建筑物可能會(huì)遭受?chē)?yán)重破壞,甚至?xí)斐扇藛T傷亡,危害程度大。低危險(xiǎn)區(qū)主要是泥石流流速(H<0.5 m)和動(dòng)量(HV<1 m2/s)都比較低的區(qū)域,泥石流基本不會(huì)對(duì)建筑物造成損壞,但可能會(huì)淤埋農(nóng)田、公路等基礎(chǔ)設(shè)施,危害程度低。除高危害區(qū)和低危險(xiǎn)區(qū)以外的泥石流危害區(qū)域?yàn)橹械任ｋU(xiǎn)區(qū),區(qū)內(nèi)建筑物會(huì)有個(gè)別損壞,幾乎不會(huì)出現(xiàn)人員傷亡的情況。

表3 基于動(dòng)力過(guò)程的泥石流危險(xiǎn)性劃分表Table 3 Hazard classification table of debris flow based on dynamic process

2.3 泥石流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)獲取方法

傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)估算方法可以得到特定位置的流速和泥深,但無(wú)法獲得整個(gè)泥石流危害區(qū)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。隨著對(duì)泥石流動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究的不斷深入和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)值模擬成為泥石流動(dòng)力學(xué)研究的重要手段。數(shù)值模擬不僅可以直觀地展示泥石流的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和危害范圍,而且可以獲得泥深、流速等動(dòng)力學(xué)參數(shù)及其分布情況,非常適合基于動(dòng)力過(guò)程的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

隨著對(duì)泥石流動(dòng)力學(xué)機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷深入,建立了大量的泥石流運(yùn)動(dòng)的本構(gòu)方程[40-41],為泥石流數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)。在較大尺度問(wèn)題分析中,還可以把數(shù)值計(jì)算模型或結(jié)果與地理信息系統(tǒng)軟件相結(jié)合[42]。目前,常用于泥石流數(shù)值模擬的軟件主要有FLO-2D軟件[43-44],Debris-2D軟件[45]和Massflow軟件[46]等。Massflow 軟件是從廣義的深度積分方法出發(fā),將泥石流運(yùn)動(dòng)三維問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題,具有計(jì)算效率高、支持二次開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)。Debris-2D的控制方程是基于淺水假設(shè)的質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程,在模擬時(shí)無(wú)需輸入曼寧系數(shù)和降雨水位圖,但需要提供底床物質(zhì)的屈服應(yīng)力值、物源的分布等。FLO-2D是基于非牛頓流體模型及有限差分的數(shù)值方法,用于計(jì)算二維洪水和泥石流運(yùn)動(dòng)的模擬軟件,它的基底摩擦模型默認(rèn)為曼寧模型;通過(guò)輸入曼寧系數(shù)、體積濃度、剪切應(yīng)力、黏度以及流量曲線等參數(shù),可得到整個(gè)區(qū)域的泥深、平均流速、最大泥深和沖擊力等動(dòng)力學(xué)參數(shù),具有模擬結(jié)果精度高、計(jì)算時(shí)間短、使用方便等特點(diǎn)。擬采用FLO-2D對(duì)2010年甘肅舟曲“8·7”特大泥石流進(jìn)行模擬,并利用上述方法對(duì)其危險(xiǎn)性進(jìn)行分區(qū)。

3 舟曲“8·7”特大泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

3.1 泥石流概況

甘肅省舟曲縣地處青藏高原東北緣,西秦嶺山脈與岷山山脈的交匯地區(qū),新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地震活動(dòng)強(qiáng)烈,是中國(guó)四大泥石流活躍區(qū)之一[47]。2010年8月7日23:00左右,舟曲縣城東北部發(fā)生了短時(shí)強(qiáng)降雨,導(dǎo)致羅家峪和三眼峪兩溝同時(shí)暴發(fā)大規(guī)模泥石流。泥石流沖毀攔擋壩,穿過(guò)舟曲縣城直沖入白龍江,形成堰塞湖,導(dǎo)致白龍江水位上升10 m左右,淹沒(méi)了大半個(gè)縣城[47]。據(jù)統(tǒng)計(jì),泥石流沖毀房屋5 508間,淤埋耕地約93 hm2,導(dǎo)致2萬(wàn)余人受災(zāi),1 481人遇難,284人失蹤,1 824人受傷,是中華人民共和國(guó)成立以來(lái)最嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害事件[48]。此次泥石流激發(fā)雨量為百年一遇的水平。

其中,三眼峪泥石流直接沖擊縣城,造成的危害最為嚴(yán)重,以三眼峪“8·7”泥石流為例,利用前述方法對(duì)其危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。三眼峪流域面積24.1 km2,主溝長(zhǎng)6.2 km,平均比降241‰。流域內(nèi)最高海拔為3 772 m,最低點(diǎn)1 278 m(圖1),山坡坡度大于35°以上的區(qū)域占總面積的51.7%以上,整個(gè)流域地形切割強(qiáng)烈,山勢(shì)陡峻。

圖1 研究區(qū)位置及流域概況圖Fig.1 Location and overview map of the study area

3.2 泥石流動(dòng)力學(xué)參數(shù)

FLO-2D數(shù)值模擬首先需要對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后確定模擬參數(shù)和清水流量。

3.2.1 地形數(shù)據(jù)處理

模擬選取精度為12.5 m的數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)數(shù)據(jù),并將高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ASCⅡ文件,導(dǎo)入FLO-2D軟件;通過(guò)FLO-2D的grid工具對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行高程點(diǎn)的插值計(jì)算,并將流域劃分為10 m×10 m的網(wǎng)格,同時(shí)圈定模擬的流域邊界,完成地形數(shù)據(jù)處理。

3.2.2 模擬參數(shù)選取

模擬參數(shù)主要依據(jù)文獻(xiàn)[49]并參考FLO-2D使用手冊(cè)[50]對(duì)該流域的體積濃度(Cv)、泥沙相對(duì)密度(Gs)、黏滯系數(shù)參數(shù)(α、β)、層流阻滯系數(shù)(K)和曼寧粗糙系數(shù)(n)進(jìn)行綜合選取。具體計(jì)算參數(shù)取值見(jiàn)表4。

表4 泥石流模擬參數(shù)Table 4 Debris flow simulation parameter

3.2.3 暴雨峰值流量計(jì)算

流量過(guò)程曲線計(jì)算主要參照《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》,研究區(qū)位于甘肅省南部,與川北部山區(qū)距離較近,地質(zhì)、地貌、氣候均有相似性,計(jì)算手冊(cè)中的參數(shù)在研究區(qū)的降雨模擬中具有較好的適用性,按式(1)計(jì)算出三眼峪泥石流溝百年一遇降雨頻率下的暴雨峰值流量,結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 暴雨峰值流量Table 5 Rainstorm peak flow

3.3 模擬結(jié)果

流速模擬結(jié)果顯示(圖2),在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中上游溝道的流速較高,主要是因?yàn)樯嫌螠系廓M窄,地形起伏大,最大流速為11.8 m/s,位于上游溝道地形急劇變化處;泥石流運(yùn)動(dòng)到出山口后,由于溝道變緩,地勢(shì)寬闊,流速降低,但堆積范圍明顯擴(kuò)大。當(dāng)泥石流到達(dá)縣城時(shí),由于溝道被建筑物過(guò)分侵占,導(dǎo)致溝道重新變窄,形成一種束口效應(yīng),導(dǎo)致流速再次增加,破壞力增加,給縣城造成嚴(yán)重破壞。泥深模擬結(jié)果顯示,溝道中心泥深較大,基本在4 m以上,沿著溝道中心向兩側(cè)逐漸遞減,最大泥深位于白龍江內(nèi),淤積厚度達(dá)10.1 m。

圖2 P=1%降雨頻率下泥石流模擬結(jié)果Fig.2 Debris flow simulation results under P=1% rainfall frequency

3.4 結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性,將模擬所得的泥石流堆積范圍和沖出方量與劉傳正等[33]、朱立峰等[51]對(duì)舟曲泥石流的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行比較,并根據(jù)泥石流模擬堆積面積Sm,泥石流實(shí)際堆積面積Sr與重疊面積S0作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),計(jì)算模擬精度I。I越高,模擬結(jié)果越合理,計(jì)算公式為

(4)

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。結(jié)果表明,泥石流淤積范圍模擬的結(jié)果比實(shí)地調(diào)查范圍偏小,誤差約13%; 沖出方量模擬結(jié)果大于實(shí)際情況,誤差約12%;模擬精度為88%,模擬結(jié)果可信度較高。

表6 三眼峪泥石流模擬結(jié)果與實(shí)際情況對(duì)照表Table 6 Comparison of simulated results and realities of Sanyanyu debris flow

3.5 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

根據(jù)表3的泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)標(biāo)準(zhǔn),利用ArcGIS軟件柵格處理工具,完成泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)圖(圖3)。危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果表明,高危險(xiǎn)區(qū)范圍較大,主要分布在溝道中心,面積約284 700 m2,占總面積的49%;中危險(xiǎn)區(qū)主要分布在泥石流形成區(qū)和堆積區(qū)邊緣,面積約170 400 m2,占總面積的29%;低危險(xiǎn)區(qū)主要分布在溝道兩側(cè)和堆積扇翼端,面積約127 600 m2,占總面積的22%。模擬結(jié)果與災(zāi)后影像對(duì)比發(fā)現(xiàn)(圖4),靠近溝道中心的月圓村基本處于高危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi),只有邊緣少部分屬于中、低危險(xiǎn)區(qū),這也就導(dǎo)致月圓村在強(qiáng)大的泥石流沖擊下幾乎被夷為平地。其他靠近溝道中心的村子如北關(guān)村、三眼村、南街村主要位于中、低危險(xiǎn)區(qū),部分位于高危險(xiǎn)區(qū)域,村寨部分被摧毀,破壞程度相對(duì)較小。這與胡凱衡等[47]、趙成等[52]的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查結(jié)果基本相符,因此危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果可靠性較高。

圖3 泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)圖Fig.3 Hazard zoning map of debris flow

圖4 模擬結(jié)果與衛(wèi)星影像對(duì)比圖Fig.4 Comparison of simulation results and satellite images

4 結(jié)論

在泥石流危害方式分析基礎(chǔ)上,結(jié)合前人相關(guān)研究成果,提出了基于動(dòng)力過(guò)程的單溝泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法,對(duì)舟曲“8·7”特大泥石流進(jìn)行了危險(xiǎn)性分區(qū),驗(yàn)證了方法的可行性。結(jié)論歸結(jié)如下。

(1)泥石流的危害方式主要以淤埋危害和沖擊危害為主;泥深H可反映泥石流的淤埋能力,動(dòng)量HV可反映泥石流的沖擊破壞能力。

(2)以泥深和動(dòng)量作為劃分泥石流危險(xiǎn)性的指標(biāo),可將危險(xiǎn)區(qū)劃分為高、中、低3個(gè)等級(jí);高危險(xiǎn)區(qū)泥石流泥深H≥1.5 m或動(dòng)量HV≥6 m2/s,低危險(xiǎn)區(qū)泥石流泥深H<0.5 m且動(dòng)量HV<1 m2/s,其他泥石流危害區(qū)域皆為中危險(xiǎn)區(qū)。

(3)基于所提出的評(píng)價(jià)方法,對(duì)舟曲“8·7”特大泥石流的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和分區(qū)表明,危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果與實(shí)際情況基本相符,結(jié)果可信度較高;驗(yàn)證了該方法的可行性。