基于FLO-2D數(shù)值模擬的工布江達(dá)縣城泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)

張浩韋,劉福臻,王軍朝,張佳佳

1.西南石油大學(xué)土木工程與測繪學(xué)院,四川 成都 610500;

2.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心, 四川 成都 611734

0 引言

泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)被認(rèn)為是減少泥石流危害的有效途徑(張春山等,2004),國內(nèi)外學(xué)者對泥石流災(zāi)害的危險(xiǎn)性已進(jìn)行了一定程度的研究,方法眾多。較為傳統(tǒng)的方法主要包括層次分析法(鐵永波和唐川,2006;Yalcin,2008)、模糊數(shù)學(xué)法(王欣寶等,2000)、粗糙集理論(匡樂紅等,2006)、灰色系統(tǒng)評價(jià)法 (羅冠枝和徐林榮,2008)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)法(谷秀芝等,2010)等。這些傳統(tǒng)方法多是基于數(shù)學(xué)方法,通過采用半定量或定性的分析方法建立評價(jià)模型來評價(jià)泥石流的危險(xiǎn)性(李闊和唐川,2007)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,GIS技術(shù)與傳統(tǒng)評價(jià)方法開始相互結(jié)合(王駿等,2014),使得傳統(tǒng)評價(jià)方法的科學(xué)性日益增強(qiáng),但這些評價(jià)方法依然無法精確量化泥石流對居民聚集區(qū)的影響,難以對泥石流的運(yùn)動(dòng)和堆積進(jìn)行刻畫。

與傳統(tǒng)評價(jià)方法不同,數(shù)值模擬評價(jià)的重點(diǎn)在于模擬泥石流在復(fù)雜地形下的運(yùn)動(dòng)與堆積情況(龔柯等,2017;陳明等,2018),量化泥石流泥深、流速和堆積范圍等特征(梁鴻熙等,2016;羅玉婷等,2020;劉晶晶等,2020;張建石,2020;李明威等,2021),重現(xiàn)泥石流對人口聚集區(qū)的影響。近年來,FLO-2D作為二維動(dòng)力模擬模型,已廣泛應(yīng)用于泥石流災(zāi)害的危險(xiǎn)性量化,并表現(xiàn)出了令人滿意的效果(Lin et al., 2011;楊濤等,2018;侯圣山等,2021)。在區(qū)域泥石流危險(xiǎn)性的研究中,FLO-2D模擬程序能夠確定泥石流流體深度與流速的時(shí)空分布(張鵬等,2014;徐惠梁,2018),并以此為基礎(chǔ)劃定泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)(常鳴等,2019;王高峰等,2020;曹鵬等,2021),圈定潛在威脅較大的人口聚集區(qū),實(shí)現(xiàn)對泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的定量分析。

西藏林芝地區(qū)因其活躍的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),形成了山勢陡峻和溝谷深切的高山峽谷地貌,相對高差大(蔣清明等,2017;張佳佳等,2018);地層巖性復(fù)雜多變,巖石風(fēng)化劇烈,巖土體完整性差,物源豐富(張奮翔,2019);降雨在時(shí)空分布上較為集中。歷史上,西藏林芝地區(qū)的古鄉(xiāng)溝(魯安新等,2006)、天摩溝(高波等,2019)、卡達(dá)溝(鐘鑫等,2018)、扎木弄溝(李俊等,2017)均暴發(fā)過破壞程度嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害。近年來,林芝市工布江達(dá)縣境內(nèi)受頻繁的地震活動(dòng)影響,地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量上升,災(zāi)害點(diǎn)密度增大,物源儲量陡增,在遇降雨和凍融等極端工況條件下,泥石流頻發(fā)。該地區(qū)泥石流普遍具有雨季活動(dòng)頻率高、多點(diǎn)暴發(fā)、暴發(fā)以中—小型規(guī)模居多的特性(陳寧生等,2011),其暴發(fā)時(shí)沖擊力強(qiáng)且破壞力巨大,對居民聚集區(qū)造成了巨大威脅。

工布江達(dá)縣城目前已開展了重點(diǎn)場鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作,但并未針對周邊泥石流災(zāi)害進(jìn)行定量的危險(xiǎn)性評價(jià)。為更好探求工布江達(dá)縣城泥石流危險(xiǎn)性的時(shí)空分布特征,確定其具體危險(xiǎn)范圍和危險(xiǎn)性大小,文章以野外現(xiàn)場調(diào)查及光學(xué)遙感影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ),選取4種不同暴發(fā)頻率(100年一遇、50年一遇、20年一遇及10年一遇),通過模擬泥石流沖出特征(趙東亮等,2021),確定泥石流強(qiáng)度并劃分危險(xiǎn)性分區(qū),以期為當(dāng)?shù)啬嗍鞯念A(yù)警與治理提供科學(xué)參考。

1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境

工布江達(dá)縣位于西藏自治區(qū)東南部,林芝市西北部,縣域內(nèi)山勢陡峻,溝谷深切,屬典型的深切割高山河谷地貌。研究區(qū)為工布江達(dá)縣城所在區(qū)域,其整體坐落于尼洋曲河谷(圖1),是西藏地區(qū)典型降雨型泥石流活躍區(qū)域之一。

區(qū)域地質(zhì)資料顯示研究區(qū)位于岡底斯陸塊、雅魯藏布江結(jié)合帶內(nèi)強(qiáng)烈擠壓和碰撞的嘉黎-然烏、多其木-東久強(qiáng)震帶附近,構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,歷史上地震活動(dòng)頻繁,地震基本烈度為Ⅶ度?？h城后側(cè)斜坡主要出露晚白堊世花崗巖和早奧陶世松多巖群石英片巖,表層主要被崩坡積物、沖洪積物和泥石流堆積物覆蓋,研究區(qū)剖面圖如圖2所示,剖面位置見圖1。

圖1 工布江達(dá)縣城地理位置圖Fig.1 Location of Kongpo Gyamda(a) Location map of Nyingchi; (b) Location map of Kongpo Gyamda;(c) Topographic map of the study area

圖2 工布江達(dá)縣城A-A’地質(zhì)剖面圖Fig.2 A-A′ geological section of Kongpo Gyamda

工布江達(dá)縣城泥石流形成區(qū)整體地形陡峻,植被稀少,在構(gòu)造、風(fēng)化及凍融作用下,區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育板巖和灰?guī)r地層松散堆積物;流通區(qū)地表徑流對溝道兩側(cè)松散堆積物的入滲使坡體穩(wěn)定性受到破壞,成為泥石流的固體物質(zhì)來源。

工布江達(dá)縣城處于半濕潤高原季風(fēng)氣候帶,多年平均降水量640.1 mm,日最大降水量45.2 mm,小時(shí)最大降水量16.5 mm(工布江達(dá)縣地方志編纂委員會,2008)。受海拔與季風(fēng)氣候影響,降雨時(shí)空分布差異大,5月至9月為工布江達(dá)縣的雨季,降水量占全年降水量的85%。沿溝口至山頂,降雨量隨海拔升高增大,汛期大強(qiáng)度的集中降水是引發(fā)區(qū)內(nèi)泥石流的重要因素。

工布江達(dá)縣的地形、物源以及水源條件極易引發(fā)泥石流災(zāi)害?？h城周邊主要分布有5處泥石流災(zāi)害點(diǎn)(圖3),左右對稱分布于尼洋曲兩岸的人口聚集區(qū),災(zāi)害點(diǎn)密度大,嚴(yán)重威脅著居民聚集點(diǎn)安全。

圖3 工布江達(dá)縣城泥石流溝平面圖Fig.3 Plan view of the debris flow gullies in Kongpo Gyamda(a) Jiedigang debris flow gully and Dicun debris flow gully; (b) Genianglang debris flow gully; (c) Zhexizhefengpu debris flow gully; (d) Karepu debris flow gully; (e) Distribution map of debris flow gullies

2 研究區(qū)泥石流發(fā)育特征

縣城周邊泥石流溝溝谷多呈“V”型,主溝溝床多順直,平均坡降102‰~282‰,局部區(qū)域坡降可達(dá)500‰;高差較大,可達(dá)979~1970 m;平均坡度為40°~50°,補(bǔ)給段長度占比58%~67%。流通區(qū)植被多以低矮灌木和草地為主,形成區(qū)植被不發(fā)育、地表多以殘坡積堆積體和崩滑堆積體為主的松散物質(zhì),潛在松散物源量高達(dá)60×104~300×104m3,大型潛在松散物源具體位置見圖4,泥石流溝具體參數(shù)見表1。

表1 泥石流溝特征值參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of the five debris flow gullies

該區(qū)域泥石流屬于典型的降雨型泥石流(高波等,2019),在降雨量達(dá)到泥石流啟動(dòng)臨界值時(shí),斜坡表層徑流帶動(dòng)滑坡體表面和前緣松散物質(zhì)向下輸移,形成區(qū)松散固體物質(zhì)啟動(dòng)形成并快速涌入溝道。泥石流在溝道內(nèi)快速運(yùn)動(dòng)過程中,高勢能將大部分能量轉(zhuǎn)換成泥石流流動(dòng)速度和對溝床及溝道兩側(cè)斜坡的侵蝕,使得泥石流在流動(dòng)過程中動(dòng)儲量聚集性增大,以“滾雪球”的方式不斷為泥石流補(bǔ)充固體物質(zhì),加大泥石流的沖出規(guī)模。

3 泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)

FLO-2D軟件模型是1988年由O′Brien提出的,它將數(shù)字高程模型(DEM)劃分為相同大小、規(guī)則的地形格網(wǎng),利用非牛頓流體與中央有限差分法求解泥石流運(yùn)動(dòng)的控制方程,以數(shù)值定量的方法來模擬泥石流沖出的流動(dòng)過程、堆積范圍并評價(jià)危險(xiǎn)區(qū)域。受理論模型限制,計(jì)算過程中需要滿足以下限制和假設(shè)條件 (O′Brien, 2009;Castelli et al, 2017;叢凱等, 2019):①假定流體為靜水壓力分布;②假定格網(wǎng)內(nèi)各參數(shù)(高程值、粗糙系數(shù))保持一致;③假定為淺水波模式;④假定差分時(shí)間間隔內(nèi)為固定恒流;⑤不考慮溝道侵蝕現(xiàn)象;⑥不考慮流動(dòng)過程中的跳躍和震蕩現(xiàn)象;⑦不考慮泥石流對于工程結(jié)構(gòu)的損毀現(xiàn)象。

通過運(yùn)動(dòng)方程以及連續(xù)方程,可以計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格中x方向上和y方向上的流體流速和堆積深度,進(jìn)而得知流體的運(yùn)動(dòng)范圍。通過連續(xù)方程控制泥石流的質(zhì)量守恒,利用運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算出相鄰網(wǎng)格間流體的速度變化。模型方程如下:

(1)運(yùn)動(dòng)方程

公式中:i為降雨強(qiáng)度,mm/h;h為流體流深,m;t為泥石流流域降雨歷時(shí),h;λ、θ分別為x軸、y軸方向上的平均流速,m/s。

(2)連續(xù)方程

公式中:Sox、Soy分別為x、y方向的泥石流溝床坡降,‰;Sfx、Sfy分別為泥石流溝x、y方向上的摩擦坡降,‰。

若流體內(nèi)部固體物質(zhì)濃度較大,則流體運(yùn)動(dòng)過程中,固體物質(zhì)的顆粒間碰撞增多,流體的擴(kuò)散應(yīng)力變大,需要考慮泥石流運(yùn)動(dòng)時(shí)顆粒之間的碰撞對泥石流流動(dòng)阻力的影響。

(3)流變方程

公式中:Sf為摩擦坡降,‰;Sy為屈服坡降,‰;Sv為粘性坡降,‰;Std為紊流分散坡降,‰;τy為屈服應(yīng)力,MPa;m為泥石流流體重,kg;K為層流阻力系數(shù);h為流體流深,m;η為流體粘滯系數(shù);n為曼寧系數(shù)(賈濤等,2015;王納納等,2014)。

3.1 數(shù)值模擬

3.1.1 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)模擬主要利用的數(shù)據(jù)有:DEM、遙感影像、地質(zhì)資料、降雨數(shù)據(jù)和地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)資料。高程DEM數(shù)據(jù)來源于日本宇宙航空研究所(JAXA)的12.5 m ALOS PALSAR傳感器獲取的數(shù)字高程模型,高精度遙感影像圖來源于Google Earth 1m分辨率遙感影像圖,地質(zhì)資料來源于中國地質(zhì)調(diào)查局的1∶25萬區(qū)域地質(zhì)圖,降雨數(shù)據(jù)來源于工布江達(dá)縣氣象局,地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)來源于工布江達(dá)縣地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)庫。所需主要數(shù)據(jù)說明如表2所示。

表2 數(shù)值模擬涉及數(shù)據(jù)說明Table 2 Data description of the numerical simulation

在ArcGIS里將DEM轉(zhuǎn)化為FLO-2D數(shù)值模擬軟件能夠識別的ASCII文件,根據(jù)所劃定泥石流流域的高分辨率DEM作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),依據(jù)泥石流溝的流域面積、泥石流峰值流量以及電腦處理性能建立10 m×10 m的計(jì)算格網(wǎng)用以劃分泥石流流域邊界,并依據(jù)溝道位置確定計(jì)算域,隨后對格網(wǎng)進(jìn)行高程賦值,完成對地形數(shù)據(jù)的預(yù)處理。

3.1.2 基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)定

泥石流是一種固-液兩相體,高濃度的粘性泥石流流體夾雜著大量的固體(王駿等,2016),且沿著深度方向和前進(jìn)方向呈不均勻分布,固相和液相所占的比例很大程度上決定著泥石流流體的流變特征,同時(shí)也對泥石流堆積體的前緣形態(tài)有一定程度上的影響(胡宏偉,2019)。在模型中需要確定泥石流固體物質(zhì)比重值以及體積濃度,由于現(xiàn)場配制泥石流漿體難度較大,此次泥石流流體重度采用查表法求得。按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》 (中華人民共和國國土資源部,2006;DZ/T0220—2006)附錄H填寫泥石流調(diào)查表并按附錄G進(jìn)行易發(fā)程度評分,根據(jù)表附錄G.2采用查表法分別確定縣城周圍五條泥石流溝的泥石流重度和泥沙修正系數(shù)。根據(jù)泥沙修正系數(shù)公式反求得到泥石流固體物質(zhì)比重,從而確定泥石流體積濃度(表3;余斌,2010)。

公式中:γc為泥石流重度,t/m3;γw為水的重度,取1.0 t/m3;γH為泥石流固體物質(zhì)的重度,t/m3。

曼寧系數(shù)(n)是表征流體流經(jīng)不同摩擦阻力介質(zhì)時(shí)的流變特征的參數(shù),在FLO-2D數(shù)值模擬軟件的計(jì)算過程中,需要確定不同微地貌特征區(qū)的曼寧系數(shù)。此次計(jì)算中依據(jù)FLO-2D使用手冊所提供的建議取值表,根據(jù)泥石流流域范圍內(nèi)地面條件確定整體流域曼寧系數(shù)(表3),再根據(jù)實(shí)際調(diào)查以及高分辨影像數(shù)據(jù)對典型的微地貌特征重新賦值。

通常情況下,在泥石流模擬的初始設(shè)置中,默認(rèn)泥石流與暴雨同時(shí)發(fā)生,即洪峰經(jīng)歷的時(shí)間等于泥石流歷經(jīng)時(shí)間。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)工布江達(dá)縣暴雨引起的泥石流多為單峰型漲落曲線,單峰洪水歷時(shí)為匯水面積,km2),泥石流歷時(shí)取值如表3所示。

表3 工布江達(dá)縣城泥石流基礎(chǔ)參數(shù)擬定Table 3 Basic parameters of the five debris flow gullies in Kongpo Gyamda

屈服應(yīng)力與粘滯系數(shù)(α1、β1、α2、β2)與體積濃度相關(guān)性最大,呈指數(shù)相關(guān);在泥石流流體運(yùn)動(dòng)過程中泥石流分層流動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生層流阻力,阻力系數(shù)(K)主要受到地面條件影響。實(shí)際現(xiàn)場測量難以獲取這些參數(shù),文章根據(jù)FLO-2D軟件使用手冊所給的建議值結(jié)合Chang et al.(2017)模擬小流域泥石流參考取值進(jìn)行賦值。工布江達(dá)縣城5條泥石流溝的體積濃度以及地面條件大致相同,通過泥石流沖出模擬實(shí)驗(yàn)對賦值參數(shù)進(jìn)行修正,最終參數(shù)取值見表4。

表4 工布江達(dá)縣城泥石流基礎(chǔ)參數(shù)取值Table 4 Values of basic parameters of debris flows in Kongpo Gyamda

在運(yùn)用FLO-2D進(jìn)行模擬泥石流時(shí),集水點(diǎn)的選取至關(guān)重要,大部分的泥石流起動(dòng)點(diǎn)在松散物源聚集處、在溝道物源堆積處和水動(dòng)力條件充足的位置(楊濤等,2017)。綜合考慮工布江達(dá)縣城泥石流水流條件和物源條件,將泥石流啟動(dòng)點(diǎn)大致選在形成區(qū)和流通區(qū)交界點(diǎn)附近。再根據(jù)遙感數(shù)據(jù)解譯的大規(guī)模崩塌滑坡體,結(jié)合實(shí)地踏勘泥石流溝的災(zāi)害發(fā)育特點(diǎn),最后確定實(shí)驗(yàn)的集水點(diǎn)位置。

藏東地區(qū)工布江達(dá)縣的中小流域暴雨洪水特征與四川西南山區(qū)相似,故可以參照《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊》 (四川省水利電力廳,1984),以工布江達(dá)縣1990年至2019年的降雨數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ),按手冊給出的建議公式計(jì)算出不同降雨頻率下的暴雨洪峰流量。通過Fang et al.(2019)介紹的五邊形法確定流域清水流量過程曲線,在實(shí)驗(yàn)中假設(shè)泥石流與暴雨同頻率、同步發(fā)生且暴雨洪水設(shè)計(jì)流量全部轉(zhuǎn)化為泥石流流量,泥石流流量過程線為單峰型漲落曲線。泥石流運(yùn)動(dòng)過程中會產(chǎn)生一定的放大效應(yīng),故最終輸入的泥石流流量過程數(shù)值為泥石流清水流量乘以體積膨脹系數(shù)BF=1/(1-Cv)(圖5)。

圖5 工布江達(dá)縣城泥石流溝不同頻率下流量過程曲線Fig.5 The flow-process curves of the debris flow gullies in Kongpo Gyamda under different frequencies(a) Dicun debris flow gully; (b) Jiedigang debris flow gully; (c) Genianglang debris flow gully; (d) Zhexizhefengpu debris flow gully; (e) Karepu debris flow gully

3.1.3 模擬驗(yàn)證

首先模擬工布江達(dá)縣城2013年8月暴發(fā)的20年一遇規(guī)模的泥石流,得出縣城20年一遇的降雨頻率下周邊泥石流泥深、流速和堆積特征。

模擬結(jié)果顯示,20年一遇的泥石流沖出過程中,受溝道影響明顯,最大堆積厚度主要集中在溝道內(nèi)轉(zhuǎn)角以及溝口處,最大堆積厚度可達(dá)3.7 m,堆積區(qū)堆積厚度沿溝口至堆積前緣逐漸下降;最大流速位于溝道內(nèi)地形急劇變化處,流體在狹長順直的流通區(qū)運(yùn)動(dòng)速度最快,大于3 m/s,最大速度可達(dá)7.2 m/s,泥石流流速在溝口處迅速降低,沿堆積區(qū)逐漸歇止。部分泥石流未形成有效沖出,對下方聚集區(qū)無威脅;地村泥石流、結(jié)底崗泥石流下方居民聚集區(qū)遭受小規(guī)模輕度淤積,與實(shí)際調(diào)查情況一致(圖6)。

圖6 20年一遇的暴雨條件下模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results under the heaviest rain conditions in recent 20 years(a) Velocity; (b) Depth

為了檢驗(yàn)FLO-2D模型對于工布江達(dá)地區(qū)高寒高海拔泥石流溝的適用性,以2013年8月暴發(fā)的20年一遇降雨工況下的泥石流模擬計(jì)算結(jié)果為例。將模擬泥石流堆積范圍和沖出方量與實(shí)際野外調(diào)查、訪問和遙感解譯所得結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與比較,再對其誤差分析,結(jié)果如表5所示。

表5 模擬結(jié)果與實(shí)際情況對比表Table 5 Comparison between simulation results and actual conditions

結(jié)果顯示:因FLO-2D無法模擬泥石流沖出過程中的溝道侵蝕作用,堆積范圍模擬結(jié)果大多小于實(shí)際結(jié)果;從2013年8月大規(guī)模暴發(fā)泥石流之后每年雨季均有小規(guī)模物源沖出,與實(shí)際調(diào)查值相比,模擬泥石流沖出的方量較小。近年來結(jié)底崗溝泥石流堆積扇上方人為改造作用明顯,多開墾土地改造農(nóng)田和修建房屋,模擬結(jié)果大于調(diào)查結(jié)果;卡熱普溝口處修建有攔沙池,堆積范圍和沖出量模擬與實(shí)際差異較大。其余泥石流溝堆積范圍誤差率為-19.3%~9.0%,沖出方量誤差率為-15.35%~18.2%,模擬結(jié)果較好。

采用同樣的方法模擬工布江達(dá)縣城周邊5條泥石流溝在不同暴發(fā)頻率下 (100年一遇、50年一遇、10年一遇)的堆積特征,結(jié)果如表6所示。

表6 不同頻率下的泥石流模擬結(jié)果表Table 6 Table of simulation results of the debris flow gullies at different frequencies

3.2 工布江達(dá)縣城泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)

目前泥石流危險(xiǎn)性分級標(biāo)準(zhǔn)的影響因子主要有泥深、流速以及暴雨暴發(fā)的頻率和強(qiáng)度等。通過泥深(h)、流速與泥深乘積結(jié)果(vh)劃分泥石流強(qiáng)度(表7),結(jié)合不同暴雨重現(xiàn)周期按泥石流沖出的區(qū)域分為高危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)、低危險(xiǎn)區(qū)三種類型,運(yùn)用ArcGIS對各危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行賦值,構(gòu)建泥石流危險(xiǎn)性邏輯關(guān)系(圖7),并繪制工布江達(dá)縣城泥石流不同分級的危險(xiǎn)區(qū)劃圖(圖8;唐川等,1994;Chang et al, 2020)。

圖7 工布江達(dá)縣城泥石流危險(xiǎn)性評定標(biāo)準(zhǔn)Fig.7 The risk assessment standard for the debris flows in Kongpo Gyamda

圖8 泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)圖Fig.8 Zoning map of the debris flows

表 7 泥石流強(qiáng)度劃分表Table 7 Table of debris flow intensity

4 結(jié)果分析

在不同頻率的降雨條件下,對工布江達(dá)縣城泥石流堆積情況進(jìn)行模擬(表6),可知:縣城5條泥石流溝均有不同規(guī)模沖出,各娘朗溝和卡熱普溝在100年一遇的降雨條件下預(yù)估堆積范圍分別為4.19 km2和7.62 km2,雖有一定方量物源沖出,但受到溝內(nèi)地形條件影響和工程治理等因素,未形成有效沖出,對下方居民聚集區(qū)造成危險(xiǎn)可能性較小;地村溝、結(jié)底崗溝及折西折鳳普溝在10年一遇的降雨條件下,堆積范圍分別為7.97 km2、3.84 km2、11.37 km2,而在100年一遇的暴發(fā)條件下預(yù)測堆積范圍可達(dá)12.99 km2、16.87 km2和43.05 km2,且折西折鳳普溝堆積區(qū)平均泥深可達(dá)0.42 m,對堆積扇上方居民聚集區(qū)將造成影響;通過對5條泥石流模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著降雨量的增加,泥石流平均泥深、流速、堆積范圍、沖出方量顯著增加。

對危險(xiǎn)性較高的3條溝進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表8),結(jié)底崗溝泥石流堆積扇高危險(xiǎn)區(qū)占比較小,僅占比5.79%,地村和折西折鳳普高危險(xiǎn)區(qū)占比分別為17.48%和33.14%。結(jié)底崗泥石流出口處有一彎道,泥石流動(dòng)能被減弱,物源淤積,雖有一定物源沖出溝口,但高危險(xiǎn)性占比較少;地村泥石流由于泥石流流域面積小、形成區(qū)地質(zhì)災(zāi)害較少,物源儲量一般,且流通區(qū)較短,泥石流沖出規(guī)模有限,低危險(xiǎn)性區(qū)域占比較多;而折西折鳳普流域面積大,集水性好,物源豐富,且流通區(qū)溝道順直無堵塞現(xiàn)象,導(dǎo)致大量物源沖出。

表8 不同降雨頻率下泥石流堆積區(qū)危險(xiǎn)性分區(qū)統(tǒng)計(jì)表Table 8 Risk zoning table of debris flow accumulation areas under different rainfall frequencies

通過危險(xiǎn)性分區(qū)圖對3條高危泥石流溝堆積扇上方人口聚集地淤埋區(qū)域進(jìn)行對比(圖9—圖11),統(tǒng)計(jì)分析泥石流對堆積扇上方居民區(qū)影響程度(表9)。結(jié)果可知:地村溝受威脅性最大,泥石流高危險(xiǎn)區(qū)占人口聚集區(qū)比例高達(dá)80.6%,且有被全部淤埋的可能,結(jié)底崗溝和折西折鳳普溝受影響區(qū)域分別為33.7%和62.7%,結(jié)底崗溝和折西折鳳普溝高危險(xiǎn)區(qū)占人口聚集區(qū)比例分別為為0.5%和18.4%。

圖9 地村溝堆積扇人口聚集區(qū)災(zāi)害發(fā)生前后對比圖Fig.9 Comparison of before and after the disaster in the densely populated area of the Dicun accumulation fan(a) Before the disaster; (b) After the disaster

圖11 折西折鳳普溝堆積扇人口聚集區(qū)災(zāi)害發(fā)生前后對比圖Fig.11 Comparison of before and after the disaster in the densely populated area of Zhexizhefengpu accumulation fan(a) Before the disaster; (b) After the disaster

表9 人口聚集區(qū)受影響面積占比Table 9 Proportion of the affected areas in densely populated area

5 結(jié)論

文章結(jié)合工布江達(dá)縣周邊泥石流特征,利用FLO-2D數(shù)值模型軟件重現(xiàn)4種不同暴發(fā)頻率的泥石流運(yùn)動(dòng)和堆積特征,以此評價(jià)工布江達(dá)縣城周邊5條典型泥石流溝對于人口聚集區(qū)的危險(xiǎn)性,取得以下認(rèn)識。

圖10 結(jié)底崗溝堆積扇人口聚集區(qū)災(zāi)害發(fā)生前后對比圖Fig.10 Comparison of before and after the disaster in the densely populated area of the Jiedigang accumulation fan(a) Before the disaster; (b) After the disaster

(1)縣城周邊泥石流荒漠地帶風(fēng)化嚴(yán)重,巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育,坡面堆積有風(fēng)化剝蝕碎屑物以及薄層坡積泥質(zhì)碎石土,物源豐富且參與泥石流程度高;泥石流溝多為“V”型谷,溝道順直,在泥石流活動(dòng)過程中動(dòng)能將聚集式的增加;相對高差大,泥石流勢能條件較好,在汛期短時(shí)強(qiáng)降雨下,物源沖出可能性極大。

(2)數(shù)值模擬的沖淤特征與實(shí)際相符,確定了該評價(jià)方法對于藏東林芝地區(qū)人口聚集區(qū)周邊泥石流危險(xiǎn)性的可行性。

(3)在4種不同降雨條件下,卡熱普溝和各娘朗溝未形成有效沖出,對下方居民聚集區(qū)造成危險(xiǎn)可能性較小;地村溝、結(jié)底崗溝及折西折鳳普溝堆積范圍較廣,對居民聚集區(qū)影響較大,建議對泥石流工程治理或居民地進(jìn)行搬遷避讓。

(4)繪制危險(xiǎn)分布圖可以確定威脅聚集區(qū)具體位置,能夠?yàn)槿丝诰奂瘏^(qū)防災(zāi)預(yù)案以及緊急避難點(diǎn)提供有效的參考。