基于FLO-2D的礦山泥石流運(yùn)動(dòng)特征及危險(xiǎn)性評價(jià)
——以甘肅省岷縣簸箕溝礦山泥石流為例

劉德玉，蔣興波，李保強(qiáng)

1.甘肅省地下水工程及地?zé)豳Y源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，甘肅 蘭州 730050

0 引言

礦山泥石流是山區(qū)開發(fā)礦產(chǎn)資源過程中廢石渣堆放引發(fā)的人工泥石流［1-2］，是山區(qū)最常見、危害最嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害類型之一.與自然形成的泥石流不同，礦山泥石流的形成、演化主要受控于人類開發(fā)礦產(chǎn)資源活動(dòng)的影響，人為活動(dòng)導(dǎo)致原本非泥石流溝演變?yōu)槟嗍鳒?，低頻泥石流溝演變?yōu)楦哳l泥石流溝［3-4］.目前，國內(nèi)對于自然形成的泥石流研究程度較高，而在礦山泥石流方面的研究較少，已有的研究成果主要集中于礦山泥石流的發(fā)育特征［5-6］、形成機(jī)理［7-8］、影響因素［9］等方面，針對礦山泥石流運(yùn)動(dòng)特征及危險(xiǎn)性評價(jià)的研究甚少，開展該方面的研究對于防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.在泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)方法選擇上，國內(nèi)學(xué)者除了采用基于單溝泥石流危險(xiǎn)性定量評價(jià)模型［10-11］外，各種數(shù)值模擬軟件模型也得到了越來越多的應(yīng)用，如FLO－2D、RAMMS、MassMov2D［12］等.其中，F(xiàn)LO－2D軟件模型因具有操作簡單、對泥石流流變時(shí)空變化特征及運(yùn)動(dòng)過程模擬較為準(zhǔn)確、評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況吻合度較好等優(yōu)點(diǎn)而得到國際上的廣泛認(rèn)可［13-14］.

本研究以甘肅省定西市岷縣簸箕溝礦山泥石流為例，在2019年實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，對影響泥石流發(fā)育的3個(gè)主要條件（地形、降水及固體物源）進(jìn)行分析，采用FLO－2D軟件模擬分析降雨強(qiáng)度重現(xiàn)期50 a及100 a條件下的泥石流運(yùn)動(dòng)特征，劃分危險(xiǎn)性評價(jià)分區(qū)，通過與實(shí)際發(fā)生情況進(jìn)行對比并計(jì)算模擬精度，驗(yàn)證模擬方法及結(jié)論的可靠性.該研究可為礦山泥石流的運(yùn)動(dòng)特征分析及危險(xiǎn)性評價(jià)提供一種新的思路和方法，以期為該地區(qū)及其他地區(qū)的泥石流災(zāi)害防治及國土空間規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)及參考.

1 研究區(qū)概況

1.1 基本情況

簸箕溝金礦地處甘肅省定西市岷縣秦許鄉(xiāng)境內(nèi)，距離岷縣城西南約10 km（圖1）.溝口附近為泥地族村居民點(diǎn)、農(nóng)田、213鄉(xiāng)道及村路，距離南側(cè)西河主河道約450 m（圖2）.流域內(nèi)植被平均覆蓋率約為35%，植被類型主要為草地及當(dāng)?shù)卮迕穹N植的當(dāng)歸、黃芪等藥材.

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

圖2 簸箕溝流域及礦渣分布圖Fig.2 Bojigou watershed and slag distribution map

該礦山位于岷縣鹿兒壩金礦東延段，開采方式為地下開采，礦區(qū)累計(jì)查明金資源量達(dá)8.6 t，已接近大型礦床規(guī)模［16］.2012年5月10日，受短時(shí)強(qiáng)降水影響，簸箕溝暴發(fā)泥石流，淤積毀壞溝口附近農(nóng)田近1 hm2，造成重大經(jīng)濟(jì)損失.

1.2 地形條件

簸箕溝地勢總體西北高，東南低，呈北西方向延伸，地形切割較強(qiáng)烈，相對高差較大.流域海拔最高約2 780 m，最低2 470 m，相對高差310 m，地貌類型為構(gòu)造侵蝕中低山地貌.簸箕溝流域面積約2.87 km2，主溝道長2.56 km，平均溝床縱比降121‰.流域形狀呈“桃葉”型，溝谷多呈深切“V”字型.溝道兩岸山勢較陡峻，坡度30～60°，上游溝床坡度較陡，溝谷狹窄，寬度5～10 m，下游近溝口處斜坡多為近直立陡崖，可見泥石流相碎石沿溝口流向定向排列.簸箕溝陡峻的地形條件（相對高差及溝床縱比降大、溝坡坡度陡）以及較小的流域面積都有利于泥石流的形成［17］.

1.3 降水條件

研究區(qū)具有降水集中、暴雨多發(fā)的主要特點(diǎn)，為泥石流災(zāi)害的發(fā)生提供了有利的水動(dòng)力條件.根據(jù)氣象資料，區(qū)內(nèi)多年平均降水量為560.8 mm/a，年最大降水量為709.3 mm，日最大降水量為61.5 mm，1 h最大降水量54.0 mm，10 min最大降水量為30.4 mm.降水年內(nèi)分配不均，降水量主要集中于5—9月，占全年降水總量的78%以上，大雨（大于25 mm／d）多年平均爆發(fā)次數(shù)為2.1次/a.可能發(fā)生泥石流的24 h的界限雨值H24（D）＝30 mm，1 h的界限雨值H1（D）＝15 mm，10 min的界限雨值H1/6（D）＝6 mm.2012年5月10日17時(shí)許，受短時(shí)強(qiáng)降水影響，岷縣多地暴發(fā)特大山洪泥石流災(zāi)害，降雨中心1 h降雨量達(dá)到42 mm，持續(xù)時(shí)長約40 min，過程雨量69.2 mm［18］。簸箕溝距離降雨中心約30 km，降雨強(qiáng)度重現(xiàn)期達(dá)到50 a，引發(fā)泥石流災(zāi)害.

1.4 固體物源條件

簸箕溝泥石流的固體物質(zhì)來源主要為采礦活動(dòng)產(chǎn)生廢石棄渣（Q4ml），其次為坡面殘坡積物（Q4el＋dl）以及溝岸少量的滑坡、崩塌重力堆積物（Q4del＋col）.廢石棄渣的物質(zhì)組成主要為三疊系（T）板巖、砂質(zhì)板巖和砂巖塊石，粒徑多在6～30 cm，最大粒徑約120 cm，結(jié)構(gòu)松散凌亂.殘坡積物的物質(zhì)組成主要為坡面風(fēng)化的板巖、砂巖碎屑，粒徑大小不一.流域內(nèi)松散固體物質(zhì)體積約32×104m3，其中，4處礦山開采點(diǎn)形成的廢石棄渣隨意堆放在硐口外的山坡和溝道內(nèi)，體積約26×104m3，占固體物質(zhì)總量的81%，且隨著礦山開采規(guī)模和開采深度的增大，廢石棄渣仍在不斷增長.固體松散物質(zhì)的大量增加為泥石流的產(chǎn)生提供了豐富的物質(zhì)來源.

2 研究方法

2.1 FLO－2D軟件概況

FLO－2D軟件是O’Brien于1988年開發(fā)的基于非牛頓流體模型及中央有限差分?jǐn)?shù)值方法的泥石流模擬軟件［19］.該軟件可以完整分析泥石流的運(yùn)動(dòng)特征及流變狀態(tài)，在預(yù)測泥石流堆積范圍以及劃分危險(xiǎn)性評價(jià)分區(qū)方面取得了較好的效果.

2.2 模擬參數(shù)取值

模擬所需的地形數(shù)據(jù)采用簸箕溝流域1∶1萬等高線，在ArcGIS軟件中生成DEM數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為ASCⅡ格式，導(dǎo)入FLO－2D后構(gòu)建10 m×10 m的網(wǎng)格模型.模擬計(jì)算所需的流變參數(shù)通過現(xiàn)場調(diào)查以及查閱FLO－2D手冊確定.其中，簸箕溝在50 a及100 a降雨重現(xiàn)期頻率下的暴雨洪峰流量及泥石流峰值流量參數(shù)見表1，其余模擬參數(shù)見表2.

表1 不同降雨頻率下的暴雨參數(shù)取值表Table 1 Rainstorm parameters under different rainfall frequencies

表2 模擬參數(shù)取值表Table 2 Value table of simulation parameters

3 模擬結(jié)果及精度驗(yàn)證

3.1 泥石流運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)模擬結(jié)果

按照降雨強(qiáng)度重現(xiàn)期50 a（P＝2%）和100 a（P＝1%）的降雨頻率條件對簸箕溝泥石流的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得泥石流暴發(fā)過程中的流體堆積深度、流體速度、沖出溝口物源量、堆積扇面積和體積等數(shù)據(jù)，模擬結(jié)果見表3和圖3.

表3 泥石流運(yùn)動(dòng)過程模擬計(jì)算結(jié)果Table 3 Simulation results of debris flow movement process

由這2種降雨重現(xiàn)周期的模擬結(jié)果可知堆積范圍、最大流速以及平均流速隨著重現(xiàn)周期的變長而增大.堆積的深度從出溝口往中部逐漸增加，在中部停滯，而后往前動(dòng)力漸小，隨即堆積厚度越來越小.堆積扇中部區(qū)域一般為最深堆積區(qū)域，泥石流堆積區(qū)兩翼及堆積前端的深度一般小于泥石流堆積區(qū)的中部.在地形上，堆積扇偏向上游的區(qū)域堆積深度較大，偏向下游的區(qū)域堆積深度較小.堆積區(qū)中部的流體流速明顯大于兩翼及前段.

3.2 泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)模擬結(jié)果

泥石流影響強(qiáng)度的判定通過泥深或者泥深與流動(dòng)速度相結(jié)合的方式表達(dá)，對泥石流強(qiáng)度按照表4進(jìn)行劃分［20］.對于泥石流的重現(xiàn)周期，因該泥石流屬于暴雨型泥石流，泥石流發(fā)生的頻率可認(rèn)為與暴雨發(fā)生的頻率一致，綜合考慮泥石流影響強(qiáng)度與發(fā)生頻率兩個(gè)指標(biāo)可通過表5綜合確定泥石流的危險(xiǎn)性［20］.本次調(diào)查根據(jù)不同頻率下泥石流的強(qiáng)度和泥石流發(fā)生頻率對泥石流區(qū)域進(jìn)行危險(xiǎn)性的劃分，得到泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)圖（圖4）.

圖4 不同降雨頻率下的泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)圖Fig.4 Hazard zoning maps of debris flow under different rainfall frequencies

表4 泥石流影響強(qiáng)度判別表Table 4 Discrimination of debris flow influence intensity

表5 泥石流危險(xiǎn)性綜合判別表Table 5 Comprehensive discrimination of debris flow risk

降雨頻率P＝2%（重現(xiàn)期50 a）的泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果為：危險(xiǎn)區(qū)面積10.58×104m2.其中高危險(xiǎn)區(qū)面積5.15×104m2，占比48.7%；中危險(xiǎn)區(qū)面積3.20×104m2，占比30.2%；低危險(xiǎn)區(qū)面積2.23×104m2，占比21.1%.危險(xiǎn)區(qū)范圍涵蓋了溝口兩側(cè)寬約170 m，長約60 m范圍內(nèi)的區(qū)域，主要威脅溝口附近的房屋2棟、村道100 m、農(nóng)田2.3 hm2.

降雨頻率P＝1%（重現(xiàn)期100 a）的泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果為：危險(xiǎn)區(qū)面積12.02×104m2.其中高危險(xiǎn)區(qū)面積6.49×104m2，占比54.0%；中危險(xiǎn)區(qū)面積3.22×104m2，占比26.8%；低危險(xiǎn)區(qū)面積2.31×104m2，占比19.2%.危險(xiǎn)區(qū)擴(kuò)大到了溝口兩側(cè)寬約260 m、長約180 m范圍內(nèi)的區(qū)域，主要威脅溝口附近的房屋9棟、村道135 m，鄉(xiāng)道210 m，農(nóng)田3.2 hm2.

通過FLO－2D數(shù)值模擬結(jié)果可得出：在降雨重現(xiàn)期為50 a及100 a降雨頻率下，簸箕溝泥石流的危險(xiǎn)區(qū)均集中分布于泥石流主溝道、支溝溝道以及溝口一定范圍內(nèi)，這些區(qū)域容易遭受泥石流破壞，相應(yīng)地也是泥石流的防治區(qū).截至2019年調(diào)查時(shí)期，簸箕溝的主溝及支溝溝道內(nèi)幾乎無房屋等建筑，在溝口處為泥地族村居民點(diǎn)、農(nóng)田及公路，針對該泥石流溝還未實(shí)施有效的工程治理措施.因此，泥石流威脅的溝口范圍區(qū)為人口及財(cái)產(chǎn)易損區(qū)，也是重點(diǎn)防治區(qū)，建議從加強(qiáng)礦山棄渣的科學(xué)管理、泥石流監(jiān)測預(yù)警及防治工程建設(shè)等方面開展泥石流災(zāi)害防治工作.

3.3 模擬結(jié)果精度驗(yàn)證

簸箕溝曾于2012年5月10日暴發(fā)一次降雨重現(xiàn)期為50 a的泥石流，淤積毀壞溝口附近農(nóng)田近1 hm2.為驗(yàn)證本次模擬結(jié)果的精度，將同一降水頻率（2%）下模擬的堆積面積與“5·10”泥石流實(shí)際堆積面積進(jìn)行對比，具體數(shù)據(jù)見表6.模擬精度計(jì)算公式［21］如下：

表6 實(shí)際堆積面積與模擬堆積面積對比Table 6 Comparison between actual and simulated accumulation areas

式中，A為模擬精度；Sa為泥石流實(shí)際堆積范圍面積；Sn為泥石流模擬堆積范圍面積；S0為模擬堆積范圍與實(shí)際堆積范圍的重疊區(qū)面積.

根據(jù)計(jì)算得出，本次模擬精度達(dá)到76.33%，符合精度要求，表明模擬結(jié)果與實(shí)際情況基本相符，可信度較高.分析造成模擬堆積區(qū)面積比實(shí)際堆積區(qū)面積偏大的原因在于：簸箕溝泥石流為一典型的礦山泥石流，其固體物源主要來自礦山棄渣.本次模擬采用的數(shù)據(jù)均來自2019年的野外實(shí)地調(diào)查，與2012年“5·10”泥石流相比，隨著簸箕溝流域內(nèi)人類采礦活動(dòng)的不斷進(jìn)行，堆積的礦山固體棄渣數(shù)量逐年增多，具有動(dòng)態(tài)性及累積性，為泥石流暴發(fā)提供了更為豐富的固體物源.因此，本次模擬采用的泥石流容重及體積濃度等參數(shù)取值要比2012年偏大，造成了兩者堆積面積的差異，這也是符合現(xiàn)實(shí)情況的.

4 結(jié)論

（1）簸箕溝泥石流的堆積扇范圍、堆積深度以及平均流速等運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)隨著降雨重現(xiàn)周期的變長而增大.堆積扇中部的堆積深度及流速明顯大于兩翼及前端，堆積扇偏向上游的區(qū)域堆積深度較大，偏向下游的區(qū)域堆積深度較小.

（2）簸箕溝泥石流的危險(xiǎn)區(qū)集中分布于泥石流主溝道、支溝溝道以及溝口一定范圍內(nèi)，危險(xiǎn)區(qū)面積隨著降雨重現(xiàn)周期的變長而增大，高危險(xiǎn)區(qū)面積比例由48%（P＝2%）升高至54.0%（P＝1%）.泥石流主要威脅對象為溝口附近的房屋、公路及農(nóng)田，建議從加強(qiáng)礦山棄渣的科學(xué)管理、泥石流監(jiān)測預(yù)警及防治工程建設(shè)等方面開展泥石流災(zāi)害防治工作.

（3）通過驗(yàn)證，本次FLO－2D的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況基本相符，模擬精度達(dá)到76.33%，可信度較高.本研究為研究礦山泥石流的運(yùn)動(dòng)特征及危險(xiǎn)性評價(jià)提供了一種新的思路和方法，同時(shí)也期望為該地區(qū)及其他地區(qū)的泥石流災(zāi)害防治及國土空間規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)及參考.