基于FLO-2D的四川小金县炭厂沟危险性评价

安昱丞 田野 夏雨璇 杨晓洁 张楚韩

摘 要：【目的】研究炭厂沟泥石流爆发时的危险性。【方法】以炭厂沟1：5 000等高线、50年降雨数据和掩膜作为基础，结合现场勘察情况，运用FLO-2D和GIS软件，模拟炭厂沟在不同降雨频率下（10%、5%、2%和1%）泥石流的运动堆积过程。【结果】以1%降雨频率为例，模拟出的最大泥石流流速为20.97 m/s，最大泥石流流深为7.7 m，堆积面积为33 175 m?。极端危险区范围占比81.8%，具有极高的危险性。对比模拟计算流速与公式计算流速来验算精确度，结果显示可靠性高。【结论】通过选用流速和泥深作为泥石流危险度分区的定量指标，得到炭厂沟泥石流的危险性分区图，为该流域的灾害防治提供科学的参考依据。

关键词：FLO-2D；危险性评价；炭厂沟；泥石流；数值模拟

中图分类号：P642.23                文献标志码：A                 文章编号：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

炭廠沟位于小金县宅垄乡鸡心村二组，为小金川的一级支流，炭厂沟于2004年发生过大型泥石流，堵塞沟口处的小金川长达2 h。该地区每年在雨季都会发生规模不等的泥石流；在最近的一次地震中，流域内发生了多处崩塌，形成了新的物源，堵塞了沟道，若遇强降水，会形成一定规模的泥石流，威胁下游沟口处的居民生命及财产安全，并对生态环境造成破坏。

颜恒明［1］借助FLO-2D对干沟进行了风险性分析；唐得胜［2］对龙溪河地区做了不同频率的泥石流数值模拟；周小军等［3］对核桃沟模拟分析，并提出一些建议；王子亮等［4］对安宁河冷渍沟做了危险性分析；张奋翔等［5］对西藏若如村泥石流做了精确率很高的危险性评价图。因此，本研究基于FLO-2D软件对炭厂沟进行泥石流模拟，并对其危险性进行评价，以期为该地区的风险评估提供参考。

1 研究区域概况

炭厂沟位于小金县宅垄乡鸡心村二组，东距县城美兴镇约15 km，在省道303线（小丹路）小金河对岸，因距离较近，一旦发生泥石流会对省道产生较大影响。

研究区属于小金川一级支流，为中等切割的高山峡谷地貌，受区域整体间歇性抬升和河流强烈下切侵蚀作用的影响，区内山势巍峨，沟谷深切，呈现出强烈隆升深切割的中高山、高山地貌。炭厂沟泥石流沟口位于小金川右岸一级阶地，上游地形坡度陡峻，地形坡度在30°～45°，属风化剥蚀斜坡地貌。勘查区最高地形约5 500 m，最低地形为约2 990 m，相对高差为2 510 m。

炭厂沟泥石流流域地势N高SE低，沟道长约8.0 km，流域面积约13.0 km?。沟道两侧边坡较陡，上游沟谷断面形态大部分呈“U”字形，下游沟道呈“V”字形，局部呈“U”字形，沟床纵坡降330%～370%，平均350%。居民主要聚居在堆积扇体上，约有居民22户100余人，居民区外为茂密果园。炭厂沟汇入小金川，入河口标高为2 990 m。

近50年来最大降水量为739.1 mm，年日最大降水量37.1 mm，日最大平均降水量30.1 mm；小时最大降水量28.4 mm，小时最大平均降水量15.6 mm；10分钟最大降水量15.3 mm，10分钟最大平均降水量9.0 mm。该区激发泥石流形成的暴雨条件是充分的。

2 FLO-2D基本原理

运用FLO-2D［6］模拟泥石流运动时，主要利用中央有限差分法求解运动控制方程。控制方程包含连续方程和运动方程，分别控制泥石流体积质量守恒和力平衡的动量守恒，即连续方程为式（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为时间；i为降雨强度；[Vx]为x方向的平均流速；[Vy]为y方向的平均流速；h为流动深度；g为重力加速度；[Sfx]和[Sfy]分别是x、y方向摩擦坡降；[Sox和Soy]分别是x、y方向沟床坡降。

同时，FLO-2D模拟泥石流流动是基于多方向的一维流体建立二维流体的模拟过程，并通过流变方程来控制泥石流的流动过程，其中流变方程为式（4）。

[Sf=Sy+Sv+Std]

[=τyγmh+kηu8γmh2+ntd2u2h43] （4）

式中：[Sy]为屈服坡降；[Sv]为黏滞坡降；[Std]为紊流－扩散坡降；[τy]为屈服应力；[η]为黏滞系数；[γm]为泥石流体单位重；k为层流阻滞系数；[ntd]为等效曼宁系数。

3 参数选取

FLO-2D数值模拟选取的模拟参数有：等效曼宁系数[n]，泥石流土石材料比重Gx和体积浓度[Cv]，层流阻滞系数[K]，泥石流的屈服应力[τ]及黏滞系数[η]，暴雨洪峰流量[Qp]和泥石流峰值流量[Qc]。

3.1 等效曼寧系数n

在泥石流模拟过程中，曼宁系数代表了地面的粗糙程度，对于沟道中的泥石流运动有着一定影响，根据FLO-2D手册给出的建议值范围，再结合炭厂沟流域的实际地表状况，取炭厂沟的曼宁系数为0.2，堆积区为0.12。

3.2 泥沙体积浓度[Cv]

本研究通过模拟实验测得泥石流重度，根据实际调查访问，结合泥石流堆积扇，在现场配制，采用称重法进行测定。现场配方试验得，泥石流平均重度[γc]为1.648 t/m3。

根据对泥石流体积浓度计算为式（5）。

[Cv=γc-γwγs-γw] （5）

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

3.3 层流阻滞系数K

泥石流在流动期间会受到各种阻力，其会影响泥石流的运动过程，该阻力与层流阻滞系数息息相关。本研究参考Woolhiser［7］的相关数据和FLO-2D使用手册见表1，取[K=2 240]。

3.4 流变系数

参考OBrien中的建议值见式（6）、式（7）。

[η=α1eβ1Cv] （6）

[τy=α2eβ2Cv] （7）

本研究炭厂沟流域取[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计算手册》推荐的水科院推理公式［8］计算设计频率条件下的洪水洪峰流量。泥石流流量计算利用流域可能产生的最大清水流量为依据，模拟不同重现周期下泥石流冲淤过程，选取不同的修正系数，根据FLO-2D使用手册，将洪峰流量乘以放大因子（BF）可得到泥石流最大流量，结果见表2。

3.6 模拟时间

根据松散固体物源分布、泥石流流速和模拟结果等因素综合考虑，与确定清水流量过程线时保持一致，为600 s。

4 炭厂沟泥石流模拟

在FLO-2D中导入ascii文件后，结果如图2所示，本研究选择选用5 m×5 m精度，圈定计算区域，选择曼宁系数和其他泥石流参数，后设置集水点相应的清水流量。选取参数见表3。

在10年、20年、50年和100年一遇降雨频率下，获得了炭厂沟流域泥石流在爆发时的堆积深度和流速，结合GIS得到了危险等级分区。模拟结果见图3至图5。

5 模拟结果危险性分析

5.1 模拟准确度分析

本研究将公式计算与模拟的结果进行比较，以验证模拟的效果，以50年一遇为例（04年）结果见表4。

可以看出，两者之间具有1.0%～18.3%的误差，在合理的范围内，证明此方法的可信度。

5.2 危险性模拟结果分析

泥石流评价的危险性主要是由泥石流的影响力和强度来衡量的。泥石流的影响力和泥石流强度，主要是通过泥石流的流速和泥深来决定。本研究结合参考唐川等［9］提出的危险性分区方法将其分为四种危险等级，见表5。

再将分区参数结合GIS进行测算，得到不同降雨频率下的各危险区面积，及其所占比例，如图6所示。

由模拟结果分析可以看出，泥石流危险性很高，沟道内和下游堆积扇，大多为极度危险区，建议避开此区域。根据表5及图6可以看出，降雨10年一遇时，极度危险区占比48 %；降雨20年一遇时，极度危险区占比53.6%；降雨50年一遇时，极度危险区占比74%；降雨100年一遇时，极度危险区占比81.8%。随着降雨频率的增大，100年一遇时，轻度危险区以上占比82.1%。

6 结论

本研究借助FLO-2D和GIS对炭厂沟在4种重现周期（10年，20年，50年，100年）下的泥石流爆发过程做了模拟，得到了如下结论。

①得到了沟道和堆积区的泥石流运动和堆积特征，随着重现周期的增大，极端危险区的范围随之增加。

②极端危险区占比82%，应该加强该流域的防灾减灾工作和泥石流预警管理，做好防治措施，例如在流通区沟道及堆积区前设置若干谷坊坝或拦挡坝等。

③本研究以数值模拟得到的数据为基础，探讨了炭厂沟流域危险性，该模型运用快捷简单，取得了较好的结果。

参考文献：

［1］颜恒明.基于FLO-2D的干沟泥石流风险评价［D］.成都：西南交通大学，2017.

［2］唐得胜.基于FLO-2D模型的不同频率泥石流数值模拟研究［D］.成都：成都理工大学，2014.

［3］周小军，黄永威，姜元俊.基于FLO-2D的核桃沟泥石流数值模拟分析［J］.现代隧道技术，2019，56（S1）：231-238.

［4］王子亮，常鳴，刘沛源，等.安宁河流域典型沟谷泥石流危险性评价：以冷渍沟为例［J］.中国地质灾害与防治学报，2022，33（3）：31-38.

［5］张奋翔，张路青，周剑，等.基于FLO-2D的西藏若如村泥石流危险性分析［J］.水资源与水工程学报，2019，30（5）：95-102.

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

［7］WOOLHISER D A.Simulation of unsteady overland flow［J］.Water resources publications，1975，2：485-508.

［8］四川省水电局.四川省水文手册［M］.成都：四川省水利电力局水文总站图书出版社，1984.

［9］唐川，刘希林，朱静.泥石流堆积泛滥区危险度的评价与应用［J］.自然灾害学报，1993（4）：79-84.