泥石流运动过程模拟分析

李 栋，孙 璐，徐 悦

（西藏大学工学院，拉萨 850000）

泥石流是一种常见的山区灾害，其在形成发育过程中会携带、铲刮地表的块石泥沙等，故破坏力巨大[1]。青藏高原周边及其临近的地形急变带是泥石流灾害的多发区[2]，常由冰雪崩、冰雪融水、冰湖溃决等冲击下部冰碛物从而形成泥石流[3-4]，相较于暴雨型泥石流，冰雪融水和降水共同作用形成的冰水混合型泥石流的规模更大，运动演进距离更长，破坏性更强，严重威胁下游社区居民点和基础设施。西藏自治区东南部具有广布的冰川、多山的地形和丰富的降水，易发冰水混合型泥石流[5]。近年来，随着全球气候变暖和极端气候事件增加，该地区泥石流灾害的频次和强度都有所上升，对当地社区、交通和经济活动带来严重影响。色东普沟位于雅鲁藏布江大拐弯处，历史上曾发生多起大规模冰崩形成的冰川泥石流，堵塞河道数天；扎木弄沟暴发过多起泥石流，对当地生产生活造成严重影响；古乡沟与天摩沟在历史上也暴发过多起冰水混合型泥石流灾害。腊月弄巴曲沟位于西藏自治区林芝市，该区域因其独特的地理、气候特征和脆弱的生态系统，呈现出复杂的泥石流发展模式。本文通过数值模拟对腊月弄巴曲沟泥石流事件进行运动过程的重演，以期为泥石流灾害预防提供有效的技术支撑。

1 研究区概况

研究区位于林芝市拉月曲右岸，为高山流水切割构造地貌，河流深切，两侧山势陡峻，相对高差大，植被稀疏，地形地貌及地质条件极为复杂。面积为98.75 km2，长度为22.88 km，最高点位于西南方，海拔为6 442.3 m，沟口为最低点，海拔约为2 414.5 m，相对高差为4 027.8 m。腊月弄巴曲沟为枫叶状，沟道较为笔直，沟道内发育有巨厚冰碛物。

1.1 地层岩性

研究区主要出露南迦巴瓦岩群及第四系地层，南迦巴瓦岩群主要由直白岩组、派乡岩组和多雄拉混合岩三套岩石组成，三者之间均以韧性剪切带分隔。经现场踏勘，腊月弄巴曲沟流域内主要出露的基岩为多雄拉混合岩和直白岩组，第四系包括冰积层、冰水堆积层、泥石流堆积层、残坡积层和冲积层，广泛分布于各级河流、山谷等区域内，成因有冰川退缩后遗留的冰碛物，也有两岸边坡的崩塌、滑坡的堆积。这些在沟道内堆积的巨厚冰碛物在受到上游冰崩的冲击后极其容易启动，造成沟口处的河流堵塞。

1.2 地质构造

研究区位于喜马拉雅山脉的东端，地处雅鲁藏布江缝合带，属于同著名的西喜马拉雅构造结遥相呼应的东构造结。由于印度洋板块和亚欧板块的激烈碰撞，该区域地壳活动极其强烈。研究区经历了雅鲁藏布江的生成、俯冲、闭合和印度洋板块-欧亚板块陆-陆碰撞以及碰撞后陆内汇聚阶段的逆冲、伸展、隆升、走滑、变质、熔融等地质作用，是喜马拉雅山造山带中最引人瞩目的地区之一，也是青藏高原上隆升和剥蚀速率最快的地区之一。

1.3 气象水文

研究区属高原温带半湿润季风气候区，气候较干燥，年无霜期为170 d。气候特点为降水集中，雨热同季，蒸发量大。据水文观测站监测，年降水量最高可达891.9 mm，月最大值为391.6 mm，年平均降水量为624.97 mm；24 h 最高降水量可达53.0 mm，最大1 h 降水量为6.15 mm。1—10月平均气温为8.2 ℃，汛期平均气温为14.3 ℃，气候特点为降水集中，雨热同季，蒸发量大。研究区降水极为丰富，集中于6—9月，该时间段内地质灾害频发。

2 发展趋势预测

随着全球气候逐渐变暖，高海拔地区地质灾害不断加剧，下面模拟极端情况下潜在物源崩滑对拉月曲的影响。

2.1 物源发育特征

经过多期遥感影像数据的对比和实地的野外踏勘，查出腊月弄巴曲沟的物源主要分为三种类型，即冰碛物物源、沟床内的崩坡积物、上游的崩滑物源。腊月弄巴曲沟内的冰碛物物源主要分布在流通区上游沟道内，物源储量约为2.0×106m3；沟床内的崩坡积物源多分布在沟道两侧，物源储量为1.2×106m3；两侧高大山体上冰川广布，冰川上冰裂缝较为发育，潜在冰崩体储量为3.4×105m3。

2.2 气象变化

水热组合和长期的气候变化是冰水混合型泥石流形成的重要诱因，根据统计数据，自1981年以来，青藏高原大气升温速率为0.60 ℃/10 a。1956—2023年，除1959年出现低温，其余年份西藏东南部的平均气温整体呈升高趋势，2023年平均气温达到最高值（11.47 ℃）。1960—2023年，西藏东南部降水量总体呈增加趋势，相对于气温的增加，降水的变化趋势并不明显，变化倾向率为6.66 mm/10 a。根据统计数据，研究区的降水主要集中在6—9月，6—9月降水量约占全年降水量的75%，月均最大降水量大多出现在7月、8月，最小降水量由原来的1月、2月变为现在的12月。降水具有明显的季节性差异，春、冬降水少，夏秋降水量大且集中，极易引发自然灾害。在全球气温不断变暖的大环境下，长年冻土与积雪消融加剧叠加夏秋季节集中的降水，为冰水混合型泥石流的发生提供一定条件。

3 基于Massflow 软件的泥石流运动特征模拟

泥石流研究的难点在于观测困难，室内试验无法完全重现，随着计算机技术的飞速发展，数值模拟在一定程度上解决运动过程重现的问题。Massflow 软件可利用高精度数字高程模型（DEM）数据对滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的运动全过程进行模拟。程序是基于深度积分的连续介质力学理论对流体动力学三维纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程进行深度积分，从而推导出质量守恒方程、动量守恒方程。

3.1 模拟流程及参数选取

通过ArcGIS 软件程序构建地形、物源等的数字高程模型，并输出Massflow 软件的数据格式。在Massflow 软件环境中完成控制参数设计和模拟计算过程，并将成果输出至ArcGIS 软件平台，进行结果的可视化。Massflow 软件提供库伦、曼宁、沃米等不同的基底摩擦模型进行选择。本文采用沃米模型对腊月弄巴曲沟潜在物源的泥石流运动过程进行模拟分析。结合参考资料、实地调查以及多次反演，本次数值模拟选取的摩擦系数为0.12，湍流系数为600。

3.2 模拟结果

利用Massflow 软件模拟腊月弄巴曲沟运动过程。第一阶段，在持续高温影响下，冰川上部发生消融，产生裂隙，发生崩解滑塌，在重力作用下铲刮坡面，冲击下方冰碛物。此时段最大泥深为6 m。第二阶段，崩滑体在加速度的影响下直接冲入主沟，继续向下运动。在构造、地震及人类活动的影响下，流通区松散物源较多。在其运动过程中，不断侵蚀、铲刮表层土壤及植被。第三阶段，崩滑体由流通区进入堆积区，速度逐渐放缓，沿河道逐渐堆积。第四阶段，运动过程结束，堆积物占据拉月曲河道，堆积面积为419 795 m2，最大堆积深度为9 m。最后时刻泥深与流速分布如图1所示。

图1 最后时刻泥深与流速分布

4 结论

腊月弄巴曲沟位于拉月曲上游，流域面积为98.75 km2，长度为22.88 km，最高点位于西南方，海拔为6 442.3 m，沟口为最低点，海拔约为2 414.5 m，相对高差为4 027.8 m。本文结合腊月弄巴曲沟的流域基本特征，模拟上游潜在物源在极端条件下发生泥石流后的特征参数。腊月弄巴曲沟的物源主要分为3 种类型，即冰碛物物源、沟床内的崩坡积物、上游的崩滑物源。腊月弄巴曲沟运动过程分为4 个阶段。第一阶段，冰川上部在持续高温影响下发生崩解滑塌，在重力作用下铲刮坡面；第二阶段，崩滑体在加速度的影响下直接冲入主沟，继续向下运动；第三阶段，崩滑体由流通区进入堆积区，速度逐渐放缓，沿河道逐渐堆积；第四阶段，运动过程结束，堆积物占据拉月曲河道，堆积面积为419 795 m2，最大堆积深度为9 m。