Hazard assessment of typical gully debris flow in Anning river：A case study at the Lengzi gully
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摘要: 冕宁县安宁河流域为地质灾害密集分布区，安宁河断裂穿越于此，构造复杂，冷渍沟在上游左岸发育。在强降雨条件下，该沟就会暴发泥石流，堵塞安宁河流域和掩埋杀叶马村房屋和道路。冷渍沟泥石流具有流域面积小，主沟长度短，沟床纵比降大等特征，为了研究安宁河流域内泥石流的危险性，以冷渍沟为例，分析不同降雨周期下的泥石流暴发强度，模拟泥石流的运动过程并进行危险性评价。模拟的最大流速、最大堆积深度和降雨强度三者结合建立冷渍沟泥石流危险性评价模型。研究结果表明，冷渍沟泥石流危险范围内高危险区域占27%，主要集中在松散固体物质较多的沟道，中危险性区域和低危险区域各占56%和17%，该结论为危险范围内的居民和重点设施的风险管控提供参考。Abstract: The Anning river basin is a densely distributed area of geological hazards, where the Anning river rift crosses, with complex tectonics and the Lengzi gully developing in the upper left bank. The gully is subject to mudslides under heavy rainfall conditions, blocking the Anning river basin and burying houses and roads in the village of Yema. Lengzi gully debris flow has the characteristics of small area,a short main trench and a large channel longitudinal slope. To explore these damage, taking Lengzi gully as an example, the intensity of debris flow burst under different rainfall cycles is analyzed, and the movement process of debris flow is simulated and the risk assessment is carried out. Combined with the simulated maximum flow velocity, maximum accumulation depth and rainfall intensity,the hazard assessment model is established.The results show that in the danger range of Lengzi gully debris flow, the high risk area accounts for 27%, mainly distributed in the channel with more loose solid materials, and the medium risk area and low risk area account for 56% and 17%, respectively. this conclusion provides a scientific basis for the monitoring and early warning of key facilities in the danger range.
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Keywords:
- Lengzi gully /
- FLO-2D /
- gully debris flow /
- hazard assessment
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0. 引言
按照高山斜坡地貌特征进行分类，沟谷型泥石流和坡面型泥石流为最主要的两种泥石流类型 [1]。因为沟道具备急陡的特征，在强降雨条件下，泥石流以两种形式暴发：席卷垮塌体和沟床揭底 [2]。在调查冕宁县境内129个乡镇中，31个乡镇处于泥石流极高危险区[3]。
目前国内外已有许多研究学者利用不同的技术手段展开泥石流危险性评价的研究，其中比较青睐的是数值模拟软件（FLO-2D）。Bertolo等[4]运用FLO-2D模拟了小流域泥石流运动淤积过程，龚柯等[5]对汶川县绵虒镇泥石流进行了综合危险性等级评价运用FLO-2D，Christen等[6]研究讨论了泥石流的危险性评价，利用泥石流暴发概率的方法来实现，Nocentini等[7]运用一种DAN-W与FLO-2D结合的动态代码的分析方法评估潜在泥石流的巨大危险性，Quan等[8]通过泥石流数值模拟软件（FLO-2D）得到泥石流危险性综合评价结果，余宏明等[9]选取了8个因子并采用模糊数学方法建立危险度评价模型，詹钱登等[10]充分利用FLO-2D模型对中华台北地区的泥石流进行危险性的评价，曹鹏等[11]利用FLO-2D软件对泥石流进行了危险型分析，对泥石流的防治提供了参考，唐川等[12]通过野外考察和实地实验测量，确定了典型地区典型泥石流危险性评价的主要因子，崔鹏等[13]创建了一套研究体系，用来评估泥石流动力过程的危险性与风险管理理论与方法。牛全福等[14]利用灰色关联度等四种方法进行泥石流危险性评估，并得到了危险性评价图，常鸣等[15]利用FLO-2D模型获取泥石流危险性数模模拟结果，以此构建危险性分布图。林文等[16]利用FLOW-R和FLO-2D耦合模型对四川省都江堰市麻柳沟泥石流开展危险性评价分析研究，为泥石流灾害监测预警提供建设性建议。
冷渍沟泥石流沟道物源丰富，每年都有不同程度的暴发[17]。沟口处有房屋、道路和安宁河干流，一旦强降雨触发泥石流灾害，将可能造成人口伤亡和财产损失。评价其危险性十分必要。因此，本文研究泥石流危险性特征，模拟了冷渍沟泥石流的运动过程，并根据冷渍沟流域特征，建立适合于冷渍沟的危险性模型，最后获取冷渍沟泥石流危险性评价结果，最终得到冷渍沟危险性评价图，为重点区域内的防范提供评估建议。
1. 冷渍沟流域概况
冷渍沟泥石流位于凉山彝族自治州境内安宁河流域上游，流域面积约0.62 km2，主沟较长约1.49 km，沟床平均纵比降约364‰，高差约542 m。侵入岩和后期沉积岩为流域内主要地层类型。早期的侵入岩主要是印支期斜长花岗岩（
$ \gamma_{05}^1$ ）；后期的沉积岩地层主要以三叠系上统白果湾群（T3-J1bg）的泥灰岩、炭质泥岩及砂岩为主。大量角砾岩、糜棱岩及断层泥在沟内存在。全新统残、坡积堆积层（${\rm{Q}}_4^{{{dl+el}}}$ ）和冰水堆积层（${\rm{Q}}_3^{{{gl+fgl}}}$ ）为主要的第四系地层（图1、图2）。![]()
图 1 冷渍沟流域地理位置及构造纲要图Figure 1. Geographic location and tectonic outline of Lengzi gully强烈抬升的新构造运动是该流域的最主要的构造特征。根据四川省地震局的震动烈度峰值分区与1∶400万《中国地震动参数区划图》（UB18306—2001）分区可知，冷渍沟流域的地震动峰值加速度为0.3 g，地震基本烈度为VIII度。
研究区属亚热带季风气候。年均降水量在1000 mm以上，年际变化不明显。每年的6—9月降雨量最为集中，最高可达834.4mm，在全年降雨中占比较大，主要以局部暴雨为主。
冷渍沟内曾在20世纪20—30年代就发生过大规模山体垮塌现象；20世纪50年代又陆续发生小规模山体垮塌，物源大多滞留在流域沟道及两侧的山体坡面上；在21世纪初期大规模山体滑坡又再次发生，随后演变成碎屑流，造成了人员伤亡及财产损失，2000年8月因为强降雨导致泥石流的暴发，以后每年陆续有不同危险程度的泥石流发生[17]。冷渍沟流域的物源主要集中在沟道上游位置，为泥石流的启动提供了很好的物质条件，沟道上游有1处大型滑坡的存在，在形成区两侧的边坡上有几处小滑坡的存在（图3）。
2. 冷渍沟泥石流数值模拟
2.1 FLO-2D模型
模拟软件采用的是水力方面广泛运用的FLO-2D，流体的流速和堆积深度是软件可控制的，它软件结果的呈现主要是通过数学方程来实现的[18]。该软件是通过连续方程和运动方程控制泥石流的质量守恒和动量守恒，见式（1）、（2）、（3）：
$$ {I}=\frac{\partial h}{\partial t}+\frac{\partial \left(uh\right)}{\partial x}+\frac{\partial \left(vh\right)}{\partial y} $$ (1) $$ {{S}}_{{\rm{{f}}}{x}}={S}_{{\rm{o}}{x}}-\frac{\partial h}{\partial x}-\frac{\partial u}{g\partial t}-u\frac{\partial u}{g\partial x}-v\frac{\partial y}{g{\partial }_{y}} $$ (2) $$ {{S}}_{{\rm{{f}}}{y}}={S}_{{\rm{o}}{y}}-\frac{\partial h}{\partial y}-\frac{\partial v}{g\partial x}-u\frac{\partial v}{g\partial x}-v\frac{\partial y}{g{\partial }_{y}} $$ (3) 式中：I——一次降雨强度；
t——时间/h；
u—溃决型泥石流在二维模型中x方向的平均流动速度/（m·s−1）；
h——泥石流的深度/m；
v——泥石流的平均流动速度（垂直方向）/（m·s−1）；
g——重力加速度/（m·s−2）；
x、y——流体运动过程中水平和垂直方向；
Sfx、Sfy——模拟过程中的摩擦阻力；
Sox、Soy——沟道的纵坡降。
2.2 参数选取
文中研究主要采用的是分辨率为2 m的DEM数据，该数据是由91卫图下载的等高线，在ArcGIS软件中生成的。然后在ArcGIS软件中将DEM格式的文件转换成可以直接导入模拟软件的ASCⅡ格式的图像文件，当做进行泥石流模拟的主要地形条件。根据遥感影像，解译沟道内物源情况，确定一个集水点具体位置，集水点是指泥石流模拟开始时启动的地方（图3）。
2.2.1 曼宁系数nc
在泥石流模拟过程中，曼宁系数代表了地面的粗糙程度，对沟道中水流运动有一定的影响，根据FLO-2D手册(表1)给出的建议值范围，再结合冷渍沟流域的灌木草地的地表状况，取冷渍沟泥石流的曼宁系数为0.18。
表 1 FLO-2D手册建议的曼宁系数值Table 1. Manning coefficient values suggested by the FLO-2D manual地表状况 曼宁系数值 地表状况 曼宁系数值 茂密草地 0.17～0.8 耕地 0.0008～0.012 植物茂密灌木草地 0.17～0.48 轮休耕地 0.06～0.22 杂林灌木、牧草地 0.3～0.4 传统耕地 0.06～0.16 一般草地植生 0.2～0.4 以整地农地 0.3～0.5 植物稀疏粗糙地 0.2～0.3 梯田 0.07～0.17 矮草原 0.1～0.2 无耕农作物 0.17～0.47 稀疏草原 0.05～0.13 有块石分布开阔地 0.1～0.2 有块石分布稀疏植被 0.09～0.34 沥青混凝土 0.02～0.005 2.2.2 泥沙体积浓度
根据对泥石流体积浓度计算见式4和陈长兴等[17]对冲沟冷渍沟沟道堆积物进行了一系列物理试验后得到体积浓度的各个参数。
$$ {{C}}_{\rm{v}}=\frac{\gamma_{\rm{c}}-\gamma_{\rm{w}}}{\gamma_{\rm{s}}-\gamma_{\rm{w}}} $$ (4) 式中： Cv——泥沙体积浓度；
γs——泥石流固体颗粒比重/（g·cm−3）；
γw——水的重度/（g·cm−3）；
γc——泥石流容重/（g·cm−3）。
取γc=2.0 g/cm3，γs=2.7 g/cm3，γw=1.0 g/cm3，最后得到Cv=0.6。
2.2.3 流变系数
在泥石流模拟过程当中还与泥石流的屈服强度及黏滞参数有关。
$$ \eta={\alpha }_{1}{e}^{{\beta }_{1}{c}_{{\rm{v}}}} $$ (5) $$ {\mathrm{\tau }}_{{y}}={\alpha }_{2}{e}^{{\beta }_{2}{c}_{{\rm{v}}}} $$ (6) 式中：
$\eta $ ——黏滞系数；α1、β1、α2、β2——经验系数；
${\mathrm{\tau }}_{{y}} $ ——屈服应力。各种流变系数的取值是根据詹钱登等研究学者进行一系列实验后得到的[10]。冷渍沟取α1=0.811，α2=0.00462，β1=13.72，β2=11.24。
2.2.4 层流阻力系数K
泥石流在较高体积浓度和屈服应力的作用下会出现分层流动的现象[19]，层流间的摩擦系数用K表示，根据 FLO-2D手册，选择K为2280，该手册上的取值是根据Woolhiser（1975）实地测定而得。
2.2.5 流量计算
在开始进行模拟前首先利用雨洪法对不同降雨周期下的清水流量进行综合计算，根据现场调查与模拟结果进行对比分析，实际暴发的泥石流堆积厚度与模拟结果中20年的降雨强度类似，再与《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》[20-21]结合，深入讨论20年、50年及100年的降雨强度，通过数学思想，最终可以得到冷渍沟的清水流量见式（7），通过《泥石流灾害防治工程勘查规范》以及《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》提供的式（8）计算不同程度降雨强度下的泥石流最大洪峰流量。
$$ {W}_{\rm{p}}=\psi 0.1H_{{T}{\rm{p}}}F=0.1HF $$ (7) $$ {Q}_{\rm{p}}=0.278\psi iF=0.278\varPsi (S/{\tau }^{n})F $$ (8) 式中：
$W_{\rm{p}}$ ——集水流域内洪水总量/（10 4 m 3）；ψ——径流系数；
$H_{T_{\rm{p}}}$ ——总时间为T的降雨总量/mm；F——集水点所在的流域面积/m2；
H——径流深度/cm；
$Q_{\rm{P}}$ ——不同降雨强度下的最大洪峰流量/（cm3·s−1）；i——平均最大暴雨强度/（mm·h−1）；
S——雨力系数/（mm·h−1）；
τ——流域汇流时间/h；
n——暴雨公式指数。
根据公式（7）和（8），结合《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》中的计算式（9）和式（10），从而得到冲沟冷渍沟流域范围内的清水流量过程线（图4）。
$$ T _{{\rm{P}}} = 2.78 ( W _{\rm{P}} /Q _{\rm{P}} ) $$ (9) $$ Q = yQ _{{\rm{P}}} ; T = xT_{{\rm{P}}} $$ (10) 式中：
$T_{\rm{P}}$ ——清水流量过程线洪峰历时/h；Q——清水流量过程线中各个时刻相对应的流量值/（cm3·s−1）；
T——清水流量过程线中不同时刻值/h；
x、y——四川省中小流域洪水计算手册中清水流量 过程线系数值。
在模拟过程中引入放大系数BF来把沟道内的侵蚀程度体现出来，BF由泥石流的体积浓度决定。表2为模拟参数的设置。沟道长度（L）在Google卫星地图上通过地形图测量得到。
表 2 冷渍沟泥石流20年一遇参数选取Table 2. The parameter of Lengzi gully under 20 years rainfall frequency流域面积F/m2 沟道长度L/km 屈服应力τy/MPa 黏滞系数η 层流阻力系数K 曼宁系数nc 0.62×106 1.49 4903 5704 2280 0.18 放大系数BF 径流深度H /cm 汇流时间τ/h 体积浓度/Cv 洪峰流量Qp/（cm3·s−1） 洪水流量Wp/104 m3 2.5 26 1.6 0.6 11.57×106 1.612 $$ {{BF}}= \frac{1}{1-C_{\rm{v}}} $$ (11) 3. 模拟结果及验证
根据不同的参数取值对不同降雨强度下的冷渍沟泥石流运动过程进行综合模拟，最终得到泥石流运动过程中最大堆积范围（图5）和流体的最大速度（图6）。20年一遇降雨强度下，泥石流未达到堵江状态；50年一遇的降雨强度下，淹没了杀叶马村的村道，流经该村的安宁河流域1/4被堵塞；100年一遇的情况下，安宁河流域1/3被堵塞。因为冲沟冷渍沟沟道中存在大量的固体松散物质，因此在不同降雨强度下，沟道的堆积深度和流体速度均要大于堆积区和沟道两侧。
在模拟了20年、50年及100年降雨强度情况的基础上，并与现场调查的实际情况结合分析可得，现场的泥石流堆积情况与模拟中20年一遇的降雨强度相当，并未达到50年和100年一遇的降雨强度，因此将20年一遇的降雨周期中的最大堆积范围， 并去野外实地考察的范围综合起来分析模拟结果的准确性，具体参见式（12），具体参数见表3，图7是冲沟冷渍沟泥石流数值模拟运动参数与实际观测结果验证图。
表 3 冲沟冷渍沟泥石流对比验证表Table 3. Comparison and verification table of debris flow in Lengzi gully泥石流沟道名称 设计频率 /% 最大冲出长度/m 最大冲出宽度/m 冲出范围/（104 m2） 精度/% 模拟 实际 模拟 实际 模拟 实际 重叠 冷渍沟 5.00 207.00 190.00 147.00 187.00 1.52 1.77 1.32 86 ![]()
图 7 冷渍沟20年一遇模拟结果验证Figure 7. Verification of the simulation results of Lengzhi gully once in 20 years$$ A=\frac{{S}_{0}}{\sqrt{{S }_{{\rm{m}}}\cdot {S }_{{\rm{r}}}}} $$ (12) 式中：A——模拟结果精度/%；
S0——实际堆积与模拟堆积重叠区域面积/km2；
Sm——模拟堆积面积/km2；
Sr——实际堆积面积/km2。
4. 危险性评价
研究结合降雨强度和泥石流强度开展冷渍沟泥石流危险性评价分析。通过模拟运动过程得到泥石流最大流速及最大堆积深度，参照常鸣等[22]针对泥石流最大流速和最大堆积深度得出的泥石流强度划分标准，得到冷渍沟泥石流强度划分表，具体见表4。
表 4 研究区泥石流强度划分表Table 4. Debris flow intensity division table in the study area危险等级 最大堆积
深度/m关系式 最大堆积深度/m与
最大流速/（m·s−1）乘积高 H≥2.5 OR VH≥2.5 中 0.5≤H<2.5 AND 0.5≤VH<2.5 低 H<0.5 AND VH<0.5 泥石流危险性评价划分标准图中的泥石流强度是由所模拟的3种降雨频率下的泥深和流速相乘而得到的。在FLO-2D软件中输入3种降雨频率的强度而得到泥石流危险性评价图，得到的危险性评价图是3种降雨频率综合得到的结果。
冷渍沟泥石流的暴发概率的划分是根据不同雨强下的模拟危险范围，再与实地考察的情况相结合得到的，综合两者起来分析，得到安宁河流域内冷渍沟泥石流危险性评价标准（图8）。
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图 8 冷渍沟泥石流危险性评价划分标准图Figure 8. Debris flow hazard assessment standards in Lengzi gully根据研究得到的泥石流危险性评价等级标准，高危险性，中危险性及低危险性3类作为安宁河流域冷渍沟泥石流的具体危险性等级划分标准，文中详细统计了这3类等级的所占的流域面积及地形地貌特征（图9）。
（1）高危险区域，该区域面积占27%，由于冲沟型泥石流沟道较窄，大量的松散堆积物堆积在沟道中，因此高危险区域在沟道中较集中。沟道两侧还有房屋，农田，一旦发生强降雨，将会造成财产损失和人员的伤亡。
（2）中等危险区域，该区域面积占56%，该区域所占研究区面积最大，主要分布在沟道两侧及堆积区。该区域房屋较少，主要是淤积现象对建筑物的损坏，要及时清淤，防止再次淤积对房屋及农作物造成损害。
（3）低危险区域，该区域面积占17%，主要分布在沟道两侧边坡底部，在暴发泥石流过程中，可能造成安宁河流域杀叶马村段的堵塞，造成流域水位升高，必要时对安宁河流域杀叶马村段的水位进行监测预警。
5. 结论
冷渍沟沟道内有大量松散堆积物的堆积。一旦发生强降雨，将会造成泥石流灾害的发生。对安宁河流域内冷渍沟泥石流的危险性进行评价，模拟冷渍沟泥石流暴发时的运动过程，建立20年、50年和100年一遇的降雨强度下的危险性评价模型。泥石流的最大堆积深度和最大流速决定了泥石流强度，再结合降雨强度，最终得到安宁河流域内冷渍沟泥石流危险性评价标准。
（1）流域面积小，流域边界不明显，主沟长度短，沟道纵比降较大等是安宁河流域内冷渍沟泥石流的最主要特征。
（2）根据室内遥感解译和野外现场调查情况来看，沟道内物源丰富，为泥石流的启动提供了很好的物质条件。模拟泥石流暴发时的运动过程，模拟结果与野外实测数据验证，在20年一遇的情况下，数值模拟的精度高达86%。
（3）从冷渍沟危险性评价图中可以看出，冲沟冷渍沟堆积危险范围内高危险区域面积占27%，中等危险区域面积占56%，低危险区域面积占17%。由于冲沟型泥石流沟道较窄，大量的松散堆积物堆积在沟道中，因此中，高危险区域在沟道中较集中。中、高危险区域内的房屋，道路和农作物极易受到泥石流灾害的损害，需要加强监测预警和重点防护。
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图 1 冷渍沟流域地理位置及构造纲要图
Figure 1. Geographic location and tectonic outline of Lengzi gully
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图 7 冷渍沟20年一遇模拟结果验证
Figure 7. Verification of the simulation results of Lengzhi gully once in 20 years
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图 8 冷渍沟泥石流危险性评价划分标准图
Figure 8. Debris flow hazard assessment standards in Lengzi gully
表 1 FLO-2D手册建议的曼宁系数值
Table 1 Manning coefficient values suggested by the FLO-2D manual
地表状况 曼宁系数值 地表状况 曼宁系数值 茂密草地 0.17～0.8 耕地 0.0008～0.012 植物茂密灌木草地 0.17～0.48 轮休耕地 0.06～0.22 杂林灌木、牧草地 0.3～0.4 传统耕地 0.06～0.16 一般草地植生 0.2～0.4 以整地农地 0.3～0.5 植物稀疏粗糙地 0.2～0.3 梯田 0.07～0.17 矮草原 0.1～0.2 无耕农作物 0.17～0.47 稀疏草原 0.05～0.13 有块石分布开阔地 0.1～0.2 有块石分布稀疏植被 0.09～0.34 沥青混凝土 0.02～0.005 
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表 2 冷渍沟泥石流20年一遇参数选取
Table 2 The parameter of Lengzi gully under 20 years rainfall frequency
流域面积F/m2 沟道长度L/km 屈服应力τy/MPa 黏滞系数η 层流阻力系数K 曼宁系数nc 0.62×106 1.49 4903 5704 2280 0.18 放大系数BF 径流深度H /cm 汇流时间τ/h 体积浓度/Cv 洪峰流量Qp/（cm3·s−1） 洪水流量Wp/104 m3 2.5 26 1.6 0.6 11.57×106 1.612
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表 3 冲沟冷渍沟泥石流对比验证表
Table 3 Comparison and verification table of debris flow in Lengzi gully
泥石流沟道名称 设计频率 /% 最大冲出长度/m 最大冲出宽度/m 冲出范围/（104 m2） 精度/% 模拟 实际 模拟 实际 模拟 实际 重叠 冷渍沟 5.00 207.00 190.00 147.00 187.00 1.52 1.77 1.32 86
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表 4 研究区泥石流强度划分表
Table 4 Debris flow intensity division table in the study area
危险等级 最大堆积
深度/m关系式 最大堆积深度/m与
最大流速/（m·s−1）乘积高 H≥2.5 OR VH≥2.5 中 0.5≤H<2.5 AND 0.5≤VH<2.5 低 H<0.5 AND VH<0.5
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