唐 勤，陈兴长，*，柳金峰，冯 鑫，谢奎琳
（1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；
2.中国科学院、水利部 成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041）
泥石流是一种常见的山地灾害，具有暴发突然、流速快、流量大、历时短、破坏性极强等特点。工程措施作为泥石流治理的重要手段，在泥石流防治中得到了广泛应用，对防灾减灾起到至关重要的作用[1]。但如果设计不当，质量不过关或遭遇超设计标准的泥石流时，仍然会造成危害，甚至加重危害[2-6]。然而，目前针对泥石流治理工程防治效果的研究依然较少。深入开展泥石流防治工程的防治效果研究，对优化防治方案和防灾减灾具有重要意义。
泥石流防治工程的防治效果评价方法有实验研究和数值模拟等。实验研究在探寻规律和优化设计方面具有重要意义，但由于实验设计时只考虑主要影响因素，实验结果很难直接应用到生产实践上。数值模拟可以以实际流域为模拟对象，具有成本低、重复性强等优点，适用于防治效果评价。常用的数值模拟方法有Debris-2D模型[7-8]和FLO-2D模型[9]等。FLO-2D是O’Brien提出针对洪水和泥石流模拟的软件，能够模拟流体的流动速度和淤积深度并合理预测泥石流威胁范围[10]，进行泥石流危险性评价[11-13]，对泥石流在不同降雨频率和不同工程条件下进行模拟[14-15]。FLO-2D数值模拟运用较为成熟，是研究泥石流防治工程效果的有效手段[16-18]。
本文以云南省迪庆藏族自治州德钦县直任龙曲为研究对象，在野外调查的基础上，基于FLO-2D模拟软件，利用研究区降雨参数和数字高程模型等数据，模拟不同频率泥石流的运动过程，对比自然条件下和有治理工程条件下的泥石流流速、冲出方量和淤积情况的变化，从而对泥石流防治工程效果进行评价。
1.1 区域概况
直任龙曲位于云南省迪庆藏族自治州德钦县。流域所在位置属于横断山三江并流区，剥蚀中山地貌，地形起伏大，流域狭窄，河谷深切呈典型的“V”型谷。德钦县属寒温带山地季风性气候，随着海拔的升高，气温降低，降水量增大。据中国气象科学数据共享服务网资料（2011—2020年）统计（表1），德钦县近10年平均降水量774.5 mm，降雨集中在7月和8月；
年平均降雪日56天，年平均气温6.2℃。直任龙曲为澜沧江一级支流阿东河的右岸支沟，该区域以雨水补给为主，6—10月为汛期，8月为流量峰值期。
表1 泥石流流域月平均降雨量统计
根据1∶20万区域地质资料，研究区位于澜沧江断裂带，德钦—沙冲大断裂从流域内部穿过，该断裂走向为NW-SE方向。断层的长期活动使得山体破碎，为泥石流活动提供了丰富的物源。
1.2 流域概况
直任龙曲沟流域呈阔叶形，流域面积30.69 km2，主沟长度10.99 km；
北西高南东低，最高点海拔4821 m，相对高差2192 m，主沟床加权平均纵坡219.83‰。流域整体地势高，海拔3500m以上区域占70%以上（表2、图1a）；
流域平均山坡坡度约38.5°，其中大于25°以上的区域占71.93%（表3）；
流域左岸上游山顶、沟道及沟口堆积处坡度较缓，流域右岸中下游山坡坡度较大（图1b）。
表2 直任龙曲流域地表高程分级统计
表3 直任龙曲流域坡度分级统计
图1 直任龙曲高程和坡度分级图Fig.1 Grading map of elevation and slope in Zhirenlongqu
流域内主要出露有三叠系、二叠系和元古界地层（图2）。岩性以碎屑沉积岩、砂质灰岩、凝灰岩、火山角砾岩为主。流域右岸出露有印支-燕山期的岩浆岩，岩性以黑云母花岗岩（γK2）和石英闪长岩（δοT）为主，下游出露有大理岩、片麻岩和石英片岩等。
图2 直任龙曲地质图Fig.2 Geological map of Zhirenlongqu
根据现场调查和遥感解译，流域内松散固体物源总量约585.7×104m3，可能参与泥石流活动的动储量为191.4×104m3（表4）。各类物源分布如图3所示。
图3 直任龙曲物源分布图Fig.3 The source distribution map of Zhirenlongqu
表4 直任龙曲泥石流物源统计表
经野外调查，直任龙曲为高频稀性暴雨型泥石流。沟口为阿东村，现有居民约48户268人，耕地约205亩，沟口有娘义公路经过。泥石流严重威胁着堆积区人民的生命财产和交通设施安全。为防止泥石流造成危害，对泥石流进行了治理，修建有三座拦砂坝和一个排导槽。目前，坝内有少量淤积，排导槽完整，槽底较干净（图4）。根据实测，排导槽长约540 m，槽宽约6 m，深3 m，槽底纵坡约9.8%；
槽底设有肋坎（图4b）；
拦砂坝坝高7～8 m，库容2000～6500 m3（表5）。
表5 直任龙曲沟拦砂坝参数表
图4 直任龙曲防治工程现状图Fig.4 Situation map of control projects of debris flow in Zhirenlongqu
FLO-2D是一个简单的体积守恒模型；
它是基于非牛顿体与中央有限差分的数值模拟方法，用于计算洪水和泥石流运动的集成软件。流体本构控制方程包括连续性方程和运动方程：
（1）连续性方程
（2）运动方程
式中，h为流动深度（m），t为泥石流持续时间（s），V为八个流动方向（x）之一的平均速度（m/s），i为流动表面上的降雨强度（mm/min），Sf为摩擦斜率分量，So为河床坡度，g为重力加速度。
流体运动时有八个潜在流动方向，即四个指南针方向（北、东、南和西）和四个对角线方向（东北、东南、西南和西北），每个方向的速度计算本质上都是一维的，并且独立于其他七个方向进行求解。
FLO-2D数值模拟主要有以下五个步骤：
（1）确定集水点：在野外调查基础上，对沟道进行分区并结合物源分布情况，确定泥石流集水点的位置；
集水点通常位于泥石流物源集中区并且是流域内降雨汇集的位置。
（2）确定模拟参数：根据野外调查资料，结合FLO-2D用户手册，确定数值模拟中所需的各种参数。
（3）设置流量过程线：根据流域实际情况，设置集水点处流量过程线。
（4）设置步长进行模拟：选用合理的时长及步长进行模拟，获取结果。
（5）导出结果：计算完成后，导出图件和计算结果，用于后续分析。
3.1 地形处理及参数选取
3.1.1 地形数据处理
本次模拟选取该流域精度为12.5 m的DEM数据，通过ArcGIS处理转换成ASCⅡ文件，将其导入FLO-2D软件，通过Grid工具将其划分为2 m×2 m的网格。
3.1.2 泥石流参数选取
体积浓度Cv根据泥石流的性质，参照FlO-2D使用手册综合确定；
宾汉屈服应力以及宾汉粘滞系数（τ、η）的取值参考O′Brien（1988）中的建议值；
曼宁系数（n）、层流阻滞系数（K）结合实地调查，并参考Woolhiser（1795）中的建议值进行赋值；
泥石流的土石比重（Gs）根据土石性质确定；
放大因子BF=1/（1-Cv）。具体计算参数取值见表6。
表6 泥石流参数取值
3.1.3 泥石流峰值流量计算
降雨过程的模拟主要根据《云南省暴雨洪水查算实用手册》，利用雨洪法计算集水点处的暴雨洪峰流量（Qp）：
式中，Qp为p频率下的暴雨峰值流量（m3/s）；
ψ为流体的径流系数；
Sp为p频率下的雨力（mm/h）；
τ为汇流时间（h）；
n为暴雨参数；
F为汇水面积（km2）。
泥石流流量按配方法计算，公式如下：
式中，Qc为与Qp相同重现期的泥石流流量（m3/s）；
Qp为p频率下的暴雨峰值流量（m3/s）；
D为堵塞系数，取1.2；
BF为放大因子，BF=1/（1-Cv）。
一次泥石流过程总量可按泥石流过程线概化模型计算，根据泥石流历时和最大流量，按泥石流暴涨暴落的特点，将其过程线概化成五角形，计算泥石流一次过程总量，计算公式如下：
Q为泥石流一次过程总量（m3）；
T为泥石流历时（s），Qc为泥石流最大峰值流量（m3/s）。不同重现周期暴雨峰值流量及泥石流峰值流量如表7所示。
表7 不同重现周期暴雨峰值流量和泥石流洪峰流量
3.2 泥石流模拟
3.2.1 自然条件下模拟
在自然条件下，分别模拟了3个重现周期（P=5%，P=2%，P=1%）的泥石流流动速度、冲出方量和堆积情况等。模拟结果如图5-6所示。
图5 自然条件下不同频率泥石流淤积深度图Fig.5 Silting-up depth map of debris flows without control project under different frequencies
在自然条件下，堆积扇左侧偏低，泥石流淤积区偏向上游。当降雨频率P=5%时，堆积扇淤积面积1.75×104m2，平均淤积深度0.79 m，冲出固体物质总量1.38×104m3。当降雨频率P=2%时，堆积扇淤积面积为3.55×104m2，平均淤积厚度为1.27 m，冲出固体物质总量为4.5×104m3。当降雨频率P=1%时，堆积扇淤积面积为6.17×104m2，平均淤积厚度1.68 m，冲出固体物质总量为10.36×104m3。泥石流最大淤积深度和最大流动速度主要位于沟道转弯处及个别洼地。当降雨频率P=5%、P=2%、P=1%时，泥石流一次过程总量分别为20.67×104m3、40.30×104m3、79.39×104m3，与雨洪法计算结果基本一致（表7）。
3.2.2 有防治工程模拟
该流域共修建有三座拦砂坝和一个排导槽。根据现场测量的防治工程参数，对布设防治工程部位的地形进行了处理，得到了带防治工程的地形。不同降雨频率下的数值模拟结果如图7-8所示。
模拟结果显示，当降雨频率P=5%时，泥石流全部被拦挡。其中，1号坝最大淤积深度为8.22 m，最大流动速度为5.85 m/s；
2号坝最大淤积深度为9.69 m，最大流动速度为7.67 m/s；
3号坝最大淤积深度4.14 m，最大流动速度为1.37 m/s（图7a、图8a）。
当降雨频率P=2%时，少量泥石流翻过3号坝，进入排导槽，但未造成危害。其中，1号坝最大淤积深度为8.36 m，最大流动速度为4.96 m/s；
2号坝最大淤积深度为9.73 m，最大流动速度为7.80 m/s；
3号坝最大淤积深度为8.58 m，最大流动速度为3.04 m/s（图7b、图8b）；
坝下主要淤积在排导槽内，冲出固体物质总量0.84×104m3。
当降雨频率P=1%时，泥石流通过排导槽汇入主河。其中，1号坝最大淤积深度为8.44 m，最大流动速度为5.04 m/s；
2号坝最大淤积深度为10.27 m，最大流动速度为8.95 m/s；
3号坝最大淤积深度为9.06 m，最大流动速度为3.00 m/s（图7c、图8c）。堆积扇淤积面积2.62×104m2，平均淤积厚度1.75 m，冲出固体物质总量4.61×104m3。但是，从图7c可以看出，部分泥石流从排导槽左侧冲出，淤埋部分农田，威胁房屋安全，造成一定的危害。
图7 有工程条件下不同频率泥石流淤积深度图Fig.7 Silting-up depth map of debris flows with control projects under different frequencies
图8 有工程条件下不同频率泥石流流动速度图Fig.8 Flow-velocity map of debris flow with control projects under different frequencies
基于FLO-2D模拟泥石流在不同频率和不同工况下运动过程，对比分析淤积范围、冲出方量及流速的变化，对直任龙曲沟的防治工程的治理效果进行分析和评价。
（1）泥石流冲出规模分析
在自然条件下，当降雨频率P=5%时，泥石流淤积深度和流速均较小，主要威胁沟道左侧居民11户，耕地约9.5亩；
当降雨频率P=2%时，泥石流主要淤积堆积扇左侧，威胁居民15户，耕地约29亩，掩埋娘义公路段约130 m；
当降雨频率P=1%时，泥石流淤积堆积扇大部分区域，威胁居民21户，耕地约49亩，掩埋娘义公路段约265 m，并造成主河部分壅堵。因此，如果不进行治理，该流域一旦暴发泥石流，将对下游直接造成危害。
由图7、表8可知，在有防治工程条件下，当降雨频率P=5%时，泥石流未到达流域堆积扇，堆积区居民点和耕地免受危害。当降雨频率P=2%时，堆积扇区域泥石流主要淤积在排导槽内，相比自然条件下，堆积区淤积面积减少89.30%，冲出总方量减少81.33%，居民点、耕地和娘义公路均免受危害。当降雨频率P=1%时，泥石流到达堆积扇，沿排导槽排入主河；
与自然条件相比，堆积扇淤积面积减少57.52%，冲出总方量减少55.55%。但是，部分泥石流从排导槽左侧冲出，淤积范围0.57×104m2，平均淤积厚度1.41 m，冲出固体物质总量0.80×104m3；
将会对4户居民造成危害。此外，因排导槽未接至主河，排导槽出口至阿东河段25亩耕地被淤埋。
表8 两种工况下泥石流淤积面积和冲出方量对比表
模拟结果表明，当暴发50年一遇及更高频率的泥石流时，防治工程可有效地避免泥石流的危害；
当暴发百年一遇的泥石流时，防治工程可大大降低泥石流的危害。同自然条件下相比，该流域的防治工程防灾减灾效果明显。
（2）泥石流冲出速度分析
对比3种不同频率泥石流的流速发现，自然条件下泥石流的最大流动速度小于有防治工程条件下泥石流的最大流动速度。但由图6和图8可知，自然条件下的最大流动速度主要分布于沟道内且成连续分布，整体流动速度均匀且较大。有防治工程条件下，泥石流的最大流动速度主要位于拦挡工程布设位置，原因在于泥石流冲撞拦挡工程快速回淤的过程流速快速增大而造成；
而拦挡工程以下沟道流动速度小于同频率自然条件下流动速度。该流域的排导槽内设有肋坎，能有效减小泥石流的过流速度。防治工程对泥石流流速的削弱效果明显，泥石流冲击力得到有效控制。
图6 自然条件下不同频率泥石流流动速度图Fig.6 Flow-velocity map of debris flows without control project under different frequencies
（3）不同防治方案的分析
当直任龙曲沟遇20年一遇泥石流时，泥石流最终停止于3号坝前，其中1号和2号坝满库，若该流域仅修建一座或两座拦砂坝的情况下，泥石流会因拦挡不住而到达下游堆积区，对下游居民点、耕地及公路造成危害，故该流域修建3座拦砂坝能有效拦挡20年一遇的泥石流。当遭遇50年一遇和100年一遇泥石流时，下游若没有排导工程，则泥石流将会向沟道左侧运动，严重威胁堆积扇左侧居民点和公路安全。
综上所述，直任龙曲沟采用“拦挡+排导”的治理方案设计合理，能有效地防治20年一遇，甚至50年一遇的泥石流。
本文在现场调查的基础上，基于FLO-2D数字模拟对直任龙曲泥石流防治工程效果进行了评价，模拟结果直观地反映了泥石流的淤积范围和影响区域。该模型为定沟床模式，无法模拟泥石流在运动过程中对沟道的下切侵蚀和侧蚀作用[19]；
此外，在模拟前需要设计流量过程线，模拟过程中无法添加新的物源[20]。修建拦砂坝后泥石流会在坝后形成一个回淤缓坡，泥石流淤积于坝后起到反压坡脚的作用，使得沟道两岸坡体更加稳定，泥石流淤积后在集水点以下不会有新增物源，沟道淤积后也不存在泥石流对沟道侵蚀和侧蚀作用[2]。排导槽可以约束堆积区的流路，槽底通常设置肋槛，既可减速也可防止槽底下切。因此，在使用FLO-2D模拟有防治工程条件下的泥石流时，很好地避免了该模型前述的不足之处。从这个意义上讲，FLO-2D更适宜于模拟有防治工程的泥石流，用于预测或评价防治效果。
直任龙曲沟已有的防治工程能有效防治20年一遇，甚至50年一遇的泥石流；
但遭遇更低频率的泥石流时，依然会对下游造成一定的危害。模拟结果显示，在排导槽进口段，由于接入口角度不够合理，出现泥石流翻槽溢流，威胁左侧居民点的情况。泥石流排导槽的设计还有进一步优化的余地。
通过本文研究，可得出以下结论：
（1）直任龙曲泥石流防治方案基本合理，能有效防治20年一遇，甚至50年一遇的泥石流；
但是，排导槽设计仍有优化的空间。
（2）FLO-2D适宜于模拟有防治工程的泥石流，可以较好地用于泥石流防治效果的预测或评价。
（3）直任龙曲遭遇超设计标准的泥石流时，仍然会造成危害，建议加强泥石流的监测预警等防灾减灾措施。
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