二维恒定流在泥石流堆积区危险度评价中的运用

二维恒定流在泥石流堆积区危险度评价中的运用

张黎 张忠原

重庆交通大学河海学院 重庆 400074

摘要：泥石流对于一个地区的经济、人员、基础设施的损毁是非常严重的。近年来，泥石流地质灾害爆发日益频繁。泥石流是对该地区人员、财产造成重大损失的地质灾害。因此对于泥石流地质灾害的监测与评估受到众多学者的关注与重视。针对泥石流堆积区危险度评价，我国已经开展了一系列研究。众多学者提出了泥石流堆积区危险度评价方法，但由于需要大量的人力物力和实验材料，无法获取全面的系统的资料而且流体特性、边界、时间条件不易改变，对模拟不同类型泥石流特性有一定困难，因此本篇文章采用二维恒定流数值模型对泥石流堆积区危险度进行评价。

关键词：泥石流、二维恒定流、危险度

0引言

泥石流是一种常见的山地灾害，具有难以预测、活动频繁、破坏规模大等特点。对于一个地区的经济、人员、基础设施的损毁是非常严重的[1]。近年来，由于人类对大自然的无限索取破坏，导致异常气候引起的自然灾害日益增加，泥石流地质灾害爆发也日益频繁。舟曲泥石流造成上千人遇难，严重损坏道路、桥梁、电力、网络等基础设施造成直接经济损失数百亿元[2]。泥石流是对该地区人员、财产造成重大损失的地质灾害。因此对于泥石流地质灾害的监测与评估受到众多学者的关注与重视。针对泥石流监测技术研究，我国在上个世纪六十年代对泥石流进行观测分析；在上个世纪八十年代，泥石流自动采样系统的研发使泥石流的监测更加专业化；在本世纪初，建立了半自动化的监测站，为泥石流的研究提供大量数据支撑[3]。

1研究背景介绍

目前我国大部分受泥石流威胁的城市都只能防御常遇泥石流，通常防御工程设计标准为防挡二十年一遇的泥石流灾害。因此，我国泥石流预防标准主要是考虑泥石流对人员、财产造成的损失，我国近期泥石流防治特别重视减少泥石流地区出现超标准的损失[4]。实现这一目标的有效途径，是在评价泥石流危险度和危险范围的基础上，制定并实施防御超标准泥石流的预案。它对避免泥石流造成更大经济损失，变被动救灾为主动防灾有着巨大的社会效益和经济效益。

2泥石流危险度评价指标

划分泥石流堆积区危险度的基础是：指标选择和量化，指标选择和量化是否合理、直接关系到危险度等级划分的成功与否。泥石流冲击力的量值与泥石流流速的平方成正比，因此本文选用了流速和泥深作为泥石流危险度评价的定量指标，同时与定性指际相结合，将泥石流堆积泛滥区域划分为四级标准[5]。

Ⅰ级危险区(极端危险区):泥石流冲出沟口的主流区﹐流速大于5m/s，泥深大于3m,泥石流来势凶猛，人们来不及避难的部位。

Ⅱ级危险区(高度危险区):位于泥石流主流附

近的扇形地建设带、流速5~2m/s、泥深3~1m，建筑物破坏严重，或有人员伤亡灾害突出。

Ⅲ级危险区(中度危险区):位于泥石流堆积扇的扩散带，流速2～lm/s，泥深l.0～0.5m，城市建筑物局部破坏，乡村房屋大部分被损坏、几乎无人员伤亡,对农田危害较重。

Ⅳ级危险区(轻度危险区):该区属泥石流漫流区﹐流速低于lm/s,泥深很浅.低于0.5m生活生产场所可恢复，灾情相对较轻。

3泥石流危险度数学模型

通常以往评价泥石流泛滥区危险度有四种方法：

（1）泥石流泛滥历史调查

（2）泥石流要素环境调查分析

（3）泥石流动力堆积模型试验

（4）泥石流数值模拟

本篇文章采用数值模型对泥石流泛滥区危险度进行评价[6]。

描述泥石流在堆积区运动的二维恒定流方程组：

+h+h=0

+U+V+g+gn2Uh3=0

+U+V+g+gn2Vh=0

式中：

h：泥深

U：垂直平均流速沿X方向的分量

V：垂直平均流速沿Y方向的分量

n：糙率

g：重力加速度

t：时间

X、Y：坐标分量

该拟线性双曲线方程是由一个连续方程和两

个动量方程组成，本文引入剖开算子法求解，分别将连续方程与动量方程按X和Y两个方向剖开为两个分量，将方程中对时间的偏导数用差分法得,确定初始条件、边界条件和空间、时间步长，开始输入网格信息和地形信息，计算机求解二维非恒定流方程组，模拟不同时间的泥石流堆积泛滥动态过程，算出泥石流在不同区域的流速分布和泥石流深度[7]。据此编制出最大流速图和最深泥深图以及泛滥区范围，按相应的指标体系对泥石流泛滥区进行危险度评价，划分不同等级危险区。由此可见，应用二维非恒定流理论对泥石流堆积泛滥区危险

度评价是一种很好的方法。

4数学模型在减灾中的应用

建立泥石流数学模型在于确定各种泥石流堆

积泛滥的范围，埋没泥深和最大流速等动力特征值。综合这些因素就可以绘制出泥石流泛滥区危

险度分布图，让人们对于泥石流灾害有更加清楚的认识。正确评价泥石流防治工程是否安全、得当，为评价泥石流防治工程的次生灾害提供参考。人们能够预知自己所生活的区域是否安全，以及可能遭遇泥石流泛滥灾害的危险程度，正如对地震灾害地区进行地震烈度分区一样，为防灾减灾提供数据支撑。根据泥石流危险范围和危险度评价结果，可以

指导城市交通、水利建筑的安全布局；提前规划人员逃散、避难的方案[8]。

参考文献(References)：

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[2]阴可,苟印祥,李承泽,吴汉辉.四川绵竹走马岭特大泥石流动力特性的数值分析[J].中国地质灾害与防治学报,2012,23(04).DOI:10.16031

[3]冯帅,吴红刚,陈小云.长达坂沟泥石流桩板墙拦挡结构极限抗冲压数值分析[J].科学技术与工程,2017,17(31):322-327.

[4]孙晓英,张建涛,张彤,李泽敏,巩媚.MIKE21二维非恒定流模型在北京市延芳淀湿地洪水影响分析中的应用[J].水利水电技术,2018,49(01):52-59.

[4]唐川.泥石流堆积泛滥过程的数值模拟及其危险范围预测模型的研究[J].水土保持学报,1994(01):45-50.

[5]张波,李伯海,刘晓菲.沙陀枢纽下游航道二维非恒定流数学模型研究[J].中国水运(下半月),2019,19(07):68-69+85.

[6]唐川.平面二维泥石流数值模拟方法的探讨[J].水文地质工程地质,1994(05):9-12.

[7]肖庆华,岳志远,刘怀汉,李有为,谭伦武,余新明.长江下游二维浅水非恒定流数值模拟[J].水力发电学报,2013,32(05):115-121.