徐佩華，袁中凡，李廣杰，李 光，杜文浩 ，王月華

1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長春 130026 2.浙江省水利河口研究院，杭州 310020

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長白山火山次生泥石流災(zāi)害危險范圍預(yù)測

徐佩華1，袁中凡1，李廣杰1，李 光1，杜文浩1，王月華2

1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長春 130026 2.浙江省水利河口研究院，杭州 310020

長白山火山次生泥石流是由長白山火山噴發(fā)引起的火口湖中的水沿長白山北坡缺口，以類似水庫潰壩的形式突然溢出而形成的短時間、大體積的水流，是攜帶著地表的松散堆積物，沿著溝谷和山坡向下快速流動的一種類似洪流的特殊泥石流。筆者在野外地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)模擬試驗的基礎(chǔ)之上，采用FLOW-3D數(shù)值模擬軟件，對長白山火山噴發(fā)引起的次生泥石流災(zāi)害進行大范圍的數(shù)值模擬，并著重研究其對二道白河鎮(zhèn)地區(qū)的影響程度，旨在為政府決策和防災(zāi)提供依據(jù)。結(jié)果表明：泥石流總體積為30.27億m3時，二道白河鎮(zhèn)將完全被泥石流淹沒；不論哪種泥石流體積假設(shè)情況，泥石流都將到達二道白河鎮(zhèn)，并對其造成危害；一旦火山爆發(fā)，二道白河鎮(zhèn)居民可逃生時間只有30～42 min。

火山災(zāi)害；次生泥石流；二道白河鎮(zhèn)；FLOW-3D

0 引言

長白山天池火山是世界上著名的具有潛在災(zāi)害性噴發(fā)危險的火山。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果顯示，自2000年以后，天池火山的活動性有所增強[1]，再一次噴發(fā)的可能性也隨之增大。由于長白山地區(qū)地理位置特殊，以及存在位于長白山火山口總蓄水量達20.4 億m3的天池[2]，因此火山一旦噴發(fā)，不但巖漿和空落堆積物會危害長白山周圍地區(qū)，火口湖中的湖水也會像決堤的洪水一樣順坡而下，裹挾大量的松散堆積物形成泥石流。天池北坡有一個天然缺口，形成著名的天池瀑布，如果火山噴發(fā)，此處將會是最主要的湖水溢出口?；鹂诤幸绯龅乃鼟队蓺v史上多次噴發(fā)所產(chǎn)生的大量松散堆積物，形成泥石流[3]。如此大規(guī)模的泥石流一旦爆發(fā)，將會直接威脅到長白山地區(qū)27.2萬居民、10余座水電站和近2 000 km2國家級自然保護區(qū)的安全[4];而且二道白河鎮(zhèn)作為長白山北坡山腳下主要的人口聚居區(qū)將會成為主要的受災(zāi)地區(qū)。為此本文將主要研究長白山火山次生泥石流對二道白河鎮(zhèn)地區(qū)的影響。

近年來，國內(nèi)長白山地區(qū)火山泥石流災(zāi)害的研究重點主要是放在對長白山地區(qū)歷史上爆發(fā)過的火山泥石流進行區(qū)域地質(zhì)調(diào)查方面，包括對泥石流的分布范圍、成分、粒度、空間分布等因素的調(diào)查，以及天池火山災(zāi)害區(qū)劃圖制定方面的部分工作[5-10]。如萬園等[11]采用半經(jīng)驗數(shù)學(xué)模型軟件LAHARZ[12-15]，基于長白山天池火山1∶25萬數(shù)字地形圖，對二道白河、松花江、鴨綠江以及圖們江4條泥石流易發(fā)河道進行了火山泥石流的數(shù)值模擬。

長白山次生泥石流是一種由于長白山火山噴發(fā)而引起的，火口湖中的水沿長白山北坡缺口以類似水庫潰壩的形式突然溢出而形成短時間、大體積的水流，是攜帶地表的松散堆積物，沿著溝谷和山坡向下快速流動的一種類似洪流的特殊泥石流。因此筆者在野外地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)模擬試驗的基礎(chǔ)之上，采用FLOW-3D數(shù)值模擬軟件，對長白山火山噴發(fā)引起的次生泥石流災(zāi)害進行區(qū)域性的數(shù)值模擬研究，并著重研究其對二道白河鎮(zhèn)地區(qū)的影響程度，旨在為政府決策和防災(zāi)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境

1.1 地形地貌條件

研究區(qū)地理坐標(biāo)127°48′E--128°42′E，42°01′N--42°40′N，位于長白山脈北麓，地勢總的特點是西南高、北東低，南部最高點是天池西側(cè)的白云峰，海拔高度為2 691 m，最低點位于北西部兩江鎮(zhèn)及小沙河鄉(xiāng)附近，地面高程6 00 m左右，相對高差超過2 000 m。區(qū)內(nèi)主要山脊、溝谷走向為NNE、NWW向，山坡坡度總體為15°～20°。

研究區(qū)的地貌類型主要為火山熔巖地貌和流水地貌。以二道白河源頭的天池火山錐為中心，向四周逐漸低緩，火山熔巖地貌類型主要分為3種：中心火山錐體、熔巖臺原、熔巖臺地，如圖1所示。中心火山錐體以天池為中心，呈環(huán)形分布，海拔2 000～2 700 m，錐體坡度30°左右，錐體底部平面上呈卵形，長軸北西--南東方向延伸，長軸27 km，短軸15 km。熔巖臺原分布于頭道白河、二道白河、三道白河、四道白河上游至天池地帶，臺原面主要由軍艦山組玄武巖組成，由南向北緩降(2 000～700 m)，臺面上有大小火山錐體及火山口多個，并有殘丘、季節(jié)性沼澤分布。熔巖臺地分布于頭道--四道白河下游，二道白河鎮(zhèn)以北至二道江地段；臺面開闊平坦，地形向北緩降，標(biāo)高600～700 m，主要由軍艦山組玄武巖組成；邊緣水系發(fā)育，溝谷深切，高差達50～100 m，可見季節(jié)性沼澤及殘山。

圖1 研究區(qū)地貌圖Fig.1 Geomorphological map of the study area

1.2 松散堆積物范圍

研究區(qū)位于長白山天池火山1 000 a前大噴發(fā)的火山碎屑堆積物范圍內(nèi)，地表覆蓋厚度不等的火山碎屑堆積物，主要包括火山空落堆積物、火山碎屑流狀堆積物以及火山泥石流堆積物，如圖2所示。

1.赤峰空落浮巖巖層線；2.長白火山碎屑流層；3.二道白河火山泥流層；4.園池空落浮巖火山灰層界線；5.冰場火山碎屑流層；6.國界。據(jù)文獻[16]。圖2 長白山1 000 a前噴發(fā)碎屑物分布圖Fig.2 Volcanic eruption debris distribution graph one thousand years ago in Changbaishan Moutains

野外調(diào)查研究顯示，圍繞長白山火山錐體外圍成席狀展布有厚度普遍超過1 m的火山碎屑流堆積物，這些碎屑物在海拔1 500 m以下的河岸兩側(cè)、低洼地帶或者平緩地區(qū)分布較厚，局部可達數(shù)十米。火山泥石流堆積物主要沿二道白河至二道江沿岸兩側(cè)呈條帶狀展布，河流近岸的松散碎屑堆積物堆積總量超過0.15 km3，整個研究區(qū)內(nèi)火山松散碎屑物堆積總量估算超過3.00 km3。

2 FLOW-3D數(shù)值模型的建立

2.1 數(shù)值模擬區(qū)域的地理位置

圖3為長白山天池地區(qū)地形圖，圖中藍色線框部分為本文建立幾何模型的區(qū)域，即為本文最終確定的模擬計算區(qū)域。模擬區(qū)域內(nèi)主要的人口聚居區(qū)為延邊朝鮮族自治州安圖縣二道白河鎮(zhèn)。

圖3 長白山天池地區(qū)地形圖Fig.3 Topographic map of Changbai Moutains

2.2 數(shù)值模型的建立

計算模型取長白山天池瀑布口以北長約65 000 m、寬約27 500 m的范圍。為了最大程度地節(jié)省計算機運算時的內(nèi)存，將模擬區(qū)域劃分為14個小區(qū)域進行網(wǎng)格化。計算模型中1--8區(qū)域的單元長、寬、高分別取60、60、10 m；9--14區(qū)域的單元長、寬、高分別取60、60、15 m。共劃分單元14 759 669個，其中活動單元7 851 828個，具體的網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。經(jīng)過FLOW-3D軟件的FAVOR和VOF數(shù)值方法計算得到的三維模型如圖5所示，圖中x軸指向正東方向，y軸指向正北方向，z軸的正向為豎直向上。

圖4 計算模型網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Mesh subdivision of the calculation model

圖5 基于FAVOR和VOF數(shù)值方法計算得到的三維模型Fig.5 Three-dimensional model based on FAVOR and VOF

2.3 模型邊界條件

FLOW-3D軟件中一共提供了8種邊界條件，此次模擬對圖4中14個小區(qū)域邊界條件賦值情況如表1所示。

3 模型計算及結(jié)果分析

3.1 參數(shù)取值

3.1.1 坡表的粗糙系數(shù)

本次模擬的水流具有敞開液面，液面上各點相對壓強為0，可以看成是明渠水流，需賦值長白山山坡坡表的粗糙系數(shù)。天然河道的粗糙系數(shù)受多種因素的影響，例如河床泥沙、礫石等顆粒的大小及光滑度，河道斷面形狀，河道的彎曲情況，河漫灘上的植被種類及數(shù)量等，因而很難確定。實際工程中，在缺乏實測數(shù)據(jù)的情況下，粗糙系數(shù)n值的確定一般可近似按文獻[17]中給出天然河道的粗糙系數(shù)參考值，本文結(jié)合長白山天池地區(qū)的實際情況，取n=0.16。

3.1.2 泥石流的泥沙體積分數(shù)

根據(jù)課題組所做的室內(nèi)泥石流物理模擬實驗[18]，以長白山火山泥流為松散物源，獲得泥石流的泥沙體積分數(shù)與水源流量、水源總水量以及物源爆發(fā)量的關(guān)系如表2所示。

從表2可以看出，隨著水源流量和總水量的變化，泥沙體積分數(shù)變化不明顯，均在 0.36～0.41范圍內(nèi)。不同水源流量條件下，泥沙體積分數(shù)平均值為0.386；不同總水量條件下，泥沙體積分數(shù)平均值為0.387。由此可以看出，在該物源條件下產(chǎn)生的泥石流，其泥沙體積分數(shù)與水源流量變化和總水量變化的關(guān)系不大?？紤]到實際地形的復(fù)雜性及長白山地區(qū)發(fā)育的植被導(dǎo)致顆粒物質(zhì)的沉積效應(yīng)，本文將體積分數(shù)做了適當(dāng)?shù)恼蹨p，取值為0.34。

表1 各區(qū)域的邊界條件賦值表

注：C為連續(xù)邊界；O為出流邊界；P為壓力邊界；S為對稱邊界；W為剛性墻邊界。Xmin，Ymin，Zmin分別為x，y，z方向上的最小值邊界；Xmax，Ymax，Zmax分別為x，y，z方向上的最大值邊界。

表2 泥沙體積分數(shù)與水源流量、總水量、物源爆發(fā)量的關(guān)系

Table 2 Relationship of sediment density, flow, water amount with debris amount

水源流量/(m3/h)泥沙體積分數(shù)物源爆發(fā)量/kg水源總水量/L泥沙體積分數(shù)物源爆發(fā)量/kg2.65320.4038.388.1320.3627.453.07440.4132.9211.1820.3929.723.65940.3929.2714.2310.4132.924.06080.3627.4515.8780.4038.386.10240.3925.1217.2810.4043.856.77880.3623.2820.3300.3948.549.11520.3948.5423.4650.3855.63

3.1.3 泥石流相對黏滯系數(shù)

根據(jù)文獻[19]，當(dāng)泥石流中固體顆粒所占的比例很小時，泥石流混合體的黏性增加并不大。假設(shè)泥石流中的固相顆粒是無黏性的球形顆粒，顆粒之間的距離足夠大，顆粒之間沒有相互影響，則相對黏滯系數(shù)為

(1)

式中：μr為同溫下流體的黏滯系數(shù)與純液體的黏滯系數(shù)之比；Sv為固體顆粒的體積分數(shù)。在顆粒之間有相互作用的情況下，則需要對式(1)進行修正。Thomas提出了修正公式：

(2)

式中：系數(shù)A、B依據(jù)文獻[16]，取A=0.002 37，B=16.6。據(jù)此，設(shè)定泥石流的相對黏滯系數(shù)為0.002 74。

3.1.4 已有火山泥流體積及分布情況

通過總結(jié)前人對長白山火山泥石流的分布范圍、地層層序、粒度成分等的研究成果[5-10]，結(jié)合課題組在長白山地區(qū)的實際調(diào)查結(jié)果可知：長白山地區(qū)火山泥流大致分布在火山錐的北部及東北部地區(qū)，最南端距離天池約8 km，總量為25億～30億 m3；北部的火山泥流主要沿二道白河兩岸、三道白河和松花江的上游分布，是主要的泥石流物源。

3.1.5 泥石流總體積

根據(jù)余斌[19]提出的泥石流泥沙體積分數(shù)與密度的關(guān)系式

(3)

以及課題組在野外所取5個典型樣本的顆粒平均密度2.65 g/cm3，可以反算出泥石流的密度約為1.56 g/cm3，進而可以得出不同體積水源所能產(chǎn)生泥石流的總體積。式(3)中：φ為泥沙體積分數(shù)；ρ為泥石流密度(g/cm3)；ρs為泥石流的泥沙密度，本文取2.65 g/cm3；ρw為水的密度，取1.00 g/cm3。

由于沒有歷史記錄作為參考，不能確定火山爆發(fā)時天池中的水將有多少溢出，因而分別假設(shè)流出水的體積為20億、15億和10億m3。根據(jù)上述方法可以得到所產(chǎn)生的泥石流的總體積分別為30.27億、22.7億和15.14億m3。

3.2 模擬過程中的幾點假設(shè)

由于缺乏歷史上對長白山火山噴發(fā)所引起的火口湖湖水外溢的溢出位置、水頭高度、持續(xù)時間等的數(shù)據(jù)記錄，筆者結(jié)合國內(nèi)外已有的相關(guān)研究和經(jīng)驗進行如下假設(shè)：

1)假設(shè)火口湖湖水全部自長白山天池北部的瀑布口處溢出。

2)考慮到此次模擬的是由于火山噴發(fā)而導(dǎo)致的湖水外流，因而水頭高度的變化也應(yīng)具有突變性；結(jié)合長白山天池北坡岸坡的高度，將流體自由液面高程設(shè)置為2 450 m。(瀑布口的高程為2 200 m，水面相對高度250 m)。

3)不考慮大的松散巖石塊體隨泥石流的運動情況，即假設(shè)產(chǎn)生的泥石流為相對均勻的流體。

4)在上述假定流體自由液面高程的基礎(chǔ)之上，通過比較計算結(jié)果中所溢出流體的總體積與所要得到的流體總體積設(shè)計值二者之間的差值，對外溢持續(xù)時間進行調(diào)整，不斷試算，直到達到設(shè)計值為止。

圖6為模擬中流體自由液面高程隨時間的變化曲線(即圖4中區(qū)域1的Ymin的邊界條件的賦值)。圖7為在圖6所示的自由液面變化條件下，模擬區(qū)域內(nèi)流體的總體積變化曲線。

圖6 流體水位高度變化曲線Fig.6 Alternation curve of flow surface

圖7 模擬區(qū)域內(nèi)流體的總體積變化曲線Fig.7 Alternation curve of total flow volume

3.3 計算結(jié)果及分析

a.30.27 億m3;b.22.70 億m3;c.15.14 億m3。圖8 不同體積泥石流到達二道白河鎮(zhèn)時的斷面厚度與流速分布Fig.8 Thickness and flow speed distribution graph of different volume debris flow arrived at Erdaobaihe Town

將上述參數(shù)輸入到FLOW-3D軟件中按圖6中所示的初始條件進行模擬計算，流體斷面厚度和流速計算結(jié)果如圖8所示[20]。分析圖8a，b可知：泥石流總體積為30.27億 m3時，泥石流到達二道白河鎮(zhèn)時的流體厚度可達13 m左右，流速接近15 m/s，二道白河鎮(zhèn)將完全被泥石流淹沒，如果不能及時疏散和撤離將會產(chǎn)生非常嚴重的經(jīng)濟和人口損失；泥石流總量為22.70億 m3的情況下，泥石流前緣到達二道白河鎮(zhèn)時,其斷面厚度約8 m，而流速可達12 m/s，二道白河鎮(zhèn)仍然會被全部淹沒。泥石流總體積為15.14億 m3的情況下，由于泥石流的總體積較前兩種情況已經(jīng)大幅度減小，為了節(jié)省存儲空間并提高計算效率，將圖4中編號為14的小區(qū)域刪除，從而減小了模型的大小，如圖8c所示。由于軟件顯示功能的精度限制，導(dǎo)致二道白河鎮(zhèn)地區(qū)沒有流體單元的云圖，無法讀出泥石流前緣的流體深度和流體速度，但通過顯示流體范圍邊框(圖8中淺綠色矩形邊框)可以看出泥石流的前緣已經(jīng)到達二道白河鎮(zhèn)，此時為泥石流爆發(fā)后2 500 s。

由不同體積泥石流到達二道白河鎮(zhèn)所需時間可知：極端情況下(即泥石流體積30.27億 m3)時，30 min泥石流即可到達二道白河鎮(zhèn)；一般情況(泥石流體積為22.70億 m3)下，約33 min到達二道白河鎮(zhèn)；最樂觀的情況(即泥石流體積15.14億 m3)，42 min泥石流到達二道白河鎮(zhèn)。即一旦火山爆發(fā)，二道白河鎮(zhèn)居民可逃生時間只有30～42 min。因此政府部門必須做好迅速反應(yīng)的撤離預(yù)案，規(guī)劃居民逃生方案和逃生路線，一旦火山監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出火山爆發(fā)預(yù)警，立即組織居民撤離。

3.4 對比分析

據(jù)課題組的野外調(diào)查以及劉祥等[21]的研究，長白山火山近代一次猛烈的活動，即1 000 a前爆發(fā)時，赤峰期二道白河火山泥流層主要沿松花江中上游二道白河、三道白河及鴨綠江上游分布。其中主要沿二道白河成帶狀，特別是二道白河?xùn)|岸平緩地帶分布，最寬處達5 km，分布厚度3.0～24.4 m。

從圖8的計算結(jié)果可看出，流體單元在模型東側(cè)低洼部位集中，顯示厚度超過20 m(圖8a所示)，二道白河鎮(zhèn)的流體深度為13 m，其他不同位置流體深度不一?？梢?，極端假定條件下的計算結(jié)果，與野外調(diào)查的長白山火山千年大爆發(fā)時的泥石流分布情況基本相符合，計算結(jié)果基本合理、可信。

4 結(jié)論

1)極端假定條件下的計算結(jié)果，與野外調(diào)查的長白山火山千年大爆發(fā)時的泥石流分布情況基本相符。

2)泥石流總體積為30.27億 m3時，泥石流在到達二道白河鎮(zhèn)時的流體厚度可達13 m左右，流速接近15 m/s ，在這種情況下，二道白河鎮(zhèn)將完全被泥石流淹沒，如果不能及時的疏散和撤離將會產(chǎn)生非常嚴重的經(jīng)濟和人口損失。

3)不論哪種泥石流體積假設(shè)情況，泥石流都將到達二道白河鎮(zhèn)，并對其造成危害。

4)一旦火山爆發(fā)，二道白河鎮(zhèn)居民可逃生時間只有30～42 min。政府部門必須做好迅速反應(yīng)的撤離預(yù)案，規(guī)劃居民逃生方案和逃生路線，一旦火山監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出火山爆發(fā)預(yù)警，立即組織居民撤離。

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Prediction on the Hazardous Extent of the Secondary Debris Flow Induced by Volcanic Disaster of Changbai Moutains

Xu Peihua1,Yuan Zhongfan1, Li Guangjie1, Li Guang1, Du Wenhao1, Wang Yuehua2

1.ConstructionEngineeringCollege,JilinUniversity,Changchun130026,China2.ZhejiangInstituteofHydraulicsandEstuary,Hangzhou310020，China

Using FLOW-3D software, basing on the field geological investigation and parameters obtained from indoor simulation, the authors simulated occurrence and development process of a special flood like debris flows which caused by Changbai Mountain volcanic eruption.The process of occurrence can be described as a sudden heavy overflow of a volcanic lake water carrying a large volume loose debris (volcanic lahars deposits) through Tianchi gap quickly rushing down along the north slope.We simulated the influence of the debris flow to Erdaobaihe Town and drew the following conclusions:Under the condition of the debris flow volume of 3.027 billion m3, the town will be completely submerged by mudslides；no matter what kind of debris flow volume,Erdaobaihe Town will be eliminated by a debris flow once the volcano erupt,the escape time is only 30 to 42 minutes for the residents in the town.

volcanic disaster；the secondary debris flow；Erdaobaihe Town ；FLOW-3D

10.13278/j.cnki.jjuese.201504201.

2014-11-26

國土資源部公益性項目(201211095-6)

徐佩華(1979--)，女，副教授，博士，主要從事地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境評價研究、教學(xué)工作，E-mail:xuph@jlu.edu.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201504201

P642.23

A

徐佩華，袁中凡，李廣杰，等. 長白山火山次生泥石流災(zāi)害危險范圍預(yù)測.吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版,2015,45(4):1155-1163.

Xu Peihua, Yuan Zhongfan, Li Guangjie, et al. Prediction on the Hazardous Extent of the Secondary Debris Flow Induced by Volcanic Disaster of Changbai Moutains.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(4):1155-1163.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201504201.