劉德玉，蔣興波，李保強

1.甘肅省地下水工程及地熱資源重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，甘肅 蘭州 730050

0 引言

礦山泥石流是山區(qū)開發(fā)礦產(chǎn)資源過程中廢石渣堆放引發(fā)的人工泥石流［1-2］，是山區(qū)最常見、危害最嚴重的地質(zhì)災害類型之一.與自然形成的泥石流不同，礦山泥石流的形成、演化主要受控于人類開發(fā)礦產(chǎn)資源活動的影響，人為活動導致原本非泥石流溝演變?yōu)槟嗍鳒?，低頻泥石流溝演變?yōu)楦哳l泥石流溝［3-4］.目前，國內(nèi)對于自然形成的泥石流研究程度較高，而在礦山泥石流方面的研究較少，已有的研究成果主要集中于礦山泥石流的發(fā)育特征［5-6］、形成機理［7-8］、影響因素［9］等方面，針對礦山泥石流運動特征及危險性評價的研究甚少，開展該方面的研究對于防災減災工作具有重要的現(xiàn)實意義.在泥石流危險性評價方法選擇上，國內(nèi)學者除了采用基于單溝泥石流危險性定量評價模型［10-11］外，各種數(shù)值模擬軟件模型也得到了越來越多的應用，如FLO－2D、RAMMS、MassMov2D［12］等.其中，F(xiàn)LO－2D軟件模型因具有操作簡單、對泥石流流變時空變化特征及運動過程模擬較為準確、評價結(jié)果與實際情況吻合度較好等優(yōu)點而得到國際上的廣泛認可［13-14］.

本研究以甘肅省定西市岷縣簸箕溝礦山泥石流為例，在2019年實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，對影響泥石流發(fā)育的3個主要條件（地形、降水及固體物源）進行分析，采用FLO－2D軟件模擬分析降雨強度重現(xiàn)期50 a及100 a條件下的泥石流運動特征，劃分危險性評價分區(qū)，通過與實際發(fā)生情況進行對比并計算模擬精度，驗證模擬方法及結(jié)論的可靠性.該研究可為礦山泥石流的運動特征分析及危險性評價提供一種新的思路和方法，以期為該地區(qū)及其他地區(qū)的泥石流災害防治及國土空間規(guī)劃提供科學依據(jù)及參考.

1 研究區(qū)概況

1.1 基本情況

簸箕溝金礦地處甘肅省定西市岷縣秦許鄉(xiāng)境內(nèi)，距離岷縣城西南約10 km（圖1）.溝口附近為泥地族村居民點、農(nóng)田、213鄉(xiāng)道及村路，距離南側(cè)西河主河道約450 m（圖2）.流域內(nèi)植被平均覆蓋率約為35%，植被類型主要為草地及當?shù)卮迕穹N植的當歸、黃芪等藥材.

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

圖2 簸箕溝流域及礦渣分布圖Fig.2 Bojigou watershed and slag distribution map

該礦山位于岷縣鹿兒壩金礦東延段，開采方式為地下開采，礦區(qū)累計查明金資源量達8.6 t，已接近大型礦床規(guī)模［16］.2012年5月10日，受短時強降水影響，簸箕溝暴發(fā)泥石流，淤積毀壞溝口附近農(nóng)田近1 hm2，造成重大經(jīng)濟損失.

1.2 地形條件

簸箕溝地勢總體西北高，東南低，呈北西方向延伸，地形切割較強烈，相對高差較大.流域海拔最高約2 780 m，最低2 470 m，相對高差310 m，地貌類型為構(gòu)造侵蝕中低山地貌.簸箕溝流域面積約2.87 km2，主溝道長2.56 km，平均溝床縱比降121‰.流域形狀呈“桃葉”型，溝谷多呈深切“V”字型.溝道兩岸山勢較陡峻，坡度30～60°，上游溝床坡度較陡，溝谷狹窄，寬度5～10 m，下游近溝口處斜坡多為近直立陡崖，可見泥石流相碎石沿溝口流向定向排列.簸箕溝陡峻的地形條件（相對高差及溝床縱比降大、溝坡坡度陡）以及較小的流域面積都有利于泥石流的形成［17］.

1.3 降水條件

研究區(qū)具有降水集中、暴雨多發(fā)的主要特點，為泥石流災害的發(fā)生提供了有利的水動力條件.根據(jù)氣象資料，區(qū)內(nèi)多年平均降水量為560.8 mm/a，年最大降水量為709.3 mm，日最大降水量為61.5 mm，1 h最大降水量54.0 mm，10 min最大降水量為30.4 mm.降水年內(nèi)分配不均，降水量主要集中于5—9月，占全年降水總量的78%以上，大雨（大于25 mm／d）多年平均爆發(fā)次數(shù)為2.1次/a.可能發(fā)生泥石流的24 h的界限雨值H24（D）＝30 mm，1 h的界限雨值H1（D）＝15 mm，10 min的界限雨值H1/6（D）＝6 mm.2012年5月10日17時許，受短時強降水影響，岷縣多地暴發(fā)特大山洪泥石流災害，降雨中心1 h降雨量達到42 mm，持續(xù)時長約40 min，過程雨量69.2 mm［18］。簸箕溝距離降雨中心約30 km，降雨強度重現(xiàn)期達到50 a，引發(fā)泥石流災害.

1.4 固體物源條件

簸箕溝泥石流的固體物質(zhì)來源主要為采礦活動產(chǎn)生廢石棄渣（Q4ml），其次為坡面殘坡積物（Q4el＋dl）以及溝岸少量的滑坡、崩塌重力堆積物（Q4del＋col）.廢石棄渣的物質(zhì)組成主要為三疊系（T）板巖、砂質(zhì)板巖和砂巖塊石，粒徑多在6～30 cm，最大粒徑約120 cm，結(jié)構(gòu)松散凌亂.殘坡積物的物質(zhì)組成主要為坡面風化的板巖、砂巖碎屑，粒徑大小不一.流域內(nèi)松散固體物質(zhì)體積約32×104m3，其中，4處礦山開采點形成的廢石棄渣隨意堆放在硐口外的山坡和溝道內(nèi)，體積約26×104m3，占固體物質(zhì)總量的81%，且隨著礦山開采規(guī)模和開采深度的增大，廢石棄渣仍在不斷增長.固體松散物質(zhì)的大量增加為泥石流的產(chǎn)生提供了豐富的物質(zhì)來源.

2 研究方法

2.1 FLO－2D軟件概況

FLO－2D軟件是O’Brien于1988年開發(fā)的基于非牛頓流體模型及中央有限差分數(shù)值方法的泥石流模擬軟件［19］.該軟件可以完整分析泥石流的運動特征及流變狀態(tài)，在預測泥石流堆積范圍以及劃分危險性評價分區(qū)方面取得了較好的效果.

2.2 模擬參數(shù)取值

模擬所需的地形數(shù)據(jù)采用簸箕溝流域1∶1萬等高線，在ArcGIS軟件中生成DEM數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為ASCⅡ格式，導入FLO－2D后構(gòu)建10 m×10 m的網(wǎng)格模型.模擬計算所需的流變參數(shù)通過現(xiàn)場調(diào)查以及查閱FLO－2D手冊確定.其中，簸箕溝在50 a及100 a降雨重現(xiàn)期頻率下的暴雨洪峰流量及泥石流峰值流量參數(shù)見表1，其余模擬參數(shù)見表2.

表1 不同降雨頻率下的暴雨參數(shù)取值表Table 1 Rainstorm parameters under different rainfall frequencies

表2 模擬參數(shù)取值表Table 2 Value table of simulation parameters

3 模擬結(jié)果及精度驗證

3.1 泥石流運動特征參數(shù)模擬結(jié)果

按照降雨強度重現(xiàn)期50 a（P＝2%）和100 a（P＝1%）的降雨頻率條件對簸箕溝泥石流的運動過程進行模擬計算，獲得泥石流暴發(fā)過程中的流體堆積深度、流體速度、沖出溝口物源量、堆積扇面積和體積等數(shù)據(jù)，模擬結(jié)果見表3和圖3.

表3 泥石流運動過程模擬計算結(jié)果Table 3 Simulation results of debris flow movement process

由這2種降雨重現(xiàn)周期的模擬結(jié)果可知堆積范圍、最大流速以及平均流速隨著重現(xiàn)周期的變長而增大.堆積的深度從出溝口往中部逐漸增加，在中部停滯，而后往前動力漸小，隨即堆積厚度越來越小.堆積扇中部區(qū)域一般為最深堆積區(qū)域，泥石流堆積區(qū)兩翼及堆積前端的深度一般小于泥石流堆積區(qū)的中部.在地形上，堆積扇偏向上游的區(qū)域堆積深度較大，偏向下游的區(qū)域堆積深度較小.堆積區(qū)中部的流體流速明顯大于兩翼及前段.

3.2 泥石流危險性評價模擬結(jié)果

泥石流影響強度的判定通過泥深或者泥深與流動速度相結(jié)合的方式表達，對泥石流強度按照表4進行劃分［20］.對于泥石流的重現(xiàn)周期，因該泥石流屬于暴雨型泥石流，泥石流發(fā)生的頻率可認為與暴雨發(fā)生的頻率一致，綜合考慮泥石流影響強度與發(fā)生頻率兩個指標可通過表5綜合確定泥石流的危險性［20］.本次調(diào)查根據(jù)不同頻率下泥石流的強度和泥石流發(fā)生頻率對泥石流區(qū)域進行危險性的劃分，得到泥石流危險性分區(qū)圖（圖4）.

圖4 不同降雨頻率下的泥石流危險性分區(qū)圖Fig.4 Hazard zoning maps of debris flow under different rainfall frequencies

表4 泥石流影響強度判別表Table 4 Discrimination of debris flow influence intensity

表5 泥石流危險性綜合判別表Table 5 Comprehensive discrimination of debris flow risk

降雨頻率P＝2%（重現(xiàn)期50 a）的泥石流危險性評價結(jié)果為：危險區(qū)面積10.58×104m2.其中高危險區(qū)面積5.15×104m2，占比48.7%；中危險區(qū)面積3.20×104m2，占比30.2%；低危險區(qū)面積2.23×104m2，占比21.1%.危險區(qū)范圍涵蓋了溝口兩側(cè)寬約170 m，長約60 m范圍內(nèi)的區(qū)域，主要威脅溝口附近的房屋2棟、村道100 m、農(nóng)田2.3 hm2.

降雨頻率P＝1%（重現(xiàn)期100 a）的泥石流危險性評價結(jié)果為：危險區(qū)面積12.02×104m2.其中高危險區(qū)面積6.49×104m2，占比54.0%；中危險區(qū)面積3.22×104m2，占比26.8%；低危險區(qū)面積2.31×104m2，占比19.2%.危險區(qū)擴大到了溝口兩側(cè)寬約260 m、長約180 m范圍內(nèi)的區(qū)域，主要威脅溝口附近的房屋9棟、村道135 m，鄉(xiāng)道210 m，農(nóng)田3.2 hm2.

通過FLO－2D數(shù)值模擬結(jié)果可得出：在降雨重現(xiàn)期為50 a及100 a降雨頻率下，簸箕溝泥石流的危險區(qū)均集中分布于泥石流主溝道、支溝溝道以及溝口一定范圍內(nèi)，這些區(qū)域容易遭受泥石流破壞，相應地也是泥石流的防治區(qū).截至2019年調(diào)查時期，簸箕溝的主溝及支溝溝道內(nèi)幾乎無房屋等建筑，在溝口處為泥地族村居民點、農(nóng)田及公路，針對該泥石流溝還未實施有效的工程治理措施.因此，泥石流威脅的溝口范圍區(qū)為人口及財產(chǎn)易損區(qū)，也是重點防治區(qū)，建議從加強礦山棄渣的科學管理、泥石流監(jiān)測預警及防治工程建設(shè)等方面開展泥石流災害防治工作.

3.3 模擬結(jié)果精度驗證

簸箕溝曾于2012年5月10日暴發(fā)一次降雨重現(xiàn)期為50 a的泥石流，淤積毀壞溝口附近農(nóng)田近1 hm2.為驗證本次模擬結(jié)果的精度，將同一降水頻率（2%）下模擬的堆積面積與“5·10”泥石流實際堆積面積進行對比，具體數(shù)據(jù)見表6.模擬精度計算公式［21］如下：

表6 實際堆積面積與模擬堆積面積對比Table 6 Comparison between actual and simulated accumulation areas

式中，A為模擬精度；Sa為泥石流實際堆積范圍面積；Sn為泥石流模擬堆積范圍面積；S0為模擬堆積范圍與實際堆積范圍的重疊區(qū)面積.

根據(jù)計算得出，本次模擬精度達到76.33%，符合精度要求，表明模擬結(jié)果與實際情況基本相符，可信度較高.分析造成模擬堆積區(qū)面積比實際堆積區(qū)面積偏大的原因在于：簸箕溝泥石流為一典型的礦山泥石流，其固體物源主要來自礦山棄渣.本次模擬采用的數(shù)據(jù)均來自2019年的野外實地調(diào)查，與2012年“5·10”泥石流相比，隨著簸箕溝流域內(nèi)人類采礦活動的不斷進行，堆積的礦山固體棄渣數(shù)量逐年增多，具有動態(tài)性及累積性，為泥石流暴發(fā)提供了更為豐富的固體物源.因此，本次模擬采用的泥石流容重及體積濃度等參數(shù)取值要比2012年偏大，造成了兩者堆積面積的差異，這也是符合現(xiàn)實情況的.

4 結(jié)論

（1）簸箕溝泥石流的堆積扇范圍、堆積深度以及平均流速等運動特征參數(shù)隨著降雨重現(xiàn)周期的變長而增大.堆積扇中部的堆積深度及流速明顯大于兩翼及前端，堆積扇偏向上游的區(qū)域堆積深度較大，偏向下游的區(qū)域堆積深度較小.

（2）簸箕溝泥石流的危險區(qū)集中分布于泥石流主溝道、支溝溝道以及溝口一定范圍內(nèi)，危險區(qū)面積隨著降雨重現(xiàn)周期的變長而增大，高危險區(qū)面積比例由48%（P＝2%）升高至54.0%（P＝1%）.泥石流主要威脅對象為溝口附近的房屋、公路及農(nóng)田，建議從加強礦山棄渣的科學管理、泥石流監(jiān)測預警及防治工程建設(shè)等方面開展泥石流災害防治工作.

（3）通過驗證，本次FLO－2D的數(shù)值模擬結(jié)果與實際情況基本相符，模擬精度達到76.33%，可信度較高.本研究為研究礦山泥石流的運動特征及危險性評價提供了一種新的思路和方法，同時也期望為該地區(qū)及其他地區(qū)的泥石流災害防治及國土空間規(guī)劃提供科學依據(jù)及參考.