泥石流運動過程模擬分析

李 棟，孫 璐，徐 悅

（西藏大學工學院，拉薩 850000）

泥石流是一種常見的山區災害，其在形成發育過程中會攜帶、鏟刮地表的塊石泥沙等，故破壞力巨大[1]。青藏高原周邊及其臨近的地形急變帶是泥石流災害的多發區[2]，常由冰雪崩、冰雪融水、冰湖潰決等沖擊下部冰磧物從而形成泥石流[3-4]，相較于暴雨型泥石流，冰雪融水和降水共同作用形成的冰水混合型泥石流的規模更大，運動演進距離更長，破壞性更強，嚴重威脅下游社區居民點和基礎設施。西藏自治區東南部具有廣布的冰川、多山的地形和豐富的降水，易發冰水混合型泥石流[5]。近年來，隨著全球氣候變暖和極端氣候事件增加，該地區泥石流災害的頻次和強度都有所上升，對當地社區、交通和經濟活動帶來嚴重影響。色東普溝位于雅魯藏布江大拐彎處，歷史上曾發生多起大規模冰崩形成的冰川泥石流，堵塞河道數天；扎木弄溝暴發過多起泥石流，對當地生產生活造成嚴重影響；古鄉溝與天摩溝在歷史上也暴發過多起冰水混合型泥石流災害。臘月弄巴曲溝位于西藏自治區林芝市，該區域因其獨特的地理、氣候特征和脆弱的生態系統，呈現出復雜的泥石流發展模式。本文通過數值模擬對臘月弄巴曲溝泥石流事件進行運動過程的重演，以期為泥石流災害預防提供有效的技術支撐。

1 研究區概況

研究區位于林芝市拉月曲右岸，為高山流水切割構造地貌，河流深切，兩側山勢陡峻，相對高差大，植被稀疏，地形地貌及地質條件極為復雜。面積為98.75 km2，長度為22.88 km，最高點位于西南方，海拔為6 442.3 m，溝口為最低點，海拔約為2 414.5 m，相對高差為4 027.8 m。臘月弄巴曲溝為楓葉狀，溝道較為筆直，溝道內發育有巨厚冰磧物。

1.1 地層巖性

研究區主要出露南迦巴瓦巖群及第四系地層，南迦巴瓦巖群主要由直白巖組、派鄉巖組和多雄拉混合巖三套巖石組成，三者之間均以韌性剪切帶分隔。經現場踏勘，臘月弄巴曲溝流域內主要出露的基巖為多雄拉混合巖和直白巖組，第四系包括冰積層、冰水堆積層、泥石流堆積層、殘坡積層和沖積層，廣泛分布于各級河流、山谷等區域內，成因有冰川退縮后遺留的冰磧物，也有兩岸邊坡的崩塌、滑坡的堆積。這些在溝道內堆積的巨厚冰磧物在受到上游冰崩的沖擊后極其容易啟動，造成溝口處的河流堵塞。

1.2 地質構造

研究區位于喜馬拉雅山脈的東端，地處雅魯藏布江縫合帶，屬于同著名的西喜馬拉雅構造結遙相呼應的東構造結。由于印度洋板塊和亞歐板塊的激烈碰撞，該區域地殼活動極其強烈。研究區經歷了雅魯藏布江的生成、俯沖、閉合和印度洋板塊-歐亞板塊陸-陸碰撞以及碰撞后陸內匯聚階段的逆沖、伸展、隆升、走滑、變質、熔融等地質作用，是喜馬拉雅山造山帶中最引人矚目的地區之一，也是青藏高原上隆升和剝蝕速率最快的地區之一。

1.3 氣象水文

研究區屬高原溫帶半濕潤季風氣候區，氣候較干燥，年無霜期為170 d。氣候特點為降水集中，雨熱同季，蒸發量大。據水文觀測站監測，年降水量最高可達891.9 mm，月最大值為391.6 mm，年平均降水量為624.97 mm；24 h 最高降水量可達53.0 mm，最大1 h 降水量為6.15 mm。1—10月平均氣溫為8.2 ℃，汛期平均氣溫為14.3 ℃，氣候特點為降水集中，雨熱同季，蒸發量大。研究區降水極為豐富，集中于6—9月，該時間段內地質災害頻發。

2 發展趨勢預測

隨著全球氣候逐漸變暖，高海拔地區地質災害不斷加劇，下面模擬極端情況下潛在物源崩滑對拉月曲的影響。

2.1 物源發育特征

經過多期遙感影像數據的對比和實地的野外踏勘，查出臘月弄巴曲溝的物源主要分為三種類型，即冰磧物物源、溝床內的崩坡積物、上游的崩滑物源。臘月弄巴曲溝內的冰磧物物源主要分布在流通區上游溝道內，物源儲量約為2.0×106m3；溝床內的崩坡積物源多分布在溝道兩側，物源儲量為1.2×106m3；兩側高大山體上冰川廣布，冰川上冰裂縫較為發育，潛在冰崩體儲量為3.4×105m3。

2.2 氣象變化

水熱組合和長期的氣候變化是冰水混合型泥石流形成的重要誘因，根據統計數據，自1981年以來，青藏高原大氣升溫速率為0.60 ℃/10 a。1956—2023年，除1959年出現低溫，其余年份西藏東南部的平均氣溫整體呈升高趨勢，2023年平均氣溫達到最高值（11.47 ℃）。1960—2023年，西藏東南部降水量總體呈增加趨勢，相對于氣溫的增加，降水的變化趨勢并不明顯，變化傾向率為6.66 mm/10 a。根據統計數據，研究區的降水主要集中在6—9月，6—9月降水量約占全年降水量的75%，月均最大降水量大多出現在7月、8月，最小降水量由原來的1月、2月變為現在的12月。降水具有明顯的季節性差異，春、冬降水少，夏秋降水量大且集中，極易引發自然災害。在全球氣溫不斷變暖的大環境下，長年凍土與積雪消融加劇疊加夏秋季節集中的降水，為冰水混合型泥石流的發生提供一定條件。

3 基于Massflow 軟件的泥石流運動特征模擬

泥石流研究的難點在于觀測困難，室內試驗無法完全重現，隨著計算機技術的飛速發展，數值模擬在一定程度上解決運動過程重現的問題。Massflow 軟件可利用高精度數字高程模型（DEM）數據對滑坡、崩塌、泥石流等地質災害的運動全過程進行模擬。程序是基于深度積分的連續介質力學理論對流體動力學三維納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程進行深度積分，從而推導出質量守恒方程、動量守恒方程。

3.1 模擬流程及參數選取

通過ArcGIS 軟件程序構建地形、物源等的數字高程模型，并輸出Massflow 軟件的數據格式。在Massflow 軟件環境中完成控制參數設計和模擬計算過程，并將成果輸出至ArcGIS 軟件平臺，進行結果的可視化。Massflow 軟件提供庫倫、曼寧、沃米等不同的基底摩擦模型進行選擇。本文采用沃米模型對臘月弄巴曲溝潛在物源的泥石流運動過程進行模擬分析。結合參考資料、實地調查以及多次反演，本次數值模擬選取的摩擦系數為0.12，湍流系數為600。

3.2 模擬結果

利用Massflow 軟件模擬臘月弄巴曲溝運動過程。第一階段，在持續高溫影響下，冰川上部發生消融，產生裂隙，發生崩解滑塌，在重力作用下鏟刮坡面，沖擊下方冰磧物。此時段最大泥深為6 m。第二階段，崩滑體在加速度的影響下直接沖入主溝，繼續向下運動。在構造、地震及人類活動的影響下，流通區松散物源較多。在其運動過程中，不斷侵蝕、鏟刮表層土壤及植被。第三階段，崩滑體由流通區進入堆積區，速度逐漸放緩，沿河道逐漸堆積。第四階段，運動過程結束，堆積物占據拉月曲河道，堆積面積為419 795 m2，最大堆積深度為9 m。最后時刻泥深與流速分布如圖1所示。

圖1 最后時刻泥深與流速分布

4 結論

臘月弄巴曲溝位于拉月曲上游，流域面積為98.75 km2，長度為22.88 km，最高點位于西南方，海拔為6 442.3 m，溝口為最低點，海拔約為2 414.5 m，相對高差為4 027.8 m。本文結合臘月弄巴曲溝的流域基本特征，模擬上游潛在物源在極端條件下發生泥石流后的特征參數。臘月弄巴曲溝的物源主要分為3 種類型，即冰磧物物源、溝床內的崩坡積物、上游的崩滑物源。臘月弄巴曲溝運動過程分為4 個階段。第一階段，冰川上部在持續高溫影響下發生崩解滑塌，在重力作用下鏟刮坡面；第二階段，崩滑體在加速度的影響下直接沖入主溝，繼續向下運動；第三階段，崩滑體由流通區進入堆積區，速度逐漸放緩，沿河道逐漸堆積；第四階段，運動過程結束，堆積物占據拉月曲河道，堆積面積為419 795 m2，最大堆積深度為9 m。