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地球科学与环境工程河南科技Henan Science and Technology总第799期第5期2023年3月基于Massflow模拟的察隅县N047泥石流运动特征研究赵思远1吴琦1柴向阳2（1.华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南郑州450003；2.河南省遥感地质勘察有限公司，河南郑州450000）摘要：【目的目的】研究察隅县编号N047泥石流灾害的运动特征，为后续的防灾、减灾工作提供有效的参考。【方法方法】依据野外调查成果，采用Massflow数值仿真软件，对N047泥石流灾害进行模拟。【结果结果】在20年一遇暴雨状况下，其运动特征为：泥石流从开始到停歇经过了“蠕动-加速-减速-停歇”的过程，导致其运动状态变化的主要因素为沟道内地形、沟形的不断变化；在50年一遇与100年一遇暴雨状况下，预测的泥石流最大流速与最高泥深分别为：5.678 m/s、4.950 m及6.476 m/s、5.353 m。【结论结论】不同降雨频率下，该泥石流的流速、泥深及流体液面范围均与流量呈正相关的关系。关键词：泥石流；察隅县；massflow；数值模拟中图分类号：P642.23文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）05-0106-06DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.05.021Research on Movement Characteristics of N047 Debris Flow in ChayuCounty Based on Massflow SimulationZHAO Siyuan1WU Qi1CHAI Xiangyang2(1.North China University of Water Resources and Electric Power,College of Geosciences and Engineering,Zhengzhou 450003,China;2.Henan Remote Sensing Geological Exploration Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,China)Abstract:PurposesThis paper study the movement characteristics of N047 debris flow disaster inChayu County,then provide effective reference for subsequent disaster prevention and alleviation.MethodsBased on field investigation results,the N047 debris flow disaster is simulated by Massflow numerical simulation software.Findings Under the condition of once-in-20-year rainstorm,its movementcharacteristics are as follows:debris flow goes through the process of peristalsis-acceleration-deceleration-pause,and the main factors leading to the change of its movement state are the continuouschange of topography and ditch shape in the ditch;Under once-in-50-year and once-in-100-yearrainstorm conditions,the predicted maximum flow rate and maximum mud depth of debris flow are 5.678m/s,4.950 m and 6.476 m/s,5.353 m respectively.ConclusionsIt is concluded that the flow rate,muddepth and fluid level range of the debris fow are positively correlated with the flow rate under differentrainfall frequencies.Keywords:debris flow;Chayu County;massflow;numerical simulation收稿日期：2022-11-11作者简介：赵思远（1997），男，硕士生，研究方向：地质工程与地质灾害。通信作者：吴琦（1967），男，博士，教授，研究方向：地质工程与地质灾害。第5期107赵思远，等.基于Massflow模拟的察隅县N047泥石流运动特征研究0引言通常认为降雨是诱发地质灾害的众多外部因素之一。雨水源源不断地汇入沟道，洪流裹挟着沟道内、岸坡上的松散固体物质沿沟道向下游方向流动，从而诱发泥石流灾害。因此本研究将对20年一遇的暴雨条件下的N047泥石流灾害采用Massflow软件模拟，以确定其运动的基本规律，并模拟预测其在50年、100年一遇条件下的流量和泥深，为后期防灾、减灾提供必要的参考数据。1泥石流的基本特征察隅县竹瓦根镇知美村N047泥石流地理坐标为980812.10E，282818.13N，流域面积为1.27 km2，流域内最高海拔 4 481 m，最低点为 3 490 m，相对高差达到 989 m。如图 1 所示，沟槽横断面呈“V”型，流域狭长呈带状，沟道较笔直，未见支沟，主沟纵坡比489。沟域纵向长度约2.1 km，呈对称分布，为季节性沟道，沟道内可见孤石。沟口处地形宽阔，相对弯曲。沟源周边群山围绕，呈“圈椅状”，植被覆盖率一般，沟道深切，侵蚀较严重。堆积区的扇形地完整性为95%，主轴坡降为248，扇面发展呈淤高趋势。扇长约155 m，扇宽约330 m，扩散角为95，沟口至主河道（日东河）距离约580 m。该泥石流主要威胁对象为知美村居民点，威胁沟口两侧居民7户40人，房屋51间，威胁财产约619万元。2泥石流的形成条件该泥石流具备发生、发展所需的必要条件。沟源处山体陡峭，呈立体的“圈椅状”结构，即三面环绕的凹槽地形。一面出口，后缘及两侧汇水面积较大，均利于汇水。形成区、流通区沟道陡峻、狭窄、深切，呈深“V”型，沟床纵坡较陡，水流在此可显著加速。坡面出露主要为全新统残坡积物，较为松散破碎。沟道中游两侧斜坡侵蚀严重，在水动力作用下易破坏，形成堆积物，进一步堆积于坡体下部，成为泥石流的重要物质来源。降雨充沛，且为该泥石流的唯一水源条件。3基于mssflow的泥石流运动特征Massflow 软件是一款由中科院成都山地所欧阳朝军开发的具有二阶精度与自适应求解特点的地表过程动力学模拟软件1。是通过对三维Naiver-Stokes 方程2的深度积分得出质量与动量的控制方程，并利用有限差分法（MacCormack-TVD）结合 MPICH 和 OpenMP 技术3-5求解方程所开发的模拟软件。3.1模型建立首先，采用卫星下载知美村N047泥石流流域的等高线地形数据，利用ArcGis软件的空间分析功能转换成 DEM 栅格数据。其次，使用 ArcGIS 的“Arc Toolbox”工具箱中的“数据管理工具”，可以划分为 5 m5 m 大的计算网格，完成地形数据的处理。然后，根据ArcGIS软件的“栅格转ASCII”转换工具，将已划分网格的DEM数据转化成ASCII格式文档，可为Massflow软件识别。最后，打开Massflow软件后台编译程序 Microsoft Visual Studio，在程序代码中输入模型的相关信息，利用程序的“重新生产解决方案”“开始执行不调试”执行程序，再根据Tecplot软件，输出计算模型，如图2所示。3.2参数选取3.2.1重度。知美村N047泥石流属沟谷型泥石流，结合野外调查成果，确定知美村泥石流重度为1.572 t/m3、泥沙修正系数为0.54，以及堵塞系数Dc为2.2。3.2.2流量。泥石流流量的计算设置在沟口及拟设工程治理部位的典型断面上，所有断面流量的计算皆在假设未实施工程治理的条件下进行。首先，根据公式计算暴雨时的最大洪峰流量。该公式适合于全面产流条件下的全面汇流和部分汇流两种情况，可对横断面处的出水点在不同降水频率下的汇水流量进行计算，其计算公式为式（1）。QB=0.278 iF（1）式中；QB为最大洪峰流量，m3/s；为洪峰径流系数；i为最大平均暴雨强度；F为集水面积，km2。计算结果见表1。形成区流通区堆积区图1泥石流全貌108第5期赵思远，等.基于Massflow模拟的察隅县N047泥石流运动特征研究其次，采用雨洪法计算各断面的泥石流峰值流量。其计算公式为式（2）。Qc=（1+Fc）QPDc（2）式中；Qc为泥石流峰值流量，m3/s；Fc泥沙修正系数；QP为频率为P的暴雨洪水流量；Dc为泥石流堵塞系数。计算结果见表2。3.2.3流量过程线。依据流量过程线 6（见图3）、野外勘察与泥石流多次反演，可知知美村N047泥石流为20年一遇流量所激发，历经30 min（1 800 s）。3.2.4启动点与摩擦模型。启动点的选取需具备泥石流成灾的四个条件，即物源量丰富、降雨集中、沟道地形易于汇水，以及沟道地形能为泥石流启动提供势能空间。根据沟道内的监测结合启动点具备的条件，选取沟道中游处一点，如图2泥石流三维模型中所标位置，作为模拟的启动点。Voellmy模型改良自库伦模型并且适用于泥浆和泥石流灾害7，具有较好模拟效果，故本次模拟选取Voellmy模型。3.3模拟结果分析通过对知美村N047泥石流的反演，得出该泥石流在 20 年一遇状况下 60 s、100 s、600 s、900 s、1 500 s、1 800 s的泥深、流速，以及各时刻最高泥深YZX形成区堆积区3.152 5E+063.152E+063.151 5E+063.151E+06415 500416 000416 500417 000-10 000-5 00005 000Base4 0003 0002 0001 0000-1 000-2 000-3 000-4 000-5 000启动点流通区图2泥石流三维模型表1暴雨洪峰流量计算结果计算位置拟建拦砂坝沟口计算断面编号1-12-2暴雨洪峰流量/（m3/s）P=10%4.1157.122P=5%4.8828.472P=2%5.84310.165P=1%6.57511.457表2泥石流峰值流量计算结果计算断面位置拟建拦砂坝沟口计算断面编号1-12-2泥石流峰值流量/（m3/s）P=1%22.1438.56P=2%19.5334.21P=5%16.4328.52P=10%13.8723.98Q/（m2/s）T/s100年一遇50年一遇20年一遇Qc/3Qc/4T/3T/22T/3Qc图3泥石流过程线第5期109（d）900 s流速（e）1 500 s流速（f）1 800 s流速0 0.1 0.20.40.6kmNWSE流速/（m/s）汇水线0.023-0.8610.861-1.7701.770-2.6082.608-3.8203.820-5.9390 0.1 0.20.40.6kmNWSE流速/（m/s）汇水线0.034-1.1291.129-2.5332.533-4.0064.006-5.4105.410-5.7310 0.1 0.20.40.6kmNWSE流速/（m/s）汇水线0.020-0.6040.604-2.0882.088-3.6743.674-4.1414.141-5.134图5不同时刻的流速分布情况（a）60 s流速（b）100 s流速（c）600 s流速泥深/m543210-