基于FLO-2D的抽水蓄能電站泥石流模擬分析

劉雄　向貴府

摘要：針對新疆吐魯番盆地東側鄯善縣泥石流災害影響該地區工程建設與發展的問題，以新疆鄯善縣抽水蓄能電站下庫區泥石流為研究對象，運用FLO-2D數值模擬軟件，對不同降雨頻率下（P=1%，2%，5%）泥石流溝的發生過程進行模擬。結果表明：在降雨頻率P=1%和P=2%的降水條件下，溝內泥石流將沖出淤積在攔沙壩附近，并侵占河道。以庫區運行年限100 a計，庫區淤積總量為21 567 m3，對下庫區庫容產生一定的影響。

關鍵詞：泥石流； FLO-2D； 抽水蓄能電站； 鄯善縣； 新疆

中圖法分類號：TV144;TV743 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.016

文章編號：1006-0081（2024）04-0101-05

0 引 言

泥石流因其能攜帶大量泥沙、塊石，具有突發性、運動速度快、破壞力強等特點，是影響電站正常運行的主要地質災害之一。通過對泥石流的沖淤特征等進行分析，可以有效反映出泥石流的發展趨勢，對庫區泥石流的預防與治理有著重要的意義［1］。目前，對泥石流的研究方法主要包括物理實驗方法、經驗公式方法以及數值模擬方法。數值模擬的成本低、效率高，其中，FLO-2D作為一款模擬洪水與泥石流的軟件，因其操作簡便、模擬結果精確等優點而被廣泛運用［2-3］。張鵬等［4］運用FLO-2D對泥石流沖淤特征進行模擬，并與現場調查結果相對比，驗證了模擬結果的準確性。Adegbe等［5］、梁鴻熙等［6］通過FLO-2D模擬分析了泥石流流動及堆積的影響因素。Quan等［7］、劉福臻等［8］運用FLO-2D對研究區進行泥石流危險評價。

新疆地處歐亞大陸腹部，受其獨特的地理位置及氣候、地形等因素的影響，新疆山區泥石流災害頻發［9］。與其他區域泥石流災害有所不同的是，新疆泥石流固體物質啟動要求低，即在較小的降雨條件下亦可誘發泥石流。目前眾多學者對新疆地區泥石流的成因、特點、危險性評價以及易損性等方面做了大量的研究［10-13］，但是關于數值模擬方面的研究較少。本文以新疆鄯善縣抽水蓄能電站為研究對象，運用FLO-2D軟件模擬降雨頻率P=1%，2%，5%情況下該電站下庫區泥石流沖淤特征，并結合現場調查結果，討論模擬成果的合理性，綜合分析、預測泥石流發展趨勢，為工程建設提供參考。

1 研究區概況

工程區位于新疆維吾爾自治區吐魯番市鄯善縣，泥石流溝口地理坐標：89°55′E，43°18′N。區內地層主要屬于博格達復背斜前中生界地層（PreMz）中的晚石炭系地層，巖性主要為晚石炭系的變質凝灰巖。總體上地形陡峻，溝壑縱橫，在下庫區發育一條較大沖溝，其主溝道長約5.32 km，相對高差為1 160 m，主溝溝道平均縱比降約218‰，流域面積約為5.25 km2，整體呈櫟葉形，近E-W向延伸。溝谷形態整體呈上寬下窄的特征；岸坡坡度整體左陡右緩。

根據現場調查、遙感解譯等綜合手段，對溝域內主要松散固體物源進行調查，結果表明其物源主要為崩滑物源、溝床物源以及坡面物源，見圖1。估計物源量分別為崩滑物源36.65萬m3；溝床堆積物源57.50萬m3；坡面侵蝕物源6.26萬m3。

降雨量少、降雨時間高度集中、降雨時間短是新疆鄯善地區的最重要特征。年內大部分降雨集中在5～10月份，占多年年平均降雨總量的85%；其中，5月的多年單月平均降雨量約占多年平均年降雨量的24%，2020年5月單月降雨量達到103.12 mm，占全年降雨量的45.8%。多年單日最大降雨量占全年降雨量的45.8%。在1985年，日最大降雨量達89.4 mm，約占到年降雨量95.1 mm的94%。這樣的集中短時降雨特征，為泥石流提供了重要的水源觸發條件。

2 FLO-2D數值模擬

2.1 模型控制方程

FLO-2D進行泥石流運動數值模擬的關鍵在于求解泥石流x軸、y軸方向的水深及平均速度以及泥石流流深、沖淤深度［4］，模型所用方程如下［14-15］。

2.2 模擬數據處理

根據研究需要收集了DEM數據、遙感影像數據、地質數據、降雨數據以及新疆鄯善縣抽水蓄能電站下庫區泥石流調查評價報告數據資料。通過Arcgis 10.2軟件將DEM數據轉換為FLO-2D所能識別的ACSⅡ文件。根據下庫區泥石流特征以及硬件條件將本次網格劃分為10 m×10 m，并對網格進行高程賦值。

2.3 模擬參數選取

根據現場調查結果同時結合DZ/T 0220-2006《泥石流災害防治工程勘查規范》附表相關因素得到下庫區泥石流密度值1.521 t/m3。

泥石流在運動過程中，由于位置的不同，所經歷的情況有所不同，因此泥石流濃度也有所差異，參考余斌［16］所提公式和FLO-2D手冊的建議值對其進行賦值：

式中：Cv為泥石流體積濃度；γc為泥石流密度，g/cm3；γw為水的密度，取1 g/cm3；γh為泥石流泥沙密度，一般取值2.7 g/cm3。泥石流模擬中其他參數的取值根據FLO-2D使用手冊結合野外實地調查以及泥石流模擬情況進行修正，最終各參數取值見表1。

根據新疆各水文分區新經驗公式［17］，以鄯善縣1980～2022年降雨數據為基礎，計算出下庫區泥石流溝在降雨頻率P=1%，2%，5%下的暴雨洪峰流量及泥石流峰值流量參數見表2。根據泥石流特點，采用五邊形法確定流域清水流量過程曲線。將洪峰流量乘以放大因子可得到泥石流最大流量（圖2）。

2.4 結果及誤差分析

為了解泥石流對庫區的影響，通過對不同降雨頻率下（P=1%，2%，5%）的泥石流進行模擬，模擬泥石流在溝道的運動過程，得出不同頻率下泥石流堆積深度（泥深）、流速、沖擊力以及堆積特征。模擬結果見圖3～5。

隨著降雨重現周期的增加，模擬所得的泥石流堆積深度、泥石流流速以及泥石流沖擊力與重現周期成正比關系。在下庫區泥石流爆發過程中，受地形等因素影響，泥石流堆積物呈不規則狀、總體向溝口前方偏下游順沖溝堆積呈帶狀。泥石流流速與堆積深度、流速與沖擊力之間存在一定的相關性，三者之間受地形影響顯著。平坦處堆積厚度大。泥石流溝道內堆積厚度大于溝道兩側，泥石流堆積厚度最大位置位于堆積區中部而后向四周逐漸減小。泥石流流速以及沖擊力在堆積區中部很小，但是在地形陡峭地段，流速以及沖擊力明顯增大，此外彎道處流速、沖擊力小于出彎道的流速、沖擊力。當降雨頻率為100 a一遇（P=1%）時，堆積扇面積約為36 000 m2，堆積區平均淤積厚度約為0.24 m，沖出量約為8 640 m3；當降雨頻率為50 a一遇（P=2%）時，堆積扇面積約為29 400 m2，堆積區平均淤積厚度約0.22 m，沖出量約為6 468 m3；當降雨頻率為20 a一遇（P=5%）時，堆積扇面積約為7 900 m2，堆積區平均淤積厚度約為0.135 m，沖出量約為1 070 m3。不同頻率的數值模擬結果見表3。

基于野外調查結果，借鑒王高峰等［18］提出的精度系數Ia驗證庫區泥石流在P=5%降雨頻率下的模擬精度。Ia的值越接近1，表示模擬結果越準確。

Ia=√（A0Ar/A0Am）

式中：A0為重疊面積；Ar為泥石流實際堆積面積；Am為泥石流模擬堆積扇面積。通過公式，結合表4數據計算，得到模擬庫區泥石流精度為71.3%，滿足模擬精度要求，基本可以反映實際情況。

分析造成誤差的原因：由于FLO-2D模型是定溝道模型，模擬過程中不考慮溝道及兩岸的侵蝕現象，即泥石流在流動過程中，沖刷溝床松散固體物質，同時掏蝕溝道兩岸岸坡坡腳，引起岸坡滑塌，為泥石流的形成提供物源［19］。

3 下庫區泥石流對工程的影響

下庫區泥石流位于大壩上游600 m，緊鄰上下游攔沙壩以及下庫區進水口，如圖1。在P=1%（最大雨強26.4 mm/h）以及P=2%（最大雨強24.8 mm/h）的降水條件下，溝內泥石流將沖出淤積在攔沙壩附近并侵占河道。該泥石流溝一次沖出的固體物質不多，破壞能力有限，對壩區內建筑物影響不大。泥石流動力學參數見表5。

庫區泥石流對水電工程的淤積影響主要表現在水庫蓄水運行之后［20］。由于庫區蓄水水位線高于泥石流溝口高程，故認為泥石流沖出物全部進入庫區。庫區運行年限以100 a計，根據模擬沖出量（表3～4）計算得到庫區淤積總量為21 567 m3，對下庫區庫容產生一定的影響，將增加庫區內的固體物質，減小庫容。建議在下庫區內泥石流溝道內的適當部位設計攔擋工程，減少進入庫區內的泥石流固體物質，確保下庫區安全庫容。

4 結 論

（1） 通過分析新疆鄯善縣抽水蓄能電站下庫區泥石流模擬結果可知：泥石流堆積厚度、泥石流流速、沖擊力等都隨降雨頻率的減小而周期性增大，堆積扇的泥石流堆積厚度由中部向邊緣逐漸減小。

（2） 在泥石流模擬過程中未考慮泥石流的下切、沖刷等作用的影響，因而模擬結果比實際結果偏小；泥石流的堆積扇平均深度、堆積扇面積、沖出量隨降雨頻率的減小而增大。

（3） 下庫區泥石流流深、流速以及堆積范圍等與實際結果相接近，精度達71.3%，證明該模型在此類條件下有較強的適用性。

（4） 根據模擬結果分析可知，泥石流沖出量對下庫區庫容有一定的影響，建議在適當部位設置攔擋壩防止泥石流固體物質進入下庫區。

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（編輯：高小雲）

Simulation analysis on debris flow in pumped storage power station based on FLO-2D

LIU Xiong，XIANG Guifu

（School of Environment and Resource，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621000，China）

Abstract： In view of the debris flow disasters in Shanshan County，east of Turpan Basin，Xinjiang，which seriously affected the engineering construction and development in this area，we selected the debris flow in the lower reservoir area of the pumped storage power station in Shanshan County，Xinjiang as the research object.FLO-2D simulation software was used to simulate the occurrence process of debris flow in the ditch under different rainfall frequency （P=1%，2%，5%）.The results showed that under the precipitation conditions of P=1% and P=2%，the debris flow in the ditch would wash out and deposit near the sand barrier and occupy the river channel.Based on the operating period of 100 years in the reservoir area，the total amount of sedimentation in the reservoir area was 21 567 cubic metre，which had a certain impact on the storage capacity of the lower reservoir area.

Key words： debris flow； FLO-2D； pumped storage power station； Shanshan County； Xinjiang

收稿日期：2023-11-27

基金項目：國家科技支撐計劃項目（11zg4103）

作者簡介：劉 雄，男，碩士研究生，研究方向為地質災害及其防治。E-mail：596702091@qq.com

通信作者：向貴府，男，講師，博士，主要從事地質災害及其防治研究。E-mail：28899600@qq.com