基于MassFlow模型的吉隆县卓汤沟泥石流风险评价*

普布次仁 普布扎西 边巴次仁 格桑多吉 多吉次旦 米玛扎西

（西藏自治区地质矿产勘查开发局第六地质大队，西藏 拉萨 851400）

1 风险评价方法

本文单体地质灾害风险评价采用层次叠加法（图1），其每个图层反映的内容如下：

（1）易发性评价图层:对斜坡单元、沟谷单元等进行地质灾害易发性评判，找出工作区地质灾害危险源，划出危险源的分布范围及其危险区范围界线。图层显示的是“危险区范围界线”。

（2）人口密度图层:显示工作区人口分布密度图,可查找到工作区任一格栅计算单元的人口密度值。

（3）财产密度图层:显示工作区财产分布密度图,可查找到工作区任一格栅计算单元的财产密度值。

（4）风险评价图层:层次叠加法，不同风险概率下地质灾害危险区范围变化，危险区范围内：

R=∑n（人）·S·M（人）

R:受威胁人数；n（人）：人口损毁率（此次取1）；S:格栅计算单元面积；M（人）：格栅计算单元人口密度值；

C=∑n（财）·S·M（财）

C：受威胁财产；n（财）：财产损毁率（此次取1）；S：格栅计算单元面积；M（财）格栅计算单元财产密度值。

据此判定不同风险概率下地质灾害危险等级。

单体地质灾害危害性是在已有地质灾害点威胁对象调查的基础上，参照细则表M.5 进行地质灾害危害性等级划分［1］，等级划分见表1。

表1 单体地质灾害危害性等级划分表

然后按照矩阵叠加法进行单体地质灾害风险性评价，评价等级见表2。

表2 单体地质灾害调查点风险定性评价建议表

本文单体地质灾害风险评价采用层次叠加法（图1），其每个图层反映的内容如下：

（1）易发性评价图层:对斜坡单元、沟谷单元等进行地质灾害易发性评判，找出工作区地质灾害危险源，划出危险源的分布范围及其危险区范围界线。图层显示的是“危险区范围界线”。

（2）人口密度图层:显示工作区人口分布密度图,可查找到工作区任一格栅计算单元的人口密度值。

（3）财产密度图层:显示工作区财产分布密度图,可查找到工作区任一格栅计算单元的财产密度值。

（4）风险评价图层:层次叠加法，不同风险概率下地质灾害危险区范围变化，危险区范围内：

R=∑n（人）·S·M（人）

R:受威胁人数;n（人）：人口损毁率（此次取1）;S:格栅计算单元面积;M（人）：格栅计算单元人口密度值；

C=∑n（财）·S·M（财）

C：受威胁财产；n（财）：财产损毁率（此次取1）；S：格栅计算单元面积；M（财）格栅计算单元财产密度值。据此判定不同风险概率下地质灾害危险等级。

2 基于MassFlow的卓汤沟泥石流危险性评价

MassFlow 软件是基于深度积分的连续介质力学理论，利用改进的MacCormack-TVD 有限差分方法，兼有考虑复杂地形地貌、具有二阶精度和自适应求解域特征的山地灾害动力学高效计算模拟软件［1］。基于动力学过程的数值模拟研究能够揭示山地灾害随时空演化过程，为山地灾害定量风险评估、基础设施与城镇规划、减灾防灾与救灾策略制定提供理论与技术支撑。除此之外MassFlow软件提供基础源代码，可以以Microsoft Visual Studio为编译平台，以fortran语言为基础，在程序中二次开发。因此可以基于实地调查的基础上对动力模型进行优化，提高目标区域的地质灾害模拟的精度。

2.1 运动参数分析

在能确保计算精度和准确性的情况下，选用参数少的计算模型即可以降低灾害勘测的工作量还可以提高程序计算效率。本次模拟建立的基底摩擦模型为Voellmy 模型。此模型需要三个参数，分别是基底摩擦系数、泥石流紊动系数以及泥石流容重。一般山区流域泥石流紊动系为200～600之间，实测沟床基底摩擦系数0.085。泥石流容重1.70～1.75。因此本文以现场实地测量参数作为泥石流动力过程模拟的重要指标。

2.2 模型建立方法

针对泥石流灾害的动力过程分析，计算起始点的选取为第一项工作。在此之前，需要将标准的地形数据导入MassFlow程序中。针对泥石流灾害评估，无人机拍摄构建地表模型为一种常用的手段。通过在目标区域内设置一定数量的控制点，并在目标区域内使用规划航线或手动拍摄的方法，获取整个工作区域的无人机影像（TIF 格式，具备坐标信息）。下一步将获取的无人机航拍照片导入Smart3D、Photoscan、Pix4D等三维建模软件进行建模，完成空中三角测量之后，获取该地区的数字高程模型（DEM）正射影像（DOM）。通常获取的DEM 数据为大地坐标系系统（经纬度），不能直接用于程序数据读取，需要在ArcGIS软件中使用定义投影坐标系的功能，将大地坐标系的DEM 数据转化为投影坐标系中，并将DEM 栅格数据重分类，划分为整数正方形网格数据（例如5m×5 m）。最后将重分类好的DEM 栅格数据，使用ArcGIS 软件栅格转ASCLL 码功能，将DEM 栅格数据保存为ASCLL 码数据（txt文档），即可导入MassFlow计算程序。

获取地形和物源数据，确定边界完成建模构建物源是建模的核心任务，也是建模的难点［2］。首先需要目前的地形数据，基于现有的地形数据和遥感影像和实地勘测资料，通过ARCGIS 软件圈定物源范围h。最后通过MassFlow 软件将得到地形和物源高度数据导入到模型中，并设置相应的边界条件完成建模如图2所示。根据获得的影像数据、实地勘察，建立了如下图的泥石流数值模拟模型［1］，计算模型采用12m 的正方形网格。

2.3 卓汤沟泥石流地质灾害反演

模型通过对卓汤沟泥石流模拟反演结果见图2～10。在卓汤沟泥石流灾害反演模拟中，松散堆积物主要淤积在沟口形成泥石流堆积扇，由图2 可知最大的淤积深度为6.5m，平均的淤积深度为2.1m，卓汤沟泥石流冲出范围较小，主要淤积于沟口和河道，对房屋、道路等的破坏较小。由图3可知在泥石流运动过程的速度上，最大的运动速度为4.9m/s，平均速度为0.6m/s，在泥石流初始位置，泥石流流速较大，这是由于在此处卓汤沟沟道较陡，沟道纵比降较大，因此流速较大。泥石流堆积于沟口公路，并挤压吉隆藏布，对当地交通运输的正常秩序造成了严重不利影响，不利于当地村民正常开展生产活动，也威胁到村道的行人和车辆的正常通行，泥石流主要威胁对象为沟口G216线及过往车辆行人、吉隆藏布主河道等，如爆发大规模泥石流，有堵塞基隆藏布形成泥石流堰塞湖诱发更大规模的次生灾害。

2.4 卓汤沟泥石流危险性预测结果与分析

本课题将泥石流强度与暴发的重现周期（10 年、20 年）相互结合用来划分泥石流的危险性［3］，将卓汤沟划分为高危险性，中危险性，低危险性区域。

（1）P=5%工况条件下卓汤沟泥石流危险性预测结果。图4、图5 为P=5%工况条件下卓汤沟泥石流1500s 时的泥石泥深度和速度云图。图6 为P=5%工况条件下卓汤沟泥石流危险等级划分图。

（2）P=10%工况条件下卓汤沟泥石流危险性预测结果。图7、图8 为P=10%工况条件下卓汤沟泥石流1500s 时的泥石流深度和速度云图，图9 为P=10%工况条件下卓汤沟泥石流危险等级划分图。

2.5 卓汤沟泥石流风险评价结果分析

基于MassFlow 对卓汤沟泥石流建立评价模型进行风险评价，可以看到模拟计算的结果与现场勘查的结果结论基本一致，即卓汤沟泥石流在极端暴雨天气的情况下，容易爆发泥石流，淤积的泥石流堆积体对沟口的G216 线及吉隆藏布主河道造成威胁，但数值模拟过程和现场勘查关于泥石流的堆积过程，存在一定差异，对于存在的差异，我们认为主要基于以下两点原因：一是采用MassFlow对卓汤沟泥石流风险评价计算模型采用12m 的正方形网格，网格间距较大，一定程度上影响了模拟地形的准确性，导致与现场实际调查情况存在一定偏差；二是数值模拟过程是基于相同类型地质灾害的通用经验进行模拟灾害体的运动过程，具有普适性缺在针对性上略有欠缺，因此也可能导致模拟结果与现场勘查结论存在一定偏差，我们认为此种偏差是在正常的误差范围。

因此基于前述数值模拟结果所示，可见卓汤沟沟口靠近公路的区域风险较高，可能对G216 线公路造成一定的损毁，威胁过往车辆及行人，沟口靠近吉隆藏布方向风险也较高，泥石流极有可能对建主河道成很大的危害，需要进行及时的治理以防止出现人员伤亡及财产的损失。

3 结论

根据“地质灾害风险调查评价技术要求（1:50000）（试行）”附录评价方法［1］，对卓汤沟泥石流风险进行定量评价。

3.1 泥石流到达概率

根据泥石流的沟域几何形态特征以及沟道特征，泥石流堆积体体到达堆积区承灾体的概率P1=1.0。

3.2 泥石流发生概率

根据现场调查及资料收集，该泥石流产生变形时的降雨强度为二十年一遇降雨强度，降雨持续1天。因此，泥石流发生概率P2=1×1/（20×365）/年=.000137/年。

3.3 人员的时空概率

根据野外实际调查记录推测可知在工作区范围内，国道G216 总长52.0km，国道上日均车流量在600辆左右，同时根据向当地交管部门询问可知，在旅游旺季（7～9）月份时候，车流量在600～700 辆/天，在旅游淡季时候，车流量在400 辆/天左右，综合考虑推测国道上每日车辆数为500 辆左右，机动车合计当量为700 当量。通过野外实际调查情况，可知工作区内的车辆可认为近似平均分布于国道上。因此结合卓汤沟泥石流危险区范围内国道G216 总长500m，推测危险区范围内每日的当量平均数为当量6.73，每辆车平均按3 名乘员计算，泥石流威胁对象共21 人，估算每车通过时间5分钟。房屋中个人的时空概率为：P3=5/60/24=0.0035。

3.4 易损性分析

由于公路和房屋位于泥石流堆积扇上，根据泥石流的规模及运动特征，推测泥石流堆积体爆发之后正面冲击中人员死亡的易损性为1.0。

3.5 泥石流风险综合评价

泥石流危险区内人员伤亡的年概率为：P=P1×P2×P3×132=0.0000004795/年。

综上所述，单体地质灾害风险评价是区域地质灾害风险评价的基础。对单个地质灾害隐患点的成灾机理分析，初步确定其稳定性与运动模式。通过运用MassFlow软件模拟不同风险概率下的泥石流危险源的危险区范围；再借助人口与财产分布密度图来确定危险区范围内的受威胁人口与财产，最后通过查表法（表1、表2）与查图法确定危险区内的风险性等级，详见图10。

在高风险概率下，卓汤沟泥石流处于中风险状态；在中风险概率下，卓汤沟泥石流处于中风险状态；在低概率和极低风险概率情况下，卓汤沟泥石流风险性均处于高风险状态，风险评价结果为场镇建设和规划提供科学依据，从而有效地规避风险和减灾防灾。