基于FLO-2D的抽水蓄能电站泥石流模拟分析

刘雄　向贵府

摘要：针对新疆吐鲁番盆地东侧鄯善县泥石流灾害影响该地区工程建设与发展的问题，以新疆鄯善县抽水蓄能电站下库区泥石流为研究对象，运用FLO-2D数值模拟软件，对不同降雨频率下（P=1%，2%，5%）泥石流沟的发生过程进行模拟。结果表明：在降雨频率P=1%和P=2%的降水条件下，沟内泥石流将冲出淤积在拦沙坝附近，并侵占河道。以库区运行年限100 a计，库区淤积总量为21 567 m3，对下库区库容产生一定的影响。

关键词：泥石流； FLO-2D； 抽水蓄能电站； 鄯善县； 新疆

中图法分类号：TV144;TV743 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.016

文章编号：1006-0081（2024）04-0101-05

0 引 言

泥石流因其能携带大量泥沙、块石，具有突发性、运动速度快、破坏力强等特点，是影响电站正常运行的主要地质灾害之一。通过对泥石流的冲淤特征等进行分析，可以有效反映出泥石流的发展趋势，对库区泥石流的预防与治理有着重要的意义［1］。目前，对泥石流的研究方法主要包括物理实验方法、经验公式方法以及数值模拟方法。数值模拟的成本低、效率高，其中，FLO-2D作为一款模拟洪水与泥石流的软件，因其操作简便、模拟结果精确等优点而被广泛运用［2-3］。张鹏等［4］运用FLO-2D对泥石流冲淤特征进行模拟，并与现场调查结果相对比，验证了模拟结果的准确性。Adegbe等［5］、梁鸿熙等［6］通过FLO-2D模拟分析了泥石流流动及堆积的影响因素。Quan等［7］、刘福臻等［8］运用FLO-2D对研究区进行泥石流危险评价。

新疆地处欧亚大陆腹部，受其独特的地理位置及气候、地形等因素的影响，新疆山区泥石流灾害频发［9］。与其他区域泥石流灾害有所不同的是，新疆泥石流固体物质启动要求低，即在较小的降雨条件下亦可诱发泥石流。目前众多学者对新疆地区泥石流的成因、特点、危险性评价以及易损性等方面做了大量的研究［10-13］，但是关于数值模拟方面的研究较少。本文以新疆鄯善县抽水蓄能电站为研究对象，运用FLO-2D软件模拟降雨频率P=1%，2%，5%情况下该电站下库区泥石流冲淤特征，并结合现场调查结果，讨论模拟成果的合理性，综合分析、预测泥石流发展趋势，为工程建设提供参考。

1 研究区概况

工程区位于新疆维吾尔自治区吐鲁番市鄯善县，泥石流沟口地理坐标：89°55′E，43°18′N。区内地层主要属于博格达复背斜前中生界地层（PreMz）中的晚石炭系地层，岩性主要为晚石炭系的变质凝灰岩。总体上地形陡峻，沟壑纵横，在下库区发育一条较大冲沟，其主沟道长约5.32 km，相对高差为1 160 m，主沟沟道平均纵比降约218‰，流域面积约为5.25 km2，整体呈栎叶形，近E-W向延伸。沟谷形态整体呈上宽下窄的特征；岸坡坡度整体左陡右缓。

根据现场调查、遥感解译等综合手段，对沟域内主要松散固体物源进行调查，结果表明其物源主要为崩滑物源、沟床物源以及坡面物源，见图1。估计物源量分别为崩滑物源36.65万m3；沟床堆积物源57.50万m3；坡面侵蚀物源6.26万m3。

降雨量少、降雨时间高度集中、降雨时间短是新疆鄯善地区的最重要特征。年内大部分降雨集中在5～10月份，占多年年平均降雨总量的85%；其中，5月的多年单月平均降雨量约占多年平均年降雨量的24%，2020年5月单月降雨量达到103.12 mm，占全年降雨量的45.8%。多年单日最大降雨量占全年降雨量的45.8%。在1985年，日最大降雨量达89.4 mm，约占到年降雨量95.1 mm的94%。这样的集中短时降雨特征，为泥石流提供了重要的水源触发条件。

2 FLO-2D数值模拟

2.1 模型控制方程

FLO-2D进行泥石流运动数值模拟的关键在于求解泥石流x轴、y轴方向的水深及平均速度以及泥石流流深、冲淤深度［4］，模型所用方程如下［14-15］。

2.2 模拟数据处理

根据研究需要收集了DEM數据、遥感影像数据、地质数据、降雨数据以及新疆鄯善县抽水蓄能电站下库区泥石流调查评价报告数据资料。通过Arcgis 10.2软件将DEM数据转换为FLO-2D所能识别的ACSⅡ文件。根据下库区泥石流特征以及硬件条件将本次网格划分为10 m×10 m，并对网格进行高程赋值。

2.3 模拟参数选取

根据现场调查结果同时结合DZ/T 0220-2006《泥石流灾害防治工程勘查规范》附表相关因素得到下库区泥石流密度值1.521 t/m3。

泥石流在运动过程中，由于位置的不同，所经历的情况有所不同，因此泥石流浓度也有所差异，参考余斌［16］所提公式和FLO-2D手册的建议值对其进行赋值：

式中：Cv为泥石流体积浓度；γc为泥石流密度，g/cm3；γw为水的密度，取1 g/cm3；γh为泥石流泥沙密度，一般取值2.7 g/cm3。泥石流模拟中其他参数的取值根据FLO-2D使用手册结合野外实地调查以及泥石流模拟情况进行修正，最终各参数取值见表1。

根据新疆各水文分区新经验公式［17］，以鄯善县1980～2022年降雨数据为基础，计算出下库区泥石流沟在降雨频率P=1%，2%，5%下的暴雨洪峰流量及泥石流峰值流量参数见表2。根据泥石流特点，采用五边形法确定流域清水流量过程曲线。将洪峰流量乘以放大因子可得到泥石流最大流量（图2）。

2.4 结果及误差分析

为了解泥石流对库区的影响，通过对不同降雨频率下（P=1%，2%，5%）的泥石流进行模拟，模拟泥石流在沟道的运动过程，得出不同频率下泥石流堆积深度（泥深）、流速、冲击力以及堆积特征。模拟结果见图3～5。

随着降雨重现周期的增加，模拟所得的泥石流堆积深度、泥石流流速以及泥石流冲击力与重现周期成正比关系。在下库区泥石流爆发过程中，受地形等因素影响，泥石流堆积物呈不规则状、总体向沟口前方偏下游顺冲沟堆积呈带状。泥石流流速与堆积深度、流速与冲击力之间存在一定的相关性，三者之间受地形影响显著。平坦处堆积厚度大。泥石流沟道内堆积厚度大于沟道两侧，泥石流堆积厚度最大位置位于堆积区中部而后向四周逐渐减小。泥石流流速以及冲击力在堆积区中部很小，但是在地形陡峭地段，流速以及冲击力明显增大，此外弯道处流速、冲击力小于出弯道的流速、冲击力。当降雨频率为100 a一遇（P=1%）时，堆积扇面积约为36 000 m2，堆积区平均淤积厚度约为0.24 m，冲出量约为8 640 m3；当降雨频率为50 a一遇（P=2%）时，堆积扇面积约为29 400 m2，堆积区平均淤积厚度约0.22 m，冲出量约为6 468 m3；当降雨频率为20 a一遇（P=5%）时，堆积扇面积约为7 900 m2，堆积区平均淤积厚度约为0.135 m，冲出量约为1 070 m3。不同频率的数值模拟结果见表3。

基于野外调查结果，借鉴王高峰等［18］提出的精度系数Ia验证库区泥石流在P=5%降雨频率下的模拟精度。Ia的值越接近1，表示模拟结果越准确。

Ia=√（A0Ar/A0Am）

式中：A0为重叠面积；Ar为泥石流实际堆积面积；Am为泥石流模拟堆积扇面积。通过公式，结合表4数据计算，得到模拟库区泥石流精度为71.3%，满足模拟精度要求，基本可以反映实际情况。

分析造成误差的原因：由于FLO-2D模型是定沟道模型，模拟过程中不考虑沟道及两岸的侵蚀现象，即泥石流在流动过程中，冲刷沟床松散固体物质，同时掏蚀沟道两岸岸坡坡脚，引起岸坡滑塌，为泥石流的形成提供物源［19］。

3 下库区泥石流对工程的影响

下库区泥石流位于大坝上游600 m，紧邻上下游拦沙坝以及下库区进水口，如图1。在P=1%（最大雨强26.4 mm/h）以及P=2%（最大雨强24.8 mm/h）的降水条件下，沟内泥石流将冲出淤积在拦沙坝附近并侵占河道。该泥石流沟一次冲出的固体物质不多，破坏能力有限，对坝区内建筑物影响不大。泥石流动力学参数见表5。

库区泥石流对水电工程的淤积影响主要表现在水库蓄水运行之后［20］。由于库区蓄水水位线高于泥石流沟口高程，故认为泥石流冲出物全部进入库区。库区运行年限以100 a计，根据模拟冲出量（表3～4）计算得到库区淤积总量为21 567 m3，对下库区库容产生一定的影响，将增加库区内的固体物质，减小库容。建议在下库区内泥石流沟道内的适当部位设计拦挡工程，减少进入库区内的泥石流固体物质，确保下库区安全库容。

4 结 论

（1） 通过分析新疆鄯善县抽水蓄能电站下库区泥石流模拟结果可知：泥石流堆积厚度、泥石流流速、冲击力等都随降雨频率的减小而周期性增大，堆积扇的泥石流堆积厚度由中部向边缘逐渐减小。

（2） 在泥石流模拟过程中未考虑泥石流的下切、冲刷等作用的影响，因而模拟结果比实际结果偏小；泥石流的堆積扇平均深度、堆积扇面积、冲出量随降雨频率的减小而增大。

（3） 下库区泥石流流深、流速以及堆积范围等与实际结果相接近，精度达71.3%，证明该模型在此类条件下有较强的适用性。

（4） 根据模拟结果分析可知，泥石流冲出量对下库区库容有一定的影响，建议在适当部位设置拦挡坝防止泥石流固体物质进入下库区。

参考文献：

［1］胡富杭，熊朝正，石豫川，等.基于可拓灰色模型的台风暴雨型泥石流易发性评价［J］.人民长江，2021，52（10）：26-32.

［2］杨海龙，樊晓一，姜元俊.基于FLO-2D的泥石流工程治理效果分析——以都江堰银洞子沟泥石流为例［J］.人民长江，2017，48（17）：66-71，95.

［3］周小军，黄永威，姜元俊.基于FLO-2D的核桃沟泥石流数值模拟分析［J］.现代隧道技术，2019，56（增1）：231-238.

［4］张鹏，马金珠，舒和平，等.基于FLO-2D模型的泥石流运动冲淤数值模拟［J］.兰州大学学报（自然科学版），2014，50（3）：363-368，375.

［5］ADEGBE M，ALKEMA D，JETTEN V，et al.Post seismic debris flow modelling using Flo-2D；case study of Yingxiu，Sichuan Pronvince，China［J］.Journal of Geography and Geology，2013，5（3）：101-115.

［6］梁鸿熙，尚敏，徐鑫.基于FLO-2D数值模拟的泥石流流动与堆积影响因素研究［J］.工程地质学报，2016，24（2）：228-234.

［7］QUAN L B，BLAHUT J，VAN W C J，et al.The application of numerical debris flow modelling for the generation of physical vulnerability curves［J］.Natural Hazards and Earth System Sciences，2011，11（7）：2047-2060.

［8］刘福臻，张浩韦，肖东升.基于FLO-2D数值模拟的结底岗村公路泥石流危险性评价［J］.科学技术与工程，2022，22（13）：5417-5424.

［9］卢刚，唐新军，李晓庆.新疆泥石流的特点及其危害［J］.黑龙江水专学报，2005（1）：66-68.

［10］方成杰，钱德玲，徐士彬，等.基于可拓学和熵权的中巴公路泥石流易发性评价［J］.自然灾害学报，2016，25（6）：18-26.

［11］杨发相，穆桂金，陈亚宁，等.天山阿拉沟泥石流沟危险度的划分研究［J］.干旱区地理，1991，（增1）：90-99.

［12］刘春涌.新疆泥石流的灾害性及其防治［J］.干旱区研究，2000，17（2）：78-81.

［13］徐士彬，钱德玲，姚兰飞，等.路基遭受泥石流灾害的易损性评价［J］.水土保持通报，2016，36（5）：235-241，247.

［14］O"BRIEN J S，JULIEN P Y，FULLERTON W T.Two-dimensional water flood and mudflow simulation［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1993，119（2）：244-261.

［15］林文，周伟，李婧，等.基于Flow-R和FLO-2D的沟谷型泥石流危险性评价［J］.人民长江，2022，53（5）：143-148.

［16］余斌.不同容重的泥石流淤积厚度计算方法研究［J］.防灾减灾工程学报，2010，30（2）：207-211.

［17］张磊.新疆水文分区与设计流量经验公式的研究［D］.长沙：长沙理工大学，2009.

［18］王高峰，杨强，陈宗良，等.白龙江流域甘家沟泥石流风险评估研究［J］.泥沙研究，2020，45（4）：66-73，65.

［19］金连才，刘冲平.旭龙水电站茂顶河泥石流活动特征分析与危险性评价［J］.水利水电快报，2022，43（7）：44-49.

［20］李文强，石豫川，王敬勇.雅鲁藏布江中游某水电站库区泥石流工程影响分析［J］.水文地质工程地质，2013，40（1）：89-92，128.

（编辑：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：国家科技支撑计划项目（11zg4103）

作者简介：刘 雄，男，硕士研究生，研究方向为地质灾害及其防治。E-mail：596702091@qq.com

通信作者：向贵府，男，讲师，博士，主要从事地质灾害及其防治研究。E-mail：28899600@qq.com