王新茹 趙 波 萬(wàn) 園 魏費(fèi)翔

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長(zhǎng)白山天池火山碎屑流災(zāi)害區(qū)劃1

王新茹1）趙 波2）萬(wàn) 園2）魏費(fèi)翔2）

1）北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京100871?2）中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

在回顧總結(jié)了國(guó)外火山碎屑流災(zāi)害分析模型研究歷史的基礎(chǔ)上，本文選取了Flow3D模型對(duì)我國(guó)東北地區(qū)長(zhǎng)白山天池火山未來(lái)大噴發(fā)可能產(chǎn)生的火山碎屑流進(jìn)行了災(zāi)害區(qū)域劃分。以長(zhǎng)白山天池火山現(xiàn)代地形為依據(jù)，設(shè)定了11條未來(lái)爆炸式火山噴發(fā)時(shí)產(chǎn)生的火山碎屑流的可能流動(dòng)線路。模擬結(jié)果表明，在噴發(fā)柱高度為10km的情況下，災(zāi)害區(qū)劃最大半徑為13.7km；在噴發(fā)柱高度為20km的情況下，災(zāi)害區(qū)劃最大半徑為35.4km；在噴發(fā)柱高度為30km的情況下，災(zāi)害區(qū)劃最大半徑為57.8km。在此基礎(chǔ)上，得出了長(zhǎng)白山天池火山未來(lái)發(fā)生中規(guī)模、大規(guī)模和超大規(guī)模火山噴發(fā)時(shí)火山碎屑流的覆蓋范圍，完成了我國(guó)第一幅長(zhǎng)白山天池火山碎屑流災(zāi)害區(qū)劃圖。

長(zhǎng)白山天池火山 火山碎屑流 災(zāi)害區(qū)劃

引言

長(zhǎng)白山天池火山是我國(guó)境內(nèi)保存最為完整的新生代多成因復(fù)合火山，位于吉林東部的中國(guó)－朝鮮邊境上（北緯41°20′－42°40′，東經(jīng)127°00′－129°00′），處于長(zhǎng)白山山脈的最高峰，屬于大型的復(fù)式火山。全新世以來(lái)，天池火山的噴發(fā)在時(shí)間上初步可分為四期：5000 年前、公元946 年（千年大噴發(fā)）、公元1668年和1702年。噴發(fā)時(shí)均以爆破式火山噴發(fā)為主，產(chǎn)生了大面積的空降浮巖堆積、火山碎屑流、火山泥石流和熔巖流（于紅梅等，2007；2011；趙波等，2010；趙波，2011；Xu等，2013；Wei等，2013；Yu等，2013；Zhao等，2013）。天池火山的每個(gè)活動(dòng)階段幾乎都有不同規(guī)模的火山碎屑流產(chǎn)生，其中以千年大噴發(fā)形成的火山碎屑流規(guī)模最大，影響范圍達(dá)2160km2?；鹕剿樾剂骶哂幸韵聻?zāi)害特征：①在成分上主要為火山碎屑物（浮巖碎屑、巖屑和晶屑等）與氣體的混合；②流速快（高達(dá)200m/s），可攀爬高達(dá)1000m的障礙物；③溫度高，最高可大于900℃；④搬運(yùn)距離遠(yuǎn)，能量大，大規(guī)模的可達(dá)50—100km。鑒于上述特點(diǎn)使得火山碎屑流具有極強(qiáng)的致災(zāi)性。

在國(guó)外早期的火山碎屑流災(zāi)害研究中，Malin等（1982）開(kāi)發(fā)了Energycone程序用于模擬1980年圣海倫斯火山爆發(fā)。為了彌補(bǔ)Energy Cone（energy line）模型中線性流體翻越地形障礙物的不足，Sheridan等（1992；1995）開(kāi)發(fā)了Flow2D；隨后Flow3D等模擬模型相繼發(fā)展起來(lái)（Kover，1995）。2002年美國(guó)紐約州立大學(xué)布法羅分校、國(guó)家地理信息和分析中心、紐約州工程設(shè)計(jì)和工業(yè)創(chuàng)新中心參與了一項(xiàng)為期3年的山地物質(zhì)流研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目的研究領(lǐng)域涉及數(shù)學(xué)模型、地質(zhì)模擬和地理信息科學(xué)，并研制出了Titan2D模型（Sheridan等，2004；余斌，2005）。

實(shí)際上在國(guó)外的研究中主要分為兩步：早期是單純的火山碎屑流災(zāi)害分布研究，如基于GIS的Energycone模型，研究用于人員分散和應(yīng)急救援；隨著研究的不斷深入，逐漸變成為基于物理模型的數(shù)學(xué)研究即科學(xué)問(wèn)題，如Titan2D和PDAC（Todesco等，2002）需要采用快速的數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)研究流體復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。而未來(lái)的趨勢(shì)是將上述兩方面的研究綜合起來(lái)，將大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維可視化圖形，使普通人都可以參與火山碎屑流災(zāi)害的應(yīng)急響應(yīng)之中。

國(guó)內(nèi)火山碎屑流研究起步較晚，研究程度相對(duì)薄弱?！熬盼濉逼陂g吉林省地震局在長(zhǎng)白山地區(qū)災(zāi)害區(qū)劃圖的編制與減災(zāi)對(duì)策的子專題的實(shí)施過(guò)程中，把長(zhǎng)白山地區(qū)火山碎屑流分為重災(zāi)區(qū)和中等災(zāi)害區(qū)（楊清福，2005）。整個(gè)重災(zāi)區(qū)以天池火山口為中心，半徑在40—60km范圍。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)將會(huì)發(fā)生沖撞、掩埋、高溫灼燒等破壞，造成建筑物、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施毀滅性破壞，在此地區(qū)的人員存活幾率較小。火山碎屑流中等災(zāi)區(qū)是指火山碎屑流派生的灰云浪部分，以湍流搬運(yùn)為主，堆積物具有交錯(cuò)層理，影響范圍為75—90km。以上災(zāi)害劃分均是針對(duì)超大規(guī)模的火山碎屑流，盡管不夠詳細(xì)，但的確是長(zhǎng)白山天池火山碎屑流災(zāi)害區(qū)劃的雛形和基礎(chǔ)。

近年來(lái)的相關(guān)研究成果表明，半經(jīng)驗(yàn)的Flow3D模型模擬的結(jié)果與實(shí)際分布吻合較好（Todesco等，2002；Sheridan等，2004；Saucedo等，2005），因此，本文采用了基于Flow3D模型原理的分段網(wǎng)格計(jì)算方法，對(duì)長(zhǎng)白山天池火山未來(lái)大噴發(fā)可能產(chǎn)生的火山碎屑流進(jìn)行了災(zāi)害區(qū)劃研究。

1 碎屑流災(zāi)害模型

1.1 Flow3D物理模型

Flow3D模型是基于庫(kù)侖阻力的滑塊模型，該模型通過(guò)構(gòu)建一個(gè)不規(guī)則三角網(wǎng)格或TIN法的3D數(shù)字高程模型來(lái)計(jì)算滑塊速度的變化。模型通常是記錄塊體的軌跡沿著很小的時(shí)間增量直到停止，每一時(shí)間步長(zhǎng)的塊體的速度和位置被記錄下來(lái)（圖1）。由于長(zhǎng)白山天池火山地區(qū)三角網(wǎng)格計(jì)算復(fù)雜，極易進(jìn)入死循環(huán)，因此，本文對(duì)滑塊模型進(jìn)行了修改，在長(zhǎng)白山天池火山千年大噴發(fā)地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合Energycone模型和滑塊模型兩種模型，對(duì)火山碎屑流噴發(fā)和流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，把計(jì)算路線分為若干段，根據(jù)數(shù)學(xué)模型分別賦予參數(shù)、計(jì)算移動(dòng)距離、模擬火山碎屑流流動(dòng)范圍。

1.2 數(shù)學(xué)模型

Flow3D數(shù)學(xué)模型主要包含能量守恒方程和阻力計(jì)算方程兩部分。其中能量守恒方程屬性原理如下：

+0.5=11+……Fl+0.5

式中，為碎屑質(zhì)量，一般看作單位質(zhì)量；為重力加速度；0為初始速度；為噴發(fā)柱高度；為火口與停止面的垂直高度；空氣為空氣密度；碎屑為碎屑的密度；θ為某一分段的平均坡度；為阻力，其中1、2、3……為某一分段的摩擦阻力；V為碎屑某一分段的最終速度。

從以上公式中可以看出，在摩擦力相同的條件下，決定碎屑搬運(yùn)距離的主要是噴發(fā)柱高度。

而阻力計(jì)算方程采用的是Mellor的雪崩方程：

=0+1+22

0=

式中，是速度；0，1，2分別為基本摩擦力、內(nèi)摩擦力和湍流的阻力系數(shù)。根據(jù)物理模型，可將火山碎屑流當(dāng)作塊體，所以湍流可忽略不計(jì)，這樣湍流的阻力1，2為零。

在火山碎屑流模擬中，是一個(gè)非常重要的系數(shù)，直接決定著摩擦阻力的大小。天池火山地區(qū)的計(jì)算路線主要是高山草甸、河谷裸露的巖石和水泥路面等，摩擦系數(shù)可根據(jù)地物不同而改變，下面重點(diǎn)介紹值的選取。

1.3 計(jì)算路線及參數(shù)的選取

Flow3D模型的一個(gè)重要基礎(chǔ)就是基于DEM網(wǎng)格的計(jì)算，通過(guò)生成的tin網(wǎng)格，計(jì)算不同節(jié)點(diǎn)的能量損耗，確定移動(dòng)距離。其中值是在tin網(wǎng)格兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間垂直方向位移和實(shí)際移動(dòng)位移的比值，值的選取主要根據(jù)地貌的情況確定，具體如表1所示。而本文是通過(guò)對(duì)DEM進(jìn)行分段化計(jì)算，即簡(jiǎn)化了Flow3D模型的計(jì)算過(guò)程。

表1 不同類型巖石地表動(dòng)摩擦系數(shù)μ的取值表

根據(jù)長(zhǎng)白山的地貌特征和所選路線的情況，在錐體附近（海拔大于1500m）、峽谷底部堆積垮塌的巖石碎塊以及氣候干冷處，值取0.7；而在盾體和臺(tái)地氣候濕潤(rùn)、巖石表面多為潮濕處，值取0.5。

Flow3D是一維模型，只能沿著給定的路線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。因此在計(jì)算路線選取時(shí)主要遵循以下兩個(gè)原則：①近源、中源一般選取峽谷通道；②遠(yuǎn)源選取平坦低洼地區(qū)。同時(shí)選擇的依據(jù)應(yīng)與地質(zhì)調(diào)查的認(rèn)識(shí)一致，近源、中源峽谷一般為火山碎屑流主要流動(dòng)通道，而遠(yuǎn)源一般在低洼處堆積。根據(jù)上述原則，筆者按以下步驟對(duì)計(jì)算路線進(jìn)行了選取：

（1）對(duì)長(zhǎng)白山地區(qū)數(shù)字地形圖進(jìn)行大地坐標(biāo)系校正；

（2）在3D analyses中，把長(zhǎng)白山數(shù)字地形圖轉(zhuǎn)化為tin格式；

（3）把tin格式轉(zhuǎn)化為DEM圖；

（4）在DEM圖上選取計(jì)算路線，如圖2所示；

（5）根據(jù)坡度的不同對(duì)計(jì)算路線進(jìn)行分段，結(jié)果如圖3所示。

2 天池火山碎屑流災(zāi)害區(qū)劃圖

根據(jù)上述所選的計(jì)算路線和參數(shù)，可計(jì)算出在不同噴發(fā)規(guī)模條件下沿著各線路火山碎屑流的最大流動(dòng)距離，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)地形走勢(shì)來(lái)連接各個(gè)噴發(fā)規(guī)模的流動(dòng)距離，由此可形成不同噴發(fā)柱高度下火山碎屑流的前緣等值線。對(duì)于10km高的噴發(fā)柱，在火山碎屑流范圍內(nèi)基本上呈圓形分布，并以火口為中心半徑約14km，但是在南坡小白山由于受到高山的阻擋，在連接時(shí)應(yīng)順著山角連接；對(duì)于20km高的噴發(fā)柱，以火口為中心，約36km為半徑分布，火山碎屑流范圍基本上呈圓形分布，依舊是南坡高山地貌對(duì)火山碎屑流分布影響較大，考慮到火山碎屑流具有較強(qiáng)的爬坡能力，在第二個(gè)高山坡腳處受到阻擋，所以這種規(guī)模的火山碎屑流分布形態(tài)類似于千年大噴發(fā)火山碎屑流分布；對(duì)于30km高的噴發(fā)柱，以火口為中心，約60km為半徑分布，考慮到火山碎屑流分布范圍廣泛并且受地形制約明顯，尤其是受到南部和東北部山脈的影響，所以火山碎屑流的前緣連線基本上沿著這些山脈的坡度梯度帶分布。

表2 計(jì)算結(jié)果表

在完成上述工作的基礎(chǔ)上，以天池火山千年大噴發(fā)火山碎屑流分布格局為參考并根據(jù)天池火山周邊地區(qū)的地貌特征，筆者編制了天池火山火山碎屑流不同規(guī)模噴發(fā)的災(zāi)害區(qū)劃圖，如圖4所示。從圖中可以看出：以天池火山為中心，在噴發(fā)柱高度為10km的情況下，災(zāi)害區(qū)劃最大半徑為13.7km；在噴發(fā)柱高度為20km的情況下，災(zāi)害區(qū)劃最大半徑為35.4km；在噴發(fā)柱高度為30km的情況下，災(zāi)害區(qū)劃最大半徑為57.8km。

3 結(jié)論與討論

本文設(shè)定10km、20km、30km噴發(fā)柱高度來(lái)代表天池火山不同規(guī)模的爆發(fā)，并使用國(guó)際上通用的一維滑塊模型進(jìn)行路徑計(jì)算，同時(shí)以地貌為參考把各個(gè)路線的前緣點(diǎn)連接起來(lái)，從而完成了國(guó)內(nèi)第一幅具有預(yù)測(cè)含義的火山碎屑流災(zāi)害區(qū)劃圖。與天池火山千年大噴發(fā)火山碎屑流分布范圍圖及前人所做的天池火山火山碎屑流歷史災(zāi)害區(qū)劃圖相比較，本研究中技術(shù)路線的選擇基本以峽谷和河谷為主，火山碎屑流主流動(dòng)單元主要沿峽谷流動(dòng)，遠(yuǎn)源部分堆積于低洼，這與野外調(diào)查結(jié)果基本一致。此外，前人研究成果認(rèn)為天池火山千年大噴發(fā)火山噴發(fā)柱高度在25—30km之間（魏海泉等，2004），天池火山40km范圍內(nèi)為火山碎屑流重點(diǎn)防護(hù)區(qū)（劉若新等，1998）。而在本文編制的長(zhǎng)白山天池火山火山碎屑流災(zāi)害區(qū)劃圖中，在噴發(fā)柱高度為20km的情況下，災(zāi)害區(qū)劃最大半徑為35.42km，這與前人的結(jié)果非常接近，也間接地反映出本次災(zāi)害區(qū)劃模型中所選取的參數(shù)具有一定的合理性。

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Pyroclastic Flow Hazard Zonation of Changbaishan Tianchi Volcano

Wang Xinru1)，Zhao Bo2)，Wan Yuan2)and Wei Feixiang2)

1) College of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China?2) Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China

In this paper we reviewed the recent development of mathematical models in pyroclastic flow hazard assessment, and chose Flow3D model as the tool to simulate the coverage area of pyroclastic flow deposits from eruption of Changbaishan Tianchi volcano. The farthest distances along 11 flow paths that the pyroclastic flow may reach under three eruption scales are calculated with the model. Finally, pyroclastic hazard map of Changbaishan Tianchi volcano is generated, which shows the potentially covered areas by pyroclastic flow deposits from potential eruptions with three eruption scales, i.e. medium, large and super scales with eruption column heights of 10km, 20km and 30km respectively.

Changbaishan Tianchi volcano; Pyroclastic flow; Hazard map

地震行業(yè)專項(xiàng)（201208005）與（200708-27）共同資助

2014-11-14

王新茹，女，生于1977年。講師。主要從事教育管理、GIS應(yīng)用等研究。E-mail: xinruwang@pku.edu.cn

趙波，男，生于1983年。助理研究員。主要從事火山地質(zhì)、火山災(zāi)害等研究。E-mail: zhaobo@ies.ac.cn