長白山天池火山碎屑流災害區劃1

王新茹 趙 波 萬 園 魏費翔

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長白山天池火山碎屑流災害區劃1

王新茹1）趙 波2）萬 園2）魏費翔2）

1）北京大學地球與空間科學學院，北京100871?2）中國地震局地質研究所，北京 100029

在回顧總結了國外火山碎屑流災害分析模型研究歷史的基礎上，本文選取了Flow3D模型對我國東北地區長白山天池火山未來大噴發可能產生的火山碎屑流進行了災害區域劃分。以長白山天池火山現代地形為依據，設定了11條未來爆炸式火山噴發時產生的火山碎屑流的可能流動線路。模擬結果表明，在噴發柱高度為10km的情況下，災害區劃最大半徑為13.7km；在噴發柱高度為20km的情況下，災害區劃最大半徑為35.4km；在噴發柱高度為30km的情況下，災害區劃最大半徑為57.8km。在此基礎上，得出了長白山天池火山未來發生中規模、大規模和超大規模火山噴發時火山碎屑流的覆蓋范圍，完成了我國第一幅長白山天池火山碎屑流災害區劃圖。

長白山天池火山 火山碎屑流 災害區劃

引言

長白山天池火山是我國境內保存最為完整的新生代多成因復合火山，位于吉林東部的中國－朝鮮邊境上（北緯41°20′－42°40′，東經127°00′－129°00′），處于長白山山脈的最高峰，屬于大型的復式火山。全新世以來，天池火山的噴發在時間上初步可分為四期：5000 年前、公元946 年（千年大噴發）、公元1668年和1702年。噴發時均以爆破式火山噴發為主，產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）。天池火山的每個活動階段幾乎都有不同規模的火山碎屑流產生，其中以千年大噴發形成的火山碎屑流規模最大，影響范圍達2160km2。火山碎屑流具有以下災害特征：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200m/s），可攀爬高達1000m的障礙物；③溫度高，最高可大于900℃；④搬運距離遠，能量大，大規模的可達50—100km。鑒于上述特點使得火山碎屑流具有極強的致災性。

在國外早期的火山碎屑流災害研究中，Malin等（1982）開發了Energycone程序用于模擬1980年圣海倫斯火山爆發。為了彌補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）開發了Flow2D；隨后Flow3D等模擬模型相繼發展起來（Kover，1995）。2002年美國紐約州立大學布法羅分校、國家地理信息和分析中心、紐約州工程設計和工業創新中心參與了一項為期3年的山地物質流研究項目，該項目的研究領域涉及數學模型、地質模擬和地理信息科學，并研制出了Titan2D模型（Sheridan等，2004；余斌，2005）。

實際上在國外的研究中主要分為兩步：早期是單純的火山碎屑流災害分布研究，如基于GIS的Energycone模型，研究用于人員分散和應急救援；隨著研究的不斷深入，逐漸變成為基于物理模型的數學研究即科學問題，如Titan2D和PDAC（Todesco等，2002）需要采用快速的數學運算來研究流體復雜的運動過程。而未來的趨勢是將上述兩方面的研究綜合起來，將大量的數據轉化為三維可視化圖形，使普通人都可以參與火山碎屑流災害的應急響應之中。

國內火山碎屑流研究起步較晚，研究程度相對薄弱。“九五”期間吉林省地震局在長白山地區災害區劃圖的編制與減災對策的子專題的實施過程中，把長白山地區火山碎屑流分為重災區和中等災害區（楊清福，2005）。整個重災區以天池火山口為中心，半徑在40—60km范圍。在這個區域內將會發生沖撞、掩埋、高溫灼燒等破壞，造成建筑物、橋梁等基礎設施毀滅性破壞，在此地區的人員存活幾率較小。火山碎屑流中等災區是指火山碎屑流派生的灰云浪部分，以湍流搬運為主，堆積物具有交錯層理，影響范圍為75—90km。以上災害劃分均是針對超大規模的火山碎屑流，盡管不夠詳細，但的確是長白山天池火山碎屑流災害區劃的雛形和基礎。

近年來的相關研究成果表明，半經驗的Flow3D模型模擬的結果與實際分布吻合較好（Todesco等，2002；Sheridan等，2004；Saucedo等，2005），因此，本文采用了基于Flow3D模型原理的分段網格計算方法，對長白山天池火山未來大噴發可能產生的火山碎屑流進行了災害區劃研究。

1 碎屑流災害模型

1.1 Flow3D物理模型

Flow3D模型是基于庫侖阻力的滑塊模型，該模型通過構建一個不規則三角網格或TIN法的3D數字高程模型來計算滑塊速度的變化。模型通常是記錄塊體的軌跡沿著很小的時間增量直到停止，每一時間步長的塊體的速度和位置被記錄下來（圖1）。由于長白山天池火山地區三角網格計算復雜，極易進入死循環，因此，本文對滑塊模型進行了修改，在長白山天池火山千年大噴發地質調查的基礎上，結合Energycone模型和滑塊模型兩種模型，對火山碎屑流噴發和流動過程進行優化，把計算路線分為若干段，根據數學模型分別賦予參數、計算移動距離、模擬火山碎屑流流動范圍。

1.2 數學模型

Flow3D數學模型主要包含能量守恒方程和阻力計算方程兩部分。其中能量守恒方程屬性原理如下：

+0.5=11+……Fl+0.5

式中，為碎屑質量，一般看作單位質量；為重力加速度；0為初始速度；為噴發柱高度；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，決定碎屑搬運距離的主要是噴發柱高度。

而阻力計算方程采用的是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、內摩擦力和湍流的阻力系數。根據物理模型，可將火山碎屑流當作塊體，所以湍流可忽略不計，這樣湍流的阻力1，2為零。

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

1.3 計算路線及參數的選取

Flow3D模型的一個重要基礎就是基于DEM網格的計算，通過生成的tin網格，計算不同節點的能量損耗，確定移動距離。其中值是在tin網格兩個節點之間垂直方向位移和實際移動位移的比值，值的選取主要根據地貌的情況確定，具體如表1所示。而本文是通過對DEM進行分段化計算，即簡化了Flow3D模型的計算過程。

表1 不同類型巖石地表動摩擦系數μ的取值表

根據長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；而在盾體和臺地氣候濕潤、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行運動。因此在計算路線選取時主要遵循以下兩個原則：①近源、中源一般選取峽谷通道；②遠源選取平坦低洼地區。同時選擇的依據應與地質調查的認識一致，近源、中源峽谷一般為火山碎屑流主要流動通道，而遠源一般在低洼處堆積。根據上述原則，筆者按以下步驟對計算路線進行了選取：

（1）對長白山地區數字地形圖進行大地坐標系校正；

（2）在3D analyses中，把長白山數字地形圖轉化為tin格式；

（3）把tin格式轉化為DEM圖；

（4）在DEM圖上選取計算路線，如圖2所示；

（5）根據坡度的不同對計算路線進行分段，結果如圖3所示。

2 天池火山碎屑流災害區劃圖

根據上述所選的計算路線和參數，可計算出在不同噴發規模條件下沿著各線路火山碎屑流的最大流動距離，計算結果如表2所示。

根據地形走勢來連接各個噴發規模的流動距離，由此可形成不同噴發柱高度下火山碎屑流的前緣等值線。對于10km高的噴發柱，在火山碎屑流范圍內基本上呈圓形分布，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，在連接時應順著山角連接；對于20km高的噴發柱，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火山碎屑流分布影響較大，考慮到火山碎屑流具有較強的爬坡能力，在第二個高山坡腳處受到阻擋，所以這種規模的火山碎屑流分布形態類似于千年大噴發火山碎屑流分布；對于30km高的噴發柱，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 計算結果表

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

3 結論與討論

本文設定10km、20km、30km噴發柱高度來代表天池火山不同規模的爆發，并使用國際上通用的一維滑塊模型進行路徑計算，同時以地貌為參考把各個路線的前緣點連接起來，從而完成了國內第一幅具有預測含義的火山碎屑流災害區劃圖。與天池火山千年大噴發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害區劃圖相比較，本研究中技術路線的選擇基本以峽谷和河谷為主，火山碎屑流主流動單元主要沿峽谷流動，遠源部分堆積于低洼，這與野外調查結果基本一致。此外，前人研究成果認為天池火山千年大噴發火山噴發柱高度在25—30km之間（魏海泉等，2004），天池火山40km范圍內為火山碎屑流重點防護區（劉若新等，1998）。而在本文編制的長白山天池火山火山碎屑流災害區劃圖中，在噴發柱高度為20km的情況下，災害區劃最大半徑為35.42km，這與前人的結果非常接近，也間接地反映出本次災害區劃模型中所選取的參數具有一定的合理性。

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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

地震行業專項（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、火山災害等研究。E-mail: zhaobo@ies.ac.cn