藏東南典型冰湖潰決危險性分析*

劉建康，程尊蘭，郭芬芬，徐偉(1．中國科學(xué)院地表過程與動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室，四川成都610041;2．中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都610041;3．中國科學(xué)院研究生院，北京100049)

藏東南典型冰湖潰決危險性分析*

劉建康1，2，3，程尊蘭1，2，郭芬芬2，3，徐偉2，3
(1．中國科學(xué)院地表過程與動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室，四川成都610041;2．中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都610041;3．中國科學(xué)院研究生院，北京100049)

自川藏公路南線(西藏境內(nèi))修建通車以來，因受到泥石流、滑坡崩塌等自然災(zāi)害的影響而經(jīng)常出現(xiàn)交通被迫中斷的現(xiàn)象。其中，冰湖潰決泥石流由于其突發(fā)性強(qiáng)、洪峰高、流量大、破壞性強(qiáng)、持續(xù)時間短、范圍廣等特點(diǎn)，已成為藏東南地區(qū)危害程度最為嚴(yán)重的特殊災(zāi)種。通過對錯下湖區(qū)域水文氣候、冰川活動以及地震等要素的分析，初步認(rèn)為該冰湖存在可能潰決的危險;通過終磧堤1/3和1/2潰決模式進(jìn)行計算，得到潰決洪峰流量分別為2 236 m3/s和3 697 m3/s。錯下湖一旦潰決，洪水匯入帕隆臧布江時將淹沒以至沖毀溝口段公路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施，同時，主河還將面臨泥石流堵江的危險。

冰湖潰決洪水;泥石流;地震;災(zāi)害評估;錯下湖;藏東南

冰湖潰決是我國喜馬拉雅山區(qū)十分普遍的現(xiàn)象，近50年來至少發(fā)生過20余次較大的潰決事件，造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失［1］，從而引起各界重視。從1970年代初起，中科院青藏高原綜合考察隊收集了喜馬拉雅山區(qū)冰湖潰決歷史資料，并討論了危險性冰湖及其潰決原因［2］，由此展開了國內(nèi)學(xué)者在此領(lǐng)域的研究工作。徐道明［1－3］等通過對潰決冰湖的考察，總結(jié)出冰湖潰決的特征、主要因素和暴發(fā)周期等;呂儒仁［4］等通過對資料的數(shù)理統(tǒng)計分析，提出判別冰磧湖潰決可能性的7個指標(biāo)，并分析出冰湖潰決與氣候背景的關(guān)系等;程尊蘭［5－6］等結(jié)合氣候變暖、異常等方面，分析了藏東南地區(qū)危險性冰湖潰決的未來發(fā)展趨勢。在國外，Richardson［7］等通過對喜馬拉雅山區(qū)26個冰湖潰決的研究，提出5種導(dǎo)致冰湖潰決的激發(fā)因素以及所占的比例;Huggel［8］等利用遙感技術(shù)對阿爾卑斯山地區(qū)危險性冰湖提取特征指標(biāo)，從而對潰決洪峰預(yù)測進(jìn)行評估;McKillop［9］等針對英國哥倫比亞省西南部地區(qū)分布的終磧湖，提出一套比較完善的冰湖危險性評估方案。

本文通過對西藏錯下湖各方面的綜合分析，結(jié)合判別潰決可能性的指標(biāo)以及水文氣候、地震等觸發(fā)因素，提出該冰湖存在潰決的可能，并在此基礎(chǔ)上對冰湖潰決后的危險進(jìn)行評估，包括潰決洪峰流量、洪水演進(jìn)等計算工作。本文的分析探討將為西藏地區(qū)危險性冰湖的評估以及制定冰湖潰決泥石流綜合防治技術(shù)方案提供科學(xué)依據(jù)和借鑒。

1 研究區(qū)概況

西藏莫如弄巴流域因受印度洋季風(fēng)的影響而發(fā)育海洋性冰川，自小冰期氣候變暖以來，雪線海拔不斷提高，冰川逐漸退縮，在該地區(qū)形成大量終磧湖，錯下湖即是其中13個冰湖中最大最危險的一個(圖1)。錯下湖四周有5處大小不等的冰川，總面積為2.1 km2，雖然這些冰川規(guī)模不大，但由于坡度大、裂隙多等特點(diǎn)，發(fā)生冰崩涌入湖內(nèi)的可能極大。與冰湖直接相連的冰川為冰斗懸冰川，面積為0.74 km2，前緣冰舌與冰湖以陡坎相連，坡度達(dá)到33%，冰川平均坡度為22%，是其中一條最容易誘發(fā)冰湖潰決的冰川。

錯下湖呈長方形，長度1.94 km，最大寬度0.63 km，平均寬度0.50 km。湖面面積0.976 km2，平均水深36 m左右，據(jù)估算湖水體積達(dá)到3.571× 107m3。錯下湖湖面高程4 850 m，莫如弄巴匯入帕隆臧布江溝口海拔高程3 220 m，垂直高差達(dá)1 630 m。因此，錯下湖是西藏地區(qū)冰湖的典型代表之一，具有海拔高、落差大的特點(diǎn)，并且下游溝谷兩側(cè)物源豐富，潰決洪水極易轉(zhuǎn)化為大規(guī)模泥石流，有著非常大的破壞性力。

圖1 錯下湖所在位置

2 影響錯下湖潰決的因素

2.1 氣候變化

全球氣候變暖導(dǎo)致冰川消融退縮，為冰湖的形成、擴(kuò)大提供了條件，但它并不是構(gòu)成冰湖潰決的必要條件。根據(jù)氣候資料調(diào)查顯示，近60年來西藏地區(qū)13個冰湖發(fā)生的15次潰決事件與氣溫、降雨的突然變化存在一定關(guān)系，即冰湖潰決是氣候波動轉(zhuǎn)折點(diǎn)或突變點(diǎn)上的產(chǎn)物。其中，氣候由濕冷年代轉(zhuǎn)向濕熱或干熱的過渡年份或氣候突變(突然升溫并伴隨豐雨)年份的夏秋季節(jié)［4］，是最有利于冰湖潰決發(fā)生的氣候背景，1964年8－9月連續(xù)3次冰湖(隆達(dá)錯、吉萊錯和達(dá)門拉咳錯)潰決即是最好的例證。

圖2所示為藏東南林芝地區(qū)1965－2005年以來氣候的變化特征曲線［5－6，10］，其中氣溫和降雨的波動性是影響冰川活動的一個重要參數(shù)。隨著全球變暖趨勢的不斷發(fā)展，氣候異常的現(xiàn)象也頻繁發(fā)生并且越演越烈。研究表明，近年來一些異?，F(xiàn)象已經(jīng)打破歷史記錄［11］，如2006年全球出現(xiàn)大范圍的氣候異常，包括歐洲最暖的秋天、非洲大角地區(qū)的極端干旱和嚴(yán)重洪澇、菲律賓群島的暴雨等。因此，激發(fā)冰川躍動的氣候異?，F(xiàn)象還會發(fā)生，并最終導(dǎo)致冰崩、冰滑坡墜入冰湖造成終磧堤潰決。

圖2 藏東南林芝地區(qū)1965－2005年氣候變化曲線

2.2 地震活動

青藏高原因受到板塊作用的影響，自始新世以來強(qiáng)烈抬升、新構(gòu)造運(yùn)動頻繁，因此成為地震多發(fā)地帶。據(jù)統(tǒng)計［12］，在29°～36°N，90°～96°E的4.4×105km2范圍內(nèi)，自1900年以來，發(fā)生4級以上地震約142次，其中大于6級地震約30次。

地震對于冰湖潰決來講，主要起到三方面的作用:①促使冰湖附近的冰川失穩(wěn)發(fā)生冰崩、冰滑坡，從而導(dǎo)致涌浪孕育冰湖潰決;②地震作用使得終磧堤物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如管涌、潛蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)，導(dǎo)致壩體穩(wěn)定性降低;③下游溝谷中在地震破壞力作用下形成山崩或滑坡堆積物(圖3)，為潰決洪水演變成為泥石流提供物源條件。

圖3 坡積物

呂儒仁等［4］學(xué)者認(rèn)為，西藏地區(qū)的冰川泥石流與前期地震有著一定的聯(lián)系，如1902年易貢特大泥石流與1897年印度阿薩姆8級大地震相關(guān)，培龍弄巴1983－1985年大型冰川泥石流與1980年以來帕隆臧布流域的中強(qiáng)地震群相聯(lián)系。錯下湖流域位于波密—墨脫活動地震帶，為Ⅷ度烈度區(qū)。因此，無論是暴發(fā)冰川泥石流還是冰湖潰決泥石流，地震都是一個很關(guān)鍵的因素。

2.3 冰川活動及其他因素

當(dāng)錯下湖地區(qū)遭受強(qiáng)烈氣候波動或是地震作用時，冰湖附近的冰川穩(wěn)定性將大大減小。冰舌在冰進(jìn)過程中，由于冰川表面與底部速度差異的影響，冰川表面發(fā)育大量冰裂隙。氣候突變時，例如猛烈升溫或者相對早些濕冷氣候溫度的大幅度回跳，大量消融水流匯集于冰舌地段，沿著冰裂縫強(qiáng)烈下滲。隨著冰裂縫的進(jìn)一步加深拉寬，水流下滲到冰滑面，大大減小了冰體與基巖間的阻力，最終造成冰體失穩(wěn)形成滑坡和冰崩(圖4);地震對于冰川活動的作用，則更加明顯劇烈。當(dāng)冰舌脫離冰川后瞬間涌入湖內(nèi)，為冰湖潰決發(fā)生提供激發(fā)條件。

圖4 冰滑坡誘發(fā)冰湖潰決示意圖

另外，還有其他一些方面是錯下湖存在潰決可能的原因，例如終磧堤的形狀:壩高h(yuǎn)為36 m，壩頂長L為250 m，壩頂寬B為32 m，背水坡度Dg為35°。西藏的冰湖潰決表明［4］，壩頂寬度在3～1 000 m范圍都能發(fā)生，B＜60 m為擊潰性潰決;背水坡度越大，壩體越不穩(wěn)定，Dg大于20°都是有利于冰湖潰決的。

3 冰湖潰決危險性評估

3.1 冰湖潰決洪峰流量Qp

評價冰湖潰決危害程度的一個重要參數(shù)指標(biāo)是確定洪峰流量Qp的大小。對于潰壩洪峰流量Qp的計算，國內(nèi)外還沒有成熟的理論，特別是針對冰湖終磧堤這樣的特殊案例，更多地是采用經(jīng)驗或是修正公式。其中，一部分學(xué)者通過總結(jié)大量冰湖潰決事件得出Qp與庫容V之間的關(guān)系式，如Huggle［8］的Qp=0.000 7V1.017，Popov［13］的Qp= 0.048V0.896等經(jīng)驗公式。這些公式因受區(qū)域性、背景因素等影響而存在諸多差異，局限性很大。如利用以上公式對錯下湖進(jìn)行洪峰估算，Qp超過2萬m3/s。根據(jù)西藏冰湖潰決事件的歷史記錄分析，較錯下湖規(guī)模更大的冰湖洪峰流量也未曾超過這個數(shù)值，因此以上公式不符合該冰湖的預(yù)測估算。

為了能更加合理地對錯下湖潰決洪峰流量進(jìn)行預(yù)測，文中采用水利工程上常用的潰壩洪峰流量公式進(jìn)行對比計算，比如圣維南公式解(A.Ritter)、黃河水利委員會修正公式等。這些公式依據(jù)潰口的形狀來確定洪峰Qp，因此問題的關(guān)鍵在于確定錯下湖終磧堤潰口平均寬度b與潰口深度h。

對于潰口平均寬度b的確定，有研究表明它的大小與潰口深度h存在一定關(guān)系。Froehlich、美國墾務(wù)局等在大量研究工作基礎(chǔ)上總結(jié)出兩者的回歸經(jīng)驗公式，并受到廣泛應(yīng)用。其中，F(xiàn)roehlich根據(jù)潰決時的水庫庫容及潰口高度提出以下計算潰口寬度的公式［14］

式中:Vm為潰決時的水庫庫容(107m3);h為潰口高度(m)。

對于潰口深度h來講，早時冰川科學(xué)家調(diào)查西藏冰湖潰決地區(qū)后得出這樣的結(jié)論:潰口深度常達(dá)到終磧堤高度的1/3［4］，如表1所示。同時大量潰壩流量曲線表明，洪水一般在下泄1/3庫容的時候出現(xiàn)洪峰流量。因此，在評估堰塞湖等重大堰塞體風(fēng)險時主要采用1/3潰決模式進(jìn)行計算，再根據(jù)情況的特殊性輔以其他模式作為參考。結(jié)合藏東南歷史冰湖潰決的規(guī)律，本文在計算錯下湖洪峰流量Qp時，除采用1/3模式外，并輔以1/2潰決模式作為保守參考，計算結(jié)果如表2所示。

表1 西藏地區(qū)冰湖潰決記錄［2，4］

表2 錯下湖潰決洪峰流量計算結(jié)果

從表2中可以看出，通過Froehlich公式得到潰口平均寬度b后，對比Froehlich與其他兩種Qp計算結(jié)果，誤差較小。因此，采用Froehlich計算方法，分別按1/3和1/2模式得到錯下湖潰決洪峰流量分別是2 236m3/s和3 697m3/s。值得注意的是，由于錯下湖下游貢嘎弄巴段溝床比降為136%，并且溝谷兩側(cè)松散堆積物較發(fā)育，潰決洪水極易轉(zhuǎn)變成稀性泥石流甚至粘性泥石流，下游段洪峰流量數(shù)值將大大超過這個數(shù)值。

3.2 潰決洪水對下游地區(qū)的危害

錯下湖距離帕隆臧布江匯口處31.92 km，潰決洪峰流量匯入主河時將有所減少。為簡化計算，暫不考慮固體物質(zhì)對洪水演進(jìn)的影響，僅從清水出發(fā)，通過洪水演進(jìn)公式進(jìn)行計算［16］。

式中:Qn為洪水演進(jìn)至下游某處的洪峰流量(m3/s); W為冰湖潰壩時的庫容(m3);L為下游某處距潰口距離(m);V為河道洪水期斷面最大平均流速(5 m/s);K為經(jīng)驗系數(shù)(1.5)。

從表3計算結(jié)果以及圖5可以看出，當(dāng)錯下湖按1/3模式潰決時，經(jīng)過2.7 h后洪水洪峰到達(dá)帕隆臧布江，高出公路面9 m的巨浪將淹沒溝口段一切基礎(chǔ)設(shè)施。如果是泥石流，則會淤埋和沖毀整個溝口地段，甚至還有可能堵江形成泥石流壩;當(dāng)錯下湖按1/2模式潰決時，后果將會更加嚴(yán)重。

表3 錯下湖潰決匯入帕隆臧布江洪水演進(jìn)計算結(jié)果

圖5 洪峰匯入帕隆臧布江溝口水位示意圖(鏡頭朝南)

3.3 錯下湖潰決可能引起的次生災(zāi)害鏈

錯下湖由于其自身地理位置的特殊性，潰決誘發(fā)的危害程度將加大，甚至?xí)T發(fā)更大規(guī)模的次生災(zāi)害鏈。冰湖潰決洪水在貢嘎弄巴段掏刷溝谷兩岸坡積物，由于固體物質(zhì)沿途大量補(bǔ)給，疊加形成特大規(guī)模的泥石流，匯入帕隆臧布江主河后形成泥石流堵塞壩。壩體潰決后，將會給川藏線莫如弄巴以下公路和沿江城鎮(zhèn)、村莊的生命財產(chǎn)造成極其嚴(yán)重的災(zāi)難，后果不堪設(shè)想。近30年來，帕隆臧布江就發(fā)生過多次泥石流堵江事件［17－19］，后果非常嚴(yán)重，如莫如弄巴附近的培龍溝、冬茹弄巴曾先后5次堵塞帕隆臧布江，米堆溝也發(fā)生過一次局部堵江，造成巨大的損失。由于次生災(zāi)害鏈形成機(jī)制復(fù)雜，有待開展進(jìn)一步的研究分析工作。錯下湖冰湖潰決誘發(fā)的災(zāi)害鏈如圖6所示。

圖6 錯下湖冰湖潰決可能誘發(fā)的災(zāi)害鏈分布圖

4 結(jié)語

本文通過氣候、地震和冰川活動等方面對錯下湖流域進(jìn)行分析后，認(rèn)為該冰湖存在可能潰決的危險，并結(jié)合西藏地區(qū)發(fā)生過的冰湖潰決事件一些基本規(guī)律，利用Froehlich公式計算出潰決洪峰流量，從中得出分析結(jié)果:冰湖潰決洪水或形成的泥石流匯入帕隆臧布江時將淹沒甚至淤埋溝口段基礎(chǔ)設(shè)施，一旦堵江則上下游公路城鎮(zhèn)將面臨更大的風(fēng)險。雖然從目前情況分析來看，出現(xiàn)這種災(zāi)害的幾率不大，但有一定危險性，因此必須引起高度重視，超前提出科學(xué)的防治方案。

但是，還需要進(jìn)行更多研究以確保危險性評估工作取得進(jìn)一步完善:①冰湖終磧堤最終潰口的形狀，因為它的最終形態(tài)將決定洪水以及泥石流的暴發(fā)規(guī)模。如果能更加準(zhǔn)確確定潰口大小，則會得到更加具有評估價值的洪峰流量;②冰湖潰決洪水演進(jìn)轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗍鞯霓D(zhuǎn)化演算，這需要野外調(diào)查的分析并輔以模型試驗研究的佐證。泥石流洪峰流量不僅較洪水更大，破壞力更猛，而且對于研究淤積溝口段堵塞壩的形成機(jī)制來講也具有非常重要的科學(xué)依據(jù);③冰湖潰決泥石流堵江的可能性，包括壩體的規(guī)模、穩(wěn)定性等方面的預(yù)測。

［1］呂儒仁，唐邦興．西藏的冰川終磧湖潰決泥石流［C］//滇藏鐵路線勘測選線討論會論文選輯．北京:中國鐵道學(xué)會鐵道工程委員會，1981．

［2］徐道明，馮清華．西藏喜馬拉雅山區(qū)危險性冰湖及其潰決特征［J］．地理學(xué)報，1989，44(3):343－352．

［3］徐道明．西藏波曲河冰湖潰決泥石流的形成與沉積特征［J］．冰川凍土，1987，9(1):23－34．

［4］呂儒仁，唐邦興，朱平一．西藏泥石流與環(huán)境［M］．成都:成都科技大學(xué)出版社，1999．

［5］程尊蘭，田金昌，張正波，等．藏東南冰湖潰決泥石流形成的氣候因素與發(fā)展趨勢［J］．地學(xué)前緣，2009，16(6):207－214．

［6］程尊蘭，朱平一，黨超，等．藏東南冰湖潰決泥石流災(zāi)害及其發(fā)展趨勢［J］．冰川凍土，2008，30(6):954－959．

［7］Richardson S D，Reynolds J M．An overview of glacial hazards in the Himalayas［J］．Quaternary International，2000，65(6):31－47．

［8］Huggel C Haeberliw．An assessment procedure for glaceier hazardsnswess Alps［J］．Can Geotech，2004，41(6):1068－1083．

［9］McKillop R J，Clague J J．A procedure for making objective preliminary assessments of outburst flood hazard from moraine-dammed lakes in southwestern British Columbia［J］．Nat Hazards，2007，41:131－157．

［10］假拉，杜軍，邊巴扎西，等．西藏氣象災(zāi)害區(qū)劃研究［M］．北京:氣象出版社，2008．

［11］苗秋菊，張婉佩，沈永平．2006年全球氣候異常，多項紀(jì)錄被打破［J］．氣候變化研究進(jìn)展，2007，3(1):50－54．

［12］國家地震局．中國地震簡目［M］．北京:地震出版社，1977．

［13］Popovn．Glacier debris flows migration in Kazakstan:assessment，prediction and control，in:Debris-flow hazard mitigation:mechanics［C］//1stinternationalconference．San Francisco，California:American Society of Civil Engineers，1997:113－122．

［14］Froehlich D C．Embankment dam breach parameters revisited［C］//Proceeding of the 1995 ASEC conference on Water Resource Engineering．San Antonio，Texas，1995:887－891．

［15］Froehlich D C．Peak outflow from breached embankmentdam［J］．Journal of Water Resource Planning and Management，1996，121 (1):90－97．

［16］鐵道部第三勘測設(shè)計院．橋涵水文［M］．北京:人民鐵道出版社，1979．

［17］程尊蘭，田金昌，張正波，等．西藏江河堵潰災(zāi)害及成災(zāi)環(huán)境分析［J］．災(zāi)害學(xué)，2009．24(1):26－30．

［18］吳積善，程尊蘭，耿學(xué)勇．西藏東南部泥石流堵塞壩的形成機(jī)理［J］．山地學(xué)報，2005，23(4):399－405．

［19］喬建平，蒲曉虹，王萌，等．大地震誘發(fā)滑坡的分布特點(diǎn)及危險性區(qū)劃研究［J］．災(zāi)害學(xué)，2009，24(2)，25－29．

Analysis on Risk of Glacier-Lake Outburst in Southeastern Tibet

Liu Jiankang1，2，3，Cheng Zunlan1，2，Guo Fenfen2，3and Xu Wei2，3
(1．Key Lab of Mountain Hazards and Surface Processes，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China;2．Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China;3．Graduated University of Chinese Academy of Science，Beijing 100049，China)

Since construction and opening to traffic，traffic interruptions occur often along the southern line of Sichuan-Tibet highway(in Tibet)due to hazards like debris flow and landslides．Debris flows caused by glacier-lake outburst have become the mostserious disasters with the characteristics ofunexpected occurrence，high flood peak，great discharge，destructive，short time duration and broad range．Based on analysis on important factors as hydrological climate，glacier movement and earthquake records，etc．in Cuoxiahu area，the glacier-lake is preliminarily proved to be in danger of outburst．Outburst peak flows are obtained respectively as 2 236m3/s and 3 697m3/s by calculation in the mode of1/3 and 1/2 dam break．Once the outburstofthe lake happen，infrastructure such as roads，bridges along the Parlung Tsangpo River would be washed off，even worse，the main river also faces the danger of being blocked by debris flows．

GLOF;debris flow;earthquake;hazard assessment;Cuoxiahu;southeastern Tibet

P642.23;P343.6

A

1000－811X(2011)02－0045－05

2010－09－25

國家自然科學(xué)基金(40771024);國家科技支撐計劃專題項目(2008BAKSOB04－5)

劉建康(1985－)，男，四川自貢人，博士研究生，主要從事防災(zāi)減災(zāi)與巖土工程研究．E-mail:j_jiankang@yahoo.com.cn