1961—2021年葉爾羌河流域克亞吉爾冰湖潰決洪水變化特征

努爾比亞·吐尼牙孜， 米日古麗·米吉提， 毛煒嶧，邁爾丹江·米吉提， 張阿慧， 劉 艷

（1. 喀什地區(qū)氣象局，新疆 喀什 844000； 2. 中國氣象局 烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002；3. 喀什地區(qū)水文勘測局，新疆 喀什 844000； 4. 新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002）

0 引言

冰川湖潰決洪水（Glacier Lake Outburst Flood，GLOF）是指位于冰川冰面、冰下、冰川內(nèi)部或冰川附近，因冰川而伴生的水體突然釋放下泄形成的短歷時洪水，具有突發(fā)性強、預(yù)測難、量級高、災(zāi)害性大等特點［1-3］。堰塞湖、冰川湖潰決、冰川泥石流等冰川災(zāi)害常與冰川躍動所伴隨，它們大規(guī)模地改變河床形態(tài)與地貌，嚴重威脅沿線居民的生命財產(chǎn)安全［4-5］。世界已知的躍動型冰川大約90%發(fā)生在喀喇昆侖—喜馬拉雅地區(qū)［6］?？錾较凳侨虻途暥缺ǚ植紨?shù)量最多，規(guī)模最大的區(qū)域之一，也是亞洲山岳冰川最集中的地區(qū)，葉爾羌河河源區(qū)則是我國境內(nèi)喀喇昆侖山冰川作用規(guī)模最大最集中的地區(qū)［7-8］。

葉爾羌河發(fā)源于喀喇昆侖山喬戈里峰，由西南流向東北，是新疆境內(nèi)洪峰流量最大的河流［9］。冰雪融水是葉爾羌河重要的淡水來源，也是塔里木盆地西部綠洲農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟發(fā)展的重要水資源［10］。多年穩(wěn)定積雪和冰川融水補給占整個葉爾羌河流域徑流的45.8%。在葉爾羌河上游支流的克勒青河區(qū)內(nèi)存在10 條長度超過20 km，面積70 km2以上的大型山谷冰川［11-12］。豐富的冰川資源不僅為葉爾羌河提供豐沛水量補給，同時也為該流域冰湖潰決洪水提供了重要基礎(chǔ)條件，使葉爾羌河流域成為新疆地區(qū)發(fā)生冰湖潰決突發(fā)洪水災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)［13-15］。為了探明葉爾羌河流域突發(fā)洪水發(fā)生的原因，1985—1987 年新疆水利廳、中國科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所（現(xiàn)中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院）等單位聯(lián)合組織科考隊，首次赴葉爾羌河流域發(fā)源地進行科學(xué)考察，獲取了大量極其珍貴的科學(xué)資料，首次揭示了葉爾羌河流域冰湖潰決突發(fā)洪水發(fā)生地點和形成機理［16-18］。基于前期科考資料，王景榮［13］詳細分析了葉爾羌河流域突發(fā)洪水成因，指出克勒青河上游的現(xiàn)代冰川區(qū)是引發(fā)此流域大規(guī)模突發(fā)洪水的策源地。同時，劉景時等［19］也監(jiān)測到葉爾羌河上游克勒青河谷克亞吉爾冰川躍動，進一步指出克亞吉爾冰川躍動并阻塞河道是葉爾羌河流域冰湖潰決引發(fā)突發(fā)洪水的根源。王杰等［20］結(jié)合實際工程調(diào)研，提出了葉爾羌河上游冰湖潰決洪水與融雪型洪水的分型計算的解決途徑。袁波波等［21］根據(jù)葉爾羌河三種洪水和地形的特點，建立了適合葉爾羌河流域的冰川湖潰決洪水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，為當(dāng)?shù)胤姥纯购?、搶險救災(zāi)提供了決策依據(jù)。然而葉爾羌河流域上游現(xiàn)代冰川區(qū)地形、地貌、氣候與水文等環(huán)境條件極端復(fù)雜，加之現(xiàn)有的探測方法及對高海拔無人區(qū)監(jiān)測能力不足等原因，人們對葉爾羌河流域潰決洪水的認識仍然有限。自21 世紀以來，葉爾羌河流域不同規(guī)模的冰湖潰決突發(fā)洪水經(jīng)年泛濫，對流域生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟發(fā)展以及綠洲特色農(nóng)業(yè)發(fā)展等產(chǎn)生不利影響，在全球變暖趨勢下，未來葉爾羌河流域經(jīng)濟建設(shè)與發(fā)展仍面臨巨大的潛在隱患［9，22-23］，因此，研究冰湖潰決洪水變化特征，掌握其演變規(guī)律對當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)工作有重要意義。本文基于水文監(jiān)測數(shù)據(jù)、科考資料文獻及歷年洪水災(zāi)情資料，建立該地區(qū)較完整的歷史冰湖潰決洪水?dāng)?shù)據(jù)庫，分析了潰決洪水的氣候統(tǒng)計特征，以期加深對葉爾羌河流域冰湖潰決突發(fā)洪水的認識，為流域防災(zāi)減災(zāi)、水循環(huán)和下游經(jīng)濟建設(shè)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

葉爾羌河（本文簡稱葉河）流域位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部，地理坐標介于74°28′～80°54′ E和34°50′～40°31′ N 之間。葉河流域地形復(fù)雜由南向東北急劇傾斜，其西部為帕米爾高原，南部為喀喇昆侖山和西昆侖山，東臨塔克拉瑪干沙漠邊緣，東北部為山前沖積平原，主要由昆侖山剝蝕山地（海拔6 000～8 000 m）和沖洪積平原（海拔1 050～1 300 m）兩大地貌單元組成［圖1（a）］。葉河流域全年干旱少雨，山區(qū)屬于高寒干旱半干旱氣候［24-25］。根據(jù)第二次冰川編目數(shù)據(jù)，2009 年該流域共有冰川3 247 條、冰川面積5 414.77 km2，對比1968 年第一次冰川編目數(shù)據(jù)，冰川條數(shù)較少1.5%、面積退縮率達14.6%［22］。克勒青河是葉河流域山谷冰川分布的主要區(qū)域，僅克勒青河各支溝冰川面積2 579 km2，占流域冰川面積的43.5%［26-27］。克勒青河谷左岸有多條從喀喇昆侖山脈北坡向下延伸至河谷的龐大山谷冰川，其中有迦雪布魯姆冰川、烏爾多克冰川、斯坦格爾冰川、特拉木坎力冰川、克亞吉爾冰川等5條大型山谷冰川末端進入河谷［11，23］。上述冰川中的特拉木坎力冰川和克亞吉爾冰川末端海拔分別為4 550 m、4 800 m，歷史上曾多次出現(xiàn)過冰湖，屬于活動性冰川［11，23，28-29］。

圖1 研究區(qū)概況（a）及2018年8月4日新疆克亞吉爾冰湖影像（b）Fig. 1 Overview of the study area （a） and the image of the Kyagar Glacier Lake on August 4， 2018 （b）

克亞吉爾冰川是目前葉河流域唯一阻斷河谷，導(dǎo)致半世紀以來冰湖潰決引發(fā)葉河流域突發(fā)洪水的主要冰川。克亞吉爾冰川湖位于葉爾羌河上游克勒青河冰川沙克斯甘山谷地（77°10′44″ E，35°40′33″ N），由克亞吉爾冰舌攔蓄而形成的沿東西向延伸的冰川前進阻塞主河谷形成的梯級堰塞湖［圖1（b）］，當(dāng)冰川湖在外界因素激發(fā)下突然潰決或排水，就會造成葉爾羌河不同規(guī)模的冰湖潰決洪水。

2 資料與方法

2.1 資料與數(shù)據(jù)處理

文中所用資料包括：（1）喀什水文勘測局提供的卡群站1961—2021年洪水記錄月逐日（包括逐日08：00、20：00 常規(guī)資料和加密分鐘資料）水情、降水資料。（2）歷年科考調(diào)研實測洪水資料［2，5，13，18，20-21，30-31］及1990—2021 年喀什地區(qū)氣象局統(tǒng)計的喀什地區(qū)洪水災(zāi)情資料。根據(jù)冰湖潰決洪水洪峰起漲迅速、漲率大、洪峰過程短且呈單峰型的特點，定義洪水資料滿足以下3 個條件為一次潰決洪水事件，潰決洪水記錄正確且資料可用。①洪水過程為單峰型，陡漲陡落；②峰頂持續(xù)時間短，漲水歷時≤3 h；③洪水過程起漲速率高，可達起漲流量的2～10倍?；谒谋O(jiān)測數(shù)據(jù)分析，1961—2021年共發(fā)生30次冰湖潰決洪水（表1）。定義一年內(nèi)出現(xiàn)一次洪水記錄為1，出現(xiàn)2 次或以上依次累加，沒有出現(xiàn)則記錄為0，以此標準整理出1961—2021 年30 次冰湖潰決洪水過程，詳見表1。

表1 葉爾羌河流域1961—2021年克亞吉爾冰湖潰決洪水Table 1 The Kyagar Glacial Lake outburst floods （GLOFs） in the Yarkand River Basin （YRB） from 1961 to 2021

2.2 研究方法

（1）采用線性趨勢分析及常規(guī)統(tǒng)計方法分析葉爾羌河流域克亞吉爾冰湖潰決洪水（簡稱葉河流域潰決洪水，下文同上）的年代際、月變化統(tǒng)計特征，綜合利用累積距平、Mann-Kendall（M-K）突變檢驗方法分析洪水周期及突變特征。

（2）利用R/S 分析方法預(yù)測潰決洪水及洪峰流量的未來變化趨勢?；赗/S 分析的H指數(shù)是定量描述長程依賴性的主要方法之一，該方法屬于非參數(shù)分析法，具有較好的穩(wěn)健性［32］，H取值范圍為（0，1）。當(dāng)H=0.5 時，表示序列是隨機的，不具備長期依賴性，將來的發(fā)展趨勢與已經(jīng)發(fā)生的事件沒有關(guān)系；0.5

（3）利用Morlet 小波判斷潰決洪水的多尺度周期特征。小波變換具有多分辨率分析的特點，在時頻兩域都具有表征信號局部特征的能力。它不僅可以給出氣候序列變化的尺度，還可以顯示出各頻率隨時間的變化以及不同頻率之間的關(guān)系，同時還具有分析函數(shù)奇異性的能力，可以用來分析氣候變化中的突變，其計算方法可參考文獻［33］。

（4）分析洪峰流量年際、月變化特征，利用多概率分布函數(shù)擬合工具軟件（Multi-Distribution Fitting Tool Software， MuDFiT）計算洪峰流量的重現(xiàn)期，評估不同水平下的洪峰風(fēng)險。極端事件的重現(xiàn)期是指在一定年代的資料統(tǒng)計期間內(nèi)，等于或大于某量級的極端事件出現(xiàn)一次的平均間隔時間，為該極端事件發(fā)生頻率的倒數(shù)［34］。MuDFiT 統(tǒng)計軟件可給出數(shù)據(jù)序列的均值、方差、分位數(shù)等多種統(tǒng)計量值；利用常用的46種不同概率密度分布函數(shù)對數(shù)據(jù)序列進行擬合；運用最大似然法或線性矩法估計得到函數(shù)的參數(shù)；使用三種擬合優(yōu)度檢驗來對46種函數(shù)進行檢驗，對函數(shù)擬合結(jié)果排序，判斷擬合的最優(yōu)函數(shù)，最終計算得到極端事件的重現(xiàn)期。文中擬合檢驗采用柯爾莫洛夫-斯米爾諾夫（Kolmogorov-Smimov， K-S）檢驗法。

3 結(jié)果與分析

3.1 潰決洪水月分布特征

由圖2（a）葉河流域潰決洪水頻次月分布可知：潰決洪水發(fā)生在一年中的6—11月，呈單峰型，7—9月發(fā)生潰決洪水共25 次，占總洪水次數(shù)的83.3%，其余5 次則出現(xiàn)在6 月、10—11 月。就單月潰決洪水頻率而言，8月出現(xiàn)次數(shù)最多為13次，占總洪水日數(shù)的43.3%，次多出現(xiàn)在7 月共7 次，占總洪水日數(shù)的23.3%，而1—5 月、12 月未發(fā)生潰決洪水事件?？梢娙~河流域克亞吉爾冰湖潰決洪水事件主要發(fā)生在7—9月，其原因與流域全年光熱資源月分布有密切聯(lián)系［26，35-36］。冰湖蓄水量是影響冰下排水或冰緣排水的關(guān)鍵因子之一，短期氣候條件而言7—9月該流域具有豐富的熱量條件［25，34-35］，利于冰川強烈消融、冰壩減薄及冰川不穩(wěn)定性增加，在較高氣溫“誘導(dǎo)”下，7—9 月堰塞湖水位持續(xù)上升，冰湖水體水壓增加，迫使冰下排水通道的形成，而冬春季節(jié)氣溫低，堰塞湖排水通道處在衰變期，初夏季節(jié)積溫條件相對較差，冰湖排水通道較難形成，故7—9月發(fā)生潰決洪水的頻次較高。

圖2 葉爾羌河流域1961—2021年克亞吉爾冰湖潰決洪水頻次（a）、洪峰流量（b）月分布Fig. 2 Monthly distribution of frequency （a） and peak discharge （b） of Kyagar GLOFs in the YRB from 1961 to 2021

為了進一步研究葉河流域克亞吉爾冰湖潰決洪水特征，分析了1961—2021年潰決洪水洪峰流量月變化特征［圖2（b）］，由平均月洪峰流量分布可知：葉河流域潰決洪水平均月洪峰流量828～3 218.5 m3·s-1，潰決洪水洪峰與頻次分布一致呈單峰型，6—8月洪峰流量迅速增大達到峰值，9—11月略有波動，洪峰流量先急降后略有增大，峰值出現(xiàn)在8 月，次高峰值出現(xiàn)在9 月，洪峰流量依次為3 218.5、2 537.5 m3·s-1；低值出現(xiàn)在10 月僅為828 m3·s-1，11 月次低為1 353 m3·s-1?？梢姖Q洪水洪峰流量月分布與發(fā)生頻次分布有差異，潰決洪水7—8 月發(fā)生頻次最多，但洪峰流量8—9 月最大，致災(zāi)風(fēng)險全年最高。其原因除了冰湖潰決的其他物理因素外，主要與冰湖蓄水時間有關(guān)。克亞吉爾冰湖末端海拔4 800 m，消融主要發(fā)生在夏季，經(jīng)過春夏足夠長的蓄水時間，8—9 月冰湖蓄水量較大，若此時冰湖發(fā)生冰下排水或冰川邊緣排水，更容易造成較大洪峰流量。而相對于8月，9月葉河流域零度層高度較低［經(jīng)統(tǒng)計葉河流域代表站喀什探空資料，1991—2020 年8 月、9 月的20：00（北京時間）平均零度層高度4 835.0 m、4 345.5 m］，冰湖凍結(jié)而損失部分融水，因而9月洪峰比8月小。

3.2 潰決洪水年際、年代際變化特征

分析1961—2021 年葉河流域潰決洪水年際變化曲線可知［圖3（a）］：近61 a 潰決洪水頻次呈緩慢減少趨勢，減少速率為0.028 d·（10a）-1，未通過a=0.05 的顯著性檢驗，表明1961—2021 年葉河流域潰決洪水線性變化趨勢不明顯。由11 a 滑動平均曲線變化可知：潰決洪水具有較明顯的階段特征，20 世紀70 年代初、80 年代末至90 年代初，潰決洪水頻次呈減少趨勢；20 世紀70 年代末至80 年代初、90 年代末至21 世紀初，潰決洪水頻次呈迅速增長趨勢，時間域內(nèi)經(jīng)歷了2 個偏少期和偏多期。分析近61 a 潰決洪水年代際分布［圖3（b）］：近6個年代際中，潰決洪水事件與11 a 滑動平均值曲線變化相似，亦呈現(xiàn)高、低交替變化的波動特征。20 世紀60、80 年代潰決洪水頻次在高位波動處在頻發(fā)期，70、90 年代潰決洪水頻次減少進入減緩期，至21 世紀初轉(zhuǎn)為較明顯的躍增，之后又迅速減小。可見近61 a 葉河流域潰決洪水年際變化雖不顯著，但在時間域內(nèi)存在較明顯高低交替變化的波動振蕩特征。經(jīng)計算1961—2021 年葉河流域潰決洪水頻次序列的Hurst 指數(shù)為0.58，潰決洪水頻次有弱的連續(xù)性，結(jié)合近些年潰決洪水頻次處在減少階段，推測未來3～5 年潰決洪水仍將在低位波動。

圖3 葉爾羌河流域1961—2021年克亞吉爾冰湖潰決洪水頻次年際（a）、年代際（b）變化及洪峰流量年際（c）、年代際變化（d）Fig. 3 Interannual （a， c） and interdecadal variations （b， d） of frequency （a， b） and peak discharge （c， d） of Kyagar GLOFs in the YRB from 1961 to 2021

潰決洪水洪峰流量年際變化顯示［圖3（c）］，近61 a 葉河流域潰決洪水洪峰流量呈顯著減少趨勢，減少速率為15.5 m3·s-1·a-1，通過a=0.05 的顯著性檢驗。由11 a滑動平均曲線可知，在20世紀60年代至80年代中期，滑動平均曲線圍繞多年洪峰均值上下波動，洪峰變化相對穩(wěn)定，但20 世紀80 年代末之后洪峰流量與潰決洪水年際變化相似呈現(xiàn)高低交替變化的波動特征。洪峰年代際變化則顯示［圖3（d）］，20 世紀60 年代至80 年代洪峰呈現(xiàn)較明顯的減少趨勢，90 年代至21 世紀00 年代轉(zhuǎn)為明顯躍增，至10年代又迅速減小?？梢?1世紀00年代葉河流域潰決洪水頻次和洪峰流量均出現(xiàn)了明顯變化。研究表明自20 世紀80 年代中期，新疆地區(qū)氣候呈現(xiàn)較明顯的“暖濕”化突變，葉河流域氣溫和降水均有所增加［35-37］，與之對比，葉河流域潰決洪水頻次和洪峰峰值均出現(xiàn)在21 世紀00 年代，表明該流域潰決洪水事件對氣候變化的響應(yīng)較為滯后。而2011—2021 年葉河流域潰決洪水發(fā)生頻次和洪峰均減少，其原因與全球氣溫持續(xù)升溫引起的冰川壩厚度減小、減薄，冰湖蓄水能力下降，以及冰湖趨于小型化、“堰塞湖”規(guī)模減小等眾多因素變化有密切關(guān)系［1，3，7，14-15］。另外，經(jīng)計算洪峰H指數(shù)為0.54，洪峰連續(xù)性較差為隨機事件，未來變化具有不確定性。

3.3 潰決洪水周期特征

為了進一步精確描述葉河流域潰決洪水變化規(guī)律，對潰決洪水頻次序列進行Morlet 連續(xù)復(fù)小波變換，繪制Morlet 小波能量譜、方差及主周期變化趨勢圖（圖4）。由潰決洪水小波能量譜時頻特征及方差可知［圖4（a）、（b）］：時間域內(nèi)潰決洪水能量強度并不均勻，存在多層次的時間尺度結(jié)構(gòu)和局部變化特征。在P=0.05顯著性水平臨界值內(nèi)，潰決洪水存在較穩(wěn)定的準3 a、19 a 左右振蕩周期，根據(jù)小波方差曲線峰值確定其第一主周期為19 a。小波能量聚集中心坐標為（3 a，1968）、（3 a，1985）、（7 a，1978）、（3 a，2016）、（19 a，1987），其時間尺度上強中心影響范圍分別是1964—1975 年、1980—1988 年、1969—1987 年、2012—2017 年、1985—2001 年。其中20 世紀60 年代末至80 年代中期，潰決洪水以準6～7 a高頻振蕩為主，此后轉(zhuǎn)為4 a左右高頻振蕩，至21 世紀振蕩減弱趨于0，表明21 世紀潰決洪水發(fā)生了周期變化。分析葉河流域潰決洪水頻次在19 a主周期下的小波實部過程曲線［圖4（c）］：在19 a 準周期上，突發(fā)洪水呈現(xiàn)大約2 個振蕩周期的“低—高”變化，近幾年正處于1961 年以來的第2 次振蕩減少階段，在此周期尺度上2021年之后潰決洪水發(fā)生頻次仍將減少，將持續(xù)減少到2027 年左右，此后進入下一個上升階段。

圖4 葉爾羌河流域1961—2021年克亞吉爾冰湖潰決洪水頻次小波能量譜（a）、方差（b）及19年特征尺度下小波系數(shù)實部過程曲線（c）Fig. 4 Wavelet energy spectrum （a） and variance of the frequency （b） of Kyagar GLOFs， as well as the real part process curve of wavelet coefficients at a 19-year characteristic scale （c） in the YRB from 1961 to 2021

3.4 潰決洪水突變檢測

圖5 給出了葉河流域1961—2021 年潰決洪水逐年頻次序列的累積距平和M-K 突變檢測曲線，由圖可知：潰決洪水序列累積距平正負交替，時間域內(nèi)經(jīng)歷2個偏多期和1個偏少期（持續(xù)5 a以上）。葉河流域潰決洪水在1961—1990 年經(jīng)歷近30 a 的頻發(fā)期后，在1991—2004 年出現(xiàn)相對短暫的間歇期，拐點出現(xiàn)在1996年附近，此后潰決洪水再次進入偏多期。M-K突變檢驗結(jié)果顯示：在a=0.05臨界曲線之內(nèi)UF、UB統(tǒng)計曲線沒有交點，同時整個時間域內(nèi)UF值<0，并于1965 年通過a=0.05 的臨界曲線，表明近61 a葉河流域潰決洪水沒有發(fā)生突變。結(jié)合累積距平曲線可見，雖然在21世紀初受到氣候變化影響葉河流域潰決洪水出現(xiàn)短暫的高頻期，但這仍不能改變其近61 a振蕩減少為主的長期變化特征。

圖5 葉爾羌河流域1961—2021年克亞吉爾冰湖潰決洪水頻次累積距平曲線（a）和M-K突變檢驗（b）Fig. 5 Accumulated anomalies （a） and Mann-Kendall test （b） of the frequency of Kyagar GLOFs in the YRB from 1961 to 2021

3.5 洪峰流量重現(xiàn)期

運用MuDFiT 軟件采用不同的分布函數(shù)對葉河流域潰決洪水洪峰進行擬合度檢驗。根據(jù)檢驗結(jié)果，選擇排名前10的函數(shù)整理不同重現(xiàn)期內(nèi)各函數(shù)估算的洪峰極值，計算各重現(xiàn)期下最大和最小洪峰極值及兩者之差，并繪制洪峰極值綜合曲線圖。由圖6 可知，葉河流域潰決洪水不同概率分布函數(shù)在各重現(xiàn)期水平下洪峰值存在一定的差異，且隨著時間的增加差異越明顯。在10～25 a 重現(xiàn)期下，概率分布函數(shù)最大和最小洪峰差值由1 350 m3·s-1緩慢增大至2 033 m3·s-1，之后差值呈快速增大趨勢，至50 a 重現(xiàn)期差值達到3 043 m3·s-1，之后差值曲線陡然升高，在100 a 重現(xiàn)期下差值達到4 630 m3·s-1，表明葉河流域50 a一遇及以上極端潰決洪水具有一定的不確定性。

圖6 葉爾羌河流域1961—2021年克亞吉爾冰湖潰決洪水不同重現(xiàn)期洪峰極值綜合曲線Fig. 6 Comprehensive curve of flood peak extremes for Kyagar GLOFs at different return periods in the YRB from 1961 to 2021

圖7 葉爾羌河流域1961—2021年塔什庫爾干氣象站氣溫（a）和降水（b）年代變化Fig. 7 Decadal variations of temperature （a） and precipitation （b） at the Taxkorgan meteorological station in the YRB from 1961 to 2021

為了進一步分析葉河流域冰湖潰決洪水極端特征，分析了不同重現(xiàn)期最優(yōu)函數(shù)洪峰流量。由表2 可知：葉河流域100 a、60 a、50 a 一遇洪峰分別為6 471.4、6 119.1、5 988.3 m3·s-1，結(jié)合表1 卡群站歷年洪峰極值6 270 m3·s-1（1961年）、次值為6 070 m3·s-1（1999 年），對應(yīng)最優(yōu)函數(shù)重現(xiàn)期為60 a、59 a 一遇，估算值基本準確，可見最優(yōu)函數(shù)估算值較為可信。經(jīng)查證葉河流域卡群站警戒流量為1 200 m3·s-1、保證流量為2 500 m3·s-1，最優(yōu)函數(shù)5 a 一遇洪峰為2 492.9 m3·s-1是警戒流量的2 倍，最優(yōu)函數(shù)10 a一遇洪峰為3 880.2 m3·s-1是保證流量的1.5 倍，表明葉河流域潰決洪水在5 a 一遇重現(xiàn)期情景下存在一定的致災(zāi)風(fēng)險，10 a 一遇及以上不同重現(xiàn)期情景下致災(zāi)風(fēng)險極高。以上研究表明葉河流域經(jīng)濟建設(shè)與發(fā)展在未來仍存在一定的潛在隱患，建議加強對冰湖潰決突發(fā)洪水的研究，為防汛預(yù)警提供有效的理論支持。

表2 葉爾羌河流域1961—2021年克亞吉爾冰湖潰決洪水洪峰流量重現(xiàn)期Table 2 Return periods of peak discharge for Kyagar GLOFs in the YRB from 1961 to 2021

4 潰決洪水頻次變化和洪峰減少成因探討

在葉河流域要發(fā)生一次冰湖潰決洪水事件，一般經(jīng)歷冰川增長、冰壩阻塞河道、冰川消融成冰湖及冰壩潰決成洪等復(fù)雜的演變過程，其中包含地質(zhì)、地貌、冰川力學(xué)、氣象、水文等眾多因子的影響及作用［19-20］。葉河流域冰湖潰決突發(fā)洪水在20 世紀80 年代經(jīng)歷一次小的高發(fā)期后，至90 年代進入減緩期，1987—1996 年未出現(xiàn)潰決洪水。周聿超等［27］根據(jù)當(dāng)時喀喇昆侖山冰川進退變化認為，氣候變暖大背景下，葉河流域上游的克亞吉爾冰川和特拉木坎力冰川在20 世紀年代際尺度的冰川前進脈動已過去，冰川處于相對穩(wěn)定和退縮、變薄階段，并預(yù)測在21世紀初氣溫持續(xù)升高前提下，發(fā)生數(shù)千秒立方米流量的潰決（洪水）的可能性較小，葉爾羌河流域冰川洪水的危害將日益減輕。但實際情況是1997—2009年短短13 a該流域發(fā)生11次潰決洪水，且其中有4 次潰決洪水洪峰流量超過4 000 m3·s-1，對此沈永平等［28］解釋：葉河流域冰湖潰決突發(fā)洪水在20世紀末至21世紀初的躍增與90年代的劇烈增溫過程引起的冰川消融加劇，冰川流速加快，以及冰川快速前進再次阻塞河道形成冰川阻塞湖有關(guān)，由此可見全球氣候變化可能改變了葉河流域冰湖潰決洪水的發(fā)生條件。

為解釋氣候變化對葉河流域潰決洪水變化的影響，選取離克亞吉爾冰湖最近的塔什庫爾干氣象站（海拔3 090 m）1961—2021 年氣溫和降水資料作為葉河流域山區(qū)氣候變化的背景參考，討論葉河流域山區(qū)氣溫、降水變化對潰決洪水的影響。近61 a塔什庫爾干站氣溫、降水年際變化顯示，葉河流域山區(qū)氣溫和降水同步呈顯著增長趨勢［速率0.38 ℃·（10a）-1和5.4 mm·（10a）-1，通過a=0.05 的顯著性檢驗］，且1991—2021 年氣溫和降水變率均高于1961—1980 年值，表明近30 a 葉河流域山區(qū)氣溫、降水變化顯著，但對應(yīng)時段內(nèi)葉河流域潰決洪水年際變化并不顯著，表明氣溫和降水年際變化不能直接解釋冰湖潰決洪水變化特征。然而山區(qū)年代際變化顯示，山區(qū)增溫起始于20 世紀90 年代，除21世紀10年代氣溫呈緩慢上升趨勢；降水增加起始于21 世紀00 年代，并在時間域內(nèi)呈波動振蕩上升趨勢。若不考慮21 世紀10 年代氣溫和降水的異常波動，僅對比1961—2010 年5 個年代際波動特征（前后10 a 對比），發(fā)現(xiàn)葉河流域潰決洪水頻次的年代振蕩特征與山區(qū)氣溫呈反位相、與降水呈正位相，即突發(fā)洪水頻發(fā)主要出現(xiàn)在山區(qū)降水增多、升溫減緩或氣溫相對偏冷的時期，表明潰決洪水的頻發(fā)與流域氣溫變化之間可能存在一定的制約關(guān)系，即臨界值或拐點值。當(dāng)氣溫在臨界值內(nèi)波動時，山區(qū)增加的降水量可能有效減緩冰川退縮速度（如“喀喇昆侖異常”），同時氣溫變化亦能誘發(fā)冰川躍動，導(dǎo)致冰川持續(xù)前進，促使冰舌在向下游延伸的同時向上游涌溢，推升冰壩高度，產(chǎn)生新的冰川阻塞湖，增大冰川潰決洪水的潛在危險。當(dāng)氣溫越過臨界氣溫持續(xù)在高位波動時，山區(qū)降水則無法彌補冰川消融所帶來的物質(zhì)虧損，進而不能有效降低冰川萎縮速度，加之高溫使冰壩減薄和冰湖庫容減少，冰川潰決突發(fā)洪水的致災(zāi)風(fēng)險降低。當(dāng)氣溫越過臨界氣溫在低位波動時，冰川消融減緩，山區(qū)冰川穩(wěn)定累積，冰川穩(wěn)定性增加，短時間內(nèi)發(fā)生潰決洪水的頻次減少，發(fā)生潰決洪水的風(fēng)險降低。因此若僅考慮全球氣候變暖影響，未來葉河流域冰湖潰決洪水發(fā)生頻次仍將減少，加上自2019 年11 月起阿爾塔什樞紐水利工程投入運行（位于葉爾羌河干流河段，水庫總庫容22.49×108m3），冰湖潰決洪水的致災(zāi)風(fēng)險進一步減輕。

而根據(jù)國家衛(wèi)星氣象中心《氣象衛(wèi)星水情監(jiān)測報告》，自2019 年7 月葉河流域冰湖潰決發(fā)生突發(fā)洪水之后，每年的6—8月均能監(jiān)測到克亞吉爾冰川阻塞克勒青河谷形成的不同水域面積堰塞湖。根據(jù)2020—2022年冰湖水域面積變化，堰塞湖一般自形成初期至7 月初，水域面積緩慢增大，但至7 月下旬至8月初又隨之減小，表明氣候變暖背景下，克亞吉爾冰川湖的應(yīng)力場可能發(fā)生了某種變化，部分冰下排水通道提前打通，冰川湖蓄水的同時緩慢排水，導(dǎo)致水域面積減少。同時，2020—2022 年監(jiān)測到的堰塞湖水域面積均較歷年同期偏小，表明潰決洪水致災(zāi)風(fēng)險較低。另外，對比發(fā)現(xiàn)2018—2019年克亞吉爾冰川末端仍向克勒青河谷延伸呈東西向［圖2（b）］，而2021—2022 年原河谷內(nèi)的堰塞湖消失，冰湖水域面積則位于河道南側(cè)［圖8（b）］，冰湖位置略有差異，表明葉河流域可能再次形成了新的堰塞湖。如果新的堰塞湖假設(shè)成立，隨著時間累積和堰塞湖成熟，考慮躍動冰川物理機制的復(fù)雜性及未來極端氣候事件的不可預(yù)測性，未來該流域仍有可能發(fā)生洪峰3 000 m3·s-1以上的潰決洪水。目前國內(nèi)對冰川湖的監(jiān)測研究主要以不連續(xù)的衛(wèi)星影像和流域水文要素觀測為主，數(shù)值模式對復(fù)雜冰雪過程的模擬能力欠缺，人們對葉河流域冰湖潰決突發(fā)洪水機理的認識有限，準確評估冰湖潰決突發(fā)洪水致災(zāi)風(fēng)險，需要深入研究氣候變化條件下冰川躍動機制及其響應(yīng)特征，特別是堰塞湖排水機制的解釋驗證，同時要加強遙感監(jiān)測和野外綜合考察，正確把握堰塞湖演變，做好流域風(fēng)險管理工作。

圖8 2022年克亞吉爾冰川湖水域面積變化（a）及7月1日克亞吉爾冰川湖成像圖（b）Fig. 8 Variations of the water area （a） of the Kyagar Glacier Lake in 2022 and the image of Kyagar Glacier Lake on July 1 （b）

5 結(jié)論與展望

本文建立葉爾羌河流域較完善的突發(fā)洪水?dāng)?shù)據(jù)庫，對葉河流域上游克亞吉爾冰湖潰決突發(fā)洪水的長期變化特征進行了較全面的統(tǒng)計分析，其結(jié)果有助于提高工作者們對葉河流域冰湖潰決突發(fā)洪水事件規(guī)律的認識和把握，得到主要結(jié)論并展望如下：

（1）葉河流域克亞吉爾冰湖潰決洪水出現(xiàn)頻次和洪峰流量在月分布上均呈單峰型，突發(fā)洪水主要集中發(fā)生在7—9 月；洪峰峰值出現(xiàn)在8—9 月，其風(fēng)險全年最高。

（2）1961—2021 年克亞吉爾冰湖潰決洪水頻次線性變化趨勢不明顯，呈現(xiàn)高、低交替變化的年代振蕩特征，洪峰流量則呈現(xiàn)顯著線性減少趨勢，其減少速率為15.5 m3·s-1·a-1。Hurst 計算表明，突發(fā)洪水事件頻次有弱的連續(xù)性而洪峰連續(xù)性較差，未來變化具有不確定性。

（3）在19 a 準周期上短期內(nèi)葉河流域克亞吉爾冰湖潰決洪水發(fā)生頻次處于低位，風(fēng)險較低，并將持續(xù)下降到2027 年左右，此后進入下一個上升階段。21 世紀初受到氣候變化影響葉河流域出現(xiàn)短暫的高頻期，但這仍不能改變突發(fā)洪水近61 a 振蕩減少為主的長期變化特征，葉河流域冰湖潰決洪水頻次沒有發(fā)生突變。

（4）葉河流域克亞吉爾冰湖潰決洪水重現(xiàn)期計算表明，50 a 一遇及以上重現(xiàn)期情景下突發(fā)洪水洪峰具有一定的不確定性。以最優(yōu)擬合函數(shù)為參考，突發(fā)洪水在5 a 一遇重現(xiàn)期情景下存在一定的致災(zāi)風(fēng)險，10 a 一遇及以上不同重現(xiàn)期情景下致災(zāi)風(fēng)險極高。

在過去的半個多世紀，葉爾羌河流域溫度升高、降水增加，與西北地區(qū)同步表現(xiàn)出一定的“暖濕化”趨勢，然而這種“暖濕化”現(xiàn)象難以從根本上改變該流域極度干旱、缺水的現(xiàn)狀和荒漠景觀格局，水資源仍是未來制約和影響葉爾羌河流域經(jīng)濟發(fā)展的首要重要因素［36-37］。冰川融水是葉爾羌河流域重要的水源補給，對流域生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟建設(shè)產(chǎn)生重要影響。雖然葉河流域冰湖潰決突發(fā)洪水對流域經(jīng)濟建設(shè)造成巨大損失，使得未來流域經(jīng)濟建設(shè)與社會發(fā)展面臨一定的潛在隱患，但是冰湖潰決洪水直接影響冰湖蓄水量和蓄水周期，在一定程度上促使葉河流域水資源循環(huán)，若加以合理開發(fā)利用，可在葉河流域乃至整個塔里木河流域可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。本文基于葉爾羌河流域較完善的冰湖潰決洪水?dāng)?shù)據(jù)庫分析了洪水的統(tǒng)計學(xué)特征，結(jié)果表明葉河流域潰決洪水頻次呈周期變化，洪峰流量呈顯著減少趨勢，對洪水資源化利用而言利大于弊。但是由于氣候變化和人類活動的影響，未來該流域冰湖潰決洪水變化仍存在一定的不確定性。如何提升葉爾羌河流域冰湖潰決洪水災(zāi)害防御技術(shù)及其洪水資源化利用水平，仍需要加強流域躍動冰川監(jiān)測，深入分析冰湖潰決突發(fā)洪水的機理研究，為防汛預(yù)警提供有效的理論支持，同時應(yīng)加強水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，尤其是加快重大水利工程項目建設(shè)，合理有效利用水資源，改善流域生態(tài)環(huán)境，促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。