國內(nèi)外冰磧湖潰決研究進展

劉建康， 周路旭

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心，四川 成都 611734； 3.中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京 100083)

0 引言

冰磧湖主要是末次冰期以來冰進和冰退的產(chǎn)物。本文為考證冰磧湖形成的準確時間，依托項目“藏東南重要城鎮(zhèn)和交通干線地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查研究”對我國西藏地區(qū)2個典型冰磧湖——印達普錯和然則然錯的冰磧壩進行了野外取樣和光釋光測年，其釋光年齡結(jié)果分別為19.5±2.1 ka和13.6±2.5 ka，說明冰磧湖冰磧壩體為末次冰期形成而非小冰期，冰川呈總體退縮狀態(tài)的后小冰期時代應(yīng)是冰磧湖湖盆形成和規(guī)模擴張的主要階段。

隨著全球氣候變暖，高海拔地區(qū)尤其是熱帶高海拔地區(qū)變暖趨勢更為明顯，冰川活動性變強，冰磧壩穩(wěn)定性變?nèi)?，冰湖潰決災(zāi)害頻繁發(fā)生，潰壩形成的大規(guī)模洪水和泥石流造成嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡，如喜馬拉雅山、天山、阿爾卑斯山脈、高加索山脈和科迪勒拉山系等地區(qū)[1-15]。在喜馬拉雅山地區(qū)，自20世紀30年代至2010年，有記錄的冰湖潰決事件呈增加趨勢，累計發(fā)生的潰決災(zāi)害超過32次[3]。其中，1985年尼泊爾的Dig Tsho冰湖潰決沖毀剛剛竣工的納姆奇水電站，直接經(jīng)濟損失達5億美元[3]；在歐洲，冰湖潰決洪水和泥石流是冰川災(zāi)害中發(fā)生頻率最高、造成死亡人數(shù)最多的類型[7-10]；在秘魯?shù)腃ordillera Blanca地區(qū)，到21世紀初冰湖潰決災(zāi)害達21次，占冰川災(zāi)害總數(shù)的70%[16]。其中，1941 年的Cohup 冰湖潰決導(dǎo)致6000 多人死亡[15]；1971年的Huascaran冰湖潰決并形成泥石流，摧毀下游的Yungay鎮(zhèn)，近2000人在5 min之內(nèi)喪生[16]。

由于冰湖及其潰決災(zāi)害的特殊性，如地處高寒地區(qū)、艱險偏遠、政治安全、基礎(chǔ)觀測和監(jiān)測資料少等，相關(guān)研究受到局限性[17]，但是隨著遙感技術(shù)的發(fā)展和成熟，基于GIS地理信息系統(tǒng)的冰湖危險性評價體系研究逐漸完善，并成為多個國家和地區(qū)針對冰湖潰決危險而制定防災(zāi)減災(zāi)方案的參考依據(jù)之一[4, 17]。

本文主要從冰磧湖潰決資料收集、誘發(fā)因素、形成機制和潰決洪水特征4個方面，總結(jié)國內(nèi)外冰磧湖潰決的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，并結(jié)合項目實施過程中的經(jīng)驗和教訓(xùn)提出思路和想法，從而為冰磧湖潰決研究和評價提供借鑒和參考。

1 冰磧湖潰決事件

冰磧湖潰決事件是理論研究的基礎(chǔ)原型和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但由于災(zāi)害的特殊性，收集和整理工作難度較大，通過調(diào)訪而缺少實地調(diào)查導(dǎo)致的資料信息不完整或不準確是主要問題。截止目前，全球多個高山國家對部分潰決冰磧湖開展了調(diào)查研究，如喜馬拉雅山[3-5]、天山[6]、阿爾卑斯山脈[7-10]、高加索山脈[11]和科迪勒拉山系[12-15]。受限于地理、政治或暴發(fā)年代久遠等原因，現(xiàn)場調(diào)查的數(shù)量有限且精度差異較大，導(dǎo)致文獻資料對冰磧湖潰決災(zāi)害描述的詳實程度不一。2002年，Würmli初步梳理了全世界冰湖潰決事件，但由于資料完整性差異導(dǎo)致屬性信息單一，但為全球資料數(shù)據(jù)庫的建設(shè)和共享提供了借鑒[18]。2013年起，國際滑坡合作項目(IPL)“冰湖潰決洪水?dāng)?shù)據(jù)庫”(項目編號：179)立項開展，通過期刊文獻、報告和數(shù)據(jù)等手段共收集了約130個冰磧湖潰決事件資料[18]，該項目正在完善補充階段。根據(jù)文獻總體對比和總結(jié)，現(xiàn)階段冰磧湖潰決事件的信息完整程度由高到低分別為地理位置、暴發(fā)時間、冰湖尺寸、潰口參數(shù)、終磧堤參數(shù)和潰決洪水參數(shù)(表1)。

表1 冰磧湖潰決事件資料信息完整度總覽

在我國，青藏高原冰川發(fā)育廣泛，冰湖分布眾多。研究表明，近30年來我國喜馬拉雅山地區(qū)的冰湖變化總體呈現(xiàn)“數(shù)量減少、面積增大”的趨勢[17,19]：數(shù)量由1750個減少到1630個，減少7%；總面積由168.53 km2增加到206.04 km2，增率達22%。其中，該地區(qū)的143個冰湖具有潛在危險性，潰決概率等級判定為“高”及以上的有91個[17,19]。受全球氣候變化影響，冰川環(huán)境逐漸惡化，如高溫、多雨、雪崩以及冰躍動等，導(dǎo)致該地區(qū)的冰湖潰決洪水和泥石流活動在未來時間內(nèi)將處于一段活躍期[20-21]，對下游地區(qū)的城鎮(zhèn)設(shè)施和群眾安全構(gòu)成巨大威脅。冰磧湖潰決事件一般發(fā)生在海洋性冰川向大陸性冰川過渡地帶(除光謝錯外)[22]，所形成的洪水和泥石流造成嚴重危害。最新資料統(tǒng)計顯示，自20世紀30年代到目前為止，該區(qū)共有24處冰磧湖先后發(fā)生了28次潰決[23](圖1)。其中，規(guī)模最大的冰磧湖潰決事件是1954年的康馬縣桑旺錯，形成的特大洪水和泥石流造成約400人死亡，2萬多人受災(zāi)，并使位于中、下游的江孜和日喀則等人口重鎮(zhèn)遭受嚴重危害[21]；2013年嘉黎縣然則然錯是最近一次冰磧湖潰決，災(zāi)害導(dǎo)致下游村莊人員失蹤，房屋、橋梁和道路等基礎(chǔ)設(shè)施嚴重破壞，直接經(jīng)濟損失達2.7億元[24]。西藏地區(qū)的潰決冰磧湖中，約70%事件有不同程度的野外考察研究[17]，為國內(nèi)冰磧湖潰決研究提供了寶貴的基礎(chǔ)資料。由于部分冰磧湖潰決缺少詳細調(diào)查，資料信息完整程度低，潰決原因常被歸納為未知或綜合因素所致，因此有必要在下一步研究工作中繼續(xù)完善和補充。

2 冰磧湖潰決誘因

Yamada[25]在喜馬拉雅山南坡地區(qū)(尼泊爾境內(nèi))冰湖研究中，將冰磧湖潰決誘因歸納劃分為外部原因(冰/雪崩、強降雨和地震等)和內(nèi)部原因(埋藏冰消融、管涌和冰磧壩失穩(wěn)等)兩類，Haeberli[26]、Clauge和Evans[15,27]和徐道明[28]等則研究分析了導(dǎo)致冰磧湖潰決的各類型誘發(fā)因素，王欣[17]通過收集國內(nèi)外50處有誘因記錄冰磧湖潰決事件，對誘發(fā)因素進行了全面總結(jié)，本文按照出現(xiàn)頻次梳理了以下8個主要類型。

2.1 冰崩/冰滑坡

冰川前進、冰床坡度陡增或發(fā)育陡坎、冰雪融水和地震等作用下引起湖盆周圍懸冰川、山頂冰川或冰川末端滑塌入湖，抬高湖面水位，激起涌浪和沖擊波，沖刷或直接沖垮冰磧壩薄弱鞍部，導(dǎo)致冰湖潰決。冰滑/崩是西藏地區(qū)冰磧湖潰決的主要誘因，李吉均[22]提出了“水枕”機制，當(dāng)冰川前部由于消融水流強烈下滲，融水熱融不斷切割冰體，從冰體中解脫出來的冰磧物和墜落、下塌冰塊堵塞匯水通道時，裂隙、孔隙和冰下空洞的水位將急劇上升，浮冰作用使冰舌的緩慢運動狀態(tài)被打破，瞬間轉(zhuǎn)為高速運動，冰川以冰崩或快速運動的冰滑坡形式涌入湖內(nèi)，導(dǎo)致冰湖潰決；呂儒仁等[29]提出了“應(yīng)力釋放”機制，當(dāng)處于相對濕冷年份時，冰川物質(zhì)積累，向前運動速度小，而緊接著出現(xiàn)氣候轉(zhuǎn)暖時冰雪融水沿冰裂隙下滲冰川前部，潤滑冰床，冰川以冰崩或快速運動的冰滑坡形式擁入湖內(nèi)，導(dǎo)致冰湖潰決。

2.2 埋藏冰消融

受全球氣候變暖影響，埋藏冰發(fā)生消融崩解，一方面造成冰磧壩下沉導(dǎo)致漫頂過流湖水量增加，潰決風(fēng)險增加[30]。據(jù)觀察，尼泊爾Imja冰磧壩下沉速度達2.7 m/a，TshoRolpa冰磧壩下沉速度也達2.0 m/a[31]；另一方面激發(fā)冰磧壩內(nèi)部形成潛蝕，誘發(fā)滲透變形，誘發(fā)冰磧湖管涌潰決。

2.3 冰雪融水

受氣候條件變化影響，湖盆集水流域的冰川或積雪強烈消融，湖面水位急劇上升，導(dǎo)致冰磧壩漫頂過流增加，潰決風(fēng)險增加。

2.4 強降雨

由于冰磧湖分布海拔高度為4600～5600 m[28]，湖盆集水流域的地形雨特征明顯，一旦暴發(fā)強降雨，匯流導(dǎo)致湖面水位急劇上升，漫頂過流增加，潰決風(fēng)險隨之增加。

2.5 巖/雪崩

類似冰崩，湖盆周圍巖/雪崩落涌入冰湖，湖面水位急劇上升，激起涌浪和沖擊波，沖刷或直接沖垮冰磧壩，導(dǎo)致冰湖潰決。與冰崩的不同在于，該類型誘因出現(xiàn)頻次較低，主要發(fā)生在非喜馬拉雅山地區(qū)。

2.6 冰川快速滑動/躍動

冰川快速滑動/躍動擁入湖內(nèi)，湖面水位劇增，激起涌浪和沖擊波，導(dǎo)致冰湖潰決。

2.7 地震

地震作用造成冰磧壩發(fā)生垮塌或滑坡，或地震形成的涌浪擊潰冰磧壩，導(dǎo)致冰湖潰決。

2.8 多種誘因組合

組合型是冰磧湖潰決的常見誘因之一，如1998年9月3日尼泊爾境內(nèi)的Tam Pokhari冰磧湖，即是在湖盆集水流域強降雨、地震和冰崩等多種外力因素綜合作用下發(fā)生的潰決[17]。

3 冰磧湖潰決模式

劉寧等[32]在堰塞湖研究中，將天然堰塞壩潰決模式劃分為壩頂溢流、壩坡失穩(wěn)、滲透管涌和人工誘發(fā)4個種類。冰磧壩是堰塞壩的一種特殊類型，劉晶晶等[33]綜合前人研究，總結(jié)分析了漫頂潰壩和管涌潰壩2種主要潰決模式的形成機制。王欣等[17]通過國內(nèi)外冰磧湖潰決事件提出了漫頂潰壩、漫頂流潰壩、管涌潰壩、瞬間潰壩和多種潰決機制組合5種冰磧湖潰決模式。本文通過總結(jié)前人研究成果，將冰磧湖潰決模式按照堰塞湖潰壩分類方法劃定為3類，并分別對各潰決模式進行進一步分類和說明(見表2)。

表2 冰磧湖潰決模式分類

3.1 漫頂潰壩

最常見的冰磧湖潰決模式，其機制核心在于漫頂水流剪切力超過壩體冰磧物的抗沖臨界值，在薄弱部位引起沖刷，形成潰口并最終發(fā)展成為潰壩。蔣忠信等[34]通過理論推導(dǎo)，提出冰磧湖壩頂溢流型潰決的臨界水力條件，即溢流總水頭超過臨界閾值則發(fā)生漫頂潰壩，反之亦然。根據(jù)誘因類型和是否發(fā)生涌浪，本文將漫頂潰壩潰決模式細分為以下2類。

3.1.1 涌浪漫頂潰壩

冰崩、冰滑坡、雪崩、巖崩和冰躍動等誘因造成大量固體物質(zhì)擁入湖內(nèi)，除抬高湖面水位增加漫頂水頭外，激起的涌浪和沖擊波也對潰決模式具有重要影響。當(dāng)涌浪條件充分時，沖擊波直接擊垮冰磧壩發(fā)生瞬間部分全潰，如1964年9月21日定結(jié)縣吉萊普錯冰磧湖潰決，經(jīng)測量推斷巨浪高度達到6 m以上[29]；當(dāng)涌浪條件不足以一次性沖潰冰磧壩時，壩頂在循環(huán)涌浪和湖面抬高水頭增加的共同作用下，被沖刷形成潰口發(fā)生逐漸潰決，而涌浪規(guī)模則決定了初始潰口的形成和沖刷下蝕的速率[35-36]。Awal等[37]制作了長250 cm，寬30 cm的水槽，采用實體塊件模擬冰崩體，通過改變釋放高度得到不同規(guī)模的涌浪規(guī)模，研究了不同涌浪條件下潰壩產(chǎn)生的潰決洪水特征；當(dāng)不能發(fā)生一次性瞬間潰決且湖區(qū)水位因無固體物質(zhì)擁入而水位不變時，壩頂僅在循環(huán)涌浪作用下，被沖刷形成潰口發(fā)生逐漸潰決。Balmforth等[38]制作了長125 cm、寬度可調(diào)范圍為5～20 cm的水槽，采用槳葉起浪裝置，研究了靜水位不變情況下涌浪條件對潰口侵蝕速率、潰決過程和潰決洪水的影響。

3.1.2 溢流漫頂潰壩

冰雪融水和強降雨等匯流入湖、人工不合理開挖泄洪渠或冰磧壩內(nèi)部埋藏冰融化引起壩頂降低導(dǎo)致過流水量增加，沖刷發(fā)生，冰磧物被帶走，從而發(fā)生逐漸潰決。與江河滑坡泥石流堰塞湖潰決特征相比，前兩者具有更多的共性，后者則具有高寒地區(qū)冰川凍土災(zāi)害的個性，其對氣候變暖的敏感性給冰磧壩穩(wěn)定性增添了諸多變數(shù)，導(dǎo)致潰決機制更加復(fù)雜多樣[17]。

3.2 管涌潰壩

由于冰磧壩結(jié)構(gòu)松散和埋藏冰發(fā)育，受氣候變化影響，死冰消融引起內(nèi)部滲透潛蝕加劇，導(dǎo)致管涌的發(fā)生和擴張，最終造成壩體潰決。

3.3 壩坡失穩(wěn)潰壩

由于冰湖水位變化、涌浪侵蝕壩面、地震破壞和埋藏冰融化等誘因，冰磧壩陡傾的迎水坡或背水坡發(fā)生失穩(wěn)導(dǎo)致壩體崩滑破壞，湖水漫頂或阻水應(yīng)力低于湖水壓力而誘發(fā)潰決。Hubbard等人[39]通過對Laguna Safuna Alta冰磧壩抗剪強度參數(shù)的測量及其壩體穩(wěn)定性的模擬計算，提出氣候變暖是導(dǎo)致冰磧壩穩(wěn)定性降低的主要原因。

4 冰磧湖潰決洪水特征

冰磧湖潰決形成的特大規(guī)模洪水或泥石流將對下游地區(qū)造成極其嚴重的災(zāi)難，3個特征參數(shù)指標是評價冰磧湖潰決危險性的重要依據(jù)：潰決洪峰流量、洪水演進和泥石流形成的臨界條件。

4.1 潰決洪峰流量

目前，國內(nèi)外研究成果可以直接應(yīng)用于冰磧湖潰決流量計算的公式較少，洪峰流量一般借助于經(jīng)驗回歸公式或已有的土石壩潰決模型進行計算。關(guān)于堰塞湖潰決流量過程的計算方法主要有3種[32]。

第一種是通過潰決壩體(混凝土和土石水工壩，滑坡壩，泥石流壩，冰川側(cè)磧、終磧堤等)的壩高和庫容計算洪峰流量的經(jīng)驗公式，或是通過潰決參數(shù)(潰口寬度、深度等)計算洪峰流量的半經(jīng)驗理論公式，常見計算公式見表3。計算方法優(yōu)點在于簡單，但存在問題是計算誤差較大，經(jīng)驗要求較高，適用性較低。

表3 常見土石壩潰決洪峰流量經(jīng)驗計算公式

注：Qm-峰值流量，m3/s；Bw-壩頂寬度，m；b-潰口平均寬度，m；H-湖區(qū)水深，m；W-湖區(qū)庫容，m3；Hd-壩高，m。

第二種是基于參數(shù)的計算方法，主要是利用土石壩潰決參數(shù)(潰口寬度、深度，潰決歷時等)，通過時間的變化過程(如潰口下切，側(cè)蝕線性變化)計算潰決洪水的流量變化過程。其中影響較大的是Fread[50-51]研發(fā)的Dam Break和BREACH模型，具有模型簡單、對數(shù)據(jù)輸入要求較少和使用較為方便等特征，可對冰磧湖潰決進行計算，但難點在于需要已知潰口最終形狀以及潰口形成的時間等參數(shù)。

第三種是基于土石壩潰口發(fā)展的物理模型。通過綜合水力學(xué)、泥沙、土力學(xué)等學(xué)科知識，構(gòu)建一個時變過程以模擬實際潰壩過程和潰壩洪水過程線。

根據(jù)本文進展綜述對冰磧湖潰決模式的類型劃分，對于溢流漫頂或管涌引起的冰磧湖潰決，可以借鑒上述土石壩潰決模型并調(diào)整參數(shù)輸入得出較為合理潰決過程、峰值流量、洪水過程線等重要參數(shù)，例如DamBreak模型和BREACH模型[50-51]。但是對于絕大部分涌浪漫頂誘發(fā)的冰磧湖潰決來講，潰口的形成時間或潰口的發(fā)展速率主要決定于涌浪規(guī)模，冰磧壩是發(fā)生瞬間局部潰決還是逐漸潰決是潰決洪水的關(guān)鍵參數(shù)。因此，亟待建立涌浪條件與潰口形成機制和潰決形成機制的計算模型，以更精確預(yù)測冰磧湖潰決的洪峰流量。

4.2 洪水演進和泥石流形成的臨界條件

堰塞湖潰決洪水演進依據(jù)公式(1)進行估算，但因模型簡單導(dǎo)致計算誤差較大。

(1)

式中：Qn——洪水演進至下游某處的洪峰流量，m3/s；W——冰磧湖潰決時的庫容，m3；L——下游某處距潰口距離，m；V——河道洪水期斷面最大平均流速，5 m/s；K——經(jīng)驗系數(shù)。

溝道地形條件，斷面形狀、水力坡降、松散物的分布及物質(zhì)組成等，不僅影響潰決洪水的能量耗散和危害范圍[15,52]，還將對潰決洪水演變形成泥石流的過程起到重要作用[15，29,53-55]。其中，高陡狹窄的溝道地形將降低洪水耗散率，而平緩寬闊則增加耗散率，從而前者的危害較后者更廣[15,52]；松散物源充分條件下，冰湖潰決泥石流在坡度8°以下將發(fā)生淤積，4°以下則嚴重淤積并演變成含沙水流[53-55]。不同的是，國內(nèi)學(xué)者根據(jù)西藏冰湖潰決的案例分析，認為冰湖潰決泥石流形成的底限臨界坡度為3%，粘性泥石流則為5%[29]。黨超[56]在水力類泥石流起動機理的研究成果基礎(chǔ)上，通過改變模型試驗中的三個參數(shù)變量：單寬峰值流量、坡度和顆粒級配，研究得到冰湖潰決泥石流形成的臨界條件。此外，冰磧湖潰決洪水或泥石流在演進過程中，極易在主支溝交匯處堵斷主溝或主河，形成臨時堰塞壩，發(fā)生二次潰決洪水疊加誘發(fā)更為嚴重的次生災(zāi)害鏈，是冰湖潰決災(zāi)害的重要特征之一[57]。2013年嘉黎縣忠玉鄉(xiāng)的然則然錯冰湖潰決，分別在交匯處主河形成2處堰塞湖，潰決風(fēng)險性高，是冰湖潰決后遺留的重大安全隱患和災(zāi)后搶險的首要任務(wù)。

5 結(jié)論

通過國內(nèi)外冰磧湖潰決研究現(xiàn)狀和發(fā)展現(xiàn)狀的梳理總結(jié)，得到以下幾點結(jié)論供參考。

(1)冰磧湖潰決事件是研究的基礎(chǔ)，但由于諸多客觀因素，資料信息缺乏質(zhì)量較高的完整度，因此通過調(diào)查查漏補缺形成并完善數(shù)據(jù)庫是研究的重要工作內(nèi)容。

(2)冰磧湖潰決誘因是形成機制的重要組成部分，本文總結(jié)了前人提出的8種誘發(fā)因素類型，但由于冰磧湖潰決事件調(diào)查資料信息的完整度較低，存在個別事件誘因亟待進一步查明。

(3)冰磧湖潰決模式是形成機制的關(guān)鍵組成部分，影響潰決洪水的形成和發(fā)展，繼而影響冰磧湖潰決危險性評價指標的判定?，F(xiàn)階段，全球氣候變暖趨勢下埋藏冰融化誘發(fā)的冰磧湖潰決和涌浪條件對冰磧湖潰決模式的影響，急需深入細化研究以揭示其復(fù)雜的形成機制。

(4)冰磧湖潰決洪水特征是冰磧湖潰決危險性評價的重要依據(jù)，現(xiàn)階段主要依據(jù)土石壩潰決洪水參數(shù)的方法模型進行估算，但因冰磧湖潰決具有埋藏冰融化或涌浪作用等額外影響，簡單借鑒套用將導(dǎo)致計算結(jié)果存在較大誤差，因此需要結(jié)合冰磧湖潰決形成機制的研究成果進行深入分析和經(jīng)驗調(diào)整。