西藏定日朋曲流域達(dá)倉溝冰湖潰決泥石流特征

童龍?jiān)?，?繼，孔應(yīng)德

(四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

冰湖潰決泥石流是高山冰川作用區(qū)常見的自然災(zāi)害之一，其以突發(fā)性強(qiáng)、頻率低、洪峰高、流量過程暴漲暴落、破壞力強(qiáng)、災(zāi)害波及范圍廣等特點(diǎn)而著稱，對下游人民生命財(cái)產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施帶來極大破壞[1]。因此日益受到地方政府和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

我國是冰湖潰決泥石流災(zāi)害分布廣泛、危害嚴(yán)重的國家之一，主要發(fā)生在西藏和新疆[2]，其中西藏地區(qū)的雅魯藏布江、波曲及朋曲河流域尤為突出。西藏冰湖潰決泥石流研究始于20世紀(jì)60年代，1964年，施雅風(fēng)等[3]對古鄉(xiāng)冰川泥石流進(jìn)行了初步考察，分析了潰決泥石流爆發(fā)原因；1987年, 劉潮海等對喜馬拉雅山中段朋曲和波曲流域冰湖潰決洪水進(jìn)行了考察研究, 對該地區(qū)各種類型的高山冰湖進(jìn)行調(diào)查、編目；在西藏地區(qū)，尤其在川藏公路南線進(jìn)行泥石流等山地災(zāi)害的考察和防治研究時(shí),都對冰湖潰決泥石流進(jìn)行了重點(diǎn)考察研究[4-6]；進(jìn)入21世紀(jì)，研究者主要聚焦于冰湖潰決泥石流形成機(jī)理、潰壩分析等相關(guān)問題[7-13]。

通過30多年的努力，對冰湖潰決泥石流的時(shí)空分布、形成機(jī)理、防災(zāi)對策等有了一定的認(rèn)識，由于冰湖潰決及其誘發(fā)的泥石流往往出現(xiàn)于人跡罕至的高山、極高山地區(qū)，分布范圍有限，幾乎沒有人目睹過泥石流的形成和演化過程，研究素材匱乏，目前研究程度較低；目前的研究主要集中于特定冰湖潰決型泥石流事件的調(diào)查訪問后現(xiàn)象和過程的描述，由于高山高寒和艱險(xiǎn)的地形與交通條件，已有成果對冰湖潰決泥石流的調(diào)查訪問資料往往存在一定的出入，造成研究結(jié)果與實(shí)際情況有較大偏差。本文以達(dá)倉溝冰湖潰決型泥石流為例,采用高空間分辨率和多時(shí)相圖像進(jìn)行解譯，獲取了流域內(nèi)冰川、冰湖分布及演化特征，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查的地形條件、物源條件及泥石流爆發(fā)痕跡，討論此類泥石的形成機(jī)制、爆發(fā)過程和發(fā)展趨勢。

1 達(dá)倉溝流域基本特征

達(dá)倉溝位于日喀則市定日縣絨轄鄉(xiāng)達(dá)倉村，距定日縣縣城約125 km，泥石流溝口坐標(biāo)為：北緯28°08′51.77″，東經(jīng)86°25′22.29″。

達(dá)倉溝流域面積40.1 km2，主溝長13 km，溝源最高點(diǎn)高程6 210 m，溝口最低高程為3 995 m，高差2 215 m，平均縱坡降約為170‰。兩岸山坡較對稱，坡度一般大于35°，山脊較狹窄，陡緩不一，溝道上游和中游溝谷切割相對較深，多為“V-U”型溝谷地貌，局部跌水陡坎發(fā)育，溝口平緩寬闊，堆積區(qū)坡度約4°～8°，堆積區(qū)呈不規(guī)則扇形分布，扇形前緣寬近500 m。

該溝區(qū)域上處在北喜馬拉雅構(gòu)造帶中的定日-崗巴亞帶，總體上為一近東西向復(fù)式向斜構(gòu)造，褶皺較寬緩，流域內(nèi)發(fā)育一些規(guī)模較小的小型斷層。巖性上主要出露前震旦系聶拉木群(AnZnl)片巖、片麻巖、混合片麻巖及第四系殘坡積、崩坡積碎塊石土，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，表層多分布風(fēng)化裂隙和卸荷裂隙。

利用高分辨率遙感圖像，基于冰川、冰湖的遙感解譯標(biāo)志，遙感調(diào)查達(dá)倉溝流域現(xiàn)存規(guī)模較大的冰川、冰湖。結(jié)果顯示，達(dá)倉溝流域現(xiàn)有冰川8條，其中規(guī)模最大的面積超過2.24 km2，面積最小的僅為0.04 km2；達(dá)倉溝流域現(xiàn)有冰湖11個(gè)，面積最大的約0.22 km2，面積最小的冰湖面積僅有700 m2(圖1)。

圖1 達(dá)倉溝冰川、冰湖分布特征Fig.1 The distribution of ice lake and glacier in Dacanggou

2 冰湖潰決泥石流基本特征

根據(jù)冰湖潰決泥石流遙感判別的三要素(冰湖水位變化、U型潰口、下游顯著泥石流堆積)，達(dá)倉溝流域內(nèi)至少發(fā)生過三次較大規(guī)模的冰湖潰決，據(jù)現(xiàn)場調(diào)查訪問，達(dá)倉溝于1956年發(fā)生過冰湖潰決泥石流(圖2)。

經(jīng)調(diào)查訪問，1956年農(nóng)歷5月，達(dá)倉溝持續(xù)降雨數(shù)日，其后天氣晴朗，氣溫驟升，于某日中午午餐時(shí)分，聽見上游溝道內(nèi)轟隆作響，溝岸村民紛紛出門查看，只見高約15 m的龍頭傾瀉而下，在出山口彎道處受左岸山體阻擋，向山體右側(cè)改道。見水勢兇猛，當(dāng)?shù)卮迕窦娂娤蛴野渡襟w轉(zhuǎn)移，只見溝道內(nèi)水夾雜著石頭、土和樹木向下推進(jìn)，水流渾濁，流體顏色偏黑，濃粥狀，含大量塊石，可聽見巨石碰撞的聲音。整個(gè)過程持續(xù)約60分鐘，導(dǎo)致溝口村莊被夷為平地，所幸時(shí)值中午，村民紛紛逃到溝道右側(cè)岸坡上，此次泥石流并未造成人員傷亡。

根據(jù)遙感影像上泥石流的空間分布特征推斷，規(guī)模最大的冰湖(圖2(a)中左側(cè)冰湖)，現(xiàn)存面積超過0.22 km2，是造成1956年達(dá)倉溝大規(guī)模冰湖潰決泥石流災(zāi)害的源頭。通過對本次泥石流災(zāi)害的調(diào)查，由于潰決洪水順溝迅速向下推進(jìn)，沿途掏蝕溝床松散物質(zhì)，并沖刷形成山洪泥石流，在流域中下游又得到兩岸物質(zhì)的大量補(bǔ)給，最終演變成高重度黏性泥石流。泥石流固體物質(zhì)主要來源于冰湖以下的冰磧物溝道內(nèi)各種成因的堆積物，流體中最大塊石粒徑達(dá)15 m(圖3)。

圖2 達(dá)倉溝典型冰湖潰決遙感特征Fig.2 The remote sensing features of ice lake collapse in Dacanggou Basin

圖3 泥石流沖出最大塊石Fig.3 The largest stone rushed out by debris flow

圖4所示為本次泥石流在左側(cè)岸坡殘留物，該處泥石流彎道中心線曲率半徑為62.5 m，兩岸泥位高差為7.7 m，泥面寬度為72.5 m。結(jié)合野外調(diào)查泥痕坡度，參考中國鐵道出版社《泥石流防治工程技術(shù)》(1996年)泥石流流速計(jì)算公式：

(1)

式中：Vc——泥石流流速/(m·s-1)；

R0——彎道中心曲率半徑/m；

σ——彎道內(nèi)外側(cè)泥面高差/m

B——泥面寬度/m；

計(jì)算得泥石流流速Vc=8.06 m/s。該處過流面積為479.2 m2，計(jì)算得溝口泥石流流量達(dá)3 862 m3/s。強(qiáng)大的泥石流摧毀了溝口達(dá)倉村，在溝口形成了面積約為0.11 km2的堆積扇，扇寬約為500 m，軸長平均約220 m。所幸泥石流發(fā)生于午后，溝口村民及時(shí)撤離，并未造成人員傷亡，但溝口達(dá)倉村被夷為平地，造成不可估量的損失(圖5)。

圖4 泥石流殘留物Fig.4 The residue of debris flow

圖5 泥石流堆積扇遙感解譯特征Fig.5 The remote sensing features of the stacking fans

3 冰湖潰決泥石流形成機(jī)制及發(fā)展趨勢分析

3.1 潰決泥石流形成機(jī)制

達(dá)倉溝泥石流的形成是豐富的松散固體物質(zhì)、有利的地形條件和充足的水源條件共同作用的結(jié)果。

(1)地形條件

冰湖潰決洪水是否會(huì)演變成泥石流與溝床比降關(guān)系密切，可將溝床比降作為判斷冰湖潰決型泥石流形成和性質(zhì)的一個(gè)重要標(biāo)志[9]。達(dá)倉溝流域相對高差約2 215 m，溝床平均坡降170‰，較大的相對高差和較陡的溝床比降保證了流域內(nèi)擁有充足的勢能，為泥石流的形成和發(fā)展提供了足夠的動(dòng)力條件，在水源和固體物質(zhì)供給充足的情況下，會(huì)孕育出大規(guī)模泥石流。

(2)物源條件

地質(zhì)條件為泥石流的形成提供了松散固體物質(zhì)，控制著泥石流的空間分布與規(guī)模。達(dá)倉溝內(nèi)流域內(nèi)重力地質(zhì)作用突出，同時(shí)達(dá)倉溝溝谷兩側(cè)冰磧臺地廣泛分布，物源主要來自于溝床侵蝕物源、崩滑物源及坡面侵蝕物源，尤以溝床侵蝕物源為主。

崩滑物源呈現(xiàn)明顯的局部集中，總體分散的特征，調(diào)查共發(fā)現(xiàn)2處中型滑坡，其所占達(dá)倉溝流域形成泥石流的物源比重較??；坡面侵蝕物源主要流域面上的水土流失和岸坡第四系堆積物受洪水或泥石流側(cè)蝕兩部分構(gòu)成，溝域內(nèi)生態(tài)環(huán)境較差，植被覆蓋率較小，巖體表層寒凍風(fēng)化較強(qiáng)烈，水土流失嚴(yán)重，是提供該泥石流活動(dòng)的主要物源；沿溝道堆積的松散溝床侵蝕物源是參與泥石流的主要物源，這類物源沿溝分布多少不一，其中形成區(qū)段溝道寬闊，溝道內(nèi)松散堆積物厚5～10 m，是溝道物源主要集中地段。

表1 流域內(nèi)物源統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，流域內(nèi)堆積固體物源總量為1.695×107m3，可能參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量為3.459×106m3，豐富的固體物源為泥石流爆發(fā)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

(3)水源條件

水是泥石流爆發(fā)最直接的誘發(fā)因素，本次泥石流爆發(fā)的激發(fā)因素為冰湖潰決，根據(jù)波能量變化與外力的關(guān)系，清水的洪峰流量與泥石流洪峰流量關(guān)系為[8]：

(2)

Qmax——冰湖潰決清水洪峰流量/m3；

k——洪峰流量系數(shù)，按照泥石流的特征，可以用泥石流的容重來計(jì)算。

(3)

式中：γd——泥石流體的容重/(kN·m-3)；

γw——水的容重/(kN·m-3)；

γs——泥石流固體顆粒的容重/(kN·m-3)。

溝口泥石流流量為3 862 m3/s，根據(jù)以上公式求得潰決洪峰流量達(dá)2 408.1 m3/s，大規(guī)模的潰決洪水啟動(dòng)溝域內(nèi)松散碎屑物質(zhì)形成了巨大的泥石流災(zāi)害，較大的相對高差和較陡的溝床比降保證了流域內(nèi)擁有充足的勢能，為泥石流的形成和發(fā)展提供了足夠的動(dòng)力條件。

本次泥石流爆發(fā)，地質(zhì)條件為泥石流的形成提供了松散固體物質(zhì)，控制著泥石流的規(guī)模；較大的相對高差和較陡的溝床比降保證了流域內(nèi)擁有充足的勢能，為泥石流的形成和發(fā)展提供了足夠的動(dòng)力條件；而潰決洪水是觸發(fā)因素。

3.2 潰決泥石流發(fā)展趨勢分析

影響冰湖潰決地質(zhì)災(zāi)害的因素有很多，樂茂華等[14]基于邏輯回歸法，選取冰湖壩頂寬度、湖水位距壩頂高度與湖壩高度之比、冰舌前端距冰湖距離、冰舌段坡度、冰湖面積和補(bǔ)給冰川面積6個(gè)預(yù)測指標(biāo)作為變量,提出了西藏地區(qū)冰湖潰決的危險(xiǎn)性概率預(yù)測模型:

P=[1+exp(1.895+17.556X1+36.642X2+

20.658X3-43.884X4+0.017X5-0.199X6]-1

(3)

式中：X1——壩頂寬度/km；

X2——湖水位距壩頂高度與湖壩高度之比；

X3——冰舌前端距冰湖距離/km；

X4——冰舌段坡度；

X5——冰湖面積/km2；

X6——補(bǔ)給冰川面積/km2。

(1)壩頂寬度

終磧堤壩寬度是影響冰湖潰決的邊界條件之一，終磧堤壩頂寬度越大，冰湖越不容易潰決。一般B<60 m多會(huì)發(fā)生一次潰決，而且是擊潰性潰決。壩頂寬度越大，越不容易發(fā)生擊潰性潰決，而有可能出現(xiàn)多次潰決洪水，最后演變?yōu)橐缌魇胶樗?。流域?nèi)11個(gè)冰湖壩頂寬度在40～260 m，具有發(fā)生潰決可能性。

(2)湖水位距壩頂高度與湖壩高度之比

冰湖水位距壩頂高度與湖壩高度之比是冰湖潰決的關(guān)鍵性指標(biāo)，其直接影響壩體水力梯度，其值越小，越易失穩(wěn)潰決。

(3)冰舌前端距冰湖距離

冰湖湖岸距離現(xiàn)代冰川冰舌前端距離是冰湖潰決的動(dòng)力條件之一。一般具有危險(xiǎn)性的冰湖湖岸與現(xiàn)代冰川直接相連或相距很近。流域內(nèi)現(xiàn)有冰川8條，自20世紀(jì)80年代以來，達(dá)倉溝流域冰川呈現(xiàn)不斷縮小的趨勢(圖6)，流域內(nèi)有3處冰湖距冰川冰舌前端較近。可以預(yù)見，隨著氣溫升高和降水的增加，溝域內(nèi)冰川將延續(xù)其縮小的趨勢，導(dǎo)致冰湖潰決可能性增大。

圖6 達(dá)倉溝冰川、冰湖動(dòng)態(tài)變化圖像Fig.6 The dynamic maps of ice lake and glacier in Dacanggou

(4)冰舌段坡度

冰舌是冰川作用最活躍的一段，冰舌段坡度越大，在水熱組合條件下，越容易導(dǎo)致冰川的退化，從而誘發(fā)冰湖潰決。流域內(nèi)共三處冰湖坡度較陡，冰川表面裂縫分布較廣，具有典型躍動(dòng)冰川的特點(diǎn)。

(5)冰湖面積

對于現(xiàn)代冰湖來說，冰湖的面積越大，其儲(chǔ)水量相應(yīng)地也越大，相應(yīng)水體庫容對終磧堤的靜壓力也越大，從而影響到終磧堤的穩(wěn)定性，同時(shí)潰決時(shí)形成的洪峰流量也越大，危險(xiǎn)度也就越高[7]。達(dá)倉溝流域現(xiàn)有冰湖11個(gè)，面積最大的約0.22 km2，面積最小的冰湖面積僅有700 m2。

(6)補(bǔ)給冰川面積

達(dá)倉溝流域現(xiàn)有冰川8條，其中規(guī)模最大的面積超過2.24 km2，面積最小的僅為0.04 km2。補(bǔ)給冰川面積越大，消融水流越多，越容易導(dǎo)致冰湖潰決。據(jù)相關(guān)研究[15]，近 50年來，中國西部氣候變暖，降水增加，并預(yù)測未來 50年中國西部，特別是西藏地區(qū)，氣溫有進(jìn)一步升高，降水有進(jìn)一步增加的趨勢，氣溫升高和降水的增加加速了冰川的退化，冰雪融水的增加必將造成冰湖潰決可能性增大。

根據(jù)回歸分析，西藏地區(qū)冰湖潰決的危險(xiǎn)性概率預(yù)測模型[14]將冰湖潰決的危險(xiǎn)性用概率劃分為四級，潰決可能性<30%為低，30%～50%為中，50%～80%為高，>80%為極高。采用式3對流域內(nèi)冰湖潰決概率值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算參數(shù)及結(jié)果如表2所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，冰湖1、2、3潰決可能性高，其余冰湖潰決可能性低。

表2 冰湖潰決概率計(jì)算結(jié)果

圖7 達(dá)倉溝流域潰決危險(xiǎn)冰湖Fig.7 The glaciers are at risk of outburst in Dacanggou basin

結(jié)合預(yù)測結(jié)果，達(dá)倉溝流域存在三處冰湖潰決隱患，三處冰湖坡度較陡，冰川表面裂縫分布較廣，具有典型躍動(dòng)冰川的特點(diǎn)(圖7)。其余冰湖考慮到其現(xiàn)代冰川前緣距離冰湖已較遠(yuǎn)，且陡坎部位以下的冰川基本消融，由于其后緣冰川躍動(dòng)發(fā)生潰決的可能性較小。

三處冰湖在突發(fā)強(qiáng)烈地震活動(dòng)造成冰崩、天氣異常(極端降雨、升溫)等影響下，可能發(fā)生冰湖潰決，大規(guī)模的蓄水一旦潰決，潰決洪水將啟動(dòng)溝域內(nèi)松散碎屑物質(zhì)再次形成規(guī)模巨大的泥石流災(zāi)害。達(dá)倉溝溝口分布達(dá)倉村56戶273人及崗絨公路重要公共設(shè)施，溝口溝道寬3～4 m，切割深0.5～3.5 m，居民房屋均傍溝修建，一旦爆發(fā)泥石流，將對溝口造成巨大的損失。

4 結(jié)論

本文在對達(dá)倉溝遙感解譯和現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上，對達(dá)倉溝冰湖潰決泥石流基本特征進(jìn)行了分析，對發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測。主要取得了如下成果：

(1)達(dá)倉溝流域內(nèi)至少發(fā)生過三次較大規(guī)模的冰湖潰決，其中最大的1956年潰決泥石流溝口流速達(dá)8.06 m/s，溝口流量達(dá)3 862 m3/s，導(dǎo)致溝口達(dá)倉村毀滅。

(2)溝域內(nèi)冰川呈現(xiàn)不斷縮小的趨勢，存在3處冰湖潰決隱患。

(3)達(dá)倉溝流域溝床縱坡降大，固體物源豐富，一旦發(fā)生冰湖潰決，可能再次發(fā)生冰湖潰決泥石流。