西藏申姆錯冰湖現(xiàn)狀調(diào)查及潰決可能性分析

李 龍，牛 建 宗，卜 亞 平，李 鼎 成，茍 東 霞

(1.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730021； 2.西藏雅魯藏布工程設(shè)計有限公司，西藏 拉薩 850000)

冰川湖泊(簡稱冰湖)在冰凍圈科學(xué)、氣候變化和山地災(zāi)害研究中具有重要地位[1]。冰湖的存在具有雙面效應(yīng)：一方面，冰湖是一種寶貴的水資源，對人類生產(chǎn)生活有著重要意義[2]；另一方面，冰湖又是許多冰川災(zāi)害的孕育者和發(fā)源地，對人類生產(chǎn)生活構(gòu)成嚴重威脅[3]。隨著全球氣候變暖[4]，青藏高原冰川普遍退縮[5]，冰川融水增加[6]，冰磧湖擴張迅速[7]且潛在潰決風(fēng)險增加[8]。西藏地區(qū)資源開發(fā)利用、公路和水電站的建設(shè)和旅游事業(yè)近些年得到蓬勃發(fā)展，加強對西藏地區(qū)冰湖監(jiān)測及潰決災(zāi)害預(yù)警就顯得尤為必要[9]，對于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[10]。

據(jù)文獻資料統(tǒng)計，近50 a以來，喜馬拉雅山地區(qū)已有至少20余次較大的冰磧湖潰決洪水災(zāi)害事件發(fā)生，其中3/4的數(shù)量發(fā)生在我國西藏境內(nèi)，給區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展帶來嚴重影響[11]。由于冰湖多位于無人居住的高寒地區(qū)，冰湖潰決預(yù)警和監(jiān)測滯后，只有冰湖潰決洪水(或泥石流)對下游地區(qū)居民造成傷害時才會引起地方政府重視，因此集成實地調(diào)查及3S技術(shù)對冰湖基本特征及潰決可能性進行分析和研究具有重要的實踐性意義。

本文基于2017年5月4日西藏日喀則市水利局聯(lián)合多家單位對申姆錯冰湖實地考察的數(shù)據(jù)，結(jié)合文獻資料、地形圖、遙感影像和冰川編目數(shù)據(jù)，分析了其基本特征，并采用冰湖潰決指標評價體系對申姆錯冰湖的潰決可能性進行評估。

1 研究區(qū)概況

申姆錯(俗稱黃湖)，由于該冰湖外形呈大拇指甲狀，故稱申姆錯，位于喜馬拉雅山涅如藏布支流給曲源頭(28°15′55″N，90°04′07″E)的日喀則市康馬縣涅如堆鄉(xiāng)達日村上游、桑旺錯下游，距桑旺錯2 km[12](見圖1)?，F(xiàn)湖面高程5 112.679 m，南北長2 695 m，東西寬1 392 m，湖面積約1.871 km2，湖水渾濁，平均水深約40 m左右，湖水體積在8 000萬 m3左右[12]。冰湖下游有24個自然村、12個牧場、1個飼草料基地、滿拉水庫以及康馬縣、日喀則等重要城市。

圖1 申姆錯冰湖地理位置及其流域概況Fig.1 The study area of Shenmucuo glacier lake

2 申姆錯冰湖基本特征調(diào)查與分析

2.1 申姆錯冰湖及其補給冰川

為獲取申姆錯湖泊面積及其補給冰川變化情況，下載并整理了研究區(qū)1987～2016年空間分辨率為30 m的Landsat TM/ETM+/OLI遙感影像(http：∥earthexplorer.usgs.gov)。以GPS實測點位數(shù)據(jù)為相控點，利用ENVI 4.7 軟件對Landsat TM/ETM+遙感影像進行幾何校正。在ArcGIS 10.0 軟件下對遙感影像進行標準假彩色合成后采用屏幕數(shù)字化方式獲取湖泊邊界矢量數(shù)據(jù)，湖泊邊界解譯以科技部科技基礎(chǔ)性工作專項“中國湖泊水質(zhì)、水量與生物資源調(diào)查”要求為原則，并將精度控制在一個像元之內(nèi)。

通過統(tǒng)計分析近30 a申姆錯冰湖湖泊面積變化及申姆冰川面積變化情況(見圖2)可知：1987～2016年，申姆冰川面積由31.24 km2減小為30.38 km2，冰湖面積則擴張了近1倍，從0.96 km2擴張為1.87 km2。據(jù)現(xiàn)場勘察實測及衛(wèi)星遙感影像解析得出，申姆錯后緣積雪和冰川面積約為15.80 km2，申姆錯冰湖有兩條山谷冰川補給，兩條冰川皆發(fā)源于西藏康馬縣與不丹北部交界處的雪峰，兩冰川在距冰湖6 900 m處匯合[13]，形成該冰湖冰舌。冰舌坡度約為4.5°，冰舌已伸入冰湖，且運動劇烈經(jīng)常有大塊冰川斷裂掉落湖中。

2.2 申姆錯冰湖流域邊界

將空間分辨率30 m的SRTM DEM數(shù)據(jù)(http：∥www.gscloud.cn)作為研究區(qū)地形數(shù)據(jù)，基于ArcGIS 10.0水文模型(Hydrology model)提取流域范圍，并結(jié)合實測1∶500數(shù)字地形圖和Google Earth進行比對驗證，確保提取的流域補給范圍與實際湖泊水系特征相吻合。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，申姆錯冰湖流域面積62.80 km2，通過影像解譯和實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)冰湖下游有24個自然村、12個牧場、1個飼草料基地、滿拉水庫以及康馬縣、日喀則等重要城市。

圖2 近30 a申姆錯冰湖湖泊面積變化及 申姆冰川面積變化情況Fig.2 Changes of the area for lake and glacier of Shenmucuo

2.3 申姆錯冰湖流域氣象

由于該冰湖所處流域內(nèi)無任何實測氣象資料，因此采用中國區(qū)域地面降水日值0.5°×0.5°格點數(shù)據(jù)集插值氣溫、降水數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理時采用中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)標準方法。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)(見圖3)：申姆錯流域地勢東南高西北低，流域地勢起伏大，平均海拔5 618.10 m，屬典型高寒地區(qū)。流域內(nèi)年平均氣溫-6.46 ℃，受喜馬拉雅山阻擋，降水較少，僅為525.31 mm，并且具有明顯的季節(jié)變化特征，6月中旬至9月上旬降水量占全年降水量的85%。由圖3可知，2000年左右為氣溫、降水變化的分界線，之前氣溫、降水均呈減少(降低)趨勢，之后均呈增加(升高)趨勢。

圖3 近30 a申姆錯冰湖流域氣溫和降水變化情況Fig.3 The changes of air temperature and precipitation for Shenmucuo glacier lake

2.4 流域水文條件

結(jié)合2017年5月4日實地調(diào)查資料發(fā)現(xiàn)，申姆錯冰湖下游的達日村洪水主要發(fā)生在7～8月，無桃花汛。其中，8月份洪水次數(shù)最多，量級最大。洪水主要由暴雨形成，洪水發(fā)生時間與降水分布規(guī)律一致?？菟跒?1月份至次年5月左右，其中2月份最枯，存在斷流現(xiàn)象。河道存在冰情，且冰情較嚴重。初冰大概在11月初旬，到次年4月中旬消融。冰層厚度約0.5 m左右。

在野外勘察中，申姆錯冰湖水深水樣采集點位于冰湖北側(cè)附近，該測量點水深6.28 m，湖冰厚度0.21 m(見圖4)?？紤]到人員安全，此次野外調(diào)查只有一個水文實測點，但對數(shù)據(jù)精度驗證起了至關(guān)重要的作用。利用2017年5月4日實測的水文數(shù)據(jù)，對申姆錯冰湖水樣及冰樣的pH和主要離子、懸浮物等進行測定，結(jié)果表明申姆錯湖水中化學(xué)物質(zhì)組分主要來源于冰川。

圖4 申姆錯冰湖水文調(diào)查Fig.4 The investigation for hydrology of Shenmucuo glacier lake

申姆錯冰湖洪水主要由降雨、冰川垮塌和側(cè)磧壟滑坡構(gòu)成，根據(jù)Huggel等[14]等經(jīng)驗公式計算得到申姆錯近30 a面積、水位和庫容變化曲線如圖5所示，并結(jié)合實測水深進行驗證。

圖5 近30 a申姆錯冰湖庫容變化曲線Fig.5 The curves of storage capacity for Shenmucuo glacier lake of recent 30 years

2.5 流域地質(zhì)條件

申姆錯冰湖為冰川終磧湖，由于冰川后退時在其前端形成終磧壟，在終磧壟后緣與現(xiàn)代冰川冰舌的前緣之間由于冰川融水積累而形成冰湖。2017年5月4日實地勘察中發(fā)現(xiàn)，申姆錯由4道側(cè)磧壟和2道終磧壟構(gòu)成堤中有堤的結(jié)構(gòu)，其中有2道冰磧壟特征明顯。最外側(cè)終磧壟長約為2 400 m，寬約480 m，高約40～85 m，背水坡坡度10.1°～11.0°。申姆錯終磧壟以及最外側(cè)側(cè)磧壟皆呈現(xiàn)半膠結(jié)狀態(tài)，且都生長有墊狀稀疏植被，表明其形成較早。內(nèi)側(cè)側(cè)磧壟及內(nèi)側(cè)終磧壟由最近一次冰川運動形成的松散破碎冰磧物構(gòu)成，顏色灰白，基本無植被，其主體由碎石、塊石、大塊石組成，塊石較多，未見卵石。終磧堤壩上形成縱橫交錯的裂隙，局部由于冰水堆積物中的暗冰融化，形成數(shù)個大小不等的陷坑[13]。

3 潰決可能性分析

冰湖潰決誘因可以分為氣候條件、水文條件和地質(zhì)條件[15]。氣候條件包括突發(fā)性降水，另外，從濕冷氣候轉(zhuǎn)向濕熱或干熱氣候的過渡年份最有利于冰湖潰決發(fā)生；局部瞬時潰決的臨界水文條件是冰湖潰決的關(guān)鍵，如大塊冰川滑落；地質(zhì)條件主要指地震、山體滑坡等引起的冰湖出湖口堵塞和潛蝕、沖刷進而引發(fā)的壩體坍塌。冰磧最有可能導(dǎo)致冰湖湖泊水位上升，當水位上升超過冰湖湖壩后導(dǎo)致冰湖潰決[14]。目前對于潛在危險冰湖的發(fā)現(xiàn)和評估主要是通過建立危險性評價指標體系來判斷。中國科學(xué)院劉時銀等基于喜馬拉雅山地區(qū)已潰決冰磧湖資料，并考慮到數(shù)據(jù)的易獲取性，給出了識別我國喜馬拉雅山地區(qū)潛在危險性冰磧湖的篩選指標及判別標準[2](見表1)。

表1 喜馬拉雅山潛在危險冰湖篩選指標及其判別標準Tab.1 Indices and criteria of hazard assessment for glacier lake outburst floods in the Himalayas

根據(jù)申姆錯流域近30 a氣溫和降水變化(見圖3)分析得出，2000年以來，申姆錯流域氣溫和降水呈加速上升(增加)趨勢。冰湖有明顯大面積大塊冰川崩塌現(xiàn)象，東岸壩體侵蝕嚴重、坡度較陡且近年來壩體滑落速度加快。從庫容曲線圖(見圖5)可以看出，近30 a申姆錯冰湖水位上升了3.075 m。申姆錯北岸有明顯湖水外溢及滲流現(xiàn)象，申姆錯終磧壟主體為土石結(jié)構(gòu)，主體密實度低，實地考察分析得出該冰湖潰決的方式有兩種：① 湖水在終磧壟底部及其他部分滲透使終磧壟結(jié)構(gòu)強度降低導(dǎo)致其突然垮塌；② 冰湖水位迅速上升導(dǎo)致湖泊潰決。在歷次野外勘察中發(fā)現(xiàn)，在申姆錯冰湖補給冰川崩解十分嚴重，并在湖面上形成大量規(guī)模巨大的浮冰，由于冰湖出水口為滲流口，浮冰在出水口處出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，并使冰湖水位驟然上升，這可能會導(dǎo)致冰湖潰決。2017年5月4日在開展冰湖測量工作時發(fā)現(xiàn)滲流仍在繼續(xù)。在對比歷年遙感影像時發(fā)現(xiàn)，東側(cè)磧壟上巨石明顯下滑。如果滲流狀況持續(xù)，一方面隨著流水淘蝕作用增強，入湖碎石增多導(dǎo)致水位上升；另一方面伴隨流水溯源侵蝕，壩體變薄變陡，穩(wěn)定性降低。結(jié)合潛在危險冰湖篩選指標(見表1)，申姆錯冰湖各項指標都符合或遠超潛在危險冰湖篩選指標，由此判定申姆錯冰湖為潛在危險冰磧湖。

4 結(jié) 論

本文通過2017年5月4日實地勘測數(shù)據(jù)，結(jié)合文獻資料、地形圖、遙感影像和冰川編目數(shù)據(jù)，利用冰湖潰決指標評價體系，對申姆錯冰湖潰決可能性進行了分析，主要結(jié)論如下。

(1) 1987～2016年，申姆錯冰湖面積從0.96 km2擴張為1.87 km2，水位上升3.16 m，申姆冰川面積由31.24 km2減小為30.38 km2；2017年5月4日實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)申姆錯冰湖湖冰厚度0.21 m，申姆錯湖水中化學(xué)物質(zhì)組分主要來源于冰川。

(2) 依據(jù)喜馬拉雅山潛在危險冰湖篩選指標及其判別標準，申姆錯冰湖從冰湖類型、冰湖面積、冰湖面積變化速率、冰湖庫容、冰磧壩固結(jié)程度以及距母冰川距離等綜合指標判定為潛在危險冰磧湖。此外，申姆錯冰湖終磧堤壩上形成縱橫交錯的裂隙且有溢流口，其補給冰川申姆冰川崩解十分嚴重，湖面常有大塊冰川冰，東側(cè)側(cè)磧壟常有巨石滑落滑塌，流域內(nèi)自2000年以來氣溫、降水增加(升高)明顯，這些因素導(dǎo)致申姆錯冰湖潰決危險性增加。