藏東南尼都藏布流域冰湖水量變化及潛在潰決誘因評(píng)估
——以塔弄錯(cuò)為例

祁苗苗， 劉時(shí)銀，3， 高永鵬， 謝福明， 潘兮然，張子凡， 姚曉軍， 張晨揚(yáng)， 朱 鈺

（1. 云南大學(xué) 國(guó)際河流與生態(tài)安全研究院，云南 昆明 650091； 2. 云南省國(guó)際河流與跨境生態(tài)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650091；3. 中國(guó)科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 冰凍圈科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；4. 西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

冰磧阻塞湖（簡(jiǎn)稱冰磧湖）指以現(xiàn)代冰川融水為主要補(bǔ)給源，受冰磧壟阻塞在終磧壟與冰舌之間形成的湖泊［1］。隨著全球氣候變暖，冰川融水增加，為冰磧湖的擴(kuò)張和發(fā)育提供了充足的空間和水源補(bǔ)給［2-4］。冰湖不僅是高山區(qū)重要的水資源，也是許多冰川災(zāi)害的孕育者和發(fā)源地［5-6］。冰湖潰決洪水（glacial lake outburst flood，GLOF）指冰湖中儲(chǔ)存的大量水由于壩體垮塌或湖水漫頂、瞬間泄洪形成的突發(fā)性洪水［7］。已有記錄表明大部分冰湖潰決洪水源自于冰磧湖，此類洪水具有突發(fā)性強(qiáng)、洪峰流量高、破壞性強(qiáng)、波及范圍廣等特點(diǎn)［8-10］。不僅可以直接破壞下游地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施，而且可能引發(fā)滑坡或泥石流等一系列次生災(zāi)害鏈［5-6，11］。青藏高原東南部自1935 年以來(lái)記錄已發(fā)生了近20 次冰湖潰決洪水［10，12-13］。冰湖潰決洪水嚴(yán)重影響著承災(zāi)區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全及寒區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施，現(xiàn)已成為制約山區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一［5，14］。

冰磧湖產(chǎn)生突發(fā)性洪水的誘因主要包括兩個(gè)方面：壩體穩(wěn)定性和外界誘因。其中，壩體穩(wěn)定性與冰磧壩材料組成，是否有冰核存在，壩體可承載的靜水壓力等密切相關(guān)［7］。通常，基于遙感影像無(wú)法直接判斷冰磧壩的組成材料以及是否有冰核存在情況，研究者通過(guò)冰湖水量變化來(lái)代表冰磧壩的穩(wěn)定性隨著水量增大而減?。?5］。冰湖潰決的外界誘因主要包括冰雪崩、冰滑坡、土質(zhì)滑坡體等崩塌體落入冰湖中，湖水位的迅速抬升對(duì)終磧壟壩體形成強(qiáng)大的沖擊力致使壩體瞬間坍塌，或崩塌體入湖引發(fā)的涌浪不斷侵蝕壩頂材料，導(dǎo)致出水口的不斷展寬和下切，最終在靜水壓力作用下壩體發(fā)生坍塌湖水外泄［16-17］。冰湖潰決洪水歷史記錄表明，崩塌體是誘發(fā)冰湖潰決最普遍的外界觸發(fā)因素之一。Zheng 等［10］匯總的亞洲高山區(qū)109 次冰湖潰決洪水中，除了47%的誘因未知外，近40%均是崩塌體誘發(fā)的潰壩洪水事件。就全球范圍而言，由于冰雪崩、滑坡或巖崩體等入湖誘發(fā)涌浪而導(dǎo)致壩體坍塌的事件比例占一半以上［18］。其他極端情況包括地震導(dǎo)致的冰磧壩沉降、管涌和側(cè)磧壟坍塌［19］、溢流通道的臨時(shí)堵塞［20］等都可能導(dǎo)致冰湖漫頂潰壩。許多制約因素也可能使某一特定的冰磧壩容易垮塌，如低干舷和壩體寬高比小，壩體結(jié)構(gòu)脆弱，以及冰湖周邊正在退化的多年凍土或大規(guī)模埋藏冰核的存在［7，21-22］。冰磧湖潰決的機(jī)制非常復(fù)雜，不僅涉及到冰湖水量變化，且與母冰川、壩體構(gòu)成及氣候要素都有著十分密切的聯(lián)系，是各種要素耦合觸發(fā)的事件，且任何一次的冰湖潰決洪水事件都有一個(gè)觸發(fā)性的誘因在先。

青藏高原東南部尼都藏布流域地質(zhì)基礎(chǔ)脆弱，是現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)最活躍的地區(qū)之一，極大的高差與陡峭的山體促使巖崩、滑坡、冰雪崩及泥石流等山地災(zāi)害頻發(fā)［23-24］。流域內(nèi)冰湖然則日阿錯(cuò)［25］和吉翁錯(cuò)［23］均因崩塌體入湖發(fā)生潰壩洪水引發(fā)泥石流，對(duì)忠玉鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施造成巨大損失。迄今為止，該流域內(nèi)仍有一些冰湖處于高潰決風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，如塔弄錯(cuò)等［26-27］。在當(dāng)前氣候變暖影響下，冰川和冰湖周邊地形地貌發(fā)生著動(dòng)態(tài)演變，如凍融風(fēng)化作用強(qiáng)度和頻率增加導(dǎo)致的冰湖周邊邊坡失穩(wěn)、冰雪崩以及凍融循環(huán)加劇導(dǎo)致的頻繁崩塌等，均可成為觸發(fā)冰磧湖潰壩洪水的外界誘因。受交通條件和高山峽谷惡劣環(huán)境制約，關(guān)于冰湖周邊潛在崩塌體及其與冰湖之間關(guān)系的研究較少。因此，本文將冰湖水量作為壩體穩(wěn)定性和潛在洪峰流量的替代指標(biāo)，潛在崩塌體（僅土質(zhì)滑坡體）作為觸發(fā)冰湖潰決外部誘因考慮。通過(guò)對(duì)尼都藏布流域的塔弄錯(cuò)水深和周邊環(huán)境實(shí)地考察，利用遙感和數(shù)值模型手段，評(píng)估冰湖周邊潛在崩塌體對(duì)冰湖潰決風(fēng)險(xiǎn)的影響。本文結(jié)果可為忠玉鄉(xiāng)及附近在建水電站減災(zāi)避險(xiǎn)突發(fā)性洪水提供參考，對(duì)冰湖危險(xiǎn)性評(píng)估工作有借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

尼都藏布流域面積為1 270 km2，大部分山峰海拔在6 000 m以上，海拔落差達(dá)3 720 m，屬于典型的極高山峽谷地形。由于流域內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，歷史上多發(fā)大地震，溝內(nèi)還廣泛發(fā)育著松散堆積物。塔弄錯(cuò)（93°37′ E，30°26′ N）位于尼都藏布的上游段，屬于嘉黎縣尼屋鄉(xiāng)依嘎村北后山的牧區(qū)。該湖屬于典型的冰前湖（冰磧湖），湖面海拔4 678 m，2010年前其母冰川冰舌與冰湖接觸，其地理位置如圖1所示。隨著冰川的退縮，當(dāng)前冰舌與冰湖之間已相距388 m。塔弄錯(cuò)北部為母冰川，面積為7.29 km2，西部和東部分別為海拔5 400 m 發(fā)育有小冰川的山峰。尼都藏布流域地處西風(fēng)帶、印度洋季風(fēng)與東南季風(fēng)的交匯處，屬高原亞寒帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)［25］。近40 年間該區(qū)年平均氣溫約為-0.2 ℃，最高月均氣溫為9 ℃，最低為-11 ℃。該區(qū)年均降水量約為750 mm，主要集中在5—9月，占全年的約83%。

圖1 塔弄錯(cuò)地理位置及周邊地形Fig. 1 Location of Tanong Co and the surrounding terrain

根據(jù)野外考察，塔弄錯(cuò)位于典型的極高山峽谷地貌，三面環(huán)山，后緣冰川陡坎坡度在9°～12°之內(nèi)，冰舌和湖面之間的落差約100 m［圖2（a）］。冰雪消融形成的徑流直接匯入塔弄錯(cuò)，末端溢流口寬約15～20 m［圖2（b）］。塔弄錯(cuò)下游河道谷坡急陡，溝床縱比降大。湖面東側(cè)岸坡平均坡度為30°～40°，表面風(fēng)化和卸荷作用強(qiáng)烈，存在大量冰磧物。這些冰磧物穩(wěn)定性和排水性較差，在凍融、風(fēng)化作用下于岸坡腳處形成松散堆積體［圖2（c）］。在上游突發(fā)性洪水影響下，這些松散堆積物可能成為泥石流的主要物源。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

2.1.1 遙感影像

本研究基于GEE（Google Earth Engine）云平臺(tái)篩選云量小于10%，時(shí)間為10—12 月的Landsat 遙感影像，利用水體指數(shù)法（MNDWI）每間隔10 年自動(dòng)提取冰湖邊界，并進(jìn)行了人工檢查。2022 年無(wú)云的Sentinel-2 數(shù)據(jù)被作為冰湖邊界提取過(guò)程中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。GEE 云平臺(tái)提供的30 m 數(shù)字高程模型作為地形的參考數(shù)據(jù)。為識(shí)別冰湖周邊潛在崩塌體，使用每隔12 天總計(jì)97 景Sentinel-1A 升降軌數(shù)據(jù)（軌道號(hào)143/096、077/488，數(shù)據(jù)類型SLC，極化方式VV）提取地表形變速率。使用的數(shù)據(jù)詳情如表1所示。

表1 本研究中使用的遙感數(shù)據(jù)Table 1 Details and parameters of remote sensing datasets in the study

2.1.2 野外調(diào)查

本團(tuán)隊(duì)于2021 年10 月使用一艘配備單波束回聲測(cè)深器（CHCNAV D230）的無(wú)人船對(duì)塔弄錯(cuò)進(jìn)行水深測(cè)量。該設(shè)備結(jié)合了北斗高精度全球定位系統(tǒng)與無(wú)人船自動(dòng)控制技術(shù)，具有穩(wěn)定可靠的船體姿態(tài)和慣性測(cè)量單元（IMU）傳感器。其測(cè)深精度為±0.01 m+水深的0.1%，探測(cè)范圍在0.15～200 m。測(cè)深過(guò)程中，為保證換能器始終浸入水中，防止換能器和螺旋槳碰觸水中的基巖，實(shí)際測(cè)量路線距離湖岸至少2～5 m。總計(jì)2 791 個(gè)點(diǎn)以3 m 為間隔布滿全湖，滿足數(shù)據(jù)空間插值的要求。測(cè)深路線如圖3所示。

圖3 冰湖測(cè)深原理及野外水深測(cè)量Fig. 3 Principles of glacial lake sounding and field water depth measurement： unmanned ship （a），principles of sounding （b）， glacial lake sounding （c） and sounding track （d）

2.2 方法

本研究主要基于塔弄錯(cuò)的野外水深測(cè)量數(shù)據(jù)重建了水量，根據(jù)地形地貌調(diào)查情況和SBASInSAR 方法提取的流域地表形變速率，識(shí)別了冰湖周邊的潛在崩塌體等誘災(zāi)因素。最后，基于數(shù)值模型RAMMS（rapid mass movement simulation）和波浪傳播模型，評(píng)估了不同情景下崩塌體入湖和水量變化對(duì)冰湖潰決風(fēng)險(xiǎn)的影響。塔弄錯(cuò)的潛在潰決風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程如圖4所示。

圖4 塔弄錯(cuò)的潰決風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程Fig. 4 Assessment process of outburst risk for Tanong Co

2.2.1 水量估算及誤差評(píng)估

參考同類研究［17，28］，冰湖水量可通過(guò)下式來(lái)計(jì)算。

式中：V為體積（m3）；Dk為每個(gè)像元的水深值；n為像元個(gè)數(shù)；A為像元面積。

水量的誤差主要來(lái)源于單個(gè)測(cè)點(diǎn)誤差（Δob）、插值誤差（Δin）及湖區(qū)邊界誤差（Δar），基于下式估算實(shí)測(cè)水深帶來(lái)的誤差。

式中：Δv為水量誤差（106m3）。單個(gè)測(cè)點(diǎn)誤差（Δob）主要來(lái)源于測(cè)量誤差（如實(shí)際聲速、電機(jī)轉(zhuǎn)速）和外部因素（如水溫差異、水中氣泡、船舶搖晃等）。在本研究中，回聲測(cè)深儀的數(shù)據(jù)精度為0.01 m±0.1%的水深。在溫度不確定度為±2 ℃的情況下，確定水深誤差約為±0.7%［29］。此外，由于近岸巖石影響的測(cè)量誤差，假設(shè)水深的不確定性是0.1%［29］。因此，總計(jì)水深測(cè)量的不確定性為±1.9%，本文中平均水深誤差為0.26 m。插值誤差（Δin）主要取決于觀測(cè)點(diǎn)的代表性，本文將80%的觀測(cè)點(diǎn)用于插值，其余20%用于測(cè)試來(lái)估算插值結(jié)果的精度，計(jì)算得插值均方根誤差為1.34。湖區(qū)邊界誤差（Δar）可用下式直接計(jì)算［13］。

式中：P為冰湖周長(zhǎng)（m）；λ為遙感影像的空間分辨率（m）。

2.2.2 潛在崩塌體識(shí)別

崩塌體是誘發(fā)冰湖潰決洪水的主要因素之一。本文僅識(shí)別冰湖周邊能夠進(jìn)入湖區(qū)，且形變速率較大的不穩(wěn)定斜坡作為潛在的崩塌體隱患點(diǎn)。短基線合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（SBAS-InSAR）技術(shù)適用于長(zhǎng)時(shí)間序列的地表形變監(jiān)測(cè)，尤其對(duì)于復(fù)雜山區(qū)，具有不受天氣制約和大面積監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害的早期識(shí)別中［30-31］。因此，本文利用SBAS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)了尼都藏布流域的地表形變速率。參考標(biāo)準(zhǔn)差作為相對(duì)穩(wěn)定值的選取標(biāo)準(zhǔn)［30］，將變形速率-14～14 mm·a-1確定為穩(wěn)定區(qū)（正負(fù)值代表靠近或遠(yuǎn)離雷達(dá)視線方向）?；诓煌男巫兯俾手?，區(qū)分不穩(wěn)定斜坡類型為L(zhǎng)1（-20～-14或14～20 mm·a-1）、L2（-35～-20 或20～35 mm·a-1）和潛在崩塌區(qū)（<-35 或>35 mm·a-1）。最后基于高分辨率遙感影像進(jìn)行冰湖周邊不穩(wěn)定斜坡的解譯與圈定。此外，本研究使用Amirahmadi等［32］基于多個(gè)滑坡的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系估算潛在崩塌體的體積。

2.2.3 崩塌體入湖涌浪模擬

根據(jù)波浪理論［33］，崩塌體入湖形成的涌浪屬于重力波類型。在涌浪的產(chǎn)生和傳播過(guò)程中，崩塌體入湖處的撞擊速度是涌浪產(chǎn)生的重要控制參數(shù)。RAMMS是一種二維的數(shù)值模型，用于模擬物體（雪崩、滑坡、泥石流和淺層滑坡）在三維地形中起始、跳動(dòng)至結(jié)束的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，能夠有效計(jì)算物體的運(yùn)動(dòng)速度和質(zhì)量變化［34］。在冰湖潰決危險(xiǎn)性評(píng)估中，已有不少研究通過(guò)應(yīng)用RAMMS 的不同模塊計(jì)算雪崩、冰崩、滑坡體落入冰湖的撞擊速度，從而模擬涌浪的傳播和壩體的侵蝕過(guò)程［17，35-36］。本文應(yīng)用RAMMS 模型中的Deris Flow 模塊來(lái)模擬塔弄錯(cuò)上游碎屑流的運(yùn)動(dòng)情況，然后基于波浪傳播模型［33］討論崩塌體入湖對(duì)冰湖的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 塔弄錯(cuò)測(cè)深及水量變化

水深測(cè)量顯示，塔弄錯(cuò)最大水深（29.45±0.03） m，平均水深（15.21±0.02） m。湖區(qū)從冰川末端入水口（A）至出水口（A′）剖面線歷經(jīng)三個(gè)最深點(diǎn)E（12.38 m）、F（29.45 m）、G（23.60 m）［圖5（a）］，湖底地形并不平坦。圖5（b）顯示距離A點(diǎn)172 m處的H點(diǎn)存在一個(gè)冰磧脊（水下6.3 m），據(jù)野外考察該處是一個(gè)陡坎，可能冰川侵蝕力度較小。隨著冰川退縮，I點(diǎn)處的侵蝕力度逐漸加強(qiáng)。其余三條東西向剖面如圖5（c）～（e）所示，整體上湖區(qū)西面邊坡坡度較大。值得注意的是，剖面線（C—C′）50 m 處存在一個(gè)“緩坡”［圖5（d）］，由于湖區(qū)西邊坡是裸露地表，實(shí)地考察和高分辨率影像（0.26 m）顯示此處有碎屑流的跡象，可能是湖區(qū)邊坡上崩落的松散堆積物，后文也將對(duì)該區(qū)不穩(wěn)定邊坡進(jìn)行詳述。

2021 年塔弄錯(cuò)的水量是（1 820 842±6 013） m3。1990—2022 年塔弄錯(cuò)湖面范圍主要朝冰川末端擴(kuò)張，近30年間面積擴(kuò)張了約34%（+34 498 m2），平均擴(kuò)張速率為1 078 m2·a-1［圖6（a）～（b）］。隨著湖面范圍的擴(kuò)張，塔弄錯(cuò)的水量以5 335 m3·a-1的速率增長(zhǎng)，總計(jì)擴(kuò)張了約10%［圖6（c）］?；趯?shí)測(cè)的湖底海拔，結(jié)合不同時(shí)期的湖面范圍共同構(gòu)建了湖盆三維形態(tài)。如圖6（d）所示，湖盆由最初的兩個(gè)最“凹”的底部逐漸擴(kuò)張形成了三個(gè)最“凹”的底部區(qū)域，湖盆寬度變化不明顯，長(zhǎng)度表現(xiàn)出顯著的擴(kuò)張趨勢(shì)。

圖6 1990—2022年塔弄錯(cuò)動(dòng)態(tài)演變過(guò)程Fig. 6 Dynamic evolution process of Tanong Co from 1990 to 2022： lake expansion trend （a）， changes in lake area （b），changes in water volume （c） and lake basin morphological changes （d）

3.2 塔弄錯(cuò)潛在潰決誘因評(píng)估

塔弄錯(cuò)周邊不穩(wěn)定斜坡總計(jì)有11處，分布情況如圖7 所示，具有潛在崩塌風(fēng)險(xiǎn)的5 個(gè)區(qū)域基本信息如表2 所示。從冰湖之間的位置及形變量級(jí)來(lái)看，1 號(hào)和2 號(hào)區(qū)域累積形變量最大（-86 mm 和-87 mm），平均形變速率也最大（32 mm·a-1），該區(qū)距冰湖最遠(yuǎn)，直線距離分別1 600 m 和958 m，所處海拔也最高，溝谷平均縱比降大，均屬于潛在高位滑坡隱患點(diǎn)；3 號(hào)區(qū)域位于冰舌端側(cè)磧，基于ITS_LIVE 估算冰舌段1990—2018 年均流速為3.007 m·a-1，遠(yuǎn)高于冰川表面其他區(qū)域，因此該區(qū)受冰川支溝溯源侵蝕嚴(yán)重，平均形變速率（28 mm·a-1）和累積形變量（-67 mm）僅次于1 和2 號(hào)區(qū)域；4 號(hào)區(qū)域位于湖泊西側(cè)邊坡海拔5 186 m 處，離冰湖最遠(yuǎn)且海拔位置最高，不穩(wěn)定區(qū)域面積最??；5 號(hào)區(qū)域位于塔弄錯(cuò)西面，屬于湖區(qū)的邊坡，由于坡度較大（32°），失相干導(dǎo)致形變數(shù)據(jù)不夠全面，野外考察發(fā)現(xiàn)此處存在一些松散堆積物，結(jié)合高分辨率光學(xué)影像可清晰觀察到碎屑流情況。

表2 塔弄錯(cuò)周邊潛在崩塌區(qū)的基本信息Table 2 Basic information of the potential collapse areas around Tanong Co

圖7 塔弄錯(cuò)周邊潛在崩塌區(qū)分布（底圖為Google Earth影像）Fig. 7 Distribution of the potential collapse areas around Tanong Co （Regions 1， 2， and 4 are the descent data，and regions 3 and 5 are the ascent data） （The base images are from Google Earth imagery）

3.3 崩塌體入湖對(duì)塔弄錯(cuò)的潛在影響

圖8 顯示了塔弄錯(cuò)上游碎屑流（3 號(hào)區(qū)域）落入冰湖的速度和碎屑流厚度變化情況，該情景是在假設(shè)崩塌區(qū)斷裂深度為2.8 m，摩擦系數(shù)μ和ξ分別為0.2 和1 200 m·s-2的條件下發(fā)生的，其參數(shù)設(shè)置參考了段仕美等［37］討論摩擦系數(shù)μ和ξ在不同地形和海拔下的取值范圍。在2.8 m的斷裂深度下，崩塌區(qū)釋放了約451 581 m3的崩塌體以26.29 m·s-1的撞擊速率進(jìn)入冰湖。如圖8所示，高質(zhì)量和高速運(yùn)動(dòng)的崩塌體進(jìn)入冰湖后，主要產(chǎn)生了三個(gè)過(guò)程：①涌浪的產(chǎn)生，②涌浪的傳播，③涌浪的爬高和壩體漫頂沖刷。

圖8 碎屑流的運(yùn)動(dòng)及其墜入塔弄錯(cuò)后產(chǎn)生波浪的過(guò)程（Fh1表示水平方向壩體承受的靜水壓力，F(xiàn)h2表示波浪和靜水壓力的總沖擊力，涌浪過(guò)程示意圖基于文獻(xiàn)［33］修改；底圖為Google Earth影像）Fig. 8 Movement process of the debris flow entering Tanong Co and the propagation of an impulse wave （Fh1 represents the static water pressure experienced by the horizontal direction of the dam， Fh2 represents the total impact force of waves and static water pressure， and the schematic diagram is modified from Reference ［33］； The base images are from Google Earth imagery）

本文以0.2 m 為間隔，通過(guò)模擬斷裂深度為0.2～4.0 m 的崩塌體進(jìn)入塔弄錯(cuò)的20 種情景，估算不同規(guī)模的崩塌體入湖后產(chǎn)生的各類撞擊參數(shù)，最后提取涌浪漫頂?shù)乃?、最大深度、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)及相關(guān)水動(dòng)力和壩體侵蝕特征參數(shù)。圖9 顯示了不同規(guī)模的崩塌體入湖后，產(chǎn)生的一系列涌浪傳播與壩體侵蝕參數(shù)和崩塌體體積之間的相關(guān)性。隨著入湖崩塌體體積的增加，和湖面產(chǎn)生的撞擊速度及坡面最大流速呈指數(shù)型增加趨勢(shì)［圖9（a）］，涌浪爬高高度［圖9（b）］、涌浪對(duì)壩頂?shù)那治g深度［圖9（c）］、潰口處的洪峰流量［圖9（d）］、坡面流的最大水深［圖9（e）］及單位面積上壩頂承受的靜水壓力和涌浪沖擊力［圖9（f）］均呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。結(jié)合上述計(jì)算得到的洪峰流量和壩體侵蝕參數(shù)，可以判斷該壩體能否坍塌產(chǎn)生潰壩洪水，或判斷漫頂?shù)乃渴欠褡銐虍a(chǎn)生具有災(zāi)害性的洪水/泥石流。因此，在冰湖潰決風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注周邊有崩塌隱患點(diǎn)的冰湖，并長(zhǎng)期觀測(cè)崩塌區(qū)的動(dòng)態(tài)變化，為冰湖潰決洪水提供預(yù)警信息。

圖9 不同規(guī)模崩塌體與涌浪傳播及壩體沖刷重要參數(shù)間的關(guān)系Fig. 9 Relationships between collapse bodies of different size and important parameters of impulse wave propagation and dam erosion： collapse volume and impact velocity of the lake surface （a）， collapse volume and impulse wave height （b），collapse volume and erosion depth of the dam top （c）， collapse volume and peak discharge （d）， collapse volume and maximum water depth of the overland flow （e）， collapse volume and pressure of the dam top （f）

3.4 水量變化對(duì)塔弄錯(cuò)潰決風(fēng)險(xiǎn)的影響

在冰湖危險(xiǎn)性評(píng)估工作中，冰湖水量是衡量潰壩總洪水量和洪峰流量的重要指標(biāo)［3，16，25，37］。圖8中Fh1表示水平方向壩體承受的靜水壓力，在沒(méi)有其他外界誘因的條件下，隨著水量的增加，當(dāng)壩體可承受的靜水壓力達(dá)到臨界值時(shí)就會(huì)發(fā)生潰壩洪水［7］。另一方面，涌浪的產(chǎn)生和傳播除受到崩塌體物理屬性（如厚度、寬度、體積等）和入湖狀態(tài)（速度和水平角等）外［33］，冰湖靜水深度也是一個(gè)非常關(guān)鍵的要素。為證明水深對(duì)冰湖潰決風(fēng)險(xiǎn)的影響，本文以5 m 為間隔，假設(shè)塔弄錯(cuò)的水深從5～100 m 的20 種情景，通過(guò)模擬斷裂深度為1.0 m 的崩塌體進(jìn)入不同水深的塔弄錯(cuò)，討論不同水深條件和潰口深度及洪峰流量等參數(shù)之間的相關(guān)性。結(jié)果表明，除了潰口深度隨著水深增加呈線性增長(zhǎng)之外［圖10（a）］，洪峰流量［圖10（b）］、單位長(zhǎng)度壩體承受的靜水壓力Fh1［圖10（c）］及單位面積壩頂承受的靜水壓力和涌浪總沖擊力Fh2［圖10（d）］呈乘冪關(guān)系增加。因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)對(duì)面積/水深/水量持續(xù)增加，且周邊發(fā)育有崩塌體隱患點(diǎn)的冰湖重點(diǎn)關(guān)注。

圖10 不同水深與涌浪傳播及壩體沖刷重要參數(shù)間的關(guān)系Fig. 10 Relationships between different water depth and important parameters of impulse wave propagation and dam erosion：glacial lake depth and erosion depth of the dam crest （a）， glacial lake depth and peak discharge （b）， glacial lake depth and hydrostatic pressure of the dam crest （c）， glacial lake depth and total pressure of the dam crest （d）

4 討論

4.1 歷史崩塌體誘發(fā)冰湖潰決事件分析

尼都藏布流域內(nèi)，然則日阿錯(cuò)和吉翁錯(cuò)是崩塌體入湖產(chǎn)生潰壩洪水的典型案例。本文基于歷史遙感影像，調(diào)查誘導(dǎo)這兩個(gè)冰湖發(fā)生潰壩的直接觸發(fā)因素——崩塌體遺跡。經(jīng)過(guò)多景影像的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)然則日阿錯(cuò)上游母冰川末端西側(cè)有一塊清晰可見(jiàn)的崩滑痕跡［圖11（a）～（b）］，面積約85 252 m2。冰舌末端和冰湖之間存在一個(gè)陡坎，坡度較大，冰川已退縮為懸冰川，冰舌段東側(cè)冰川裂隙廣布，基于0.26 m 分辨率的遙感影像測(cè)量最大裂隙寬度17.5 m，大部分寬度在5～10 m 之間。由于該湖在潰決前存在強(qiáng)降雨和快速升溫過(guò)程［25］，推斷2013年7 月5 日冰舌段西側(cè)的冰體發(fā)生了崩解并掉進(jìn)然則日阿錯(cuò)。由于崩塌區(qū)和湖面之間的落差約100 m，崩塌體勢(shì)能較大，極有可能造成了壩體的瞬間坍塌。湖水隨著潰口傾瀉而下，當(dāng)水位和潰口齊平時(shí)停止了溢流，湖面范圍急劇縮小，最終形成一大一小2 個(gè)冰湖，面積分別為0.25 km2和0.01 km2。主要在冰雪融水和降雨的持續(xù)補(bǔ)給下，2013 年潰后至2022 年10 月該湖擴(kuò)張了20%，擴(kuò)增速率為5 853 m2·a-1。當(dāng)前冰湖已達(dá)到地形控制的最大范圍，將來(lái)隨著融水的增加可能會(huì)造成下面小湖的湖面范圍擴(kuò)大或水位的上升。此外，然則日阿錯(cuò)曾發(fā)生冰崩的區(qū)域形變速率遠(yuǎn)高于穩(wěn)定區(qū)，如圖11（c）所示，累積形變量高達(dá)-79 mm。加之未來(lái)若遇極端降水或高溫情況的頻繁出現(xiàn)，冰舌段裂隙寬度可能會(huì)擴(kuò)大，冰崩解的情況很大可能再次出現(xiàn)，因此，然則日阿錯(cuò)在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)可能處于高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，需要研究人員和當(dāng)?shù)卣块T的高度關(guān)注。

圖11 然則日阿錯(cuò)潰壩誘因和周邊不穩(wěn)定斜坡分布（圖中照片均由姚曉軍教授在2017年拍攝，底圖為Google Earth影像）Fig. 11 Cause of the Ranzeria Co dam breach and distribution of paraglacial slope failures around the lake： lake change （a），avalanche remains （b）， unstable areas （c）， glacier tongue disintegration （d）， lake surface after GLOF （e） and the GLOF effects （f）（All the photos were taken by Professor Yao Xiaojun in 2017， and the base images are from Google Earth imagery）

吉翁錯(cuò)在2020 年夏季由于強(qiáng)降雨引發(fā)西側(cè)滑坡，土質(zhì)滑坡體涌入湖中造成了壩體坍塌形成突發(fā)性洪水［23］。根據(jù)紋理特征的對(duì)比，在潰后的影像上發(fā)現(xiàn)冰湖西側(cè)邊坡上有一塊區(qū)域紋理和鄰近區(qū)域存在顯著差異［圖12（a），（b1）～（b2）］，其表面形態(tài)表現(xiàn)為“簸箕形”，兩側(cè)同溝同源，前源可見(jiàn)被滑坡舌擠壓的冰湖，上述均符合劇烈位移滑坡遺跡的典型特征。滑坡區(qū)面積為56 204 m2，Zheng 等［23］估算滑坡釋放了大約1.2×106m3的物質(zhì)，大壩的最大潰決深度為25 m，潰后水位下降了約20 m。本文估算吉翁錯(cuò)潰后面積急劇縮小了約52%，釋放的洪水量約為1×105m3。冰湖與冰舌相連的大部分區(qū)域已被滑坡舌覆蓋，隨著冰川的消融，至2022 年10 月吉翁錯(cuò)的面積擴(kuò)張了約3 127 m2。基于地表形變速率，識(shí)別出冰湖西側(cè)山坡存在三處范圍較大的潛在滑坡區(qū)均存在碎屑流，山坡底部存在一些松散堆積物，尤其A 和B 點(diǎn)處居多［圖12（c）］。目前，該湖仍處于不斷擴(kuò)張狀態(tài)。隨著冰川融水增多，冰湖上游和冰舌之間存在的滑坡堆積體可能會(huì)被水流逐漸沖刷走，冰湖上游將繼續(xù)朝向母冰川擴(kuò)張直到達(dá)到地形控制的最大范圍。當(dāng)前，吉翁錯(cuò)的母冰川雙側(cè)支溝溯源侵蝕嚴(yán)重，松散堆積物較多，若再遇強(qiáng)降雨天氣極有可能再次發(fā)生滑坡體入湖。綜上，本文認(rèn)為吉翁錯(cuò)仍處于高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，需要持續(xù)監(jiān)測(cè)和高度關(guān)注。

圖12 吉翁錯(cuò)潰壩誘因和周邊不穩(wěn)定斜坡分布（圖中照片均由姚曉軍教授在2017年拍攝，底圖為Google Earth和資源3號(hào)影像）Fig. 12 Cause of the Jiweng Co dam breach and distribution of paraglacial slope failures around the lake： changes in lake area （a），before and after dam failure （b1， b2） and potential lakeside collapse areas （c） （All the photos were taken by Professor Yao Xiaojun in 2017， and the base images are from Google Earth and ZY-3 satellite imagery）

4.2 尼都藏布流域冰湖水量變化及潛在崩塌體分布

2022 年尼都藏布流域發(fā)育有63 個(gè)面積大于0.01 km2的冰磧湖，其中規(guī)模較大（>0.1 km2）的僅有7 個(gè)，包含已潰的冰湖吉翁錯(cuò)（0.27 km2）和然則日阿錯(cuò)（0.28 km2）及塔弄錯(cuò)（0.13 km2）［圖13（a）］。1990—2022 年冰磧湖的數(shù)量和面積分別擴(kuò)張了91%（+30 個(gè)）和36%（+0.8 km2）。由于大部分地區(qū)的冰湖沒(méi)有測(cè)深數(shù)據(jù)，本文根據(jù)Qi等［28］基于大量的冰湖測(cè)深數(shù)據(jù)構(gòu)建的水量估算模型對(duì)冰湖總水量進(jìn)行量級(jí)估算，利用其評(píng)估的3 個(gè)估算效果較好的公式和本文計(jì)算結(jié)果之間的均方根誤差（RMSE）作為不確定性范圍。結(jié)果表明，2020 年該流域冰磧湖水儲(chǔ)量總計(jì)為（54.13±3.5）×106m3。1990—2017 年冰磧湖水量總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)［（0.33±0.02）×106m3·a-1］，2020 年吉翁錯(cuò)潰決后，流域總水量呈迅速降低［圖13（b）］?？傮w上尼都藏布流域的冰湖水儲(chǔ)量主要由7 個(gè)大湖貢獻(xiàn)。盡管該區(qū)冰磧湖數(shù)量少，規(guī)模偏小，但由于流域地質(zhì)基礎(chǔ)條件差，且冰湖下游分布有村鎮(zhèn)，曾經(jīng)兩次冰湖潰決均造成了巨大的損失，因此當(dāng)前的冰湖危險(xiǎn)性也不容小覷。

圖13 尼都藏布流域冰湖分布（a）、水量變化（b）及崩塌隱患點(diǎn)分布（c）Fig. 13 Distribution of glacial lakes in the Nidu Zangbo basin （a）， water volume change （b） and distribution of potential collapse areas （c）

尼都藏布流域的地表形變速率結(jié)果表明，該流域63 個(gè)冰湖周邊總計(jì)發(fā)育不穩(wěn)定斜坡98 處，其中形變強(qiáng)度為L(zhǎng)1 型的占16%，L2 型最多（54%），潛在崩塌區(qū)占20%，空間分布如圖13（c）所示。根據(jù)崩塌體對(duì)冰湖潰決風(fēng)險(xiǎn)的影響，針對(duì)形變強(qiáng)度不大的L1 和L2 型不穩(wěn)定斜坡，應(yīng)當(dāng)做好長(zhǎng)期遙感監(jiān)測(cè)的工作，在氣候變暖和凍融循環(huán)加劇下，上述兩類不穩(wěn)定斜坡可能轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫儚?qiáng)度更大的崩塌區(qū)隱患點(diǎn)。

5 結(jié)論

本團(tuán)隊(duì)于2021 年10 月對(duì)尼都藏布流域的冰磧湖塔弄錯(cuò)進(jìn)行了水深測(cè)量，同時(shí)利用SBAS-InSAR技術(shù)提取了研究區(qū)的地表形變速率，以識(shí)別冰湖周邊的崩塌區(qū)隱患點(diǎn)。最后以數(shù)值模型討論了崩塌體和水量變化對(duì)冰湖潰決風(fēng)險(xiǎn)的影響。得到主要結(jié)論如下：

（1）塔弄錯(cuò)的最大水深（29.45±0.03） m，平均水深（15.21±0.02） m，水量（1 820 842±6 013） m3。塔弄錯(cuò)周邊5 個(gè)區(qū)域平均形變速率遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，其年均形變速率在18～32 mm·a-1，兩年內(nèi)的累積形變值-86～31 mm，可能會(huì)成為觸發(fā)塔弄錯(cuò)潰壩的外界誘因。

（2）模擬結(jié)果顯示，塔弄錯(cuò)在入湖崩塌體質(zhì)量增加或水量增加情況下，產(chǎn)生的洪峰流量、潰口深度和壩頂承受的壓力均顯著增加。因此，本文建議在冰湖潰決風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作中應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注周邊有崩塌隱患點(diǎn)，且水量持續(xù)增長(zhǎng)的冰湖。同時(shí)，需要

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)崩塌區(qū)的動(dòng)態(tài)變化，如針對(duì)形變強(qiáng)度不大的L1 和L2 型不穩(wěn)定斜坡，應(yīng)當(dāng)做好長(zhǎng)期遙感監(jiān)測(cè)的工作，在氣候變暖和凍融循環(huán)加劇下，上述兩類不穩(wěn)定斜坡極有可能轉(zhuǎn)變?yōu)樾巫儚?qiáng)度更大的崩塌區(qū)隱患點(diǎn)。

致謝：感謝蘭州大學(xué)鄭國(guó)雄副研究員提供了資源3號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。