国内外冰碛湖溃决研究进展

2018-09-28刘建康周路旭

钻探工程 2018年8期

刘建康，周路旭

(1.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都 611734； 2.中国地质调查局地质灾害防治技术中心，四川成都 611734； 3.中国地质大学〈北京〉，北京 100083)

0 引言

冰碛湖主要是末次冰期以来冰进和冰退的产物。本文为考证冰碛湖形成的准确时间，依托项目“藏东南重要城镇和交通干线地质灾害调查研究”对我国西藏地区2个典型冰碛湖——印达普错和然则然错的冰碛坝进行了野外取样和光释光测年，其释光年龄结果分别为19.5±2.1 ka和13.6±2.5 ka，说明冰碛湖冰碛坝体为末次冰期形成而非小冰期，冰川呈总体退缩状态的后小冰期时代应是冰碛湖湖盆形成和规模扩张的主要阶段。

随着全球气候变暖，高海拔地区尤其是热带高海拔地区变暖趋势更为明显，冰川活动性变强，冰碛坝稳定性变弱，冰湖溃决灾害频繁发生，溃坝形成的大规模洪水和泥石流造成严重的经济损失和人员伤亡，如喜马拉雅山、天山、阿尔卑斯山脉、高加索山脉和科迪勒拉山系等地区[1-15]。在喜马拉雅山地区，自20世纪30年代至2010年，有记录的冰湖溃决事件呈增加趋势，累计发生的溃决灾害超过32次[3]。其中，1985年尼泊尔的Dig Tsho冰湖溃决冲毁刚刚竣工的纳姆奇水电站，直接经济损失达5亿美元[3]；在欧洲，冰湖溃决洪水和泥石流是冰川灾害中发生频率最高、造成死亡人数最多的类型[7-10]；在秘鲁的Cordillera Blanca地区，到21世纪初冰湖溃决灾害达21次，占冰川灾害总数的70%[16]。其中，1941 年的Cohup 冰湖溃决导致6000 多人死亡[15]；1971年的Huascaran冰湖溃决并形成泥石流，摧毁下游的Yungay镇，近2000人在5 min之内丧生[16]。

由于冰湖及其溃决灾害的特殊性，如地处高寒地区、艰险偏远、政治安全、基础观测和监测资料少等，相关研究受到局限性[17]，但是随着遥感技术的发展和成熟，基于GIS地理信息系统的冰湖危险性评价体系研究逐渐完善，并成为多个国家和地区针对冰湖溃决危险而制定防灾减灾方案的参考依据之一[4, 17]。

本文主要从冰碛湖溃决资料收集、诱发因素、形成机制和溃决洪水特征4个方面，总结国内外冰碛湖溃决的研究现状和发展趋势，并结合项目实施过程中的经验和教训提出思路和想法，从而为冰碛湖溃决研究和评价提供借鉴和参考。

1 冰碛湖溃决事件

冰碛湖溃决事件是理论研究的基础原型和关键环节，但由于灾害的特殊性，收集和整理工作难度较大，通过调访而缺少实地调查导致的资料信息不完整或不准确是主要问题。截止目前，全球多个高山国家对部分溃决冰碛湖开展了调查研究，如喜马拉雅山[3-5]、天山[6]、阿尔卑斯山脉[7-10]、高加索山脉[11]和科迪勒拉山系[12-15]。受限于地理、政治或暴发年代久远等原因，现场调查的数量有限且精度差异较大，导致文献资料对冰碛湖溃决灾害描述的详实程度不一。2002年，Würmli初步梳理了全世界冰湖溃决事件，但由于资料完整性差异导致属性信息单一，但为全球资料数据库的建设和共享提供了借鉴[18]。2013年起，国际滑坡合作项目(IPL)“冰湖溃决洪水数据库”(项目编号：179)立项开展，通过期刊文献、报告和数据等手段共收集了约130个冰碛湖溃决事件资料[18]，该项目正在完善补充阶段。根据文献总体对比和总结，现阶段冰碛湖溃决事件的信息完整程度由高到低分别为地理位置、暴发时间、冰湖尺寸、溃口参数、终碛堤参数和溃决洪水参数(表1)。

表1 冰碛湖溃决事件资料信息完整度总览

在我国，青藏高原冰川发育广泛，冰湖分布众多。研究表明，近30年来我国喜马拉雅山地区的冰湖变化总体呈现“数量减少、面积增大”的趋势[17,19]：数量由1750个减少到1630个，减少7%；总面积由168.53 km2增加到206.04 km2，增率达22%。其中，该地区的143个冰湖具有潜在危险性，溃决概率等级判定为“高”及以上的有91个[17,19]。受全球气候变化影响，冰川环境逐渐恶化，如高温、多雨、雪崩以及冰跃动等，导致该地区的冰湖溃决洪水和泥石流活动在未来时间内将处于一段活跃期[20-21]，对下游地区的城镇设施和群众安全构成巨大威胁。冰碛湖溃决事件一般发生在海洋性冰川向大陆性冰川过渡地带(除光谢错外)[22]，所形成的洪水和泥石流造成严重危害。最新资料统计显示，自20世纪30年代到目前为止，该区共有24处冰碛湖先后发生了28次溃决[23](图1)。其中，规模最大的冰碛湖溃决事件是1954年的康马县桑旺错，形成的特大洪水和泥石流造成约400人死亡，2万多人受灾，并使位于中、下游的江孜和日喀则等人口重镇遭受严重危害[21]；2013年嘉黎县然则然错是最近一次冰碛湖溃决，灾害导致下游村庄人员失踪，房屋、桥梁和道路等基础设施严重破坏，直接经济损失达2.7亿元[24]。西藏地区的溃决冰碛湖中，约70%事件有不同程度的野外考察研究[17]，为国内冰碛湖溃决研究提供了宝贵的基础资料。由于部分冰碛湖溃决缺少详细调查，资料信息完整程度低，溃决原因常被归纳为未知或综合因素所致，因此有必要在下一步研究工作中继续完善和补充。

2 冰碛湖溃决诱因

Yamada[25]在喜马拉雅山南坡地区(尼泊尔境内)冰湖研究中，将冰碛湖溃决诱因归纳划分为外部原因(冰/雪崩、强降雨和地震等)和内部原因(埋藏冰消融、管涌和冰碛坝失稳等)两类，Haeberli[26]、Clauge和Evans[15,27]和徐道明[28]等则研究分析了导致冰碛湖溃决的各类型诱发因素，王欣[17]通过收集国内外50处有诱因记录冰碛湖溃决事件，对诱发因素进行了全面总结，本文按照出现频次梳理了以下8个主要类型。

2.1 冰崩/冰滑坡

冰川前进、冰床坡度陡增或发育陡坎、冰雪融水和地震等作用下引起湖盆周围悬冰川、山顶冰川或冰川末端滑塌入湖，抬高湖面水位，激起涌浪和冲击波，冲刷或直接冲垮冰碛坝薄弱鞍部，导致冰湖溃决。冰滑/崩是西藏地区冰碛湖溃决的主要诱因，李吉均[22]提出了“水枕”机制，当冰川前部由于消融水流强烈下渗，融水热融不断切割冰体，从冰体中解脱出来的冰碛物和坠落、下塌冰块堵塞汇水通道时，裂隙、孔隙和冰下空洞的水位将急剧上升，浮冰作用使冰舌的缓慢运动状态被打破，瞬间转为高速运动，冰川以冰崩或快速运动的冰滑坡形式涌入湖内，导致冰湖溃决；吕儒仁等[29]提出了“应力释放”机制，当处于相对湿冷年份时，冰川物质积累，向前运动速度小，而紧接着出现气候转暖时冰雪融水沿冰裂隙下渗冰川前部，润滑冰床，冰川以冰崩或快速运动的冰滑坡形式拥入湖内，导致冰湖溃决。

2.2 埋藏冰消融

受全球气候变暖影响，埋藏冰发生消融崩解，一方面造成冰碛坝下沉导致漫顶过流湖水量增加，溃决风险增加[30]。据观察，尼泊尔Imja冰碛坝下沉速度达2.7 m/a，TshoRolpa冰碛坝下沉速度也达2.0 m/a[31]；另一方面激发冰碛坝内部形成潜蚀，诱发渗透变形，诱发冰碛湖管涌溃决。

2.3 冰雪融水

受气候条件变化影响，湖盆集水流域的冰川或积雪强烈消融，湖面水位急剧上升，导致冰碛坝漫顶过流增加，溃决风险增加。

2.4 强降雨

由于冰碛湖分布海拔高度为4600～5600 m[28]，湖盆集水流域的地形雨特征明显，一旦暴发强降雨，汇流导致湖面水位急剧上升，漫顶过流增加，溃决风险随之增加。

2.5 岩/雪崩

类似冰崩，湖盆周围岩/雪崩落涌入冰湖，湖面水位急剧上升，激起涌浪和冲击波，冲刷或直接冲垮冰碛坝，导致冰湖溃决。与冰崩的不同在于，该类型诱因出现频次较低，主要发生在非喜马拉雅山地区。

2.6 冰川快速滑动/跃动

冰川快速滑动/跃动拥入湖内，湖面水位剧增，激起涌浪和冲击波，导致冰湖溃决。

2.7 地震

地震作用造成冰碛坝发生垮塌或滑坡，或地震形成的涌浪击溃冰碛坝，导致冰湖溃决。

2.8 多种诱因组合

组合型是冰碛湖溃决的常见诱因之一，如1998年9月3日尼泊尔境内的Tam Pokhari冰碛湖，即是在湖盆集水流域强降雨、地震和冰崩等多种外力因素综合作用下发生的溃决[17]。

3 冰碛湖溃决模式

刘宁等[32]在堰塞湖研究中，将天然堰塞坝溃决模式划分为坝顶溢流、坝坡失稳、渗透管涌和人工诱发4个种类。冰碛坝是堰塞坝的一种特殊类型，刘晶晶等[33]综合前人研究，总结分析了漫顶溃坝和管涌溃坝2种主要溃决模式的形成机制。王欣等[17]通过国内外冰碛湖溃决事件提出了漫顶溃坝、漫顶流溃坝、管涌溃坝、瞬间溃坝和多种溃决机制组合5种冰碛湖溃决模式。本文通过总结前人研究成果，将冰碛湖溃决模式按照堰塞湖溃坝分类方法划定为3类，并分别对各溃决模式进行进一步分类和说明(见表2)。

表2 冰碛湖溃决模式分类

3.1 漫顶溃坝

最常见的冰碛湖溃决模式，其机制核心在于漫顶水流剪切力超过坝体冰碛物的抗冲临界值，在薄弱部位引起冲刷，形成溃口并最终发展成为溃坝。蒋忠信等[34]通过理论推导，提出冰碛湖坝顶溢流型溃决的临界水力条件，即溢流总水头超过临界阈值则发生漫顶溃坝，反之亦然。根据诱因类型和是否发生涌浪，本文将漫顶溃坝溃决模式细分为以下2类。

3.1.1 涌浪漫顶溃坝

冰崩、冰滑坡、雪崩、岩崩和冰跃动等诱因造成大量固体物质拥入湖内，除抬高湖面水位增加漫顶水头外，激起的涌浪和冲击波也对溃决模式具有重要影响。当涌浪条件充分时，冲击波直接击垮冰碛坝发生瞬间部分全溃，如1964年9月21日定结县吉莱普错冰碛湖溃决，经测量推断巨浪高度达到6 m以上[29]；当涌浪条件不足以一次性冲溃冰碛坝时，坝顶在循环涌浪和湖面抬高水头增加的共同作用下，被冲刷形成溃口发生逐渐溃决，而涌浪规模则决定了初始溃口的形成和冲刷下蚀的速率[35-36]。Awal等[37]制作了长250 cm，宽30 cm的水槽，采用实体块件模拟冰崩体，通过改变释放高度得到不同规模的涌浪规模，研究了不同涌浪条件下溃坝产生的溃决洪水特征；当不能发生一次性瞬间溃决且湖区水位因无固体物质拥入而水位不变时，坝顶仅在循环涌浪作用下，被冲刷形成溃口发生逐渐溃决。Balmforth等[38]制作了长125 cm、宽度可调范围为5～20 cm的水槽，采用桨叶起浪装置，研究了静水位不变情况下涌浪条件对溃口侵蚀速率、溃决过程和溃决洪水的影响。

3.1.2 溢流漫顶溃坝

冰雪融水和强降雨等汇流入湖、人工不合理开挖泄洪渠或冰碛坝内部埋藏冰融化引起坝顶降低导致过流水量增加，冲刷发生，冰碛物被带走，从而发生逐渐溃决。与江河滑坡泥石流堰塞湖溃决特征相比，前两者具有更多的共性，后者则具有高寒地区冰川冻土灾害的个性，其对气候变暖的敏感性给冰碛坝稳定性增添了诸多变数，导致溃决机制更加复杂多样[17]。

3.2 管涌溃坝

由于冰碛坝结构松散和埋藏冰发育，受气候变化影响，死冰消融引起内部渗透潜蚀加剧，导致管涌的发生和扩张，最终造成坝体溃决。

3.3 坝坡失稳溃坝

由于冰湖水位变化、涌浪侵蚀坝面、地震破坏和埋藏冰融化等诱因，冰碛坝陡倾的迎水坡或背水坡发生失稳导致坝体崩滑破坏，湖水漫顶或阻水应力低于湖水压力而诱发溃决。Hubbard等人[39]通过对Laguna Safuna Alta冰碛坝抗剪强度参数的测量及其坝体稳定性的模拟计算，提出气候变暖是导致冰碛坝稳定性降低的主要原因。

4 冰碛湖溃决洪水特征

冰碛湖溃决形成的特大规模洪水或泥石流将对下游地区造成极其严重的灾难，3个特征参数指标是评价冰碛湖溃决危险性的重要依据：溃决洪峰流量、洪水演进和泥石流形成的临界条件。

4.1 溃决洪峰流量

目前，国内外研究成果可以直接应用于冰碛湖溃决流量计算的公式较少，洪峰流量一般借助于经验回归公式或已有的土石坝溃决模型进行计算。关于堰塞湖溃决流量过程的计算方法主要有3种[32]。

第一种是通过溃决坝体(混凝土和土石水工坝，滑坡坝，泥石流坝，冰川侧碛、终碛堤等)的坝高和库容计算洪峰流量的经验公式，或是通过溃决参数(溃口宽度、深度等)计算洪峰流量的半经验理论公式，常见计算公式见表3。计算方法优点在于简单，但存在问题是计算误差较大，经验要求较高，适用性较低。

表3 常见土石坝溃决洪峰流量经验计算公式

注：Qm-峰值流量，m3/s；Bw-坝顶宽度，m；b-溃口平均宽度，m；H-湖区水深，m；W-湖区库容，m3；Hd-坝高，m。

第二种是基于参数的计算方法，主要是利用土石坝溃决参数(溃口宽度、深度，溃决历时等)，通过时间的变化过程(如溃口下切，侧蚀线性变化)计算溃决洪水的流量变化过程。其中影响较大的是Fread[50-51]研发的Dam Break和BREACH模型，具有模型简单、对数据输入要求较少和使用较为方便等特征，可对冰碛湖溃决进行计算，但难点在于需要已知溃口最终形状以及溃口形成的时间等参数。

第三种是基于土石坝溃口发展的物理模型。通过综合水力学、泥沙、土力学等学科知识，构建一个时变过程以模拟实际溃坝过程和溃坝洪水过程线。

根据本文进展综述对冰碛湖溃决模式的类型划分，对于溢流漫顶或管涌引起的冰碛湖溃决，可以借鉴上述土石坝溃决模型并调整参数输入得出较为合理溃决过程、峰值流量、洪水过程线等重要参数，例如DamBreak模型和BREACH模型[50-51]。但是对于绝大部分涌浪漫顶诱发的冰碛湖溃决来讲，溃口的形成时间或溃口的发展速率主要决定于涌浪规模，冰碛坝是发生瞬间局部溃决还是逐渐溃决是溃决洪水的关键参数。因此，亟待建立涌浪条件与溃口形成机制和溃决形成机制的计算模型，以更精确预测冰碛湖溃决的洪峰流量。

4.2 洪水演进和泥石流形成的临界条件

堰塞湖溃决洪水演进依据公式(1)进行估算，但因模型简单导致计算误差较大。

(1)

式中：Qn——洪水演进至下游某处的洪峰流量，m3/s；W——冰碛湖溃决时的库容，m3；L——下游某处距溃口距离，m；V——河道洪水期断面最大平均流速，5 m/s；K——经验系数。

沟道地形条件，断面形状、水力坡降、松散物的分布及物质组成等，不仅影响溃决洪水的能量耗散和危害范围[15,52]，还将对溃决洪水演变形成泥石流的过程起到重要作用[15，29,53-55]。其中，高陡狭窄的沟道地形将降低洪水耗散率，而平缓宽阔则增加耗散率，从而前者的危害较后者更广[15,52]；松散物源充分条件下，冰湖溃决泥石流在坡度8°以下将发生淤积，4°以下则严重淤积并演变成含沙水流[53-55]。不同的是，国内学者根据西藏冰湖溃决的案例分析，认为冰湖溃决泥石流形成的底限临界坡度为3%，粘性泥石流则为5%[29]。党超[56]在水力类泥石流起动机理的研究成果基础上，通过改变模型试验中的三个参数变量：单宽峰值流量、坡度和颗粒级配，研究得到冰湖溃决泥石流形成的临界条件。此外，冰碛湖溃决洪水或泥石流在演进过程中，极易在主支沟交汇处堵断主沟或主河，形成临时堰塞坝，发生二次溃决洪水叠加诱发更为严重的次生灾害链，是冰湖溃决灾害的重要特征之一[57]。2013年嘉黎县忠玉乡的然则然错冰湖溃决，分别在交汇处主河形成2处堰塞湖，溃决风险性高，是冰湖溃决后遗留的重大安全隐患和灾后抢险的首要任务。