西藏定日朋曲流域达仓沟冰湖溃决泥石流特征

童龙云，张 继，孔应德

(四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川 成都 610072)

0 引言

冰湖溃决泥石流是高山冰川作用区常见的自然灾害之一，其以突发性强、频率低、洪峰高、流量过程暴涨暴落、破坏力强、灾害波及范围广等特点而著称，对下游人民生命财产和基础设施带来极大破坏[1]。因此日益受到地方政府和学术界的广泛关注。

我国是冰湖溃决泥石流灾害分布广泛、危害严重的国家之一，主要发生在西藏和新疆[2]，其中西藏地区的雅鲁藏布江、波曲及朋曲河流域尤为突出。西藏冰湖溃决泥石流研究始于20世纪60年代，1964年，施雅风等[3]对古乡冰川泥石流进行了初步考察，分析了溃决泥石流爆发原因；1987年, 刘潮海等对喜马拉雅山中段朋曲和波曲流域冰湖溃决洪水进行了考察研究, 对该地区各种类型的高山冰湖进行调查、编目；在西藏地区，尤其在川藏公路南线进行泥石流等山地灾害的考察和防治研究时,都对冰湖溃决泥石流进行了重点考察研究[4-6]；进入21世纪，研究者主要聚焦于冰湖溃决泥石流形成机理、溃坝分析等相关问题[7-13]。

通过30多年的努力，对冰湖溃决泥石流的时空分布、形成机理、防灾对策等有了一定的认识，由于冰湖溃决及其诱发的泥石流往往出现于人迹罕至的高山、极高山地区，分布范围有限，几乎没有人目睹过泥石流的形成和演化过程，研究素材匮乏，目前研究程度较低；目前的研究主要集中于特定冰湖溃决型泥石流事件的调查访问后现象和过程的描述，由于高山高寒和艰险的地形与交通条件，已有成果对冰湖溃决泥石流的调查访问资料往往存在一定的出入，造成研究结果与实际情况有较大偏差。本文以达仓沟冰湖溃决型泥石流为例,采用高空间分辨率和多时相图像进行解译，获取了流域内冰川、冰湖分布及演化特征，结合现场调查的地形条件、物源条件及泥石流爆发痕迹，讨论此类泥石的形成机制、爆发过程和发展趋势。

1 达仓沟流域基本特征

达仓沟位于日喀则市定日县绒辖乡达仓村，距定日县县城约125 km，泥石流沟口坐标为：北纬28°08′51.77″，东经86°25′22.29″。

达仓沟流域面积40.1 km2，主沟长13 km，沟源最高点高程6 210 m，沟口最低高程为3 995 m，高差2 215 m，平均纵坡降约为170‰。两岸山坡较对称，坡度一般大于35°，山脊较狭窄，陡缓不一，沟道上游和中游沟谷切割相对较深，多为“V-U”型沟谷地貌，局部跌水陡坎发育，沟口平缓宽阔，堆积区坡度约4°～8°，堆积区呈不规则扇形分布，扇形前缘宽近500 m。

该沟区域上处在北喜马拉雅构造带中的定日-岗巴亚带，总体上为一近东西向复式向斜构造，褶皱较宽缓，流域内发育一些规模较小的小型断层。岩性上主要出露前震旦系聂拉木群(AnZnl)片岩、片麻岩、混合片麻岩及第四系残坡积、崩坡积碎块石土，地质构造复杂，岩体节理裂隙发育，表层多分布风化裂隙和卸荷裂隙。

利用高分辨率遥感图像，基于冰川、冰湖的遥感解译标志，遥感调查达仓沟流域现存规模较大的冰川、冰湖。结果显示，达仓沟流域现有冰川8条，其中规模最大的面积超过2.24 km2，面积最小的仅为0.04 km2；达仓沟流域现有冰湖11个，面积最大的约0.22 km2，面积最小的冰湖面积仅有700 m2(图1)。

图1 达仓沟冰川、冰湖分布特征Fig.1 The distribution of ice lake and glacier in Dacanggou

2 冰湖溃决泥石流基本特征

根据冰湖溃决泥石流遥感判别的三要素(冰湖水位变化、U型溃口、下游显著泥石流堆积)，达仓沟流域内至少发生过三次较大规模的冰湖溃决，据现场调查访问，达仓沟于1956年发生过冰湖溃决泥石流(图2)。

经调查访问，1956年农历5月，达仓沟持续降雨数日，其后天气晴朗，气温骤升，于某日中午午餐时分，听见上游沟道内轰隆作响，沟岸村民纷纷出门查看，只见高约15 m的龙头倾泻而下，在出山口弯道处受左岸山体阻挡，向山体右侧改道。见水势凶猛，当地村民纷纷向右岸山体转移，只见沟道内水夹杂着石头、土和树木向下推进，水流浑浊，流体颜色偏黑，浓粥状，含大量块石，可听见巨石碰撞的声音。整个过程持续约60分钟，导致沟口村庄被夷为平地，所幸时值中午，村民纷纷逃到沟道右侧岸坡上，此次泥石流并未造成人员伤亡。

根据遥感影像上泥石流的空间分布特征推断，规模最大的冰湖(图2(a)中左侧冰湖)，现存面积超过0.22 km2，是造成1956年达仓沟大规模冰湖溃决泥石流灾害的源头。通过对本次泥石流灾害的调查，由于溃决洪水顺沟迅速向下推进，沿途掏蚀沟床松散物质，并冲刷形成山洪泥石流，在流域中下游又得到两岸物质的大量补给，最终演变成高重度黏性泥石流。泥石流固体物质主要来源于冰湖以下的冰碛物沟道内各种成因的堆积物，流体中最大块石粒径达15 m(图3)。

图2 达仓沟典型冰湖溃决遥感特征Fig.2 The remote sensing features of ice lake collapse in Dacanggou Basin

图3 泥石流冲出最大块石Fig.3 The largest stone rushed out by debris flow

图4所示为本次泥石流在左侧岸坡残留物，该处泥石流弯道中心线曲率半径为62.5 m，两岸泥位高差为7.7 m，泥面宽度为72.5 m。结合野外调查泥痕坡度，参考中国铁道出版社《泥石流防治工程技术》(1996年)泥石流流速计算公式：

(1)

式中：Vc——泥石流流速/(m·s-1)；

R0——弯道中心曲率半径/m；

σ——弯道内外侧泥面高差/m

B——泥面宽度/m；

计算得泥石流流速Vc=8.06 m/s。该处过流面积为479.2 m2，计算得沟口泥石流流量达3 862 m3/s。强大的泥石流摧毁了沟口达仓村，在沟口形成了面积约为0.11 km2的堆积扇，扇宽约为500 m，轴长平均约220 m。所幸泥石流发生于午后，沟口村民及时撤离，并未造成人员伤亡，但沟口达仓村被夷为平地，造成不可估量的损失(图5)。

图4 泥石流残留物Fig.4 The residue of debris flow

图5 泥石流堆积扇遥感解译特征Fig.5 The remote sensing features of the stacking fans

3 冰湖溃决泥石流形成机制及发展趋势分析

3.1 溃决泥石流形成机制

达仓沟泥石流的形成是丰富的松散固体物质、有利的地形条件和充足的水源条件共同作用的结果。

(1)地形条件

冰湖溃决洪水是否会演变成泥石流与沟床比降关系密切，可将沟床比降作为判断冰湖溃决型泥石流形成和性质的一个重要标志[9]。达仓沟流域相对高差约2 215 m，沟床平均坡降170‰，较大的相对高差和较陡的沟床比降保证了流域内拥有充足的势能，为泥石流的形成和发展提供了足够的动力条件，在水源和固体物质供给充足的情况下，会孕育出大规模泥石流。

(2)物源条件

地质条件为泥石流的形成提供了松散固体物质，控制着泥石流的空间分布与规模。达仓沟内流域内重力地质作用突出，同时达仓沟沟谷两侧冰碛台地广泛分布，物源主要来自于沟床侵蚀物源、崩滑物源及坡面侵蚀物源，尤以沟床侵蚀物源为主。

崩滑物源呈现明显的局部集中，总体分散的特征，调查共发现2处中型滑坡，其所占达仓沟流域形成泥石流的物源比重较小；坡面侵蚀物源主要流域面上的水土流失和岸坡第四系堆积物受洪水或泥石流侧蚀两部分构成，沟域内生态环境较差，植被覆盖率较小，岩体表层寒冻风化较强烈，水土流失严重，是提供该泥石流活动的主要物源；沿沟道堆积的松散沟床侵蚀物源是参与泥石流的主要物源，这类物源沿沟分布多少不一，其中形成区段沟道宽阔，沟道内松散堆积物厚5～10 m，是沟道物源主要集中地段。

表1 流域内物源统计表

根据调查统计，流域内堆积固体物源总量为1.695×107m3，可能参与泥石流活动的动储量为3.459×106m3，丰富的固体物源为泥石流爆发提供了物质基础。

(3)水源条件

水是泥石流爆发最直接的诱发因素，本次泥石流爆发的激发因素为冰湖溃决，根据波能量变化与外力的关系，清水的洪峰流量与泥石流洪峰流量关系为[8]：

(2)

Qmax——冰湖溃决清水洪峰流量/m3；

k——洪峰流量系数，按照泥石流的特征，可以用泥石流的容重来计算。

(3)

式中：γd——泥石流体的容重/(kN·m-3)；

γw——水的容重/(kN·m-3)；

γs——泥石流固体颗粒的容重/(kN·m-3)。

沟口泥石流流量为3 862 m3/s，根据以上公式求得溃决洪峰流量达2 408.1 m3/s，大规模的溃决洪水启动沟域内松散碎屑物质形成了巨大的泥石流灾害，较大的相对高差和较陡的沟床比降保证了流域内拥有充足的势能，为泥石流的形成和发展提供了足够的动力条件。

本次泥石流爆发，地质条件为泥石流的形成提供了松散固体物质，控制着泥石流的规模；较大的相对高差和较陡的沟床比降保证了流域内拥有充足的势能，为泥石流的形成和发展提供了足够的动力条件；而溃决洪水是触发因素。

3.2 溃决泥石流发展趋势分析

影响冰湖溃决地质灾害的因素有很多，乐茂华等[14]基于逻辑回归法，选取冰湖坝顶宽度、湖水位距坝顶高度与湖坝高度之比、冰舌前端距冰湖距离、冰舌段坡度、冰湖面积和补给冰川面积6个预测指标作为变量,提出了西藏地区冰湖溃决的危险性概率预测模型:

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

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

(3)

式中：X1——坝顶宽度/km；

X2——湖水位距坝顶高度与湖坝高度之比；

X3——冰舌前端距冰湖距离/km；

X4——冰舌段坡度；

X5——冰湖面积/km2；

X6——补给冰川面积/km2。

(1)坝顶宽度

终碛堤坝宽度是影响冰湖溃决的边界条件之一，终碛堤坝顶宽度越大，冰湖越不容易溃决。一般B<60 m多会发生一次溃决，而且是击溃性溃决。坝顶宽度越大，越不容易发生击溃性溃决，而有可能出现多次溃决洪水，最后演变为溢流式洪水。流域内11个冰湖坝顶宽度在40～260 m，具有发生溃决可能性。

(2)湖水位距坝顶高度与湖坝高度之比

冰湖水位距坝顶高度与湖坝高度之比是冰湖溃决的关键性指标，其直接影响坝体水力梯度，其值越小，越易失稳溃决。

(3)冰舌前端距冰湖距离

冰湖湖岸距离现代冰川冰舌前端距离是冰湖溃决的动力条件之一。一般具有危险性的冰湖湖岸与现代冰川直接相连或相距很近。流域内现有冰川8条，自20世纪80年代以来，达仓沟流域冰川呈现不断缩小的趋势(图6)，流域内有3处冰湖距冰川冰舌前端较近。可以预见，随着气温升高和降水的增加，沟域内冰川将延续其缩小的趋势，导致冰湖溃决可能性增大。

图6 达仓沟冰川、冰湖动态变化图像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跃的一段，冰舌段坡度越大，在水热组合条件下，越容易导致冰川的退化，从而诱发冰湖溃决。流域内共三处冰湖坡度较陡，冰川表面裂缝分布较广，具有典型跃动冰川的特点。

(5)冰湖面积

对于现代冰湖来说，冰湖的面积越大，其储水量相应地也越大，相应水体库容对终碛堤的静压力也越大，从而影响到终碛堤的稳定性，同时溃决时形成的洪峰流量也越大，危险度也就越高[7]。达仓沟流域现有冰湖11个，面积最大的约0.22 km2，面积最小的冰湖面积仅有700 m2。

(6)补给冰川面积

达仓沟流域现有冰川8条，其中规模最大的面积超过2.24 km2，面积最小的仅为0.04 km2。补给冰川面积越大，消融水流越多，越容易导致冰湖溃决。据相关研究[15]，近 50年来，中国西部气候变暖，降水增加，并预测未来 50年中国西部，特别是西藏地区，气温有进一步升高，降水有进一步增加的趋势，气温升高和降水的增加加速了冰川的退化，冰雪融水的增加必将造成冰湖溃决可能性增大。

根据回归分析，西藏地区冰湖溃决的危险性概率预测模型[14]将冰湖溃决的危险性用概率划分为四级，溃决可能性<30%为低，30%～50%为中，50%～80%为高，>80%为极高。采用式3对流域内冰湖溃决概率值进行计算，计算参数及结果如表2所示。根据计算结果，冰湖1、2、3溃决可能性高，其余冰湖溃决可能性低。

表2 冰湖溃决概率计算结果

图7 达仓沟流域溃决危险冰湖Fig.7 The glaciers are at risk of outburst in Dacanggou basin

结合预测结果，达仓沟流域存在三处冰湖溃决隐患，三处冰湖坡度较陡，冰川表面裂缝分布较广，具有典型跃动冰川的特点(图7)。其余冰湖考虑到其现代冰川前缘距离冰湖已较远，且陡坎部位以下的冰川基本消融，由于其后缘冰川跃动发生溃决的可能性较小。

三处冰湖在突发强烈地震活动造成冰崩、天气异常(极端降雨、升温)等影响下，可能发生冰湖溃决，大规模的蓄水一旦溃决，溃决洪水将启动沟域内松散碎屑物质再次形成规模巨大的泥石流灾害。达仓沟沟口分布达仓村56户273人及岗绒公路重要公共设施，沟口沟道宽3～4 m，切割深0.5～3.5 m，居民房屋均傍沟修建，一旦爆发泥石流，将对沟口造成巨大的损失。

4 结论

本文在对达仓沟遥感解译和现场调查的基础上，对达仓沟冰湖溃决泥石流基本特征进行了分析，对发展趋势进行了预测。主要取得了如下成果：

(1)达仓沟流域内至少发生过三次较大规模的冰湖溃决，其中最大的1956年溃决泥石流沟口流速达8.06 m/s，沟口流量达3 862 m3/s，导致沟口达仓村毁灭。

(2)沟域内冰川呈现不断缩小的趋势，存在3处冰湖溃决隐患。

(3)达仓沟流域沟床纵坡降大，固体物源丰富，一旦发生冰湖溃决，可能再次发生冰湖溃决泥石流。