亚洲高山区冰湖溃决洪水事件回顾

2021-02-14张太刚王伟财高坛光安宝晟尚雪雪

冰川冻土 2021年6期

张太刚，王伟财，高坛光，安宝晟，3，尚雪雪

（1.兰州大学资源环境学院，甘肃兰州 730000； 2.中国科学院青藏高原研究所，北京 100101；3.西藏大学理学院，西藏拉萨 850011）

0 引言

亚洲高山区（即青藏高原及周边地区）冰川快速退缩［1-4］，导致大量冰湖的形成与扩张，其中以冰碛湖和冰坝湖为代表。在冰-雪崩、滑坡、强降水、冰川跃动等不稳定因素的扰动下，极易导致坝体坍塌或破裂，冰湖快速大量释水，从而形成冰湖溃决洪水（glacial lake outburst floods，GLOFs）。这种典型的冰川灾害自1939 年被定义以来［5］，引起了社会各界的广泛关注［6-7］。20 世纪80 年代以来，亚洲高山区冰碛湖溃决主要发生在喜马拉雅山脉和念青唐古拉山地区，溃决频率大体不变，平均每年发生1.3起［8］。历史上，全球有记录的冰湖溃决洪水事件超过1 300 起，其中源于冰坝湖的溃决洪水占70%，主要发生在冰岛、阿拉斯加和格陵兰岛等地区；源于冰碛湖的溃决洪水占9%，主要发生在青藏高原、欧洲阿尔卑斯山及南美洲安第斯山等地区；源于基岩阻塞湖、未知坝型和诱因、由火山活动诱发的溃决洪水占21%，累计造成约12 000人死亡［9-11］。

冰湖溃决洪水具有突发性强、量级高、灾害性大等特点，其对下游沟谷造成大量侵蚀［12］，破坏沿岸基础设施，威胁居民的生命财产安全［13-15］。例如，2013 年7 月5 日，位于西藏自治区嘉黎县的然则日阿错溃决，受灾人口达1 160 人，49 座房屋被毁，大量农田、桥梁遭到破坏，直接经济损失高达2.7 亿元［16］；喀喇昆仑山的克亚吉尔冰坝湖，1810—2018年有记录的溃决洪水共计34 次，20 世纪60 年代以来，每10 年至少发生3 起溃决洪水事件，平均每年造成约1 000 万美元的经济损失［17］。在亚洲高山区孕育着超过30 000 个冰湖［18］，近30 年来，随着气候变暖、冰川退缩，冰湖快速扩张，区域环境的不稳定导致冰湖溃决洪水灾害事件不断增加［8，19-21］。

在全球变暖背景下，亟待建立冰湖溃决洪水数据库，以进一步对冰湖进行危险性评估和风险管理，并加强社会对冰湖溃决洪水的理解、预防和治理。例如，刘建康等［22］统计出中国西藏地区自20世纪以来共发生37 起溃决事件，Komori 等［23］统计出截至2012 年不丹共发生21 起溃决事件。但目前已有的研究成果多局限于某一行政区或山脉，还缺少对整个亚洲高山区冰湖溃决事件的系统汇总和分析。基于此，本文根据大量科学文献和新闻报道，统计20世纪以来亚洲高山区发生的冰湖溃决事件，厘清其时空变化特征、洪水特征和诱发因素等问题，为进一步研究该地区冰湖溃决洪水灾害与人类社会、自然生态之间的相互作用，提供科学数据支撑。

1 研究区概况

亚洲高山区有全球中低纬度最为丰富的冰川资源，共发育冰川95 537 条，面积达到（112 061±2 940）km2，冰储量（4 734±350）Gt，占世界冰川总数量的45.4%，总面积的14.5%，以及总体积的4.4%［24-25］。由于气候变暖导致广泛的冰川退缩，到21 世纪末，青藏高原冰川预计损失约36% 的冰储量［26］，这将导致新的冰湖形成或原有冰湖的扩张。2018 年，亚洲高山区共发育30 121 个冰湖，总面积达到（2 080±2）km2［18］。1990—2015 年，喜马拉雅山脉地区冰湖扩张了约14.1%，中亚锡尔河河源高山区面积增加的湖泊中有69% 属于冰湖。增加的冰川融水聚集在冰川退缩形成的洼地，是该区域冰湖形成与扩张的主要原因［27-29］。在冰川持续退缩的状态下，冰-雪崩、冰湖溃决及一些次生灾害频发，严重影响区域可持续发展［8，30-31］。

在亚洲高山区，冰湖溃决洪水主要分布在天山山脉、兴都库什山、喀喇昆仑山、喜马拉雅山脉、念青唐古拉山、横断山以及帕米尔高原一带，其中喜马拉雅山脉地区是世界冰碛湖溃决事件发生最为频繁的区域（图1）。自20 世纪以来，喜马拉雅山脉地区有文献记载的冰碛湖溃决事件超过60 起［20］。近30 年来，有32 起冰碛湖溃决事件发生在喜马拉雅山脉中东段，远高于青藏高原的其他区域［8］。相关研究机构正尝试对该地区的冰湖进行系统性的风险评估［32-38］。例如，Wang 等［38］根据冰湖的危险性、下游社区的暴露度、脆弱性及适应能力，确定了喜马拉雅山脉地区116 个具有潜在风险的冰碛湖；Allen 等［34］根据冰湖的危险性和下游社区的暴露度确定了青藏高原上24个高风险或极高风险的冰湖，它们大部分分布在西藏的吉隆县、聂拉木县和定日县。

图1 亚洲高山区冰碛湖溃决洪水和冰坝湖溃决洪水事件分布［8］Fig.1 The distributions of moraine-dammed and ice-dammed lake outburst floods on the High Mountain Asia［8］

2 数据与方法

2.1 建立地区历史冰湖溃决洪水数据库

根据冰湖类型的不同，可将溃决洪水分为不同的类型。如Vilímek 等［10］的研究中，将其分为冰碛湖溃决洪水、冰坝湖溃决洪水和岩体阻塞湖溃决洪水。在Carrivick 等［9］的研究中，则分为冰碛湖溃决洪水、冰坝湖溃决洪水、未知冰湖类型和诱因的溃决洪水，以及火山活动造成的溃决洪水。综合区域冰湖的差异性和研究的简便性，本文将亚洲高山区的溃决洪水分为冰碛湖溃决洪水和冰坝湖溃决洪水两类（图1）。

基于大量科学文献和新闻报道等，统计自20世纪以来亚洲高山区发生的冰碛湖、冰坝湖溃决洪水事件，建立该地区历史冰湖溃决洪水数据库。收集每个事件的属性，包括冰湖名称、溃决时间、国家/地区、冰湖类型、经纬度、溃决诱因、溃决水量、洪峰流量和来源共9个方面。使用117景各时期的Landsat影像和Google Earth 图像对每起事件进行验证，例如冰湖出口“V”形沟槽、冲积扇、湖泊面积变化等特征，以确保每起事件的真实性。由于个别事件发生准确时间不确定，只存在一个大致的范围，如1999年10 月—2000 年8 月，本文在主要的分析工作中假定时间下限为事件发生时间。

2.2 冰碛湖溃决诱因分类

亚洲高山区冰碛湖溃决的诱发因素可分为5类，即冰-雪崩或冰川滑塌、滑坡-岩崩、强降水或上游来水、埋藏冰融化或管涌、地震。前三种诱因主要是大量物质（水、冰雪、岩石等）进入湖中形成涌浪，它们可以高达数十米，破坏坝体的稳定性。物质向湖中运动和产生的涌浪可能导致两种不同的坝体溃决机制：第一种是由于涌浪的冲击而导致坝体立即破裂，这是最具灾难性的情况；第二种是由于流出水量增加而导致的坝体破裂。相比于直接的溃坝，这一过程相对缓慢［39］。埋藏冰可能占到冰碛坝的大部分体积，地下冰的消融会破坏坝体的结构完整性，从而削弱坝体的稳定性。当形成冰下管道导致冰湖逐渐被排空，一般没有明显的溃决痕迹，这也是天山山脉地区主要的冰湖溃决诱因；当冰碛垄塌陷或者形成管涌时，同样会导致坝体破裂［39-40］。强度较大的地震足以对冰碛坝的稳定性产生影响，同时地震还会引发滑坡、冰崩等。在某些状况下，难以分清是地震直接导致冰湖溃决，还是地震导致的物质运动造成的。针对冰湖溃决诱因数据的缺失，本文假设未知诱因事件为随机事件，不影响样本的整体分布，以此来计算各个诱因所占比例。

2.3 冰碛湖溃决洪水特征重建

溃决水量和洪峰流量是衡量冰湖溃决洪水量级的重要指标。在最后的统计结果中，由于各个溃决事件的隐蔽性、难预测性等原因，鲜有通过模拟、实测或洪水调查等手段获得的特征值，使得统计数据严重缺失。鉴于此，本文使用经验公式法对20世纪80 年代以来具有清晰无云遥感影像覆盖的冰碛湖溃决事件，重建其溃决水量和洪峰流量。选择冰碛湖而非冰坝湖，主要原因有三点：首先，相比于冰坝湖溃决洪水，冰碛湖溃决洪水在空间分布上更加均匀，在时间上不会出现像克亚吉尔和麦茨巴赫冰坝湖这样连续溃决的现象；其次，冰碛湖溃决洪水有着更为明显的溃决特征，如溃口，这在冰坝湖溃决中是少有的；最后，由于冰坝湖在短时间内存在多次溃决的现象，以现有的遥感影像很难捕捉到冰湖溃决前后的真实状况。

冰湖水量与面积之间存在着一定的统计关系［41-42］。通过获取溃决洪水发生前后的Landsat 影像，确定冰湖面积变化状况，进而计算得到冰湖溃决的实际水量。经过对比选取，本文使用Wang等［43］提出的经验公式。

式中：A为冰湖面积（m2）；V为冰湖体积（m3）。这一公式根据喜马拉雅山脉地区20个冰碛湖水量、面积数据获得（R2=0.919），但其运用的主要是大型的冰碛湖数据，在一些中小型湖泊应用中明显低估了水量值。为了获得较为认可的数值，依据7 个具有可靠溃决水量数值的事件，对这一公式进行校正。经过试验，乘数校正系数取3.2，能够很好地将相对误差控制在50%以内（表1）。

表1 冰湖溃决水量重建验证Table 1 Verification of reconstruction of glacial lake outburst water volume

溃决水量的计算使用Costa 等［44］提出的公式（R2=0.890），其在重建龙纠错溃决洪峰流量中有过成功应用［45］。

式中：ΔV为冰湖溃决前后体积变化，即溃决水量（m3）；Q为洪峰流量（m3·s-1）。

3 结果与分析

3.1 冰湖溃决洪水空间分布

20 世纪以来，亚洲高山区共计发生冰湖溃决洪水277 起，源自97 个冰碛湖和24 个冰坝湖，其中冰碛湖溃决洪水113 起，冰坝湖溃决洪水164 起（图1）。溃决冰湖的总数量约占冰湖数量（30 121个）的0.4%，累计造成7 000 余人死亡。最严重的一起溃决洪水伤亡事件发生在2013年6月17日，印度Choradari 冰碛湖溃决造成6 000 余人死亡［46］。1900—2018 年，喜马拉雅山脉地区发生冰碛湖溃决洪水事件71 起，是整个亚洲高山区发生最多的区域，其中喜马拉雅山脉中段发生冰碛湖溃决洪水37起，东段发生33 起，西段发生1 起。此外，天山山脉地区发生23 起，藏东南地区发生15 起，而帕米尔高原、兴都库什山和喀喇昆仑山地区发生较少（附表1）。冰坝湖多分布于冰川资源丰富的天山山脉和喀喇昆仑山地区，受到大型山谷冰川活动的影响，其溃决通常具有周期性，如位于喀喇昆仑山的克亚吉尔冰坝湖和天山山脉的麦茨巴赫冰坝湖，两者自20世纪以来共发生96起溃决洪水。

中国发生冰碛湖溃决洪水事件最多，占总事件的47.7%，其次是天山山脉地区的吉尔吉斯斯坦，喜马拉雅山脉南麓的不丹、尼泊尔等国；吉尔吉斯斯坦发生冰坝湖溃决洪水事件最多，其次是喀喇昆仑山地区的巴基斯坦、中国和印度（附表2）。

对20 世纪80 年代以来各地区冰碛湖溃决洪水特征重建结果表明，喜马拉雅山脉中段冰湖溃决水量最大，平均为3.10×106m3；其次是藏东南和喜马拉雅山脉东段，分别是2.63×106m3和1.55×106m3；天山山脉地区最小，为0.20×106m3。1954 年7 月16日，桑旺错溃决水量达到300×106m3，是青藏高原地区有记录的溃决水量最大的冰碛湖溃决事件［47］。洪峰流量仍然以溃决洪水分布最为集中的喜马拉雅山脉中东段最大，平均值为3 108 m3·s-1、2 609 m3·s-1；藏东南为2 002 m3·s-1；天山山脉地区最小，为413 m3·s-1（图2）。天山山脉地区溃决洪水具有体量小的特征，这主要是由于天山山脉地区冰碛湖面积相对较小，发生溃决的诱因主要是以埋藏冰融化而泄水所致［48］。从趋势上看，自1980 年以来，亚洲高山区冰碛湖溃决洪水的水量和洪峰流量并没有增长趋势，甚至在天山山脉和喜马拉雅山脉地区两者还存在显著的下降趋势（图2）。

图2 1980—2018年亚洲高山区不同地区冰碛湖溃决事件数量及溃决水量和洪峰流量变化Fig.2 Temporal distribution of regional GLOF frequency，and variations of breached water volume and peak discharge in the Nyainqentanglha-Hengduan Shan（a～c），Himalayas（d～f），Pamir-Hindu Kush-Karakoram（g～i）and Tian Shan（j～l）during 1980—2018

3.2 冰湖溃决洪水时间变化

区域冰湖溃决洪水频率的研究多受制于不完整的灾害数据库。本文通过大量的资料收集，建立了较为完整的亚洲高山区冰湖溃决洪水事件数据库，共记录了113 起冰碛湖溃决事件，其中发生在1980 年以后的事件有70 起，远多于Veh 等［8］、Harrison等［19］的统计结果（表2，附表1）。1980年以来，青藏高原地区冰碛湖溃决频率存在增长趋势（图3），平均每年发生1.84 起。喜马拉雅山脉东段的不丹和中国是历史上发生冰碛湖溃决事件较多的地区，但2010 年以来发生较少，仅有2015 年6 月18 日溃决的Lemthang Tsho 和准确溃决时间不确定的Upper Luggye Tsho（2009 年11 月—2010 年10 月）。相比之下，喜马拉雅山脉中段的尼泊尔、中国发生8起溃决事件，如贡巴通沙错（2016 年7 月5 日）、Langmale Tsho（2017年4月20日）、Dig Tsho（2015年4月25 日）和Lhotse Glaicer Lake（2015 年5 月25 日）等，成为新的冰碛湖溃决洪水高发区，这将是未来重点关注、防范的地区（图1）。

表2 1980年以来亚洲高山区冰碛湖溃决事件及溃决水量、洪峰流量的重建Table 2 Moraine-dammed lake outburst events on the High Mountain Asia，and reconstruction of outburst water volume and peak discharge since 1980

图3 1980年以来亚洲高山区冰碛湖溃决洪水发生频次Fig.3 The frequency of outburst floods from moraine-dammed lakes on the High Mountain Asia since 1980

冰坝湖的溃决同样出现新的高发区。在Bhambri等［49］的研究中发现，喀喇昆仑山地区的冰坝湖溃决洪水主要发生在5 个小流域中，而克亚吉尔和Khurdopin 两个冰坝湖所在的流域即是近年的高发区（图1）。

3.3 冰碛湖溃决诱因

亚洲高山区导致冰湖溃决的诱因呈现多样性。其中，冰-雪崩或冰川滑塌占50.1%，埋藏冰融化或管涌占23.1%，强降水或上游来水占18.5%，滑坡-岩崩导致的冰碛溃决事件占7.4%，地震诱发最少，为0.9%。冰-雪崩或冰川滑塌、强降水或上游来水在喜马拉雅山脉和念青唐古拉山等地区均有发生，埋藏冰融化或管涌主要发生在天山山脉地区。

4 讨论

冰湖溃决洪水已经成为亚洲高山区主要的自然灾害之一。研究人员进行了许多冰湖时空变化［28-29，50］、危险性评估［21，34，38］、冰湖溃决洪水模拟［51-52］和灾害防治［17］等工作，加深了对气候变化影响下冰川和冰湖过程的理解。在本文的分析中，有两点关键的观察结果：①1980 年以来冰碛湖溃决频率呈增长趋势；②冰湖溃决水量和洪峰流量变化没有上升趋势，反而在天山山脉和喜马拉雅山脉地区呈现出下降趋势。

20世纪80年代以来，亚洲高山区冰湖出现了大范围扩张，冰湖溃决频率出现增长趋势。这一结论具有较高可靠性。首先，进行冰湖溃决洪水频率分析时，数据库的完整性至关重要，本文所统计的样本数量远多于之前的研究［8-9，19］，所以与Veh 等［8］的研究结论（自20 世纪80 年代以来，喜马拉雅山脉、念青唐古拉山等地区冰碛湖溃决洪水频率保持不变）不同。其次，与全球其他地区对比发现，亚洲高山区的冰湖溃决频率变化表现出明显的不同，1975年以来全球冰湖溃决洪水的发生频率有所下降。虽然其中不乏有一些人为因素导致的结果，如秘鲁Cordillera Blanca 山区由于对冰湖进行了大量的保护措施（人工固坝、排水等），使得溃决事件鲜有发生［9，53］，但这种全球性的变化仍然摆脱不了气候变化的影响。Harrison 等［19］在的研究中将这一现象的原因归结于气候变化后冰川扰动的“滞后”反应，而非直接的关系。在对溃决事件形成的三个阶段（冰川消融退缩、冰湖形成与扩张、冰湖溃决事件增加）中，前两个已经有了显著的表现。在天山山脉、喜马拉雅山脉以及藏东南地区冰川的强烈消融作用下，导致了大量冰碛湖的形成与扩张，而在冰川较为稳定的帕米尔高原、喀喇昆仑山等地区，未来也可能形成大量的冰碛湖［54］。据Harrison 等［19］、Shugar 等［55］的预测，在现有的升温背景下，未来几十年冰湖溃决洪水频率将会增加，即进入第三阶段。这对于相关国家和地区未来的防灾减灾策略有着重大影响，一些工程性和非工程性措施的应用必须协调高危险冰湖下游各地区，做到及时有效预警和统一联动防护。

通过回归分析（图3）以及M-K趋势检验（图4），可以明确，亚洲高山区冰湖的溃决水量与洪峰流量没有呈现增加的趋势（帕米尔高原、兴都库什山和喀喇昆仑山地区由于样本数量稀少，不做主要的分析讨论），具体表现为藏东南地区没有变化，而天山山脉和喜马拉雅山脉地区两者呈现显著的下降趋势。结果的不确定性多来自于对溃决水量和洪峰流量的重建方法，基于经验公式的计算本身就存在一定的局限性，但并不会对最终结果产生较大影响。重建的水量值是通过冰湖溃决前后面积变化得出，而水量与面积之间是一种正比例的关系，流量值也存在类似的状况。通过分析溃决冰湖的面积变化趋势可以从中发现，近十几年来，天山山脉和喜马拉雅山脉地区更加趋向于小冰湖的溃决，藏东南地区无显著变化（图5）。这一结论很好地佐证了最终结果的可靠性。虽然小冰湖更多出现完全溃决的情况（表3），但仍然不及大中型冰湖溃决所产生的危害，二者之间存在着量级上的差别。

图4 M-K显著性检验Fig.4 M-K significance test：trend test of the change over time of the moraine-dammed lake outburst flood on the High Mountain Asia（a），Nyainqentanglha-Hengduan Shan（b，c），Himalayas（d，e），Pamir-Hindu Kush-Karakoram（f，g）and Tian Shan（h，i）

表3 冰碛湖溃决后面积变化Table 3 Area changes after the moraine-dammed lake failure

图5 各地区溃决前个体冰湖面积变化Fig.5 Changes in the area of glacial lakes before failure in various regions：Nyainqentanglha-Hengduan Shan（a），Himalayas（b），Pamir-Hindu Kush-Karakoram（c）and Tian Shan（d）

5 结论

通过对亚洲高山区的历史冰湖溃决洪水事件及其特征的分析，得出以下结论：

（1）20 世纪以来，亚洲高山区共计发生冰湖溃决洪水277 起，其中冰碛湖溃决洪水有113 起，冰坝湖溃决洪水有164起。1980年以来，天山山脉、喜马拉雅山脉和念青唐古拉山地区冰湖在数量和面积上均有大幅度的增加，冰碛湖溃决洪水的发生频率也呈增长趋势，但冰湖的溃决水量和洪峰流量没有增长趋势。

（2）冰碛湖溃决洪水主要发生在喜马拉雅山脉中东段、念青唐古拉山及天山山脉地区，冰坝湖多分布于冰川资源丰富的天山山脉和喀喇昆仑山。2010 年以来，喜马拉雅山脉中段的尼泊尔、中国发生8起溃决事件，远高于天山山脉、喜马拉雅山脉东段和念青唐古拉山地区，成为新的冰湖溃决洪水高发区，这将是未来重点关注、防范的地区。

（3）亚洲高山区导致冰碛湖溃决的诱因呈现多样性。冰-雪崩或冰川滑塌占50.1%，埋藏冰融化或管涌占23.1%，强降水或上游来水占18.5%，滑坡-岩崩导致的冰碛溃决事件占7.4%，地震诱发最少，为0.9%。