中国天山雪崩灾害调查分析

2022-03-10杨金明毛炜峄

自然灾害学报 2022年1期

杨金明，张旭，毛炜峄，何清

（1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830046；2.新疆维吾尔自治区气候中心，新疆乌鲁木齐 830046；3.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐 830046）

引言

大量的雪沿沟槽或斜坡的快速崩落被称作雪崩是危害高寒山区公共安全的极具破坏力的自然灾害［1-10］，严重影响着区域交通运输、工矿建设、旅游业发展和农林牧生产，同时也威胁着人类生命财产和生态屏障安全［11-13］。雪崩运动速度快，破坏力强，鲜有生物能幸免于超高速（150 km/h）滚落的雪崩碎片，世界范围内每年约有500人因此丧生。瞬间移动的雪崩碎片还会将空气推向前方，形成雪崩风，对重大工程布线和建筑物等造成严重的结构性损坏［14］。灾难性的雪崩还有可能在瞬间抹去多年的发展成果。其次，强劲雪崩风的吹蚀和搬运作用还会改变高山地貌。另外，雪崩是山地环境中主要的动态演化过程之一［15］，对构建山地景观也起着决定性作用。最重要的是从国家安全考虑，雪崩会阻碍军队的战略行动。然而，只有发生在与人类活动区域重叠的雪崩才会被暂时关注［16］。雪崩是极具灾难性的山地自然灾害，但其孕灾环境的脆弱性［17］及其对山地生态系统的环境意义还未被详细的了解和掌握。同时，公众还缺乏对雪地安全威胁的防范意识和应对积极性［16］。面对恶劣的雪崩灾害，迫切需要更详实和准确的调查资料支撑决策者分析研判以服务雪崩灾害应急响应。

新疆维吾尔自治区（以下简称“新疆”），青海省和西藏自治区积雪量大、稳定期长是中国雪崩灾害的易发区和频发区。其中，尤以新疆天山的雪崩灾情最为严重［18］，常阻断交通，毁坏防灾减灾工程，威胁人民生命和财产安全，造成了巨大的社会压力［19］。近年来，随着山地开发和交通繁荣受难于雪崩的范围和行业还在逐步扩大［20］。当地通过工程措施，人工爆破和除雪作业以及道路封闭管控等措施应对雪崩灾害。但随着冬季运动引起第三产业在高寒山区兴起，能源和通讯线路向山区延伸以及山区运输走廊的兴建，加剧了雪崩在经济发展、文化传播和生态文明建设等方面对人类的威胁，导致当前薄弱的防灾减灾救灾能力无法满足社会经济发展对雪崩灾害防治能力的更高要求。与此同时，有研究表明至少在将来的35年内人类都要与更加严峻的雪崩灾害共存［21-25］。另外，在中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景规划纲要中提出要统筹发展和安全，提高防灾减灾和救灾的能力。因此，雪崩灾害调查研究工作比以往任何时候都更加被视为是保障天山山区人民生命和经济安全以及缓解雪崩灾害的关键。

日益加剧的雪崩灾情和决策者掌握的不对等信息是防灾减灾工作的主要矛盾，为进一步明确气候变化背景下天山区域的孕灾环境和本底数据，利用现场踏勘和访问方法在中国天山开展了雪崩灾害调查分析工作。进一步明确了区域孕灾环境、基本灾情、致灾因子、风险分布、致灾情况和防治水平，在雪崩防治管理，山地开发和山地生态环境保护等方面具有重要的决策意义和指导价值。

1 研究区概况

天山是山带雪崩作用的典型区，因此被选为雪崩灾害调查的目标区。调查区降雪充沛，占全年降水量的30%，平均稳定积雪日151 d。干寒的冬半年，降雪大多发生在海拔3 000 m以下，平均积雪深度80 cm。在雪深超过70 cm的孕灾体中常伴随着大型雪崩。同时，区域内盛行东北风，风力作用常通过搬运和破坏雪层稳定性的方式触发雪崩。天山山区属中高海拔的山地地貌，主要的地貌单元是沿纬向构造山脉发育的山间盆地和谷地，易诱发坡面型和沟槽型雪崩。此外，调查区内山体切割强烈，山体起伏度高，超过半数的区域是雪崩地形，因而是雪崩频发区。大部分雪崩释放于高程2 000～3 500 m处。再加上天山还位于强度和频度都较高的兴都库什-贝加尔地震带上，常发生M≧4的浅源地震，是雪崩易发区。充沛的积雪量，特殊的气象条件，复杂的地形地貌以及活跃的地壳运动等的协同作用导致此地雪崩频发易发，严重影响着当地社会经济发展和生产生活。

2 调查内容

2.1 孕灾环境

天山山区孕灾环境复杂，致灾因素众多。多数雪崩的致灾因子为地形，雪情和气象条件等类型。同时，受雪情和气象要素动态变化的影响，不同时期诱发雪崩的主导致灾因子颇具差异。地表覆被对雪崩活动的影响则具有两面性，视具体的覆被类型而定。

2.1.1 地形地貌

研究区地形包括山地、平原、盆地和谷地等。经调查，雪崩多发于山地地形的沟槽，30°～45°的山坡以及沿峡湾发育的陡峭地形。因而，地形是影响雪崩位置和规模的关键孕灾因子。

2.1.2 雪情

调查发现，天山雪崩地形众多但降雪不均，而灾情多现于降雪充沛的伊犁哈萨克自治州的新源县、巩留县和尼勒克县等地。因此，雪情是另一重要孕灾因素且很大程度上决定着雪崩是否触发及其破坏力。再加上天山的自然降雪是典型的大陆干寒型积雪，雪层中深霜发育猛烈，导致天山山区雪崩易发和频发。

2.1.3 气象条件

经测量，2021年1月25日至2月2日研究区部分样点13至17时的气温已高于0℃，最高正温为尼勒克县乌拉斯台大桥区域16时34分的1.6℃。3月16日至23日，样点的午间气温已普遍超过正温，甚至高达10℃。研究区气温日较差变化剧烈，导致雪层结构愈加脆弱，雪崩活动变得复杂。同时，随着雪层中含水量的大幅增加，3月18日在那拉提镇等地观测到了更具破坏力的湿雪雪崩。另外，调查期间研究区风力猛烈，S315路段内的沟槽型雪崩即为风力搬运积雪而触发。

2.1.4 地表覆被

实地踏勘发现研究区的土地利用和覆被类型多为林地、耕地、草地、裸地、水体及建设用地。其中，天山山区海拔2 000 m以上区域常有茂密雪玲云杉（Picea schrenkiana），新疆方枝柏（J.pseudosabina）和天山桦（B.tianschanica）等高大乔木分布且林间少有雪崩痕迹。经测量，冠层截留的积雪量约270 mm。雪崩物质基础薄弱和释放空间有限是林地雪崩风险较低的缘故。因而，高大林地具有减缓甚至抑制雪崩活动的作用。水体、耕地、建设用地和裸地由于地形和雪情条件不足而不具备触发雪崩的可能。

2.2 基本灾情

1月28日19时01分于尼勒克县境内S315省道（图1A点处）发现一处沟槽型雪崩（图2（a））。雪崩于陡峭山体间的沟槽处释放，冲破拦网后在道路上跳动，最终制动在道路护栏外喀什河平坦的河谷地带中。雪崩碎片表面粗糙，粒径较粗（图2（b））。

图1 雪崩调查样点分布图Fig.1 Distribution of sample points for avalanche survey

图2 沟槽型雪崩Fig.2 Grooved avalanche

经现场测量，始发区至跳动区全长30 m。掩埋道路15 m，堆积高度约1.5 m。现场可见崩落后重塑的雪层中掺杂着土壤、草甸以及雪玲云杉的枝干（图3）。雪崩释放区的地表覆被为裸露基岩及低矮草甸。按照欧洲雪崩报警服务［26］（European Avalanche Warning Services，EAWS）的雪崩规模划分标准属中型雪崩。

图3 雪崩剥蚀地表覆被Fig.3 Avalanches eroded the ground cover

1月29日15时12分于G218线的伊若线路段处（图1B点位置）发现一处中型规模的坡面雪崩。此雪崩由相近的两个独立断面开始释放，短暂的跳动后融为一体，继续跳动后分别堆积于坡体平坦处。雪崩释放区地表覆被为低矮草甸（图4（b））。堆积区形态呈特殊的舌形粗糙表面（图4（a）红色虚线标识处）。经现场测量，承灾体倾角33°，雪崩抛程41 m，释放区至堆积区的垂直高度为20 m。雪崩流体在山坡倾角小于20°的位置开始制动，堆积深度超过1.8 m（图4（c））。雪崩堆积区密度较始发区高且在风力侵蚀和变质作用的影响下形成了坚实的硬壳。

图4 坡面型雪崩Fig.4 Slope avalanche

由于天山地形复杂，再加上冬季道路封闭，频繁的除雪作业（过去发生过雪崩但已被清扫）以及雪崩的阻碍等原因，人工调查雪崩具有很强的局限性。因此，此次雪崩调查仅观测雪崩2处。

3月18日14时，在无人机摄影的辅助下于G218线的那拉提镇路段发现雪崩11处（图5）。其中81.82%为坡面型雪崩，沟槽型雪崩仅两处（图5（a）的F和图5（b）的K），但规模较大。小型雪崩3处（图5（b）的G，H和I），其余为中型雪崩。雪崩抛程极值分别为11.25 m和223.33 m。雪崩与完全暴露的建筑物间的最短距离为7.50 m。

图5 无人机摄影影像的目视解译雪崩图Fig.5 Avalanche map obtained by visual interpretation method based on drone photography image

总体而言，中国天山的雪崩灾情现状较为严峻。从雪崩类型的角度，沟槽型雪崩由狭窄处释放，因而运动速度和冲击力较大，对孕灾体、承灾体和防护工程的侵蚀较为严重。湿雪崩由于雪层中含水量较高，导致崩出距离大，从而对环境和基础设施更具威胁。其次，还易在崩落过程中裹挟土壤，造成土壤流失［27］。相较而言，坡面型和板块型雪崩的释放空间充足，对山地环境的负反馈作用缓慢。但它们分布密集且数量众多，反复的冲击终将会累积其对环境和社会发展的危害。从雪崩大小方面分析，研究区大型雪崩的抛程甚至长达692.42 m，意味着更宽泛的受灾范围。从数量上看，参考SuperView-1影像的目视解译结果（空间分辨率50 cm），以中国科学院天山积雪雪崩站（以下简称雪崩站）为中心，以西10 km，以东6 km的G218发生雪崩124处（图6）。独库公路阿库线方向50 km的路段内，发生雪崩2 102处（图7）。如此规模的雪崩给防治和应急响应工作带来了巨大挑战。此外，从雪崩的空间分布层面考量，中国天山的雪崩分布较为密集，会将众多小型雪崩合力为大型甚至特大型雪崩，易对环境和景观格局造成不可逆的影响。

图6 G218沿线雪崩清单Fig.6 Inventory of avalanches along National Highway 218

图7 G217沿线雪崩清单Fig.7 Inventory of avalanches along National Highway 217

其次，按照欧洲雪崩风险划分标准［28］区域内雪崩风险兼具低风险、中风险、中高风险和高风险，雪崩情势较为复杂。据调查（图8）雀尔沟、独库公路未封闭路段、察布查尔县、新源县、巴音布鲁克和恰布其海等地的山体阴坡、强风作用的位置以及开阔的草地由于雪深较浅（＜5 cm）是低风险区。G218线巩乃斯镇线路内由于大面积雪岭云杉的保护大部分区域属低风险。而位于伊犁河谷的巩乃斯镇，尼勒克县，班禅沟以及恰西公园等地积雪深度普遍大于40 cm，是风险稍高的地区。在此基础上随着积雪的持续积累以及气温的波动，风险将向更高一级演变。雪崩站北部无高大植被分布的山坡由于常年发生中型雪崩，对道路通行和人类生命安全的威胁较大，属中高风险的区域。G217路段内的雪崩最为大型和密集因而风险最高，是新疆天山雪崩的重灾区。综合上述，从雪崩的类型、大小、数量、空间分布和风险考量，中国天山的雪崩灾情现状较为严峻。

图8 调查区积雪深度图Fig.8 Snow depth map of the surveyed area

2.3 雪崩灾害防治能力现状

雪崩灾害风险管理是一项倡导预防为主和科学应对的综合性工作，目前天山区域的雪崩防治以工程措施（图9（a）-（d））和除雪作业（图9（e）-（f））为主。整体而言防治水平较低，存在以下问题。

图9 雪崩防治措施Fig.9 Measures to prevent and control avalanches

（1）孕灾环境和本底数据不清。通过调查，对中国天山雪崩的孕灾环境和主导诱因有了初步认识。通过遥感资料也获取了可靠的雪崩清单。但在中国天山受雪崩困扰的区域众多，受限于当前的调查和检测力度，绝大部分区域依旧是空白区和无资料区。因此，在现有的努力下仍存在孕灾环境和本底数据不清的问题。

（2）重被动救灾轻防患未然。对天山山区雪崩的风险评估和预报预警等方面的研究还是空白。因此，还无法做到有效预防雪崩。被动的灾后人工除雪作业是最常见的应对措施。更严峻的是，部分办公场所和居住地长期完全暴露于雪崩高风险区域内却依旧不设防。

（3）雪崩对山地环境的侵蚀和破坏还未引起重视。雪崩的危害涉及诸多领域，目前的防治角度多出发于减少经济损失方面。雪崩对生态环境的破坏还未受到关注。

（4）缺乏全过程的雪崩灾害管理和应急响应机制。目前，在天山区域内还未形成融合雪崩风险评估、灾害预警、灾害应急响应、灾情会商、专家咨询、信息共享和社会动员为一体的雪崩灾害应对机制。

（5）缺乏雪崩灾害教育工作。由于缺乏相应的宣传和教育工作，公众普遍低估了雪崩灾害的危险程度，对雪崩的地形特点以及气象和雪情等因素对诱发雪崩的作用不了解且不具防范雪崩灾害和自救的能力，导致人类活动易暴露于危险中。

3 讨论

3.1 雪崩成因分析

发生于A处的沟槽型雪崩是地形、雪情、降水、风力和气温因素共同作用的结果。首先，A处的山体较为陡峭，无法稳定积雪，不属于雪崩地形。但山体间发育的沟槽地形却具备孕灾的可能性。其次，初雪日（2020年10月12日）至次年1月28日的12次小雪和2次中雪天气过程积累的降雪被强风搬运至沟槽中，迅速加剧了此沟槽地形的雪崩潜在性。同时，风的不断吹蚀作用打破了雪层中的稳定性并逐渐使其脆弱。再加上1月12日气温骤然由-14℃升高至5℃，加速了雪层中的温度梯度变质作用，最终导致雪层的稳定性被彻底瓦解从而触发了此次雪崩。综上，此沟槽型雪崩是多类型要素综合作用的结果。其中，地形和雪情因素对雪崩活动的影响过程较为缓慢。风力和气温是加速雪崩释放的主要驱动因子。

发生于B处的坡面型雪崩与地形、雪情和气温因素相关。此处雪崩承灾体的坡度为33°，位于极易发生雪崩的范围（30°～45°）内，是诱发雪崩的关键因素。从现场堆积深度分析，超过孕灾体承载能力的积雪量是造成此次雪崩另一主要原因。此外，通过分析始发区断裂带的雪层孔隙、积雪粒径和形态，发现雪层中发生过积雪的消融和冻结。据此推断气温是诱发此次雪崩的另一重要因素。其次，近3个月内风力以1级为主。因此，可忽略风蚀作用对雪崩活动的影响。

结合对影像解译，气象数据和实地调查资料的分析结果，图5中雪崩的成因构成更为复杂，除了必要的地形支持，积雪量和气温波动对雪崩活动的影响则更为主导。例如，在两次调查的间隔，无人机拍摄覆盖的范围内发生了11次小雪和1次中雪天气过程，导致在同一雪崩路径中发生了两次雪崩。同时，湿雪雪崩的出现表明气温在雪崩诱发的机制中占据了主导。2月2日-3月18日，目标区域正午气温普遍在0℃以上甚至高达10℃，导致雪层中变质作用猛烈是诱发湿雪雪崩的主要原因。

3.2 雪崩发展趋势

雪崩灾害调查止于3月23日。此后，进入4月随着气温大幅回暖，积雪迅速消融，雪崩风险将有所降低。再次发生湿雪雪崩的概率较小。再加上除雪作业的推进，雪崩风险将趋向于低风险。尽管仍有雨夹雪或小雪天气过程，但由于无法有效形成积雪而几乎不会对这一趋势产生影响。5月初，全面的清雪作业进入尾声，新疆天山包括G217封闭路段内的雪崩风险都将趋向于零风险。根据新疆天山积雪深度年内变化规律（图10），每年的6-9月由于区域内普遍无积雪是不必考虑雪崩风险的时段。10月，积雪深度通常不超过20 cm，一般不会诱发雪崩，即便触发了也是非常小型的雪崩，破坏力较小。经过多次降雪天气过程的积累，到了12月，积雪深度很大程度上会超过30 cm，具有了发生雪崩的可能性。这时的雪崩分布较为离散且抛程和冲击力都较小，致灾的可能性较低。次年的1月和2月，随着积雪深度逐渐达到最大值［29］，雪崩变得频发和易发。这一时段的雪崩以中型和大型为主，抛程和面积也会大幅增加，分布范围遍及中山带和高山带且较为密集。此时的雪崩风险呈中度且具有致灾性。同时，在G217封闭路段内则易发生大型雪崩。3月，由于气温持续升高，大部分低海拔区域的积雪已开始快速消融［30］。积雪深度较薄或本是裸地的区域此时已不具雪崩风险。综上，雪崩灾害的年内变化随着积雪量和气温等的变化而呈现出由弱到强，再由强至弱直至无害的循环特征。尤其是每年的1-2月是雪崩灾害的高发和严重阶段。10-12月和3-4月也具雪崩风险但整体上可控。5-9月的雪崩风险极低。

图10 积雪深度年内变化Fig.10 Variation characteristics of snow depth during the year

雪崩灾情的年际变化趋势则更为复杂。首先，1960-2020年寒季（11月至次年3月），降水量（P）和最大积雪深度（dmax）的变化整体呈增加趋势（图11）。按此发展趋势，未来更充沛的积雪量将迎来更具危害的雪崩灾情以及更具挑战的雪崩防治问题。其次，P和dmax在年际内几乎同步呈波峰和波谷交替的特征，波动剧烈，无形中会增加编制雪崩应急响应机制和预警工作方案的难度，影响前期对雪崩释放的干预。上述不利影响均会降低对雪崩灾情的控制。总而言之，在长时间尺度上，雪崩灾情将会加剧且上年背景资料对预测当年雪崩灾情的贡献有限。