國內外冰磧湖潰決研究進展

劉建康， 周路旭

(1.中國地質科學院探礦工藝研究所，四川 成都 611734； 2.中國地質調查局地質災害防治技術中心，四川 成都 611734； 3.中國地質大學〈北京〉，北京 100083)

0 引言

冰磧湖主要是末次冰期以來冰進和冰退的產物。本文為考證冰磧湖形成的準確時間，依托項目“藏東南重要城鎮和交通干線地質災害調查研究”對我國西藏地區2個典型冰磧湖——印達普錯和然則然錯的冰磧壩進行了野外取樣和光釋光測年，其釋光年齡結果分別為19.5±2.1 ka和13.6±2.5 ka，說明冰磧湖冰磧壩體為末次冰期形成而非小冰期，冰川呈總體退縮狀態的后小冰期時代應是冰磧湖湖盆形成和規模擴張的主要階段。

隨著全球氣候變暖，高海拔地區尤其是熱帶高海拔地區變暖趨勢更為明顯，冰川活動性變強，冰磧壩穩定性變弱，冰湖潰決災害頻繁發生，潰壩形成的大規模洪水和泥石流造成嚴重的經濟損失和人員傷亡，如喜馬拉雅山、天山、阿爾卑斯山脈、高加索山脈和科迪勒拉山系等地區[1-15]。在喜馬拉雅山地區，自20世紀30年代至2010年，有記錄的冰湖潰決事件呈增加趨勢，累計發生的潰決災害超過32次[3]。其中，1985年尼泊爾的Dig Tsho冰湖潰決沖毀剛剛竣工的納姆奇水電站，直接經濟損失達5億美元[3]；在歐洲，冰湖潰決洪水和泥石流是冰川災害中發生頻率最高、造成死亡人數最多的類型[7-10]；在秘魯的Cordillera Blanca地區，到21世紀初冰湖潰決災害達21次，占冰川災害總數的70%[16]。其中，1941 年的Cohup 冰湖潰決導致6000 多人死亡[15]；1971年的Huascaran冰湖潰決并形成泥石流，摧毀下游的Yungay鎮，近2000人在5 min之內喪生[16]。

由于冰湖及其潰決災害的特殊性，如地處高寒地區、艱險偏遠、政治安全、基礎觀測和監測資料少等，相關研究受到局限性[17]，但是隨著遙感技術的發展和成熟，基于GIS地理信息系統的冰湖危險性評價體系研究逐漸完善，并成為多個國家和地區針對冰湖潰決危險而制定防災減災方案的參考依據之一[4, 17]。

本文主要從冰磧湖潰決資料收集、誘發因素、形成機制和潰決洪水特征4個方面，總結國內外冰磧湖潰決的研究現狀和發展趨勢，并結合項目實施過程中的經驗和教訓提出思路和想法，從而為冰磧湖潰決研究和評價提供借鑒和參考。

1 冰磧湖潰決事件

冰磧湖潰決事件是理論研究的基礎原型和關鍵環節，但由于災害的特殊性，收集和整理工作難度較大，通過調訪而缺少實地調查導致的資料信息不完整或不準確是主要問題。截止目前，全球多個高山國家對部分潰決冰磧湖開展了調查研究，如喜馬拉雅山[3-5]、天山[6]、阿爾卑斯山脈[7-10]、高加索山脈[11]和科迪勒拉山系[12-15]。受限于地理、政治或暴發年代久遠等原因，現場調查的數量有限且精度差異較大，導致文獻資料對冰磧湖潰決災害描述的詳實程度不一。2002年，Würmli初步梳理了全世界冰湖潰決事件，但由于資料完整性差異導致屬性信息單一，但為全球資料數據庫的建設和共享提供了借鑒[18]。2013年起，國際滑坡合作項目(IPL)“冰湖潰決洪水數據庫”(項目編號：179)立項開展，通過期刊文獻、報告和數據等手段共收集了約130個冰磧湖潰決事件資料[18]，該項目正在完善補充階段。根據文獻總體對比和總結，現階段冰磧湖潰決事件的信息完整程度由高到低分別為地理位置、暴發時間、冰湖尺寸、潰口參數、終磧堤參數和潰決洪水參數(表1)。

表1 冰磧湖潰決事件資料信息完整度總覽

在我國，青藏高原冰川發育廣泛，冰湖分布眾多。研究表明，近30年來我國喜馬拉雅山地區的冰湖變化總體呈現“數量減少、面積增大”的趨勢[17,19]：數量由1750個減少到1630個，減少7%；總面積由168.53 km2增加到206.04 km2，增率達22%。其中，該地區的143個冰湖具有潛在危險性，潰決概率等級判定為“高”及以上的有91個[17,19]。受全球氣候變化影響，冰川環境逐漸惡化，如高溫、多雨、雪崩以及冰躍動等，導致該地區的冰湖潰決洪水和泥石流活動在未來時間內將處于一段活躍期[20-21]，對下游地區的城鎮設施和群眾安全構成巨大威脅。冰磧湖潰決事件一般發生在海洋性冰川向大陸性冰川過渡地帶(除光謝錯外)[22]，所形成的洪水和泥石流造成嚴重危害。最新資料統計顯示，自20世紀30年代到目前為止，該區共有24處冰磧湖先后發生了28次潰決[23](圖1)。其中，規模最大的冰磧湖潰決事件是1954年的康馬縣桑旺錯，形成的特大洪水和泥石流造成約400人死亡，2萬多人受災，并使位于中、下游的江孜和日喀則等人口重鎮遭受嚴重危害[21]；2013年嘉黎縣然則然錯是最近一次冰磧湖潰決，災害導致下游村莊人員失蹤，房屋、橋梁和道路等基礎設施嚴重破壞，直接經濟損失達2.7億元[24]。西藏地區的潰決冰磧湖中，約70%事件有不同程度的野外考察研究[17]，為國內冰磧湖潰決研究提供了寶貴的基礎資料。由于部分冰磧湖潰決缺少詳細調查，資料信息完整程度低，潰決原因常被歸納為未知或綜合因素所致，因此有必要在下一步研究工作中繼續完善和補充。

2 冰磧湖潰決誘因

Yamada[25]在喜馬拉雅山南坡地區(尼泊爾境內)冰湖研究中，將冰磧湖潰決誘因歸納劃分為外部原因(冰/雪崩、強降雨和地震等)和內部原因(埋藏冰消融、管涌和冰磧壩失穩等)兩類，Haeberli[26]、Clauge和Evans[15,27]和徐道明[28]等則研究分析了導致冰磧湖潰決的各類型誘發因素，王欣[17]通過收集國內外50處有誘因記錄冰磧湖潰決事件，對誘發因素進行了全面總結，本文按照出現頻次梳理了以下8個主要類型。

2.1 冰崩/冰滑坡

冰川前進、冰床坡度陡增或發育陡坎、冰雪融水和地震等作用下引起湖盆周圍懸冰川、山頂冰川或冰川末端滑塌入湖，抬高湖面水位，激起涌浪和沖擊波，沖刷或直接沖垮冰磧壩薄弱鞍部，導致冰湖潰決。冰滑/崩是西藏地區冰磧湖潰決的主要誘因，李吉均[22]提出了“水枕”機制，當冰川前部由于消融水流強烈下滲，融水熱融不斷切割冰體，從冰體中解脫出來的冰磧物和墜落、下塌冰塊堵塞匯水通道時，裂隙、孔隙和冰下空洞的水位將急劇上升，浮冰作用使冰舌的緩慢運動狀態被打破，瞬間轉為高速運動，冰川以冰崩或快速運動的冰滑坡形式涌入湖內，導致冰湖潰決；呂儒仁等[29]提出了“應力釋放”機制，當處于相對濕冷年份時，冰川物質積累，向前運動速度小，而緊接著出現氣候轉暖時冰雪融水沿冰裂隙下滲冰川前部，潤滑冰床，冰川以冰崩或快速運動的冰滑坡形式擁入湖內，導致冰湖潰決。

2.2 埋藏冰消融

受全球氣候變暖影響，埋藏冰發生消融崩解，一方面造成冰磧壩下沉導致漫頂過流湖水量增加，潰決風險增加[30]。據觀察，尼泊爾Imja冰磧壩下沉速度達2.7 m/a，TshoRolpa冰磧壩下沉速度也達2.0 m/a[31]；另一方面激發冰磧壩內部形成潛蝕，誘發滲透變形，誘發冰磧湖管涌潰決。

2.3 冰雪融水

受氣候條件變化影響，湖盆集水流域的冰川或積雪強烈消融，湖面水位急劇上升，導致冰磧壩漫頂過流增加，潰決風險增加。

2.4 強降雨

由于冰磧湖分布海拔高度為4600～5600 m[28]，湖盆集水流域的地形雨特征明顯，一旦暴發強降雨，匯流導致湖面水位急劇上升，漫頂過流增加，潰決風險隨之增加。

2.5 巖/雪崩

類似冰崩，湖盆周圍巖/雪崩落涌入冰湖，湖面水位急劇上升，激起涌浪和沖擊波，沖刷或直接沖垮冰磧壩，導致冰湖潰決。與冰崩的不同在于，該類型誘因出現頻次較低，主要發生在非喜馬拉雅山地區。

2.6 冰川快速滑動/躍動

冰川快速滑動/躍動擁入湖內，湖面水位劇增，激起涌浪和沖擊波，導致冰湖潰決。

2.7 地震

地震作用造成冰磧壩發生垮塌或滑坡，或地震形成的涌浪擊潰冰磧壩，導致冰湖潰決。

2.8 多種誘因組合

組合型是冰磧湖潰決的常見誘因之一，如1998年9月3日尼泊爾境內的Tam Pokhari冰磧湖，即是在湖盆集水流域強降雨、地震和冰崩等多種外力因素綜合作用下發生的潰決[17]。

3 冰磧湖潰決模式

劉寧等[32]在堰塞湖研究中，將天然堰塞壩潰決模式劃分為壩頂溢流、壩坡失穩、滲透管涌和人工誘發4個種類。冰磧壩是堰塞壩的一種特殊類型，劉晶晶等[33]綜合前人研究，總結分析了漫頂潰壩和管涌潰壩2種主要潰決模式的形成機制。王欣等[17]通過國內外冰磧湖潰決事件提出了漫頂潰壩、漫頂流潰壩、管涌潰壩、瞬間潰壩和多種潰決機制組合5種冰磧湖潰決模式。本文通過總結前人研究成果，將冰磧湖潰決模式按照堰塞湖潰壩分類方法劃定為3類，并分別對各潰決模式進行進一步分類和說明(見表2)。

表2 冰磧湖潰決模式分類

3.1 漫頂潰壩

最常見的冰磧湖潰決模式，其機制核心在于漫頂水流剪切力超過壩體冰磧物的抗沖臨界值，在薄弱部位引起沖刷，形成潰口并最終發展成為潰壩。蔣忠信等[34]通過理論推導，提出冰磧湖壩頂溢流型潰決的臨界水力條件，即溢流總水頭超過臨界閾值則發生漫頂潰壩，反之亦然。根據誘因類型和是否發生涌浪，本文將漫頂潰壩潰決模式細分為以下2類。

3.1.1 涌浪漫頂潰壩

冰崩、冰滑坡、雪崩、巖崩和冰躍動等誘因造成大量固體物質擁入湖內，除抬高湖面水位增加漫頂水頭外，激起的涌浪和沖擊波也對潰決模式具有重要影響。當涌浪條件充分時，沖擊波直接擊垮冰磧壩發生瞬間部分全潰，如1964年9月21日定結縣吉萊普錯冰磧湖潰決，經測量推斷巨浪高度達到6 m以上[29]；當涌浪條件不足以一次性沖潰冰磧壩時，壩頂在循環涌浪和湖面抬高水頭增加的共同作用下，被沖刷形成潰口發生逐漸潰決，而涌浪規模則決定了初始潰口的形成和沖刷下蝕的速率[35-36]。Awal等[37]制作了長250 cm，寬30 cm的水槽，采用實體塊件模擬冰崩體，通過改變釋放高度得到不同規模的涌浪規模，研究了不同涌浪條件下潰壩產生的潰決洪水特征；當不能發生一次性瞬間潰決且湖區水位因無固體物質擁入而水位不變時，壩頂僅在循環涌浪作用下，被沖刷形成潰口發生逐漸潰決。Balmforth等[38]制作了長125 cm、寬度可調范圍為5～20 cm的水槽，采用槳葉起浪裝置，研究了靜水位不變情況下涌浪條件對潰口侵蝕速率、潰決過程和潰決洪水的影響。

3.1.2 溢流漫頂潰壩

冰雪融水和強降雨等匯流入湖、人工不合理開挖泄洪渠或冰磧壩內部埋藏冰融化引起壩頂降低導致過流水量增加，沖刷發生，冰磧物被帶走，從而發生逐漸潰決。與江河滑坡泥石流堰塞湖潰決特征相比，前兩者具有更多的共性，后者則具有高寒地區冰川凍土災害的個性，其對氣候變暖的敏感性給冰磧壩穩定性增添了諸多變數，導致潰決機制更加復雜多樣[17]。

3.2 管涌潰壩

由于冰磧壩結構松散和埋藏冰發育，受氣候變化影響，死冰消融引起內部滲透潛蝕加劇，導致管涌的發生和擴張，最終造成壩體潰決。

3.3 壩坡失穩潰壩

由于冰湖水位變化、涌浪侵蝕壩面、地震破壞和埋藏冰融化等誘因，冰磧壩陡傾的迎水坡或背水坡發生失穩導致壩體崩滑破壞，湖水漫頂或阻水應力低于湖水壓力而誘發潰決。Hubbard等人[39]通過對Laguna Safuna Alta冰磧壩抗剪強度參數的測量及其壩體穩定性的模擬計算，提出氣候變暖是導致冰磧壩穩定性降低的主要原因。

4 冰磧湖潰決洪水特征

冰磧湖潰決形成的特大規模洪水或泥石流將對下游地區造成極其嚴重的災難，3個特征參數指標是評價冰磧湖潰決危險性的重要依據：潰決洪峰流量、洪水演進和泥石流形成的臨界條件。

4.1 潰決洪峰流量

目前，國內外研究成果可以直接應用于冰磧湖潰決流量計算的公式較少，洪峰流量一般借助于經驗回歸公式或已有的土石壩潰決模型進行計算。關于堰塞湖潰決流量過程的計算方法主要有3種[32]。

第一種是通過潰決壩體(混凝土和土石水工壩，滑坡壩，泥石流壩，冰川側磧、終磧堤等)的壩高和庫容計算洪峰流量的經驗公式，或是通過潰決參數(潰口寬度、深度等)計算洪峰流量的半經驗理論公式，常見計算公式見表3。計算方法優點在于簡單，但存在問題是計算誤差較大，經驗要求較高，適用性較低。

表3 常見土石壩潰決洪峰流量經驗計算公式

注：Qm-峰值流量，m3/s；Bw-壩頂寬度，m；b-潰口平均寬度，m；H-湖區水深，m；W-湖區庫容，m3；Hd-壩高，m。

第二種是基于參數的計算方法，主要是利用土石壩潰決參數(潰口寬度、深度，潰決歷時等)，通過時間的變化過程(如潰口下切，側蝕線性變化)計算潰決洪水的流量變化過程。其中影響較大的是Fread[50-51]研發的Dam Break和BREACH模型，具有模型簡單、對數據輸入要求較少和使用較為方便等特征，可對冰磧湖潰決進行計算，但難點在于需要已知潰口最終形狀以及潰口形成的時間等參數。

第三種是基于土石壩潰口發展的物理模型。通過綜合水力學、泥沙、土力學等學科知識，構建一個時變過程以模擬實際潰壩過程和潰壩洪水過程線。

根據本文進展綜述對冰磧湖潰決模式的類型劃分，對于溢流漫頂或管涌引起的冰磧湖潰決，可以借鑒上述土石壩潰決模型并調整參數輸入得出較為合理潰決過程、峰值流量、洪水過程線等重要參數，例如DamBreak模型和BREACH模型[50-51]。但是對于絕大部分涌浪漫頂誘發的冰磧湖潰決來講，潰口的形成時間或潰口的發展速率主要決定于涌浪規模，冰磧壩是發生瞬間局部潰決還是逐漸潰決是潰決洪水的關鍵參數。因此，亟待建立涌浪條件與潰口形成機制和潰決形成機制的計算模型，以更精確預測冰磧湖潰決的洪峰流量。

4.2 洪水演進和泥石流形成的臨界條件

堰塞湖潰決洪水演進依據公式(1)進行估算，但因模型簡單導致計算誤差較大。

(1)

式中：Qn——洪水演進至下游某處的洪峰流量，m3/s；W——冰磧湖潰決時的庫容，m3；L——下游某處距潰口距離，m；V——河道洪水期斷面最大平均流速，5 m/s；K——經驗系數。

溝道地形條件，斷面形狀、水力坡降、松散物的分布及物質組成等，不僅影響潰決洪水的能量耗散和危害范圍[15,52]，還將對潰決洪水演變形成泥石流的過程起到重要作用[15，29,53-55]。其中，高陡狹窄的溝道地形將降低洪水耗散率，而平緩寬闊則增加耗散率，從而前者的危害較后者更廣[15,52]；松散物源充分條件下，冰湖潰決泥石流在坡度8°以下將發生淤積，4°以下則嚴重淤積并演變成含沙水流[53-55]。不同的是，國內學者根據西藏冰湖潰決的案例分析，認為冰湖潰決泥石流形成的底限臨界坡度為3%，粘性泥石流則為5%[29]。黨超[56]在水力類泥石流起動機理的研究成果基礎上，通過改變模型試驗中的三個參數變量：單寬峰值流量、坡度和顆粒級配，研究得到冰湖潰決泥石流形成的臨界條件。此外，冰磧湖潰決洪水或泥石流在演進過程中，極易在主支溝交匯處堵斷主溝或主河，形成臨時堰塞壩，發生二次潰決洪水疊加誘發更為嚴重的次生災害鏈，是冰湖潰決災害的重要特征之一[57]。2013年嘉黎縣忠玉鄉的然則然錯冰湖潰決，分別在交匯處主河形成2處堰塞湖，潰決風險性高，是冰湖潰決后遺留的重大安全隱患和災后搶險的首要任務。

5 結論

通過國內外冰磧湖潰決研究現狀和發展現狀的梳理總結，得到以下幾點結論供參考。

(1)冰磧湖潰決事件是研究的基礎，但由于諸多客觀因素，資料信息缺乏質量較高的完整度，因此通過調查查漏補缺形成并完善數據庫是研究的重要工作內容。

(2)冰磧湖潰決誘因是形成機制的重要組成部分，本文總結了前人提出的8種誘發因素類型，但由于冰磧湖潰決事件調查資料信息的完整度較低，存在個別事件誘因亟待進一步查明。

(3)冰磧湖潰決模式是形成機制的關鍵組成部分，影響潰決洪水的形成和發展，繼而影響冰磧湖潰決危險性評價指標的判定?，F階段，全球氣候變暖趨勢下埋藏冰融化誘發的冰磧湖潰決和涌浪條件對冰磧湖潰決模式的影響，急需深入細化研究以揭示其復雜的形成機制。

(4)冰磧湖潰決洪水特征是冰磧湖潰決危險性評價的重要依據，現階段主要依據土石壩潰決洪水參數的方法模型進行估算，但因冰磧湖潰決具有埋藏冰融化或涌浪作用等額外影響，簡單借鑒套用將導致計算結果存在較大誤差，因此需要結合冰磧湖潰決形成機制的研究成果進行深入分析和經驗調整。