藏東南典型冰湖潰決機制及危險性研究

常鳴+唐川+竇向陽

摘要：我國西藏地區冰湖分布十分廣泛，隨著時間的推移，氣溫逐漸升高，一些冰湖出現消融現象，部分冰湖潰決直接導致災害級聯效應產生，進一步誘發了洪水、泥石流等次生災害，因此及時開展冰湖潰決機制及其危險性研究十分必要。為了更好地詳細分析冰湖潰決的機制及致災危險性模式，重點選取西藏波密縣米堆溝泥石流的源頭光謝錯為研究對象，開展了野外調查取樣、室內物理實驗及高精度遙感解譯等一系列工作，分析結果表明光謝錯潰決外因是由異常氣候和水文條件誘發的，內因是在終磧堤潰決過程中存在溢流型和管涌型兩種機制。光謝錯潰決后逐步完成了由洪水向稀性泥石流的轉變過程，泥石流的運移嚴重威脅到溝道兩岸村莊、道路及耕地的安全。通過對光謝錯潰決機制的研究能夠為藏東南地區冰湖潰決的防治及預警提供科學的依據。

關鍵詞：西藏；冰湖；潰決機制；危險性

中圖分類號：P642；P3436文獻標識碼：A文章編號：

16721683（2017）06011507

Abstract：Many glacier lakes are distributed in Tibet，ChinaWith the passage of time，the temperature gradually raises，and some glacier lakes begin to meltTheir bursts will directly result in disastrous cascade effects and induce secondary disasters such as flood and debris flowTherefore，it is imperative to timely carry out the study on the mechanism and hazards of glacier lake burstsIn order to better analyze the mechanism and hazard models of glacier lake bursts，we selected the Guangxiecuo glacier lake of Midui Gully in Tibet as the research object，and conducted a series of work including field investigation and sampling，indoor physical experiment，and highresolution remotesensing interpretationThe analysis results showed that the burst of Guangxiecuo lake was externally caused by abnormal climate and hydrological conditions and internally caused by the overflowtype and pipingtype mechanisms during the burst of the terminal moraine damAfter the burst，the flood gradually transitioned to debris flowThe migration of debris flow seriously threatens the villages，roads，and cultivated land on both sides of the channelThe mechanism research can provide scientific basis for prevention and early warning of glacier lake bursts in the future

Key words：Tibet；glacier lake；burst mechanism；hazard

在21世紀全球變暖影響下各地冰川普遍出現消融現象[1]。全球高海拔或在溫度劇烈變化的高山地區通常會分布大量的冰川泥石流，它們的分布密度與冰川所在區的物理性質、水熱條件及地形地勢密切相關[2]，例如在加拿大、冰島、挪威、帕米爾和我國喜馬拉雅山、西藏等高海拔地區分布大量的冰川。我國西藏境內冰磧湖潰決為最為常見的災害形式，50年以來在該區至少有20余次較大的冰磧湖潰決事件發生[34]。一旦冰磧湖潰決導致洪水、泥石流發生會給下游溝道中及兩岸的橋梁、公路、居民點帶來非常重大的災難，嚴重威脅當地群眾的生命財產安全[56]。近20年來，消融后退是大多數冰川所處的階段，尤其是在我國藏東南地區，冰川的消融引發一系列級聯效應，間接導致了冰湖潰決、泥石流等災害的發生[78]。

第15卷 總第93期·南水北調與水利科技·2017年12月

常鳴等·藏東南典型冰湖潰決機制及危險性研究

我國西藏冰湖的分布基本上由東南向西北方向呈遞減趨勢，其中林芝地區分布的冰湖是最多的，其余分別在日喀則地區、昌都地區及阿里地區[9]。由冰湖潰決產生的泥石流具有暴發突然、持續時間短、洪峰值高、流量大及級聯效應明顯等特點。此外大型泥石流還有可能在運移途中誘發溝道兩岸崩塌、滑坡等次生地質災害，產生一系列的級聯效應，進一步放大了冰湖潰決所帶來的威脅。在西藏地區大約記載了14處冰湖潰決型泥石流，本文列舉了近期冰湖潰決事件，見表1。

我國從20世紀80年代就開始對冰湖潰決事件展開研究，針對唐布朗冰湖潰決引發的泥石流，呂儒仁[10]對其成因開展了詳細分的析；針對波曲河的冰湖潰決事件徐道明[11]研究了其形成與沉積特征；為了更好地分析冰湖變化特征，GIS、RS等技術被廣泛應用，陳曉清[12]通過高精度遙感解譯統計了波曲流域20年來冰湖的變化情況；劉晶晶等[13]針對冰磧壩潰決現象初步分析了壩體失穩存在的管涌和溢流機制。本文選取西藏波密縣米堆溝泥石流的源頭光謝錯作為研究對象，通過開展野外調查、室內實驗及高精度遙感解譯等工作，分析冰湖潰決的內外因素及危險性，為今后藏東南地區冰湖潰決的防治及預警提供更好的防災減災對策。endprint

1研究區概述

本文研究區位于西藏東南部波密縣米堆溝的源頭光謝錯，位于北緯29°27′578″，東經96°30′35″。1988年7月15日由于米堆溝后源的貢扎冰川冰舌前緣發生整體崩落，致使終磧湖瞬間潰決，大量的洪水在短時間內強烈掏蝕溝道和兩岸坡體，最終由洪水轉換為泥石流。米堆溝口地處川藏公路84道班，直接與帕隆藏布交匯，交匯處西距波密縣約96 km，東距然烏湖約30 km，整個流域面積約為1205 km2，最低點堆積區海拔為3 600 m，最高點清水區海拔為6 600 m，相對高差為3 000 m，主溝道長度約76 km，平均縱比降31‰，見圖1。流域在3 850 m以上存在大型冰川，常年覆蓋積雪，4 500 m的地方分布貢扎冰川。貢扎冰川由貢扎主冰川、東支冰川、西支冰川三部分組成，見表2。其中貢扎主冰川的冰舌直接與冰湖接觸，其滑落后的冰舌直接沖擊冰湖，貢扎主冰川呈現出明顯的“座椅”效應，后壁形成十分陡峭的冰后壁。1988年7月15日米堆溝光謝錯發生潰決，最大洪峰流量可達127×103 m3s，歷時半個小時，潰決時洪水總量可達540萬m3[14]。由于大約有36×105 m3的冰舌斷裂滑移至冰湖，致使湖面平均上升14 m，潰決前冰湖總儲水量約為642×106 m3，面積約為052 km2，平均水深1235 m，有些地方可達32 m。光謝錯終磧堤失穩后，洪水瞬間下泄，致使潰決處大量的松散物質被裹挾進去，洪水在運行過程中，溝道兩岸的崩滑體不斷失穩且溝道出現揭底現象，導致洪水逐漸向泥石流轉變。通過現場野外調查，溝口處泥石流流量能夠達到1 0221 m3s，流速可達67 ms。米堆溝冰湖潰決后直接對溝道兩側米堆、俄次、古勒村的耕地、作物、房屋及人身安全產生嚴重威脅，在其匯入帕隆藏布后進一步對川藏公路造成重大損害，致使18座橋梁被毀，中斷交通半年之久。

2冰湖潰決的氣象水文條件

經過調查發現藏東南地區的冰湖潰決與現代地質冰川活動有著密切的聯系，而氣象水文是影響冰川活動最為主要的因素，冰川的運動能夠改變冰湖的形態，反應研究區氣象水文的重要指標是溫度和降雨量。一般來說，溫度的高低直接關系到冰川及終磧堤的穩定，降雨的多少直接影響冰湖的庫容及壓力的大小，溫度和降雨的雙重效應可以促進冰湖的潰決。據呂儒仁[15]調查，20世紀以來藏東南地區冰湖潰決事件都與該地區的降雨失衡及溫度大范圍的波動有緊密的聯系，因此，研究藏東南地區的氣象水文條件，尤其是溫度和降雨量十分必要。

21溫度條件

藏東南地區冰湖潰決現象與溫度的高低直接有關，溫度的降低與升高直接影響到冰川及終磧堤的增加和消逝，進而影響冰湖的穩定性狀態。在體現氣候變化因子當中，溫度的降低與升高是冰湖穩定性的一個反應，根據呂儒仁[15]調查，20世紀以來藏東南發生的冰湖潰決現象大部分發生在溫度由冷向熱轉變的年份里。當溫度降低時，有利于冰川的積累和推移，致使冰舌不斷延伸慢慢的靠近冰湖，其達到冰湖里后，相對冰湖整個容積來說，冰舌增加進入的速度遠小于引發冰湖劇烈震蕩的速度，因此不會引發冰湖潰決大災難，等達到冰湖容積上限時，由于終磧堤在冷環境下會更加堅固，整個冰湖存在于穩定的環境中，僅會出現平穩的溢流現象；當溫度升高的時候，經過統計藏東南地區氣溫相對上一年會升高1 ℃左右，尤其在夏季就會引起整個冰川的消融退縮，降低終磧堤的穩定性，冰雪融化后沿冰川表層運動進而進入冰湖，迅速增加湖水容積，在運動過程中就會出現下滲、侵蝕冰舌，導致其斷裂，瞬間崩落至湖水中，產生劇烈的涌浪，由于溫度升高終磧堤內的冰磧物不斷融化，降低其穩定性，隨著孔隙的增大可能出現大量的管涌。隨著冰舌的跳躍性變化，致使湖水量在短時間內的劇烈激增，產生了大量的涌浪，引起翻壩效應。涌浪不斷沖擊終磧堤，導致終磧堤的管涌加劇甚至潰壩，由此導致了洪水或泥石流等災害鏈的暴發。

研究區位于藏東南地區的波密縣，該地區是冰川泥石流活動最為強烈的地區，波密地區在最近的60年時間里年均氣溫基本呈現增加態勢。在20世紀80年代以前溫度相對較低，主要在低溫區波動，冰湖相對穩定，由冰湖引起的泥石流活動比較少；80年代至今氣溫逐步緩慢回升，促使冰川不斷地消融，加劇了冰湖潰決的風險，見圖2。研究區內的培龍溝于1984年、1985年、1988年三次暴發特大規模的冰川泥石流，堵塞了帕隆藏布江，形成了一個巨大的堰塞湖，最長65 km，最寬03 km，最深14 m，將近7 km的公路被淹沒，河床抬升了近10 m。1988年7月15日米堆溝光謝錯發生潰決，將帕隆藏布沿岸的公路沖毀，中斷交通半年之久。由趨勢線可以看出年均溫與時間存在著明顯的線性函數關系，復相關系數R=066，證明了年均溫與時間回歸效果非常顯著。

22降雨條件

藏東南地區冰湖潰決現象與雨量的大小直接有關，雨量的大小與冰湖的庫容量直接相關，可以影響冰湖的穩定性。在影響氣候變化因子當中，降雨的多少是冰湖穩定性的一個指標，20世紀以來藏東南發生的冰湖潰決泥石流現象大部分發生在降雨量增加的年份里。當降雨量降低的時候，相對冰湖整個容積來說，其儲存量會降低，同時對終磧堤的壓力也降低，即使冰湖小范圍潰決后也因為沿途水量的補給較少不會引發大規模的泥石流災害；當降雨量增加的時候，就會不斷沖刷冰川，隨著大量雨水的滲透，可導致冰舌的斷裂，產生涌浪，增加冰湖的庫容量，將壓力傳遞到終磧堤，最終在多種作用下導致冰湖潰決。由于降雨量的增加，會不斷將兩岸的松散固體物質帶入溝道，導致冰湖潰決后泥石流災害的發生。

研究區位于藏東南地區的波密縣，在最近60年時間里降雨量基本呈現出反復波動的現象。該時期冰湖潰決泥石流活動相對頻繁，培龍溝的3次大型潰決泥石流，以及光謝錯的潰決為典型的代表，在統計的年代區間內，1988年的年降水量達到了最高值為1 153 mm，其年均溫也達到了較高的9 ℃，見圖3。進入21世紀以來，降雨量相對以前有所減少，但是綜合全局考慮，整個研究區的氣候環境仍然以濕[CM（22]潤氣候為主，由此導致的由冰湖潰決引發的泥石流的風險性很大。本文擬合了年降雨量與時間的趨勢線，由趨勢線可以看出年降雨量與時間存在著明顯的冪函數關系，復相關系數R=071，證明年降雨量與時間回歸效果顯著。endprint

3冰湖潰決的機制分析

冰湖的形式有很多種，包含了冰面湖、冰斗湖、冰內湖、終磧湖、冰壩湖、冰磧湖等。根據調查西藏大多數的冰湖都是終磧湖，與冰川運動密切相關，并且其潰決后容易引發洪水、泥石流等次生地質災害。在藏東南地區已經有17場冰湖潰決的詳細記錄，劉晶晶總結了終磧湖潰決有四種形式[16]：漫頂溢流潰壩產生了洪水、管涌潰壩產生洪水、瞬間潰壩產生洪水、多種機制相互耦合；在研究區米堆溝野外調查及室內試驗發現，光謝錯的潰決是由冰舌部位斷裂產生涌浪及管涌潰壩兩種機制組合導致的。

31涌浪溢流機制

研究區米堆溝的光謝錯直接與貢扎主冰川的冰舌相連接，其冰舌受力更為復雜。在過去的幾年里，藏東南地區冰湖潰決主要是以溢流為主，一方面是冰川融雪和大氣降雨為冰湖提供水源補充，另一方面是湖水通過終磧堤緩慢的滲流，兩者基本保持平衡狀態。一旦冰舌斷裂入湖，會瞬間致使冰湖面急劇上升，產生規模巨大的涌浪然后導致形成的水頭高于溢出口，見圖4。

涌浪溢流在光謝錯冰湖主要體現在兩個地方：第一個是終磧堤，在高水頭的作用下，終磧堤溢流口處會形成強大的壓力，壓力分為兩部分，一部分壓力擠壓終磧堤，致使終磧堤的裂隙越來越大；另一部分壓力不斷地擠壓湖水，致使湖水不停的翻滾，不斷下切加深終磧堤的裂隙，并且能夠將湖底的泥沙啟動，激發泥石流的物源條件。第二個是冰舌，隨著溫度的上升及降雨強度的增加，冰舌可能會脫離冰川主體，滑落到冰湖中產生巨大的涌浪，其形成的沖擊力威脅終磧堤的安全。

研究區光謝錯冰湖符合涌浪溢流機制，在貢扎主冰川的冰舌受冰湖的浮力、自身重力、摩擦力及黏聚力四個力的作用，又鑒于1988年的溫度較高濕度較大，冰舌在綜合環境影響下瞬間斷裂入湖，產生強烈的涌浪，部分湖水在壓力作用下翻越終磧堤造成大量溢流。

32管涌潰壩機制

一般來說，在滲流作用下細顆粒從粗顆粒孔隙中被沖走的現象稱為管涌作用，對于終磧堤來說，管涌作用會使其變得薄弱。其作用在終磧堤上一般表現為以下三方面：（1）在氣候條件改變下，終磧堤內部的冰磧物會消融，管涌加大了孔隙的掏蝕強度；（2）孔隙中的細顆粒逐漸流失，進一步破壞了終磧堤的穩定性；（3）隨著涌浪帶來的壓力，湖底的泥沙被裹挾上來，在管涌條件下大量泥沙被帶出，直接導致次生災害泥石流的發生。

研究區米堆溝光謝錯冰湖的暴發也與管涌機制密切相關，見圖5，光謝錯終磧堤一般是由黏土、冰磧物、粗細不均的固體顆粒共同組成，其中細顆粒要占到80%左右，終磧堤平均高度約為45 m，在堤身最薄處的地方堤頂的寬度約為30 m，平均寬度約為50 m，背水坡的坡度能達到30°。據調查湖水分別從壩體的中部及左部管涌出來，為了更好的驗證光謝錯冰湖是否具有管涌機制，在野外對光謝錯冰湖進行了取樣和水位調查，通過研究土體的級配和壩體上下游水位水力坡度來確定其形成機制。根據對光謝錯的訪問調查研究，1988年潰決之前光謝錯湖面最長距離可達950 m，最寬可達550 m，面積可達0523 km2，由于連續高溫和降雨，光謝錯水位逐步升高，7月15日23時左右發生潰壩，潰口約10 min后下切到底，歷時25 h左右，排泄洪水總量可達278×106 m3，潰決后冰湖面積為0129 km2，通過一系列調查表明光謝錯土體的滲透坡降超過一定程度時，水的滲透作用對內不透水地表土層的頂托力大于地表土的重量，將會產生管涌現象[21]。同時針對終磧堤的級配開展取樣調查，粒徑分布見圖6。判斷終磧堤的級配一般采用不均勻系數和曲率系數來判定：

CU=d60d10（1）

CC=d230d10d60（2）

式中：CU代表了不均勻系數；CC代表了曲率系數；d10代表了泥沙顆粒中百分比小于10%的顆粒粒徑（mm）；d60代表了泥沙顆粒中百分比小于60%的顆粒粒徑（mm）；d30代表了泥沙顆粒中百分比小于30%的顆粒粒徑（mm）；在礫土或砂土中，同時滿足Cu≥5和Cc=1～3的時候，則為級配良好，不能夠同時滿足時則為級配不良，經過計算得到光謝錯部分參數，見表3。

根據土體的級配情況來推斷光謝錯的滲透破壞形式，發現光謝錯終磧堤的級配不良，比較容易產生管涌，然后再利用公式（3）中的細粒直徑d3、d5與孔隙的平均直徑D0進行進一步判別[17]，具體結果見表4。經過計算可以看出光謝錯的潰決中含有管涌潰壩機制。

D0=025C18Ud20（3）

4冰湖潰決泥石流危害及防治

在高山冰川的藏東南地區，冰湖潰決后一般以洪水、泥石流災害形式出現，崔鵬等總結了冰湖潰決后向泥石流演化的6種模式[18]。冰湖在潰決初期規模較大，一旦潰決大量的水體會突然釋放，將終磧堤的堆積物裹挾沖出，一開始在潰決口附形成規模巨大的洪水，然后沿途不斷沖刷兩岸，將固體顆?；斓綔系佬纬赡嗍?。研究區米堆溝光謝錯潰決后主要是洪水、稀性泥石流次生災害，本文詳細分析了米堆溝泥石流的溝道及巖性條件，見米堆溝縱坡面圖7，發現十分有利于冰湖泥石流的形成。

光謝錯潰決時，大量的湖水擠壓光謝錯冰堤，在堤壩口處由于終磧堤出現裂縫，會瞬間形成流速很大的洪流。然后根據溝道縱坡降及冰湖所處位置的地勢條件，洪水的沖擊力很強，會不斷沖刷溝道兩側的岸坡堆積物，溝床比降的不斷變化對泥石流的形成有很大的影響[19]。當溝床上有迭水和陡坎的時候，有利于大規模泥石流的形成。一旦從狹小縫隙轉換到寬闊的區域就會產生淤積，當於埋速度過快時就會產生很大的破壞力，對溝道沿岸的村莊造成嚴重破壞，經過野外調查米堆溝的溝道較為順直，堆積於埋較少。如果沿途松散堆積物過多的進入溝道就會讓洪水轉變為泥石流，米堆溝泥石流的容重為153 gcm3[14]，屬于稀性泥石流，在流通過程中對溝道中下游的米堆、俄次、古勒村造成了一定的威脅，1988年的光謝錯冰湖暴發泥石流就將這三個村子的房屋和耕地部分摧毀[20]。當泥石流沖出溝口時，所攜帶的固體物質將帕隆藏布沿線的道路全部掩埋水毀，致使交通完全中斷。endprint

一般冰湖堰塞壩潰決按時間可分為三類：高危型堰塞湖、即消型堰塞湖及穩態型堰塞湖。冰湖形成的堰塞壩通常以漫頂溢流與潛蝕管涌的形式發生潰決現象。治理冰湖潰決需要充分考慮到冰湖特征、水文氣象、危害范圍及施工條件等因素。經研究分析，今后光謝錯還存在潰決的風險。光謝錯冰湖堰塞壩的潰壩工程應急處理應該從兩個方面展開：（1）通過工程措施在冰湖上開設排水通道，使得冰湖底部過載水流逐步順暢導入下游，同時拓寬及加固兩岸的河堤，防止冰湖潰決后洪水擴散；（2）通過相關工程措施，在水位較低的時候，及時排除冰湖堵塞體和減小水位差，削弱泥石流沖刷能力，防止壩體在短時間內整體潰決。

5結論

通過總結藏東南地區的冰湖潰決事件，本文重點以光謝錯為研究對象，分析了冰湖潰決的氣象水文條件、成因機制及危險性，結果如下。

溫度和降雨是影響冰湖潰決最為主要的外部因素。一般來說，溫度的高低直接關系到冰川及終磧堤的穩定，降雨的多少直接影響冰湖的庫容及壓力的大小，溫度和降雨的雙重效應可以促進冰湖的潰決，它們和冰湖潰決的時間回歸效果顯著。

在米堆溝野外調查及室內試驗發現光謝錯潰決的內因是由涌浪溢流及管涌潰壩兩種機制組合形成的。涌浪溢流機制主要體現在光謝錯冰湖終磧堤的溢流及冰舌斷裂的涌浪；通過野外取樣級配分析后發現在終磧堤潰壩的過程中存在管涌機制。

光謝錯潰決后完成了洪水稀性泥石流的轉變過程，一旦發生潰決洪水會攜帶大量泥沙運移形成稀性泥石流，隨著泥石流裹挾帶來的泥沙會於埋到兩岸的村莊、耕地及林地，并且損毀道路堵塞河道，造成重大的生命財產損失。參考文獻（References）：

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