亞洲高山區冰湖潰決洪水事件回顧

張太剛， 王偉財， 高壇光， 安寶晟，3， 尚雪雪

（1.蘭州大學資源環境學院，甘肅蘭州 730000； 2.中國科學院青藏高原研究所，北京 100101；3.西藏大學理學院，西藏拉薩 850011）

0 引言

亞洲高山區（即青藏高原及周邊地區）冰川快速退縮［1-4］，導致大量冰湖的形成與擴張，其中以冰磧湖和冰壩湖為代表。在冰-雪崩、滑坡、強降水、冰川躍動等不穩定因素的擾動下，極易導致壩體坍塌或破裂，冰湖快速大量釋水，從而形成冰湖潰決洪水（glacial lake outburst floods，GLOFs）。這種典型的冰川災害自1939 年被定義以來［5］，引起了社會各界的廣泛關注［6-7］。20 世紀80 年代以來，亞洲高山區冰磧湖潰決主要發生在喜馬拉雅山脈和念青唐古拉山地區，潰決頻率大體不變，平均每年發生1.3起［8］。歷史上，全球有記錄的冰湖潰決洪水事件超過1 300 起，其中源于冰壩湖的潰決洪水占70%，主要發生在冰島、阿拉斯加和格陵蘭島等地區；源于冰磧湖的潰決洪水占9%，主要發生在青藏高原、歐洲阿爾卑斯山及南美洲安第斯山等地區；源于基巖阻塞湖、未知壩型和誘因、由火山活動誘發的潰決洪水占21%，累計造成約12 000人死亡［9-11］。

冰湖潰決洪水具有突發性強、量級高、災害性大等特點，其對下游溝谷造成大量侵蝕［12］，破壞沿岸基礎設施，威脅居民的生命財產安全［13-15］。例如，2013 年7 月5 日，位于西藏自治區嘉黎縣的然則日阿錯潰決，受災人口達1 160 人，49 座房屋被毀，大量農田、橋梁遭到破壞，直接經濟損失高達2.7 億元［16］；喀喇昆侖山的克亞吉爾冰壩湖，1810—2018年有記錄的潰決洪水共計34 次，20 世紀60 年代以來，每10 年至少發生3 起潰決洪水事件，平均每年造成約1 000 萬美元的經濟損失［17］。在亞洲高山區孕育著超過30 000 個冰湖［18］，近30 年來，隨著氣候變暖、冰川退縮，冰湖快速擴張，區域環境的不穩定導致冰湖潰決洪水災害事件不斷增加［8，19-21］。

在全球變暖背景下，亟待建立冰湖潰決洪水數據庫，以進一步對冰湖進行危險性評估和風險管理，并加強社會對冰湖潰決洪水的理解、預防和治理。例如，劉建康等［22］統計出中國西藏地區自20世紀以來共發生37 起潰決事件，Komori 等［23］統計出截至2012 年不丹共發生21 起潰決事件。但目前已有的研究成果多局限于某一行政區或山脈，還缺少對整個亞洲高山區冰湖潰決事件的系統匯總和分析。基于此，本文根據大量科學文獻和新聞報道，統計20世紀以來亞洲高山區發生的冰湖潰決事件，厘清其時空變化特征、洪水特征和誘發因素等問題，為進一步研究該地區冰湖潰決洪水災害與人類社會、自然生態之間的相互作用，提供科學數據支撐。

1 研究區概況

亞洲高山區有全球中低緯度最為豐富的冰川資源，共發育冰川95 537 條，面積達到（112 061±2 940）km2，冰儲量（4 734±350）Gt，占世界冰川總數量的45.4%，總面積的14.5%，以及總體積的4.4%［24-25］。由于氣候變暖導致廣泛的冰川退縮，到21 世紀末，青藏高原冰川預計損失約36% 的冰儲量［26］，這將導致新的冰湖形成或原有冰湖的擴張。2018 年，亞洲高山區共發育30 121 個冰湖，總面積達到（2 080±2）km2［18］。1990—2015 年，喜馬拉雅山脈地區冰湖擴張了約14.1%，中亞錫爾河河源高山區面積增加的湖泊中有69% 屬于冰湖。增加的冰川融水聚集在冰川退縮形成的洼地，是該區域冰湖形成與擴張的主要原因［27-29］。在冰川持續退縮的狀態下，冰-雪崩、冰湖潰決及一些次生災害頻發，嚴重影響區域可持續發展［8，30-31］。

在亞洲高山區，冰湖潰決洪水主要分布在天山山脈、興都庫什山、喀喇昆侖山、喜馬拉雅山脈、念青唐古拉山、橫斷山以及帕米爾高原一帶，其中喜馬拉雅山脈地區是世界冰磧湖潰決事件發生最為頻繁的區域（圖1）。自20 世紀以來，喜馬拉雅山脈地區有文獻記載的冰磧湖潰決事件超過60 起［20］。近30 年來，有32 起冰磧湖潰決事件發生在喜馬拉雅山脈中東段，遠高于青藏高原的其他區域［8］。相關研究機構正嘗試對該地區的冰湖進行系統性的風險評估［32-38］。例如，Wang 等［38］根據冰湖的危險性、下游社區的暴露度、脆弱性及適應能力，確定了喜馬拉雅山脈地區116 個具有潛在風險的冰磧湖；Allen 等［34］根據冰湖的危險性和下游社區的暴露度確定了青藏高原上24個高風險或極高風險的冰湖，它們大部分分布在西藏的吉隆縣、聶拉木縣和定日縣。

圖1 亞洲高山區冰磧湖潰決洪水和冰壩湖潰決洪水事件分布［8］Fig.1 The distributions of moraine-dammed and ice-dammed lake outburst floods on the High Mountain Asia［8］

2 數據與方法

2.1 建立地區歷史冰湖潰決洪水數據庫

根據冰湖類型的不同，可將潰決洪水分為不同的類型。如Vilímek 等［10］的研究中，將其分為冰磧湖潰決洪水、冰壩湖潰決洪水和巖體阻塞湖潰決洪水。在Carrivick 等［9］的研究中，則分為冰磧湖潰決洪水、冰壩湖潰決洪水、未知冰湖類型和誘因的潰決洪水，以及火山活動造成的潰決洪水。綜合區域冰湖的差異性和研究的簡便性，本文將亞洲高山區的潰決洪水分為冰磧湖潰決洪水和冰壩湖潰決洪水兩類（圖1）。

基于大量科學文獻和新聞報道等，統計自20世紀以來亞洲高山區發生的冰磧湖、冰壩湖潰決洪水事件，建立該地區歷史冰湖潰決洪水數據庫。收集每個事件的屬性，包括冰湖名稱、潰決時間、國家/地區、冰湖類型、經緯度、潰決誘因、潰決水量、洪峰流量和來源共9個方面。使用117景各時期的Landsat影像和Google Earth 圖像對每起事件進行驗證，例如冰湖出口“V”形溝槽、沖積扇、湖泊面積變化等特征，以確保每起事件的真實性。由于個別事件發生準確時間不確定，只存在一個大致的范圍，如1999年10 月—2000 年8 月，本文在主要的分析工作中假定時間下限為事件發生時間。

2.2 冰磧湖潰決誘因分類

亞洲高山區冰磧湖潰決的誘發因素可分為5類，即冰-雪崩或冰川滑塌、滑坡-巖崩、強降水或上游來水、埋藏冰融化或管涌、地震。前三種誘因主要是大量物質（水、冰雪、巖石等）進入湖中形成涌浪，它們可以高達數十米，破壞壩體的穩定性。物質向湖中運動和產生的涌浪可能導致兩種不同的壩體潰決機制：第一種是由于涌浪的沖擊而導致壩體立即破裂，這是最具災難性的情況；第二種是由于流出水量增加而導致的壩體破裂。相比于直接的潰壩，這一過程相對緩慢［39］。埋藏冰可能占到冰磧壩的大部分體積，地下冰的消融會破壞壩體的結構完整性，從而削弱壩體的穩定性。當形成冰下管道導致冰湖逐漸被排空，一般沒有明顯的潰決痕跡，這也是天山山脈地區主要的冰湖潰決誘因；當冰磧壟塌陷或者形成管涌時，同樣會導致壩體破裂［39-40］。強度較大的地震足以對冰磧壩的穩定性產生影響，同時地震還會引發滑坡、冰崩等。在某些狀況下，難以分清是地震直接導致冰湖潰決，還是地震導致的物質運動造成的。針對冰湖潰決誘因數據的缺失，本文假設未知誘因事件為隨機事件，不影響樣本的整體分布，以此來計算各個誘因所占比例。

2.3 冰磧湖潰決洪水特征重建

潰決水量和洪峰流量是衡量冰湖潰決洪水量級的重要指標。在最后的統計結果中，由于各個潰決事件的隱蔽性、難預測性等原因，鮮有通過模擬、實測或洪水調查等手段獲得的特征值，使得統計數據嚴重缺失。鑒于此，本文使用經驗公式法對20世紀80 年代以來具有清晰無云遙感影像覆蓋的冰磧湖潰決事件，重建其潰決水量和洪峰流量。選擇冰磧湖而非冰壩湖，主要原因有三點：首先，相比于冰壩湖潰決洪水，冰磧湖潰決洪水在空間分布上更加均勻，在時間上不會出現像克亞吉爾和麥茨巴赫冰壩湖這樣連續潰決的現象；其次，冰磧湖潰決洪水有著更為明顯的潰決特征，如潰口，這在冰壩湖潰決中是少有的；最后，由于冰壩湖在短時間內存在多次潰決的現象，以現有的遙感影像很難捕捉到冰湖潰決前后的真實狀況。

冰湖水量與面積之間存在著一定的統計關系［41-42］。通過獲取潰決洪水發生前后的Landsat 影像，確定冰湖面積變化狀況，進而計算得到冰湖潰決的實際水量。經過對比選取，本文使用Wang等［43］提出的經驗公式。

式中：A為冰湖面積（m2）；V為冰湖體積（m3）。這一公式根據喜馬拉雅山脈地區20個冰磧湖水量、面積數據獲得（R2=0.919），但其運用的主要是大型的冰磧湖數據，在一些中小型湖泊應用中明顯低估了水量值。為了獲得較為認可的數值，依據7 個具有可靠潰決水量數值的事件，對這一公式進行校正。經過試驗，乘數校正系數取3.2，能夠很好地將相對誤差控制在50%以內（表1）。

表1 冰湖潰決水量重建驗證Table 1 Verification of reconstruction of glacial lake outburst water volume

潰決水量的計算使用Costa 等［44］提出的公式（R2=0.890），其在重建龍糾錯潰決洪峰流量中有過成功應用［45］。

式中：ΔV為冰湖潰決前后體積變化，即潰決水量（m3）；Q為洪峰流量（m3·s-1）。

3 結果與分析

3.1 冰湖潰決洪水空間分布

20 世紀以來，亞洲高山區共計發生冰湖潰決洪水277 起，源自97 個冰磧湖和24 個冰壩湖，其中冰磧湖潰決洪水113 起，冰壩湖潰決洪水164 起（圖1）。潰決冰湖的總數量約占冰湖數量（30 121個）的0.4%，累計造成7 000 余人死亡。最嚴重的一起潰決洪水傷亡事件發生在2013年6月17日，印度Choradari 冰磧湖潰決造成6 000 余人死亡［46］。1900—2018 年，喜馬拉雅山脈地區發生冰磧湖潰決洪水事件71 起，是整個亞洲高山區發生最多的區域，其中喜馬拉雅山脈中段發生冰磧湖潰決洪水37起，東段發生33 起，西段發生1 起。此外，天山山脈地區發生23 起，藏東南地區發生15 起，而帕米爾高原、興都庫什山和喀喇昆侖山地區發生較少（附表1）。冰壩湖多分布于冰川資源豐富的天山山脈和喀喇昆侖山地區，受到大型山谷冰川活動的影響，其潰決通常具有周期性，如位于喀喇昆侖山的克亞吉爾冰壩湖和天山山脈的麥茨巴赫冰壩湖，兩者自20世紀以來共發生96起潰決洪水。

中國發生冰磧湖潰決洪水事件最多，占總事件的47.7%，其次是天山山脈地區的吉爾吉斯斯坦，喜馬拉雅山脈南麓的不丹、尼泊爾等國；吉爾吉斯斯坦發生冰壩湖潰決洪水事件最多，其次是喀喇昆侖山地區的巴基斯坦、中國和印度（附表2）。

對20 世紀80 年代以來各地區冰磧湖潰決洪水特征重建結果表明，喜馬拉雅山脈中段冰湖潰決水量最大，平均為3.10×106m3；其次是藏東南和喜馬拉雅山脈東段，分別是2.63×106m3和1.55×106m3；天山山脈地區最小，為0.20×106m3。1954 年7 月16日，桑旺錯潰決水量達到300×106m3，是青藏高原地區有記錄的潰決水量最大的冰磧湖潰決事件［47］。洪峰流量仍然以潰決洪水分布最為集中的喜馬拉雅山脈中東段最大，平均值為3 108 m3·s-1、2 609 m3·s-1；藏東南為2 002 m3·s-1；天山山脈地區最小，為413 m3·s-1（圖2）。天山山脈地區潰決洪水具有體量小的特征，這主要是由于天山山脈地區冰磧湖面積相對較小，發生潰決的誘因主要是以埋藏冰融化而泄水所致［48］。從趨勢上看，自1980 年以來，亞洲高山區冰磧湖潰決洪水的水量和洪峰流量并沒有增長趨勢，甚至在天山山脈和喜馬拉雅山脈地區兩者還存在顯著的下降趨勢（圖2）。

圖2 1980—2018年亞洲高山區不同地區冰磧湖潰決事件數量及潰決水量和洪峰流量變化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 冰湖潰決洪水時間變化

區域冰湖潰決洪水頻率的研究多受制于不完整的災害數據庫。本文通過大量的資料收集，建立了較為完整的亞洲高山區冰湖潰決洪水事件數據庫，共記錄了113 起冰磧湖潰決事件，其中發生在1980 年以后的事件有70 起，遠多于Veh 等［8］、Harrison等［19］的統計結果（表2，附表1）。1980年以來，青藏高原地區冰磧湖潰決頻率存在增長趨勢（圖3），平均每年發生1.84 起。喜馬拉雅山脈東段的不丹和中國是歷史上發生冰磧湖潰決事件較多的地區，但2010 年以來發生較少，僅有2015 年6 月18 日潰決的Lemthang Tsho 和準確潰決時間不確定的Upper Luggye Tsho（2009 年11 月—2010 年10 月）。相比之下，喜馬拉雅山脈中段的尼泊爾、中國發生8起潰決事件，如貢巴通沙錯（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，成為新的冰磧湖潰決洪水高發區，這將是未來重點關注、防范的地區（圖1）。

表2 1980年以來亞洲高山區冰磧湖潰決事件及潰決水量、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

圖3 1980年以來亞洲高山區冰磧湖潰決洪水發生頻次Fig.3 The frequency of outburst floods from moraine-dammed lakes on the High Mountain Asia since 1980

冰壩湖的潰決同樣出現新的高發區。在Bhambri等［49］的研究中發現，喀喇昆侖山地區的冰壩湖潰決洪水主要發生在5 個小流域中，而克亞吉爾和Khurdopin 兩個冰壩湖所在的流域即是近年的高發區（圖1）。

3.3 冰磧湖潰決誘因

亞洲高山區導致冰湖潰決的誘因呈現多樣性。其中，冰-雪崩或冰川滑塌占50.1%，埋藏冰融化或管涌占23.1%，強降水或上游來水占18.5%，滑坡-巖崩導致的冰磧潰決事件占7.4%，地震誘發最少，為0.9%。冰-雪崩或冰川滑塌、強降水或上游來水在喜馬拉雅山脈和念青唐古拉山等地區均有發生，埋藏冰融化或管涌主要發生在天山山脈地區。

4 討論

冰湖潰決洪水已經成為亞洲高山區主要的自然災害之一。研究人員進行了許多冰湖時空變化［28-29，50］、危險性評估［21，34，38］、冰湖潰決洪水模擬［51-52］和災害防治［17］等工作，加深了對氣候變化影響下冰川和冰湖過程的理解。在本文的分析中，有兩點關鍵的觀察結果：①1980 年以來冰磧湖潰決頻率呈增長趨勢；②冰湖潰決水量和洪峰流量變化沒有上升趨勢，反而在天山山脈和喜馬拉雅山脈地區呈現出下降趨勢。

20世紀80年代以來，亞洲高山區冰湖出現了大范圍擴張，冰湖潰決頻率出現增長趨勢。這一結論具有較高可靠性。首先，進行冰湖潰決洪水頻率分析時，數據庫的完整性至關重要，本文所統計的樣本數量遠多于之前的研究［8-9，19］，所以與Veh 等［8］的研究結論（自20 世紀80 年代以來，喜馬拉雅山脈、念青唐古拉山等地區冰磧湖潰決洪水頻率保持不變）不同。其次，與全球其他地區對比發現，亞洲高山區的冰湖潰決頻率變化表現出明顯的不同，1975年以來全球冰湖潰決洪水的發生頻率有所下降。雖然其中不乏有一些人為因素導致的結果，如秘魯Cordillera Blanca 山區由于對冰湖進行了大量的保護措施（人工固壩、排水等），使得潰決事件鮮有發生［9，53］，但這種全球性的變化仍然擺脫不了氣候變化的影響。Harrison 等［19］在的研究中將這一現象的原因歸結于氣候變化后冰川擾動的“滯后”反應，而非直接的關系。在對潰決事件形成的三個階段（冰川消融退縮、冰湖形成與擴張、冰湖潰決事件增加）中，前兩個已經有了顯著的表現。在天山山脈、喜馬拉雅山脈以及藏東南地區冰川的強烈消融作用下，導致了大量冰磧湖的形成與擴張，而在冰川較為穩定的帕米爾高原、喀喇昆侖山等地區，未來也可能形成大量的冰磧湖［54］。 據Harrison 等［19］、Shugar 等［55］的預測，在現有的升溫背景下，未來幾十年冰湖潰決洪水頻率將會增加，即進入第三階段。這對于相關國家和地區未來的防災減災策略有著重大影響，一些工程性和非工程性措施的應用必須協調高危險冰湖下游各地區，做到及時有效預警和統一聯動防護。

通過回歸分析（圖3）以及M-K趨勢檢驗（圖4），可以明確，亞洲高山區冰湖的潰決水量與洪峰流量沒有呈現增加的趨勢（帕米爾高原、興都庫什山和喀喇昆侖山地區由于樣本數量稀少，不做主要的分析討論），具體表現為藏東南地區沒有變化，而天山山脈和喜馬拉雅山脈地區兩者呈現顯著的下降趨勢。結果的不確定性多來自于對潰決水量和洪峰流量的重建方法，基于經驗公式的計算本身就存在一定的局限性，但并不會對最終結果產生較大影響。重建的水量值是通過冰湖潰決前后面積變化得出，而水量與面積之間是一種正比例的關系，流量值也存在類似的狀況。通過分析潰決冰湖的面積變化趨勢可以從中發現，近十幾年來，天山山脈和喜馬拉雅山脈地區更加趨向于小冰湖的潰決，藏東南地區無顯著變化（圖5）。這一結論很好地佐證了最終結果的可靠性。雖然小冰湖更多出現完全潰決的情況（表3），但仍然不及大中型冰湖潰決所產生的危害，二者之間存在著量級上的差別。

圖4 M-K顯著性檢驗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 冰磧湖潰決后面積變化Table 3 Area changes after the moraine-dammed lake failure

圖5 各地區潰決前個體冰湖面積變化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 結論

通過對亞洲高山區的歷史冰湖潰決洪水事件及其特征的分析，得出以下結論：

（1）20 世紀以來，亞洲高山區共計發生冰湖潰決洪水277 起，其中冰磧湖潰決洪水有113 起，冰壩湖潰決洪水有164起。1980年以來，天山山脈、喜馬拉雅山脈和念青唐古拉山地區冰湖在數量和面積上均有大幅度的增加，冰磧湖潰決洪水的發生頻率也呈增長趨勢，但冰湖的潰決水量和洪峰流量沒有增長趨勢。

（2）冰磧湖潰決洪水主要發生在喜馬拉雅山脈中東段、念青唐古拉山及天山山脈地區，冰壩湖多分布于冰川資源豐富的天山山脈和喀喇昆侖山。2010 年以來，喜馬拉雅山脈中段的尼泊爾、中國發生8起潰決事件，遠高于天山山脈、喜馬拉雅山脈東段和念青唐古拉山地區，成為新的冰湖潰決洪水高發區，這將是未來重點關注、防范的地區。

（3）亞洲高山區導致冰磧湖潰決的誘因呈現多樣性。冰-雪崩或冰川滑塌占50.1%，埋藏冰融化或管涌占23.1%，強降水或上游來水占18.5%，滑坡-巖崩導致的冰磧潰決事件占7.4%，地震誘發最少，為0.9%。

附表1 亞洲高山區冰磧湖潰決洪水事件Attached table 1 Glacial lake outburst floods events from the moraine-dammed lakes on the High Mountain Asia

續附表1

續附表1

附表2 亞洲高山區冰壩湖潰決洪水事件Attached table 2 Glacial lake outburst floods events from the ice-dammed lakes on the High Mountain Asia

續表2

續附表2

續附表2

續附表2

續附表2