气候变化影响下高山区泥石流形成机制研究及展望
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Research and prospect on formation mechanism of debris flows in high mountains under the influence of climate change
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通讯作者:
编委: 武俊杰
收稿日期: 2020-09-14 修回日期: 2020-12-07
基金资助: |
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Received: 2020-09-14 Revised: 2020-12-07
作者简介 About authors
鲁建莹,硕士研究生,主要从事河流地貌及地质灾害研究.E-mail:
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鲁建莹, 余国安, 黄河清.
LU Jianying, YU Guo’an, HUANG Heqing.
0 引言
高山区冰川、冻土等对气候变化十分敏感,在全球气候变化(尤其升温)的大背景下,近几十年来我国青藏高原(尤其藏东南地区)、川西及新疆天山地区、欧洲阿尔卑斯山区、北欧斯堪的纳维亚山脉、冰岛、南美安第斯山区、北美落基山脉以及新西兰等国内外冰川冻土整体上处于快速消融退缩状态[8-14]。这些高山冰川、冻土急剧消退地区孕育了适宜泥石流发育的地形和物源条件[15],是高山区泥石流的多发区。总体上看,气候变化引起的升温和降雨变化(如强降雨事件增多)使潜在孕灾环境更易于成灾[16],如我国318国道川藏线和拟建川藏铁路重要通行区的藏东南地区、新疆天山地区独库公路、欧洲阿尔卑斯山区等频繁暴发大型甚至特大型泥石流灾害,阻断交通,损失巨大。因此,气候变化影响下高山区泥石流的现实危害和潜在风险正日益引发关注[17-21]。
国内外学者对高山区泥石流成因和起动条件等已开展大量研究,但由于起动机制复杂,其预测预警仍非常困难,因此,深入研究高山区泥石流的形成条件和机制,提出科学有效的预测预警和防控策略,不仅是紧迫的国家需求,而且具有重要的科学价值。目前,针对高山区泥石流的研究涵盖暴发成因及起动机制[22-30],动力过程、泥沙输送及地貌效应[26,31-34],泥石流事件与气候条件的关系[35-37]等。近年来,在对典型泥石流事件成因分析的基础上,开展冰川冻土体消融破坏机制、冰碛土泥石流起动特征等研究。同时,在现阶段还难以完全揭示高山区泥石流形成物理机制的实际情况下,尝试从统计角度挖掘泥石流发生与气象(水、热)条件的关系和暴发阈值。本文简要回顾近期高山区泥石流暴发成因和机制的主要研究进展,述评已有成果并探讨未来研究应关注的几个问题,以期促进高山区泥石流研究进一步深入。
1 典型高山区泥石流暴发与气象(水热)条件的关系
尽管全球气候变化的研究和地面监测主要集中于低海拔平原区,不过相关的研究已证实高山区气候变化和全球气候变化的一般趋势是吻合的,且高纬度或高海拔山区温度变化更为显著,升温速率会随着海拔的升高而增大(即升温海拔依赖现象elevation-dependent warming, EDW)[38-40]。纬度较高的欧洲阿尔卑斯山区Segl-Maria站(瑞士东南部瑞意边境,46°25.9′ N、9°45.7′ E,海拔1 804 m)和海拔较高的我国青藏高原波密站(藏东南,29°51.5′ N、95°46.2′ E,海拔2 736 m,)气象监测数据显示气候(尤其气温)呈现显著变化(图1)。其中,Segl-Maria站和波密站气温均呈上升趋势[图1(a)],Segl-Maria站监测系列较长,1980年以前升温较缓,1980年以来升温趋势显著;波密站监测系列较短,自20世纪60年代开始监测以来气温显著上升。相对而言,降水的区域分异明显,且波动十分强烈[图1(b)],Segl-Maria站年降水量仅有微弱上升趋势,波密站年降水量上升趋势较为显著。
图1
图1
欧洲阿尔卑斯山区Segl-Maria站和我国藏东南波密站年平均气温(a)和年降水量(b)变化
数据来源:meteoswiss(http://www.meteoswiss.admin.ch),中国气象科学数据中心(http://data.cma.cn)
Fig.1
Variations of annual mean air temperature and annual precipitation based on monitoring at Segl-Maria Station (European Alps) and Bomi Station (Southeast Tibet)
虽然高山区泥石流的发生不仅受气候因素(降水、气温)影响,还受地质地貌(岩性、坡度、局部地形)和物源(储量、级配构成)等其他因素制约,但在其他因素相对不变的条件下,气候变化引起的升温和降雨变化(强降雨事件增多)无疑会促进高山区泥石流的发生。图2为基于历史事件记录的欧洲阿尔卑斯山区和我国藏东南地区典型流域(区域)泥石流发生频率变化,其中,图2(a,b)为单一流域,图2(c,d)为区域范围。总体上看,这两个区域泥石流发生频率呈上升趋势,其中瑞士Ritigraben流域[图2(a)]已有的历史记录中超过一半的泥石流事件发生在近30年;瑞士Dorfbach流域[图2(b)]近百年来泥石流发生频率自1990年以来明显上升;法国阿尔卑斯山区[图2(c)]1970年以来和我国藏东南地区[图2(d)]近1950年以来泥石流发生频率总体也呈波动上升趋势,这与两个地区的气候变化尤其气温变化总体趋势相一致。图2(d)中藏东南地区泥石流发生频率统计未包括古乡沟泥石流事件,因为古乡沟泥石流暴发与1950年察隅8.0级地震有密切联系[41]。随着震后沟内松散物源逐渐减少,其泥石流发生频率和强度相应呈递减趋势[42]。为在宏观上准确掌握气候变化影响下区域泥石流发生频率变化,应尽可能排除地震等非气候激发因素影响,考虑物源为非限制因素(即物源充足)的泥石流事件,故古乡沟泥石流事件未予考虑。另外,需要指出的是,对于法国阿尔卑斯山区和藏东南地区而言,直接比较两者泥石流发生频率大小意义不大,因为不同资料对泥石流事件的统计遴选标准有所差异,法国阿尔卑斯山区的数据包含了各种规模的泥石流事件,而藏东南地区的泥石流事件根据已有文献资料汇总,更侧重中等规模以上泥石流事件,对小规模事件可能覆盖不足。即便如此,不妨碍从宏观上考察两个区域泥石流暴发频率的总体趋势。
图2
分析欧洲阿尔卑斯山区和我国藏东南地区泥石流发生频率与气候变化的统计结果,可以看到高山区泥石流暴发与气象条件存在紧密关系,水热条件变化对高山区泥石流形成具有重要影响。许多国内外学者尝试从降雨和气温两个气象因子入手,挖掘泥石流暴发和两个因素的响应关系和统计规律[35-37,67-70]。已有的研究中,降雨因子主要包括前期雨量、临阵降雨强度,而气温因子包括前期积温、前期均温、暴发前日最高气温等(表1)。例如,基于美国落基山脉高山区27场冰雪消融形成滑坡(泥石流)事件,分析滑坡触发时间与气温(采用日最高气温6日滑动均值)的关系,通过统计分析获得冰雪融化形成滑坡的阈值气温[68];通过分析藏东南帕隆藏布流域典型冰川泥石流沟10场大型泥石流过程暴发时间和气象条件,建立冰川(冰川融雪)泥石流起动的经验判定模型[69]。也有学者尝试将气象因子(日最高温度、日降雨量)与堆积体稳定性指标(泥水位、地表位移、含水率)相结合,建立冰川降雨型泥石流预警模型[71]。
表1 部分高山泥石流暴发事件与气象因子关系分析实例
Table 1
降水指标 | 气温指标 | 泥石流指标 | 区域/流域 | 文献来源 |
---|---|---|---|---|
3日累积降水* | 暴发时间 | 瑞士阿尔卑斯山Ritigraben | [35] | |
日最高气温6日滑动均值 | 滑坡暴发† | 美国落基山脉 | [68] | |
3日累积降水 | 3日最高气温之和 | 暴发时间 | 中国藏东南古乡沟 | [70] |
日降水 | 日最高气温 | 洪峰流量 | 中国藏东南古乡沟 | [36] |
累积降水 | 积温# | 暴发时间 | 中国藏东南天摩沟 | [37] |
累积降水 | 前期均温 | 暴发时间 | 中国藏东南地区 | [69] |
2 高山区泥石流成因和机制
图3
图3
高山区泥石流主要起动类型和研究重点
Fig.3
Schematic diagram of the two macro-groups of debris flows in high mountains and related research highlights
2.1 典型泥石流事件成因
高山区泥石流可能由不同的环境条件触发,但大部分泥石流事件发生在夏季(或初秋),说明水热(降雨、温度)条件对泥石流激发形成有重要影响。表2列出近年来国内外研究报道的典型高山区泥石流事件,其中国内的研究主要集中于藏东南地区,尤其以近年十分活跃的天摩沟为典型,国外则涵盖印度、北美、欧洲和南美等地区。
表2 近年国内外报道的典型高山区泥石流事件及成因/机制
Table 2
地区 | 区域/流域 | 暴发时间 | 泥石流规模/104 m3 | 成因/机制 | 文献来源 |
---|---|---|---|---|---|
亚洲 | 中国藏东南天摩沟 | 2007-09-04 2010-07-25 2010-09-03 2018-07-11 | 10~100 | 升温和降雨触发冰崩、滑坡,沟道短暂形成堰塞体后溃决 | [24,28,37,79-82] |
中国藏东南色东普沟 | 2018-10-17 2018-10-29 | 约1 500 约700 | 升温和2017年米林6.9级地震共同引发冰崩 | [84-86] | |
印度背阿坎德邦Gangotri冰川 | 2017-07-16/07-19 | 790±10 | 冰川退缩、冰碛物消融失稳、连续降雨等多因素共同作用触发冰碛堰塞湖溃决 | [29,83] | |
北美洲 | 美国华盛顿州喀斯喀特山脉Rainier山 | 2006-11-06/11-07 | 约5 | 强降雨,起动区沟蚀+流通区侧蚀 | [26] |
加拿大不列颠哥伦比亚省Meager山火山区 | 2010-08-06 | 约4 850 | 山体滑坡 | [75] | |
欧洲 | 瑞士Zermatt山谷 | 1864—2008年(共118场) | 5—8月,短时强暴雨引发;9—10月,长时间暴雨引发 | [87] | |
瑞士Ritigraben岩石冰川 | 1958—2005年(共47场) | 0.1~2.7 | 冰川冻土消融退化,松散堆积物形成、补给和蠕移 | [88] | |
瑞士Bondasca山谷 | 2012-07-05/09-24(共4场) | 2011年冬季岩崩产生大量物源,2012年汛期降雨激发形成泥石流 | [89] | ||
2017-08-23/08-25(共15场) | 54.5±5 (第1场规模) | 2017年岩崩产生巨量物源,泥石流过程无降水贡献 | [3] | ||
意大利、法国、瑞士三国(17个位置) | 1983—2003年 (共17场,I类9场,II类2场,III类6场) | I类<80 II类<10 III类<15 | I类:长时强降雨,坡积物水分饱和失稳;II类:短时暴雨破坏冰川径流系统;III类:冰湖溃决或冰雪融化 | [6] | |
法国阿尔卑斯山区 | 1961—2000年 | 强降雨 | [90] | ||
挪威Fjærland山 | 2004-05-08 | 24 | 冰湖溃决 | [34] | |
俄罗斯高加索山区Kolka-Karmadon | 2002-09-20 | 10 000 | 岩体/冰体滑坡 | [74] | |
冰岛Gleidarhjalli地区 | 1999-06-10/06-12 | 约0.3 | 冰雪快速消融 | [22] | |
挪威Fjærland | 2004-05-08 | 24 | 冰湖溃决 | [34] | |
南美洲 | 阿根廷巴塔哥尼亚安第斯山脉Rio Manso冰川河谷 | 2009-05 | 洪峰流量 4 100 m3⋅s-1 | 强降雨,冰碛坝漫顶,冰湖溃决 | [91] |
秘鲁Cordillera Blanca的Rio Santa山谷 | 1962-01-10 1970-05-31 | 约1 300 约5 300 | 冰崩、岩崩引发 地震触发冰崩、岩崩 | [76-77] |
土力类过程和水力类过程的耦合对泥石流的触发和规模放大有重要影响。我国藏东南的天摩沟在过去十多年里十分活跃,发生了数次泥石流(表2),按照规模进行分类[78],均为大规模泥石流。研究认为,天摩沟第一次泥石流(2007-09-04)是由升温和降水引起的冰崩岩崩所触发,其他三次泥石流(2010-07-25,2010-09-03,2018-07-11)主要是由夏季降水和冰川融雪径流激发,这四场泥石流过程在演进过程中由于沟谷冰碛物沿程侵蚀或堵溃效应(滑坡或雪崩短暂形成冰碛堰塞湖后溃决)而规模不断放大[24,28,37,79-82]。印度喜马拉雅山区Gangotri冰川的泥石流事件也是由多种因素耦合触发形成,包括冰川退缩、冰碛物消融退化形成松散堆积物、持续降雨以及冰碛湖溃决等[29,83]。除强降雨外,因升温而引起的冰雪快速消融形成径流也是高山区激发形成泥石流的一种重要机制[22],因为冰川、冻土退缩形成的松散堆积物在径流冲蚀作用下极易失稳形成泥石流。
瑞士阿尔卑斯山区Bondasca山谷泥石流事件显示物源条件及其变化对泥石流发育形成有重要影响[3]。Bondasca山谷2012—2017年共发生19起泥石流事件,这些事件均与两次岩崩密切相关。第一次岩崩发生在2011年冬季(12月27日),产生1.5×106~1.7×106 m3的松散堆积物;第二次发生在2017年夏季(8月23日),产生(3±0.02)×106 m3松散堆积物。2011年冬季发生的第一次岩崩并没有立即转化为泥石流,不过,2012年夏季的一般强度降雨引发了4场泥石流。但随后的2013—2015年,类似强度的降雨过程并未进一步触发泥石流事件(说明2012年的4场泥石流已基本将2011年崩塌产生的松散物源输送至下游)。2017年夏季的第二次岩崩,岩体崩落过程中撞击峡谷冰川,几乎立即转化为泥石流,在9.5小时内发生了10次泥石流,在之后2天内又发生了2次。重要的是,2017年岩崩引起的泥石流几乎完全没有降雨过程参与。
2.2 冰川及冰碛物坡体/岩体失稳机制
式中:τ为冰填充岩石节理破坏时的剪切应力,是正应力σ、内聚力c和摩擦角φ的函数。
文献[99]通过控制实验[温度区间为(-8±0.1)~(-0.5±0.1) ℃],拟合得到冰冻岩石节理破坏的临界剪切力与正应力和温度的函数关系[式(
不过,尽管已有大量证据支撑岩体、冻土升温而失稳破坏的事实[17,107-109],但将单个失稳破坏事件确定无疑地归结为由升温引发还很困难。需要指出的是,高山区多年冻土具有复杂的空间分布特征,受坡度、坡向、海拔、阳光辐射和降雪等时空分布的影响[105,110],坡体失稳及物质运动输移与温度变化有关,但两者之间关系的强度区间和频率范围十分宽广[12,92,111]。基于瑞士阿尔卑斯山区、勃朗峰(Mount Blanc massif)和新西兰南阿尔卑斯山脉53次新近大型岩石崩塌和事件发生季节气象条件(日最高气温)的分析显示,除瑞士阿尔卑斯山区24场大型崩塌中的14场发生前有一天或多天高温记录,勃朗峰(仅2年监测数据)和新西兰南阿尔卑斯山的崩塌事件和气温监测数据并没有显著性统计结果支撑高温天气对应更高的崩塌发生率[112-113]。这说明升温导致的冰川冻土消融与泥沙堆积物坡体/岩石破坏失稳之间可能存在时间延迟,而这种延迟具有很大的不确定性。
2.3 冰碛土泥石流起动特征
近年国内对高山区泥石流的研究关注冰碛土的起动特征和影响因素。我国冰碛土广泛分布在青藏高原及周边区域,与分布于干旱河谷的宽级配砾石土体特征不同,冰碛土虽也属宽级配砾石土体,但粗大颗粒多、黏粒含量少,因此摩擦阻力大、黏滞阻力小[30]。现代冰碛土一般堆积于冰缘区末端或冰蚀沟谷,而老冰碛土则一般为历史冰期遗存的冰碛物历经化学、物理和生物作用所形成。
国内冰碛土起动的研究目前涉及三个典型区域:基于川西贡嘎山地区开展冰碛物物源补给特征和形成机制的研究[27,114-115],分析得到物源粒径的弱双峰型分布特征,将物源汇集过程分为沟道汇集阶段、土体粗化阶段和循环冻融阶段三个阶段,提出这类泥石流形成过程的四阶段模式;以中巴公路喀喇昆仑山区原状冰碛土开展起动实验,分析土体不同初始含水率条件下融水冲刷冰碛物形成泥石流的起动过程[116],实验发现泥石流起动类型为坍塌推移型,探讨含水率与渗流、冲刷作用及孔隙水压力的关系;针对藏东南帕隆藏布流域嘎隆拉冰川末端三种冰碛土体(经过风化改造的老冰碛土体、现代冰碛土体和混合冰碛土体)开展降水与冰雪融水作用下泥石流起动实验,比较不同颗粒组成、不同实验条件下的土体起动泥石流特征[30]。实验发现,随黏粒含量不同,冰碛土起动特征存在明显差异。当黏粒含量较高时(>3%),土体发生铲蚀+面蚀型泥石流起动;当黏粒含量中低时(不高于3%),大部分坡面泥石流起动以掏蚀+坍塌型为主;当黏粒含量过低时(<0.32%),冰碛土体不易起动泥石流[30]。通过对帕隆藏布流域嘎隆寺沟不同细粒含量的冰碛土开展比重和相对密度测试以及实验,探讨细粒含量对冰碛土抗剪强度的影响。实验发现,细粒含量引起孔隙结构的差异,一定范围内,细粒含量升高导致抗剪强度降低[117]。
3 未来研究应关注的问题
3.1 宏观尺度气候变化与高时空分辨率气象数据
高山区泥石流暴发与气候条件(尤其是气温和降水)密切相关。现有研究多以特定泥石流事件或特定泥石流沟为对象分析高山区泥石流起动与气象条件的关系,未来应关注小流域与区域乃至全球尺度的结合。研究气候变化(如升温或高强度降水事件概率上升等)条件下高山区泥石流起动,针对IPCC气候报告(2020—2050年),定量评估典型高山区(如藏东南地区)气候的可能变化趋势,建立完善多尺度降水-气温经验模型,藉此在区域甚至全球尺度上分析气候变化影响下的高山区泥石流未来特征。
基于统计方法建立的泥石流预判方法的可靠性和准确性一方面依赖于数据样本的大小,如泥石流事件样本数,考虑的降雨、气温、物源等因子数;另一方面则受制于气象数据的精度和时空分辨率。高山区地形变化强烈,其气象因子(尤其降雨)空间分异十分显著。由于高山区气象站点分布稀疏,目前在分析特定流域泥石流暴发成因时,多采用泥石流暴发流域附近站点的气象数据进行替代,客观上存在误差和不确定性。因而,应对高山区典型泥石流流域气象监测站点进行加密布置,以获取高时空分辨率的气象数据。基于RCP气候变化情景模式进行空间降尺度分析,结合遥感降水栅挌数据多边型区域纠偏等方法获取研究区时间序列气象数据资料[69]是较好的尝试,但仍需加强与地面站点实测数据比对和验证。
3.2 高山区冰川冻土(冰碛物坡体/岩体)失稳及物源变化的不确定性
图4
冰川冻土和冰碛物坡的稳定受气候变化的显著影响,应关注由于气候变化(尤其气温上升)等引起高山区冰川或多年冻土区0 ℃等温线的上移变化,因为0 ℃等温线的上移意味着原本常年被冰雪覆盖或处于冰冻状态的岩石或冰碛坡积物将消融出露,转化为潜在的泥石流物源。根据未来气候变化的可能情景,估算典型高山区0 ℃等温线上移的可能范围,开展系统的野外调查,并借助遥感和GIS技术,估算潜在可“动”物源量级、分布和属性(级配构成、岩性),特别注意大规模崩塌滑坡事件造成的“准”泥石流物源量的急剧增加对潜在泥石流暴发的影响。
3.3 高山区泥石流发育的动力学机制
目前对高山区泥石流的起动机制尚需进一步回答两个基本问题:(1)对于由冰川(冰碛物坡/岩体)滑坡、崩塌等土力类过程触发形成的泥石流,揭示含冰/雪土体的液化机制和重点因子(如孔隙压力)的动态变化规律,在此基础上明晰滑坡/崩塌体转化为泥石流需要的地形地貌和环境条件(如坡体坡度及长度、温度、土体含水量、物源特征等);(2)对于降雨、冰雪融水等水力类过程引发的泥石流,需阐明水动力条件下土体颗粒起动的动力学机制。
物理模型实验和野外原型观测是泥石流起动研究的两个重要手段。物理模型实验在研究泥石流起动的动力学机制方面不可或缺[6],但受模型比尺、实验泥沙颗粒粒径、高山区冰沙混合物制作、可控温度条件等客观因素制约,小规模模型实验难以真实反映高山区野外“自然”泥石流起动和动力过程[118]。随着传感器、信号存储和传输等技术手段的进步,野外原型观测在泥石流研究日益受到重视[119-124]。不过,针对高山区复杂环境泥石流的原型观测和监测分析仍十分薄弱。有必要以典型泥石流沟为对象,集成地声、次声、视频、压(应)力监测等技术手段,构建涵盖气象(降雨、气温)、地震波、次声波、流速、泥位、孔隙压力、正压力等指标的监测体系,开展沿程多断面高时空分辨率气象和泥石流起动的原型观测,系统收集泥石流起动过程中重点因子动态变化的数据资料。这将有助于检验和修正现有高山区泥石流起动模型,深入认识泥石流起动和演进过程的关键影响因子和作用机制。
4 结语
在全球气候变化的大背景下,高山区尤其高山冰川或积雪的边缘地带是泥石流灾害的多发区。近三十年来国内外围绕高山区泥石流暴发与气象条件的关系、典型高山区泥石流暴发成因、冰川冻土/冰碛物坡体消融失稳机制、冰碛土起动特征等已开展广泛研究,但由于研究对象十分复杂,实验和野外观测难度巨大,高山区泥石流发育机制和起动条件的研究依然任重道远。未来应继续加强高山区宏观尺度气候变化与高时空分辨率气象数据监测分析,开展物源动态变化和补给速率调查研判,明晰高山区冰川/冰碛物坡体失稳机制和临界条件,揭示高山区泥石流发育的动力学机制,推动高山区泥石流研究进一步深入。
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