冰川冻土, 2023, 45(4): 1205-1219 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0092

第二次青藏高原综合科学考察研究

藏东南尼都藏布流域冰湖水量变化及潜在溃决诱因评估——以塔弄错为例

祁苗苗,1,2, 刘时银,1,2,3, 高永鹏1,2, 谢福明1,2, 潘兮然1,2, 张子凡1,2, 姚晓军4, 张晨扬1,2, 朱钰1,2

1.云南大学 国际河流与生态安全研究院, 云南 昆明 650091

2.云南省国际河流与跨境生态安全重点实验室, 云南 昆明 650091

3.中国科学院 西北生态环境资源研究院 冰冻圈科学国家重点实验室, 甘肃 兰州 730000

4.西北师范大学 地理与环境科学学院, 甘肃 兰州 730070

Water volume changes and assessment of potential outburst triggers for glacial lakes in the Nidu Zangbo basin， southeastern Tibet： a case study of Tanong Co

QI Miaomiao,1,2, LIU Shiyin,1,2,3, GAO Yongpeng1,2, XIE Fuming1,2, PAN Xiran1,2, ZHANG Zifan1,2, YAO Xiaojun4, ZHANG Chenyang1,2, ZHU Yu1,2

1.Institute of International Rivers and Eco-security，Yunnan University，Kunming 650091，China

2.Yunnan Key Laboratory of International Rivers and Transboundary Eco-security，Kunming 650091，China

3.State Key Laboratory of Cryospheric Science，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

4.College of Geography and Environmental Science，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China

通讯作者: 刘时银，研究员，主要从事冰冻圈变化研究. E-mail： shiyin.liu@ynu.edu.cn

收稿日期: 2022-11-30   修回日期: 2023-04-10  

基金资助: 第二次青藏高原综合科学考察研究项目.  2019QZKK0208
国家自然科学基金项目.  42271129
国家重点研发计划政府间国际科技创新合作项目.  2021YFE0116800
云南大学人才引进项目.  YJRC3201702
云南大学研究生科研创新项目.  2021Z018

Received: 2022-11-30   Revised: 2023-04-10  

作者简介 About authors

祁苗苗，博士研究生，主要从事冰湖溃决灾害研究.E-mail：qmm@mail.ynu.edu.cn , E-mail：qmm@mail.ynu.edu.cn

摘要

藏东南尼都藏布流域冰雪崩、滑坡和泥石流等山地灾害频发，研究团队于2021年10月对流域内的塔弄错进行了水深测量和周边地貌环境调查。同时，利用短基线合成孔径雷达干涉测量（SBAS-InSAR）技术监测了尼都藏布流域的地表形变速率，以识别冰湖周边的潜在滑坡体、崩塌体等诱灾因素。最后，基于数值模型RAMMS和波浪传播模型，评估了不同情景下崩塌体入湖和水量变化对冰湖溃决风险的影响。结果表明，塔弄错的最大水深为29.45 m，平均水深为15.21 m，水量为1 820 842 m3。塔弄错周边5个不稳定区域的平均形变速率远高于其他区域，将来可能会成为触发塔弄错溃坝的外界诱因。模型模拟显示，塔弄错在入湖崩塌体质量增加或水量增加情况下，产生的洪峰流量、溃口深度和坝顶承受的压力均显著增加。因此，建议在冰湖溃决风险评估工作中重点关注周边有崩塌隐患点且水量持续增长的冰湖，并实时观测崩塌区的动态变化，为下游及时做好冰湖溃决洪水的避险提供预警信息。

关键词： 冰湖 ; 水深测量 ; 水量变化 ; 崩塌体入湖 ; 涌浪 ; 尼都藏布流域

Abstract

The Nidu Zangbo basin is prone to mountain hazards， such as snow avalanches， landslides， and debris flows. In October 2021， we conducted a water depth measurement and a survey of the surrounding terrain in Tanong Co located in the basin. Using the short baseline synthetic aperture radar interferometry （SBAS-InSAR） technique， we also monitored the surface deformation rate of the Nidu Zangbu basin to identify potential trigger factors for disasters， such as landslides and collapses， around the glacial lake. Finally， we evaluated the risk of glacier lake outburst floods （GLOFs） using the numerical models RAMMS and wave propagation model under different scenarios， taking into account the impact of landslide entry into the lake and water volume changes. The results show that the maximum depth of Tanong Co is 29.45 m， with an average depth of 15.21 m and water volume of 1 820 842 m3. The average deformation rate of the five unstable slopes around Tanong Co is significantly higher than that of other regions， which may become an external trigger for dam failure. The model simulations indicate that increasing landslide mass or water volume will result in a significant increase in the peak discharge， breach depth， and pressure on the dam crest of Tanong Co. Therefore， we recommend giving special attention to glacial lakes with potential collapsing points in their surroundings and continuously increasing water volume during the risk assessment of GLOFs. We also suggest monitoring the dynamic changes in the collapsing area and providing early warning information about GLOFs to downstream villages.

Keywords： glacial lake ; bathymetry ; water volume change ; landslide entry into the lake ; impulse wave ; Nidu Zangbo basin

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本文引用格式

祁苗苗, 刘时银, 高永鹏, 谢福明, 潘兮然, 张子凡, 姚晓军, 张晨扬, 朱钰. 藏东南尼都藏布流域冰湖水量变化及潜在溃决诱因评估——以塔弄错为例[J]. 冰川冻土, 2023, 45(4): 1205-1219 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0092

QI Miaomiao, LIU Shiyin, GAO Yongpeng, XIE Fuming, PAN Xiran, ZHANG Zifan, YAO Xiaojun, ZHANG Chenyang, ZHU Yu. Water volume changes and assessment of potential outburst triggers for glacial lakes in the Nidu Zangbo basin， southeastern Tibet： a case study of Tanong Co[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2023, 45(4): 1205-1219 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0092

0 引言

冰碛阻塞湖（简称冰碛湖）指以现代冰川融水为主要补给源，受冰碛垄阻塞在终碛垄与冰舌之间形成的湖泊［1］。随着全球气候变暖，冰川融水增加，为冰碛湖的扩张和发育提供了充足的空间和水源补给［2-4］。冰湖不仅是高山区重要的水资源，也是许多冰川灾害的孕育者和发源地［5-6］。冰湖溃决洪水（glacial lake outburst flood，GLOF）指冰湖中储存的大量水由于坝体垮塌或湖水漫顶、瞬间泄洪形成的突发性洪水［7］。已有记录表明大部分冰湖溃决洪水源自于冰碛湖，此类洪水具有突发性强、洪峰流量高、破坏性强、波及范围广等特点［8-10］。不仅可以直接破坏下游地区的基础设施，而且可能引发滑坡或泥石流等一系列次生灾害链［5-6，11］。青藏高原东南部自1935年以来记录已发生了近20次冰湖溃决洪水［10，12-13］。冰湖溃决洪水严重影响着承灾区居民的生命财产安全及寒区基础设施，现已成为制约山区可持续发展的重要因素之一［5，14］。

冰碛湖产生突发性洪水的诱因主要包括两个方面：坝体稳定性和外界诱因。其中，坝体稳定性与冰碛坝材料组成，是否有冰核存在，坝体可承载的静水压力等密切相关［7］。通常，基于遥感影像无法直接判断冰碛坝的组成材料以及是否有冰核存在情况，研究者通过冰湖水量变化来代表冰碛坝的稳定性随着水量增大而减小［15］。冰湖溃决的外界诱因主要包括冰雪崩、冰滑坡、土质滑坡体等崩塌体落入冰湖中，湖水位的迅速抬升对终碛垄坝体形成强大的冲击力致使坝体瞬间坍塌，或崩塌体入湖引发的涌浪不断侵蚀坝顶材料，导致出水口的不断展宽和下切，最终在静水压力作用下坝体发生坍塌湖水外泄［16-17］。冰湖溃决洪水历史记录表明，崩塌体是诱发冰湖溃决最普遍的外界触发因素之一。Zheng等［10］汇总的亚洲高山区109次冰湖溃决洪水中，除了47%的诱因未知外，近40%均是崩塌体诱发的溃坝洪水事件。就全球范围而言，由于冰雪崩、滑坡或岩崩体等入湖诱发涌浪而导致坝体坍塌的事件比例占一半以上［18］。其他极端情况包括地震导致的冰碛坝沉降、管涌和侧碛垄坍塌［19］、溢流通道的临时堵塞［20］等都可能导致冰湖漫顶溃坝。许多制约因素也可能使某一特定的冰碛坝容易垮塌，如低干舷和坝体宽高比小，坝体结构脆弱，以及冰湖周边正在退化的多年冻土或大规模埋藏冰核的存在［7，21-22］。冰碛湖溃决的机制非常复杂，不仅涉及到冰湖水量变化，且与母冰川、坝体构成及气候要素都有着十分密切的联系，是各种要素耦合触发的事件，且任何一次的冰湖溃决洪水事件都有一个触发性的诱因在先。

青藏高原东南部尼都藏布流域地质基础脆弱，是现代地壳运动最活跃的地区之一，极大的高差与陡峭的山体促使岩崩、滑坡、冰雪崩及泥石流等山地灾害频发［23-24］。流域内冰湖然则日阿错［25］和吉翁错［23］均因崩塌体入湖发生溃坝洪水引发泥石流，对忠玉乡基础设施造成巨大损失。迄今为止，该流域内仍有一些冰湖处于高溃决风险状态，如塔弄错等［26-27］。在当前气候变暖影响下，冰川和冰湖周边地形地貌发生着动态演变，如冻融风化作用强度和频率增加导致的冰湖周边边坡失稳、冰雪崩以及冻融循环加剧导致的频繁崩塌等，均可成为触发冰碛湖溃坝洪水的外界诱因。受交通条件和高山峡谷恶劣环境制约，关于冰湖周边潜在崩塌体及其与冰湖之间关系的研究较少。因此，本文将冰湖水量作为坝体稳定性和潜在洪峰流量的替代指标，潜在崩塌体（仅土质滑坡体）作为触发冰湖溃决外部诱因考虑。通过对尼都藏布流域的塔弄错水深和周边环境实地考察，利用遥感和数值模型手段，评估冰湖周边潜在崩塌体对冰湖溃决风险的影响。本文结果可为忠玉乡及附近在建水电站减灾避险突发性洪水提供参考，对冰湖危险性评估工作有借鉴意义。

1 研究区概况

尼都藏布流域面积为1 270 km2，大部分山峰海拔在6 000 m以上，海拔落差达3 720 m，属于典型的极高山峡谷地形。由于流域内构造运动强烈，历史上多发大地震，沟内还广泛发育着松散堆积物。塔弄错（93°37′ E，30°26′ N）位于尼都藏布的上游段，属于嘉黎县尼屋乡依嘎村北后山的牧区。该湖属于典型的冰前湖（冰碛湖），湖面海拔4 678 m，2010年前其母冰川冰舌与冰湖接触，其地理位置如图1所示。随着冰川的退缩，当前冰舌与冰湖之间已相距388 m。塔弄错北部为母冰川，面积为7.29 km2，西部和东部分别为海拔5 400 m发育有小冰川的山峰。尼都藏布流域地处西风带、印度洋季风与东南季风的交汇处，属高原亚寒带半湿润季风气候区［25］。近40年间该区年平均气温约为-0.2 ℃，最高月均气温为9 ℃，最低为-11 ℃。该区年均降水量约为750 mm，主要集中在5—9月，占全年的约83%。

图1

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图1   塔弄错地理位置及周边地形

Fig. 1   Location of Tanong Co and the surrounding terrain


根据野外考察，塔弄错位于典型的极高山峡谷地貌，三面环山，后缘冰川陡坎坡度在9°~12°之内，冰舌和湖面之间的落差约100 m［图2（a）］。冰雪消融形成的径流直接汇入塔弄错，末端溢流口宽约15~20 m［图2（b）］。塔弄错下游河道谷坡急陡，沟床纵比降大。湖面东侧岸坡平均坡度为30°~40°，表面风化和卸荷作用强烈，存在大量冰碛物。这些冰碛物稳定性和排水性较差，在冻融、风化作用下于岸坡脚处形成松散堆积体［图2（c）］。在上游突发性洪水影响下，这些松散堆积物可能成为泥石流的主要物源。

图2

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图2   塔弄错野外调查情况（图中照片均由姚晓军教授在2017年拍摄）

Fig. 2   Field survey of Tanong Co （All the photos were taken by Professor Yao Xiaojun in 2017）


2 数据与方法

2.1　数据

2.1.1　遥感影像

本研究基于GEE（Google Earth Engine）云平台筛选云量小于10%，时间为10—12月的Landsat遥感影像，利用水体指数法（MNDWI）每间隔10年自动提取冰湖边界，并进行了人工检查。2022年无云的Sentinel-2数据被作为冰湖边界提取过程中的校准数据。GEE云平台提供的30 m数字高程模型作为地形的参考数据。为识别冰湖周边潜在崩塌体，使用每隔12天总计97景Sentinel-1A升降轨数据（轨道号143/096、077/488，数据类型SLC，极化方式VV）提取地表形变速率。使用的数据详情如表1所示。

表1   本研究中使用的遥感数据

Table 1  Details and parameters of remote sensing datasets in the study

数据日期分辨率用途来源
Landsat TM/OLI1988—2022年30 m提取长时间序列的冰湖面积数据GEE平台
Sentinel-2A2020-07-2710 m补充和参考数据或用于底图展示GEE平台
资源3号02星2020-08-255.8/2.1 m补充和参考数据或用于底图展示文献［23］
World Imagery2014—2022年0.26/0.51 m补充和参考数据或用于底图展示①
SRTM DEM2002年30 mSBAS-InSAR流程的输入数据GEE平台
Sentinel-1A2021-01—2022-0820 m×5 m提取塔弄错周边的地表形变速率②

注：①https：//livingatlas.arcgis.com/wayback；②欧洲航天局ESA（https：//search.asf.alaska.edu/）。

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2.1.2　野外调查

本团队于2021年10月使用一艘配备单波束回声测深器（CHCNAV D230）的无人船对塔弄错进行水深测量。该设备结合了北斗高精度全球定位系统与无人船自动控制技术，具有稳定可靠的船体姿态和惯性测量单元（IMU）传感器。其测深精度为±0.01 m+水深的0.1%，探测范围在0.15~200 m。测深过程中，为保证换能器始终浸入水中，防止换能器和螺旋桨碰触水中的基岩，实际测量路线距离湖岸至少2~5 m。总计2 791个点以3 m为间隔布满全湖，满足数据空间插值的要求。测深路线如图3所示。

图3

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图3   冰湖测深原理及野外水深测量

Fig. 3   Principles of glacial lake sounding and field water depth measurement： unmanned ship （a）， principles of sounding （b）， glacial lake sounding （c） and sounding track （d）


2.2　方法

本研究主要基于塔弄错的野外水深测量数据重建了水量，根据地形地貌调查情况和SBAS-InSAR方法提取的流域地表形变速率，识别了冰湖周边的潜在崩塌体等诱灾因素。最后，基于数值模型RAMMS（rapid mass movement simulation）和波浪传播模型，评估了不同情景下崩塌体入湖和水量变化对冰湖溃决风险的影响。塔弄错的潜在溃决风险评估流程如图4所示。

图4

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图4   塔弄错的溃决风险评估流程

Fig. 4   Assessment process of outburst risk for Tanong Co


2.2.1　水量估算及误差评估

参考同类研究［17，28］，冰湖水量可通过下式来计算。

V=∑k=1nDkA

式中：V为体积（m3）；Dk 为每个像元的水深值；n为像元个数；A为像元面积。

水量的误差主要来源于单个测点误差（Δob）、插值误差（Δin）及湖区边界误差（Δar），基于下式估算实测水深带来的误差。

δΔv=δ2Δob+δ2Δin+δ2Δar

式中：Δv为水量误差（106 m3）。单个测点误差（Δob）主要来源于测量误差（如实际声速、电机转速）和外部因素（如水温差异、水中气泡、船舶摇晃等）。在本研究中，回声测深仪的数据精度为0.01 m±0.1%的水深。在温度不确定度为±2 ℃的情况下，确定水深误差约为±0.7%［29］。此外，由于近岸岩石影响的测量误差，假设水深的不确定性是0.1%［29］。因此，总计水深测量的不确定性为±1.9%，本文中平均水深误差为0.26 m。插值误差（Δin）主要取决于观测点的代表性，本文将80%的观测点用于插值，其余20%用于测试来估算插值结果的精度，计算得插值均方根误差为1.34。湖区边界误差（Δar）可用下式直接计算［13］。

δΔar=λP22

式中：P为冰湖周长（m）；λ为遥感影像的空间分辨率（m）。

2.2.2　潜在崩塌体识别

崩塌体是诱发冰湖溃决洪水的主要因素之一。本文仅识别冰湖周边能够进入湖区，且形变速率较大的不稳定斜坡作为潜在的崩塌体隐患点。短基线合成孔径雷达干涉测量（SBAS-InSAR）技术适用于长时间序列的地表形变监测，尤其对于复杂山区，具有不受天气制约和大面积监测等优势而被广泛应用于地质灾害的早期识别中［30-31］。因此，本文利用SBAS-InSAR技术监测了尼都藏布流域的地表形变速率。参考标准差作为相对稳定值的选取标准［30］，将变形速率-14~14 mm·a-1确定为稳定区（正负值代表靠近或远离雷达视线方向）。基于不同的形变速率值，区分不稳定斜坡类型为L1（-20~-14或14~20 mm·a-1）、L2（-35~-20或20~35 mm·a-1）和潜在崩塌区（<-35或>35 mm·a-1）。最后基于高分辨率遥感影像进行冰湖周边不稳定斜坡的解译与圈定。此外，本研究使用Amirahmadi等［32］基于多个滑坡的实测数据构建的经验关系估算潜在崩塌体的体积。

2.2.3　崩塌体入湖涌浪模拟

根据波浪理论［33］，崩塌体入湖形成的涌浪属于重力波类型。在涌浪的产生和传播过程中，崩塌体入湖处的撞击速度是涌浪产生的重要控制参数。RAMMS是一种二维的数值模型，用于模拟物体（雪崩、滑坡、泥石流和浅层滑坡）在三维地形中起始、跳动至结束的运动过程，能够有效计算物体的运动速度和质量变化［34］。在冰湖溃决危险性评估中，已有不少研究通过应用RAMMS的不同模块计算雪崩、冰崩、滑坡体落入冰湖的撞击速度，从而模拟涌浪的传播和坝体的侵蚀过程［17，35-36］。本文应用RAMMS模型中的Deris Flow模块来模拟塔弄错上游碎屑流的运动情况，然后基于波浪传播模型［33］讨论崩塌体入湖对冰湖的影响。

3 结果与分析

3.1　塔弄错测深及水量变化

水深测量显示，塔弄错最大水深（29.45±0.03） m，平均水深（15.21±0.02） m。湖区从冰川末端入水口（A）至出水口（A′）剖面线历经三个最深点E（12.38 m）、F（29.45 m）、G（23.60 m）［图5（a）］，湖底地形并不平坦。图5（b）显示距离A点172 m处的H点存在一个冰碛脊（水下6.3 m），据野外考察该处是一个陡坎，可能冰川侵蚀力度较小。随着冰川退缩，I点处的侵蚀力度逐渐加强。其余三条东西向剖面如图5（c）~（e）所示，整体上湖区西面边坡坡度较大。值得注意的是，剖面线（C—C′）50 m处存在一个“缓坡”［图5（d）］，由于湖区西边坡是裸露地表，实地考察和高分辨率影像（0.26 m）显示此处有碎屑流的迹象，可能是湖区边坡上崩落的松散堆积物，后文也将对该区不稳定边坡进行详述。

图5

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图5   塔弄错测深结果（a）及水深剖面线图［（b）~（e）］

Fig. 5   Bathymetric survey results of Tanong Co （a） and the water depth profiles ［（b）~（e）］


2021年塔弄错的水量是（1 820 842±6 013） m3。1990—2022年塔弄错湖面范围主要朝冰川末端扩张，近30年间面积扩张了约34%（+34 498 m2），平均扩张速率为1 078 m2·a-1［图6（a）~（b）］。随着湖面范围的扩张，塔弄错的水量以5 335 m3·a-1的速率增长，总计扩张了约10%［图6（c）］。基于实测的湖底海拔，结合不同时期的湖面范围共同构建了湖盆三维形态。如图6（d）所示，湖盆由最初的两个最“凹”的底部逐渐扩张形成了三个最“凹”的底部区域，湖盆宽度变化不明显，长度表现出显著的扩张趋势。

图6

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图6   1990—2022年塔弄错动态演变过程

Fig. 6   Dynamic evolution process of Tanong Co from 1990 to 2022： lake expansion trend （a）， changes in lake area （b）， changes in water volume （c） and lake basin morphological changes （d）


3.2　塔弄错潜在溃决诱因评估

塔弄错周边不稳定斜坡总计有11处，分布情况如图7所示，具有潜在崩塌风险的5个区域基本信息如表2所示。从冰湖之间的位置及形变量级来看，1号和2号区域累积形变量最大（-86 mm和-87 mm），平均形变速率也最大（32 mm·a-1），该区距冰湖最远，直线距离分别1 600 m和958 m，所处海拔也最高，沟谷平均纵比降大，均属于潜在高位滑坡隐患点；3号区域位于冰舌端侧碛，基于ITS_LIVE估算冰舌段1990—2018年均流速为3.007 m·a-1，远高于冰川表面其他区域，因此该区受冰川支沟溯源侵蚀严重，平均形变速率（28 mm·a-1）和累积形变量（-67 mm）仅次于1和2号区域；4号区域位于湖泊西侧边坡海拔5 186 m处，离冰湖最远且海拔位置最高，不稳定区域面积最小；5号区域位于塔弄错西面，属于湖区的边坡，由于坡度较大（32°），失相干导致形变数据不够全面，野外考察发现此处存在一些松散堆积物，结合高分辨率光学影像可清晰观察到碎屑流情况。

图7

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图7   塔弄错周边潜在崩塌区分布（底图为Google Earth影像）

Fig. 7   Distribution of the potential collapse areas around Tanong Co （Regions 1， 2， and 4 are the descent data， and regions 3 and 5 are the ascent data） （The base images are from Google Earth imagery）


表2   塔弄错周边潜在崩塌区的基本信息

Table 2  Basic information of the potential collapse areas around Tanong Co

编号海拔/m面积/m2体积/m3

平均形变速率/

（mm·a-1）

最大形变速率/

（mm·a-1）

累积形变量/mm离湖的直线距离/m
15 17878 977256 94332-75-861 600
25 133193 463643 09932-92-87958
34 884202 030672 27628-67-67160
45 18648 040154 4412147431 600
54 775818 3382 816 07918377.40

注：平均形变速率为绝对值。

Note：The average deformation rate is an absolute value.

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3.3　崩塌体入湖对塔弄错的潜在影响

图8显示了塔弄错上游碎屑流（3号区域）落入冰湖的速度和碎屑流厚度变化情况，该情景是在假设崩塌区断裂深度为2.8 m，摩擦系数μ和ξ分别为0.2和1 200 m·s-2的条件下发生的，其参数设置参考了段仕美等［37］讨论摩擦系数μ和ξ在不同地形和海拔下的取值范围。在2.8 m的断裂深度下，崩塌区释放了约451 581 m3的崩塌体以26.29 m·s-1的撞击速率进入冰湖。如图8所示，高质量和高速运动的崩塌体进入冰湖后，主要产生了三个过程：①涌浪的产生，②涌浪的传播，③涌浪的爬高和坝体漫顶冲刷。

图8

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图8   碎屑流的运动及其坠入塔弄错后产生波浪的过程（Fh1表示水平方向坝体承受的静水压力，Fh2表示波浪和静水压力的总冲击力，涌浪过程示意图基于文献［33］修改；底图为Google Earth影像）

Fig. 8   Movement process of the debris flow entering Tanong Co and the propagation of an impulse wave （Fh1 represents the static water pressure experienced by the horizontal direction of the dam， Fh2 represents the total impact force of waves and static water pressure， and the schematic diagram is modified from Reference ［33］； The base images are from Google Earth imagery）


本文以0.2 m为间隔，通过模拟断裂深度为0.2~4.0 m的崩塌体进入塔弄错的20种情景，估算不同规模的崩塌体入湖后产生的各类撞击参数，最后提取涌浪漫顶的水量、最大深度、持续时长及相关水动力和坝体侵蚀特征参数。图9显示了不同规模的崩塌体入湖后，产生的一系列涌浪传播与坝体侵蚀参数和崩塌体体积之间的相关性。随着入湖崩塌体体积的增加，和湖面产生的撞击速度及坡面最大流速呈指数型增加趋势［图9（a）］，涌浪爬高高度［图9（b）］、涌浪对坝顶的侵蚀深度［图9（c）］、溃口处的洪峰流量［图9（d）］、坡面流的最大水深［图9（e）］及单位面积上坝顶承受的静水压力和涌浪冲击力［图9（f）］均呈线性增长趋势。结合上述计算得到的洪峰流量和坝体侵蚀参数，可以判断该坝体能否坍塌产生溃坝洪水，或判断漫顶的水量是否足够产生具有灾害性的洪水/泥石流。因此，在冰湖溃决风险评估工作中应当重点关注周边有崩塌隐患点的冰湖，并长期观测崩塌区的动态变化，为冰湖溃决洪水提供预警信息。

图9

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图9   不同规模崩塌体与涌浪传播及坝体冲刷重要参数间的关系

Fig. 9   Relationships between collapse bodies of different size and important parameters of impulse wave propagation and dam erosion： collapse volume and impact velocity of the lake surface （a）， collapse volume and impulse wave height （b）， collapse volume and erosion depth of the dam top （c）， collapse volume and peak discharge （d）， collapse volume and maximum water depth of the overland flow （e）， collapse volume and pressure of the dam top （f）


3.4　水量变化对塔弄错溃决风险的影响

在冰湖危险性评估工作中，冰湖水量是衡量溃坝总洪水量和洪峰流量的重要指标［3，16，25，37］。图8中Fh1表示水平方向坝体承受的静水压力，在没有其他外界诱因的条件下，随着水量的增加，当坝体可承受的静水压力达到临界值时就会发生溃坝洪水［7］。另一方面，涌浪的产生和传播除受到崩塌体物理属性（如厚度、宽度、体积等）和入湖状态（速度和水平角等）外［33］，冰湖静水深度也是一个非常关键的要素。为证明水深对冰湖溃决风险的影响，本文以5 m为间隔，假设塔弄错的水深从5~100 m的20种情景，通过模拟断裂深度为1.0 m的崩塌体进入不同水深的塔弄错，讨论不同水深条件和溃口深度及洪峰流量等参数之间的相关性。结果表明，除了溃口深度随着水深增加呈线性增长之外［图10（a）］，洪峰流量［图10（b）］、单位长度坝体承受的静水压力Fh1［图10（c）］及单位面积坝顶承受的静水压力和涌浪总冲击力Fh2［图10（d）］呈乘幂关系增加。因此，在实际应用中应当对面积/水深/水量持续增加，且周边发育有崩塌体隐患点的冰湖重点关注。

图10

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图10   不同水深与涌浪传播及坝体冲刷重要参数间的关系

Fig. 10   Relationships between different water depth and important parameters of impulse wave propagation and dam erosion： glacial lake depth and erosion depth of the dam crest （a）， glacial lake depth and peak discharge （b）， glacial lake depth and hydrostatic pressure of the dam crest （c）， glacial lake depth and total pressure of the dam crest （d）


4 讨论

4.1　历史崩塌体诱发冰湖溃决事件分析

尼都藏布流域内，然则日阿错和吉翁错是崩塌体入湖产生溃坝洪水的典型案例。本文基于历史遥感影像，调查诱导这两个冰湖发生溃坝的直接触发因素——崩塌体遗迹。经过多景影像的对比，发现然则日阿错上游母冰川末端西侧有一块清晰可见的崩滑痕迹［图11（a）~（b）］，面积约85 252 m2。冰舌末端和冰湖之间存在一个陡坎，坡度较大，冰川已退缩为悬冰川，冰舌段东侧冰川裂隙广布，基于0.26 m分辨率的遥感影像测量最大裂隙宽度17.5 m，大部分宽度在5~10 m之间。由于该湖在溃决前存在强降雨和快速升温过程［25］，推断2013年7月5日冰舌段西侧的冰体发生了崩解并掉进然则日阿错。由于崩塌区和湖面之间的落差约100 m，崩塌体势能较大，极有可能造成了坝体的瞬间坍塌。湖水随着溃口倾泻而下，当水位和溃口齐平时停止了溢流，湖面范围急剧缩小，最终形成一大一小2个冰湖，面积分别为0.25 km2和0.01 km2。主要在冰雪融水和降雨的持续补给下，2013年溃后至2022年10月该湖扩张了20%，扩增速率为5 853 m2·a-1。当前冰湖已达到地形控制的最大范围，将来随着融水的增加可能会造成下面小湖的湖面范围扩大或水位的上升。此外，然则日阿错曾发生冰崩的区域形变速率远高于稳定区，如图11（c）所示，累积形变量高达-79 mm。加之未来若遇极端降水或高温情况的频繁出现，冰舌段裂隙宽度可能会扩大，冰崩解的情况很大可能再次出现，因此，然则日阿错在未来很长一段时间内可能处于高风险状态，需要研究人员和当地政府部门的高度关注。

图11

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图11   然则日阿错溃坝诱因和周边不稳定斜坡分布（图中照片均由姚晓军教授在2017年拍摄，底图为Google Earth影像）

Fig. 11   Cause of the Ranzeria Co dam breach and distribution of paraglacial slope failures around the lake： lake change （a）， avalanche remains （b）， unstable areas （c）， glacier tongue disintegration （d）， lake surface after GLOF （e） and the GLOF effects （f） （All the photos were taken by Professor Yao Xiaojun in 2017， and the base images are from Google Earth imagery）


吉翁错在2020年夏季由于强降雨引发西侧滑坡，土质滑坡体涌入湖中造成了坝体坍塌形成突发性洪水［23］。根据纹理特征的对比，在溃后的影像上发现冰湖西侧边坡上有一块区域纹理和邻近区域存在显著差异［图12（a），（b1）~（b2）］，其表面形态表现为“簸箕形”，两侧同沟同源，前源可见被滑坡舌挤压的冰湖，上述均符合剧烈位移滑坡遗迹的典型特征。滑坡区面积为56 204 m2，Zheng等［23］估算滑坡释放了大约1.2×106 m3的物质，大坝的最大溃决深度为25 m，溃后水位下降了约20 m。本文估算吉翁错溃后面积急剧缩小了约52%，释放的洪水量约为1×105 m3。冰湖与冰舌相连的大部分区域已被滑坡舌覆盖，随着冰川的消融，至2022年10月吉翁错的面积扩张了约3 127 m2。基于地表形变速率，识别出冰湖西侧山坡存在三处范围较大的潜在滑坡区均存在碎屑流，山坡底部存在一些松散堆积物，尤其A和B点处居多［图12（c）］。目前，该湖仍处于不断扩张状态。随着冰川融水增多，冰湖上游和冰舌之间存在的滑坡堆积体可能会被水流逐渐冲刷走，冰湖上游将继续朝向母冰川扩张直到达到地形控制的最大范围。当前，吉翁错的母冰川双侧支沟溯源侵蚀严重，松散堆积物较多，若再遇强降雨天气极有可能再次发生滑坡体入湖。综上，本文认为吉翁错仍处于高风险状态，需要持续监测和高度关注。

图12

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图12   吉翁错溃坝诱因和周边不稳定斜坡分布（图中照片均由姚晓军教授在2017年拍摄，底图为Google Earth和资源3号影像）

Fig. 12   Cause of the Jiweng Co dam breach and distribution of paraglacial slope failures around the lake： changes in lake area （a）， before and after dam failure （b1， b2） and potential lakeside collapse areas （c） （All the photos were taken by Professor Yao Xiaojun in 2017， and the base images are from Google Earth and ZY-3 satellite imagery）


4.2　尼都藏布流域冰湖水量变化及潜在崩塌体分布

2022年尼都藏布流域发育有63个面积大于0.01 km2的冰碛湖，其中规模较大（>0.1 km2）的仅有7个，包含已溃的冰湖吉翁错（0.27 km2）和然则日阿错（0.28 km2）及塔弄错（0.13 km2）［图13（a）］。1990—2022年冰碛湖的数量和面积分别扩张了91%（+30个）和36%（+0.8 km2）。由于大部分地区的冰湖没有测深数据，本文根据Qi等［28］基于大量的冰湖测深数据构建的水量估算模型对冰湖总水量进行量级估算，利用其评估的3个估算效果较好的公式和本文计算结果之间的均方根误差（RMSE）作为不确定性范围。结果表明，2020年该流域冰碛湖水储量总计为（54.13±3.5）×106 m3。1990—2017年冰碛湖水量总体上呈增长趋势［（0.33±0.02）×106 m3·a-1］，2020年吉翁错溃决后，流域总水量呈迅速降低［图13（b）］。总体上尼都藏布流域的冰湖水储量主要由7个大湖贡献。尽管该区冰碛湖数量少，规模偏小，但由于流域地质基础条件差，且冰湖下游分布有村镇，曾经两次冰湖溃决均造成了巨大的损失，因此当前的冰湖危险性也不容小觑。

图13

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图13   尼都藏布流域冰湖分布（a）、水量变化（b）及崩塌隐患点分布（c）

Fig. 13   Distribution of glacial lakes in the Nidu Zangbo basin （a）， water volume change （b） and distribution of potential collapse areas （c）


尼都藏布流域的地表形变速率结果表明，该流域63个冰湖周边总计发育不稳定斜坡98处，其中形变强度为L1型的占16%，L2型最多（54%），潜在崩塌区占20%，空间分布如图13（c）所示。根据崩塌体对冰湖溃决风险的影响，针对形变强度不大的L1和L2型不稳定斜坡，应当做好长期遥感监测的工作，在气候变暖和冻融循环加剧下，上述两类不稳定斜坡可能转变为形变强度更大的崩塌区隐患点。

5 结论

本团队于2021年10月对尼都藏布流域的冰碛湖塔弄错进行了水深测量，同时利用SBAS-InSAR技术提取了研究区的地表形变速率，以识别冰湖周边的崩塌区隐患点。最后以数值模型讨论了崩塌体和水量变化对冰湖溃决风险的影响。得到主要结论如下：

（1）塔弄错的最大水深（29.45±0.03） m，平均水深（15.21±0.02） m，水量（1 820 842±6 013） m3。塔弄错周边5个区域平均形变速率远高于其他区域，其年均形变速率在18~32 mm·a-1，两年内的累积形变值-86~31 mm，可能会成为触发塔弄错溃坝的外界诱因。

（2）模拟结果显示，塔弄错在入湖崩塌体质量增加或水量增加情况下，产生的洪峰流量、溃口深度和坝顶承受的压力均显著增加。因此，本文建议在冰湖溃决风险评估工作中应当重点关注周边有崩塌隐患点，且水量持续增长的冰湖。同时，需要实时监测崩塌区的动态变化，如针对形变强度不大的L1和L2型不稳定斜坡，应当做好长期遥感监测的工作，在气候变暖和冻融循环加剧下，上述两类不稳定斜坡极有可能转变为形变强度更大的崩塌区隐患点。

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