波曲流域冰碛湖变化及其风险分析

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随着冰碛湖的溃决灾害频繁发生并严重威胁着当地居民的生命财产安全,对冰碛湖溃决灾害的研究日益受到广泛关注。本文选取喜马拉雅山的波曲流域这一典型研究区域,基于多源遥感数据及水文气象数据,采用地理信息系统、遥感、水动力学模型等方法,分析该区域内典型冰碛湖及其母冰川40多年间的变化情况,并对次仁玛错冰碛湖历史溃决洪水进行重建,然后模拟不同溃决情境下次仁玛错冰碛湖溃决洪水的特征,最后结合溃决洪水的沉积侵蚀情况、河道坡度、土地利用分类进行溃决洪水的风险分析,以期为冰湖溃决灾害的防范与减缓提供依据。本文研究得到了以下主要结论:  第一,基于地形图、Landsat影像、ASTER影像和地形图DEM,并结合第一次冰川编目和第二次冰川编目数据作为辅助信息,提取并统计了1974-2014年波曲流域面积大于0.2km2的12个典型冰碛湖及其母冰川的信息。结果表明,波曲流域内这12个典型的冰碛湖从1974年到2014年总扩张面积达7.46 km2,在1974年到2014年间,波曲流域的冰碛湖在各个朝向上面积均呈增加趋势,其中向北、东北、东、东南、南五个方向上冰碛湖的面积呈快速增长趋势,而向西南、西北和西三个方向上冰碛湖的面积呈缓慢地扩张趋势。波曲流域内这12个冰碛湖相对应的母冰川从1974年到2014年总退缩面积约为15.29 km2,在1974年到2014年间,波曲流域冰碛湖所对应的母冰川在各个朝向上面积均呈缩减态势,其中向东北、东、南、西南四个方向上冰川的面积呈快速减少趋势,而向北、东南、西和西北四个方向上冰碛湖的面积呈缓慢地退缩趋势。对气象数据分析可知,这40多年间波曲流域气候的暖干趋势较为明显,在客观上加剧了冰川退缩,进一步为冰碛湖提供了扩张的空间和条件。  第二,采用1974年、1988年、1991年、2000年、2005年、2009年、2014年的冰碛湖矢量边界和1∶5万地形图DEM数据,提取出各期冰碛湖的湖面高程值并转换为以湖面高程值为属性值的栅格数据,同时计算各栅格数据与DEM之间的体积变化,同时加上通过坡度和伸入湖内的冰川末端的长度及面积计算这部分冰体体积,即为各冰碛湖对应时间段内库容量的变化值。然后利用Huggel等的库容-面积公式和姚晓军等的库容-面积公式分别计算初始库容,再通过不周时期波曲流域内的冰碛湖的面积和库容的回归分析,可得到冰碛湖的面积-库容的关系式V=0.0653A1.4885。对喜马拉雅地区有实测库容的冰碛湖分别进行经验库容的计算及对比,结果表明本文推导的公式和姚晓军等的公式计算的经验库容比较接近实测库容,效果明显优于Huggel等的公式。  第三,从变化强度指数、库容以及溃决危险性指数这三个方面对该流域内的冰碛湖进行简单的潜在危险性分析可知,波曲流域内的冰碛湖中,嘉龙错、嘎龙错、扛西错、次仁玛错、尤莫尖错处于较为危险的状态,其余冰碛湖则处于相对稳定的状态。考虑湖体本身以及周边环境,尤为值得关注的是尤莫尖错、嘉龙错和扛西错,但是由于冰湖的母冰川末端坡度都在10°以下,由冰雪崩产生的巨大冰体直接进入冰碛湖的可能性较小,也不太可能造成冰碛坝的漫溢型崩塌,但是考虑到面积、水量和溃决危险性指数,加之冰湖周边地形坡度的较为险峻,次仁玛错仍然被列入潜在危险性冰湖之内。  第四,基于二维浅水方程、基于粒径分类的平流扩散方程以及艾克纳方程等基本理论与机制,对波曲流域的次仁玛错冰碛湖的历史溃决洪水进行了重建。对比次仁玛错冰碛湖溃口处的洪水流量过程线的模拟值与徐道明的计算值,洪峰流量的差值百分比仅为0.8%,但是洪峰达到的时间相差17分钟,这可能与假定条件和计算方法不同有关。再对比洪水演进过程中三个特征断面的流量与沉积侵蚀的变化情况,这三个特征断面处的洪峰流量与徐道明实测的清水流量值的差值百分比分别为-2.3%、2.8%、1.9%,表明模拟值与实测值较为吻合。但是在巴勒比斯桥和逊科西水电站这两个断面处的沉积厚度模拟值与实测值存在些许差异,这主要是由于在洪水演进过程中水流流量呈衰减趋势对下游地区的模拟值有一定的影响。  最后,通过设定落入次仁玛错冰碛湖的不同冰体体积来界定三种不同的漫溢型溃决情景,分别为2×106 m3(情景一),6×106 m3(情景二),9×106 m3(情景三)。采用BASEMENT模型对次仁玛错冰碛湖进行这三种溃决情景下的洪水模拟,并对溃口这一断面以及章藏布沟口、友谊桥和逊科西水电站这三个特征断面处的洪水特征进行对比分析。首先,由各特征断面处的洪水流量变化可知,第一种溃决情境下三个特征断面处的洪水流量过程线的变化态势均呈现洪水流量的增加过程略微缓慢,而洪水流量的下降过程较为迅速;第二种溃决情景下三个特征断面处的洪水过程线的变化态势均呈现出洪水流量的增加过程较为快速,而洪水流量的下降趋势较缓;第三种溃决情景下三个特征断面处的洪水过程线的变化态势均呈现出洪水流量的增加过程比较快速,而洪水流量的下降趋势比较缓且呈现一定的波动性。其次,由洪水沿程河道的沉积侵蚀变化情况可知,第一种溃决情境下的次仁玛错冰湖溃决洪水由于洪水流量最小,其对河道周边台地侵蚀程度较小,且都集中在次仁玛错冰碛湖溃口处到友谊桥的这一段,溃决洪水对逊科西水电站的影响很小。而第二种和第三种溃决情境下的次仁玛错冰湖溃决洪水在章藏布沟口和友谊桥附近沉积侵蚀现象较为明显,而且溃决洪水到了中下游地区仍然继续侧向侵蚀,可以从图中看出这两种溃决情景下逊科西水电站附近发生了较为明显的沉积物堆积和少量的侵蚀现象。利用次仁玛错冰碛湖溃决洪水的沉积侵蚀情况、河道坡度、土地利用分类三个指标对三种溃决情景下次仁玛错冰碛湖溃决洪水进行风险分析。结果表明,溃口处的风险高,章藏布沟口、友谊桥、巴勒比斯桥以及逊科西水电站处的风险较高,而波曲河的中下游地区的风险程度要高于波曲河的上游部分。对于不同溃决情境下的次仁玛错冰碛湖溃决洪水,在章藏布沟口、友谊桥、巴勒比斯桥和逊科西水电站等特征断面处,次仁玛错冰碛湖溃决洪水的风险程度存在一定的差异。
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