Land and Water Resources

Research on the alert area of Kyagar Glacier-dammed Lake outburst floods in the Karakoram Mountains

  • LUO Xi , 1, 2, 3 ,
  • Alimujiang KASIMU 1, 2 ,
  • LIU Ying , 3, 4, 5 ,
  • BAO Anming 3, 4, 5 ,
  • YUAN Ye 3, 4, 5 ,
  • YU Tao 3, 4, 5
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  • 1. College of Geographic Science and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, Xinjiang, China
  • 2. Xinjiang Key Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Zone, Urumqi 830054, Xinjiang, China
  • 3. State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, Xinjiang, China
  • 4. Key Laboratory of Remote Sensing and Geographic Information System Application Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, Xinjiang, China
  • 5. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received date: 2024-08-10

  Revised date: 2025-02-19

  Online published: 2025-08-14

Abstract

The periodic outburst floods from the Kyagar Glacier-dammed Lake pose a severe threat to downstream areas. In the context of global warming, research on monitoring and early warning for the Kyagar Glacier-dammed Lake is particularly important. Therefore, this study aimed to determine the alert area for the Kyagar Glacier-dammed Lake outburst floods. The area changes and sudden drainage events of the lake were first analyzed using multi-source optical remote sensing data from 1990-2023. Then, the critical minimum drainage volume of the lake was calculated using an area-volume empirical formula and historical flood data. At the same time, the rationality of the alert area was verified through the relationship between the drainage volume and the net flood peak discharge established in this study. The results showed that the lake experienced 20 sudden drainage events over the past 34 years, 17 of which led to glacial lake outburst floods. The periods 1996-2009 and 2015-2019 were unstable, with repeated lake filling and draining. The alert area for the outburst floods of the Kyagar Glacier-dammed Lake is 1.046 km2, and the alert net flood peak discharge resulting from the sudden drainage is 418 m3·s-1. Although the lake area shows a decreasing trend, the risk of flood disasters triggered by the Kyagar Glacier-dammed Lake outburst floods does not necessarily decrease. The lake outburst flood, when superimposed on high basic runoff, can still threaten downstream areas. When the lake area approaches its alert area, it is necessary to monitor its changes closely and implement early warning measures in combination with the basic runoff at the hydrological station. The proposed alert lake area and its determination method may provide scientific support for early warning monitoring of the outburst flood of the Kyagar Glacier-dammed Lake and offer guidance for early warning of flood disasters in the Yarkand River Basin.

Cite this article

LUO Xi , Alimujiang KASIMU , LIU Ying , BAO Anming , YUAN Ye , YU Tao . Research on the alert area of Kyagar Glacier-dammed Lake outburst floods in the Karakoram Mountains[J]. Arid Zone Research, 2025 , 42(4) : 622 -636 . DOI: 10.13866/j.azr.2025.04.05

随着全球气候持续变暖,高山地区冰川储量持续减少、新生冰湖和已存在冰湖的面积逐渐扩大,冰湖不断扩张将导致潜在危险性冰湖和溃决灾害事件增多[1-2],冰湖突发性洪水已经成为高山地区一种常见的自然灾害[3]。冰湖突发洪水事件具有极大的破坏性,不仅对下游水利设施、道路、农田及人民生命财产造成严重威胁,还对脆弱的山区生态系统带来了显著的负面影响[4-5]
喀喇昆仑山的克亚吉尔冰川是典型的跃动冰川[5],冰川跃进,冰舌进入河谷,堵塞河道,形成冰川阻塞湖[6]。当冰下通道打开或发生漫顶、溃坝时[7-8],湖水突然被释放,就会形成冰湖突发洪水,对叶尔羌河流域洪泛区的经济建设和人民生命财产造成巨大的威胁[9]。如1999年形成的洪峰流量6070 m3·s-1,使叶尔羌河上、下游全线受灾,直接经济损失约1.53×108[10]。因此,该湖的“形成-发展-排水”过程是地方相关部门重点监测和预防的对象。虽然,近年来叶尔羌河防洪工程的修建使得洪灾风险有所降低,但随着下游洪泛区人口密度增加,经济产值集中,克亚吉尔冰湖突发洪水灾害风险依然存在[11]。因此,为了有效地防治克亚吉尔冰川阻塞湖突发性洪水,对克亚吉尔冰川阻塞湖进行监测预警显得尤为必要。
克亚吉尔冰川阻塞湖位于高海拔无人区,因地形、政治(边界区域)和安全等因素,很难进行实地实时监测。2012—2015年运行的克亚吉尔冰川阻塞湖观测站,为科学研究提供了宝贵的监测数据支持[11-14]。该站监测功能丧失后,遥感监测预警的重要性愈加凸显。已有研究利用克亚吉尔冰川阻塞湖冰坝高度以及冰湖地形来计算冰湖潜在最大体积,以判断冰湖突发洪水的潜在危险性[14-15],但对于多大的冰湖体积会对下游产生威胁没有进行定量描述。
在冰湖遥感监测中,冰湖面积是最常用的监测指标之一。相比于冰湖体积,由高分辨率卫星影像提取的冰湖面积更易于准确获取且更具直观性。冰湖面积与冰湖库容之间存在明显的对应函数关系[16-19]。在假设湖盆地形不变的情况下,冰湖面积在一定程度上能够反映冰湖水量及其致灾性[20-25]。因此,考虑到监测指标的指导性和直观性,本研究确定能够被水文站监测到(超过警戒流量)的冰湖突然排水事件所对应的冰湖最小面积,即冰湖突发洪水的警戒面积。本文大致用了四个步骤确定克亚吉尔冰川阻塞湖突发洪水警戒面积:(1) 确定历年冰湖突发洪水前最大面积:基于1990—2023年的多源光学遥感数据,分析了克亚吉尔冰川阻塞湖的面积变化以及突然排水情况;(2) 确定冰湖实际排水体积:考虑到冰湖突发洪水后未完全排干,结合面积-体积经验公式,估算了冰川阻塞湖突发洪水的实际排水体积;(3) 确定冰湖突发洪水警戒面积:以历史突发洪水事件中最小排水体积作为临界值,反推算出冰湖突发洪水警戒面积;(4) 利用水文站警戒流量及未引发洪水的突然排水事件进行警戒面积合理性的佐证:考虑到已有体积-洪峰流量关系未真实反映冰湖体积的情况,本文建立了排水体积与净洪峰流量的统计关系,由实际排水体积推算出净洪峰流量,并结合下游水文站的洪峰警戒流量进行冰湖警戒面积的佐证,同时分析未引发洪水的冰湖突然排水事件进一步佐证警戒面积。本文旨在为克亚吉尔冰川阻塞湖突发洪水灾害提供一个易于监测的面积警戒指标,从而为防灾工作提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

克亚吉尔流域地处叶尔羌河支流克勒青河的源区(图1),距卡群水文站约560 km。克亚吉尔冰川位于喀喇昆仑山主山脊北侧,克亚吉尔流域下游西侧。冰川面积约为94.70 km2,海拔介于4760~7220 m。它由三条6~10 km不等的支流组成,汇聚成一条长8 km、宽约1.5 km的冰舌[26]。冰川舌部分为东、西两侧冰流,东侧冰流与冰湖直接接触。克亚吉尔冰川阻塞湖大致呈东西向延伸,最高海拔4900 m,两岸分布着众多浪蚀台阶。据1985—1987年新疆叶尔羌河冰川洪水科学考察队考察,实测坝体冰塔基部海拔4835 m,冰坝高约95 m(不含冰塔林),湖泊最低海拔4740 m[6]
图1 克亚吉尔流域位置示意图

注:底图采用自然资源部标准地图制作,审图号为GS(2020)4619号,对底图边界无修改。下同。

Fig. 1 The location of the Kyagar Basin

叶尔羌河位于新疆西南部,河流发源于喀喇昆仑山,流经新疆喀什地区和阿克苏地区内8个县区,最后与阿克苏河汇合后注入塔里木河。叶尔羌河干流全长1281 km,上游干流河段设有库鲁克栏杆站和卡群站两个水文站。卡群水文站以上为叶尔羌河流域山区径流形成区,流域集水面积为50248 km2。叶尔羌河是新疆洪灾损失最多的一条河流,流域内洪水类型主要有融雪消融型洪水、暴雨洪水、冰湖突发洪水以及混合型洪水[27]。近几十年来该流域频繁发生的冰湖突发洪水主要由克勒青河谷左岸的克亚吉尔冰川堵塞河道形成的克亚吉尔冰川阻塞湖引起[17]

1.2 数据来源与处理

1.2.1 遥感影像选取和预处理

已有研究表明,冰湖突然排水前5 d及冰湖突发洪水后15 d内的遥感影像能实现冰湖最大面积的提取[28-29]。结合研究区实际情况,本研究对遥感数据选择依据如下:(1) 选取冰湖突发洪水前8 d之内的遥感影像,直接提取湖泊面积;(2) 如不能获取冰湖突发洪水前8 d内的遥感数据,则选用冰湖突发洪水后5 d内的遥感数据,通过解译浮冰残留范围,获取湖泊的最大面积。本文提取冰湖最大面积所用到的影像数据如表1所示。受到影像质量影响,其中部分年份冰湖最大面积边界是通过日期相近的多期影像共同提取。
表1 研究所用影像数据

Tab. 1 Data used in this study

年份 数据集/传感器 影像日期/年-月-日 分辨率/m 年份 数据集/传感器 影像日期/年-月-日 分辨率/m
1990年 Landsat-5 TM 1990-03-09 30 2008年 Landsat-5 TM 2008-06-14 30
1991年 Landsat-5 TM 1991-07-02 30 2009年 Landsat-7 EMT+ 2009-07-27 30
1992年 Landsat-5 TM 1992-07-29 30 Landsat-5 TM 2009-07-28 30
1993年 Landsat-5 TM 1993-07-07 30 2010年 Landsat-5 TM 2010-08-23 30
1994年 Landsat-5 TM 1994-08-27 30 2011年 Landsat-5 TM 2011-08-10 30
1995年 Landsat-5 TM 1995-01-18 30 2012年 Landsat-7 EMT+ 2012-08-20 30
1996年 Landsat-5 TM 1996-09-01 30 2013年 Landsat-8 OLI 2013-07-30 30
1997年 Landsat-5 TM 1997-07-18 30 2014年 Landsat-8 OLI 2014-07-01 30
1998年 Landsat-5 TM 1998-10-09 30 2015年 GF-1 WFV2 2015-07-24 16
Landsat-5 TM 1998-10-25 30 2016年 Landsat-7 EMT+ 2016-07-14 30
Landsat-5 TM 1998-11-03 30 Landsat-7 EMT+ 2016-07-30 30
1999年 Landsat-7 EMT+ 1999-07-09 30 HJ1A CCD1 2016-08-02 30
2000年 Landsat-7 EMT+ 2000-06-25 30 HJ1A CCD1 2016-08-10 30
Landsat-7 EMT+ 2000-07-27 30 2017年 Landsat-8 OLI 2017-08-10 30
2001年 Landsat-7 EMT+ 2001-07-05 30 Sentinel-2A/B MSI 2017-08-31 10
2002年 Landsat-7 EMT+ 2002-08-09 30 2018年 Sentinel-2A/B MSI 2018-08-06 10
2003年 Landsat-7 EMT+ 2003-08-12 30 2019年 GF-6 WFV 2019-07-25 16
2004年 Landsat-7 EMT+ 2004-09-15 30 2020年 Sentinel-2A/B MSI 2020-06-06 10
2005年 Landsat-7 EMT+ 2005-08-26 30 2021年 Sentinel-2A/B MSI 2021-07-16 10
2006年 Landsat-7 EMT+ 2006-07-19 30 2022年 Sentinel-2A/B MSI 2022-06-26 10
2007年 Landsat-7 EMT+ 2007-06-20 30 2023年 Sentinel-2A/B MSI 2023-08-30 10
数据源包括Landsat TM、Landsat ETM+、Landsat OLI(https://landsatlook.usgs.gov)、国产环境卫星、高分一号(GF-1)、高分六号(GF-6)数据(http://data.cresda.cn)以及Sentinel-2卫星数据(https://www.esa.int)。Landsat系列数据产品和Sentinel-2数据的Level-2A级别数据产品已经进行了系统的几何纠正和辐射校正[30-31]。对GF-1、GF-6卫星数据以及环境灾害卫星数据进行辐射校正、大气校正、正射校正后,再以Landsat数据为基准进行配准并裁剪。

1.2.2 冰湖突发洪水资料

克亚吉尔冰川阻塞湖突发洪水资料来源于该湖下游水文站记录和历年科考调研实测洪水资料(表2)。在34 a间克亚吉尔冰湖共发生17次冰湖突发洪水事件,即这些突发洪水事件被水文站监测到并符合冰湖突发洪水特征条件[16-18,32]。洪峰流量由基本流量和冰湖突发洪水净洪峰流量组成(图2)。其中,1997—2009年卡群站净洪峰流量数据是基于时间序列理论分割确定[33];2015—2017年卡群站洪峰流量以及净洪峰流量是利用库鲁克栏杆站的观测值[17],通过洪峰流量经验公式[34]估算得到。
图2 1990—2023年卡群站克亚吉尔冰湖突发洪水洪峰流量

Fig. 2 Peak discharge of Kyagar Glacial Lake outburst floods from 1990 to 2023 at Kaqun Station

表2 1990—2023年克亚吉尔冰湖突发洪水事件

Tab. 2 The Kyagar Glacial Lake outburst floods from 1990 to 2023

序号 年份 水文站 洪峰流量/(m3·s-1 基本流量/(m3·s-1 净洪峰流量/(m3·s-1 发生日期/月-日 文献来源
1 1997年 卡群站 4040 1033 3007 08-03 [33]
2 1998年 卡群站 1850 88 1762 11-05 [33]
3 1999年 卡群站 6070 1113 4967 08-11 [33]
4 2001年 卡群站 1630 1026 604 07-08 [33]
5 2002年 卡群站 4610 1420 3190 08-13 [33]
6 2003年 卡群站 1860 377 1483 08-26 [33]
7 2004年 卡群站 1360 253 1107 09-20 [33]
8 2005年 卡群站 1640 396 1244 09-02 [33]
9 2006年 卡群站 3510 1768 1742 08-02 [33]
10 2007年 卡群站 1300 654 646 07-16 [33]
11 2009年 卡群站 1680 595 1085 07-30 [33]
12 2015年 库鲁克栏杆站 2230 1500 730 07-28 [17]
13 2016年 库鲁克栏杆站 1930 798 1132 07-17 [17]
14 库鲁克栏杆站 2120 900 1220 08-11 [17]
15 2017年 库鲁克栏杆站 2753 - - 08-11 [16]
16 2018年 卡群站 1330 - - 08-10 [32]
17 2019年 卡群站 1290 - - 07-31 [32]

1.3 研究方法

1.3.1 冰湖面积提取

为保证识别精度,冰湖边界识别主要通过对遥感影像的目视解译完成。HSV色彩空间相较于传统的RGB色彩空间更符合人的认知感受,易于进行目标识别处理[35-36],且对薄云有一定的祛除效果,变换前后对比可以明显地把水体、山地背景和干扰因素云区分出来[29],本研究先对影像数据进行Munsell HSV变换,之后再进行目视解译提取冰湖边界并计算湖泊面积。

1.3.2 冰湖体积估算

克亚吉尔冰川阻塞湖体积估算是基于8 m空间分辨率的HMA_DEM数据构建的其面积与体积统计关系[18],见公式(1)。HMA_DEM(High Mountain Asia 8 m DEM Mosaics Derived from Optical Imagery V001)是由WORLDVIEW-1/2/3、GEOEYE-1和QUICKBIRD-2等极高空间分辨率(小于1 m)卫星影像的立体图像生成[37]。相对常用的SRTM(30 m)和ALOS PALSAR(12.5 m)等DEM数据,HMA_DEM具有更高的空间分辨率,且其时间覆盖范围为2011—2016年。该统计关系的建立使用了2011—2013年间湖水消退时期的三期HMA_ DEM数据,确保冰湖体积的估算是基于完整的裸露湖盆地形,公式如下:
V = 6.9076 S 2 + 18.314 S - 1.4582
式中:S为湖泊面积(km2);V为湖泊体积(106 m3)。
用于构建面积-体积公式的HMA_DEM数据较为准确,三期HMA_DEM数据在参考点(基岩)上的平均高程差小于3 m[18]。ICESat-2卫星测高数据精度较高[38],而HMA_DEM与ICESat-2卫星测高数据(2019年9月27日)在湖盆内测高点(图3)的平均高程差为0.62 m,说明利用HMA_DEM数据构建的面积-体积统计关系较为合理可用于本文计算。
图3 ICESat-2卫星测高数据在湖盆中的测高点位

Fig. 3 The ICESat-2 satellite altimetry data at the measurement points within the lake basin

1.3.3 冰湖体积-净洪峰流量统计关系建立

已有对克亚吉尔冰川阻塞湖突发洪水洪峰流量的预测研究多采用水文站监测的洪峰流量和洪水总量建立统计关系,再代入由冰湖面积估算得到的冰湖体积对洪峰流量进行预估[11,16-17]。这种方法将水文站监测到的洪水总量看作实际冰湖体积。但克亚吉尔冰川阻塞湖突发洪水后洪水量沿程损失平均达50%左右[39],导致水文站监测到的洪水总量往往低于实际冰湖体积[40]。此外,水文站监测的洪峰流量不仅包括冰湖突发洪水产生的净洪峰流量,还含有冰雪融水及降雨形成的基本径流量[41]。以往的研究未考虑冰湖突发洪水沿程损失量以及基本径流量给冰湖突发洪水洪峰流量预估带来的不确定性。因此,为了提出准确的冰湖警戒面积,需要估算冰湖突发洪水的真实洪峰流量(即净洪峰流量),建立克亚吉尔冰川阻塞湖体积与净洪峰流量统计关系。其中,卡群站净洪峰流量数据是基于时间序列理论分割得出的[32]。该研究[32]采用冰川湖突发洪水前期流量事件序列的模拟,进而外延正常径流过程,将突发洪水净洪峰流量从混合洪峰中分割出来(图2)。
同时,在监测冰湖突发洪水的过程中,发现存在冰湖未完全排水现象,因此,在建立冰湖体积与冰湖突发洪水净洪峰的统计关系时,需减去冰湖排水后湖内剩余体积。

2 结果与分析

2.1 冰湖面积变化

对1990—2023年克亚吉尔冰川阻塞湖面积进行监测发现,在过去的30多年中,克亚吉尔冰川阻塞湖经历了反复的蓄水和排水过程。克亚吉尔冰川阻塞湖的蓄水和排水现象存在明显的阶段性特征(图4a)。在1990—2023年间,大致可以分为五个阶段:(1) 1990—1995年,冰湖消失,处于稳定期,没有明显的蓄水和排水现象。(2) 1996—2009年,冰湖处于非稳定期,其中可监测到冰湖年际最大面积为3.43 km2(1998年),年际最小面积为0.82 km2(2000年)。也有一些年份因为缺乏高质量影像而未观测到其突发洪水前的最大面积,如1999年、2003年、2006年和2007年(图4b)。从图3b中可以发现,1997年突发洪水前最后一景影像距冰湖突发洪水时间较远,这里采用冰湖突发洪水后5 d内的遥感数据,通过解译浮冰残留范围,获取了1997年湖泊的最大面积。这一阶段冰湖最大面积整体呈减小趋势且冰湖几乎每年都有蓄水和排水的现象,除了1996年,虽然它的面积达到了2.44 km2,但由于水文站未监测到突发洪水事件,同时从1997年1月冰湖仍存在可以推断1996年冰湖未发生排水。(3) 2010—2014年期间,未观测到湖泊存在,冰湖处于稳定期,这可能是因为前期频繁的“蓄水-排水”过程导致冰下通道被打开。(4) 2015—2019年,该冰湖进入了新的不稳定期,该阶段冰湖面积表现出先升高后下降的趋势,年际最大面积为2.64 km2(2017年),年际最小面积为1.14 km2(2019年)。相比于1996—2009年,这一时期的不完全排水率较高(图4c)。(5) 2020—2023年冰湖进入新一轮稳定期。尽管在2020—2022年期间,克亚吉尔冰湖所处位置仍可观测到一个较小的水面,但由于排水口未堵塞,水面面积较小;2023年未监测到水面。
图4 1990—2023年克亚吉尔冰川阻塞湖面积变化及其突发洪水事件监测

注:有灰色条的表示冰湖突发洪水前最后一张影像在冰湖排水前8 d内,被认为是当年冰湖最大面积;没有灰色条的是指未监测到当年冰湖最大面积。

Fig. 4 Monitoring of area variation and outburst flood events in the Kyagar Glacier-dammed Lake from 1990 to 2023

2.2 冰湖体积-净洪峰流量统计关系

由于仅可获取2014年以前的净洪峰流量数据,因此,选取1990—2014年可监测到最大面积的年份进行公式的建立(图5a)。考虑到1990—2014年期间可利用数据较少,在建立统计关系时,包括了1977年7月16日的突发洪水事件数据。利用Landsat 2影像监测到1977年冰湖突发洪水前最大面积为1.69 km2,其体积为49.22×106 m3,净洪峰流量为1100 m3·s-1。构建统计关系如下(图5b):
Q = 6.613 V 1.268   ( R 2 = 0.93 P   <   0.001 )
式中:Q为卡群站冰湖突发洪水洪峰流量(m3·s-1);V为湖泊体积(106 m3)。
图5 湖泊体积与净洪峰流量之间的统计关系及净洪峰流量估算

Fig. 5 Statistical relationship between lake volume and net peak discharge, and estimations of net peak discharge

2015年、2016年7月和8月的净洪峰流量估算值分别为958 m3·s-1、701 m3·s-1和635 m3·s-1表3),平均相对误差为40.48%。对比表2中的基本流量与卡群水文站监测到洪峰流量前1 d的日均流量,发现基本流量在日均流量±200 m3·s-1之间浮动。2018年和2019年卡群站实测洪峰流量分别为1330 m3·s-1和1290 m3·s-1表2),那么结合日均流量,可能的净洪峰流量分别为316~716 m3·s-1和217~617 m3·s-1。与基于本文构建的经验公式计算的净洪峰流量(表3)相比,2019年的估算结果更为接近,2018年估算结果可能偏大。
表3 冰湖突发洪水净洪峰流量估算及相对误差

Tab. 3 Estimations of net peak discharge and relative error of glacial lake outburst floods

日期/年-月-日 湖泊面积/km2 未完全排水剩余
湖泊面积/km2
排水体积
/106 m3
净洪峰流量估算值
/(m3·s-1
净洪峰流量观测值
/(m3·s-1
相对误差/%
2015-07-28 1.72 50.61 958 569 68.39
2016-07-17 1.69 0.51 39.54 701 876 -20.00
2016-08-11 1.37 36.6 635 948 -33.04
2018-08-10 2.15 0.51 60.17 1193 316~716 -
2019-07-31 1.14 0.18 26.33 418 217~617 -
2000-06-25 0.82 18.2 262 - -
2008-06-14 0.90 20.62 307 - -
2017-08-10 2.64 0.92 73.8 1546 - -
2017-08-31 1.33 0.65 21.75 328 - -

2.3 未引发洪水的冰湖突然排水事件

结合水文监测数据(表2)和遥感影像数据发现,在33 a间克亚吉尔冰湖共发生20次排水事件,其中17次形成了冰湖突发洪水。而根据遥感影像监测发现,2000年6月25日至7月27日、2008年6月14至6月23日、2017年8月31日至9月4日期间也出现排水事件,但水文站并未监测到具体排水时间、过程和冰湖突发洪水洪峰。
2017年克亚吉尔冰川阻塞湖发生了两次冰湖排水事件(图6),第一次排水事件在8月11日引发洪水,结合8月19日冰湖影像解译结果发现,突发洪水后冰湖面积仍有0.92 km2。随后,水面面积由8月19日的0.92 km2快速增加至8月31日的1.33 km2,并在8月31日到9月4日之间发生第二次排水,但因第二次排水量较小,下游水文站并未有效地监测到具体的排水时间和过程[16]。但根据排水前后冰湖面积推算,本次至少排水21.75×106 m3,净洪峰流量估算值为328 m3·s-1
图6 2000年、2008年和2017年冰湖突然排水过程

Fig. 6 The sudden drainage processes of glacial lake outburst floods in 2000, 2008, and 2017

同样因排水量较小,下游水文站并未很好地监测到具体的排水时间和过程的还有2000年和2008年发生的排水事件。2000年监测发现6月25日面积最大达到0.82 km2,蓄水量为18.2×106 m3,净洪峰流量估算值为262 m3·s-1,直到次月27日再次获得影像发现湖泊消失,无法判断其排水时间和过程。2008年在影像上发现6月7日到14日冰湖面积快速增长,6月15日面积最大达到0.9 km2,蓄水量为20.62×106 m3,净洪峰流量估算值为307 m3·s-1,到6月22日,湖泊在一周内几乎消失。
2008年克亚吉尔冰川阻塞湖排水和2017年第二次排水皆发生在一周内,由此可以确定,这两个时间段内冰湖发生了突然排水事件。但下游水文站并未记录,可以推断在这两次冰湖突然排水事件中排水体积较小不足以形成突发洪水。因此,可以猜测克亚吉尔冰川阻塞湖引发洪水的排水体积存在一个临界值。

2.4 冰湖突发洪水警戒面积

通过分析克亚吉尔冰川阻塞湖历史突发洪水事件实际排水体积(图7a),可以发现2019年突发洪水事件的实际排水体积最小,为26.33×106 m3。2019年克亚吉尔冰川阻塞湖突发洪水前(2019年7月25日)面积为1.14 km2,突发洪水发生后(2019年8月1日)冰湖面积缩小为0.18 km2图8),意味着本次冰湖突发洪水事件未完全排水,因此,不能直接以2019年克亚吉尔冰川阻塞湖突发洪水前最大面积作为警戒面积。依据面积-体积经验关系计算出2019年实际排水体积(26.33×106 m3)对应的面积为1.046 km2,由此确定1.046 km2为冰湖突发洪水面积警戒值,其对应的净洪峰流量警戒值为418 m3·s-1图7)。1990—2023年间克亚吉尔冰川阻塞湖面积超过1.046 km2的次数有19次,其中17次产生了冰湖突发洪水(图7b),即当克亚吉尔冰川阻塞湖的面积超过1.046 km2时,有89%的概率会产生突发洪水事件(图7b)。
图7 克亚吉尔冰川阻塞湖警戒排水体积、警戒面积及警戒净洪峰流量

Fig. 7 The alert drainage volume, alert area, and alert net peak discharge of the Kyagar Glacier-dammed Lake

图8 2019年7月31日突发洪水前后克亚吉尔冰川阻塞湖的变化过程

Fig. 8 The change process of Kyagar Glacier-dammed Lake before and after the outburst flood on July 31, 2019

利用面积-体积经验公式以及本文构建的体积-净洪峰流量关系,根据克亚吉尔冰川阻塞湖历史突发洪水事件中的最小冰湖突发洪水排水体积,确定了1.046 km2作为冰湖突发洪水的面积警戒值,净洪峰流量警戒值为418 m3·s-1

3 讨论

3.1 冰湖体积估算合理性

准确估算冰湖体积是冰湖面积警戒值确定的基础。本研究所采用的冰湖面积-体积统计关系是基于空间分辨率为8 m,时间覆盖范围为2011—2016年的HMA_DEM数据构建的。通过对比HMA_DEM与2019年的ICESat-2卫星测高数据,发现近10 a克亚吉尔冰川阻塞湖湖盆内的地形较为稳定。利用此统计关系计算的体积与张祥松等[6]在1986年对克亚吉尔冰川阻塞湖的实地调查结果相比,多年体积平均误差为0.02×106 m3,表明本研究的体积估算较为准确。由于现有地形数据的时空分辨率差异,使得克亚吉尔冰川阻塞湖湖盆地形存在一些差异,未来可采用更高精度的地形数据以及多源测高卫星数据对其进行修正,提高冰湖体积估算的准确度。

3.2 冰湖体积-净洪峰流量统计关系适用性

本文构建了冰湖体积-净洪峰流量的统计关系,用于佐证提出的冰湖警戒面积的合理性。将采用2.2节所述方法计算的2015—2019年克亚吉尔冰川阻塞湖突发洪水的净洪峰流量估算值与卡群站观测值进行比较(表3)发现,本文估算的卡群站2015年、2016年7月和8月的冰湖突发洪水净洪峰流量分别为569 m3·s-1、876 m3·s-1、948 m3·s-1,与观测资料相比,平均相对误差约为40.48%。与Yan等[17]用库鲁克栏杆站洪峰流量与洪水量构建的预测公式相比,本文的平均相对误差较大,这是因为本文预估的是净洪峰流量,其在数值上小于洪峰流量,会放大相对误差。此外,由于缺少卡群站2015年以后的突发洪水过程数据,这里的观测值是由库鲁克栏杆站实测数据推算得到,在一定程度上也增大了误差的不确定性。另一方面,由于冰湖突发洪水的形式不同,造成估算值高于观测值。比如,2015年和2018年突发洪水净洪峰流量估算值明显大于观测值,最大相对误差为68.39%。具体而言,2015年克亚吉尔冰川阻塞湖在突发洪水前(图9a),与冰湖接触的冰川边缘发生了崩塌,大量冰体入湖,而突发洪水后(图9b),湖内剩下大量冰体,因此,实际排水体积可能小于湖泊排水前的最大体积。且2015年冰湖突发洪水的过程线记录了一个平缓的峰值[17],这可能是因为冰下通道先缓慢排水,随后快速扩大[7],从而减少了净峰值流量。由图9c图9d可以看出,2018年冰湖排水方式很可能发生了改变,冰下通道先缓慢地排水,降低冰下水压,随后发生溃坝或漫顶[8],最终导致峰值流量的减少。通过分析发现,本文构建的关系可以用于佐证冰湖警戒面积的合理性。
图9 2015年和2018年克亚吉尔冰川阻塞湖突发洪水前后影像

Fig. 9 Images before and after the outburst floods of the Kyagar Glacier-dammed Lake in 2015 and 2018

3.3 克亚吉尔冰湖警戒面积合理性

冰湖面积是冰湖溃决研判、冰湖溃决危险性评价中需要考虑的重要因子之一[20-24],也是遥感监测最容易的因子之一。因此,本研究利用多期遥感数据,通过目视解译提取了冰湖面积,分析了冰湖蓄排过程,考虑了冰湖排水但未完全排干的情况,通过冰湖面积-体积统计关系及未引发洪水事件的冰湖突然排水分析,确定了引发洪水事件的排水量警戒值(26.33×106 m3),最终再利用面积-体积经验公式确定了冰湖突发洪水警戒面积(1.046 km2)。同时利用本文构建的冰湖体积-净洪峰流量公式确定了对应的净洪峰流量警戒值(418 m3·s-1)。自卡群站有记录以来,克亚吉尔冰川阻塞湖突发洪水最小净洪峰流量为604 m3·s-1,突发洪水前最大面积为1.40 km2,该次冰湖突发洪水事件发生在2001年[32]。其最小净洪峰流量和突发洪水前最大面积皆高于本文提出的警戒面积和警戒净洪峰流量,一定程度上佐证了本文提出的警戒面积的合理性。另外,2000年、2008年以及2017年8月31日发生的三次突然排水事件未被水文站监测到,也佐证了警戒面积的合理性。三次排水事件的排水体积分别为:18.25×106 m3、20.625×106 m3和21.75×106 m3,产生的净洪峰流量估算值分别为262 m3·s-1、307 m3·s-1、328 m3·s-1,都小于警戒流量(418 m3·s-1),所以未被监测到。进一步分析三次排水期间日均流量分别约为600 m3·s-1、1000 m3·s-1和500 m3·s-1,发现2008年排水期间的日均流量较高,与冰湖突然排水的净洪峰流量相加超过了卡群站警戒流量,但水文站却没监测到冰湖突发洪水。这可能是因为其洪水量级小,洪水流速慢,场次洪水总量沿程衰减率更高[39],水体在传播过程中就已经被消耗或是留下了一个更平缓的峰值流量[6,17]。通过以上分析,本研究确定的冰湖警戒面积合理。

3.4 冰湖面积变化与复合洪水风险

克亚吉尔冰川阻塞湖面积在1990—2023年期间总体呈下降趋势。冰湖面积的减小并不能直接代表灾害风险的降低。一方面,近期的研究发现在以前的评估中,用于识别潜在危险性冰湖的最小湖泊面积的阈值相对较大,实际上小型冰湖(<0.1 km2)突发洪水的发生率也在增加[25]。如Zheng等[4]将冰湖最小面积阈值设为900 m2,在第三极地区识别出176个以前从未报道的冰湖溃决洪水源头。另一方面,冰川阻塞湖突发洪水可能伴有冰下释放水,两者叠加,突发洪水的危害仍然存在[41]。此外,叶尔羌河洪水有融雪型洪水、暴雨型洪水、冰湖突发型洪水和混合型洪水[27]。在分析克亚吉尔冰川阻塞湖突发洪水危险性时,应该考虑冰湖突发洪水与其他类型洪水的交互作用。在融雪和暴雨等气象条件的影响下,冰湖突发洪水与其他洪水类型叠加,这种复合洪水现象可能显著增加下游的风险。如2001年克亚吉尔冰川阻塞湖最大面积为1.40 km2,冰湖突发洪水净洪峰流量为604 m3·s-1,远低于水文站警戒流量(1200 m3·s-1),但当时的基本流量为1026 m3·s-1,叠加后混合洪峰达到1630 m3·s-1表2),超过了水文站警戒流量[16]。在未来的研究中,应结合气象因素综合分析不同类型洪水的交互作用,以进一步提高警戒面积的适用性,为制定更有效的洪水预警和管理策略提供数据支持。

4 结论

利用1990—2023年不同时段的Landsat、Sentinel-2、环境灾害卫星及高分遥感数据,分析了1990—2023年克亚吉尔冰川阻塞湖面积变化及突然排水情况。通过分析历史洪水事件,以及克亚吉尔冰川阻塞湖面积-体积统计关系和本文构建的克亚吉尔冰川阻塞湖体积与净洪峰流量关系,确定了克亚吉尔冰川阻塞湖突发洪水的警戒面积。得到如下主要结论:
(1) 在过去的30多年中,克亚吉尔冰湖的蓄水和排水现象存在明显阶段性特征。有两个明显的冰湖不稳定期:1996—2009年和2015—2019年。此外,在33 a间克亚吉尔冰湖共发生20次突然排水事件,其中17次形成了冰湖突发洪水。2000年6月25日至7月27日、2008年6月14至6月23日、2017年8月31日至9月4日期间也出现排水事件,但因冰湖面积和蓄水量较小,未被水文站监测到洪水。其中2008年克亚吉尔冰川阻塞湖排水和2017年第二次排水皆发生在一周内,可以确定这两个时间段内冰湖发生了突然排水事件而不是缓慢的排水。
(2) 构建了克亚吉尔冰湖体积与净洪峰流量统计关系,冰湖突发洪水净洪峰流量估算值与卡群水文站实测值对比,平均相对误差为40.48%,通过对比分析,确定其可以用于佐证冰湖警戒面积的合理性。
(3) 根据克亚吉尔冰川阻塞湖历史突发洪水事件中的最小冰湖突发洪水排水量,确定了1.046 km2作为冰湖突发洪水的警戒面积,对应的净洪峰流量为418 m3·s-1。当克亚吉尔冰川阻塞湖的面积超过1.046 km2时,有89%的概率会形成突发洪水事件。此外,分析克亚吉尔冰湖突然排水未引发洪水事件,发现冰湖面积及相应净洪峰流量基本小于本文提出的警戒面积和警戒净洪峰流量。表明冰湖面积警戒值1.046 km2较为合理,可用于克亚吉尔冰川阻塞湖突发洪水预警监测。
(4) 克亚吉尔冰川阻塞湖面积在1990—2023年期间总体呈下降趋势,但这并不能直接代表灾害风险的降低。当冰湖突发洪水叠加其他类型洪水或是冰雪融水及降雨形成的基本径流,即使冰湖洪水水量较小,仍然可能产生较大的洪峰流量,对下游造成威胁。因此,未来仍需加强对克亚吉尔冰川阻塞湖的持续监测。
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Outlines

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