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Remote Sensing for Natural Resources >

2025 , Vol. 37 >Issue 2: 96 - 107

DOI: https://doi.org/10.6046/zrzyyg.2023356

Hazard assessment of potential glacial lake outburst floods in the Yadong River basin based on multisource satellite data

  • ZHU Dengxin , 1, 2, 3 ,
  • TU Jienan , 1 ,
  • SUN Haibing 1, 2 ,
  • HAN Zhenjie 1, 2 ,
  • TONG Liqiang 1 ,
  • GUO Zhaocheng 1 ,
  • YU Jiangkuan 1 ,
  • YAN Shuhao 1 ,
  • HE Peng 1 ,
  • ZHU Junjie 4
Expand
  • 1. China Aero Geophysical and Remote Sensing Center of Natural Resources, Beijing 100083, China
  • 2. College of Engineering and Technology, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China
  • 3. Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450003, China
  • 4. Yellow River Mudan Bureau, Heze 274009, China

Received date: 2023-11-24

  Revised date: 2024-01-29

  Online published: 2026-06-03

Fold

Abstract

In recent years, global warming has caused significant glacier retreats in the Qinghai-Tibet Plateau, leading to the rapid expansion of glacial lakes and an increased threat of glacial lake outburst floods (GLOFs). The Yadong River basin, located in Shigatse, Tibet, hosts a large number of glacial lakes. In 1940, a GLOF from Qiongbixiama Co severely damaged Yadong County 40 km downstream, causing house collapse and infrastructure destruction. Therefore, assessing the hazards of potential GLOSs in the Yadong River basin is vital for protecting the safety of people’s lives and property. This study conducted a survey and assessment of potential GLOFs based on Gaofen satellite data and Landsat remote sensing images. It derived basic elements including glaciers, glacial lakes, and moraines through remote sensing image interpretation. The results show that the Yadong River basin develops 28 glaciers and 228 glacial lakes, covering total areas of 34.03 km2 and 7.79 km2, respectively. The past 30 years have seen slight retreats of glaciers and slight expansions of glacial lakes. Combined with the elements derived from remote sensing images, the analytic hierarchy process and fuzzy comprehensive assessment were employed to preliminarily assess the hazard of regional glacial lakes, delineating the distribution of potentially hazardous glacial lakes. The assessment results reveal 15 potentially hazardous glacial lakes in the Yadong River basin, including five highly hazardous, eight moderately hazardous, and two slightly hazardous glacial lakes. These lakes are primarily distributed in the northeastern and northwestern high mountain areas in the Yadong River basin.

Key words： glacial lake outburst flood; remote sensing; hazard assessment; Yadong River basin

Cite this article

ZHU Dengxin , TU Jienan , SUN Haibing , HAN Zhenjie , TONG Liqiang , GUO Zhaocheng , YU Jiangkuan , YAN Shuhao , HE Peng , ZHU Junjie . Hazard assessment of potential glacial lake outburst floods in the Yadong River basin based on multisource satellite data[J]. Remote Sensing for Natural Resources, 2025 , 37(2) : 96 -107 . DOI: 10.6046/zrzyyg.2023356

0 引言

冰湖溃决是我国喜马拉雅山地区重要的链式地质灾害,随着区域冰川的快速退缩,造成大量的冰湖新生和扩张,其中,冰碛湖和冰川阻塞湖最为典型[1]。冰碛湖为冰川在消退过程中,冰碛物堵塞河道或冰川谷形成湖盆并积水形成的湖泊,在全球的高纬度和高海拔地区广泛分布,在我国主要分布在西藏、新疆和四川等地[2]。冰湖溃决灾害在青藏高原地区是较为常见的灾害,近百年来,包括青藏高原地区的亚洲高山区共发生冰湖溃决事件277次,其中冰碛湖溃决事件113次[3]。冰碛湖溃决灾害的致灾模式主要为溃决洪水起动溃口和沿途大量的松散固体物质形成泥石流,进而铲刮侵蚀沿程碎屑物质堵塞河道形成堰塞坝,在坝体溃决后造成溃决洪水的链式过程。
受到全球气候变暖的影响,全球冰川处于较为严重的消退状态,大部分区域的冰川变薄、后退,而冰川的融水为冰湖提供补给,导致大量的冰湖扩张,对冰湖稳定性造成较为严重的扰动[4]。冰湖在全球高海拔山区广泛分布,随着气候变暖,冰川消退导致冰湖数量增多、面积增大、发生溃决的概率增加,同时引发的滑坡、泥石流等次生灾害概率增大[5]。冰碛湖一旦溃决还可能形成泥石流并堵塞下游河道,再次发生溃决并形成灾害链,如1981年7月11日位于西藏自治区聂拉木县樟藏布沟内的次仁玛错冰碛湖发生溃决泥石流,形成巨型灾害链,冲毁中尼友谊桥,溃决洪水沿途破坏多处道路、桥梁、电站,不仅冲毁我国境内高曲乡20余户民房,还造成下游的尼泊尔境内200多人死亡和失踪[6]。
冰湖溃决是喜马拉雅山乃至青藏高原地区最重要的灾害之一,对下游河道附近的基础设施以及居民区建筑物可造成严重威胁。近年来,国内外学者对于冰碛湖溃决灾害开展了较为深入的研究工作,在冰湖的分布与变化情况、危险性评价方法、选取因素和溃决模式等方面做了多方面的分析和探讨。我国青藏高原冰湖溃决灾害主要分布在喜马拉雅山脉、天山山脉、喀喇昆仑山、念青唐古拉山和横断山等区域[3]。喜马拉雅山地区是冰湖溃决灾害的高发区域,该地区冰湖主要分布在雅鲁藏布江和印度河流域,从1990—2010年,冰湖总数量从4 602增加到5 701个,冰湖面积从553 km2 增加到682 km2,呈快速扩张趋势[7]。随着喜马拉雅山地区的变暖导致冰川迅速流失和冰川湖的形成扩张,造成的冰湖溃决灾害风险水平至少是邻近地区的2倍,未来由于冰湖的进一步扩张,冰川融化的加剧[8]。王欣等[9]通过卫星遥感数据,利用直接判别法并基于事件树模型研究了喜马拉雅山2004—2008 年冰湖的潜在危险性,识别了143个潜在危险冰湖; 车涛等[10]对朋曲流域近20 a内冰湖的变化情况进行研究,并通过直接判别法在该区域识别出了24个潜在溃决危险的冰湖。
对于冰湖溃决的危险性评价方法,多个学者开展了相关研究。王跃等[11]采用模糊层次分析法作为评价因素权重的确定方法,建立冰湖溃决泥石流危险性评价模型; 刘建康等[12]通过对西藏错下湖各方面的综合分析,结合判别溃决可能性的指标以及水文气候、地震等触发因素,提出冰湖溃决危险的评价方法; 周路旭等[13]通过分析西藏地区已经发生的冰碛湖特征,构建模糊一致矩阵计算各个指标的危险权重,从而评价冰湖的危险性; 乐茂华等[14]通过归类分析冰湖溃决可能性预测评价指标,建立冰湖溃决的危险性预测模型; Richardson等[15]通过对喜马拉雅山区26个冰湖溃决的研究,提出5种导致冰湖溃决的激发因素以及所占的比例。
国内外学者关于冰湖溃决灾害、从冰湖的提取技术到危险性评价方法等多个方向取得了明显进展,但在小流域及县域冰湖危险性的详细评价方面研究仍然较为匮乏,相关研究较少。亚东县位于喜马拉雅山南坡的峡谷底部,若上游发生冰湖溃决,可能遭受较为严重的危害,因此对亚东河流域进行冰湖的危险性分析具有重要的现实意义。本文基于多源高分卫星影像,通过冰湖的几何要素和地貌要素,利用模糊关系理论,采用模糊综合评价模型开展了亚东河流域冰湖的危险性评价,基本掌握了亚东河流域冰湖溃决的危险性,以期为冰湖溃决灾害的风险评价提供科学依据。

1 研究区概况及数据源

1.1 研究区概况

亚东河流域位于我国西藏自治区日喀则市喜马拉雅山地区,其干流亚东河是亚东县境内最大的水系,发源于亚东县的堡洪里峰东麓,亚东河上游分布两大支流,西支为康布麻曲(或康布曲),东支为麻曲(或卓木麻曲),两者在亚东县城驻地下司马镇汇合,流入托尔萨河,最终在印度汇入雅鲁藏布江,如图1所示。亚东河流域由于纵向穿越喜马拉雅山,南北部高差大、气候差异大,北部属高寒干旱气候,年平均气温0 ℃,1月和7月平均气温分别为-9 ℃和8 ℃,年平均降水量较低,仅为410 mm; 南部具有亚热带半湿润季风型特点,气候温和湿润,年平均气温7.7 ℃,1月和7月平均气温分别为0.2 ℃和14.4 ℃,年平均降水量达到873 mm[16]。
图1 亚东河流域地理位置示意图

Fig.1 Geographic location map of Yadong River basin

亚东河流域位于喜马拉雅山中段,属高山地貌,平均海拔3 500 m,北部宽高,南部窄低,南北高差超过2 000 m且冰川冰湖较为发育,共分布大小冰川28条,冰湖228个,若北部高原山区发生冰湖溃决,对下游距离较远但海拔较低的居民地可能会造成严重破坏。20世纪以来,喜马拉雅山地区有记载的冰湖溃决灾害超过60处,有50%以上的灾害发生在喜马拉雅山中段,灾害发生的概率远高于其他区域[3]。亚东河流域穷比吓玛错1940年7月10日发生冰崩型冰湖溃决灾害,形成稀性泥石流-洪水,距离溃口44 km处的亚东县城损失严重,对人民生命财产安全造成了严重影响[17]。亚东河流域上游分布了大量冰川冰湖,而目前对于亚东河流域的冰湖危险性研究仍然较为匮乏。因此,开展亚东河流域冰湖进行遥感调查与危险性评价对于保护亚东县人民生命财产安全具有重要的现实意义。

1.2 数据源及其预处理

本文所采用的遥感数据包含国产高分一号B星和D星数据、Landsat8 OLI数据以及AW3D 30 m数字高程模型(digital elevation model,DEM)数据,采用高分遥感影像用于提取冰湖现状及冰碛垄范围等相关信息,采用中高分辨率Landsat影像主要用于提取冰川冰湖的变化情况,DEM数据主要用于提取冰湖高程、冰川坡度等几何信息。
在筛选、对比多组遥感数据并参考同类研究并充分考虑气象因素后,选取年度内秋冬季节的遥感影像,包括Landsat系列2020年11月24日和12月26日2景影像与1991年9月21日和10月 7日2景影像在进行正射校正、波段合成后采用SWIR,NIR 和 Blue 3个波段进行 RGB 波段组合,形成用于开展冰湖及冰川变化提取的最终影像数据; 选取 2021年高分一号B星和 D星2景影像,在进行正射校正、波段合成后采用NIR,Red和Green3个波段进行RGB波段组合,形成用于开展冰碛物、冰川冰湖现状信息提取的最终影像数据。本次遥感调查所采用高分遥感数据和Landsat系列遥感数据详细信息如表1所示。
表1 使用遥感数据具体信息

Tab.1 Specific information of remote sensing data

序号 卫星 传感器 分辨率/m 时间 行列号或经纬度
1 Landsat5 TM传感器 30 19910921 139041
2 Landsat5 TM传感器 30 19911007 139041
3 Landsat5 TM传感器 30 19911108 139041
4 Landsat5 TM传感器 30 19920324 139041
5 Landsat5 TM传感器 30 19920416 139041
6 Landsat8 OLI传感器 15 20201123 139041
7 Landsat8 OLI传感器 15 20201225 139041
8 Landsat8 OLI传感器 15 20210211 139041
9 高分一号B星 PMS传感器 2 20210827 E89.0_N27.4
10 高分一号D星 PMS传感器 2 20210101 E89.1_N28.0
冰川冰湖的高程、坡度、坡向等信息来源于DEM数据,选用日本宇航局生产的ALOS World 3D 30 m(AW3D 30)DEM数据,空间分辨率约30 m。采用ArcGIS平台对该数据进行裁剪和地形分析,并依据该数据绘制流域边界,进行冰川冰湖几何参数的提取。

2 研究方法

2.1 冰川冰湖的遥感解译方法

基于高分和Landsat系列影像开展了冰川、冰湖及冰碛物的遥感解译,对冰川冰湖的相关遥感特征进行了分析与梳理,主要基于冰川、冰湖编目的技术方法对冰川进行提取[18-19],建立了冰川冰湖遥感解译标志,掌握不同冰川冰湖的典型影像特征,在对冰川、冰湖及冰碛物等要素进行遥感信息提取和解译后,形成亚东河流域冰川冰湖的最终分布与变化情况的数据成果。

2.2 冰碛湖溃决危险性评价方法

2.2.1 评价因素选取

冰碛湖的溃决机制主要为冰/岩崩入湖形成涌浪,对冰碛坝进行侵蚀或冰碛坝埋藏冰融化导致坝体破坏最终形成溃决洪水。其诱发因素包含冰雪崩、极端降水等外因及冰碛坝内死冰融化、管涌等内因,且冰湖溃决往往并非是一个诱因,而是多个诱因共同作用的结果[20]。已往研究表明,冰碛湖的溃决与补给冰川具有强相关性,已发生的冰湖溃决灾害评价因素的选取对于结果的可靠性具有重要意义。本文结合亚东县冰湖的特征与已有文献对于冰湖溃决灾害危险性评价因素研究基于高分影像提取了亚东河流域冰湖的范围、分布与变化情况、冰碛坝的几何形态及冰川的特征,采用层次分析法和模糊综合评价模型对冰湖危险性进行评价,得到亚东河流域潜在溃决危险冰湖的分布情况[21]。亚东河流域冰湖溃决危险性评价影响因素共11个,包含: 冰湖类型(X1),冰湖后缘陡坎高度(X2),冰湖与冰川距离(X3),补给冰川的冰舌坡度(X4),危险冰体的面积与冰湖面积的比例(X5),冰湖面积(X6),冰碛坝体坝顶较窄(X7),冰碛坝体坡度较陡(X8),冰湖扩张速率(X9),补给冰川为悬冰川(X10),冰湖与终碛垄和补给冰川的相对位置(X11)。评价要素的详细信息及获取来源见表2。
表2 冰湖溃决灾害评价要素详细信息及来源

Tab.2 Detailed information and source of evaluation elements of glacier lake break disaster

地貌和地质条件 定性/定量 有关属性 数据来源
冰湖类型 定性 冰湖成因类型 高分影像
冰湖后缘陡坎高度 定量 高差 DEM数据
冰湖与冰川距离 定量 距离 高分影像
补给冰川的冰舌坡度 定量 坡度 DEM数据
危险冰体的面积与冰湖面积的比例 定量 危险面积、面积比 高分影像
冰湖面积 定量 面积 高分影像
冰碛坝体坝顶较窄 定量 坝顶宽度 高分影像
冰碛垄坡度较陡 定量 平均坡度、最大坡度 DEM数据
冰湖扩张速率 定量 扩张速率 高分影像
补给冰川为悬冰川 定性 冰川形态类型 高分影像
冰湖与终碛垄和补给冰川的相对位置 定性 相对位置 高分影像

2.2.2 确定评价因素权重系数

冰湖溃决由于是多因素导致,因此各要素权重系数的确定对于冰湖溃决灾害稳定性的评价具有重要意义。确定各因素权重的方法一般分为专家直接评分法和层次分析法2种。层次分析法是指将与决策相关的要素分解成目标、准则、方案等层次,进行定性和定量分析的决策方法,用决策者的经验判断目标实现标准之间的相对重要程度,通过各因素之间的两两比较确定合适的标度。相对于专家直接确定,该方法仅需要专家确定两要素之间的相对权重,减少了专家评分的不确定性。本文主要采用层次分析法,通过对各个要素进行各类型的两两比较得出其重要类型的程度,构造判断矩阵,如表3所示。其中同等重要为1,稍微重要为3,明显重要为5,强烈重要为7,此外,2,4和6分别为相邻判断1~3,3~5,5~7的中值。
表3 冰湖溃决要素的判断矩阵

Tab.3 Judgment matrix of glacier lake outburst element

要素 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 X11
X1 1 1 1 2 2 2 3 5 5 7 7
X2 1 1 1 2 2 2 3 5 5 7 7
X3 1 1 1 2 2 2 3 5 5 7 7
X4 1/2 1/2 1/2 1 1 1 2 3 4 6 6
X5 1/2 1/2 1/2 1 1 1 2 3 4 6 6
X6 1/2 1/2 1/2 1 1 1 2 3 4 6 6
X7 1/3 1/3 1/3 1/2 1/2 1/2 1 3 3 5 5
X8 1/5 1/5 1/5 1/3 1/3 1/3 1/3 1 2 4 4
X9 1/5 1/5 1/5 1/4 1/4 1/4 1/3 1/2 1 3 3
X10 1/7 1/7 1/7 1/6 1/6 1/6 1/5 1/4 1/3 1 1
X11 1/7 1/7 1/7 1/6 1/6 1/6 1/5 1/4 1/3 1 1
在确定判断矩阵后,使用MATLAB软件来对其进行计算,计算出判断矩阵的特征值和最大特征根。得到最大特征根λmax=11.322,特征向量 W={0.479 7,0.479 7,0.479 7,0.286 4,0.286 4,0.286 4,0.193 9,0.116 1,0.088 4,0.047 9,0.047 9}。计算判断矩阵的一致性可得CI=0.003 22,CR=0.021 34<0.1,通过一致性检验。将特征向量单元化可得到计算权重 w={ 0.171 781 558, 0.171 781 558,0.171 781 558,0.102 560 430,0.102 560 430,0.102 560 430,0.069 435 989,0.041 575 649,0.031 656 222,0.017 153 089,0.017 153 089}。

2.2.3 建立综合模糊评价模型

已有研究表明[3,12]已发生冰湖溃决灾害主要诱因和其补给冰川有强关联性,因此,本研究将后缘无补给冰川的冰湖分类为极低危险,其他冰湖则基于遥感提取的11个要素通过模糊综合评判来进行危险性的分类,将这部分冰湖分为高危险、中危险、低危险3个等级。由于影响冰湖溃决的因素复杂,模糊综合评价模型是对受多因素影响的对象进行合理评价的有效方法,因此采用模糊综合评价模型来对冰湖的危险性进行评价[22]。其评价流程如下,将所有的待评价的冰碛湖组成评价的对象集X={x1,x2,…,xn},每一个冰碛湖溃决的风险性都由所选择的冰川、冰湖、冰碛坝等n种因素决定,即每一个冰碛湖对象都有对应的U={u1,u2,…,un},每种因素在冰湖溃决的影响权重不同,共同组成 A={a1,a2,…,an},将冰湖划分成低风险(I)、中风险(II)和高风险(III)3个危险等级,共同组成V={v1,v2,…,vn},并建立单因素评判矩阵 R,最后,通过模糊变换得到模糊综合评价模型矩阵B= AΟ R,并利用最大隶属度原则确定冰碛湖的风险性[23],其中,隶属度的计算采用升岭形隶属函数分布,依据当x位于两界限值的中间时隶属度为1的原则,当x离开中间值增大或减少时,该变量对该等级的隶属度从1开始减少,当取边界值(a,b,c)时,隶属度为1/2。划分的区间及对应隶属函数见表4,用求出的权重矩阵 W,各因素的隶属度矩阵 R,采用公式B=W×R,求出冰碛湖对各活动性等级的隶属度,最后按最大隶属度原则判断所评判对象的危险度等级。
表4 各区间值对应的隶属函数

Tab.4 The membership function corresponding to the values between regions

区间 I II III
a≤x≤(a+b)/2 1 4 - 1 4 s i n 2 π b - a x - 3 a + b 4 3 4 + 1 4 s i n 2 π b - a x - 3 a + b 4 0
(a+b)/2<x≤b 3 4 + 1 4 s i n 2 π b - a 3 a + b 4 - x 1 4 - 1 4 s i n 2 π b - a 3 a + b 4 - x 0
b<x≤(b+c)/2 0 1 4 - 1 4 s i n 2 π c - b x - 3 b + c 4 3 4 + 1 4 s i n 2 π c - b x - 3 b + c 4
(b+c)/2<x≤c 0 3 4 + 1 4 s i n 2 π c - b 3 b + c 4 - x 1 4 - 1 4 s i n 2 π c - b 3 b + c 4 - x
x>c 0 1 2 s i n c π 2 x 1 - 1 2 s i n c π 2 x
先统计出冰川冰碛湖沟各因素的最小值x1,平均值x2,并使x2位于强活动性中间,在此基础上,在x1与x2之间分出1.5个区间。定义下列界限值,即
a=x1,
b=x1+(x2-x1)/1.5,
c=x2+(x2-x1)/3。
以 GL089230E27808N 为例,其冰湖面积为0.562 2 km2,属于x>c区间,则其对3个评价等级的模糊隶属度为
μ1=0,
μ 2 = 1 2 s i n c π 2 x = 0.134   2 ,
μ 3 = 1 - 1 2 s i n c π 2 x = 0.865   8 ,
式中: μ1、μ2和μ3分别为3个评价等级的模糊隶属度。
同理,依次计算出其他因素对3个等级的模糊隶属度,得到该湖的隶属度矩阵。再利用B=W×R 计算出评价矩阵 B=[0.261 360 693 0.273 122 731 0.465 515 577]。取最大元素0.465 515 577,对应的活动等级为高风险(III),其他冰湖的评价结果均以此方法计算。

3 结果与分析

3.1 亚东河流域特征

亚东河流域北高南低,东西两侧地势较高,地形高差大,平均海拔约 3 500 m,北部海拔约4 000~6 000 m,流域面积为2 253 km2,共分布10个次级流域(图2)。其中,发育冰川的仅东北部的康布麻曲流域和西北部的麻曲流域,而冰湖则在亚东河流域分布较为广泛,基本在各次级流域均有分布。亚东河各次级流域中康布麻曲流域和麻曲流域面积最大,也是开展冰湖溃决灾害评价的重点。康布麻曲流域面积为809.74 km2,流域内主河道长38.43 km,流域内高低起伏大、比降大,最高处为6 985 m,最低处为2 984 m, 高差约4 000 m。麻曲流域面积为611.68 km2,流域内主河道长度为47.54 km,地势较康步麻曲流域稍缓,最高处为6 819 m,最低处为2 939 m,高差约3 880 m。
图2 亚东河流域及子流域分布

Fig.2 Distribution of Yadong River basin and its sub-basins

3.2 冰川和冰湖的分布与变化特征

3.2.1 冰川的分布特征

亚东河流域冰川冰湖分布如图3所示。亚东河流域冰川共28 条,总面积为34.03 km2,集中分布在北部的康布麻曲和麻曲次级流域高山区,以山谷冰川和悬冰川为主,流域内面积最大的3条冰川均分布在流域的西北部康布麻曲流域,占整个流域冰川面积的75%以上,且冰舌前端有大量的冰碛物覆盖。1991—2021年30 a间,亚东河流域冰川总体呈退缩趋势,总数量减少5条,总面积减小2.48 km2,1991年共分布冰川33条,面积为36.51 km2,而到2021年冰川减少为28条,面积减小到34.03 km2(表5)。
图3 亚东河流域冰川冰湖分布

Fig.3 Distribution of glacier and glacier lake in Yadong River basin

表5 不同流域冰川分布情况

Tab.5 Distribution of glaciers in different basins

流域 年份
1991年 2021年 变化
数量/条 面积/
km2		 数量/条 面积/
km2		 数量变
化/条		 面积变
化/km2
康布麻曲流域 25 32.446 20 30.516 -5 -1.93
麻曲流域 8 4.062 8 3.510 0 -0.55
合计 33 36.508 28 34.026 -5 -2.48

3.2.2 冰湖的分布特征

亚东河流域冰湖主要分布在的北部及东西两侧高山区,冰湖总数量228个,总面积为7.79 km2,其中,有冰川补给的冰湖15个,无冰川补给的冰湖213个。从1991—2021年近30 a间,冰湖总数量从201个增加到228个,增加3.43%。总面积从7.51 km2 增加到7.79 km2,增加3.73%,部分由冰川补给的冰湖快速扩张。其中,扩张最为迅速的是位于唐噶普曲支沟的编码为 G088789E27491N 冰斗湖,从1991年的0.04 km2 扩张至2021年的0.16 km2,扩张面积达0.12 km2,扩张幅度达300%。按流域统计冰湖数据如表6所示。
表6 按流域统计冰湖数据

Tab.6 Statistics of glacier lakes by basin

冰湖 1991年 2021年 变化
数量/个 面积/km2 数量/个 面积/km2 数量变化/个 面积/km2
康布麻曲流域 98 3.779 108 3.701 10 -0.078
麻曲流域 30 1.101 27 1.062 -3 -0.039
曲姆曲流域 11 0.718 13 0.836 2 0.118
浦马朗流域 10 0.705 13 0.724 3 0.019
洞朗曲流域 13 0.378 15 0.401 2 0.023
鲁林曲流域 5 0.255 11 0.433 6 0.178
加朗曲流域 6 0.158 10 0.180 4 0.022
恰尔塘曲流域 8 0.159 10 0.118 2 -0.041
曲达康曲流域 11 0.137 11 0.171 0 0.034
比吾塘曲流域 9 0.117 10 0.165 1 0.048
合计 201 7.507 228 7.791 27 0.284

3.3 冰湖的危险性分析

通过对研究区的冰湖进行模糊综合评判,结果表明流域内共有冰湖228个,其中有冰川补给的湖泊15个,高危险性的冰湖5个,占总数量的2.19%; 中危险性的冰湖8个,占总数量的3.51%; 低危险性和极低危险性的冰湖2个。受冰川分布的影响,所有中高危险性冰湖均分布在康布麻曲流域和麻曲流域。

3.3.1 康布麻曲流域

康布麻曲流域是亚东河流域最大的次级流域,面积为809.74 km2,流域内冰川冰湖总体呈退缩趋势,1991年,共分布冰川25条,总面积为32.45 km2,共分布冰湖98个,总面积为3.78 km2; 2021年,该流域共分布冰川20条,总面积为30.52 km2,共分布冰湖108个,总面积为3.70 km2。1991—2021年的30 a间,冰川冰湖总体呈消退趋势,但变化速率较为缓慢,冰川面积减少5.95%,冰湖面积减少2.04%。康布麻曲流域中冰湖信息如表7所示。不同危险等级冰湖分布如图4所示。模糊综合评判表明,流域内共分布潜在危险冰湖10个,其中,高危险性冰湖2个,中危险性冰湖6个,低危险性冰湖2个,中高危险性冰湖几乎全部分布在流域西北部高山区穷比吓玛错附近,若发生溃决对下游的康布乡、亚东县城可能造成严重影响。
表7 康布麻曲流域中冰湖信息

Tab.7 Information table of glacier lake in Kangbumaqu basin

序号 冰湖编码 面积/m2 经度/(°) 纬度/(°) 危险
等级
1 GL088889E27842N 10 668.90 88.889 6 27.842 5 高
2 GL088776E27566N 4 058.83 88.776 2 27.566 7 高
3 GL088921E27847N 42 114.90 88.921 9 27.847 4 中
4 GL088892E27832N 23 437.70 88.892 6 27.832 8 中
5 GL088875E27817N 36 026.00 88.875 9 27.817 6 中
6 GL088884E27804N 15 963.40 88.884 1 27.804 7 中
7 GL088930E27899N 155 118.00 88.930 0 27.899 9 中
8 GL088790E27496N 159 937.00 88.790 8 27.496 7 低
9 GL088954E27914N 17 982.50 88.954 5 27.914 2 低
10 GL088956E27911N 13 013.70 88.956 8 27.911 6 低
图4 康布麻曲流域不同危险等级冰湖分布

Fig.4 Distribution of glacier lakes with different risk levels in Kangbumaqu basin

3.3.2 麻曲流域

麻曲流域是亚东河流域第二大的次级流域,面积为611.68 km2,冰川冰湖总体呈退缩趋势,1991年,流域共分布冰川8条,总面积为4.06 km2,共分布冰湖30个,总面积1.10 km2; 2021年,该流域共分布冰川8条,总面积为3.51 km2,共分布冰湖27个,总面积为1.06 km2。1991—2021年30 a间,冰川冰湖总体呈消退趋势,变化幅度相对较大,冰川总面积减少13.59%,冰湖总面积减少3.53%。麻曲流域中冰湖信息如表8所示。不同危险等级冰湖分布如图5所示。模糊综合评判表明,流域内共分布潜在危险冰湖5个,其中,高危险性冰湖3个,中危险性冰湖2个,中高危险性冰湖全部分布在流域东北部高山区,亚东河整个流域面积最大的昌岗错分布在麻曲流域,若发生溃决对下游的帕里镇第四社区、亚东县城可能造成严重影响。
表8 麻曲流域冰湖信息

Tab.8 Information table of glacier lake in Maqu basin

序号 冰湖编码 面积/m2 经度/(°) 纬度/(°) 危险
等级
1 GL089230E27808N 562 194.00 89.230 5 27.808 8 高
2 GL089221E27780N 9 330.24 89.221 6 27.780 0 高
3 GL089227E27795N 10 876.20 89.227 4 27.795 4 高
4 GL089226E27794N 12 770.20 89.226 3 27.794 3 中
5 GL089220E27794N 35 529.60 89.220 1 27.794 5 中
图5 麻曲流域危险性冰湖分布

Fig.5 Classification of dangerous ice lakes in Maqu basin

3.4 典型冰湖的危险性分析

3.4.1 昌岗错孕灾背景

昌岗错位于亚东河流域麻曲次级流域的东北角,是流域内规模最大的冰湖,是流域内15个典型的危险冰湖之一,该湖面积0.56 km2,海拔5 140 m,后缘存在一大一小2条补给冰川,冰川面积分别为2.62 km2 和0.26 km2。
自1991年以来,昌岗错面积未发生明显变化,但其后缘补给冰川呈消退状态,面积减小0.03 km2,冰舌前缘退缩约200 m。如图6所示,通过高分遥感影像和三维影像分析表明,昌岗错后缘东南侧冰川前缘坡度较陡,超过40°,表面裂隙较为发育,在地震、升温等外力作用下可能失稳,发生冰崩入湖涌浪造成溃决洪水。
图6 昌岗错及其补给冰川高分遥感影像

Fig.6 High resolution remote sensing image of Changgangco and its recharge glaciers

2021年开展了昌岗错的现场踏勘,如图7所示,主要包括冰湖冰碛坝的状况和补给冰川的情况,现场调查表明昌岗错前缘冰碛坝坝高约270 m,在坝体北侧存在溢流口,溢流口南侧堤坝坝顶高出湖面约50 m,顶部宽约50 m,在纵剖面上呈三角型,背水坡坡度约25°~30°,内侧坡度相对较缓约15°~20°,冰碛坝体组成为松散含泥质、粉质和砂纸砾石土,杂乱堆积。溢流口内乱石混杂,石块较大,多为粒径0.3~1.0 m 的砾石,水流较为稳定的从溢流口的石缝中流出。溢流口下游有一明显小型堆积扇,在高分遥感影像中较为清晰,扇体表面色调和周边冰碛坝体差异较为显著,推测该冰湖在小冰期后发生过小规模溃决事件。
图7 昌岗错实地踏勘照片

Fig.7 Field survey photos of Changgangco

昌岗错后缘陡坎高差大、坡度陡,高差约220 m,坡度55°。20世纪90年代之前,冰舌前缘位于陡坎处,若发生冰崩可能会造成较大规模涌浪,对下游产生严重的影响,但随着气候变暖,主冰川的冰舌已基本退缩至陡坎上部的平台内,在该处发生冰崩概率较低,但该冰湖后缘东南侧仍然有一面积约0.11 km2的小型冰体分布在陡坎上,若该处冰体失稳发生冰崩入湖仍存在造成涌浪溃坝的危险。昌岗错若发生溃决洪水将沿着曲姆曲向下游运移,在距冰碛坝 9 km的沟口处即为帕里镇四社区,洪水可能会对该社区造成较为严重的严重损害。

3.4.2 昌岗错溃决洪水演进数值模拟

利用美国陆军工程兵团下设的水文工程中心开发的HEC-RAS软件和陈祖煜院士研发的DB-IWHR模型,基于5 m空间分辨率DEM和高清遥感数据对昌岗错溃决进行洪水演进数值模拟分析。本次模拟通过建立河道、曼宁系数计算、网格划分、DB-IWHR流量计算、边界条件设置及初始化等步骤完成了昌岗错完全溃决状态洪水演进过程的数值模拟,得到从昌岗错到亚东县城不同时段的水深分布图。图8为曲加-那嘎东区域洪峰第一次到达时(35 min)和消退时(8 h 25 min)水深分布,因为地形原因,瞬间形成西侧斜坡下水体壅高,此时水深最大,为9.71 m,水位消退后,该剖面水深几乎降为0,该剖面最大洪峰和水位消退后的水深分布图和曲线图如图8和图9所示。
图8 曲加-那嘎东水深变化分布模拟

Fig.8 Distribution of Qujia-Naga east water depth variation simulation

图9 曲加-那嘎东剖面水深分布模拟

Fig.9 Distribution of Qujia-Naga east section water depth simulation

如图10所示,洪峰经过3 h 45 min后到达县城,经过其上游截面处最大水深为17.30 m,随后开始消散,经过48 h洪水彻底消退。县城部分居民区被完全淹没,在水深分布图中可以观察到洪水到达后,集中在河道中间区域的绝大部分居住区会被洪水淹没,两侧靠近山体的区域因为地势较高则相对较为安全。在洪水演进的模拟过程中,下游居住区被淹没,河道两侧斜坡处以及县城城区西北向上游较远处未被涉及,总淹没面积约33.7 km2,模拟表明若昌岗错冰碛湖发生完全溃决,可能会对下游人民群众造成严重的生命财产损失。
图10 亚东县县城及周边区域居民区水深分布模拟

Fig.10 Water depth simulation distribution of citizen zone in Yadong County town and round area

3.4.3 卓松错溃决洪水演进数值模拟

卓松错位于县城的东部偏北,距离县城仅15.58 km处,是15个危险冰湖中距离县城最近的冰湖,其前缘存在典型冰碛坝体,后缘存在补给冰川1条,冰舌前缘与卓松错呈直接接触状态,冰川面积为0.22 km2,由于气候变暖,冰川消退,卓松错近年来呈快速扩张趋势,2022年面积为0.159 km2,而1990年时该湖面积仅0.04 km2,扩张约300%,年均扩张率约9.84%,是亚东河流域内扩张最为迅速的冰湖。若受到环境因素的影响产生扰动,发生冰块体坠湖,可能导致涌浪,引发洪水泥石流等灾害,对下游的县城区造成损失。
如图11所示,模拟结果表明若卓松错发生溃决,洪峰流量约470 m3/s,历时约50 min,溃口完全破环,且由于地势较陡,比降大,所以洪水流速较快,在40 min后洪峰将到达拐角处,由次级河道进入主河道,此时最大流速为10.41 m/s,汇入亚东河道,在溃决发生的45 min后,洪峰到达县城北部,此时水深最大,约8.81 m,溃决发生5 h后,洪水消退,此时最大水深约1.91 m,历时约4 h 15 min。
图11 亚东县县城及周边区域水深分布模拟

Fig.11 Water depth simulation distribution map of Yadong County town and round area

在卓松错洪水演进的模拟过程中,虽然洪峰流量较小,但由于沟谷狭窄,下游居住区仍部分被淹没,可能会对下游人民群众造成严重的生命财产损失。

4 结论

本文利用多源高分数据、Landsat和AW3D 30 m DEM等遥感数据,通过遥感解译提取了亚东河流域冰川冰湖,通过模糊综合评判的方法对流域内冰湖的潜在危险性进行了评价,得到潜在危险冰湖的分布结果,得到以下结论:
1)亚东河流域冰川冰湖主要分布在北部高山区,冰川在1991—2021年近30 a间总体呈小幅度退缩趋势,冰湖呈小幅增加趋势,部分冰川补给型冰湖扩张迅速。
2)通过模糊综合评判分析,亚东河流域共分布潜在溃决危险冰湖15个,其中,高危险性冰湖5个、中危险性冰湖8个,主要分布在流域北部高山区,若发生溃决可能会对下游乡镇造成严重影响。
3)昌岗错为流域内最大的冰碛阻塞湖,其补给冰川表面裂隙发育,冰舌前缘较陡,易发生冰崩冰滑坡,且冰湖末端冰碛坝体高超过270 m,若发生溃决对下游乡镇可能造成严重影响。
4)冰湖溃决灾害是一个复杂的链式过程,在开展危险性评价时可能涉及多个因素的取舍, 依据遥感手段获取的参数受限于空间分辨率等存在一定的局限性,对于冰湖溃决危险性评价结果具有一定影响,在未来进一步的调查评价过程中结合现场调查等其他技术手段获取的参数将会得到更为可靠的评价结果。

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