西藏申姆错冰湖现状调查及溃决可能性分析

李 龙，牛 建 宗，卜 亚 平，李 鼎 成，苟 东 霞

(1.兰州资源环境职业技术学院，甘肃 兰州 730021； 2.西藏雅鲁藏布工程设计有限公司，西藏 拉萨 850000)

冰川湖泊(简称冰湖)在冰冻圈科学、气候变化和山地灾害研究中具有重要地位[1]。冰湖的存在具有双面效应：一方面，冰湖是一种宝贵的水资源，对人类生产生活有着重要意义[2]；另一方面，冰湖又是许多冰川灾害的孕育者和发源地，对人类生产生活构成严重威胁[3]。随着全球气候变暖[4]，青藏高原冰川普遍退缩[5]，冰川融水增加[6]，冰碛湖扩张迅速[7]且潜在溃决风险增加[8]。西藏地区资源开发利用、公路和水电站的建设和旅游事业近些年得到蓬勃发展，加强对西藏地区冰湖监测及溃决灾害预警就显得尤为必要[9]，对于区域可持续发展具有重要意义[10]。

据文献资料统计，近50 a以来，喜马拉雅山地区已有至少20余次较大的冰碛湖溃决洪水灾害事件发生，其中3/4的数量发生在我国西藏境内，给区域社会经济发展带来严重影响[11]。由于冰湖多位于无人居住的高寒地区，冰湖溃决预警和监测滞后，只有冰湖溃决洪水(或泥石流)对下游地区居民造成伤害时才会引起地方政府重视，因此集成实地调查及3S技术对冰湖基本特征及溃决可能性进行分析和研究具有重要的实践性意义。

本文基于2017年5月4日西藏日喀则市水利局联合多家单位对申姆错冰湖实地考察的数据，结合文献资料、地形图、遥感影像和冰川编目数据，分析了其基本特征，并采用冰湖溃决指标评价体系对申姆错冰湖的溃决可能性进行评估。

1 研究区概况

申姆错(俗称黄湖)，由于该冰湖外形呈大拇指甲状，故称申姆错，位于喜马拉雅山涅如藏布支流给曲源头(28°15′55″N，90°04′07″E)的日喀则市康马县涅如堆乡达日村上游、桑旺错下游，距桑旺错2 km[12](见图1)。现湖面高程5 112.679 m，南北长2 695 m，东西宽1 392 m，湖面积约1.871 km2，湖水浑浊，平均水深约40 m左右，湖水体积在8 000万 m3左右[12]。冰湖下游有24个自然村、12个牧场、1个饲草料基地、满拉水库以及康马县、日喀则等重要城市。

图1 申姆错冰湖地理位置及其流域概况Fig.1 The study area of Shenmucuo glacier lake

2 申姆错冰湖基本特征调查与分析

2.1 申姆错冰湖及其补给冰川

为获取申姆错湖泊面积及其补给冰川变化情况，下载并整理了研究区1987～2016年空间分辨率为30 m的Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像(http：∥earthexplorer.usgs.gov)。以GPS实测点位数据为相控点，利用ENVI 4.7 软件对Landsat TM/ETM+遥感影像进行几何校正。在ArcGIS 10.0 软件下对遥感影像进行标准假彩色合成后采用屏幕数字化方式获取湖泊边界矢量数据，湖泊边界解译以科技部科技基础性工作专项“中国湖泊水质、水量与生物资源调查”要求为原则，并将精度控制在一个像元之内。

通过统计分析近30 a申姆错冰湖湖泊面积变化及申姆冰川面积变化情况(见图2)可知：1987～2016年，申姆冰川面积由31.24 km2减小为30.38 km2，冰湖面积则扩张了近1倍，从0.96 km2扩张为1.87 km2。据现场勘察实测及卫星遥感影像解析得出，申姆错后缘积雪和冰川面积约为15.80 km2，申姆错冰湖有两条山谷冰川补给，两条冰川皆发源于西藏康马县与不丹北部交界处的雪峰，两冰川在距冰湖6 900 m处汇合[13]，形成该冰湖冰舌。冰舌坡度约为4.5°，冰舌已伸入冰湖，且运动剧烈经常有大块冰川断裂掉落湖中。

2.2 申姆错冰湖流域边界

将空间分辨率30 m的SRTM DEM数据(http：∥www.gscloud.cn)作为研究区地形数据，基于ArcGIS 10.0水文模型(Hydrology model)提取流域范围，并结合实测1∶500数字地形图和Google Earth进行比对验证，确保提取的流域补给范围与实际湖泊水系特征相吻合。结果发现，申姆错冰湖流域面积62.80 km2，通过影像解译和实地调查发现冰湖下游有24个自然村、12个牧场、1个饲草料基地、满拉水库以及康马县、日喀则等重要城市。

图2 近30 a申姆错冰湖湖泊面积变化及 申姆冰川面积变化情况Fig.2 Changes of the area for lake and glacier of Shenmucuo

2.3 申姆错冰湖流域气象

由于该冰湖所处流域内无任何实测气象资料，因此采用中国区域地面降水日值0.5°×0.5°格点数据集插值气温、降水数据，数据处理时采用中国气象科学数据共享服务网标准方法。统计分析发现(见图3)：申姆错流域地势东南高西北低，流域地势起伏大，平均海拔5 618.10 m，属典型高寒地区。流域内年平均气温-6.46 ℃，受喜马拉雅山阻挡，降水较少，仅为525.31 mm，并且具有明显的季节变化特征，6月中旬至9月上旬降水量占全年降水量的85%。由图3可知，2000年左右为气温、降水变化的分界线，之前气温、降水均呈减少(降低)趋势，之后均呈增加(升高)趋势。

图3 近30 a申姆错冰湖流域气温和降水变化情况Fig.3 The changes of air temperature and precipitation for Shenmucuo glacier lake

2.4 流域水文条件

结合2017年5月4日实地调查资料发现，申姆错冰湖下游的达日村洪水主要发生在7～8月，无桃花汛。其中，8月份洪水次数最多，量级最大。洪水主要由暴雨形成，洪水发生时间与降水分布规律一致。枯水期为11月份至次年5月左右，其中2月份最枯，存在断流现象。河道存在冰情，且冰情较严重。初冰大概在11月初旬，到次年4月中旬消融。冰层厚度约0.5 m左右。

在野外勘察中，申姆错冰湖水深水样采集点位于冰湖北侧附近，该测量点水深6.28 m，湖冰厚度0.21 m(见图4)。考虑到人员安全，此次野外调查只有一个水文实测点，但对数据精度验证起了至关重要的作用。利用2017年5月4日实测的水文数据，对申姆错冰湖水样及冰样的pH和主要离子、悬浮物等进行测定，结果表明申姆错湖水中化学物质组分主要来源于冰川。

图4 申姆错冰湖水文调查Fig.4 The investigation for hydrology of Shenmucuo glacier lake

申姆错冰湖洪水主要由降雨、冰川垮塌和侧碛垄滑坡构成，根据Huggel等[14]等经验公式计算得到申姆错近30 a面积、水位和库容变化曲线如图5所示，并结合实测水深进行验证。

图5 近30 a申姆错冰湖库容变化曲线Fig.5 The curves of storage capacity for Shenmucuo glacier lake of recent 30 years

2.5 流域地质条件

申姆错冰湖为冰川终碛湖，由于冰川后退时在其前端形成终碛垄，在终碛垄后缘与现代冰川冰舌的前缘之间由于冰川融水积累而形成冰湖。2017年5月4日实地勘察中发现，申姆错由4道侧碛垄和2道终碛垄构成堤中有堤的结构，其中有2道冰碛垄特征明显。最外侧终碛垄长约为2 400 m，宽约480 m，高约40～85 m，背水坡坡度10.1°～11.0°。申姆错终碛垄以及最外侧侧碛垄皆呈现半胶结状态，且都生长有垫状稀疏植被，表明其形成较早。内侧侧碛垄及内侧终碛垄由最近一次冰川运动形成的松散破碎冰碛物构成，颜色灰白，基本无植被，其主体由碎石、块石、大块石组成，块石较多，未见卵石。终碛堤坝上形成纵横交错的裂隙，局部由于冰水堆积物中的暗冰融化，形成数个大小不等的陷坑[13]。

3 溃决可能性分析

冰湖溃决诱因可以分为气候条件、水文条件和地质条件[15]。气候条件包括突发性降水，另外，从湿冷气候转向湿热或干热气候的过渡年份最有利于冰湖溃决发生；局部瞬时溃决的临界水文条件是冰湖溃决的关键，如大块冰川滑落；地质条件主要指地震、山体滑坡等引起的冰湖出湖口堵塞和潜蚀、冲刷进而引发的坝体坍塌。冰碛最有可能导致冰湖湖泊水位上升，当水位上升超过冰湖湖坝后导致冰湖溃决[14]。目前对于潜在危险冰湖的发现和评估主要是通过建立危险性评价指标体系来判断。中国科学院刘时银等基于喜马拉雅山地区已溃决冰碛湖资料，并考虑到数据的易获取性，给出了识别我国喜马拉雅山地区潜在危险性冰碛湖的筛选指标及判别标准[2](见表1)。

表1 喜马拉雅山潜在危险冰湖筛选指标及其判别标准Tab.1 Indices and criteria of hazard assessment for glacier lake outburst floods in the Himalayas

根据申姆错流域近30 a气温和降水变化(见图3)分析得出，2000年以来，申姆错流域气温和降水呈加速上升(增加)趋势。冰湖有明显大面积大块冰川崩塌现象，东岸坝体侵蚀严重、坡度较陡且近年来坝体滑落速度加快。从库容曲线图(见图5)可以看出，近30 a申姆错冰湖水位上升了3.075 m。申姆错北岸有明显湖水外溢及渗流现象，申姆错终碛垄主体为土石结构，主体密实度低，实地考察分析得出该冰湖溃决的方式有两种：① 湖水在终碛垄底部及其他部分渗透使终碛垄结构强度降低导致其突然垮塌；② 冰湖水位迅速上升导致湖泊溃决。在历次野外勘察中发现，在申姆错冰湖补给冰川崩解十分严重，并在湖面上形成大量规模巨大的浮冰，由于冰湖出水口为渗流口，浮冰在出水口处出现堆积现象，并使冰湖水位骤然上升，这可能会导致冰湖溃决。2017年5月4日在开展冰湖测量工作时发现渗流仍在继续。在对比历年遥感影像时发现，东侧碛垄上巨石明显下滑。如果渗流状况持续，一方面随着流水淘蚀作用增强，入湖碎石增多导致水位上升；另一方面伴随流水溯源侵蚀，坝体变薄变陡，稳定性降低。结合潜在危险冰湖筛选指标(见表1)，申姆错冰湖各项指标都符合或远超潜在危险冰湖筛选指标，由此判定申姆错冰湖为潜在危险冰碛湖。

4 结 论

本文通过2017年5月4日实地勘测数据，结合文献资料、地形图、遥感影像和冰川编目数据，利用冰湖溃决指标评价体系，对申姆错冰湖溃决可能性进行了分析，主要结论如下。

(1) 1987～2016年，申姆错冰湖面积从0.96 km2扩张为1.87 km2，水位上升3.16 m，申姆冰川面积由31.24 km2减小为30.38 km2；2017年5月4日实测数据发现申姆错冰湖湖冰厚度0.21 m，申姆错湖水中化学物质组分主要来源于冰川。

(2) 依据喜马拉雅山潜在危险冰湖筛选指标及其判别标准，申姆错冰湖从冰湖类型、冰湖面积、冰湖面积变化速率、冰湖库容、冰碛坝固结程度以及距母冰川距离等综合指标判定为潜在危险冰碛湖。此外，申姆错冰湖终碛堤坝上形成纵横交错的裂隙且有溢流口，其补给冰川申姆冰川崩解十分严重，湖面常有大块冰川冰，东侧侧碛垄常有巨石滑落滑塌，流域内自2000年以来气温、降水增加(升高)明显，这些因素导致申姆错冰湖溃决危险性增加。