冰川灾害对水电开发的影响评估

2014-09-10 02:53J.M.

水利水电快报 2014年10期

[] J.M.

据媒体报道，喀喇昆仑山冰川的发展活跃而稳定，而喜马拉雅山冰川正在不断缩小。冰川变化不仅会对整个地区的水资源、水电开发及旅游业产生冲击，而且还会促成山体灾害的发生。近年来倍受关注的冰川灾害问题是指冰坝溃决，更具体地说是指冰碛湖溃决洪水(GLOF)。这些冰川灾害会给下游地区带来大面积的破坏并有可能对水电站造成巨大威胁。1958年，尼泊尔境内一座冰湖发生溃坝，导致其下游的迪格错(Dig Tsho)水电站在其完工庆典前两周遭到毁坏。该地区的电力需求量十分巨大，因此冰川灾害问题受到了前所未有的关注。

本文简要概述了冰川灾害及其评估方法，并针对水电开发提出了可能的应对策略。

1 气候变化与冰川

最近数十年来，兴都库什山脉和喀喇昆仑山脉受中纬度西风带控制，降雪增多，因此该地区的冰川较稳定，甚至在活跃地推进，尤其是喀喇昆仑山冰川目前出现了跃动行为。冰川跃动是指冰川的加速运动阶段，在此期间冰川末端快速推进，使冰川表面形态及内部水的分布产生明显变化。目前对冰川跃动的作用机理尚无合理解释，跃动冰川可向下游山谷移动并堵塞山谷，且迅速形成冰坝，积蓄大量融水(可达数立方千米)。20世纪初，喀喇昆仑山冰坝溃决造成的大洪水(2～3 km3)波及的最远距离已超过1 200 km。

与此相反，控制喜马拉雅山南侧的印度夏季风强度减弱、时间延长，导致养育冰川的降雪减少。喜马拉雅山冰川面积和体积的大幅变小已给冰川融化、河水径流、居民用水及水电开发带来了严重后果。从广义上说，到21世纪末，全球冰川体积有可能至少会减少15%～55%。与此类似，北半球春季积雪也至少将减少7%～25%。大部分地区冻土温度极有可能自1980年代初期已开始升高。

经验表明，温度升高对冻土会产生影响，虽然这种情况主要发生在高纬度地区，尤其是北极地区，但像安第斯山脉、阿尔卑斯山脉和喜马拉雅山脉这样的高海拔冻土同样会受到影响，其结果表现为高海拔地区的岩崩和冰崩现象不断增多。此外，高海拔冰川表现为“冷型(cold-based)”冰川，其温度远低于压力熔点并与底部冻结在一起，其物质损耗主要由升华产生。低海拔冰川分为暖冰川和过渡型冰川，暖冰川的温度与压力熔点一致，未在底部产生冻结，其物质损耗主要通过融化产生。过渡型冰川上部为冷冰川，下部为暖冰川。

冰川湖的扩张是喜马拉雅山冰川逐渐衰退的表现方式之一。冰川末端退缩时留下的冰碛石形成湖泊，冰坝一旦溃决就会发生冰碛湖溃决洪水。1994年，不丹北部纳吉耶特索(Luggye Tso)冰碛湖发生溃堤事故，爆发的洪水量达到了18×106m3，事故造成下游21人死亡及大面积破坏，当洪水穿过200 km外的不丹与印度边境时，其波幅仍在2 m以上。

2 冰川湖形成原因及危害

理查森和雷诺兹对喜马拉雅山冰川灾害作了概述。高山冰川造成的部分主要灾害及其对下游的影响包括：

(1) 冰川湖；

(2) 冰碛覆盖型冰舌形成与冰川同宽的湖泊；

(3) 冰崩形成的泥石流；

(4) 冰川饱和沉积物遭到破坏后形成的泥石流；

(5) 地震或冰川端墙冻土融化引发的山体滑坡，从而造成了破坏力最强的岩崩灾难。

其他影响还包括：

(1) 冰板(glacial slab)破坏导致冰崩；

(2) 冰塔倒塌导致冰崩；

(3) 冰板破坏和冰塔倒塌导致岩崩；

(4) 冰崖崩解产生的位移波向末端冰碛石传播后引发冰碛湖溃决洪水；

(5) 洪水在河湾漫出河道；

(6) 毁坏成熟林地，山坡裸露；

(7) 刨蚀谷壁，山坡失稳，引发块体运动(山体滑坡、泥石流和坍塌等)，洪浪泥沙增多。

以跃动冰川(surging glacier)为例，冰舌流经山谷时堵塞后形成水库。由于喀喇昆仑山许多河流流量大，因此在短时间内，几天到几周，水库的蓄水量会显著增加。一旦冰塞湖水位达到足够的高度，冰坝在水压作用下就会抬高，冰下水可能又会反过来瓦解冰坝，继而使湖水释放到下游。

不丹北部鲁纳纳(Lunana)地区有4座冰川湖，它们很好地反映了不同类型的冰川和冰川湖系统。北川冰川(Bechung glacier)属于表碛覆盖型山谷冰舌，由2条独立的各自带有堆积区的冰川合并而成。冰川最末端分布着众多独立的小冰面湖，这些小湖泊正在形成一座大的冰前湖。

拉夫斯特朗(Raphstreng)冰川是一条陡峭的谷冰川，在其末端终碛前形成一座发育良好的冰碛湖。

与北川冰川一样，妥妥米(Thorthormi)冰川是由许多独立的冰流单元组成的表碛覆盖型复合谷冰川。冰川最平缓的末端因冰崩而分裂成冰山，冰舌看上去像是漂浮在其快速发育的冰前湖面上。

纳吉耶(Luggye)冰川则要大得多。冰川从陡峭的堆积区向下流动形成长而平坦的冰舌，冰舌上覆盖有表碛，大部分冰舌是死冰。冰川下游厚厚的表碛层导致其下层冰面消融速度减缓，使下游地势高于上游，融水难以从冰面排出。冰面众多的积水潭(pond)合并成为一个大的冰面湖(现称为“纳吉耶湖”)，该湖将下游表碛覆盖的死冰区与主冰川分割开来。在有关2002年卫星定位跟踪影像中，由纳吉耶湖左侧冰碛坝GLOF缺口可明显看到浅色的沉积物以及GLOF向西南方流动的轨迹。

冰川湖破裂时在冰碛坝上形成一个大的缺口，洪水携带的粗碛迅速在下游形成扇形沉积。

不丹运用远程遥感技术对冰川流动进行了详细监测，通过这项工作现在可以很好地理解冰川湖的形成原因。冰川最末端的净物质处于负平衡状态，表1总结了冰川表面坡度与冰川流动特征之间的关系。

在对教学方法的调查中发现，理论课教学中，经常采用传授式的教学方法。教学过程中教师的主导地位比较突出，学生主体性不太明显，缺乏灵活性和多样性。对于一些创新、能够吸引学生的方法如游戏法、目标设置法、领会教学法、自主练习法运用较少。这说明教师在教学方法的选择和应用方面还没有进行及时的更新，比较受传统体育思想的支配，没进行学习新的教学方法。教学内容较多，没有形成教学内容的多样性。另一方面学生的上课人数较多，使用一些方法和手段的难度增加，导致多样性的可能性较少。不利于采用创新的教学方法。

表1 冰川表面坡度、冰流及冰面湖发育之间的关系

冰面湖采用表面坡度<2°的标准有利于利用遥感技术来绘制冰川的面积，从而可得到冰川湖未来的分布状况。例如，位于尼泊尔索鲁孔布的埃姆加(Imjia)冰川长度有可能达到 4.4 km，将会是目前的两倍。而同一地区的洛兹冰川，尽管其碛石表面已经或将会形成一些积水潭，但由于坡度过陡，很难形成大的冰面湖。附近的果宗巴冰川(Ngozumpa)正在其终碛后的鼻区形成冰面潭，由于鼻区坡度平缓(<2°)，这些冰面潭可能会形成一个长为9 km的湖泊(依据积水深度，可形成一个面积为 6.5 km2、容积为330×106m3的冰湖)。

因此将会面临以下一些问题，即如此大的冰川湖带来的将会是巨大的水资源还是巨大的灾难？另外，在未来几十年中，这种湖泊体系如何监管？又由谁来监管？

认识冰川系统内部地形分布和物质运动过程，以及冰川内部环境及终碛坝四周山壁的影响非常重要。建立冰川系统的整体概念将有助于鉴别可能引发GLOF的一些关键要素。

山崩、雪崩等外部因素对湖水行为产生的作用受个体湖泊系统形状和形式的影响，这种作用反过来又会对终碛坝的稳定及溃决机制产生影响，并最终会影响到洪水特性。由于迅速涌入湖盆的能量可能会高达其容积的大约10%，因此将会形成假潮波动。第1次振荡或许是瞬时波，它可越过终碛坝并可能造成溃坝或堤坝退化，从而导致GLOF。据悉，1985年发生的迪格错湖决口事件，即是由假潮波振荡所引起的决口而导致了数次洪水脉动，且每次脉动在主河道内的下泄路径均不尽相同。

表2 冰川灾害评估的触发因子及临界参数

对于较为典型的长条形冰面湖的湖泊，其长度要远远大于其最大深度。比如不丹的那吉耶湖和尼泊尔的罗帕湖(Tsho Rolpa)，即使冰舌发生的是小的崩解(小于冰湖体积1%)，也会产生“位移波”，其能量通过湖水向终碛坝水平传播。该能量若大到一定程度，那么其产生的波浪或越过终碛坝安全水位(freeboard)或向其源头反射回去。例如，在尼泊尔的罗帕湖观察到，冰川末端冰崩引发的位移波，在距末端3 km的终碛坝处的波高达到了0.3～2 m。

另外，岩崩产生的相当于湖体积10%的大量岩屑涌入湖中，而湖的长度也是远大于其最大湖深。涌入的岩屑足以使湖泊形成“岩崩型推动波”，该波沿湖的长度方向向终碛坝水平传播，或越过较浅的安全水位或反射回湖盆，并可能会导致反射波发生横向振动。

冰碛坝溃决原因包括管涌导致的物理破坏，坝内死冰通过可引起沉降的热熔作用融化后而导致溃坝，向源侵袭性的单波漫流或逐浪漫流以及地震诱因。溃决原因不同，所产生的决口及洪水水位图的形状、复杂程度以及持续时长亦不相同。在做洪水模型研究时，对终碛坝溃决方式及洪水模式作的假设不同，其结果也会大相径庭。

建立GLOF模型是绘制下游灾区地图的关键，韦斯特比(Westoby)等人对终碛坝洪水建模进行了审查。大多数已发布的重建或预测模型存在着局限性，它们在实用性方面过于简单。针对已发生或有可能发生的洪水事件，这类模型的模拟结果缺少广泛代表性，因此应谨慎使用。尽管物理算法代表最先进的溃决数字建模方法，但在调查GLOF特征时也会很少用到。

3 冰川灾害评估

目前存在以下2个问题：

(1) 如何用一致的有意义的方法来评估某一地区的冰川灾害；

(2) 如何评定灾害等级。

冰碛湖巨大的蓄水量并不是导致冰川灾害的必然因素，认识这一点非常重要。

由于大多数高山冰川地处偏远，若缺乏强大的后勤保障人们很难进行实地考察。因此，近几十年来遥感技术已崭露头角，该技术可以对大面积(几百平方公里)冰川实施初步灾害评估。运用超高分辨率影像(地面分辨率<1 m)和相关的数字高程模型，可以对更多的受限区域(如<10 km2)的特定冰川湖进行更为详细的灾害评估。可以将该类评估、分析结果用来设计一些值得投资的野外项目，包括详细的地貌、物探、地形及工程地质测量。

很多临界参数可用来给湖泊系统分类，但其自身并不能指明灾害存在与否。表2列出了一些临界参数，对于存在的GLOF灾害，一定会有潜在的触发事件存在。影响GLOF可能发生的关键因素包括：

(1) 湖水位上方的安全水位(moraine freeboard)达到最小值，碛石坝宽度狭窄，使大坝极易漫顶。

(2) 山谷或悬冰川的岩崩、雪崩直接进入湖泊，从而诱发假潮波或崩塌型推动波。

(3) 坝体有渗漏或管涌。

(4) 坝内冰核融化，致使终碛坝连续性垮塌。

对临界参数和触发因子两种参数所发挥作用的大小，可用比例因子(scale factor)来权衡。这种方法构成了“多目标分析法”的一部分，并于1988年首次用于不丹水电项目建设中，随后在冰川地区也沿用了这种方法。用临界参数和触发因子两个参数充当权重，可以得到灾害评分结果并绘出灾害等级图。

4 水电项目冰川灾害监测

无论是冰碛湖还是冰坝溃决所引发的洪水，均可应用以下3种应对管理策略。即：

(1) 抵御(resistance)；

(2) 分流(deflection)；

(3) 避免发生。

在第一种情形下，建筑物的设计和施工应考虑到洪水类型和等级，以确保其具有抵御洪水(按洪灾等级)的能力。

在第二种情形下，洪水规模过大，不宜设计防洪建筑物，因而有必要在上游的水电设施和洪水源之间修建泄洪或消能建筑物。这种导流建筑物包括导流堰、坝。

第三种情形是指上述两种方法均不适用时，则应当在洪水源头上采取根治措施以消除洪水或降低洪水能力，从而达到可以用前面一种或两种方法处理的水平。然而，这两种方案均要求可能出现的洪水具有在现实中可接受的相似性质。因此，上述两种GLOF模型的边界具有密切的关联性。

还有一点非常重要，即水电项目在可行性研究阶段开始之前或之中，一旦对可能的洪水事件作出了评估，就必须对上游存在的灾害予以定期核查，因为这种灾害会随着气候的变化而发生改变。

然而GLOF一旦在某一特定的冰川湖系统发生，那么就不太可能再次出现，因为积水坝将遭到破坏，比如喀喇昆仑山冰川可能会出现反复的跃动期。因此，一旦冰川发生跃动，就不能假设它不会再次发生。尽管对喀喇昆仑山冰川跃动的重现期目前一无所知，但喀德平(Khurdopin )冰川在20世纪70年代较晚时期出现过跃动。该冰川在20世纪90年代末又再次出现跃动，表明其重现期应该为20 a。这种情况表明，如果一座设计寿命为50a的水电站所在的流域有跃动型冰川，那么该冰川再次发生跃动的机率就非常大，也许还不止一次。

为保证水电站的安全运行，强烈建议应对水电站上游的冰川灾害定期给予系统地评估，可以每5a开展一次。水电项目在可行性研究阶段也许不存在冰川灾害，但开始施工后灾害也许就来了，而且随着时间的推移，灾害规模和程度或许会越来越大。

5 结语

由于气候变化带来的全球变暖导致包括高纬度地区的降雪减少和冻土解冻，意味着山体风格及规模，尤其是冰川灾害随着时间的推移也会发生改变。从印度西北部，经尼泊尔、锡金到不丹东部的喜马拉雅山脉的冰川正在大幅缩减，有些则处于解体的状态。冰川退缩导致冰碛湖融水增多，当冰碛湖的稳定达到临界点时，任何的外因均会导致冰碛湖溃坝而泄放大量洪水，诱因包括岩崩、冰崩、上游冰川湖突发来水及可能发生的地震。据报道，喜马拉雅山GLOF肆虐距离长达200 km，而印度河上游冰坝垮塌导致的突发洪水更是长达1 200 km。