阿尼玛卿山多次冰川滑塌链式灾害过程梳理与展望_王忠彦.pdf

阿尼玛卿山多次冰川滑塌链式灾害过程梳理与展望*王忠彦1）张太刚1，2）王伟财1）（1）中国科学院青藏高原研究所，100101，北京；2）兰州大学资源环境学院，730000，甘肃兰州）摘要冰川滑塌是近年来涌现的一种新形式冰川灾害.21 世纪以来，青藏高原地区发生 10 多起冰川滑塌事件，其中高原东北部阿尼玛卿山晓玛沟冰川分别在 2004、2007、2016 和 2019 年连续发生 4 次.利用多序列遥感影像和现有资料的整合统计对近 35 年来晓玛沟冰川形态、流速特征等进行分析，厘清了 4 次冰川滑塌事件发生的诱因以及潜在的隐患点.结果表明，4 次冰川滑塌发生前期的冰川跃动或末端前进、冰川后缘冰-岩崩、异常高温降水、易于滑动产生的基岩性质等与冰川滑塌事件的发生密切相关.观察到冰川后缘陡坡区在 20002011 年间发生 4 次规模较大的冰-岩崩，为多次冰川滑塌的发生提供了物质和动力基础.未来几年内再次发生冰川滑塌的可能性极大.2019 年冰川滑塌发生后，晓玛沟冰川再次向前滑动；近年来，冰川后缘新发育的不稳定斜坡冰裂隙发育明显增多；斜坡冰流速的变化与下部冰川稳定性之间存在内在联系，在冰川滑塌发生的相关年份斜坡冰流速明显较快.根据对阿尼玛卿山 4 次冰川滑塌诱因的分析以及新隐患点的判定，提出结合遥感影像和临近气象站点资料的便易手段，加强对晓玛沟内冰川形态和运动特征等的监测，以及时关注和预测未来灾害的发生.关键词冰崩；冰川滑塌；链式灾害；堰塞湖；冰川流速；阿尼玛卿山中图分类号P343.6；X43DOI：10.12202/j.0476-0301.20220560引言近年来随着全球变暖和冰川退缩，高山区环境不稳定性明显增加13.在青藏高原，冰崩、冰湖溃决洪水、滑坡等极端灾害事件频发48，不断地威胁着区域居民的生命财产安全和基础设施的稳定运行912.冰体从冰川上的脱离视发生方式、物质组成、脱离体积、冰川属性等一些特征，可以被划分为冰崩（iceavalanche）、冰-岩崩（ice-rockavalanche）以及冰川滑塌（glaciercollapseorglacierdetachment）1315.广义的冰崩囊括了以上这 3 种类型，而狭义的冰崩是指其物质组成以冰为主体，主要发生于悬冰川陡峭冰舌的末端，有滑移式和崩落式 2 种脱离方式1619.本文提到的冰崩所指的是狭义的冰崩.冰-岩崩可以发生在陡峭的山谷冰川后缘陡坡上13，2022，也可以在悬冰川上15，23，冰体常与下层基岩一同分离.冰川滑塌是指冰川坡度较低的冰舌部分发生大规模的脱离、滑落事件，其产生的量级往往是三者中最大的.Kb 等14就以脱离体积1106m3和脱离区坡度0.05气温:0.3(10 a)1,R2=0.47,P0.05198022460年份199020002010年降水量/mm年均温/图2玛沁站 19612013 年间气温降水变化952北京师范大学学报（自然科学版）第 58 卷沟断面上的高程信息（图 3），并做了简单的对比评估.可以看出 HMA 和 PALSAR 这 2 款产品在晓玛沟内的高程变化有着明显的差别，这反映了冰川因消融退缩和崩解所带来的表面高程变化；在下游沉积区，二者的表现整体上相近，但 PALSAR 要略低于 HMA，这可能是 PALSAR 产品低估了该地区的高程.NASADEM在积累区及以下的断面上表现较差，且与 PALSAR 的变化幅度相同（平均偏差 39m，标准偏差 1.3m）；在陡坡区要高于 HMA 和 PALSAR 这 2 款产品的表现，同时没有表现出与其他 DEM 相同趋势的变化，这是较为合理的.鉴于这几款 DEM 在晓玛沟冰川上的表现精度不同，在依据事件发生前后的地形高差变化进行冰崩体积估算时，得出的任何准确值都存在着较大误差，因此分别采用NASADEM 和PALSAR 与HMADEM的高差来计算（20072015 年的较小值和 20002015年的较大值），仅赋予每次冰崩事件可能的体积范围.2.2冰川流速计算本研究采用 Messerli 等53开发的 ImGRAFT 工具，在 Matlab 软件内完成对冰川流速的计算.该工具采用特征跟踪法计算地表的速度场，每次运算需要 2 张图像，其中第 1 张图像被设定为模板图像，第 2 张为搜索图像，在定义的搜索框内扫描搜索图像以从模板图像中找到这些特征的最佳匹配54.ImGRAFT 是目前计算冰川表面流速中最好的工具之一55.在南极 PolarRecord 冰川上进行的对比试验表明，通过 ImGRAFT 工具计算出的地表位移与其他类似工具如 COSI-Corr 等得出的数值一致55.利用精度表1晓玛沟和青龙沟发生的冰川滑塌和堰塞湖溃决灾害事件统计序号 事件时间区域脱离区面积/km2脱离区平均坡度/（）脱离体积/106m3描述诱因来源1冰川滑塌2004-01-2602-10积累区0.2072221.5碎屑物在沉积区堆积平均厚度约10m，破坏了下游大量的草场形成堰塞湖冰川跃动，冰-岩崩，降水，基岩性质本研究，462冰川滑塌2007-10-08积累区0.139166.54碎屑物在沉积区堆积平均厚度约6m对下游的道路、涵洞造成破坏形成堰塞湖冰川跃动，冰-岩崩，高温降水，基岩性质本研究，463冰川滑塌2016-10-06积累区0.085234.25碎屑物在沉积区堆积平均厚度约5m形成堰塞湖冰川跃动，冰-岩崩，高温（可能），基岩性质本研究，464冰川滑塌2019-07-0907-14积累区0.028131.12量级小，形成的碎屑流未对下方道路造成破坏冰川跃动，冰-岩崩，降水（可能），基岩性质本研究，145堰塞湖溃决2005-07-04青龙沟0.6315.38青龙沟主河道发育得最大的堰塞湖溃决，发生过程缓慢，7月5日溃决洪峰达到最大坝体中的冰融化，水压力增大本研究，46表2选取的可用遥感影像和数字高程模型序号影像名称采集时间精度/m应用1KH-4A1964-12-302.7冰川边界提取2Orbview-32005-06-211.0冰崩信息提取3Landsat4/5TM1986-10-31、1987-08-15、1988-02-07、1989-09-21、1990-06-20、1990-07-06、1991-09-11、1992-06-09、1993-08-31、1994-05-14、1994-11-06、1995-07-20、1997-08-10、1998-07-12、1999-07-31、2000-04-28、2001-07-04、2004-09-14、2006-09-20、2007-05-02、2007-09-23、2008-03-17、2009-08-11、2010-08-14、30.0冰川边界提取4Landsat7ETM+2002-08-16、2003-05-31、2004-01-26、2011-07-0830.0冰川边界提取5Landsat8OLI2013-04-16、2014-07-24、2015-08-1230.0冰川边界提取6ASTER2000-10-04、2001-09-30、2002-12-13、2004-03-05、2004-09-13、2005-09-16、2006-03-27、2008-07-15、2012-09-1215.0冰川边界提取；冰崩信息提取7Sentinel-2A/B2016-07-30、2016-09-28、2017-08-04、2018-09-28、2019-04-26、2019-07-30、2019-08-29、2020-09-17、2021-09-0710.0冰川流速、边界提取8HMADEM20158.0冰崩信息提取9PALSAR2007-08-1512.5冰崩信息提取10NASA200030.0冰崩信息提取第 6 期王忠彦等：阿尼玛卿山多次冰川滑塌链式灾害过程梳理与展望953较好的 Sentinel-2A/B 近红外波段影像，提取出了晓玛沟陡坡区 3 在 20162021 年间的冰川表面流速.计算单元与影像分辨率相同.晓玛沟内主冰川冰舌部在经历多次滑塌与后缘冰-岩崩的影响后，表面覆盖有大量的黑色岩石碎屑，在冰川流速特征的提取上难以进行，因此不做计算分析.速度场的不确定性是通过 冰 川 外 区 域 的 最 终 剩 余 位 移 来 估 算 的56，2 张Sentinel-2A/B 的连续年影像计算得到的不确定性平均约为 5ma1.2.3气候、气象与地震分析使用最临近站点玛沁站在 19612013 年的逐日观测资料，分析阿尼玛卿山冰川滑塌事件与气候变化、短期气象条件之间的关系.2004 年冰岩体堵塞青龙沟主河道后，青海省气象局在坝体附近进行了短期气象监测，结果显示玛沁站的气温数据与该地区相比变化趋势高度一致，降水虽然偏低但仍可做有益补充57.由于无法获得 2014年以后的地表观测资料，20142021 年的气象数据采用 ERA5-Land 逐月再分析资料进行插补.与观测资料相比，ERA5-Land 资料对该地区年均温的估计平均偏低约 7，对年降水量的估计则平均偏高 200mm.利用近 20 年的玛沁站观测资料对 20142021 年的ERA5-Land 逐月气象数据进行校正，校正后的气温、降水数据与实测数据在年内各时段前后一致性较好.此外，USGS 提供的 20002021 年间地震目录可用来调查阿尼玛卿山多次冰-岩崩、冰川滑塌事件与受影响范围内的地震活动之间的关系.不同的地震强度对于周边不稳定斜坡的影响程度不同58.按照Kb 等30提出的易造成冰川失稳的阈值，震级M4 且M6 的地震，会对距震中 10km 范围内的冰川不稳定区域产生影响；震级M6 且2446688101014142020年份冰裂隙992620992640E992620992640E992620992640E992620992640E34490344920N34490344920N00.20.4 km平均冰川流速/(ma-1)图8冰川后缘陡坡区 3 在 20162021 年间的冰川流速变化与较大冰裂隙发育状况第 6 期王忠彦等：阿尼玛卿山多次冰川滑塌链式灾害过程梳理与展望957生时的临界条件.在经历了 2004 年的事件之后，不仅观察到了晓玛沟冰川冰舌的减薄（图 3），还观察到有大量松散的冰碛碎屑物按流向分布在流通通道上或已被冰川冰重新覆盖的基岩上，这无疑是不利于冰川对于自身稳定性的调控.本质上，平坦冰舌大规模的脱离是一种失败的冰川跃动行为14，是由大量基底摩擦损失和无法进行全局控制实现的60.一般大型跃动型冰川具有良好的自我调控能力，不会出现冰舌脱离的现象，仅能够在冰舌表面观察到因应力系统巨大变化带来的冰裂隙61，而能够发生低坡度冰舌滑塌的冰川其面积一般4km2，属于中小型山谷冰川.一个完整的跃动过程应该包括物质在冰舌中上部的积累和在月或年不等的时间尺度上向冰舌下部的物质输送6263，直观上表现为下部冰舌增厚、表面裂隙增多、流速加快和冰川末端前进等64.晓玛沟冰川以传统的上游冰川冰补给（目前由未断裂的陡坡区 3 提供）和崩解物质为源汇，实现物质在冰舌上部的积累，以完成可能的跃动或滑动行为.由于无法监测到其物质在表面的再分配过程，以及遥感影像的分辨率不足等原因，目前仅能观察到冰川末端积极的前进活动.4.1.2地震诱导地震直接诱发的冰川滑塌事件是极少报道的，目前仅有发生在 1988 年 8 月 9 日阿尔泰地区的一起事件可能与之有关14，65.相反的是，地震对狭义冰崩或冰-岩崩的诱发却是常有的，例如：2001年 10 月2002 年 1 月期间发生于东昆仑山的 6 起冰崩，极有可能与同时段内一起 7.8 级地震有关17；2015 年 4 月 25 日发生于喜马拉雅山脉中部郎塘山谷的冰-岩崩造成超过 350 人死亡，此次事件被证实由7.9 级 Gorkha 地震诱发66.玛卿岗日地区断裂褶皱非常发育46，是地震高发区，但晓玛沟冰川滑塌事件与地震诱发无关，仅有 1 起地震可能影响到了 20002