探矿工程在线 > 正文

国内外冰碛湖溃决研究进展

发布时间:2018年12月07日
来源:探矿工程在线 作者:刘建康,周路旭

引用格式:刘建康,周路旭.国内外冰碛湖溃决研究进展[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2018,45(8):44-50.

摘要:末次冰期以来,气候变暖导致全球高山地区的冰川环境变化剧烈,冰碛湖稳定性降低导致溃决频率增加,成为中国、尼泊尔、俄罗斯、秘鲁等10多个国家和地区频繁发生的冰川灾害类型之一。冰碛湖溃决诱发形成的洪水和泥石流,由于规模巨大、成灾速度快和波及范围广等特点,造成下游地区的基础设施和生命财产遭受惨重损失。本文通过对国内外冰碛湖溃决事件、溃决诱因、溃决模式和溃决洪水特征4个方面研究现状和发展现状的梳理和分析,总结经验和思路,从而为冰碛湖溃决研究和评价提供借鉴和参考。

关键词:冰湖溃决;冰湖;冰碛湖;冰川灾害


0 引

冰碛湖主要是末次冰期以来冰进和冰退的产物。随着全球气候变暖,高海拔地区尤其是热带高海拔地区变暖趋势更为明显,冰川活动性变强,冰碛坝稳定性变弱,冰湖溃决灾害频繁发生,溃坝形成的大规模洪水和泥石流造成严重的经济损失和人员伤亡。本文依托项目“藏东南重要城镇和交通干线地质灾害调查研究”对我国西藏地区2个典型冰碛湖——印达普错和然则然错的冰碛坝进行了野外取样和光释光测年。主要从冰碛湖溃决资料收集、诱发因素、形成机制和溃决洪水特征4个方面,总结国内外冰碛湖溃决的研究现状和发展趋势,并结合项目实施过程中的经验和教训提出思路和想法,从而为冰碛湖溃决研究和评价提供借鉴和参考。


1  冰碛湖溃决事件

冰碛湖溃决事件是理论研究的基础原型和关键环节,但由于灾害的特殊性,收集和整理工作难度较大,通过调访而缺少实地调查导致的资料信息不完整或不准确是主要问题。截止目前,全球多个高山国家对部分溃决冰碛湖开展了调查研究,如喜马拉雅山、天山、阿尔卑斯山脉、高加索山脉和科迪勒拉山系2002年,Würmli初步梳理了全世界冰湖溃决事件,但由于资料完整性差异导致属性信息单一,但为全球资料数据库的建设和共享提供了借鉴。2013年起,国际滑坡合作项目(IPL“冰湖溃决洪水数据库”(项目编号:179)立项开展,通过期刊文献、报告和数据等手段共收集了130个左右冰碛湖溃决事件资料,该项目正在完善补充阶段。根据文献总体对比和总结,现阶段冰碛湖溃决事件的信息完整程度由高到低分别为地理位置、暴发时间、冰湖尺寸、溃口参数、终碛堤参数和溃决洪水参数(表1)。

1 冰碛湖溃决事件资料信息完整度总览

在我国,青藏高原冰川发育广泛,冰湖分布众多。研究表明,30年来我国喜马拉雅山地区的冰湖变化总体呈现“数量减少、面积增大”的趋势。其中,该地区的143个冰湖具有潜在危险性,溃决概率等级判定为“高”及以上的有91个。受全球气候变化影响,冰川环境逐渐恶化,导致该地区的冰湖溃决洪水和泥石流活动在未来时间内将处于一段活跃期。冰碛湖溃决事件一般发生在海洋性冰川向大陆性冰川过渡地带(除光谢错外),所形成的洪水和泥石流造成严重危害。最新资料统计显示,自20世纪30年代到目前为止,该区共有24处冰碛湖先后发生了28次溃决(图1)。

1  20世纪以来西藏地区溃决冰碛湖分布(据文献[23]修改

 

2  冰碛湖溃决诱因

Yamada在喜马拉雅山南坡地区(尼泊尔境内)冰湖研究中,将冰碛湖溃决诱因归纳划分为外部原因(冰/雪崩、强降雨和地震等)和内部原因(埋藏冰消融、管涌和冰碛坝失稳等)两类,Haeberli、Clauge 和Evans和徐道明等则研究分析了导致冰碛湖溃决的各类型诱发因素,王欣通过收集国内外50处有诱因记录冰碛湖溃决事件,对诱发因素进行了全面总结,本文按照出现频次梳理了以下8个主要类型:

1)冰崩/冰滑坡。

2)埋藏冰消融。

3)冰雪融水。

4)强降雨。

5)岩/雪崩。

6)冰川快速滑动/跃动。

7)地震。

8)多种诱因组合。


3  冰碛湖溃决模式

本文通过总结前人研究成果,将冰碛湖溃决模式按照堰塞湖溃坝分类方法划定为3类(见表2)。

2 冰碛湖溃决模式分类

3.1漫顶溃坝

最常见的冰碛湖溃决模式,其机制核心在于漫顶水流剪切力超过坝体冰碛物的抗冲临界值,在薄弱部位引起冲刷,形成溃口并最终发展成为溃坝。根据诱因类型和是否发生涌浪,本文将漫顶溃坝溃决模式细分为涌浪漫顶溃坝、溢流漫顶溃坝2类。

3.2管涌溃坝

由于冰碛坝结构松散和埋藏冰发育,受气候变化影响,死冰消融引起内部渗透潜蚀加剧,导致管涌的发生和扩张,最终造成坝体溃决。

3.3坝坡失稳溃坝

由于冰湖水位变化、涌浪侵蚀坝面、地震破坏和埋藏冰融化等诱因,冰碛坝陡倾的迎水坡或背水坡发生失稳导致坝体崩滑破坏,湖水漫顶或阻水应力低于湖水压力而诱发溃决。


4  冰碛湖溃决洪水特征

冰碛湖溃决形成的特大规模洪水或泥石流将对下游地区造成极其严重的灾难,溃决洪峰流量、洪水演进和泥石流形成的临界条件是评价冰碛湖溃决危险性的重要参数指标。

4.1 溃决洪峰流量

目前,国内外研究成果可以直接应用于冰碛湖溃决流量计算的公式较少,洪峰流量一般借助于经验回归公式或已有的土石坝溃决模型进行计算。关于堰塞湖溃决流量过程的计算方法主要有3种:

第一种是通过溃决坝体的坝高和库容计算洪峰流量的经验公式,或是通过溃决参数计算洪峰流量的半经验理论公式,常见计算公式见表3。

3  常见土石坝溃决洪峰流量经验计算公式


第二种是基于参数的计算方法,主要是利用土石坝溃决参数,通过时间的变化过程计算溃决洪水的流量变化过程。其中影响较大的是Fread研发的Dam Break和BREACH模型。

第三种是基于土石坝溃口发展的物理模型。通过综合水力学、泥沙、土力学等学科知识,构建一个时变过程以模拟实际溃坝过程和溃坝洪水过程线。

根据本文进展综述对冰碛湖溃决模式的类型划分,对于溢流漫顶或管涌引起的冰碛湖溃决,可以借鉴土石坝溃决模型(如Dam Break和BREACH模型)并调整参数输入得出较为合理溃决过程、峰值流量、洪水过程线等重要参数。但对于绝大部分涌浪漫顶诱发的冰碛湖溃决,溃口的形成时间或溃口的发展速率主要决定于涌浪规模,冰碛坝是发生瞬间局部溃决还是逐渐溃决是溃决洪水的关键参数。因此,亟待建立涌浪条件与溃口形成机制和溃决形成机制的计算模型,以更精确预测冰碛湖溃决的洪峰流量。

4.2 洪水演进和泥石流形成的临界条件

堰塞湖溃决洪水演进依据公式1)进行估算,但因模型简单导致计算误差较大。

沟道地形条件,断面形状、水力坡降、松散物的分布及物质组成等,不仅影响溃决洪水的能量耗散和危害范围,还将对溃决洪水演变形成泥石流的过程起到重要作用。其中,高陡狭窄的沟道地形将降低洪水耗散率,而平缓宽阔则增加耗散率,从而前者的危害较后者更广;松散物源充分条件下,冰湖溃决泥石流在坡度8°以下将发生淤积,4°以下则严重淤积并演变成含沙水流。不同的是,国内学者根据西藏冰湖溃决的案例分析,认为冰湖溃决泥石流形成的底限临界坡度为3%,粘性泥石流则为5%。党超在水力类泥石流起动机理的研究成果基础上,通过改变模型试验中的3个参数变量:单宽峰值流量、坡度和颗粒级配,研究得到冰湖溃决泥石流形成的临界条件。此外,冰碛湖溃决洪水或泥石流在演进过程中,极易在主支沟交处堵断主沟或主河,形成临时堰塞坝,发生二次溃决洪水叠加诱发更为严重的次生灾害链,是冰湖溃决灾害的重要特征之一。


5 结论

通过国内外冰碛湖溃决研究现状和发展现状的梳理总结,得到以下几点结论供参考。

1)冰碛湖溃决事件是研究的基础,但由于诸多客观和部分客观原因,资料信息缺乏质量较高的完整度,因此通过调查查漏补缺形成并完善数据库是研究的重要工作内容。

2)冰碛湖溃决诱因是形成机制的重要组成部分,本文总结了前人提出的8种诱发因素类型,但由于冰碛湖溃决事件调查资料信息的完整度较低,存在个别事件诱因亟待进一步查明。

3)冰碛湖溃决模式是形成机制的关键组成部分,影响溃决洪水的形成和发展,继而影响冰碛湖溃决危险性评价指标的判定。现阶段,全球气候变暖趋势下埋藏冰融化诱发的冰碛湖溃决和涌浪条件对冰碛湖溃决模式的影响,急需深入细化研究以揭示其复杂的形成机制。

4)冰碛湖溃决洪水特征是冰碛湖溃决危险性评价的重要依据,现阶段主要依据土石坝溃决洪水参数的方法模型进行估算,但因冰碛湖溃决具有埋藏冰融化或涌浪作用等额外影响,简单借鉴套用将导致计算结果存在较大误差,因此需要结合冰碛湖溃决形成机制的研究成果进行深入分析和经验调整。


查看原文:http://m.cnki.net/mcnki/literature/detail?datatype=CJFD&instanceID=TKGC201808011


[责任编辑:dc]

专家讲坛 >>
秦四清:青年和面上基金申请应聚焦于“小而精”
刘亚东:除了那些核心技术,我们还缺什么?
李廷栋院士:我国为什么要开展南极科考?
中国工程院院士卢耀如院士:地质勘探并非可有可无
王达,等:近年来中国地质钻探技术标准制修订工作进展
张伟:我国“十二五”期间的科学钻探活动
张金昌:地质钻探技术与装备21世纪新进展
王达:我国地质钻探现状和发展前景分析
孙建华:深孔小直径绳索取心钻进分析和建议
柴育成:地球科学十三五发展战略的思考
经验交流 >>
曾经的辉煌:前苏联科拉超深钻井!
传承“工匠精神”是我们的使命
工艺所乌蒙山项目组建立 “四个一”管理法则
这几种钻杆钻头打捞方法,你都用过吗?
用钻芯取样法检测混凝土强度的体会
珠江特大桥承台基坑突涌事故处理降水设计与施工
绳索取心钻进工艺在盐矿深部钻探中的应用研究
元坝地区珍珠冲地层新型三牙轮钻头的研制与应用
野外钻探安全经验介绍:
深基坑、高边坡、高支模如此危险之地,如何才能化险为夷?
技术成果 >>
新一代岩石力学试验机突破核心技术
三峡库区提升库水位下降速率条件下沟边上滑坡稳定性评
沿海平原区域地质调查方法探索
深层高温地热开发基础研究国际合作探索与实践
关于水文地质水井钻探工程新型自动解垢过滤器分析研究
撑靴式立井掘进机——能在深达2000米的地层开挖
地下水源热泵系统和太阳能辅助热源系统地温场数值模拟
我国入地能力达到世界先进水平 院士专家怎么看?
北京探矿工程研究所创新成果一览
青海乌丽地区发现天然气水合物赋存的重要证据
技术讲座 >>
钻孔灌注桩的钢筋笼施工要点
探索地球深部油气的眼睛——核测井
漫谈页岩油与油页岩
页岩气勘探技术综述
国内外冰碛湖溃决研究进展
保温保压取样技术——探寻深海可燃冰的法宝
页岩油之前世今生与未来
油砂是如何开采出来的?
浅谈搓管机施工工艺
缺陷桩的常用处理方法
典型工程 >>
青岛地铁1号线海底隧道施工情况
中煤特凿港珠澳大桥拱北隧道顶管冻结工程
山东平邑石膏矿矿难大口径救援钻孔施工技术
青海贵德ZR1干热岩井钻进工艺研究
汶川地震断裂带科学钻探项目WFSD-4S孔取心钻进技术
2000m全液压岩心钻探技术装备示范工程
庐枞矿集区刘墩ZK01深孔钻探工艺探讨
漠河冻土地区天然气水合物钻探施工技术
马坑外围矿区ZK7924孔施工难点及对策
深厚漂卵石地层中超大直径钻井冲抓工艺的研究及应用
海外新知 >>
近观俄罗斯北极冻土油气开采
英国开建首座深层地热发电站 钻孔深达2.8英里
世界首例隧道拆除后站台扩建工程
美国近期陆地油气钻井业逐步回升的态势分析
PDC钻头发展进程及当今态势(下)
PDC钻头发展进程及当今态势(上)
FuseTek融合钻头与Pexus组合钻头
Kymera 组合式(Hybrid)钻头系列
碎裂钻井技术及其在地热钻井中应用前景分析
钻压水动力增效装置试验研究
专利介绍 >>
专利技术 | 从''水''到''冰''——地源热泵技术再升级!
滨海潮滩未扰动土壤柱样取样器
一种用于正循环气动潜孔锤的循环方式转换接头
一种长寿命双壁钻杆
一种立轴式钻机不停机倒杆装置
一种冲击式土层取样钻机
一种非接触式滑坡表面裂缝监测仪
一种滑坡野外模型试验用的自动加载系统
一种用于取心钻具的卡簧座与内管连接结构
一种定向造斜取心钻具
专业书屋 >>
《野外:一览地质山水 保护自然生态》科普图书出版
《新时代地质工作者核心价值观读本》发布
《揭秘可燃冰——可燃冰知识100问》出版
《温家宝地质笔记》出版发行
深部地质钻探金刚石钻头研究与应用
深部岩心钻探技术与管理
地质钻探手册
地热资源开发与问题研究
中国勘探工程技术发展史集
地热矿泉水资源勘查手册