冰川災(zāi)害對水電開發(fā)的影響評估

2014-09-10 02:53:30J.M.

水利水電快報 2014年10期

[] J.M.

據(jù)媒體報道，喀喇昆侖山冰川的發(fā)展活躍而穩(wěn)定，而喜馬拉雅山冰川正在不斷縮小。冰川變化不僅會對整個地區(qū)的水資源、水電開發(fā)及旅游業(yè)產(chǎn)生沖擊，而且還會促成山體災(zāi)害的發(fā)生。近年來倍受關(guān)注的冰川災(zāi)害問題是指冰壩潰決，更具體地說是指冰磧湖潰決洪水(GLOF)。這些冰川災(zāi)害會給下游地區(qū)帶來大面積的破壞并有可能對水電站造成巨大威脅。1958年，尼泊爾境內(nèi)一座冰湖發(fā)生潰壩，導(dǎo)致其下游的迪格錯(Dig Tsho)水電站在其完工慶典前兩周遭到毀壞。該地區(qū)的電力需求量十分巨大，因此冰川災(zāi)害問題受到了前所未有的關(guān)注。

本文簡要概述了冰川災(zāi)害及其評估方法，并針對水電開發(fā)提出了可能的應(yīng)對策略。

1 氣候變化與冰川

最近數(shù)十年來，興都庫什山脈和喀喇昆侖山脈受中緯度西風(fēng)帶控制，降雪增多，因此該地區(qū)的冰川較穩(wěn)定，甚至在活躍地推進，尤其是喀喇昆侖山冰川目前出現(xiàn)了躍動行為。冰川躍動是指冰川的加速運動階段，在此期間冰川末端快速推進，使冰川表面形態(tài)及內(nèi)部水的分布產(chǎn)生明顯變化。目前對冰川躍動的作用機理尚無合理解釋，躍動冰川可向下游山谷移動并堵塞山谷，且迅速形成冰壩，積蓄大量融水(可達數(shù)立方千米)。20世紀初，喀喇昆侖山冰壩潰決造成的大洪水(2～3 km3)波及的最遠距離已超過1 200 km。

與此相反，控制喜馬拉雅山南側(cè)的印度夏季風(fēng)強度減弱、時間延長，導(dǎo)致養(yǎng)育冰川的降雪減少。喜馬拉雅山冰川面積和體積的大幅變小已給冰川融化、河水徑流、居民用水及水電開發(fā)帶來了嚴重后果。從廣義上說，到21世紀末，全球冰川體積有可能至少會減少15%～55%。與此類似，北半球春季積雪也至少將減少7%～25%。大部分地區(qū)凍土溫度極有可能自1980年代初期已開始升高。

經(jīng)驗表明，溫度升高對凍土?xí)a(chǎn)生影響，雖然這種情況主要發(fā)生在高緯度地區(qū)，尤其是北極地區(qū)，但像安第斯山脈、阿爾卑斯山脈和喜馬拉雅山脈這樣的高海拔凍土同樣會受到影響，其結(jié)果表現(xiàn)為高海拔地區(qū)的巖崩和冰崩現(xiàn)象不斷增多。此外，高海拔冰川表現(xiàn)為“冷型(cold-based)”冰川，其溫度遠低于壓力熔點并與底部凍結(jié)在一起，其物質(zhì)損耗主要由升華產(chǎn)生。低海拔冰川分為暖冰川和過渡型冰川，暖冰川的溫度與壓力熔點一致，未在底部產(chǎn)生凍結(jié)，其物質(zhì)損耗主要通過融化產(chǎn)生。過渡型冰川上部為冷冰川，下部為暖冰川。

冰川湖的擴張是喜馬拉雅山冰川逐漸衰退的表現(xiàn)方式之一。冰川末端退縮時留下的冰磧石形成湖泊，冰壩一旦潰決就會發(fā)生冰磧湖潰決洪水。1994年，不丹北部納吉耶特索(Luggye Tso)冰磧湖發(fā)生潰堤事故，爆發(fā)的洪水量達到了18×106m3，事故造成下游21人死亡及大面積破壞，當洪水穿過200 km外的不丹與印度邊境時，其波幅仍在2 m以上。

2 冰川湖形成原因及危害

理查森和雷諾茲對喜馬拉雅山冰川災(zāi)害作了概述。高山冰川造成的部分主要災(zāi)害及其對下游的影響包括：

(1) 冰川湖；

(2) 冰磧覆蓋型冰舌形成與冰川同寬的湖泊；

(3) 冰崩形成的泥石流；

(4) 冰川飽和沉積物遭到破壞后形成的泥石流；

(5) 地震或冰川端墻凍土融化引發(fā)的山體滑坡，從而造成了破壞力最強的巖崩災(zāi)難。

其他影響還包括：

(1) 冰板(glacial slab)破壞導(dǎo)致冰崩；

(2) 冰塔倒塌導(dǎo)致冰崩；

(3) 冰板破壞和冰塔倒塌導(dǎo)致巖崩；

(4) 冰崖崩解產(chǎn)生的位移波向末端冰磧石傳播后引發(fā)冰磧湖潰決洪水；

(5) 洪水在河灣漫出河道；

(6) 毀壞成熟林地，山坡裸露；

(7) 刨蝕谷壁，山坡失穩(wěn)，引發(fā)塊體運動(山體滑坡、泥石流和坍塌等)，洪浪泥沙增多。

以躍動冰川(surging glacier)為例，冰舌流經(jīng)山谷時堵塞后形成水庫。由于喀喇昆侖山許多河流流量大，因此在短時間內(nèi)，幾天到幾周，水庫的蓄水量會顯著增加。一旦冰塞湖水位達到足夠的高度，冰壩在水壓作用下就會抬高，冰下水可能又會反過來瓦解冰壩，繼而使湖水釋放到下游。

不丹北部魯納納(Lunana)地區(qū)有4座冰川湖，它們很好地反映了不同類型的冰川和冰川湖系統(tǒng)。北川冰川(Bechung glacier)屬于表磧覆蓋型山谷冰舌，由2條獨立的各自帶有堆積區(qū)的冰川合并而成。冰川最末端分布著眾多獨立的小冰面湖，這些小湖泊正在形成一座大的冰前湖。

拉夫斯特朗(Raphstreng)冰川是一條陡峭的谷冰川，在其末端終磧前形成一座發(fā)育良好的冰磧湖。

與北川冰川一樣，妥妥米(Thorthormi)冰川是由許多獨立的冰流單元組成的表磧覆蓋型復(fù)合谷冰川。冰川最平緩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發(fā)育的冰前湖面上。

納吉耶(Luggye)冰川則要大得多。冰川從陡峭的堆積區(qū)向下流動形成長而平坦的冰舌，冰舌上覆蓋有表磧，大部分冰舌是死冰。冰川下游厚厚的表磧層導(dǎo)致其下層冰面消融速度減緩，使下游地勢高于上游，融水難以從冰面排出。冰面眾多的積水潭(pond)合并成為一個大的冰面湖(現(xiàn)稱為“納吉耶湖”)，該湖將下游表磧覆蓋的死冰區(qū)與主冰川分割開來。在有關(guān)2002年衛(wèi)星定位跟蹤影像中，由納吉耶湖左側(cè)冰磧壩GLOF缺口可明顯看到淺色的沉積物以及GLOF向西南方流動的軌跡。

冰川湖破裂時在冰磧壩上形成一個大的缺口，洪水攜帶的粗磧迅速在下游形成扇形沉積。

不丹運用遠程遙感技術(shù)對冰川流動進行了詳細監(jiān)測，通過這項工作現(xiàn)在可以很好地理解冰川湖的形成原因。冰川最末端的凈物質(zhì)處于負平衡狀態(tài)，表1總結(jié)了冰川表面坡度與冰川流動特征之間的關(guān)系。

在對教學(xué)方法的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，理論課教學(xué)中，經(jīng)常采用傳授式的教學(xué)方法。教學(xué)過程中教師的主導(dǎo)地位比較突出，學(xué)生主體性不太明顯，缺乏靈活性和多樣性。對于一些創(chuàng)新、能夠吸引學(xué)生的方法如游戲法、目標設(shè)置法、領(lǐng)會教學(xué)法、自主練習(xí)法運用較少。這說明教師在教學(xué)方法的選擇和應(yīng)用方面還沒有進行及時的更新，比較受傳統(tǒng)體育思想的支配，沒進行學(xué)習(xí)新的教學(xué)方法。教學(xué)內(nèi)容較多，沒有形成教學(xué)內(nèi)容的多樣性。另一方面學(xué)生的上課人數(shù)較多，使用一些方法和手段的難度增加，導(dǎo)致多樣性的可能性較少。不利于采用創(chuàng)新的教學(xué)方法。

表1 冰川表面坡度、冰流及冰面湖發(fā)育之間的關(guān)系

冰面湖采用表面坡度<2°的標準有利于利用遙感技術(shù)來繪制冰川的面積，從而可得到冰川湖未來的分布狀況。例如，位于尼泊爾索魯孔布的埃姆加(Imjia)冰川長度有可能達到 4.4 km，將會是目前的兩倍。而同一地區(qū)的洛茲冰川，盡管其磧石表面已經(jīng)或?qū)纬梢恍┓e水潭，但由于坡度過陡，很難形成大的冰面湖。附近的果宗巴冰川(Ngozumpa)正在其終磧后的鼻區(qū)形成冰面潭，由于鼻區(qū)坡度平緩(<2°)，這些冰面潭可能會形成一個長為9 km的湖泊(依據(jù)積水深度，可形成一個面積為 6.5 km2、容積為330×106m3的冰湖)。

因此將會面臨以下一些問題，即如此大的冰川湖帶來的將會是巨大的水資源還是巨大的災(zāi)難？另外，在未來幾十年中，這種湖泊體系如何監(jiān)管？又由誰來監(jiān)管？

認識冰川系統(tǒng)內(nèi)部地形分布和物質(zhì)運動過程，以及冰川內(nèi)部環(huán)境及終磧壩四周山壁的影響非常重要。建立冰川系統(tǒng)的整體概念將有助于鑒別可能引發(fā)GLOF的一些關(guān)鍵要素。

山崩、雪崩等外部因素對湖水行為產(chǎn)生的作用受個體湖泊系統(tǒng)形狀和形式的影響，這種作用反過來又會對終磧壩的穩(wěn)定及潰決機制產(chǎn)生影響，并最終會影響到洪水特性。由于迅速涌入湖盆的能量可能會高達其容積的大約10%，因此將會形成假潮波動。第1次振蕩或許是瞬時波，它可越過終磧壩并可能造成潰壩或堤壩退化，從而導(dǎo)致GLOF。據(jù)悉，1985年發(fā)生的迪格錯湖決口事件，即是由假潮波振蕩所引起的決口而導(dǎo)致了數(shù)次洪水脈動，且每次脈動在主河道內(nèi)的下泄路徑均不盡相同。

表2 冰川災(zāi)害評估的觸發(fā)因子及臨界參數(shù)

對于較為典型的長條形冰面湖的湖泊，其長度要遠遠大于其最大深度。比如不丹的那吉耶湖和尼泊爾的羅帕湖(Tsho Rolpa)，即使冰舌發(fā)生的是小的崩解(小于冰湖體積1%)，也會產(chǎn)生“位移波”，其能量通過湖水向終磧壩水平傳播。該能量若大到一定程度，那么其產(chǎn)生的波浪或越過終磧壩安全水位(freeboard)或向其源頭反射回去。例如，在尼泊爾的羅帕湖觀察到，冰川末端冰崩引發(fā)的位移波，在距末端3 km的終磧壩處的波高達到了0.3～2 m。

另外，巖崩產(chǎn)生的相當于湖體積10%的大量巖屑涌入湖中，而湖的長度也是遠大于其最大湖深。涌入的巖屑足以使湖泊形成“巖崩型推動波”，該波沿湖的長度方向向終磧壩水平傳播，或越過較淺的安全水位或反射回湖盆，并可能會導(dǎo)致反射波發(fā)生橫向振動。

冰磧壩潰決原因包括管涌導(dǎo)致的物理破壞，壩內(nèi)死冰通過可引起沉降的熱熔作用融化后而導(dǎo)致潰壩，向源侵襲性的單波漫流或逐浪漫流以及地震誘因。潰決原因不同，所產(chǎn)生的決口及洪水水位圖的形狀、復(fù)雜程度以及持續(xù)時長亦不相同。在做洪水模型研究時，對終磧壩潰決方式及洪水模式作的假設(shè)不同，其結(jié)果也會大相徑庭。

建立GLOF模型是繪制下游災(zāi)區(qū)地圖的關(guān)鍵，韋斯特比(Westoby)等人對終磧壩洪水建模進行了審查。大多數(shù)已發(fā)布的重建或預(yù)測模型存在著局限性，它們在實用性方面過于簡單。針對已發(fā)生或有可能發(fā)生的洪水事件，這類模型的模擬結(jié)果缺少廣泛代表性，因此應(yīng)謹慎使用。盡管物理算法代表最先進的潰決數(shù)字建模方法，但在調(diào)查GLOF特征時也會很少用到。

3 冰川災(zāi)害評估

目前存在以下2個問題：

(1) 如何用一致的有意義的方法來評估某一地區(qū)的冰川災(zāi)害；

(2) 如何評定災(zāi)害等級。

冰磧湖巨大的蓄水量并不是導(dǎo)致冰川災(zāi)害的必然因素，認識這一點非常重要。

由于大多數(shù)高山冰川地處偏遠，若缺乏強大的后勤保障人們很難進行實地考察。因此，近幾十年來遙感技術(shù)已嶄露頭角，該技術(shù)可以對大面積(幾百平方公里)冰川實施初步災(zāi)害評估。運用超高分辨率影像(地面分辨率<1 m)和相關(guān)的數(shù)字高程模型，可以對更多的受限區(qū)域(如<10 km2)的特定冰川湖進行更為詳細的災(zāi)害評估?？梢詫⒃擃愒u估、分析結(jié)果用來設(shè)計一些值得投資的野外項目，包括詳細的地貌、物探、地形及工程地質(zhì)測量。

很多臨界參數(shù)可用來給湖泊系統(tǒng)分類，但其自身并不能指明災(zāi)害存在與否。表2列出了一些臨界參數(shù)，對于存在的GLOF災(zāi)害，一定會有潛在的觸發(fā)事件存在。影響GLOF可能發(fā)生的關(guān)鍵因素包括：

(1) 湖水位上方的安全水位(moraine freeboard)達到最小值，磧石壩寬度狹窄，使大壩極易漫頂。

(2) 山谷或懸冰川的巖崩、雪崩直接進入湖泊，從而誘發(fā)假潮波或崩塌型推動波。

(3) 壩體有滲漏或管涌。

(4) 壩內(nèi)冰核融化，致使終磧壩連續(xù)性垮塌。

對臨界參數(shù)和觸發(fā)因子兩種參數(shù)所發(fā)揮作用的大小，可用比例因子(scale factor)來權(quán)衡。這種方法構(gòu)成了“多目標分析法”的一部分，并于1988年首次用于不丹水電項目建設(shè)中，隨后在冰川地區(qū)也沿用了這種方法。用臨界參數(shù)和觸發(fā)因子兩個參數(shù)充當權(quán)重，可以得到災(zāi)害評分結(jié)果并繪出災(zāi)害等級圖。

4 水電項目冰川災(zāi)害監(jiān)測

無論是冰磧湖還是冰壩潰決所引發(fā)的洪水，均可應(yīng)用以下3種應(yīng)對管理策略。即：

(1) 抵御(resistance)；

(2) 分流(deflection)；

(3) 避免發(fā)生。

在第一種情形下，建筑物的設(shè)計和施工應(yīng)考慮到洪水類型和等級，以確保其具有抵御洪水(按洪災(zāi)等級)的能力。

在第二種情形下，洪水規(guī)模過大，不宜設(shè)計防洪建筑物，因而有必要在上游的水電設(shè)施和洪水源之間修建泄洪或消能建筑物。這種導(dǎo)流建筑物包括導(dǎo)流堰、壩。

第三種情形是指上述兩種方法均不適用時，則應(yīng)當在洪水源頭上采取根治措施以消除洪水或降低洪水能力，從而達到可以用前面一種或兩種方法處理的水平。然而，這兩種方案均要求可能出現(xiàn)的洪水具有在現(xiàn)實中可接受的相似性質(zhì)。因此，上述兩種GLOF模型的邊界具有密切的關(guān)聯(lián)性。

還有一點非常重要，即水電項目在可行性研究階段開始之前或之中，一旦對可能的洪水事件作出了評估，就必須對上游存在的災(zāi)害予以定期核查，因為這種災(zāi)害會隨著氣候的變化而發(fā)生改變。

然而GLOF一旦在某一特定的冰川湖系統(tǒng)發(fā)生，那么就不太可能再次出現(xiàn)，因為積水壩將遭到破壞，比如喀喇昆侖山冰川可能會出現(xiàn)反復(fù)的躍動期。因此，一旦冰川發(fā)生躍動，就不能假設(shè)它不會再次發(fā)生。盡管對喀喇昆侖山冰川躍動的重現(xiàn)期目前一無所知，但喀德平(Khurdopin )冰川在20世紀70年代較晚時期出現(xiàn)過躍動。該冰川在20世紀90年代末又再次出現(xiàn)躍動，表明其重現(xiàn)期應(yīng)該為20 a。這種情況表明，如果一座設(shè)計壽命為50a的水電站所在的流域有躍動型冰川，那么該冰川再次發(fā)生躍動的機率就非常大，也許還不止一次。

為保證水電站的安全運行，強烈建議應(yīng)對水電站上游的冰川災(zāi)害定期給予系統(tǒng)地評估，可以每5a開展一次。水電項目在可行性研究階段也許不存在冰川災(zāi)害，但開始施工后災(zāi)害也許就來了，而且隨著時間的推移，災(zāi)害規(guī)模和程度或許會越來越大。

5 結(jié) 語

由于氣候變化帶來的全球變暖導(dǎo)致包括高緯度地區(qū)的降雪減少和凍土解凍，意味著山體風(fēng)格及規(guī)模，尤其是冰川災(zāi)害隨著時間的推移也會發(fā)生改變。從印度西北部，經(jīng)尼泊爾、錫金到不丹東部的喜馬拉雅山脈的冰川正在大幅縮減，有些則處于解體的狀態(tài)。冰川退縮導(dǎo)致冰磧湖融水增多，當冰磧湖的穩(wěn)定達到臨界點時，任何的外因均會導(dǎo)致冰磧湖潰壩而泄放大量洪水，誘因包括巖崩、冰崩、上游冰川湖突發(fā)來水及可能發(fā)生的地震。據(jù)報道，喜馬拉雅山GLOF肆虐距離長達200 km，而印度河上游冰壩垮塌導(dǎo)致的突發(fā)洪水更是長達1 200 km。