阿尼玛卿冰崩堰塞湖垮坝环境因素分析

1、图 1 冰崩点位置示意图严异德 1, 何彩青 2, 韩有才 2( 1.青海省果洛州气象局, 青海 玛沁 814000; 2.青海省气象台, 青海 西宁 810001)摘 要: 2004 年 2 月阿尼玛卿雪山发生冰崩, 冰崩碎屑堵塞雪峰西北方的青龙沟, 形成堰塞湖, 2005 年 7 月 4 日冰坝垮坝。本文利用堰塞湖监测点及其附近玛沁、玛多两气象站的资料, 从气温、降水、地形、坝体构造、太阳辐射、狭管效应、山谷风等多方面分析了垮坝的环境因素。结果表明,垮坝是以气温升高为主导因子、其余因素综合作用的结果。关键词:堰塞湖;垮坝;环境因素;阿尼玛卿山1 前言阿 尼 玛 卿 雪 山 位 于 青 海

2、省 果 洛 州 玛 沁 县 境 内 ,2004 年 2 月阿尼玛卿 雪山发生 冰崩。冰崩地 点位于992406e、 344824n, 海 拔 4335m 的雪 峰西北方, 冰崩碎屑流堵塞了雪峰西北方的青龙沟,在清水河、权隆河、达玛曲河汇入的曲什安河河谷处 形成横向 5km、纵向 3km、平均厚度 300m 的冰雪大 坝 , 坝 前 形 成 长 300m、 宽 70m、 水 深 5m 的 天 然 水 库堰塞湖。2005 年 7 月 4 日 14 时左右, 冰崩堰 塞湖冰坝垮坝。由于防范严密, 措施得当,玛沁县及其 下游地区损失很小, 且无人员伤亡。本文选用冰崩点 两侧临近的玛沁、玛多两地的气象资

3、料及环境因素对 堰塞 湖垮坝作一 简析。玛沁 位 于 10015e、3428 n, 海 拔 高 度 3719m; 玛 多 位 于 98 13 e、3455n, 海拔高度 4272.3m, 见图 1。气温的影响作用气温背景分析气温的升高是冰坝消融的第一个主要因素。图 2 为玛沁 ( a) 、玛多 ( b) 2004 年 7 月200522.1年 6 月与历年同期 ( 即上年 7 月当年 6 月)的月平均气温的对比, 从图中可看出,暖季 ( 410 月)月平均气温,玛沁在 2004 年 8 月高达 10.2,较历 年同期高出 0.9, 9 月也高于历年同期, 仅 7 月略低;2005 年 6 月的

4、偏高幅度略为明显。玛多 2004 年 8 月 偏高明显, 9 月次之; 2005 年 5 月、6 月略偏高。两 地暖季其他月份与历年同期持平。由图还可看出, 2004 年冬季 ( 当年 11 月下年3 月) 两地的月平均气温与历年相比, 偏高明显, 这 也相应地减小了湖水蓄热的损耗, 为次年的坝体消融 提供了条件。一般来说, 只有气温大于 0时, 才具备冰雪消 融的条件。玛沁的气温大于 0在 4 月前期, 玛多在5 月初。而低于 0的时间, 玛沁要到 10 月中下旬,玛多在 10 月初。所以在上年 10 月至当年 4 月前期这 段时间, 对于冰坝来说是非常稳定的。只有 4 月后期2 王根绪,

5、丁永建, 王建, 等. 近 15 年来长江黄河源区的土地覆被变化j. 地理学报, 2004, 59( 2) : 163- 173.3 王维岳. 长江源区的生态建设与保护j. 水土保持通报, 1998,18( s1) : 20- 27.4 靳立亚, 秦宁生, 毛晓亮. 近 45 年来长江上游通天河径流量 演变特征及其气候概率预报 j.气候与环境研究, 2004, 10( 2) : 220- 228.5 周陈超, 贾绍凤, 燕华云, 等. 近 50 年以来青海省水资源变 化趋势分析j. 冰川冻土, 2004, 27( 3) : 432- 436.6 ding yong- jian, yang ji

6、an- ping, liu shi- yin, et al. explorationof eco - environment range in the source regions of the yangtze andyellowriversj. acta geogra phica sinica, 2003, 13( 2) : 178- 180.7 李林, 王振宇, 秦宁生, 等. 长江上游径流量变化及其与影响因子关系分析j. 自然资源学报, 2004, 19( 6) : 694- 700.8 吴豪, 虞孝感. 近四十年来长江源区河流水沙量的变化j. 长 江流域资源与环境, 2002, 11(

7、 2) : 175- 178.9 li dongliang, guo hui, wang wen, et al. effects of sunspot cycle length and co2 on air temperature along qinghai- xizangrailway and air temperatures trend predictionj. science in china( series d) , 2003, 33( s1) : 121- 132.10 施雅风. 气候变化对西北华北 水 资 源 的 影 响m. 济 南 : 山 东科学出版社, 1995: 127- 1

8、41.11 王根绪, 李琪, 程国栋. 40 年来江河源区的气候变化特征及 其生态环境效应j. 冰川冻土, 2001, 23( 4) : 346- 351.研究与开发青海科技2007 年第 3 期至 9 月才具备冰雪消融的条件, 显然, 2005 年 4 月后期、5 月、6 月的气温上升为 7 月份的垮坝提供了最直接的热量供给。2004 年夏季气温的偏高状态破坏了洁白的冰坝初态, 为后期的坝体消融创造了条件。2.2监测点气温与玛沁同期对比分析冰崩发生后, 青海省气象局在 9921e、3452n, 拔 海 4171.0m 处 设 置 了 一 气 象 要 素 监 测 点 。 图 3 为 2004

9、年 5 月 25 日11 月 24 日共 184d 的冰崩监测点与同期玛沁的气温资料进行对比。从图 3 的二 次多项式趋势线可以看出, 总的趋势是玛沁的气温高于冰崩监测点处的气温, 前期 ( 5 月、6 月、7 月) 监测点的气温与玛沁同期气温变化相近, 后期 ( 8 月及 以 后) 其 变 幅 差 别 越 来 越 大 。 两 地 的 气 温 趋 势 还 表 明, 其气温的变化趋势是高度一致的, 这也说明用玛 沁的气温资料分析冰崩是可行的。2.3积温分析本 文 选 用 玛 沁 2004 年 4 10 月 和 2005 年 4 635.9, 6 月份高 17.6。玛多0积温变化与此趋势基本一致,

10、4 月0积温 2004 年偏大, 而 5、6 月月0的积温 ( 表 1) 资料进行分析。冰崩事件发生在 2004 年 2 月, 垮坝事件发生在 2005 年 7 月初。此 间0的积温达到了 1730.9。2004 年 4 月0积却 是 2005 年 显 著 偏 大 , 2004 年 4 10 月 和 2005 年46 月0总积温为 1080.8。由此可见, 整个坝 体的消融在 2004 年0积温的基础上, 2005 年 56 月0的高积温起到了关键作用, 此期间温度回升 快, 加快了冰坝的消融速度。温 71.9, 比 2005 年同期高 29.4;此后的 5 月和 6月 0 积 温 2005

11、年 均 高 于年 ,5 月 份 高20043降水的影响作用3.1冰坝所在地的降水背景分析降水是冰坝消融的另一个主要因素。第一, 通过降水直接对坝体进行冲刷式消融; 第二, 周边山区自然降水和降水的汇合对坝体的侵蚀和融化。本文选用 与冰崩点临近的玛沁、玛多两地 2005 年的降水资料19qs t研究与开发青海科技2007 年第 3 期进行分析。玛沁 14 月的总降水量为 38.0mm,玛多多 2 倍有余。突然增加的降水不仅加速了冰体的消融, 而且也增加了对坝体的压力。3.2 监测点降水与玛沁同期降水对比分析监 测 点 降 水 选 取 2004 年 5 11 月 共 183d 的 资 料, 同时选

12、取玛沁 同期降水资 料进行对 比, 见图 3。从图 3 两地降水趋势线可看出, 该时段内, 玛沁的降 水呈现出两头少、中间多的趋势。冰崩监测点的降水 变化表现比较平稳, 从前期到后期逐渐减少。而 5 月的降水量是前 4 个月降水总量的近 2 倍, 6 月的降水量比5 月 份 多 7.4mm。 玛 多 1 4 月 的 总 降 水 量 为30.8mm, 5 月 的 降 水 量 比 前 4 个 月 降 水 总 量 多18.9mm, 6 月的降水量与 5 月的基本持平。总之, 无论玛沁还是玛多, 1- 4 月的降水非常少, 从 5 月开始降水明显增多, 6 月降 水与 5 月相近 。5 月、6 月的降

13、水合计与前 4 个月相比, 玛沁 多 3 倍,监测期间的总降水量显示, 监测点的降水明显低于玛沁降水, 偏低幅度达 52%。其中监测点 5 月观测 了 7 天、11 月观测了 24 天, 没有可比性, 其余时间 都表现为监测点降水低于玛沁。这一情况从两地的雨 日 差 别 也 可 以 得 到 反 映 , 监 测 期 间 , 0.1mm 的 雨冰崩发生后, 冰雪大坝堵截住清水河、权隆河、达玛曲河汇入曲什安河的水流, 形成了堰塞湖。曲什 安河是一条自南向北、傍雪山主峰而行的河流, 冰坝 形成之处, 东面是高耸的雪山, 西面是与雪峰相望的 一系列山峰, 夹在此间的是长长的河谷, 这一南北狭 长、沟谷纵

14、深的地形, 一方面产生的狭管效应明显, 另一方面有利于降水、河水的聚集, 易于产生山谷风 和海陆风1。这两种风的存在, 对热量的输送和冰体 的消融有一定的加速效应, 同时还会促进局地天气系 统的发展, 有助于降水的产生。由于冰坝处山大沟深, 有利于山谷风形成, 故该 地山谷风明显。堰塞湖的出现又导致了另一种气流运日, 监测点为 67d, 玛沁为 90d,的日数为 48d。3.3面雨量的估算分析两地同时发 生降水根据 1650000 比例尺的玛沁县地图,依托地理信息处理平台, 以玛沁县降水量为参考, 对冰坝上游达 玛 曲 河 段 的 面 雨 量 进 行 了 估 算 。 该 段 河 流 长 约42

15、777m, 根据山峰间的大致距离将此河流分成三段:第 一 段 长 约 23918m、 宽 约 3000m;第 二 段 长 约8182m、 宽 约 4000m,第 三 段 长 约 10677m、 宽 约5000m。根据地理信息处理平台提取的面积计算, 总 集水面积为 1.952108m2。2004 年 3 月2005 年 7 月3 日 , 该 区 域 累 积 降 水 量 761.4mm, 面 雨 量 约 为1.486 108m3。 尽 管 这 些 降 水 大 部 分 以 渗 漏 、 蒸 发 、 被植被吸收等方式消耗掉, 但仍有相当一部分注入了堰塞湖中, 从而成为坝体消融的一个主要因素。4地形影响

16、动海陆风的出现,由于阿尼玛卿山常年积雪, 对太阳辐射有很强的反射作用, 而堰塞湖水是良好蓄热体, 加之雪峰对面山体上草地的蓄热, 这一冷一热,非常利于海陆风的产生。冰坝的特殊构成对跨坝的影响表 2 是 各 类 物 质 的 表 面 对 太 阳 辐 射 的 反 射 率2。 堰塞湖坝由冰块、碎石及沙土构成, 这一构成使其多 处呈虚空状, 结构极不稳定、极不结实, 其表面起伏 不平, 受热面积大且不均匀。由于冰、石屑、沙土等520qs t研究与开发青海科技2007 年第 3 期物质的膨胀系数不一样, 受热后相互易分离。前期坝体表面的冰块消融后, 裸露出了黑色、黑灰色石块, 对太阳热能的反射弱, 吸热效

17、果极为显著, 导致整个 坝体升温很快, 从而加快了坝体的消融, 经过一段时 间的消融后, 坝体上出现了许多溶洞, 粗糙的表面实 质上就是增大了与外界的接触面和受热面积, 利于蒸 发、消融。效应。冰坝坝体的构成不同于常规坝体, 常规坝体由水泥、钢筋等构成, 次一点的也由石块、坚土构成, 冰崩坝体则由冰石沙土等材质构成, 且多呈虚空状。 涌潮对建筑物产生的冲击力称为涌潮压力,涌潮压力对 建筑物如沿岸结构、防波堤等有很大的破坏力。根据 文 献3, 涌潮的传 播速 度 达 6.1 12.0ms- 1, 作 用 在 结构物表面的涌潮动压力 ( 涌潮动压力是指涌潮压力 与 以 低 潮 位 为 零 点 的

18、静 水 压 力 的 差 值) 达 18.6 71.9kpa, 这足以说明涌潮的破坏力之强。冰坝所受的 上游水流的冲击, 其破坏力与此相同。冰坝临水一侧从底部消融, 进一步引发大块冰体 的脱落。这些大块冰体所激起的水波加剧了这种涌潮 效应, 使得临湖一侧的坝体遭到持续不断地冲刷、侵水的蓄热、上游降水的传热对跨坝的影响表 3 是不同物质的热容量 ( c) 2。可以看出, 水6体的热容量最大,为 4.2j/m3。堰塞湖产生于雪峰的西北方,其山谷中的流水分为雪山融水和自然降水两部分, 无论是雪山融水还是自然降水, 其增量在温暖的 雨 季 成 几 何 量 级 数 增 加 , 上 游 水 系 的 汇 入 、 补 充, 不仅增加了蓄水量, 同时也带来了一定的热量, 更重要的是这一巨大的水体, 能聚集、储蓄巨大的热 能, 这些储藏的热能会加快坝体茬口处的消融。蚀,8加速了坝体的消融。小结在整个堰塞湖坝体消融过程中, 气温、降水( 1)起主 要 作 用 。 这 种 消 融 过 程 在 时 间 上 不 是 均 匀 分 布的, 主要时段发生在温暖的雨季, 且 2005 年时间段 所占比重较大。由于坝体特殊的结构、独特的地理位置, 由( 2)此所产生的不同风场、狭管效