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【文獻閱讀】玻利維亞Andes地區冰湖潰決影響建模(Ioannis Kougkoulos等人,2018.09,Natural Hazards)

一、獻情況介紹

這篇文章2018年3月投稿,9月正式接收,發表在期刊Natural Hazards上。冰湖潰決(GLOF)往往會對下游地區帶來巨大破壞,文章針對冰湖潰決的風險進行建模,量化其對下游地區的影響。

Natural Hazards為SCI期刊,17-18年的影響因子為1.9,所屬領域為“環境科學與生態學”。

文章的引用格式:

Ioannis Kougkoulos, Simon J. Cook, Laura A. Edwards, et al. (2018): Modelling Glacial Lake Outburst Flood Impacts in the Bolivian Andes. Nature Hazards, DOI:10.1007/s11069-018-3486-6

文章的連結:

https://doi.org/10.1007/s11069-018-3486-6

文章的下載地址:

https://www.researchgate.net/publication/327745714_Modelling_glacial_lake_outburst_flood_impacts_in_the_Bolivian_Andes?_sg=PlBPMXGM9q79bbjWbbJehiLDvbv9DI4SXJr4_vYn8bZKQcBJDFPFu1d5PHWaFzgBpBtucrYkOj0JGDg

二、文章導讀

玻利維亞的Andes地區在近十年冰川物質虧損十分明顯。冰川退縮會在冰川末端生成冰前湖(proglacial lake),而冰前湖的潰決會對下游地區造成破壞性的後果。此前的研究表明Andes地區的冰前湖具有潛在的潰決風險,而並沒有量化其影響,因此本文利用三維SPOT 6/7立體資料及其生成2m解析度的DEM資料,進行冰湖潰決模型建模。

首先以2009年Keara(在 Cordillera Apolobamba,具體可自行百度)地區的一起實地驗證過的冰湖潰決事件為例,進行模型的測試。之後將模型分別應用於Pelechuco lake(在Cordillera Apolobamba)、Laguna Arkhata和Laguna Glaciar(在Cordillera Real),總的結果表明,如果三個冰湖都發生潰決,其會有6個村莊受其影響。敏感性分析結果表明,預計受災人數最多約2000餘人,其中Pelechuco lake和Laguna Arkhata具有非常高的潰決風險,應予以足夠重視。

三、實驗過程介紹

1. 地理概況

這篇文章的實驗區是玻利維亞的Cordillera Oriental區域所有的冰川覆蓋區,從北到南依次為:Cordillera Apolobamba,Cordillera Real ,Cordillera Tres Cruces。各個實驗區的地理位置如圖1所示,同時圖1中還標出了具有潛在潰決風險的冰湖(由之前的文獻總結得出):

​實驗區有三處典型的冰湖,這裡直接引用文章的原話吧:

(1)Pelechuco Lake

Pelechuco Lake是一個具有中等潰決風險的冰湖。其圍巖陡峭,具有落石的可能;此外,其距離母冰川很近(<200m),母冰川有發生冰崩的可能。這都可能引起Pelechuco Lake冰湖的潰決。

Pelechuco lake is located in the Cordillera Apolobamba (Fig.1) and, according to Kougkoulos et al. (2018), is considered a medium GLOF risk. This is due to the lake being in contact with steep (> 45°) surrounding slopes that could generate avalanches and/or rockfalls, which in turn could impact the lake and generate a displacement wave; this is the most common GLOF triggering mechanism in three diferent regions (Cordillera Blanca, North American Cordillera, Himalaya) (Emmer and Cochachin 2013). Further, the parent glacier is also in proximity (<200 m) to the lake head, raising the possibility of ice calving into the lake, also generating a displacement wave.

(2)Laguna Glaciar

Laguna Glaciar也是一個具有中等潰決風險的冰湖。其堤壩非常低(<5m);冰湖與退縮的母冰川相連結;圍巖坡度較陡,增加了落石的可能;這些因素使得Laguna Glaciar冰湖具有一定的潰決風險。

Laguna Glaciar is located in the Cordillera Real (Fig. 1). According to Kougkoulos et al. (2018), this is considered a medium-risk lake due to a visibly low dam freeboard (< 5 m), as well as the lake being in contact with the retreating parent glacier, which could calve into the lake. The surrounding steep slopes (30–45°) also raise the possibility of avalanches and/or rockfalls impacting the lake.

(3)Laguna Arkhata

Laguna Arkhata是一個具有高潰決風險的冰湖。圍巖坡度非常陡峭;冰湖與退縮的母冰川相連結。主要是部分割槽域的坡度極其陡峭,大大提高了其潰決的風險。

Laguna Arkhata is located in the Cordillera Tres Cruces (Fig. 1). According to Kougkoulos et al. (2018), it is considered the highest risk lake. This is mostly due to the steepest slope (> 45°) surrounding the lake, capable of shedding avalanches and/or rockfalls into the lake, as well as the lake being in contact with the retreating parent glacier, which could calve into the lake. Specifcally there are numerous steep, hanging areas of glacier ice above the lake.

2. 方法

遺憾的是作者並沒有給出建模方法的流程圖,這裡只能自己總結了。

(1)獲取DEM資料

作者利用SPOT 6/7,並結合GPS資料,來生成空間解析度為1.5米的DEM資料,同時為了減少處理過程中的誤差,又將其重取樣為2m。

由於一些地區存在山體陰影,由SPOT資料生成的DEM無法使用,因此作者利用30m解析度的ASTER GDEM V2資料來補充。

(2)估算冰湖體積

目前估算冰湖體積的方法,是利用經驗資料統計得到的。

                                                    D_{m}=1\times 10^{-5}A+7.3051

上式中,Dm表示冰壩湖(ice-dammed lakes)的平均深度(mean depth),A表示湖泊的面積。該公式的相關係數可達0.9。

                                                    D_{m}=3\times 10^{-5}A+12.64

上式中,Dm表示冰磧湖(moraine-dammed lakes)的平均深度(mean depth),A表示湖泊的面積。其相關係數為0.83。

(3)估算峰值流量

估算峰值流量的計算公式為:

                                                               Q_{max}=0.72V^{0.53}

其中,V表示湖泊的體積。該公式可用於各類冰磧湖(moraine-dammed lakes),包括Pelechuco Lake和Laguna Glaciar,而Laguna Arkhata這種巖壩湖(bedrock-dammed lake)也可用該公式進行估算。

(4)堤壩承載水位線和模型引數

潰決引數眾多,且每個引數都有可能產生模型的蝴蝶效應。對於潛在潰決冰湖體積(potential flood volume, PFV)的計算,作者採用了Fujita(2013)提出的方法,即冰湖面積和平均深度的乘積。而冰湖潰決開始後,直到冰湖與下游地區的坡度角小於10°時才停止,我們將這個角稱為俯角(depression angle)。

由於冰湖潰決的洪水排洩是非常隨機的,作者採用了三種模型來描述洪水的排洩量——樂觀模型(20%排洩),中立模型(50%排洩),悲觀模型(100%排洩)。

另外,研究表明洪水的持續時間一般為1000~2000s,因此,作者在三種模型中分別取不同的洪水持續時間——樂觀模型(1000s),中立模型(1500s),悲觀模型(2000s)。

三種冰湖都是冰磧壩或巖壩,故假設其洪水流量增長至峰值與時間為線性關係。同時,有研究表明,峰值越高,洪水持續時間越長。

綜上,作者將三種冰湖潰決模型描述為:

(5)冰湖潰決的過程建模

冰湖潰決模型的研究較多。目前比較成熟的模型有以下幾類:

①幾何模型:MSF(modified single flow, Huggel 2002); random walk process(Mergili, 2011); MC-LCP(Watson, 2015)。這類模型只需很少的資料即可執行,但它作為一級評價是無法產生真實的洪水地圖。

②其他方法:HEC-RAS 1D; HEC-RAS 2D; FLO 2D; BASE-MENT。這類模型需要更多的資料,且能夠對淹沒地區進行製圖,實現風險評估及防災減災。

作者採用了HEC-RAS 2D 5.0.5,這是由於這個模型可以免費下載,下載地址:http://www.hec.usace.army.mil/

這裡需要注意的是將冰湖潰決模擬為水流(clear-water flow)就可以了,不用進一步考慮一些泥石流,碎屑(debris flow)的影響。

(6)人口資料

為了評估冰湖潰決的影響,作者還加入的人口資料,人口資料的獲取地址為:http://geo.gob.bo/portal/

作者將人口資料平均到了所有住宅面積中(當然實際上人口密集程度應該是和經濟成正比的)。同時通過實地調查,這裡的建築都是磚瓦結構。當洪水深度超過2m時,會嚴重威脅人的安全。因此作者最終進行了風險製圖,分別繪製了>2m和>0m的可能淹沒區域。

3. 實驗結果

作者的實驗包括兩部分,一部分是對模型的測試,另一部分是對三處冰湖的實驗。

(1)測試結果——2009 Keara GLOF

測試的結果與實際結果非常接近,這裡直接上圖:

(2)實驗結果

實驗一共有三處冰湖,這裡直接給出三處冰湖的模擬結果:

①Pelechuco lake

潰決距離約12.5km,受災人數約410(樂觀)~959(悲觀),受到宣告威脅的人數為259(樂觀)~934(悲觀)。

②Laguna Glaciar

冰湖潰決所造成的受災人數約67(樂觀)~90(悲觀),受到宣告威脅的人數為18(樂觀)~90(悲觀)。

③Laguna Arkhata

潰決距離約10km,受災人數約33(樂觀)~206(悲觀),受到宣告威脅的人數為25(樂觀)~201(悲觀)。

4. 分析及討論

(1)模型中存在的問題

模型中僅僅考慮水流(clear-water flows),而未考慮沉澱物和碎屑流(debris flow,指有20%的沉澱);模型中的一些不確定性,比如湖泊面積、體積估算,人口分佈簡化。

(2)冰湖潰決GLOF的影響

三個冰湖具有不同程度的潰決風險,應予以足夠的重視。模擬出的不同區域受災情況如下圖所示:

四、小結

雖然自己不太清楚地質方面的知識,不過之前有看到過別人做的非線性冰湖潰決模型,覺得這篇文章的貢獻不在於模型的建立,而在於模型的分析,作者的模型構建已經簡化了很多東西,但仍然得出了較準確的結論。

下一次在寫模型類的SCI文章時,可以借鑑該文章的思路。提出需求——簡化模型——測試模型——實驗分析——結論。