認(rèn)識(shí)潰決洪水

作者：劉維明1,2楊澤文1

單位：

1 中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所

2 中國(guó)-巴基斯坦地球科學(xué)研究中心

說(shuō)到洪水，很多人腦海中會(huì)出現(xiàn)由于強(qiáng)降雨引發(fā)的地表水位急劇上升，從而導(dǎo)致大量的房屋、農(nóng)田等被淹沒(méi)的自然災(zāi)害現(xiàn)象，這種被稱之為暴雨洪水，它們主要威脅大江大河的中下游地區(qū)。以長(zhǎng)江中下游地區(qū)為例，在1870、1931和1998年曾多次發(fā)生水災(zāi), 僅1931年間發(fā)生的水災(zāi)200萬(wàn)人的死亡（圖1）。1953年，世界上流量最高的亞馬遜河發(fā)生了記載以來(lái)最大的暴雨洪水水災(zāi)，流量高達(dá)3.7×105m3/s，也因?yàn)楹樗念l繁發(fā)生導(dǎo)致該地區(qū)人口稀少（圖2）。

圖1 1931年洪水期間武漢的街頭，市民們站在水里做生意。

圖2 2012年巴西亞馬遜地區(qū)的城市遭受?chē)?yán)重的洪水

除了上文所提到的暴雨洪水之外，還有一種因自然或者人為存儲(chǔ)的水體突然釋放而引發(fā)的洪水，稱之為潰決洪水。1918年10月12日，由于火山作用引發(fā)的冰下潰決洪水，冰島發(fā)生了歷史上最大的潰決洪水（圖3），洪峰流量估為2.75x105 m3/s。1841年的印度河的滑坡堵江潰決洪水，雖然有人估計(jì)為5.4×105m3/s，但是這次洪水的具體時(shí)間還存在爭(zhēng)議，并且多數(shù)估算的洪水量較小，為1.1×105m3/s（圖4）。從已有的記載來(lái)看，潰決洪水最大的洪峰流量略小于暴雨洪水，但是這種洪水發(fā)生地往往本身的流域面積較小，潰決洪水的流量會(huì)至少高于暴雨洪水一個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至兩個(gè)數(shù)量級(jí)，是所在地區(qū)面臨的主要洪水災(zāi)害（圖5）。例如，1933年疊溪地震堰塞湖潰決洪水造成的死亡人數(shù)在2500~4000之間，這相當(dāng)于地震本身造成的死亡人數(shù)（約7000人）的一半。2021年的印度查莫利(Chamoli) 地區(qū)發(fā)生的冰巖崩堵江而引發(fā)的潰決洪水造成了70人死亡，134人失蹤，并且摧毀了兩座水電站。

在2000年到2015年期間 暴露于洪水的人口數(shù)量總計(jì)增加了20% ，因?yàn)樯絽^(qū)人口的增加更為迅速，使得暴露于潰決洪水人口增速達(dá)到了177%。隨著未來(lái)人類對(duì)山區(qū)開(kāi)發(fā)的增強(qiáng)，必然會(huì)遭受到更多的潰決洪水威脅。為了更好的認(rèn)識(shí)潰決洪水，本文介紹了潰決洪水的主要類型、流體特征、控制因素、沉積和侵蝕證據(jù)、減災(zāi)意義等。

圖3 1918年冰島潰決洪水的模擬結(jié)果（Gudmundsson，2015）

圖4 1841年印度河的滑坡堵江（Delaney 和 Evans，2011）

潰決洪水的主要類型

多種地質(zhì)或人為過(guò)程會(huì)儲(chǔ)蓄大量的水體，并且能夠?qū)⑵淇焖籴尫拧?duì)于潰決洪水的分類方法很多，其中依據(jù)儲(chǔ)存水體的形態(tài)特征及其與壩體之間的關(guān)系，最有助于潰決洪水的分析。按照這一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)潰決洪水進(jìn)行分類，主要分為三類：第一，峽谷阻塞后潰決（圖5a），其中即包括滑坡、泥石流、冰川和火山等自然過(guò)程，也包括人為修建的水電站，水庫(kù)等。第二，注水的自然封閉盆地溢出，如構(gòu)造盆地，冰上盆地，冰磧盆地等（圖5b）。第三，封閉于巖層或者冰下的地下水體噴出（圖5c），如火星上的地下湖，南極的冰下湖等。同一種地質(zhì)過(guò)程可以形成不同類型的封閉水體，比如冰川作用，既可以阻塞河道，又可以形成冰上湖，還可以形成冰下湖（圖6）。

a:峽谷阻塞后潰決；b:注水的自然封閉盆地溢出；c:封閉于巖層或冰下的地下水體噴出

圖5 引發(fā)潰決洪水的水體類型（周麗琴等，2019）

圖6 冰川作用相關(guān)的引發(fā)潰決洪水的水體類型

潰決洪水的主要特征

潰決水流的主要特征包括大水深、高流速和極強(qiáng)的紊流特性。由于大量水體被迅速釋放，下游的水深會(huì)急劇增加。近年來(lái)，發(fā)生于青藏高原的易貢、色東普、唐家山和白格的潰決洪水，最大水深都在幾十米量級(jí)；發(fā)生在火星和地球第四紀(jì)的潰決洪水，水深可達(dá)百米級(jí)；而亞馬遜河和長(zhǎng)江的洪水僅十幾米深（圖7）。在已知流量最大的洪水范圍內(nèi)，潰決洪水最大流量超過(guò)107m3/s，而暴雨洪水最大的流量出現(xiàn)在亞馬遜河和長(zhǎng)江下游, 也僅在105m3/s量級(jí)，比潰決洪水小了兩個(gè)數(shù)量級(jí)（圖8）。

圖7 火星和地球潰決洪水水深、洪峰流量與河道斷面概化圖（Baker, 2001）

圖8 已有最大潰決洪水與暴雨洪水（O’Connor et al., 2022）

同時(shí)，潰決水流在演進(jìn)過(guò)程中，由于勢(shì)能和動(dòng)能的變化，加之河道的束窄和轉(zhuǎn)彎等局部地形變化會(huì)進(jìn)一步加劇水流的紊動(dòng)，使流速往往達(dá)到數(shù)十米每秒。2000年易貢潰決洪水的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，其流速超過(guò)40m/s（圖9），遠(yuǎn)大于15m/s的高速水流，而落差近2.7km的雅魯藏布大拐彎多年平均流速為8-16m/s，金沙江虎跳峽段洪水期流速也僅為6-8m/s（部分時(shí)段可能高于10m/s）。大水深和高速流的結(jié)合，使得潰決洪水在短時(shí)間內(nèi)造成嚴(yán)重的破壞和人員傷亡。

圖9 易貢2000年潰決洪水最大流速分布（吳朝華, 2022）

受潰決洪水流量呈現(xiàn)的先急劇上升后下降的短歷時(shí)快速變化以及河道幾何形態(tài)影響，下游的潰決洪水流態(tài)基本為超臨界流（弗勞德數(shù)Fr>1，弗勞德數(shù)為表征流體慣性力和重力相對(duì)大小的一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，可用于反映水流流態(tài)；弗勞德數(shù)越大，意味著水流的平均動(dòng)能占比越大），而潰口附近的水流可視為臨界流（Fr=1），如圖10所示：

圖10 潰口及下游的洪水流態(tài)（O'Connor et al, 2022）

另外，雷諾數(shù)（Reynolds number）作為流體的流動(dòng)為層流或湍流的無(wú)量綱參數(shù)，也多用于描述潰決洪水的紊動(dòng)程度。其中位于北美的密蘇拉潰決洪水的雷諾數(shù)達(dá)到了109（在管流中，雷諾數(shù)小于2300的流動(dòng)是層流，雷諾數(shù)在2300～4000之間為過(guò)渡狀態(tài)，雷諾數(shù)大于4000時(shí)的是湍流，如圖11所示）：

圖11 層流和湍流示意圖

潰決洪水的控制因素

潰決洪水的峰值流量首要的控制因素是潰決的水量，不同類型的潰決均顯示出其峰值流量與水量之間近似的線性關(guān)系（圖12）。但是不同類型的壩體由于潰口發(fā)展速度的差異，同一潰決水量的情況下，洪水的峰值流量差異很大，主要取決于壩體的侵蝕系數(shù)（k）。比如，冰川壩的潰決是冰下通道的方式潰決，由于上部的冰川壓力作用，通道發(fā)展相對(duì)緩慢，因此峰值流量相對(duì)較低；而人工壩相對(duì)于天然壩而言較薄，被侵蝕的速度很快，峰值流量相對(duì)較高。

對(duì)于阻塞型壩體引發(fā)的潰決洪水而言，壩體形成之前的地形同樣重要，決定了潰口的最終大小，容易形成大潰口的峰值流量會(huì)更大（圖13），并且可以概化為形態(tài)參數(shù)（m），其值越大時(shí)，峰值流量會(huì)更小。另外，還有一些因素也會(huì)影響到潰決洪水的峰值流量，比如入湖的流量大，導(dǎo)致堰塞湖的水位下降慢。

圖12 潰決洪水洪峰流量與釋放水量的關(guān)系（O'Connor et al, 2022）

圖13 潰口地形的形態(tài)參數(shù)（Walder and O'Connor, 1997）

潰決洪水的沉積特征

潰決洪水對(duì)壩體進(jìn)行強(qiáng)烈侵蝕，會(huì)在壩體后面快速的沉積，如果地形允許，首先會(huì)形成堆積扇，然后沿程傳輸過(guò)程中在河道中流速降低的位置，形成河灘是其形成的主要沉積類型。根據(jù)地形不同，主要包含五種類型的河灘（圖14）：河道突然展寬，水動(dòng)力減弱，下游發(fā)育擴(kuò)展型河灘，該類沉積中部容易形成洼地和砂脊的相間分布；當(dāng)河道轉(zhuǎn)彎時(shí)，會(huì)在其凸岸形成，一般來(lái)流方向沉積物更粗；當(dāng)遇到支溝時(shí)，會(huì)形成渦流，而形成渦流河灘；當(dāng)支溝較窄時(shí)，可以完全堵塞支溝，也被稱為攔門(mén)沙，當(dāng)支溝較寬會(huì)主要分布與主河交匯的上側(cè)；若河道中有障礙物，其背后會(huì)形成墜型灘，向下游方向粒度會(huì)變細(xì)。

潰決洪水形成的河灘會(huì)隨著漲水到消退，而呈現(xiàn)自己獨(dú)特的沉積序列，會(huì)形成從底部到頂部的6個(gè)沉積單元的序列，其依次為粗的水平層理單元、大尺度的斜層理單元、水平層理薄層單元、粉砂層單元、泥石流蓋層（圖15）。這些單元不一定在一個(gè)沉積序列中都出現(xiàn)，也不一定只出現(xiàn)一次，并且這些沉積單元會(huì)具有漂礫、缺失粉砂和泥、韻律性等共有的特征。河灘的沉積序列詳細(xì)描述與解讀可為潰決洪水的水動(dòng)力反演提供重要信息。

a:牽引河灘；b:點(diǎn)砂河灘；c:渦流河灘；d:墜型河灘

圖14 潰決洪水四種類型的沉積河灘簡(jiǎn)圖 （Carling, 2017）

圖15 單次潰決洪水過(guò)程簡(jiǎn)化的沉積模式（Carling, 2013）

潰決洪水的侵蝕特征

認(rèn)識(shí)潰決洪水的侵蝕特征同樣對(duì)追索潰決洪水的歷史具有重要作用。火星很多寬大河谷是突然出現(xiàn)的，不像地球上的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)那樣有河流從小變大的過(guò)程。在20世紀(jì)70年代，最初發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象時(shí)，科學(xué)家便認(rèn)定這些河谷為潰決洪水造成的，成為火星上有水的關(guān)鍵證據(jù)。潰決洪水對(duì)地表的侵蝕能造成地貌短期劇烈變化，這種劇烈變化會(huì)同時(shí)產(chǎn)生拔蝕、空蝕、渦蝕和磨蝕等多個(gè)高效侵蝕過(guò)程（圖16）。

圖16 潰決洪水侵蝕方式示意圖

（楊澤文等, 刊印中）

總體而言，根據(jù)地貌呈現(xiàn)的主導(dǎo)因素和尺度范圍，宏觀上可將潰決洪水侵蝕地貌分為大、中兩種尺度地貌。其中，大尺度地貌上以缺乏河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的深谷，直交的峽谷網(wǎng)，拔蝕之后留下堅(jiān)硬部分的丘盆狀疤地（The Channel Scabland）和流線島為典型（圖17）；中尺度地貌則包括突然出現(xiàn)的圓頭峽谷以及數(shù)米的壺穴（圖18）。

圖17 大尺度地貌。a為深谷；b為丘盆狀疤地；c為火星峽谷網(wǎng)；d為流線島或丘

（楊澤文等， 刊印中）

圖18 中尺度地貌。a為跌水瀑布；b為圓頭峽谷；c為壺穴

（楊澤文等，刊印中）

古洪水重建一般利用洪水的痕跡或者沉積物的位置來(lái)確定過(guò)水?dāng)嗝娑鴮?shí)現(xiàn)，該方法稱之為溢滿模型（Brim-full model）。但是，潰決洪水在行洪過(guò)程中的強(qiáng)烈侵蝕作用會(huì)造成過(guò)水?dāng)嗝娴耐蛔儯鐫M模型并不適用（圖19）。因此，有研究提出了臨界剪切模型（Threshold shear stress model），該模型利用了體現(xiàn)潰決洪水剪切力的參數(shù)來(lái)進(jìn)行洪水重建，比如搬運(yùn)過(guò)的最大礫石、基于巖體裂隙概化出的巖塊大小。在密蘇拉地區(qū)，利用該模型重建的洪峰流量大為減少（圖20）。

圖19 溢滿模型和臨界剪切模型重建潰決洪水規(guī)模及差異（Perron and Venditti, 2016）

圖20 考慮潰決洪水侵蝕導(dǎo)致受跌水瀑布后退與峽谷受侵蝕的地形和洪水水位變化的示意圖（Lehnigk and Larsen, 2022）

潰決洪水與防洪標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)行的防洪標(biāo)準(zhǔn)（GB 50201-2014）中規(guī)定了需要防護(hù)對(duì)象的洪水重現(xiàn)期（即發(fā)生的概率），比如水庫(kù)工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。但是關(guān)于洪水重現(xiàn)期的計(jì)算（水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范（SL 44-2006）），卻僅依據(jù)暴雨匯流的結(jié)果來(lái)計(jì)算，沒(méi)有體現(xiàn)出潰決洪水的危害。比如，川藏公路318上的通麥大橋，被2000年的易貢潰決洪水摧毀，2001年修建的臨時(shí)保通橋的墩高31.5m，便是按照暴雨洪水的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)；2015年底開(kāi)通的新的通麥大橋，按照潰決洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，墩高59.5米（圖21）。不同成因洪水下的通麥大橋的高度對(duì)比，生動(dòng)體現(xiàn)了在山區(qū)的很多地方的潰決洪水規(guī)模會(huì)遠(yuǎn)大于暴雨洪水。因此，在山區(qū)制訂防洪標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)綜合考慮多成因的洪水。

表2 水庫(kù)工程水工建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)

圖21 通麥大橋不同防洪標(biāo)準(zhǔn)下的橋面高度

參考文獻(xiàn)：

1. 吳朝華. 雅魯藏布江潰決洪水特征及重建研究[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 2022, 博士畢業(yè)論文，北京.
   

2. 楊澤文，吳兵兵，劉維明*，楊安娜，李雪梅，王昊，阮合春，周燕蓮．高能潰決洪水侵蝕機(jī)理與地貌效應(yīng)研究進(jìn)展. 地球科學(xué)，刊印中.

3. 周麗琴，劉維明，賴忠平，王昊，曹廣超. 河流堰塞的地貌響應(yīng). 第四紀(jì)研究，2019, 39(2): 366-380.

4. Baker, V. R. Water and the Martian landscape. Nature, 2001, 412: 228-236.

5. Carling, P.A. Freshwater Megaflood sedimentation: What can we learn about generic processes? Earth-Sci. Rev., 2013, 125: 87-113.

6. Carling, P.A. Catastrophic Deposition of Gravel from Outbreak Floods, Gravel‐Bed Rivers, 2017.

7. Gudmundsson, M.T., Chapter 56 - Hazards from Lahars and J?kulhlaups, in The Encyclopedia of Volcanoes (Second Edition), H. Sigurdsson, Editor. 2015, Academic Press: Amsterdam. p. 971-984.

8. Delaney, K.B. and S.G. Evans, eds. Chapter 7 Rockslide Dams in the Northwest Himalayas (Pakistan, India) and the Adjacent Pamir Mountains (Afghanistan, Tajikistan), Central Asia. Natural and Artificial Rockslide Dams, ed. S.G. Evans, et al. 2011, Springer Berlin Heidelberg.

9. Lehnigk, K. E., & Larsen, I. J. Pleistocene Megaflood Discharge in Grand Coulee, Channeled Scabland, USA. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 2022, 127(1), e2021JF006135.

10. O’Connor, J. E., Clague, J. J., Walder, J. S., Manville, V., and Beebee, R. A. 6.36 - Outburst Floods, in Shroder, J. F., ed., Treatise on Geomorphology (Second Edition): Oxford, Academic Press, 2022, p. 765-819.

11. Perron J T, J G Venditti. Megafloods downsized. Nature, 2016, 538: 174-175.

12. Van Dyke, M., and White, F. M. An Album of Fluid Motion. ASME. J. Fluids Eng., 1982, 104(4): 542–543.

13. Walder, J. S., & O'Connor, J. E. Methods for predicting peak discharge of floods caused by failure of natural and constructed earthen dams. Water Resources Research, 1997, 33: 2337-2348.

美編：趙茹昕

校對(duì)：劉淇郡 江淑敏