跨喜马拉雅流域冰川湖溃决洪水最坏情景评估
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当前与未来情景下的冰湖溃决洪水风险：喜马拉雅跨界流域的极端情景
欧文·金
姚檀栋
冰湖溃决洪水（GLOFs）是整个高亚洲山区的重大隐患，其影响可波及下游数百公里。在喜马拉雅跨界流域，随着新冰湖不断形成，风险预计将进一步上升，这一问题尤为突出。鉴于灾害风险防控需具备前瞻性，本研究旨在展示如何结合现有冰湖的极端情景，对未来冰湖的威胁开展切实可行的评估，以及此类评估信息如何服务于灾害风险管理。我们选取两个已被认定为高危的冰湖——嘎龙错（Galongco）和甲龙错（Jialongco），模拟了它们发生极端溃决时，在西藏聂拉木镇及中尼边境下游区域造成影响的时间与规模。此外，我们还评估了一种未来情景：模拟聂拉木上游可能形成的大型新冰湖受雪崩触发而发生溃决的情况。结果显示，规模达10^7立方米级的岩石和/或冰崩，可能在中尼边境引发的洪水流量，是此前观测值或基于渐进溃决模拟预测值的15倍以上。对于所有评估的冰湖，洪水抵达聂拉木的预警时间仅为5-11分钟，抵达边境的时间约为30分钟。近期为降低甲龙错水位采取的补救措施，对极端溃决洪水的下游影响收效甚微，尤其是在聂拉木，高强度洪水区内已建成大量基础设施。基于上述发现，我们呼吁采取综合性灾害风险管理方案，将预警系统与有效的土地利用分区、本地响应能力建设项目相结合。这类方案既能应对流域当前的冰湖溃决风险驱动因素，也能在气候变暖导致极端溃决事件更易发生的情况下，保持应对能力的稳健性。
受全球变暖影响，近几十年来，喜马拉雅地区的冰川退缩速度不断加快，这一趋势与全球多数山地区域一致（Bolch等，2019；King等，2019；Maurer等，2019；Zemp等，2019）。其主要后果之一是冰湖迅速扩张、新冰湖不断形成（Gardelle等，2011；Nie等，2017；Shugar等，2020），这对水资源和灾害风险均产生重大影响（Haeberli等，2016）。当湖水突然灾难性泄出时，冰湖溃决洪水可摧毁下游数百公里范围内的生命与生计（Carrivick和Tweed，2016；Lliboutry等，1977）。这一威胁在喜马拉雅地区尤为显著：当地冰湖的数量和规模均在快速增长（Chen等，2021；Wang等，2020；Zhang等，2015），自20世纪80年代以来，年均发生1.3次冰湖溃决事件（Veh等，2019）。冰湖溃决可跨越国界，这加剧了预警及其他风险防控策略的实施难度，在政治敏感地区更是如此（Allen等，2019；Khanal等，2015a）。
冰湖可形成于冰川下方（冰下湖）、侧边（冰侧湖）、前端（冰前湖）、内部（冰内湖）或表面（冰面湖），其坝体由冰、冰碛物或基岩构成。在亚洲，科研界的关注重点主要集中在冰碛坝湖的溃决风险，尤其是被冰前冰碛物拦截形成的冰湖（如Fujita等，2013；S. Wang等，2015）。这类冰湖规模可能极大，容积可超过1×10^8立方米，深度超过200米（Cook和Quincey，2015），且由于坝体材料强度较低，易受多种溃决机制影响（Clague和Evans，2000；Korup和Tweed，2007）。在亚洲及全球其他地区，冰或岩石大规模撞击产生的位移波，是导致冰碛坝溃决的主要原因，这类事件多发生在温暖的夏季（Emmer和Cochachin，2013；Liu等，2013；Richardson和Reynolds，2000）。自1935年以来，西藏已记录至少17起造成人员伤亡或基础设施损毁的冰湖溃决灾害（Nie等，2018），其中多数发生在喜马拉雅中东部区域。该地区人口与基础设施快速扩张，结合现有威胁的研究成果（如Allen等，2019；S. Wang等，2015；Wang等，2018）及未来趋势预判（Furian等，2021；Zheng等，2021a），有关部门亟需采取行动，及时落实风险防控措施已成为共识（Wang和Zhou，2017）。
尽管近几十年来喜马拉雅地区的冰湖溃决活动未呈现明显趋势（Veh等，2019），但冰湖持续向陡峭且可能失稳的山体侧翼扩张，预计将在未来带来新的挑战，对灾害风险产生影响（Haeberli等，2017）。基于模拟未来冰湖扩张与新冰湖形成的方法（Linsbauer等，2016），多项研究已尝试量化不同地区冰湖溃决频率和/或规模的潜在变化（Allen等，2016；Emmer等，2020；Magnin等，2020）。例如，在印度喜马拉雅地区的喜马偕尔邦，Allen等（2016）研究表明，在未来冰川消退情景下，冰湖溃决触发概率将提升7倍，受潜在溃决路径影响的下游区域面积将扩大3倍。同时，Zheng等（2021a）针对整个高亚洲地区开展的分析显示，未来中尼边境区域具有跨界威胁的冰湖数量可能翻倍。这类大规模的初步研究对于提升山地未来挑战的认知至关重要（Hock等，2019），但在直接指导基层规划与响应行动方面存在局限。
国际冰川与冻土灾害评估指南（GAPHAZ，2017）明确指出，灾害与风险建模需具备前瞻性，要考虑潜在的极端情景。然而，在地方层面的冰湖溃决灾害评估与风险管理中，如何纳入极端情景和未来冰湖发展的实际案例仍十分有限。国际最佳实践框架包括：先开展大规模初步评估以识别潜在高危冰湖，再针对这些冰湖利用数值模型模拟下游洪水强度，以此为基础绘制灾害分布图（GAPHAZ，2017）。这是针对现有威胁的常用方法，对于已知高危冰湖，投入时间、数据和专业技术开展全面灾害建模与制图具有充分合理性；但极端情景常被忽视，且其影响可能远超历史记录。对于未来冰湖，由于其形成时间高度不确定，灾害评估方法存在空白——有关部门不太可能针对尚未确定的威胁开展复杂的灾害制图。本研究旨在填补这些空白，通过实例展示如何系统评估潜在未来冰湖的极端溃决情景，并与现有冰湖的威胁进行对比，进而探讨此类评估在跨界背景下对灾害风险管理的意义。
本研究聚焦喜马拉雅中部的波曲河跨界流域，具体目标为：（1）运用系统标准设定极端溃决情景，评估两个潜在高危冰湖的下游影响规模，同时考虑其中一个冰湖近期补救措施的效果；（2）将结果与未来可能形成的大型冰湖溃决情景进行对比；（3）探讨对预警及其他风险防控策略的启示。
图1 波曲河流域在冰湖溃决风险热点区域中的位置，该热点区域基于西藏境内30个潜在高危冰湖的识别结果确定（参考Allen等，2019）。图中标示了本研究关注的现有冰湖嘎龙错和甲龙错、模拟的未来冰湖、聂拉木县城以及中尼边境樟木镇的位置，还标注了曾发生多次溃决的次仁玛错。背景图：ESRI基础影像。
本分析聚焦波曲河下游约40公里河段，起点为嘎龙错冰湖，评估范围涵盖西藏自治区聂拉木县城及下游中尼边境樟木镇的潜在冰湖溃决影响（图1）。研究区域海拔跨度超过6000米，从海拔8027米的希夏邦马峰峰顶（其冰川覆盖的山坡为嘎龙错补给水源），到樟木镇河谷的2000米海拔。据Jiao和Wang（2015）数据，聂拉木（海拔3810米）的年均气温为3.8℃，年均降水量为650.3毫米，每年11月至次年3月气温低于0℃。7月气温最高（10.8℃），9月平均降水量最大（87.9毫米），全年60%的降水集中在7-9月的季风期（W. Wang等，2015）。
波曲流域是大型跨界流域波曲-博特科西河-孙科西河的西藏段，沿线的中尼友谊公路是连接中尼两国的重要经济通道，且流域内拥有丰富的水电资源（Khanal等，2015b）。基于西藏全域的研究，波曲流域已被明确列为跨界冰湖溃决风险热点区域（Allen等，2019；图1），过去一个世纪至少发生过6次重大冰湖溃决事件，包括甲龙错在2002年的多次溃决（Chen等，2013），以及次仁玛错在1964年、1981年和1983年的溃决（Wang等，2018）。1981年的溃决造成大量人员伤亡，据估计损失高达400万美元（按2015年币值计算），房屋、道路、水电设施受损，贸易与交通服务中断（Khanal等，2015a）。2016年7月，贡巴通沙错（紧邻次仁玛错）溃决，泄水量达1.1×10^5立方米，导致水电和道路严重受损，加剧了1年前廓尔喀地震造成的损失（Cook等，2018）。贡巴通沙错已完全干涸，但次仁玛错仍持续构成威胁，多项研究将其列为西藏最危险的冰湖之一（Allen等，2019；S. Wang等，2015；Wang等，2018）。
表1 威胁甲龙错（JC）、嘎龙错（GC）和未来冰湖（FL）的岩石和/或冰崩起始区域输入情景。源区基于高分辨率卫星影像划定。平均冰厚及相应冰量基于GlabTop模型计算。注：JC-L情景针对甲龙错水位降低后的状态，该湖自2019年起已实施水位降低工程；详见4.1节。
本研究未聚焦已被全面研究的次仁玛错（Wang等，2018），而是关注甲龙错和嘎龙错这两个有充分记录的威胁源，因其可能对西藏聂拉木县城及尼泊尔下游区域造成破坏（Allen等，2019；Shrestha等，2010）。事实上，在近期西藏高危冰湖评估中，嘎龙错和甲龙错分别位列次仁玛错之后的第二和第三位，这既与冰湖及其周边的物理特征有关（见4.1节），也与下游区域的高暴露度相关（Allen等，2019）。这两个冰碛坝冰前湖在过去几十年中迅速扩张，其中流域内最大的嘎龙错，面积从1964年的1.00平方公里增至2017年的5.46平方公里，增幅达450%（W. Wang等，2015；Zhang等，2019）。潜在未来冰湖位于甲龙错上游约6公里处（图1，详见3.2节描述）。
遵循冰湖溃决灾害评估的最新国际指南（GAPHAZ，2017），本研究考虑了冰湖的易发性（即特定溃决情景发生的可能性），并采用基于GIS的开源数值模拟工具r.avaflow对冰湖溃决过程链进行建模，以确定下游影响。为对比现有两个冰湖与未来冰湖的威胁，我们重点开展极端情景建模，即模拟甲龙错、嘎龙错和未来冰湖受大规模雪崩触发发生溃决的事件。
3.1 冰湖易发性与情景设定
本评估采用系统方法，综合考虑可能影响冰湖易发性、进而决定冰湖溃决事件发生概率的各类大气、冰冻圈和岩土因素（参考GAPHAZ，2017）。我们尽可能利用遥感数据，并辅以实地观测，对三个冰湖的易发性因素进行半定量评估与对比。利用2018年10月获取的0.5米分辨率三星Pléiades影像生成的1米分辨率正射影像和数字高程模型（DEM），精确测量了地形特征（坝体几何形态、坡度等）及周边山坡的地质构造（参考Bhattacharya等，2021）。通过影像和谷歌地球，根据冰裂隙的走向和密度识别潜在不稳定冰区，再利用GlabTop模型输出结果估算冰厚和冰量（表1）。此外，我们还分析了谷歌地球影像的时间序列，以识别是否存在历史大规模运动迹象，这些迹象可能表明下方冰湖面临更高威胁。评估的因素、主要属性及数据来源详见4.1节。基于此评估，并考虑到大规模冰和/或冰崩触发的冰湖溃决过程链是三个冰湖面临的最主要威胁，我们确定了雪崩源区作为过程链建模的输入（表1）。
3.2 雪崩与冰湖溃决建模
我们采用r.avaflow模型（Mergili等，2017；Pudasaini和Mergili，2019）模拟冰湖溃决过程链。这是一款基于GIS的开源多相流模拟框架，能够动态计算触发型滑坡（本研究中为岩石和/或冰崩）与冰湖之间的相互作用，还可模拟泥石流水力学特征。模型的主要输入参数包括初始雪崩源特征（表1）、地形数据、摩擦与侵蚀参数（见下文）、冰湖地形及容积。
2019年，我们使用无人船对甲龙错和嘎龙错进行了地形测量。船上GPS系统的水平定位精度约为2.5米，单波束测深仪的垂直精度为1厘米±测量深度的0.1%。采用克里金插值法生成了冰湖深度等值线图。测得甲龙错最大深度为134米，嘎龙错为200米，基于插值地形计算的容积分别为4×10^7立方米和5.9×10^8立方米。甲龙错修建人工渠道降低水位后，2021年重新测量的地形显示，水位降低后的最大深度为113米，容积为2.35×10^7立方米。
对于未来冰湖的溃决建模，甲龙错上游潜在冰湖的位置、地形和容积基于GlabTop模型模拟的冰川床地形深槽确定（Linsbauer等，2012）。该模型已被广泛用于预测未来冰湖可能形成的位置（如Allen等，2016；Haeberli等，2016；Linsbauer等，2016；Magnin等，2020）。通过从表面DEM中减去GlabTop模型计算的冰厚分布，得到无冰川覆盖的床面地形，进而识别冰川床的深槽并估算其容积。模型输入参数包括人工编辑的冰川分支线，以及分辨率为30米的NASA航天飞机雷达地形测绘任务（SRTM）3.0版（填补空洞）DEM。尽管模型预测波曲流域内有多个可能形成大型未来冰湖的位置，但我们重点关注对聂拉木镇构成威胁的最大冰湖。基于模拟的深槽几何形态，估算该未来冰湖的最大深度为168米，容积为7×10^7立方米。模拟的基岩地形构成冰湖坝体，未考虑基岩上方可能堆积的冰碛物形成更高坝体的情况。同样，为符合极端情景设定，我们未考虑泥沙淤积对冰湖容积和存续时间的潜在影响（Steffen等，2022）。除规模较大外，选择该深槽还因其位于明显终碛后方的低坡度区域，下方冰舌已出现冰面塘，且海拔低于区域内其他深槽。这些因素均为大型冰前湖的形成提供了有利条件（Frey等，2010；Linsbauer等，2016）。
根据设定的冰湖溃决过程链情景（表1），我们假设初始雪崩包含一到两种固相（岩石密度：ρ=2700千克/立方米；冰密度：ρ=900千克/立方米）和一种液相（湖水密度：ρ=1000千克/立方米），冰/岩体积比基于4.1节的评估结果计算。我们将冰湖的冰碛坝定义为固相（代表冰川沉积物）的侵蚀区，颗粒密度为2700千克/立方米。采用简化侵蚀模型，该模型由流动动量与经验侵蚀系数的乘积构成（Mergili等，2017）。最终侵蚀深度取决于具体过程的动量，并受侵蚀系数控制。其他输入参数包括控制流变性的基底摩擦角（φ）和内摩擦角（δ）。对于以固相为主的过程链初始阶段（即雪崩、撞击冰湖、侵蚀冰碛坝），我们设定φ=25°，δ=10°；对于冰碛坝下游的过程，设定φ=25°，δ=1°，以模拟饱水泥石流的流动。模型范围完全覆盖雪崩源区至中尼边境的区域。所有模拟总时长设为1小时15分钟（4500秒），确保有足够时间评估洪水向下游传播至边境的过程。最后，为评估模拟得到的流动水深和流量等水力学参数，我们沿河道设置了三个横断面：（i）冰碛坝下游紧邻处；（ii）聂拉木（最近的定居点）；（iii）樟木（中尼边境）。
需注意的是，在甲龙错水位降低情景（JC-L）中，我们假设冰碛坝前缘未发生侵蚀，因为自2019年起实施的冰湖溃决防控工程已将坝体降低15-20米，并用混凝土加固。对于未来冰湖的溃决，我们评估了洪水流入下游约6公里处甲龙错的连锁影响（见图1）。尽管测试了多个免费DEM（如12.5米分辨率的ALOS PALSAR DEM或8米分辨率的高亚洲DEM），但地形伪影导致建模误差。因此，所有模拟最终均采用1米分辨率的Pléiades DEM（基于2018年影像，JC-L模拟的坝体区域采用2021年更新的DEM）。
3.3 未来冰湖发展趋势
已有研究（如King等，2018；Quincey等，2007）识别出可能促使表碛覆盖冰川表面形成冰面湖的属性。受大型侧碛和终碛限制、主冰舌坡度平缓（<约2°）且流动缓慢（<约10米/年）的冰川，是冰面塘形成的热点区域，因为表面融水无法从冰川表面排出（如King等，2018；Quincey等，2007）。当冰川物质平衡为负时，这类塘群会扩张并融合，最终在冰川水文基准面（冰川表面与终碛相交的最低点）形成冰面湖（Benn等，2012，图3和图19）。位于表碛覆盖冰川末端附近的大型冰面湖可存续数十年，在此期间不断扩张、加深，最终演变为冰前湖，如嘎龙错和甲龙错。因此，通过分析当代和历史冰川表面流速与海拔变化，可识别适合表面融水蓄积的冰川区域，这些区域即为当前和未来冰面湖的潜在形成地。为确定甲龙错上游冰川（RGI60-15.09475）形成冰湖的可能性及未来湖面积增长趋势，我们分析了近几十年来该冰川的表面流速、变薄速率及几何形态（表面坡度）的演变。
我们利用Pléiades DEM和King等（2019）生成的冰川表面海拔变化数据，分析了自20世纪70年代以来冰川RGI60-15.09475的几何形态演变。通过对冰川表面750米长分段的“平均”（五个等间距点的均值）海拔剖面拟合线性回归模型，估算冰川表面坡度（King等，2018）。我们还利用2017-2019年哨兵2号影像中冰川表面特征的追踪数据，评估了冰川当前的流动状态（Pronk等，2021）。对这些参数的分析表明，结合Quincey等（2007）提出的因素（坡度<2°、冰流可忽略<10米/年、持续变薄），该冰川表面条件非常适合冰湖近期形成（图7）。
为研究未来几十年该冰湖的可能规模，我们设定了2015年至2100年的两种冰川变薄情景，采用与Linsbauer等（2013）类似的方法模拟未来冰厚，但使用不同标准确定未来湖面积。第一种情景假设，King等（2019）测得的波曲流域冰川变薄加速趋势将持续至2100年。这种变薄加剧将由两部分驱动：一是自20世纪70年代以来喜马拉雅中部已出现的约1℃升温（Maurer等，2019），二是到2100年将进一步升温1℃（Kraaijenbrink等，2017）。第二种情景假设，1974年至2015年间的变薄速率将在后续相同时间段（如2056年、2097年等）重复出现。我们外推King等（2019）的变薄速率，计算2015年至2100年的海拔变化。随后假设，一旦冰川表面降至冰川水文基准面（4890米）以下，融水将开始蓄积，此时DEM中海拔低于该阈值的像素即为当时的湖面积。
对于甲龙错、嘎龙错和潜在未来冰湖，下文将重点关注极端情景下冰湖溃决的易发性及下游影响规模的模拟结果。全面的灾害与风险评估（包括完整的溃决情景范围和脆弱性制图）超出了本研究的范围。
图2 用于三个冰湖溃决过程链建模的岩石和/或冰崩起始区域（红色）输入情景（详情见表1）。(a) 甲龙错：插图为GlabTop模拟的冰崩源区冰厚，黄色线条表示威胁冰湖的陡峭侧碛壁（另见图9）。(b) 嘎龙错：红色轮廓为大型岩石和/或冰崩源区，箭头指示不稳定冰体的较小源区，虚线表示冰湖未来可能的扩张范围。(c) 预测的未来冰湖：红色轮廓为大型岩崩源区，箭头指示较小冰崩的可能源区。**(a)和(b)中为实测（插值）冰湖地形，(c)**中未来冰湖的模拟地形由GlabTop模型得出。背景影像©谷歌地球。
表2 冰湖易发性影响因素的初步评估（基于GAPHAZ，2017）。对各因素的易发性进行专家评估，分为高（）、中（）、低（∗）三级。与这些冰湖无关的因素标注为“–”。因素可能对冰湖溃决起到条件作用（con.）和/或触发作用（trig.），也可能影响溃决规模（mag.）。
4.1 冰湖易发性与情景设定
冰湖溃决灾害评估中的易发性部分，需综合考虑可能引发或触发溃决的各类因素，确定特定冰湖发生溃决事件的可能性。这种可能性（对部分灾害可定性或定量）始终针对特定规模，并在特定时间范围内有效，同时需认识到易发性会随时间演变（Allen等，2022）。基于此评估，可设定灾害建模情景，包括本研究重点关注的极端溃决情景。我们采用系统方法（参考GAPHAZ，2017），对比本研究中三个冰湖的相对易发性，并考虑其未来可能的演变（表2）。该表区分了对溃决事件起条件和/或触发作用的因素，同时关联了可能影响溃决规模的因素。
波曲流域上游位于喜马拉雅主分水岭以北的过渡地带，夏季受亚洲季风影响降雨充沛。嘎龙错流域面积显著更大，因此更易受强降雨和/或融雪影响导致水位升高；在未来冰川消退情景下，该湖可能由发育成熟的冰后期河网补给。不过，即便如此，其相对有利的坝体几何形态（宽高比大，坝体超高15米）表明，由这类触发机制引发溃决的可能性和规模均较低。同样，因气温升高导致冰碛坝内地下冰融化而引发的坝体自溃可能性极低。嘎龙错周边可见蠕动冻土特征，结合模拟的年均地表温度（MAGST）（参考Obu等，2019）及冰湖坝体部分呈现的丘状形态，表明坝体很可能为部分含冰核的冰碛物，但坝体宽度极大（>200米）且下游坡度平缓，因此因冻土融化引发灾难性溃决的可能性极低。
与喜马拉雅地区多数大型冰湖一样（Liu等，2013；Richardson和Reynolds，2000；Sattar等，2021），三个冰湖面临的主要触发威胁来自大规模边坡失稳撞击冰湖。当前情景下，甲龙错被评估为最易受冰崩影响，因其后方紧邻陡峭、裂隙发育密集的冰舌（图2a）。该冰舌平均坡度为35°，存在大型横向裂隙，地形突变明显，且冰床可能处于温性状态，因此冰舌完全坍塌（约1.8×10^7立方米）被视为可行的极端情景（表1）。冰体将沿冰湖纵轴方向撞击湖面，产生最大越顶波高和冲刷效应。2002年，该冰川发生的小型冰崩曾引发甲龙错溃决，当时湖面积不足当前的一半（Chen等，2013）。尽管气候变暖预计会升高冰床温度、增加融水（Kääb等，2021），可能降低冰川稳定性，但冰舌会因变暖而退缩，导致潜在雪崩体积随时间减小，最终当冰退至平缓高原时，这一威胁将完全消除。相比之下，嘎龙错的母冰川舌部分被表碛覆盖，平均坡度平缓（18°）且梯度均匀。威胁嘎龙错的潜在不稳定冰体位于山体高处的陡峭冰崖和悬冰川（图2b），估算最大体积为0.1-1×10^6立方米。较大源区的雪崩将沿垂直于冰湖纵轴的方向（从西侧）撞击湖面，因此位移波的大部分能量将在湖对岸消散。未来冰湖上方的情况类似，小型且相对较薄的悬冰川仅分布在潜在冰湖西南侧的山坡上（图2c）。
因此，大型岩崩或冰-岩混合崩落被认为是触发嘎龙错或未来冰湖极端溃决的最可行机制。希夏邦马峰东北侧山坡比嘎龙错高出近3000米，可能大部分处于多年冻土环境。这既可以从区域内石冰川分布（最低可达4000米，Bolch等，2022）推断，也与模拟的MAGST数据一致（Obu等，2019）（表2）。不过，冰崖和悬冰川的存在可能导致热扰动，甚至在极寒环境中引发融化（Shugar等，2021）。通过高分辨率影像仔细分析，我们在希夏邦马峰南脊下方的破碎山坡上识别出一个大型潜在崩落源区，海拔范围为6550-7340米（图2b）。该区域及周边山峰的地层为层状浅色花岗岩，下方为具有缓倾北东向片理的矽线石片麻岩（Searle等，1997）。下方冰川的侵蚀可能导致该山坡过度陡峭。基于坡面出露的构造，假设基岩最大深度为40米，坡面覆盖的陡峭冰崖和粒雪层厚度估计不超过10米，因此总崩落体积为2.3×10^7立方米（冰占20%，岩石占80%）。潜在未来冰湖紧邻拉姆塘卡尔波里峰无冰的约2000米高东壁（图2c），该区域MAGST为-3至-6℃。岩壁被众多垂直构造切割，且存在多次历史失稳形成的陡坎。我们识别出一个与嘎龙错情景规模相当的大型潜在源区，岩壁上的陡坎表明其最大深度可达40米，总岩崩体积为2.06×10^7立方米（表1）。
表3 嘎龙错（GL）、甲龙错降低水位前（JC）、甲龙错降低水位后（JC-L）及未来冰湖（FL）的实测与模拟冰湖及溃决洪水参数。所有时间均以初始岩石和/或冰崩发生为起点计算。
即便在全球范围内，本研究情景中设定的冰和/或冰崩规模也较为罕见（Kääb等，2021；Schneider等，2011），但近年来（Shugar等，2021）和史前时期（Stolle等，2017）喜马拉雅地区均有此类事件发生。尽管波曲流域位于高地震风险区（Shedlock等，2000），但值得注意的是，2015年廓尔喀地震并未在波曲流域引发大型冰和/或冰崩，尽管聂拉木及通往尼泊尔的公路遭受严重破坏（Kargel等，2016）。因此，鉴于流域内缺乏历史大规模失稳事件记录，本研究设定规模的冰和/或冰崩被评估为低至极低可能性事件（另见5.2节）。从地质角度看，三个冰湖上方基岩失稳的可能性差异不大，多年冻土条件也相似（表2）。由于甲龙错紧邻陡峭冰川舌，有冰崩触发溃决的历史，且坝体条件更不利（超高低、宽度窄），我们评估当前情景下甲龙错发生极端溃决的可能性高于嘎龙错。最后，三个冰湖当前或未来均易受相邻侧碛发生瞬时或渐进滑坡的影响，甲龙错的情况尤为明显，其侧碛存在活跃失稳迹象（图2a）。近期研究表明，当坝体几何形态易受侵蚀时，大型侧碛失稳（无论是瞬时还是渐进式）足以引发灾难性过程链（Zheng等，2021b）。
图3 极端情景下的模拟冰湖溃决洪水水深：(a) 嘎龙错，(b) 甲龙错（JC-L），(c) 潜在未来冰湖。**(a)**中红色方框标示聂拉木和樟木镇的位置。
4.2 冰湖溃决建模
我们对三个冰湖的极端溃决情景进行模拟，直至洪水抵达中尼边境（樟木镇）。由于所需高分辨率Pléiades DEM覆盖范围有限，模拟洪水未延伸至边境以外。在评估的两个现有冰湖中，嘎龙错的模拟峰值流量是甲龙错的5倍以上，导致聂拉木镇的洪水水深比甲龙错情景高出14米（表3，图3和图4）。在下游20公里处的边境，嘎龙错情景的淹没水深比甲龙错高出17米，因为大量洪水在狭窄河谷中受地形约束，1小时后流量仍保持在10万立方米/秒以上（图4）。潜在未来冰湖极端溃决情景的模拟坝址峰值流量为359628立方米/秒，在聂拉木产生的水深（27米）和流量（163667立方米/秒）将超过甲龙错，但比嘎龙错低一个数量级。坝址处流出过程线的形态差异（图4a）及传播距离，导致模拟洪水波抵达聂拉木和中尼边境下游的时间略有不同。甲龙错的洪水波在冰崩发生后6分钟抵达聂拉木，最大水深在2分钟后出现（所有时间均以初始雪崩发生为起点）。相比之下，嘎龙错的洪水波在10分钟后抵达聂拉木，最大水深在4分钟后出现。未来冰湖溃决的洪水波抵达聂拉木的时间与之相似，仅需11分钟，而所有模拟溃决的洪水均在雪崩发生后28-32分钟内抵达尼泊尔边境。值得注意的是，甲龙错实施的补救措施（降低坝体并用混凝土加固，模型中设侵蚀为零——见3.2节）导致初始峰值流量略有增大（表3，图4），因为坝体超高减小，溅起效应更强，越顶水量更大。下游模拟显示，该情景下洪水衰减速度更慢（聂拉木至樟木流量减少54%），而原湖情景下流量减少81%（图4）。
图4 三个评估冰湖的模拟溃决洪水流量：(a) 冰湖坝址，(b) 聂拉木，(c) 樟木。
可能进一步增大冰湖溃决规模的过程包括：洪水沿程裹挟大量泥沙导致流量增大；溃决沉积物堵塞河道引发次生溃决；以及涉及多个冰湖的过程链。对于三个溃决情景，洪水沿程从主河道侵蚀大量泥沙的可能性均较低，因为沿洪水路径测得的平均轨迹坡度远低于河道泥沙启动所需的坡度（Huggel等，2004）。不过，洪水对河岸的侵蚀、掏蚀和失稳可能引发此类次生灾害，尤其是在聂拉木下游的陡峭峡谷中。聂拉木下方河谷变窄，模拟中出现洪水汇集，并产生回涌效应，沿波曲河向上延伸2公里，嘎龙错情景下最大水深超过60米（图3a）。预计回涌区内会有大量泥沙沉积，可能堵塞波曲河形成重大次生灾害，这与2021年印度北部查莫里灾难性大规模流动事件中观测和模拟的过程一致（Shugar等，2021）。
图5(a) 潜在新冰湖溃决事件的模拟洪水水深，显示洪水汇集并越顶流入甲龙错的区域。背景DEM基于Pléiades数据（2018年10月15日）生成©CNES和空客防务与航天公司。(b)中所示越顶处的冰碛坝高度约为40米（照片：欧文·金，2018年10月）。(c) 利用r.avaflow模拟的甲龙错上游（1）和下游（2）的流量过程线。注：模拟基于甲龙错降低水位后的地形和坝体几何形态（JC-L）。
与嘎龙错以往的建模结果不同（Shrestha等，2010；Zhang等，2021），极端雪崩触发的溃决路径并不局限于现有河道，而是漫过山谷右侧（受旧冰碛物约束），涌入甲龙错，形成第二条通往聂拉木的更大路径（图3a）。两条路径在聂拉木上游约6公里处汇合。洪水能够越顶的超高与同类规模灾难性流动的观测结果一致（Shugar等，2021）。结果还表明，未来冰湖溃决的洪水可能撞击甲龙错侧碛、汇集并最终越顶，引发甲龙错溃决的连锁反应（图5）。尽管会增加洪水总量，但甲龙错及其突出的侧碛起到了地形阻碍作用，减缓并削弱了溃决能量，甲龙错上下游的流量减少了50%。这只是冰湖相互作用的一种特定连锁情景，但该案例表明，位于下游的冰湖不一定会增大冰湖溃决风险，具体取决于下游冰湖的几何形态及其相对于上游溃决路径的朝向。
图6(a) 聂拉木镇暴露于不同模拟冰湖溃决强度等级的建成区，显示2015年至2017年间基础设施快速扩张的影响。百分比表示高强度区内建成区的增幅。(b) 嘎龙错溃决情景的模拟强度，显示基础设施近期扩张情况，基于©谷歌地球2015年6月（c-左）和2017年10月（c-右）影像绘制。主桥上游一处显著的基础设施开发区在虚线框中突出显示。
4.3 冰湖溃决影响与暴露度
我们利用开放街道地图和谷歌地球影像，根据模拟泥石流强度（基于GAPHAZ，2017）识别聂拉木镇暴露于不同冰湖溃决强度等级的建筑。尽管各国分类标准不同，但受高洪水或泥石流强度影响的区域（基于水深和/或流速计算）通常被视为高风险区，即使事件发生概率较低（GAPHAZ，2017）。在聂拉木，甲龙错溃决情景的水深较低，因此暴露度略低于嘎龙错或未来冰湖的模拟事件（图6）。尽管聂拉木多数建筑位于河道上方10-20米处，未受甲龙错过往溃决事件影响（Chen等，2013），但极端溃决的高强度区内仍存在明显的高暴露度。此外，过去几年主定居点以北河岸沿线基础设施快速扩张，大幅增加了暴露于潜在冰湖溃决的建成区面积，许多新建建筑位于高强度洪水区内。总体而言，嘎龙错和未来冰湖的模拟溃决暴露度相当，两种极端事件均可能中断连接该镇的主要公路和桥梁。
聂拉木下游至中尼边境河段的河岸建筑稀少，主要威胁是38公里长的跨国公路。甲龙错和嘎龙错模拟溃决情景中，受高强度洪水影响的公路比例分别为27%和40%（未来冰湖情景为28%）。尽管我们未模拟边境以外的情况，但过往事件（如Cook等，2018；Wang等，2018）和评估研究（Khanal等，2015a；Shrestha等，2010）均指出，尼泊尔境内博特科西河沿岸的社区、水电站及其他基础设施面临重大风险。
图7(a) 2017-2018年冰川RGI60-15.09475的表面地形、坡度和流动状态。一旦冰川表面坡度降至约2°，预计会出现大范围融水蓄积，且冰流微弱，难以形成裂隙排出融水。(b) 1974-2000年和2000-2015年通过DEM差分得到的冰川表面海拔变化，以及情景1中预测的到2100年的海拔变化速率。情景2假设相同的变薄速率将持续至2056年，并在2097年再次重复。
4.4 未来冰湖发展轨迹
至少过去40年来，冰川RGI60-15.09475持续变薄，形成了非常适合冰面湖发育的表面条件（图7）。冰川消融区中部2.5公里范围已出现冰面塘，该区域基本停滞，坡度极缓，且因表碛厚度不均导致差异消融，表面形成大量坑洼。这些条件将促使冰面塘群进一步扩张，且难以快速排水。
图8 冰川RGI60-15.09475在不同变薄情景下，到2050年**(a)和2100年(b)的融水蓄积情况（海拔<冰川水文基准面）。背景影像为经修改的哥白尼哨兵数据（2021年10月14日），由欧洲航天局处理。(a)中虚线剖面的冰川表面海拔剖面在各变薄情景下的情况见(c)。冰面湖面积扩张的完整时间线见(d)。黄色多边形区域为GlabTop预测的床面深槽（1.54平方公里）。(a–c)**中冰流方向为从左至右。
对冰川RGI60-15.09475过去40年变薄速率的外推表明，冰川表面很大一部分将很快降至融水无法自然排出的海拔，从而形成冰面湖。在情景1（1974-2015年变薄趋势持续至2100年）下，到2100年冰川表面将有0.6平方公里低于冰川水文基准面（图8）。该区域大部分位于冰川终碛1公里范围内，但由于冰川消融梯度倒置，到2100年冰川上游部分小区域也将低于水文基准面（图8）。在情景2（1974-2015年变薄速率持续至2056年、2097年）下，到2100年冰川RGI60-15.09475表面将有多达1.33平方公里低于冰川水文基准面。因此，GlabTop识别的1.54平方公里深槽上方的大部分冰川表面，到2100年将易受冰面湖扩张和冰前湖形成的影响（图8d）。在当前消融热点区域，尤其是冰川末端，预测的变薄量超过了GlabTop估算的冰厚，情景1下到2070年、情景2下到2045年，未来冰面海拔将接近模拟基岩海拔。对于上游拟议深槽的大部分区域，外推的变薄量与GlabTop估算的冰厚不符，该模型显示此处冰厚可达230米。
本研究结果展示了如何将流域尺度的冰湖溃决灾害评估扩展至未来可能出现的新威胁。为此，本研究采用成熟的冰湖易发性评估方法（GAPHAZ，2017）和冰湖溃决建模方法（Mergili等，2017），并将其应用于潜在未来冰湖的溃决情景评估。评估尽可能基于免费数据和影像，但在陡峭山地地形中，这类数据存在局限性，因此需要基于Pléiades影像的高分辨率DEM才能实现波曲河流域冰湖溃决的准确建模。尽管本研究并非旨在替代支持决策所需的综合多情景建模和实地灾害制图（如Frey等，2018），但研究结果为灾害风险管理规划提供了中间步骤。利用本文展示的工具和方法，有关部门可有效衔接已知威胁（已在应对）与未来可能出现的、规模更大但不确定性更高的威胁之间的认知空白。
图9 甲龙错的照片：(a) 2018年10月，显示湖泊自然状态；(b) 2020年10月和**(c)** 2021年9月，显示出湖口区域的工程措施，包括降低水位、移除大部分前缘冰碛物、修建稳定的加固泄洪道。照片：托比亚斯·博尔奇**(a)、张国卿(b, c)**。
5.1 综合性灾害风险管理方案
对于波曲流域，本研究结果恰逢其时——地方当局近年来已在甲龙错启动重大工程（图9）。原则上，当局对甲龙错的关注得到了本研究结果的支持：甲龙错发生大型溃决、威胁聂拉木镇及尼泊尔下游区域的可能性最大，极端情景下将导致下游出现显著洪水水深和流量。尽管嘎龙错发生大型岩崩和/或冰崩触发溃决的可能性较低，但溃决洪水强度更高，聂拉木的流量几乎是甲龙错模拟值的3倍。在中尼边境（樟木），极端情景下的模拟峰值流量可达3.5万-17万立方米/秒，是早期建模研究结果的15倍以上（Shrestha等，2010），这表明此前估算的尼泊尔下游社区潜在财产损失（最高1.97亿美元）远低于实际可能的损失。与过往事件相比，1981年次仁玛错溃决在樟木的峰值流量约为1万立方米/秒，造成约200人死亡，损失达400万美元（Cook等，2018；Wang等，2018）；2016年贡巴通沙错溃决的流量约为其一半，但经济损失超过7000万美元，无人员伤亡（Sattar等，2022）。
尽管甲龙错构成威胁，但如果不辅以更全面、前瞻性的策略（考虑大规模过程链和适当响应行动），仅依靠硬工程措施降低冰湖溃决风险可能成本高昂且效率低下。移除并加固大部分前缘冰碛物、修建稳定泄洪道（图9），对冰崩引发的灾难性溃决下游影响规模的作用极小（图4和图6）。一方面，工程措施减少了初始侵蚀可利用的冰碛物（导致洪水以水体为主，快速形成且衰减缓慢）；另一方面，坝体超高减小使冰湖更易发生越顶，可能引发更大规模的溃决（图4a）。模拟还显示，对于大规模过程链，预警潜力有限：冰和/或冰崩发生后，灾难性溃决洪水仅需6-11分钟即可抵达聂拉木。对于尼泊尔下游社区，极端情景下的预警时间可能仅为30分钟，远低于此前嘎龙错渐进溃决情景下长达2小时的估算（Zhang等，2021）。尤其是在跨界区域，预警需经国家间沟通协作才能落实，几分钟的增减对有效预警和疏散至关重要。
鉴于降低甲龙错水位对潜在毁灭性极端溃决的影响极小，且三个评估过程链在聂拉木的预警时间均极短，我们认为，工程措施和预警系统需与有效的土地利用分区、本地响应能力建设项目相结合（如Huggel等，2020）。这种综合策略不仅能降低甲龙错溃决风险，还能为未来一个世纪嘎龙错或新冰湖可能发生的更大规模溃决情景做好准备。总体而言，人口和资产暴露度不断增加是山地灾害风险的主要驱动因素（Hock等，2019），这一点在聂拉木上游基础设施快速扩张中体现得尤为明显：这些建筑直接位于潜在极端冰湖溃决的高强度区内（图6），同时也处于中等强度溃决的路径上（Zhang等，2021）。降低甲龙错水位可能减少了这些建筑遭受较小规模、较高概率溃决事件的威胁，但要维持这种最低程度的保护，需在嘎龙错及未来新冰湖重复类似措施，且对降低大规模极端事件风险作用甚微。因此，亟需实施土地利用分区，规范高风险区内未来的基础设施开发，同时考虑极端情景。此外，将预警系统（EWS）纳入更广泛的流域监测计划，可实现一定程度的预测，在预警启动前提前提升警戒级别，做好疏散准备并启动高风险区疏散工作。例如，近期大型山地边坡失稳的前兆运动已通过光学或合成孔径雷达干涉（InSAR）卫星数据（Bhardwaj和Sam，2022；Carlà等，2019）及密集地震监测网络（Tiwari等，2022）被探测到，但实时运行监测系统仍较为罕见，仍是重要的研究方向。
5.2 极端情景与未来气候变化
尽管GlabTop及其他类似建模方法（见Farinotti等，2019a）已被广泛用于预测未来冰湖位置、评估相关风险与机遇（如Farinotti等，2019b；Haeberli等，2016；Magnin等，2015），但特定深槽能否及何时演变为冰湖仍存在较大不确定性。本研究聚焦一个大型深槽，其位于平坦、表碛覆盖较厚的冰川舌下方——这是大型冰前湖典型的地貌形成环境（Benn等，2012；Haritashya等，2018），与嘎龙错的形成环境类似。结合该冰川表面已出现冰面湖的情况，可高度确信此处未来将形成一个被明显终碛拦截的冰前湖。在本研究采用的两种变薄情景下，到2070年至2100年，冰川RGI60-15.09475上的冰面湖面积将达到当前甲龙错的规模（图8）。这些估计可能仍偏保守，低估了该冰川冰湖的发展速度。冰面塘和冰崖网络的发展，以及冰面湖向全深度冰前湖的转变，均可能加快表碛覆盖冰川消融区的整体变薄速率（King等，2020；Mölg等，2020；Thompson等，2016）。我们对当前变薄速率和模式的简单外推未考虑这些消融过程的启动或扩张。因此，一旦冰川表面蓄积大量融水，未来几十年冰川最下游约1.5公里区域的变薄程度可能超过我们的预测。
无论未来冰湖形成时间存在何种不确定性，本研究结果表明，针对甲龙错（尤其是嘎龙错）现有极端溃决威胁开展的灾害制图及相应响应规划，在未来冰湖情景下基本依然适用。换言之，嘎龙错极端溃决的潜在规模远大于未来冰湖，而甲龙错极端溃决的洪水抵达聂拉木的速度最快。然而，新冰湖及其他冰湖的形成，无疑会增加流域内发生大规模溃决事件的可能性，若响应策略不足，人口和基础设施面临的风险将上升。冰川灾害研究的关键挑战之一是为溃决情景分配可能性或概率，尤其是对于特定流域内无历史先例的大规模情景（Allen等，2022）。本研究模拟的极端情景规模比过往研究的观测或评估结果大一个数量级（Shrestha等，2010；Zhang等，2021），但首次考虑了10^7立方米级大型岩石和/或冰崩撞击冰湖的潜在过程链。此类灾难性过程链模拟产生的溃决流量和水深确实极为极端，相对于亚洲已记录的冰湖溃决流量，重现期超过200年（Carrivick和Tweed，2016）甚至更长（Veh等，2020）。不过，近期查莫里灾害及塞蒂河早期事件提醒我们，喜马拉雅地区确实存在能触发此类过程链的大型雪崩（Shugar等，2021），且随着多年冻土变暖、边坡失稳，其发生频率预计将上升（Haeberli等，2017）。结合冰湖数量增多、规模扩大（Zheng等，2021a），大规模过程链的发生可能性必然随时间增加，因此即使超出历史先例，这些更极端的情景也需纳入综合性风险管理方案。
GAPHAZ（2017）借鉴了瑞士的经验：将极低概率但大规模的灾害事件纳入“残余危险区”，涵盖重现期超过300年的事件。最终，定义此类区域的概率阈值及区内实施的法规或响应策略，需与当地社会价值观和风险承受能力高度契合。部分响应策略的机会成本较低，例如确保疏散中心及其他关键基础设施（如学校、警局、医疗机构）位于残余危险区外；而其他策略可能带来更高的社会、环境和经济成本。至少，需让居住在这类区域的民众知晓并了解自身面临的残余风险，避免因湖泊降低等措施引发道德风险和适应不当，尤其是在未来气候变化和新威胁显现的背景下。
喜马拉雅中部的波曲流域已被明确为跨界冰湖溃决威胁的热点区域。本研究聚焦两个直接威胁西藏聂拉木镇及下游区域的冰湖，对比了其发生大规模溃决事件的可能性、潜在规模及影响。此外，我们还模拟了甲龙错上游可能形成的新冰湖溃决的未来情景。针对所有冰湖，我们均评估了大型岩石和/或冰崩撞击引发溃决过程链的极端情景。本研究得出以下结论：
甲龙错规模虽小，但因其紧邻陡峭、裂隙密集的冰川舌且有溃决历史，对聂拉木及下游社区构成最直接威胁。尽管近期工程措施已将湖水平均降低16米并稳定了坝体区域，但对大型冰崩触发的极端溃决规模和抵达时间影响极小。
嘎龙错遭受10^7立方米级大型岩石和/或冰崩撞击的可能性极低，但随着多年冻土边坡变暖，该可能性正在上升。此类过程链将引发极端溃决流量，是甲龙错模拟值的5倍以上，导致聂拉木和中尼边境（樟木）的洪水水深分别高出14米和17米。
评估的未来冰湖到2070年可能达到甲龙错的规模，但由于表碛覆盖冰舌上的冰面塘和冰崖消融过程，其形成时间可能更早。即使冰湖达到最大潜在面积和容积，岩崩触发的极端溃决峰值流量和水深仍比嘎龙错低一个数量级，但大于甲龙错。
对于三个评估冰湖，极端溃决事件均会在过程链启动后6-11分钟内影响聂拉木，约30分钟内抵达樟木，给预警和疏散带来严峻挑战。尽管过往研究关注该区域冰湖的快速扩张，但对于聂拉木镇而言，当前和未来冰湖高强度洪水区内基础设施的扩张，才是导致冰湖溃决暴露度显著上升的主要原因。
基于上述发现，我们呼吁采取全面、前瞻性的灾害风险防控方案，包括预警系统、符合当地风险承受能力的有效土地利用分区，以及本地响应能力建设项目。仅依靠冰湖源头的硬工程策略可能不足以应对风险，因为这类策略无法解决冰湖溃决及其他地质灾害的潜在暴露度和脆弱性问题，且在极端灾难性溃决事件面前被证明无效。
本研究用于冰湖溃决洪水模拟的r.avaflow软件可从开发者处免费获取：https://www.landslidemodels.org/r.avaflow/（Mergili和Pudasaini，2021）。
本研究所有模拟结果由Sattar和Allen（2022）发布于Zenodo平台：https://doi.org/10.5281/zenodo.7326610。冰川表面变薄情景由King（2022）发布，可访问：https://doi.org/10.5281/zenodo.7333894。地形数据由Zhang（2022）发布于Figshare平台，可免费获取：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.21569175.v1。Pléiades高分辨率卫星影像可从CNES/空客防务与航天公司商业获取。
SA和AS设计研究方案并开展冰湖溃决建模与灾害评估。OK负责未来冰湖发展趋势建模。AB生成高分辨率Pléiades DEM。SA、OK、TB和GZ提供实地考察的见解、影像和地形数据。SA、TB和TY获取项目资助。所有作者参与论文撰写与修订。
通讯作者声明，所有作者均无利益冲突。
出版方说明：Copernicus Publications对已发表地图中的管辖权主张及机构隶属关系保持中立。
感谢CNES/空客防务与航天公司在ISIS项目框架内提供Pléiades卫星数据（Pléiades © CNES (2018)，由空客防务与航天公司分销）。感谢Adam Emmer、Fabian Walter及第三位匿名审稿人提出的全面且富有建设性的意见。
本研究得到瑞士国家科学基金会（项目编号IZLCZ2_169979/1）和中国科学院战略性先导科技专项（项目编号XDA20100300）资助。
本文由Yves Bühler编辑，Fabian Walter、Adam Emmer及一位匿名审稿人评审。
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