CN107564245B - 一种考虑降雨的冰湖溃决的预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑降雨的冰湖溃决的预报方法，包括以下步骤：确定溃决冰湖及周边未溃决冰湖的基本地形数据；确定潜在冰湖溃决点前两年的平均正积温T_y2、多年平均正积温T_y，实时监测当日温度之前正积温T₀及当日温度前7天包括当天的温度和，以及是否在冰川所在位置有降雨；确定潜在冰崩体质心至冰湖垂直高度H与潜在冰崩体质心至冰湖直线距离L之比大于0.125；确定潜在冰崩体滑入冰湖造成的上涨水位H₁大于冰湖溃决临界水位H₂；根据监测值大小划分冰湖溃决的预警级别。本发明全面考虑冰湖溃决的温度因素、冰川影响因素及降雨对冰湖溃决的影响，以定量的方式对冰湖溃决进行预报，极大的提高了准确度和适用性。

Description

一种考虑降雨的冰湖溃决的预报方法

技术领域

本发明涉及到水利工程技术领域，尤其涉及一种考虑降雨的冰湖溃决的预报方法。

背景技术

冰湖包括冰蚀湖、冰面湖、冰下湖、冰碛阻塞湖和冰川阻塞湖等。由于冰蚀湖的湖口为岩坎，流水只能逐渐而缓慢的切割，所以难以突然溃决。而冰面湖与冰下湖虽在冰川区多见，但因其面积小，储水量少，即使发生溃决，流水量亦小。所以在各类冰湖发生溃决洪水的事例中，绝大多数为冰碛阻塞湖和冰川阻塞湖溃决。通常在冰湖溃决之前，其后上方分布有斜贴或悬挂在陡坡上的巨大冰舌。它们裂隙纵横，摇摇欲坠，处于极不稳定的状态，一到夏季，由于冰川融水的活跃和降水量的增加，水流量渗入冰床，从而引起冰川底部快速滑动，导致冰舌大范围滑崩。大量的冰体突然坠入湖中，引起湖水位暴涨。同时冰块在湖中还产生高大的水浪和猛烈的冲击波，湖堤在刹那之间即被击溃，大量水体夹带着冰块破湖而出，便爆发汹涌澎湃的冰湖溃决洪水。

冰湖溃决的发生往往是由于冰湖后援的冰川发生冰崩或冰滑坡，冰崩或冰滑坡进入冰湖使冰湖水位上涨，造成冰湖溃决。而产生冰崩或冰滑坡需要具备二个条件：一是有利于发生冰崩或冰滑坡的冰川条件、冰湖条件和冰川与冰湖之间的关系条件；二是一定的温度条件导致冰川内部产生裂隙并最终诱发冰崩或冰滑坡的发生，这是冰湖溃决的诱发因素。这些条件综合影响并决定冰川的稳定性。

目前国内外对冰湖溃决的预测预报主要是采用积温作为考量指标，通过比较溃决当年与溃决前一年的正积温与积温拟合曲线指数，发现溃决事件的积温和积温指数几乎都在曲线T＝1686.4a^-5.4401以上，并将此曲线作为冰湖溃决的积温临界条件。但此种预测方法没有考虑导致冰湖溃决的冰川条件以及冰湖条件，导致预测精准度低。

公开号为CN105513285A，公开日为2016年04月20日的中国专利文献公开了一种冰湖溃决预警方法，以潜在溃决冰湖为预警监测区域，测量确定潜在溃决冰湖的冰舌坡度α和冰川坡向θ，查看气象资料确定潜在冰湖溃决点前两年的平均正积温T_y2、多年平均正积温T_y，实时监测某个时间之前的正积温T₀及该时间前7天平均温度和T₇，以所述预警监测区域冰湖溃决临界值Cr为监测值，根据监测值大小划分冰湖溃决的预警级别。

该专利文献公开的冰湖溃决预警方法，通过研究温度因子和地形因子对冰湖溃决发生程度进行内部机理研究，建立了冰湖溃决预警预报模型；但是，该方法仅考虑了冰川发生冰崩，进而可能引起冰湖溃决，还没有考虑到冰崩体能否到达冰湖；冰崩体积是否足够大；致使预警准确度较低，适用性差。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种考虑降雨的冰湖溃决的预报方法，本发明通过研究温度因子和冰川因子对冰湖溃决发生程度进行内部机理研究，建立了冰湖溃决预报模型；全面考虑冰湖溃决的温度因素、冰川影响因素及降雨对冰湖溃决的影响，以定量的方式对冰湖溃决进行预报，极大的提高了准确度和适用性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种考虑降雨的冰湖溃决的预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、调查确定某个区域潜在溃决冰湖的位置，以上述潜在溃决冰湖为预警监测区域，通过谷歌地球确定溃决冰湖及周边未溃决冰湖的基本地形数据，包括冰湖后缘冰舌坡度α，冰川的坡向θ、潜在冰崩体质心至冰湖垂直高度H、潜在冰崩体质心至冰湖直线距离L、冰湖面积A₂、溃决口宽度b、溃决口厚度T、溃决前冰湖宽度w₀、溃决前冰湖长宽比c、溃决前冰湖岸边斜坡β和连续性冰川的面积F；

b、通过查看气象资料确定潜在冰湖溃决点前两年的平均正积温T_y2、多年平均正积温T_y，实时监测当日温度之前正积温T₀及当日温度前7天包括当天的温度和，以及是否在冰川所在位置有降雨；

c、确定发生冰湖溃决的一个先决条件为潜在冰崩体质心至冰湖垂直高度H与潜在冰崩体质心至冰湖直线距离L之比大于0.125；

d、确定发生冰湖溃决的另一个先决条件为潜在冰崩体滑入冰湖造成的上涨水位H₁大于冰湖溃决临界水位H₂；H₂由式1计算；潜在冰崩体滑入冰湖造成的上涨水位H₁由式2计算；最大冰崩体体积V由式3计算；

其中，H₂为冰湖溃决临界水位，m；d为起动泥沙特征粒径，m；T为溃决口厚度，m；b为溃决口宽度，m；w₀为溃决前冰湖宽度，m；c为溃决前冰湖长宽比；β为溃决前冰湖岸边斜坡，度；

H₁＝0.45V/A′ 式2

其中，H₁为潜在冰崩体滑入冰湖造成的上涨水位，m；A′为平均冰湖水面面积，m²；V为最大冰崩体体积，m³；

V＝A₁*h 式3

其中，h为冰川的厚度，m；A₁为冰舌所能引发最大冰崩体的面积，m²；

平均冰湖水面面积A′由式8计算；

e、通过式9计算冰湖溃决的冰川综合判别因子S；

S＝tan(α)+0.5sin(θ/2) 式9

其中，S为冰湖溃决的冰川综合判别因子；α为冰湖后缘冰舌坡度，α≥3°；θ为冰川的坡向，0°＜θ≤360°；

f、在满足两个先决条件下，以预警监测区域冰湖溃决临界值Cr为监测值，根据监测值大小划分冰湖溃决的预警级别，对于冰崩引起的冰湖溃决：当Cr＜0.66，发出绿色安全信号；当0.66≤Cr＜0.92，发出冰湖溃决橙色预警信号；当Cr≥0.92，发出冰湖溃决红色预警信号；对于降雨引起的冰湖溃决：当Cr＜0.66，发出绿色安全信号，当Cr≥0.66，发出冰湖溃决红色预警信号；预警监测区域冰湖溃决临界值Cr由式10计算；

其中，Cr为预警监测区域冰湖溃决临界值；T₀为当日温度之前正积温，观测确定；T₇为当日温度前7天包括当天的温度和，观测确定；T_y2为潜在冰湖溃决点前两年的平均正积温，观测确定；T_y为多年平均正积温，观测确定。

所述步骤b中，冰舌所能引发最大冰崩体的面积A₁由式7计算；

A₁＝0.035A₂+13000 式7

其中，A₂为冰湖面积，m²；A₂≥15000m²。

所述步骤b中，冰川为海洋冰川时，冰川的厚度h由式4计算；

h＝5.2+15.4F^0.5 式4

其中，F为连续性冰川的面积，km²。

所述步骤b中，冰川为大陆冰川时，冰川的厚度h由式5计算；

h＝-11.32+53.21F^0.3 式5

其中，F为连续性冰川的面积，km²。

所述步骤b中，冰川为悬冰川时，冰川的厚度h由式6计算；

h＝34.4F^0.45 式6

其中，F为连续性冰川的面积，km²；F＜1km²。

本发明的基本原理如下：

综合考虑气象条件与冰川条件，以及冰川与冰湖之间的关系，还有冰湖条件的综合作用，并将这些条件的作用统一起来形成冰湖溃决的临界条件。冰湖的溃决条件中，气象条件与冰川条件，以及冰川与冰湖之间的关系，还有冰湖条件缺一不可。冰川与冰湖之间的关系，即冰川到冰湖之间的距离与高差，是决定冰崩体能否到达冰湖的关键，如果冰崩体不能到达冰湖，不会引起冰湖水位上涨，也不会发生冰湖溃决。冰湖条件是决定冰湖溃决的另外一个重要的先决条件：冰湖面积过大(与冰崩体体积相比较)，冰湖水位上涨太小，不能侵蚀冰湖溢流口的冰碛堤，形成溃决；冰湖面积过小(与溃决口宽度和厚度相比较)，冰湖水位上涨后又迅速回落，还没有将溃决口全部侵蚀就回落到原来的水位，也不能形成溃决。因此，除了诱发冰湖溃决的气象条件与冰川条件外，冰川与冰湖之间的关系、冰湖条件都是冰湖溃决的重要先决条件。在此机理研究基础上，通过大量研究与准确的推导与计算，提出本发明的方法与判断标准。

预警监测区域冰湖溃决临界值Cr的确定充分考虑了既定冰湖溃决产生的因素，在没有大量前期监测数据的基础上也能确定该冰湖所在地的临界温度。对于冰崩引起的冰湖溃决：当Cr＜0.66，冰湖溃决发生概率低，发出绿色安全信号；当0.66≤Cr＜0.92，冰湖溃决发生概率中等，发出冰湖溃决橙色预警信号；当Cr≥0.92，冰湖溃决发生概率高，发出冰湖溃决红色预警信号。考虑降雨时的冰湖溃决临界条件：当Cr＜0.48，冰湖溃决发生概率低，发出绿色安全信号；当0.48≤Cr＜0.66，冰湖溃决发生概率中等，发出冰湖溃决橙色预警信号；当Cr≥0.66，冰湖溃决发生概率高，发出冰湖溃决红色预警信号。

通过上述预警监测区域冰湖溃决临界值Cr的阈值0.48、0.66、0.92判断冰湖溃决发生可能性的技术原理在于：通过谷歌地球对比发生冰湖溃决和没有发生冰湖溃决冰湖的温度和冰川条件及计算的警监测区域冰湖溃决临界值Cr确定。对于冰崩引起的冰湖溃决：当Cr＜0.66，几乎没有冰湖溃决发生；0.66≤Cr＜0.92，有少量冰湖溃决发生；Cr≥0.92，有很多冰湖溃决发生。考虑降雨时的冰湖溃决：当Cr＜0.48，几乎没有冰湖溃决发生；0.48≤Cr＜0.66，有少量冰湖溃决发生；Cr≥0.66，有很多冰湖溃决发生。预警监测区域冰湖溃决临界值Cr用在其他地区的冰湖溃决中，也能很好地判断冰湖溃决的发生与否。

本发明的有益效果主要表现在以下方面：

一、本发明，充分考虑了冰川特征、冰湖特征以及冰川与冰湖之间的距离与高差的关系，完整地引入了各参数对冰湖溃决的影响，通过研究温度因子和冰川因子对冰湖溃决发生程度进行内部机理研究，以冰湖溃决的形成机理为基础，以溃决点溃决时的温度对比溃决点当年及前两年未发生溃决的较大温度，结合降雨，得出冰湖溃决发生临界温度阈值，建立了冰湖溃决预警预报模型；以定量的方式对冰湖溃决进行预报；极大的提高了准确度和适用性。

二、本发明，适用于冰湖与冰川存在一定的距离，冰川发生冰崩时，冰崩体可能不能到达冰湖时，能否引起冰湖溃决的预报。

三、本发明，适用于冰崩体体积不是非常大，即使冰崩体到达冰湖中，也可能不能引起足够的水位上涨，能否引起冰湖溃决的预报。

四、本发明，适用于有降雨情况下的冰湖溃决预报，在降雨条件下，冰崩更容易发生，冰崩体积更大，在有降雨的情况下，也能做出更准确的预报，适应性强。

具体实施方式

一种考虑降雨的冰湖溃决的预报方法，包括以下步骤：

a、调查确定某个区域潜在溃决冰湖的位置，以上述潜在溃决冰湖为预警监测区域，通过谷歌地球确定溃决冰湖及周边未溃决冰湖的基本地形数据，包括冰湖后缘冰舌坡度α，冰川的坡向θ、潜在冰崩体质心至冰湖垂直高度H、潜在冰崩体质心至冰湖直线距离L、冰湖面积A₂、溃决口宽度b、溃决口厚度T、溃决前冰湖宽度w₀、溃决前冰湖长宽比c、溃决前冰湖岸边斜坡β和连续性冰川的面积F；

b、通过查看气象资料确定潜在冰湖溃决点前两年的平均正积温T_y2、多年平均正积温T_y，实时监测当日温度之前正积温T₀及当日温度前7天包括当天的温度和，以及是否在冰川所在位置有降雨；

c、确定发生冰湖溃决的一个先决条件为潜在冰崩体质心至冰湖垂直高度H与潜在冰崩体质心至冰湖直线距离L之比大于0.125；

d、确定发生冰湖溃决的另一个先决条件为潜在冰崩体滑入冰湖造成的上涨水位H₁大于冰湖溃决临界水位H₂；H₂由式1计算；潜在冰崩体滑入冰湖造成的上涨水位H₁由式2计算；最大冰崩体体积V由式3计算；

其中，H₂为冰湖溃决临界水位，m；d为起动泥沙特征粒径，m；T为溃决口厚度，m；b为溃决口宽度，m；w₀为溃决前冰湖宽度，m；c为溃决前冰湖长宽比；β为溃决前冰湖岸边斜坡，度；

H₁＝0.45V/A′式2

其中，H₁为潜在冰崩体滑入冰湖造成的上涨水位，m；A′为平均冰湖水面面积，m²；V为最大冰崩体体积，m³；

V＝A₁*h 式3

其中，h为冰川的厚度，m；A₁为冰舌所能引发最大冰崩体的面积，m²；

平均冰湖水面面积A′由式8计算；

e、通过式9计算冰湖溃决的冰川综合判别因子S；

S＝tan(α)+0.5sin(θ/2) 式9

其中，S为冰湖溃决的冰川综合判别因子；α为冰湖后缘冰舌坡度，α≥3°；θ为冰川的坡向，0°＜θ≤360°；

f、在满足两个先决条件下，以预警监测区域冰湖溃决临界值Cr为监测值，根据监测值大小划分冰湖溃决的预警级别，对于冰崩引起的冰湖溃决：当Cr＜0.66，发出绿色安全信号；当0.66≤Cr＜0.92，发出冰湖溃决橙色预警信号；当Cr≥0.92，发出冰湖溃决红色预警信号；对于降雨引起的冰湖溃决：当Cr＜0.66，发出绿色安全信号，当Cr≥0.66，发出冰湖溃决红色预警信号；预警监测区域冰湖溃决临界值Cr由式10计算；

其中，Cr为预警监测区域冰湖溃决临界值；T₀为当日温度之前正积温，观测确定；T₇为当日温度前7天包括当天的温度和，观测确定；T_y2为潜在冰湖溃决点前两年的平均正积温，观测确定；T_y为多年平均正积温，观测确定。

所述步骤b中，冰舌所能引发最大冰崩体的面积A₁由式7计算；

A₁＝0.035A₂+13000 式7

其中，A₂为冰湖面积，m²；A₂≥15000m²。

所述步骤b中，冰川为海洋冰川时，冰川的厚度h由式4计算；

h＝5.2+15.4F^0.5 式4

其中，F为连续性冰川的面积，km²。

所述步骤b中，冰川为大陆冰川时，冰川的厚度h由式5计算；

h＝-11.32+53.21F^0.3 式5

其中，F为连续性冰川的面积，km²。

所述步骤b中，冰川为悬冰川时，冰川的厚度h由式6计算；

h＝34.4F^0.45 式6

其中，F为连续性冰川的面积，km²；F＜1km²。

下面采用本发明分别对西藏光谢错附近的4处冰湖、西藏吉莱错附近的5处冰湖和西藏印达普错附近的8处冰湖进行分析：

首先分别量取各冰湖的冰湖后缘冰舌坡度α、冰川的坡向θ、潜在冰崩体质心至冰湖垂直高度H、潜在冰崩体质心至冰湖直线距离L、冰舌所能引发最大冰崩体的面积A₁、冰湖面积A₂、溃决口宽度b、溃决口厚度T、溃决前冰湖宽度w₀、溃决前冰湖长宽比c、溃决前冰湖岸边斜坡β和连续性冰川的面积F。

根据式9计算出各冰湖的冰湖溃决的冰川综合判别因子S，根据式2—式8计算出各冰湖的潜在冰崩体滑入冰湖造成的上涨水位H₁，根据式1计算出各冰湖的冰湖溃决临界水位H₂。

17处冰湖冰川因素测量值及S、H₁、H₂、H/L计算情况、预警信号以及冰湖溃决的实际发生情况如表1所示。

表1

首先，根据先决条件1，表1编号中J1、J3、Y2、Y3四个冰湖潜在冰崩体质心至冰湖垂直高度H与潜在冰崩体质心至冰湖直线距离L之比小于0.125，虽然Y2冰湖的Cr＞0.48，Y3冰湖的Cr＞0.66，但冰崩体很难进入冰湖，故J1、J3、Y2、Y3冰湖危险性极小，发出蓝色预警信号。

其次，根据先决条件2，表1编号中G1、G2、Y1、Y4、Y7五个冰湖冰崩造成的潜在冰崩体滑入冰湖造成的上涨水位H₁小于冰湖溃决临界水位H₂，虽然G2冰湖的Cr＞0.92，Y1冰湖的Cr＞0.48，Y7冰湖的Cr＞0.66，但很难发生大的冰崩使冰湖产生较大的上涨水位，故G1、G2、Y1、Y4、Y7冰湖危险性极小，发出冰湖溃决蓝色预警信号。

最后，在满足两个先决条件的基础上进行预警：

对于冰崩引起的冰湖溃决：当Cr＜0.66，冰湖溃决发生概率低，发出绿色安全信号；当0.66≤Cr＜0.92，冰湖溃决发生概率中等，发出冰湖溃决橙色预警信号；当Cr≥0.92，冰湖溃决发生概率高，发出冰湖溃决红色预警信号。

考虑降雨时的冰湖溃决：当Cr＜0.48，冰湖溃决发生概率低，发出绿色安全信号；当0.48≤Cr＜0.66，冰湖溃决发生概率中等，发出冰湖溃决橙色预警信号；当Cr≥0.66，冰湖溃决发生概率高，发出冰湖溃决红色预警信号。

表1中，光谢错Cr＞0.92，发出冰湖溃决红色预警信号，发生了冰湖溃决；表1中，吉莱错Cr＞0.92，发出冰湖溃决红色预警信号，发生了溃决；表1中，印达普错当Cr≥0.66，发出冰湖溃决红色预警信号，发生了冰湖溃决；表1中G3、J2冰湖，Cr＜0.66，发出冰湖溃决绿色安全信号，都没有发生冰湖溃决；J4冰湖，0.66≤Cr＜0.92，发出冰湖溃决橙色预警信号，没有发生冰湖溃决；Y5、Y6冰湖，Cr＜0.48，发出冰湖溃决绿色安全信号，都没有发生冰湖溃决；表1中G1、G2、J1、J3、Y1、Y2、Y3、Y4、Y7，不满足先决条件，发出冰湖溃决蓝色预警信号，都没有发生冰湖溃决。

可见，应用本发明方法对冰湖溃决预警信号的发布准确性很高。

Claims (5)

1.一种考虑降雨的冰湖溃决的预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、调查确定某个区域潜在溃决冰湖的位置，以上述潜在溃决冰湖为预警监测区域，通过谷歌地球确定溃决冰湖及周边未溃决冰湖的基本地形数据，包括冰湖后缘冰舌坡度α，冰川的坡向θ、潜在冰崩体质心至冰湖垂直高度H、潜在冰崩体质心至冰湖直线距离L、冰湖面积A₂、溃决口宽度b、溃决口厚度T、溃决前冰湖宽度w₀、溃决前冰湖长宽比c、溃决前冰湖岸边斜坡β和连续性冰川的面积F；

b、通过查看气象资料确定潜在冰湖溃决点前两年的平均正积温T_y2、多年平均正积温T_y，实时监测当日温度之前正积温T₀及当日温度前7天包括当天的温度和，以及是否在冰川所在位置有降雨；

c、确定发生冰湖溃决的一个先决条件为潜在冰崩体质心至冰湖垂直高度H与潜在冰崩体质心至冰湖直线距离L之比大于0.125；

d、确定发生冰湖溃决的另一个先决条件为潜在冰崩体滑入冰湖造成的上涨水位H₁大于冰湖溃决临界水位H₂；H₂由式1计算；潜在冰崩体滑入冰湖造成的上涨水位H₁由式2计算；最大冰崩体体积V由式3计算；

其中，H₂为冰湖溃决临界水位，m；d为起动泥沙特征粒径，m；T为溃决口厚度，m；b为溃决口宽度，m；w₀为溃决前冰湖宽度，m；c为溃决前冰湖长宽比；β为溃决前冰湖岸边斜坡，度；

H₁＝0.45 V/A′ 式2

其中，H₁为潜在冰崩体滑入冰湖造成的上涨水位，m；A′为平均冰湖水面面积，m²；V为最大冰崩体体积，m³；

V＝A₁*h 式3

其中，h为冰川的厚度，m；A₁为冰舌所能引发最大冰崩体的面积，m²；

平均冰湖水面面积A′由式8计算；

e、通过式9计算冰湖溃决的冰川综合判别因子S；

S＝tan(α)+0.5sin(θ/2) 式9

其中，S为冰湖溃决的冰川综合判别因子；α为冰湖后缘冰舌坡度，α≥3°；θ为冰川的坡向，0°＜θ≤360°；

f、在满足两个先决条件下，以预警监测区域冰湖溃决临界值Cr为监测值，根据监测值大小划分冰湖溃决的预警级别，对于冰崩引起的冰湖溃决：当Cr＜0.66，发出绿色安全信号；当0.66≤Cr＜0.92，发出冰湖溃决橙色预警信号；当Cr≥0.92，发出冰湖溃决红色预警信号；对于降雨引起的冰湖溃决：当Cr＜0.66，发出绿色安全信号，当Cr≥0.66，发出冰湖溃决红色预警信号；预警监测区域冰湖溃决临界值Cr由式10计算；

其中，Cr为预警监测区域冰湖溃决临界值；T₀为当日温度之前正积温，观测确定；T₇为当日温度前7天包括当天的温度和，观测确定；T_y2为潜在冰湖溃决点前两年的平均正积温，观测确定；T_y为多年平均正积温，观测确定。

2.根据权利要求1所述的一种考虑降雨的冰湖溃决的预报方法，其特征在于：所述步骤d中，冰舌所能引发最大冰崩体的面积A₁由式7计算；

A₁＝0.035A₂+13000 式7

其中，A₂为冰湖面积，m²；A₂≥15000m²。

3.根据权利要求1所述的一种考虑降雨的冰湖溃决的预报方法，其特征在于：所述步骤d中，冰川为海洋冰川时，冰川的厚度h由式4计算；

h＝5.2+15.4F^0.5 式4

其中，F为连续性冰川的面积，km²。

4.根据权利要求1所述的一种考虑降雨的冰湖溃决的预报方法，其特征在于：所述步骤d中，冰川为大陆冰川时，冰川的厚度h由式5计算；

h＝-11.32+53.21F^0.3 式5

其中，F为连续性冰川的面积，km²。

5.根据权利要求1所述的一种考虑降雨的冰湖溃决的预报方法，其特征在于：所述步骤d中，冰川为悬冰川时，冰川的厚度h由式6计算；

h＝34.4F^0.45 式6

其中，F为连续性冰川的面积，km²；F＜1km²。