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)的城市遭受嚴(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%。隨著未來人類對(duì)山區(qū)開發(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，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?；鹦呛芏鄬挻蠛庸仁峭蝗怀霈F(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確定過水?dāng)嗝娑鴮?shí)現(xiàn)，該方法稱之為溢滿模型（Brim-full model）。但是，潰決洪水在行洪過程中的強(qiáng)烈侵蝕作用會(huì)造成過水?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)來進(jìn)行洪水重建，比如搬運(yùn)過的最大礫石、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)果來計(jì)算，沒有體現(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

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美編：趙茹昕

校對(duì)：劉淇郡 江淑敏