基于遥感图像分析对金错冰川湖溃决泥石流事件的验证
郭兆成1, 童立强1, 周成灿2, 赵振远2
1.中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083
2.西藏自治区地质环境监测总站,拉萨 850000
通讯作者:童立强(1965-),男,研究员,主要从事遥感地质及环境应用研究。Email:tlqhx@sohu.com

第一作者简介: 郭兆成(1979-),男,博士后,高级工程师,主要从事地质灾害等领域的遥感应用研究。Email:guozc@lreis.ac.cn

摘要

突发冰川终碛湖(简称“冰湖”)溃决泥石流/洪水是西藏高山冰湖分布区的一种山地灾害,极易给下游地区的居民及公路、桥梁、水利水电等基础设施带来毁灭性灾害。多年来,对冰湖溃决泥石流/洪水的研究受到了高度重视; 但高山高寒和艰险的地形及交通条件,给冰湖溃决泥石流灾害的实地调查带来不便,大部分冰湖溃决缺乏实时的文献记载资料,而灾后访问资料经常会与实际情况有出入。遥感图像可真实记录冰湖溃决泥石流的形态、位置和发生时间等相关痕迹。因此,利用高空间分辨率RapidEye和多时相Landsat MSS,TM图像,对吕儒仁、程尊兰等学者报导的“1982年发生在定结县的冰湖溃决泥石流事件”进行了验证。通过对覆盖金错和印达普错的高分辨率遥感图像解译和灾害发生前后的遥感动态变化分析,认为有关文献记载的“金错冰湖溃决泥石流事件”实际上是印达普错溃决泥石流事件。野外调查发现金错的终碛垄较为完整,其下游部位没有发现大型U型溃口和冲沟,终碛垄下游也未见新泥石流堆积体。研究结果表明,对高分辨率、多时相遥感图像的解译能够有效地提高艰险地区地质灾害调查的准确性。

关键词: 冰川湖溃决泥石流; 遥感图像; 解译标志; 影像特征
文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2016)01-0152-07 doi: 10.6046/gtzyyg.2016.01.22
Verification of glacial lake outburst debris flow events in Jincuo Lake of Tibet based on remote sensing image analysis
GUO Zhaocheng1, TONG Liqiang1, ZHOU Chengcan2, ZHAO Zhenyuan2
1. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China
2. Tibet autonomous region geological environment monitoring station, Lhasa 850000, China
Abstract

In mountainous areas of Tibet, glacial lake outburst debris flow is one of the main disasters, bringing devastating destruction to downstream settlements and infrastructures, such as roads, bridges and water facilities. Glacial lake outburst debris flow has long drawn great attention; nevertheless, because of the cold climate, steep terrain and terrible traffic condition which bring inconvenience to field investigation, very insufficient real-time literature data or some records inconsistent with the facts have been obtained for most of the glacial lake outburst events. Remote sensing images can really record the traces related to glacial lake outburst debris flow. Based on the high spatial resolution images of RapidEye and the multi-temporal images of Landsat MSS and TM, the authors analyzed the glacial lake outburst debris flow event that occurred in 1982 in Dinggye County, Tibet, which was reported by Lyu Ruren and Cheng Zunlan et al. Through remote sensing interpretation and analysis of dynamic changes of the glacial lake outburst debris flow event, the authors hold that the "Jincuo Lake outburst debris flow event" was actually induced by Yindapucuo Lake outburst. In the field investigation the authors found that Jincuo moraine was not destroyed by debris flow, and there was neither large U-type gully nor new debris flow accumulation settled in its downstream site, which confirmed the analysis of remote sensing. The results show that high resolution and multi-temporal remote sensing images can effectively improve the accuracy of investigation for geological hazards in dangerous areas.

Keyword: glacial lake outburst debris flow; remote sensing image; interpretation key; image feature
0 引言

西藏是我国现代冰湖分布最多的地区, 冰川终碛湖(简称“ 冰湖” )溃决泥石流/洪水灾害一直严重威胁着下游居民生命财产安全, 常给下游公路、桥梁、水利水电基础设施等带来毁灭性破坏; 有时波及到邻国(尼泊尔和印度), 造成国际影响, 因而备受各级政府和相关研究机构的关注。我国对冰湖溃决泥石流/洪水的最初研究多针对交通、水利等工程的安全问题。20世纪60年代初, 开展过川藏公路冰川泥石流考察、观测和试验; 20世纪70年代, 在喀喇昆仑山南坡洪扎河谷开展过冰川泥石流考察研究和青藏高原泥石流考察; 这些考察积累了一定的有关冰湖溃决泥石流研究的资料。进入20世纪80年代后, 相关研究不断深入, 逐步开展了重点流域及单沟道冰湖溃决泥石流的调查, 例如1985年喜马拉雅山南坡波曲河谷的冰湖溃决泥石流考察研究[1, 2]; 工布江达县唐不朗沟的冰湖溃决泥石流调查研究[3]; 年楚河流域冰湖及冰湖溃决泥石流形成条件调查研究[4, 5]; 利用遥感影像分析波曲流域冰湖近20 a的变化及对终碛湖溃决流量计算[6]等。进入21世纪以来, 对冰湖溃决泥石流的研究逐步转向其形成演化、风险评价及防灾减灾等方面, 例如崔鹏等[7]和程尊兰等[8, 9]分析了冰湖溃决泥石流的形成演化过程, 并给出相应的防灾、减灾对策。可以说, 通过近30 a的不断努力, 研究人员对冰湖溃决泥石流的分布、形成机制与演化、危害程度以及防灾、减灾对策等方面有了较系统的认识。但在一些研究中, 由于高山高寒和艰险的地形与交通条件, 对冰湖溃决泥石流的调查访问资料往往存在一定的出入, 造成研究结果与实际情况有较大偏差, 例如1982年在西藏定结县发生 “ 金错冰湖溃决泥石流事件” 的报道就与实际情况不符。关于“ 金错发生冰湖溃决泥石流” 的文献首次见于徐道明等[10]于1989年发表在《地理学报》上的《西藏喜马拉雅山区危险冰湖及其溃决特征》一文, 文中记载: “ 1982年定结县金错湖溃决, 淹埋了8个村落、大片农田及1 600头牲畜” 。其后, 吕儒仁等[11]在《西藏泥石流与环境》一书中详细论述了金错发生的冰湖溃决泥石流灾害及其发生的水热状态; 杨针娘等[12]在《冰川水文学》一书中也重复描述了金错冰湖溃决泥石流灾害“ 淹埋了8个村落、大片农田及1 600头牲口” 。进入21世纪以来, 绝大多数关于西藏冰湖溃决的研究相继引用了这些文献, 并记录了金错冰湖溃决泥石流的部位[13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]; 甚至一些研究在文献中分析西藏冰湖溃决条件和进行危险性评价时, 都采用了金错冰湖及其周边环境的基本特征数据[20, 21, 22]; 基于逻辑回归法的西藏地区冰湖溃决危险性预测模型也同样采用了金错的冰湖和地形地貌特征参数[23]

然而, 上述对金错冰湖溃决泥石流灾害的描述是否准确呢?遥感图像真实记录了冰湖溃决泥石流的痕迹、相关位置和存在时间等, 可用于区域冰湖溃决泥石流事件的客观调查。在通过遥感解译发现印达普错冰湖溃决泥石流后, 舒有锋等[24]利用粗糙集的权重确定方法评价了该冰湖的溃决危险性。童立强等[25]在《喜马拉雅山地区重大地质灾害遥感调查研究》一书中介绍了利用遥感调查方法发现了印达普错发生冰湖溃决泥石流; 并根据金错没有溃决痕迹的事实, 估计1982年在定结发生的冰湖溃决泥石流灾害不是在金错发生的灾害。姚晓军等[26]则通过文献对比和Google Earth数据对比分析, 也认为1982年8月27日在定结县发生的冰湖灾害事件应是印达普错溃决所导致。综上所述, 鉴于众多研究引用了“ 金错冰湖溃决泥石流” 的信息, 造成相关研究成果存在一定偏差, 有必要对“ 金错冰湖溃决泥石流事件” 的记载信息进行深入的探讨和核实。

本文利用遥感图像解译、结合实地调查对该事件的记载信息加以验证。通过建立冰湖溃决泥石流遥感解译标志, 对1982年前后获取的2个时相的覆盖金错和印达普错的高空间分辨率RapidEye和多时相Landsat MSS, TM图像进行解译; 结合野外实地调查资料分析, 对以往文献中有关“ 金错冰湖溃决泥石流” 记载的失实信息提出更正建议。

1 研究区与数据源概况
1.1 研究区概况

研究对象金错和印达普错位于喜马拉雅山东段的亚大陆型冰川分布区、拉轨岗日和喜马拉雅山北坡之间, 属高山河谷地貌。包括上述2个研究对象的研究区内新构造运动活跃, 频繁的地震不仅直接造成滑坡、崩塌、溜砂坡等边坡失稳灾害, 还导致雪崩断堵河道, 或使现代海洋性冰川的冰舌前端失稳, 冰湖溃决引发的洪水和泥石流则危害更为严重。

研究区属于高原温带半干旱季风气候区, 昼夜温差大, 气温偏低; 日照时间长, 气候干燥, 年降雨量少, 蒸发量大。据定结县城的气象观测资料, 年平均气温为2.8 ℃~3.9 ℃; 最冷月份为1月, 平均气温-7.4 ℃; 最热月份为7月, 平均气温12 ℃; 年降水量为319 mm, 降水量的95%分布在6―10月份; 年平均蒸发量2 527.3 mm; 全年相对无霜期为113 d, 绝对无霜期为0 d。

金错和印达普错所在地的地表水系属于朋曲的最大支流叶如藏布, 其中金错为叶如藏布支流论庆曲的源头, 印达普错则位于叶如藏布支流给曲的上游部位(图1)。

图1 研究区位置及地形地势示意图Fig.1 Location and terrain topography map of study area

金错位于定结县萨尔乡、日玛那山东坡, 湖口坐标为E 87° 38'45.05″, N 28° 11'30.29″, 湖面面积47.3万m2, 湖口高程5 365 m, 山峰高程6 730 m。印达普错位于定结县琼孜乡、喜马拉雅山北坡叶如藏布支流给曲上游, 湖口坐标为E 88° 00'13.47″ , N 27° 56'27.31″, 湖面面积约110万m2, 湖口高程5 240 m。覆盖金错和印达普错的Landsat TM和RapidEye遥感图像如图2所示。

图2 金错和印达普错遥感图像Fig.2 Remote sensing images covered Jincuo and Yindapucuo lakes

1.2 数据及其预处理

本文使用了多源数据, 包括地形图数据(G45E001016为1978年航摄和调绘, H45E023015为1974年航摄、1976年调绘)和多个时相的遥感数据(Landsat系列卫星的MSS, TM数据和较高空间分辨率的RapidEye数据)。其中, MSS图像的空间分辨率为60 m, TM图像的空间分辨率为30 m, RapidEye图像的空间分辨率为5 m, 具有大范围覆盖、高重访率、高分辨率和多光谱获取数据方式等优势。为保证遥感图像数据定位准确, 全部图像都经过严格的正射纠正处理, 纠正精度均在1个像元以内。

2 图像分析与野外验证
2.1 遥感解译标志

2.1.1 冰湖溃决泥石流

现代冰湖溃决泥石流在其沟口部位有明显的“ 扇状” 堆积体, 在遥感图像中呈现扇状暗色调区域; 堆积体有较强的浮雕般凸起感, 斑点状花纹, 结构粗糙, 色调不均。溃决冰湖的湖岸有历次湖水水位变化形成的线状阶地。堵塞沟谷形成的冰湖终碛垄上有明显溃口和U型冲沟, 其下游的古冰碛物上也有明显的U型沟槽(图 3)。

图3 典型冰湖溃决泥石流遥感影像特征与实地照片Fig.3 Remote sensing image features and field photo of typical glacial lake outburst debris flow

2.1.2 冰湖溃决洪水

冰湖溃决洪水的遥感影像特征与冰湖溃决泥石流基本类似, 唯一不同的是在沟口及其下游部位没有明显的“ 扇状” 堆积体。发生于不同时代的冰湖溃决泥石流的遥感解译标志也存在一定的差异。对于已经处于灭失状态的冰湖来说, 冰湖水体已经消逝, 但历史上冰湖溃决形成的大型泥石流冲积扇和U型的冰碛物侵蚀沟槽还依稀可辨, 说明古冰湖溃决泥石流事件的存在。这类冰湖虽然暂不存在继续溃决的可能, 但其形成的区域地质、地形地貌等背景特征信息, 对分析冰湖溃决的基本形成条件具有重要意义。

2.2 遥感图像分析

利用2013年获取的研究区RapidEye图像, 进行了金错冰湖特征要素及其上、下游部位的解译。如图4所示, 金错冰湖现存水体周边不存在古老的线状湖岸阶地和湖岸线特征; 其前缘的终碛垄较为完整, 没有明显的冲沟和U型溃口分布; 冰湖终碛垄下游部位没有明显的扇状泥石流堆积体。

图4 金错冰湖RapidEye图像及特征部位Fig.4 RapidEye image and characteristic parts of Jincuo glacial lake

但在金错冰湖的东侧, 古冰碛物分布区存在一明显的U型沟槽, 且在其下游存在古泥石流堆积扇(松散物质呈扇形堆积, 但表面分布有较多的辫状水系, 说明该泥石流堆积体年代久远), 证明金错东侧或者与其同一流域的北侧沟谷中存在1个古冰湖; 该冰湖发生溃决后, 在其下游部位形成U型沟槽和扇形堆积体。

同样, 利用2013年获取的研究区RapidEye图像, 进行了印达普错冰湖特征要素及其上、下游部位的解译。从图5可以清晰看到, 印达普错冰湖现存水体的周边存在一个明显的古湖岸阶地及湖岸线特征; 其前缘的终碛垄被破坏, 分布有明显的冲沟拉槽和U型溃口; 冰湖下游部位分布有呈高反射亮度和粗糙颗粒状纹理特征的新鲜泥石流堆积体, 并沿沟谷向下游方向流动约6.5 km。

图5 印达普错冰湖RapidEye图像及特征部位Fig.5 RapidEye image and characteristic parts of Yindapucuo glacial lake

2.3 多时相分析

对比1982年前后获取的覆盖金错冰湖区域的MSS图像(1977年)和TM图像(1993年)可以看出, 1977―1993年间, 金错及其下游的地形地貌改变不大, 除了在冰湖后缘冰川退缩引起的冰湖面积稍有增大外, 金错冰湖前缘及两侧的水体位置和范围未见明显变化, 没有明显的迹象能显示1977―1993年期间曾发生过冰湖溃决泥石流(图6)。

图6 金错冰湖及其下游地区2个时相图像对比Fig.6 Comparison between 2 phase images of Jincuo glacial lake and its lower reach area

同样, 利用印达普错冰湖区域1976年获取的MSS图像和1989年获取的TM图像(图7), 通过解译和计算可以发现, 在1976―1989年间, 印达普错冰湖的水位明显降低, 水体前端退缩, 覆盖范围变小, 面积由1976年的0.92 km2缩减为1989年的0.68 km2, 湖面水体表面高程由5 196 m降为5 170 m。对溃决后的印达普错冰湖进行估算, 湖水的涌出量在1 600万m3以上; 其泥石流堆积体的范围甚至沿沟谷往下游方向流动了6 500 m。综合上述分析结果可知, 印达普错冰湖在1977―1989年间发生过大规模的冰湖溃决泥石流事件。

图7 印达普错2个时相图像对比Fig.7 Comparison between 2 phase images of Yindapucuo glacial lake

2.4 野外实地调查

2014年在开展典型冰湖溃决泥石流调查期间, 笔者曾分别前往金错和印达普错进行了野外实地调查, 获取了有关冰湖溃决的第一手资料。经现场调查发现, 组成金错冰湖坝体的冰碛垄由较大砾径的块石堆构成, 只分布有较浅的水流冲刷沟道, 不存在大型侵蚀沟槽, 其下游沟道分布有碎石土夹较大砾径的块石(图8)。

图8 金错冰湖下游的终碛垄完整(实地拍摄于2014-08-25)Fig.8 Complete moraine dam in downstream of Jincuo glacial lake

印达普错冰湖坝体则被泥石流侵蚀成U型沟槽, 下游沟道有长达6.5 km的泥石流堆积体(图 9)。

图9 印达普错冰湖下游的溃坝沟槽(左)和泥石流堆积体(右)(实地拍摄于2014-08-27)Fig.9 Outburst groove(left) and debris flow fan(right) in downstream of Yindapucuo glacial lake

野外实地调查结果表明, 近期金错没有发生冰湖溃决泥石流事件, 其下游沟道部位的古冰碛物侵蚀沟槽乃是古冰湖溃决泥石流事件所形成; 而印达普错冰湖近年真正发生过规模巨大的冰湖溃决泥石流灾害。对当地居民的调查访问也证实了这一点。因此本文慎重肯定, 1982年在定结县发生冰湖溃决泥石流灾害的是印达普错冰湖, 而不是金错冰湖。

综上所述, 通过对印达普冰湖溃决泥石流与金错冰湖的高分辨率遥感图像解译及多时相遥感图像长时间序列动态变化分析, 本文认为相关学者(徐道明等[10]、吕儒仁等[11]、杨针娘等[12]、程尊兰等[16]、王欣等[22]、崔鹏等[20]、乐茂华等[23])发表文献中记载的“ 金错在1982年发生溃决, 形成冰湖溃决泥石流” 的信息有偏差, 实际上应是印达普错发生了冰湖溃决泥石流灾害, 特此真诚地提出更正建议, 与诸位学者商榷。

3 结论

通过对研究区金错和印达普错2个冰湖区域的高空间分辨率和多时相遥感图像解译, 结合野外实地调查验证资料, 得到以下结论:

1)位于定结县萨尔乡的金错冰湖(湖口地理坐标为E87° 38'45.05″, N28° 11'30.29″)近期没有发生溃决泥石流灾害, 其下游地区形成的深切沟槽是已经消失的古冰湖发生溃决时侵蚀古冰碛物形成的, 为典型的古冰湖溃决泥石流事件。

2)1982年在定结县发生的“ 掩埋8个村庄, 大片农田和冲走1 600头牲畜” 的冰湖溃决泥石流/洪水灾害乃是由印达普错冰湖(湖口地理坐标为E88° 00'13.47″, N27° 56'27.31″)溃决造成的, 而不是由金错冰湖发生溃决造成的。本文特提出对以往失实信息的更正建议。

3)通过建立遥感解译标志, 高空间分辨率和多时相遥感图像可有效地用于冰湖溃决泥石流和冰湖溃决洪水调查。

4)西藏地区冰湖数量众多, 利用遥感图像可以识别出那些已发生过冰湖溃决但没有文献记载的古冰湖溃决泥石流事件。

The authors have declared that no competing interests exist.

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