亚洲水塔是指青藏高原及周边地区，被称为地球第三极。在气候变化背景下，青藏高原的环境正在发生剧烈变化。近50年来，青藏高原地区升温速率是全球的两倍，气候趋于暖湿化，使得亚洲水塔呈现整体失衡失稳的特征。鉴于亚洲水塔变化研究对我国水资源与国家生态安全的重要意义，以及第二次青藏科考在亚洲水塔变化和影响研究前沿科学问题方面取得的系列成果，“亚洲水塔失衡失稳对青藏高原河流水系的影响如何？”被评为中国科协2021年度10大对我国科学发展具有导向作用的前沿科学问题之一。近期本刊专访了中国科学院青藏高原研究所（以下简称“青藏高原所”）研究员王伟财，他们团队在亚洲水塔冰湖变化及冰湖溃决防灾减灾研究上取得了最新成果，建立了完整的冰湖溃决洪水数据库，并利用高新技术实现了冰崩和冰湖溃决灾害监测预警体系的实时化和智能化。
失衡的亚洲水塔
亚洲水塔是除极地冰盖以外全球第三大冰川聚集地，如果以海拔2500米的等高线为界，亚洲水塔的面积约400万平方公里，其中青藏高原有260万平方公里。这里雪山连绵、冰川广布、湖泊众多，经初步估算，其冰川储量、湖泊水量和主要河流出山口处的径流量三者之和发现超过9万亿立方米，相当于230个三峡水库的最大蓄水量。同时，这里还是黄河、长江、澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等10多条大江大河的发源地，滋养着流域内20多亿人口，是全球最重要的水资源区域之一，为陆地生态系统提供了最基本的水分资源。
亚洲水塔也是全球气温变化最强烈的地区之一。1960年至2018年期间，青藏高原升温率0.3-0.4℃/10年，超过全球同期平均升温率的2倍。气候剧烈变化使得亚洲水塔呈现整体失衡失稳的特征，主要表现为冰川加速退缩、冻土消融退化、径流增加以及冰崩、冰湖溃决等、滑坡、泥石流等灾害加剧等。据统计，中国境内的冰川面积由5.9万平方公里缩减至4.6万平方公里，退缩了22%；同时，冰湖数量、面积明显扩张，亚洲水塔冰湖数量从1990年的27205个增加到2018年的30121个，冰湖总面积从1806平方公里增加到2080平方公里；受冰川末端湖持续扩张和冰川融水径流量增长影响，雅鲁藏布江、印度河上游年径流量呈增加趋势，冰崩和冰湖溃决等灾害风险是当前的3倍以上，澜沧江和下游湄公河极端洪水发生频率也是当前的3倍以上。
“如果亚洲水塔发生了变化，下游地区的人怎么办？”王伟财提到冰川灾害有别于滑坡、泥石流等地质灾害，冰川是流动塑性体和气候的产物，处于不断的动态调整过程中，外部诱因及冰川自身特性都对冰川稳定性至关重要。他认为近期青藏高原及周边地区连续发生多起冰崩和冰湖溃决事件，可能预示着第三极地区冰川稳定性出现新动态。2013年7月发生在西藏嘉黎县的然则日阿错冰湖溃决，造成了人员失踪和房屋、桥梁、道路被毁，直接经济损失按当时价值计算高达2.7亿元；2016年7月发生在聂拉木樟藏布的贡巴通沙错冰湖溃决，对下游中国和尼泊尔都造成了重要影响。2021年2月发生在印度喜马拉雅山南麓的阿坎德邦冰崩事件，造成20多人死亡，200多人失踪，下游两座水电站大坝被冲毁。
因此，针对冰崩和冰湖溃决灾害开展研究和监测预警，符合区域相关国家的共同利益，这不仅对揭示气候变化背景下冰崩和冰湖溃决灾害过程具有重要的科学意义，而且对提高区域灾害风险防控能力，服务区域经济社会平稳发展具有重要的现实意义。
建立冰湖溃决洪水数据库
王伟财认为在全球变暖背景下，亟待建立完整的冰湖溃决洪水数据库，以进一步对冰湖进行危险性评估和风险管理。经过青藏高原所多年努力，对于冰湖溃决洪水的研究已形成诸多的成果，包括洪水的形成、运移等问题都得到解决，同时也形成了完善的冰湖溃决洪水灾害数据库。
王伟财介绍，在青藏高原及周边地区，冰湖溃决洪水主要分布在天山山脉、兴都库什山、喀喇昆仑山、喜马拉雅山脉、念青唐古拉山、横断山以及帕米尔高原一带，其中喜马拉雅山脉地区是世界冰碛湖溃决事件发生最为频繁的区域。20世纪以来，青藏高原及其周边地区共计发生冰湖溃决洪水277起，源自97个冰碛湖和24个冰坝湖，其中冰碛湖溃决洪水113起，冰坝湖溃决洪水164起，溃决冰湖的总数量约占冰湖数量（30121个）的0.4%，累计造成7000余人死亡。
“我们的工作主要围绕亚洲水塔进行，研究亚洲水塔正在发生的变化、造成的影响，并采取相应的措施去应对，总结起来就是变化、影响和应对六个字。”王伟财介绍道，“从2008年至今，经过十多年的共同努力，我们在工作上取得了两大进展，一是已经大体上摸清了青藏高原及周边地区冰湖的大体状态，如面积，长度、特征等基本资料，完成了所有冰湖的编目；二是完成了对潜在危险冰湖的识别。”在完成区域内冰湖的编目之后，青藏高原所利用遥感方法在时空尺度方面的优势，开展高时空分辨率的冰川稳定性的立体协同监测体系研究，确定潜在不稳定性冰川的空间分布。重点研究表征冰川稳定性和冰湖溃决关键表征参数的提取方法，从而动态识别危险性冰川和冰湖的空间分布。“在喜马拉雅地区1650个冰碛湖中，我们识别出207个非常高危险冰湖和345个高危险冰湖。有204个小型冰湖被评估为高或非常高危险，这在之前重点关注大中型冰湖的研究中几乎很少提及。”王伟财认为在同一个地区，使用不同的评估方案或许有不同的评价指标、权重和分类方法，但是对于高危和非常高危险冰湖的表达相当稳健。
调查显示，青藏高原及周边地区导致冰湖溃决的诱因呈现多样性。其中，冰-雪崩或冰川滑塌占50.1%，埋藏冰融化或管涌占23.1%，强降水或上游来水占18.5%，滑坡-岩崩导致的冰碛溃决事件占7.4%，地震诱发最少，为0.9%。因此，筛选出危险冰湖之后，并不是每个危险冰湖都需要特别注意，如一些冰湖处于无人区，即便溃决也不会照成人员或资产损失，便可以不用太多关注。还有一些冰湖虽然看似危险，但短期内只要没有触发其溃决的条件，就可以将其相应权重降低。
“筛选出危险冰湖，重建了冰碛湖溃决洪水特征后，我们会做风险评估，假若冰湖溃决，会诱发哪些其他灾害，预估其危害程度、影响范围，统计分析不同类型洪水洪峰传播时间以及传播速率等。如冰湖溃决之后到达下游村庄的时间，为下一步冰湖溃决灾害监测预警工程建设提供科学依据与参考。”
建立灾害监测预警体系
过去几十年中，青藏高原所组织开展了多次中尼边境冰湖考察研究，完成冰湖溃决灾害评估报告，并在青藏高原及周边区域共建立了五个冰湖灾害监测预警系统，以预测和预防冰湖溃决洪水。“过去很少有人做冰湖实地监测，一些检测设备也许在其他灾害预警系统里用过，但在中国还很少做。”王伟财介绍道。青藏高原所在冰湖溃决灾害监测预警体系建设中，加强了新技术新手段新方法的应用，提出了基于三新技术的星-空-地联合技术突破与方案。
樟藏布位于喜马拉雅山脉中段南坡聂拉木县波曲流域下游，沟谷两岸山地坡体陡峭，坡度达40º以上，山高谷深坡陡。樟藏布源头的冰湖溃决曾对中国和尼泊尔造成严重的社会经济损失，其未来变化倍受两国共同关注。根据西藏自治区政府的需求，第二次青藏高原综合科学考察研究队于2019年9月和2020年10月重点考察了樟藏布源头的次仁玛错和贡巴通沙错两个冰湖。
次仁玛错冰湖曾于1964年、1981年和1983年先后三次暴发大规模冰湖溃决洪水，其中1981年的冰湖溃决洪水灾害最为严重。据野外考察分析研究，此次冰湖溃决为上游阿玛次仁冰川冰崩涌浪导致溃坝引起。冰湖溃决洪峰流量达每秒16000立方米，比波曲河多年平均最大洪峰高16倍，溃决洪水沿樟藏布迅速向下推进，沿途掏蚀沟床松散物质，在樟藏布下游形成了50公里的泥石流，摧毁了河谷两岸牧场、跨越樟藏布的原707号大桥、友谊桥及附近所有建筑物。冰湖溃决洪水造成尼泊尔境内多人死亡，摧毁了尼泊尔逊科西水电站，导致长期停电和交通中断，交通路线受到长达3年的影响。
据野外考察分析研究，阿玛次仁冰川极其不稳定，在气候变暖背景下，再次导致次仁玛错冰湖溃决的危险性很高。鉴于樟藏布源头次仁玛错冰湖溃决的高风险性，2020年9月29日~11月25日，初步建立覆盖上、中、下游的次仁玛错冰湖溃决灾害监测预警体系。预警体系包括冰湖水位的实时监测、终碛垄的位移、阿玛次仁冰川和次仁玛错湖面的定时拍照、下游河道径流观测等，实时监测的数据通过卫星传输到科考办进行分析研判。
野外考察期间，科考队利用无人船开展次仁玛错冰湖湖底地形观测，获取了冰湖水储量。在冰湖侧碛垄上架设了6米监测铁塔，在铁塔上安装3套360度可旋转高清球基摄像头，从三个角度实时监测冰川、冰湖以及冰湖末端影像（照片和视频）。在监测铁塔上安装自动气象站，监测核心区的气象要素（降水量、温度、风速、风向、湿度、气压等）的变化。在次仁玛错冰湖安装了雷达式水位计，实时监测冰湖湖泊水位变化；在冰湖出水口、樟藏布流域出水口707大桥处和波曲河安装了雷达式水位计，实时监测冰湖出水口、下游流域出水口和波曲河的水位变化。在冰湖末端冰碛垄上安装2套GNSS位移监测系统，实时监测冰湖末端冰碛垄位移的变化。同时，在水位监测、GNSS位移监测、气象监测等设备上安装了北斗卫星终端，实现了数据的传输；在冰湖侧碛垄上安装了海事卫星高通量传输设备，待解决电源适配问题后，可以实现影像的远程控制和视频传输。
“对次仁玛错冰湖的监测工作我们已经做了两年，还有部分工作没有完成，今年我还会再去一趟，对一些设备做一些调试。冰湖溃决事关两国边境安危，我们是负责任的大国，有责任进一步推进冰湖溃决灾害监测预警数据实施传输和数据平台建设，加强冰湖溃决灾害监测预警，实现区域防灾减灾能力提升。”王伟财说道。
次仁玛错冰湖全景照片
构建智能化灾害监测预警示范平台
在谈到下一步科研工作安排时，王伟财介绍，未来他们将继续在代表性区域构建冰崩与冰湖溃决风险协同立体观测与示范工程。通过亚洲水塔前沿科学问题和高新技术的融合，实现代表性地点灾害监测预警的实时化和智能化，从而实现灾害发生预警功能。同时，开展未来冰川和冰湖不稳定性的预测与模拟研究，揭示未来气候背景下危险性冰川与冰湖的演化趋势与风险等级，结合潜在风险冰川和冰湖下游居民分布、旅游景区、大型基础设施（国道、铁路、输电线路、水电设施）等基础空间数据，评估冰崩和冰湖溃决灾害可能影响范围与程度。
“我们将聚焦‘气候变化影响下冰川和冰湖灾害发生机理、风险识别与工程示范’这一热点科学与现实问题，充分发挥冰川和冰湖过程观测模拟与多源遥感区域监测方面的优势，开展学科交叉与尺度融合，预期构建冰川-冰湖协同立体观测体系，获得不同冰川和冰湖的动态变化数据，阐明不稳定性冰川和冰湖异常快速变化的规律，最终建成服务国家需求和地方发展的冰崩和冰湖溃决智能化灾害监测预警示范平台，全面参与全球性自然灾害治理。”王伟财说道。
责编/马铭阳
