成都山地所研究生来站开展埋藏冰消融对冰碛坝溃决过程影响的试验研究

青藏高原受板块挤压隆升,地质构造复杂,表面沟壑深切、河道纵横,海拔落差极大。其表面发育有大量的冰川和冰湖,冰湖数量约占全球的13%,并集中分布于青藏高原东南缘的喜马拉雅山脉及念青唐古拉山脉。受全球变暖影响,在过去几十年中,青藏高原经历了显著的变暖趋势。据统计1961-2022年,青藏高原年平均气温增长率达0.37℃/10年,超过同期中国地表增温速率(0.16℃/10)2倍,是我国气候变暖最快的区域。随着气候变暖加剧,高原地区正在“变湿”、“变暖”,具体表现为积雪减少、冰川后退,径流增加,湖泊扩张以及水循环加强,同时气候变暖使得冻土退化,冰碛坝内埋藏冰融化深度增加,活动层增厚。这将使得冰碛湖决堤风险加大。而冰碛湖一旦发生溃决,在海拔落差剧烈的条件下,溃决过程将伴随剧烈的物质迁移和能量转换,对下游产生难以估量的损失,并有可能产生跨境泥石流灾害。根据过去的记录,自1935年以来,青藏高原至少发生过40次的冰碛湖溃决洪水事件,由于对冰湖溃决研究的较少,对冰湖溃决危险性及防灾减灾认识不清,因此冰碛湖溃决诱发的洪水或泥石流给当地居民以及政府造成了非常严重的损失。

在国家自然科学基金项目的支持下,202457日至2024816日,成都山地所硕士研究生牟芸莹来站开展埋藏冰消融对冰碛坝漫顶溃决过程影响的试验研究。试验共考虑了坝体内部冰含量、冰的融化程度、冰形态、坝体颗粒级配、坝高和坝体下游坡度6个变量。拟通过对变量的研究,揭示多因素耦合作用下,坝体内部埋藏冰对冰碛坝溃决过程的影响,并在一定程度上对冰碛坝溃决机理做出解释和揭示。此外,为了更加科学的揭示冰体对坝体结构的影响,展开了常水头渗流试验,通过冰融化对土体渗透性能得影响,侧面反映坝体内部冰体融化对内部结构的影响。

含有埋藏冰的冰碛坝溃决问题是高度复杂的多场耦合问题,不仅涉及传统的水土动力学耦合,其中还涉及到热传递及冰相变等物理过程。因此,其溃决过程与一般的滑坡坝溃决相比更加复杂。通过试验发现,埋藏冰的存在将会对冰碛坝溃决过程产生较为显著的影响:埋藏冰将通过影响坝体内部结构而影响溃决过程,并具体表现在溃决峰值流量和溃决侵蚀率上。具体来说,随着埋藏冰的增加,坝体溃决模式逐渐由漫顶溃决转化为渗流破坏+漫顶溃决这一模式。另外,随着冰的融化,溃决流量和溃决侵蚀率也呈现一定的变化规律。这些规律的发现将为未来青藏地区冰碛坝溃决防灾减灾提供一定的理论支撑。



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