一、文献情况介绍

文章题目：《Modelling Glacial Lake Outburst Flood Impacts in the Bolivian Andes》

这篇文章2018年3月投稿，9月正式接收，发表在期刊Natural Hazards上。冰湖溃决（GLOF）往往会对下游地区带来巨大破坏，文章针对冰湖溃决的风险进行建模，量化其对下游地区的影响。

Natural Hazards为SCI期刊，17-18年的影响因子为1.9，所属领域为“环境科学与生态学”。

文章的引用格式：

Ioannis Kougkoulos， Simon J. Cook， Laura A. Edwards， et al. (2018): Modelling Glacial Lake Outburst Flood Impacts in the Bolivian Andes. Nature Hazards, DOI:10.1007/s11069-018-3486-6

文章的链接：

https://doi.org/10.1007/s11069-018-3486-6

文章的下载地址：

https://www.researchgate.net/publication/327745714_Modelling_glacial_lake_outburst_flood_impacts_in_the_Bolivian_Andes?_sg=PlBPMXGM9q79bbjWbbJehiLDvbv9DI4SXJr4_vYn8bZKQcBJDFPFu1d5PHWaFzgBpBtucrYkOj0JGDg

二、文章导读

玻利维亚的Andes地区在近十年冰川物质亏损十分明显。冰川退缩会在冰川末端生成冰前湖（proglacial lake），而冰前湖的溃决会对下游地区造成破坏性的后果。此前的研究表明Andes地区的冰前湖具有潜在的溃决风险，而并没有量化其影响，因此本文利用三维SPOT 6/7立体数据及其生成2m分辨率的DEM数据，进行冰湖溃决模型建模。

首先以2009年Keara（在 Cordillera Apolobamba，具体可自行百度）地区的一起实地验证过的冰湖溃决事件为例，进行模型的测试。之后将模型分别应用于Pelechuco lake（在Cordillera Apolobamba）、Laguna Arkhata和Laguna Glaciar(在Cordillera Real)，总的结果表明，如果三个冰湖都发生溃决，其会有6个村庄受其影响。敏感性分析结果表明，预计受灾人数最多约2000余人，其中Pelechuco lake和Laguna Arkhata具有非常高的溃决风险，应予以足够重视。

三、实验过程介绍

1. 地理概况

这篇文章的实验区是玻利维亚的Cordillera Oriental区域所有的冰川覆盖区，从北到南依次为：Cordillera Apolobamba，Cordillera Real ，Cordillera Tres Cruces。各个实验区的地理位置如图1所示，同时图1中还标出了具有潜在溃决风险的冰湖（由之前的文献总结得出）：

​实验区有三处典型的冰湖，这里直接引用文章的原话吧：

（1）Pelechuco Lake

Pelechuco Lake是一个具有中等溃决风险的冰湖。其围岩陡峭，具有落石的可能；此外，其距离母冰川很近（<200m），母冰川有发生冰崩的可能。这都可能引起Pelechuco Lake冰湖的溃决。

Pelechuco lake is located in the Cordillera Apolobamba (Fig.1) and, according to Kougkoulos et al. (2018), is considered a medium GLOF risk. This is due to the lake being in contact with steep (> 45°) surrounding slopes that could generate avalanches and/or rockfalls, which in turn could impact the lake and generate a displacement wave; this is the most common GLOF triggering mechanism in three diferent regions (Cordillera Blanca, North American Cordillera, Himalaya) (Emmer and Cochachin 2013). Further, the parent glacier is also in proximity (<200 m) to the lake head, raising the possibility of ice calving into the lake, also generating a displacement wave.

（2）Laguna Glaciar

Laguna Glaciar也是一个具有中等溃决风险的冰湖。其堤坝非常低（<5m）；冰湖与退缩的母冰川相链接；围岩坡度较陡，增加了落石的可能；这些因素使得Laguna Glaciar冰湖具有一定的溃决风险。

Laguna Glaciar is located in the Cordillera Real (Fig. 1). According to Kougkoulos et al. (2018), this is considered a medium-risk lake due to a visibly low dam freeboard (< 5 m), as well as the lake being in contact with the retreating parent glacier, which could calve into the lake. The surrounding steep slopes (30–45°) also raise the possibility of avalanches and/or rockfalls impacting the lake.

（3）Laguna Arkhata

Laguna Arkhata是一个具有高溃决风险的冰湖。围岩坡度非常陡峭；冰湖与退缩的母冰川相链接。主要是部分区域的坡度极其陡峭，大大提高了其溃决的风险。

Laguna Arkhata is located in the Cordillera Tres Cruces (Fig. 1). According to Kougkoulos et al. (2018), it is considered the highest risk lake. This is mostly due to the steepest slope (> 45°) surrounding the lake, capable of shedding avalanches and/or rockfalls into the lake, as well as the lake being in contact with the retreating parent glacier, which could calve into the lake. Specifcally there are numerous steep, hanging areas of glacier ice above the lake.

2. 方法

遗憾的是作者并没有给出建模方法的流程图，这里只能自己总结了。

（1）获取DEM数据

作者利用SPOT 6/7，并结合GPS数据，来生成空间分辨率为1.5米的DEM数据，同时为了减少处理过程中的误差，又将其重采样为2m。

由于一些地区存在山体阴影，由SPOT数据生成的DEM无法使用，因此作者利用30m分辨率的ASTER GDEM V2数据来补充。

（2）估算冰湖体积

目前估算冰湖体积的方法，是利用经验数据统计得到的。

上式中，Dm表示冰坝湖(ice-dammed lakes)的平均深度(mean depth)，A表示湖泊的面积。该公式的相关系数可达0.9。

上式中，Dm表示冰碛湖(moraine-dammed lakes)的平均深度(mean depth)，A表示湖泊的面积。其相关系数为0.83。

（3）估算峰值流量

估算峰值流量的计算公式为：

其中，V表示湖泊的体积。该公式可用于各类冰碛湖(moraine-dammed lakes)，包括Pelechuco Lake和Laguna Glaciar，而Laguna Arkhata这种岩坝湖（bedrock-dammed lake）也可用该公式进行估算。

（4）堤坝承载水位线和模型参数

溃决参数众多，且每个参数都有可能产生模型的蝴蝶效应。对于潜在溃决冰湖体积（potential flood volume， PFV）的计算，作者采用了Fujita(2013)提出的方法，即冰湖面积和平均深度的乘积。而冰湖溃决开始后，直到冰湖与下游地区的坡度角小于10°时才停止，我们将这个角称为俯角(depression angle)。

由于冰湖溃决的洪水排泄是非常随机的，作者采用了三种模型来描述洪水的排泄量——乐观模型（20%排泄），中立模型（50%排泄），悲观模型（100%排泄）。

另外，研究表明洪水的持续时间一般为1000~2000s，因此，作者在三种模型中分别取不同的洪水持续时间——乐观模型（1000s），中立模型（1500s），悲观模型（2000s）。

三种冰湖都是冰碛坝或岩坝，故假设其洪水流量增长至峰值与时间为线性关系。同时，有研究表明，峰值越高，洪水持续时间越长。

综上，作者将三种冰湖溃决模型描述为：

（5）冰湖溃决的过程建模

冰湖溃决模型的研究较多。目前比较成熟的模型有以下几类：

①几何模型：MSF（modified single flow, Huggel 2002）; random walk process(Mergili, 2011); MC-LCP(Watson, 2015)。这类模型只需很少的数据即可运行，但它作为一级评价是无法产生真实的洪水地图。

②其他方法：HEC-RAS 1D; HEC-RAS 2D; FLO 2D; BASE-MENT。这类模型需要更多的数据，且能够对淹没地区进行制图，实现风险评估及防灾减灾。

作者采用了HEC-RAS 2D 5.0.5，这是由于这个模型可以免费下载，下载地址：http://www.hec.usace.army.mil/

这里需要注意的是将冰湖溃决模拟为水流(clear-water flow)就可以了，不用进一步考虑一些泥石流，碎屑(debris flow)的影响。

（6）人口数据

为了评估冰湖溃决的影响，作者还加入的人口数据，人口数据的获取地址为：GeoBolivia - Infraestructura de Datos Espaciales del Estado Plurinacional de Bolivia

作者将人口数据平均到了所有住宅面积中（当然实际上人口密集程度应该是和经济成正比的）。同时通过实地调查，这里的建筑都是砖瓦结构。当洪水深度超过2m时，会严重威胁人的安全。因此作者最终进行了风险制图，分别绘制了>2m和>0m的可能淹没区域。

3. 实验结果

作者的实验包括两部分，一部分是对模型的测试，另一部分是对三处冰湖的实验。

（1）测试结果——2009 Keara GLOF

测试的结果与实际结果非常接近，这里直接上图：

（2）实验结果

实验一共有三处冰湖，这里直接给出三处冰湖的仿真结果：

①Pelechuco lake

溃决距离约12.5km，受灾人数约410（乐观）~959（悲观），受到声明威胁的人数为259（乐观）~934（悲观）。

②Laguna Glaciar

冰湖溃决所造成的受灾人数约67（乐观）~90（悲观），受到声明威胁的人数为18（乐观）~90（悲观）。

③Laguna Arkhata

溃决距离约10km，受灾人数约33（乐观）~206（悲观），受到声明威胁的人数为25（乐观）~201（悲观）。

4. 分析及讨论

（1）模型中存在的问题

模型中仅仅考虑水流（clear-water flows），而未考虑沉淀物和碎屑流（debris flow，指有20%的沉淀）；模型中的一些不确定性，比如湖泊面积、体积估算，人口分布简化。

（2）冰湖溃决GLOF的影响

三个冰湖具有不同程度的溃决风险，应予以足够的重视。模拟出的不同区域受灾情况如下图所示：

四、小结

虽然自己不太清楚地质方面的知识，不过之前有看到过别人做的非线性冰湖溃决模型，觉得这篇文章的贡献不在于模型的建立，而在于模型的分析，作者的模型构建已经简化了很多东西，但仍然得出了较准确的结论。

下一次在写模型类的SCI文章时，可以借鉴该文章的思路。提出需求——简化模型——测试模型——实验分析——结论。

最后

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