作者：劉維明1,2楊澤文1

單位：

1 中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所

2 中國-巴基斯坦地球科學研究中心

說到洪水，很多人腦海中會出現由于強降雨引發的地表水位急劇上升，從而導致大量的房屋、農田等被淹沒的自然災害現象，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。以長江中下游地區為例，在1870、1931和1998年曾多次發生水災, 僅1931年間發生的水災200萬人的死亡（圖1）。1953年，世界上流量最高的亞馬遜河發生了記載以來最大的暴雨洪水水災，流量高達3.7×105m3/s，也因為洪水的頻繁發生導致該地區人口稀少（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年巴西亞馬遜地區的城市遭受嚴重的洪水

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的水體突然釋放而引發的洪水，稱之為潰決洪水。1918年10月12日，由于火山作用引發的冰下潰決洪水，冰島發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，雖然有人估計為5.4×105m3/s，但是這次洪水的具體時間還存在爭議，并且多數估算的洪水量較小，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，但是這種洪水發生地往往本身的流域面積較小，潰決洪水的流量會至少高于暴雨洪水一個數量級，甚至兩個數量級，是所在地區面臨的主要洪水災害（圖5）。例如，1933年疊溪地震堰塞湖潰決洪水造成的死亡人數在2500~4000之間，這相當于地震本身造成的死亡人數（約7000人）的一半。2021年的印度查莫利(Chamoli) 地區發生的冰巖崩堵江而引發的潰決洪水造成了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量總計增加了20% ，因為山區人口的增加更為迅速，使得暴露于潰決洪水人口增速達到了177%。隨著未來人類對山區開發的增強，必然會遭受到更多的潰決洪水威脅。為了更好的認識潰決洪水，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、減災意義等。

圖3 1918年冰島潰決洪水的模擬結果（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

多種地質或人為過程會儲蓄大量的水體，并且能夠將其快速釋放。對于潰決洪水的分類方法很多，其中依據儲存水體的形態特征及其與壩體之間的關系，最有助于潰決洪水的分析。按照這一標準對潰決洪水進行分類，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，水庫等。第二，注水的自然封閉盆地溢出，如構造盆地，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 引發潰決洪水的水體類型（周麗琴等，2019）

圖6 冰川作用相關的引發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、高流速和極強的紊流特性。由于大量水體被迅速釋放，下游的水深會急劇增加。近年來，發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；發生在火星和地球第四紀的潰決洪水，水深可達百米級；而亞馬遜河和長江的洪水僅十幾米深（圖7）。在已知流量最大的洪水范圍內，潰決洪水最大流量超過107m3/s，而暴雨洪水最大的流量出現在亞馬遜河和長江下游, 也僅在105m3/s量級，比潰決洪水小了兩個數量級（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，潰決水流在演進過程中，由于勢能和動能的變化，加之河道的束窄和轉彎等局部地形變化會進一步加劇水流的紊動，使流速往往達到數十米每秒。2000年易貢潰決洪水的數值模擬結果顯示，其流速超過40m/s（圖9），遠大于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（部分時段可能高于10m/s）。大水深和高速流的結合，使得潰決洪水在短時間內造成嚴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的先急劇上升后下降的短歷時快速變化以及河道幾何形態影響，下游的潰決洪水流態基本為超臨界流（弗勞德數Fr>1，弗勞德數為表征流體慣性力和重力相對大小的一個無量綱參數，可用于反映水流流態；弗勞德數越大，意味著水流的平均動能占比越大），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（O'Connor et al, 2022）

另外，雷諾數（Reynolds number）作為流體的流動為層流或湍流的無量綱參數，也多用于描述潰決洪水的紊動程度。其中位于北美的密蘇拉潰決洪水的雷諾數達到了109（在管流中，雷諾數小于2300的流動是層流，雷諾數在2300～4000之間為過渡狀態，雷諾數大于4000時的是湍流，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系（圖12）。但是不同類型的壩體由于潰口發展速度的差異，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（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，通道發展相對緩慢，因此峰值流量相對較低；而人工壩相對于天然壩而言較薄，被侵蝕的速度很快，峰值流量相對較高。

對于阻塞型壩體引發的潰決洪水而言，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更大（圖13），并且可以概化為形態參數（m），其值越大時，峰值流量會更小。另外，還有一些因素也會影響到潰決洪水的峰值流量，比如入湖的流量大，導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系（O'Connor et al, 2022）

圖13 潰口地形的形態參數（Walder and O'Connor, 1997）

潰決洪水的沉積特征

潰決洪水對壩體進行強烈侵蝕，會在壩體后面快速的沉積，如果地形允許，首先會形成堆積扇，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，水動力減弱，下游發育擴展型河灘，該類沉積中部容易形成洼地和砂脊的相間分布；當河道轉彎時，會在其凸岸形成，一般來流方向沉積物更粗；當遇到支溝時，會形成渦流，而形成渦流河灘；當支溝較窄時，可以完全堵塞支溝，也被稱為攔門沙，當支溝較寬會主要分布與主河交匯的上側；若河道中有障礙物，其背后會形成墜型灘，向下游方向粒度會變細。

潰決洪水形成的河灘會隨著漲水到消退，而呈現自己獨特的沉積序列，會形成從底部到頂部的6個沉積單元的序列，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沉積序列中都出現，也不一定只出現一次，并且這些沉積單元會具有漂礫、缺失粉砂和泥、韻律性等共有的特征。河灘的沉積序列詳細描述與解讀可為潰決洪水的水動力反演提供重要信息。

a:牽引河灘；b:點砂河灘；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圖 （Carling, 2017）

圖15 單次潰決洪水過程簡化的沉積模式（Carling, 2013）

潰決洪水的侵蝕特征

認識潰決洪水的侵蝕特征同樣對追索潰決洪水的歷史具有重要作用。火星很多寬大河谷是突然出現的，不像地球上的河網結構那樣有河流從小變大的過程。在20世紀70年代，最初發現這種現象時，科學家便認定這些河谷為潰決洪水造成的，成為火星上有水的關鍵證據。潰決洪水對地表的侵蝕能造成地貌短期劇烈變化，這種劇烈變化會同時產生拔蝕、空蝕、渦蝕和磨蝕等多個高效侵蝕過程（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，根據地貌呈現的主導因素和尺度范圍，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結構的深谷，直交的峽谷網，拔蝕之后留下堅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的圓頭峽谷以及數米的壺穴（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；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斷面而實現，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烈侵蝕作用會造成過水斷面的突變，溢滿模型并不適用（圖19）。因此，有研究提出了臨界剪切模型（Threshold shear stress model），該模型利用了體現潰決洪水剪切力的參數來進行洪水重建，比如搬運過的最大礫石、基于巖體裂隙概化出的巖塊大小。在密蘇拉地區，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模及差異（Perron and Venditti, 2016）

圖20 考慮潰決洪水侵蝕導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）

潰決洪水與防洪標準

現行的防洪標準（GB 50201-2014）中規定了需要防護對象的洪水重現期（即發生的概率），比如水庫工程的防洪標準見表2。但是關于洪水重現期的計算（水利水電工程設計洪水計算規范（SL 44-2006）），卻僅依據暴雨匯流的結果來計算，沒有體現出潰決洪水的危害。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年修建的臨時保通橋的墩高31.5m，便是按照暴雨洪水的標準設計；2015年底開通的新的通麥大橋，按照潰決洪水標準設計，墩高59.5米（圖21）。不同成因洪水下的通麥大橋的高度對比，生動體現了在山區的很多地方的潰決洪水規模會遠大于暴雨洪水。因此，在山區制訂防洪標準時，應綜合考慮多成因的洪水。

表2 水庫工程水工建筑物的防洪標準

圖21 通麥大橋不同防洪標準下的橋面高度

參考文獻：

1. 吳朝華. 雅魯藏布江潰決洪水特征及重建研究[D].中國科學院大學, 2022, 博士畢業論文，北京.
   

2. 楊澤文，吳兵兵，劉維明*，楊安娜，李雪梅，王昊，阮合春，周燕蓮．高能潰決洪水侵蝕機理與地貌效應研究進展. 地球科學，刊印中.

3. 周麗琴，劉維明，賴忠平，王昊，曹廣超. 河流堰塞的地貌響應. 第四紀研究，2019, 39(2): 366-380.

4. Baker, V. R. Water and the Martian landscape. Nature, 2001, 412: 228-236.

5. Carling, P.A. Freshwater Megaflood sedimentation: What can we learn about generic processes? Earth-Sci. Rev., 2013, 125: 87-113.

6. Carling, P.A. Catastrophic Deposition of Gravel from Outbreak Floods, Gravel‐Bed Rivers, 2017.

7. Gudmundsson, M.T., Chapter 56 - Hazards from Lahars and J?kulhlaups, in The Encyclopedia of Volcanoes (Second Edition), H. Sigurdsson, Editor. 2015, Academic Press: Amsterdam. p. 971-984.

8. Delaney, K.B. and S.G. Evans, eds. Chapter 7 Rockslide Dams in the Northwest Himalayas (Pakistan, India) and the Adjacent Pamir Mountains (Afghanistan, Tajikistan), Central Asia. Natural and Artificial Rockslide Dams, ed. S.G. Evans, et al. 2011, Springer Berlin Heidelberg.

9. Lehnigk, K. E., & Larsen, I. J. Pleistocene Megaflood Discharge in Grand Coulee, Channeled Scabland, USA. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 2022, 127(1), e2021JF006135.

10. O’Connor, J. E., Clague, J. J., Walder, J. S., Manville, V., and Beebee, R. A. 6.36 - Outburst Floods, in Shroder, J. F., ed., Treatise on Geomorphology (Second Edition): Oxford, Academic Press, 2022, p. 765-819.

11. Perron J T, J G Venditti. Megafloods downsized. Nature, 2016, 538: 174-175.

12. Van Dyke, M., and White, F. M. An Album of Fluid Motion. ASME. J. Fluids Eng., 1982, 104(4): 542–543.

13. Walder, J. S., & O'Connor, J. E. Methods for predicting peak discharge of floods caused by failure of natural and constructed earthen dams. Water Resources Research, 1997, 33: 2337-2348.

美編：趙茹昕

校對：劉淇郡 江淑敏