说到洪水，很多人脑海中会出现由于强降雨引发的地表水位急剧上升，从而导致大量的房屋、农田等被淹没的自然灾害现象，这种被称之为暴雨洪水，它们主要威胁大江大河的中下游地区。以长江中下游地区为例，在1870、1931和1998年曾多次发生水灾, 仅1931年间发生的水灾就导致200万人的死亡（图1）。1953年，世界上流量最高的亚马逊河发生了有记载以来最大的暴雨洪水水灾，流量高达3.7×10^5m³/s，也因为洪水的频繁发生导致该地区人口稀少（图2）。
↑ 图1 1931年洪水期间武汉的街头，市民们站在水里做生意。
↑ 图2 2012年巴西亚马逊地区的城市遭受严重的洪水
除了上文所提到的暴雨洪水之外，还有一种因自然或者人为存储的水体突然释放而引发的洪水，称之为溃决洪水。1918年10月12日，由于火山作用引发的冰下溃决洪水，冰岛发生了历史上最大的溃决洪水（图3），洪峰流量估为2.75x10^5 m³/s。1841年印度河的滑坡堵江溃决洪水，虽然有人估计为5.4×10^5m3/s，但是这次洪水的具体时间还存在争议，并且多数估算的洪水量较小，为1.1×10^5m3/s（图4）。从已有的记载来看，溃决洪水最大的洪峰流量略小于暴雨洪水，但是这种洪水发生地往往本身的流域面积较小，溃决洪水的流量会至少高于暴雨洪水一个数量级，甚至两个数量级，是所在地区面临的主要洪水灾害（图5）。例如，1933年叠溪地震堰塞湖溃决洪水造成的死亡人数在2500~4000之间，这相当于地震本身造成的死亡人数（约7000人）的一半。2021年的印度查莫利(Chamoli) 地区发生的冰岩崩堵江而引发的溃决洪水造成了70人死亡，134人失踪，并且摧毁了两座水电站。
在2000年到2015年期间 暴露于洪水的人口数量总计增加了20% ，因为山区人口的增加更为迅速，使得暴露于溃决洪水人口增速达到了177%。随着未来人类对山区开发的增强，必然会遭受到更多的溃决洪水威胁。为了更好的认识溃决洪水，本文介绍了溃决洪水的主要类型、流体特征、控制因素、沉积和侵蚀证据、减灾意义等。
↑ 图3 1918年冰岛溃决洪水的模拟结果（Gudmundsson，2015）
↑ 图4 1841年印度河的滑坡堵江（Delaney 和 Evans，2011）
溃决洪水的主要类型
多种地质或人为过程会储蓄大量的水体，并且能够将其快速释放。对于溃决洪水的分类方法很多，其中依据储存水体的形态特征及其与坝体之间的关系，最有助于溃决洪水的分析。按照这一标准对溃决洪水进行分类，主要分为三类：第一，峡谷阻塞后溃决（图5a），其中既包括滑坡、泥石流、冰川和火山等自然过程，也包括人为修建的水电站，水库等。第二，注水的自然封闭盆地溢出，如构造盆地，冰上盆地，冰碛盆地等（图5b）。第三，封闭于岩层或者冰下的地下水体喷出（图5c），如火星上的地下湖，南极的冰下湖等。同一种地质过程可以形成不同类型的封闭水体，比如冰川作用，既可以阻塞河道，又可以形成冰上湖，还可以形成冰下湖（图6）。
↑ a:峡谷阻塞后溃决；b:注水的自然封闭盆地溢出；c:封闭于岩层或冰下的地下水体喷出
图5 引发溃决洪水的水体类型（周丽琴等，2019）
↑ 图6 冰川作用相关的引发溃决洪水的水体类型
溃决洪水的主要特征
溃决水流的主要特征包括大水深、高流速和极强的紊流特性。由于大量水体被迅速释放，下游的水深会急剧增加。近年来，发生于青藏高原的易贡、色东普、唐家山和白格的溃决洪水，最大水深都在几十米量级；发生在火星和地球第四纪的溃决洪水，水深可达百米级；而亚马逊河和长江的洪水仅十几米深（图7）。在已知流量最大的洪水范围内，溃决洪水最大流量超过10^7m3/s，而暴雨洪水最大的流量出现在亚马逊河和长江下游, 也仅在10^5m3/s量级，比溃决洪水小了两个数量级（图8）。
↑ 图7 火星和地球溃决洪水水深、洪峰流量与河道断面概化图（Baker, 2001）
↑ 图8 已有最大溃决洪水与暴雨洪水（O’Connor et al., 2022）
同时，溃决水流在演进过程中，由于势能和动能的变化，加之河道的束窄和转弯等局部地形变化会进一步加剧水流的紊动，使流速往往达到数十米每秒。2000年易贡溃决洪水的数值模拟结果显示，其流速超过40m/s（图9），远大于15m/s的高速水流，而落差近2.7km的雅鲁藏布大拐弯多年平均流速为8-16m/s，金沙江虎跳峡段洪水期流速也仅为6-8m/s（部分时段可能高于10m/s）。大水深和高速流的结合，使得溃决洪水在短时间内造成严重的破坏和人员伤亡。
↑ 图9 易贡2000年溃决洪水最大流速分布（吴朝华, 2022）
受溃决洪水流量呈现的先急剧上升后下降的短历时快速变化以及河道几何形态影响，下游的溃决洪水流态基本为超临界流（弗劳德数Fr>1，弗劳德数为表征流体惯性力和重力相对大小的一个无量纲参数，可用于反映水流流态；弗劳德数越大，意味着水流的平均动能占比越大），而溃口附近的水流可视为临界流（Fr=1），如图10所示：
↑ 图10 溃口及下游的洪水流态（O'Connor et al, 2022）
另外，雷诺数（Reynolds number）作为流体的流动为层流或湍流的无量纲参数，也多用于描述溃决洪水的紊动程度。其中位于北美的密苏拉溃决洪水的雷诺数达到了109（在管流中，雷诺数小于2300的流动是层流，雷诺数在2300～4000之间为过渡状态，雷诺数大于4000时的是湍流，如图11所示）：
↑ 图11 层流和湍流示意图
溃决洪水的控制因素
溃决洪水的峰值流量首要的控制因素是溃决的水量，不同类型的溃决均显示出其峰值流量与水量之间近似的线性关系（图12）。但是不同类型的坝体由于溃口发展速度的差异，同一溃决水量的情况下，洪水的峰值流量差异很大，主要取决于坝体的侵蚀系数（k）。比如，冰川坝的溃决是冰下通道的方式溃决，由于上部的冰川压力作用，通道发展相对缓慢，因此峰值流量相对较低；而人工坝相对于天然坝而言较薄，被侵蚀的速度很快，峰值流量相对较高。
对于阻塞型坝体引发的溃决洪水而言，坝体形成之前的地形同样重要，决定了溃口的最终大小，容易形成大溃口的峰值流量会更大（图13），并且可以概化为形态参数（m），其值越大时，峰值流量会更小。另外，还有一些因素也会影响到溃决洪水的峰值流量，比如入湖的流量大，导致堰塞湖的水位下降慢。
↑ 图12 溃决洪水洪峰流量与释放水量的关系（O'Connor et al, 2022）
↑ 图13 溃口地形的形态参数（Walder and O'Connor, 1997）
溃决洪水的沉积特征
溃决洪水对坝体进行强烈侵蚀，会在坝体后面快速的沉积，如果地形允许，首先会形成堆积扇，然后沿程传输过程中在河道中流速降低的位置，形成河滩是其形成的主要沉积类型。根据地形不同，主要包含五种类型的河滩（图14）：河道突然展宽，水动力减弱，下游发育扩展型河滩，该类沉积中部容易形成洼地和砂脊的相间分布；当河道转弯时，会在其凸岸形成，一般来流方向沉积物更粗；当遇到支沟时，会形成涡流，而形成涡流河滩；当支沟较窄时，可以完全堵塞支沟，也被称为拦门沙，当支沟较宽会主要分布与主河交汇的上侧；若河道中有障碍物，其背后会形成坠型滩，向下游方向粒度会变细。
溃决洪水形成的河滩会随着涨水到消退，而呈现自己独特的沉积序列，会形成从底部到顶部的6个沉积单元的序列，其依次为粗的水平层理单元、大尺度的斜层理单元、水平层理薄层单元、粉砂层单元、泥石流盖层（图15）。这些单元不一定在一个沉积序列中都出现，也不一定只出现一次，并且这些沉积单元会具有漂砾、缺失粉砂和泥、韵律性等共有的特征。河滩的沉积序列详细描述与解读可为溃决洪水的水动力反演提供重要信息。
↑ a:牵引河滩；b:点砂河滩；c:涡流河滩；d:坠型河滩
图14 溃决洪水四种类型的沉积河滩简图 （Carling, 2017）
↑ 图15 单次溃决洪水过程简化的沉积模式（Carling, 2013）
溃决洪水的侵蚀特征
认识溃决洪水的侵蚀特征同样对追索溃决洪水的历史具有重要作用。火星很多宽大河谷是突然出现的，不像地球上的河网结构那样有河流从小变大的过程。在20世纪70年代，最初发现这种现象时，科学家便认定这些河谷为溃决洪水造成的，成为火星上有水的关键证据。溃决洪水对地表的侵蚀能造成地貌短期剧烈变化，这种剧烈变化会同时产生拔蚀、空蚀、涡蚀和磨蚀等多个高效侵蚀过程（图16）。
↑ 图16 溃决洪水侵蚀方式示意图（杨泽文等, 刊印中）
总体而言，根据地貌呈现的主导因素和尺度范围，宏观上可将溃决洪水侵蚀地貌分为大、中两种尺度地貌。其中，大尺度地貌上以缺乏河网结构的深谷，直交的峡谷网，拔蚀之后留下坚硬部分的丘盆状疤地（The Channel Scabland）和流线岛为典型（图17）；中尺度地貌则包括突然出现的圆头峡谷以及数米的壶穴（图18）。
↑ 图17 大尺度地貌。a为深谷；b为丘盆状疤地；c为火星峡谷网；d为流线岛或丘（杨泽文等， 刊印中）
↑ 图18 中尺度地貌。a为跌水瀑布；b为圆头峡谷；c为壶穴（杨泽文等，刊印中）
古洪水重建一般利用洪水的痕迹或者沉积物的位置来确定过水断面而实现，该方法称之为溢满模型（Brim-full model）。但是，溃决洪水在行洪过程中的强烈侵蚀作用会造成过水断面的突变，溢满模型并不适用（图19）。因此，有研究提出了临界剪切模型（Threshold shear stress model），该模型利用了体现溃决洪水剪切力的参数来进行洪水重建，比如搬运过的最大砾石、基于岩体裂隙概化出的岩块大小。在密苏拉地区，利用该模型重建的洪峰流量大为减少（图20）。
↑ 图19 溢满模型和临界剪切模型重建溃决洪水规模及差异（Perron and Venditti, 2016）
↑ 图20 考虑溃决洪水侵蚀导致受跌水瀑布后退与峡谷受侵蚀的地形和洪水水位变化的示意图（Lehnigk and Larsen, 2022）
溃决洪水与防洪标准
现行的防洪标准（GB 50201-2014）中规定了需要防护对象的洪水重现期（即发生的概率），比如水库工程的防洪标准见表2。但是关于洪水重现期的计算（水利水电工程设计洪水计算规范（SL 44-2006）），却仅依据暴雨汇流的结果来计算，没有体现出溃决洪水的危害。比如，川藏公路318上的通麦大桥，被2000年的易贡溃决洪水摧毁，2001年修建的临时保通桥的墩高31.5m，便是按照暴雨洪水的标准设计；2015年底开通的新的通麦大桥，按照溃决洪水标准设计，墩高59.5米（图21）。不同成因洪水下的通麦大桥的高度对比，生动体现了在山区的很多地方的溃决洪水规模会远大于暴雨洪水。因此，在山区制订防洪标准时，应综合考虑多成因的洪水。
表2 水库工程水工建筑物的防洪标准
↑ 图21 通麦大桥不同防洪标准下的桥面高度
参考文献：
吴朝华. 雅鲁藏布江溃决洪水特征及重建研究[D].中国科学院大学, 2022, 博士毕业论文，北京.
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来源：中科院地质地球所
作者：刘维明、杨泽文
编辑：诸鹏飞
审核：盛捷