雪崩災害防治研究進展及展望

郝建盛，李蘭海

（1.中國科學院地理科學與資源研究所陸地表層格局與模擬院重點實驗室，北京 100101；2.中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國科學院伊犁河流域生態系統研究站，新疆 新源 835800；4.新疆干旱區水循環與水利用重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；5.中國科學院中亞生態與環境研究中心，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

雪崩與滑坡、泥石流和冰崩類似，是一種由重力驅動的地表流。雪崩是塑造山地地形地貌和影響山地生態系統的原動力之一［1-2］。而對活動于積雪覆蓋山區的人類而言，雪崩是威脅人類活動的一種常見的自然災害。雪崩具有潛在性、突發性、難以預測性、破壞力巨大等特點，經常造成山區基礎設施破壞和人畜死傷，從而阻礙山區社會和經濟的可持續發展［1，3-5］。世界上雪崩災害的最早記錄可以追溯到公元前327年亞歷山大大帝遠征軍在穿越興都庫什山時，雪崩襲擊戰馬和士兵導致遠征軍蒙受重大損失［6］。直至當今，人類在山地活動依然受雪崩嚴重侵擾，2009—2019年僅在亞洲高山區雪崩直接致死的人數就超過1 500人［7］。中國地域寬廣，雪崩分布南北跨越25個緯距，東西橫貫50個經距［3］。雪崩活躍于我國天山、喜馬拉雅山、祁連山、橫斷山、念唐古拉山等，對我國的交通和能源輸送干線、礦區、牧區、旅游區、邊防軍事區都造成過嚴重傷害（表1）。雪崩不僅導致交通干線癱瘓和季節性關閉，而且能夠破壞油氣管道和電力干線，導致能源斷供。因此如何對雪崩進行有效的防治成為高寒山區自然災害治理的重點之一，也是山地發展中迫切需要解決的問題。

表1 中國境內不同承災體的典型雪崩災害事件Table 1 Typical avalanche disaster events of different disaster bearing bodies in China

為了防治雪崩災害，我國曾多次開展對西藏、四川、甘肅、云南和新疆地區的雪災害重點區域調查和研究，尤其在天山公路建設和第一次青藏高原科學考察等國家重大需求項目的研究過程中，我國的雪崩研究得到長足的發展［3］。其中謝自楚和王彥龍等在中國青藏高原和天山對雪崩的形成和防治等開展了先驅和原創性研究，并就雪崩的影響因素進行系統的論述［1，3］。為了減緩雪崩對人們生命安全威脅和社會經濟發展的阻礙，瑞士、美國等都設有專門的雪崩研究機構。經歷過去60年世界各雪崩研究機構的理論研究和工程實踐，在雪崩的影響因素和區域規律、雪崩的形成與運動機理、雪崩監測預警、雪崩風險評估和雪崩工程防治等取得顯著的進展。

1 雪崩的影響因素和區域規律

雪崩的發生是在一定的地形和天氣等條件的組合下山坡積雪被活化和失穩引起的，該過程受氣候、地形、積雪特征等多種因素影響［8-12］。目前將影響雪崩活動的影響因素概括為三類：第一類為不隨時間顯著變化的影響因素，如山坡坡度、山坡地表特征等；第二類為導致積雪穩定性變化的外界自然條件，如降雪、降雨、地震、風等；第三類是積雪本身的物理特征，如積雪密度、雪層剪切強度、積雪濕度、積雪硬度、雪粒徑等。各類因素對雪崩的形成和運動的影響已經被人們逐步認識和深入了解［8-12］。

不同氣候和積雪物理特征條件下雪崩活動特點呈現顯著差異［13-14］。為了積雪雪崩研究和雪崩預警防治項目的需求，“雪氣候”的概念被廣泛用于描述區域積雪特性并為雪崩發生條件提供背景［13-14］。雪氣候被分為三種類型：海洋性雪氣候，過渡性雪氣候和大陸性雪氣候［13-14］。海洋性雪氣候具有相對較暖的溫度、多云的天空、持續的大雪等特點，導致積雪密度高，雪層溫度梯度低，雪晶體變質發育慢，難以形成持續的脆弱層［13，15-16］。青藏高原東南部山區（南和東喜馬拉雅山，念唐古拉山東段，橫斷山和易貢藏布山等）［3］，美國內華達山脈［13］，加拿大海岸山脈［15］以及日本海沿海山脈［16］均屬于海洋性雪氣候。該雪氣候區域雪崩大多發生在暴風雪之后，因此海洋性雪氣候雪崩監測預警主要依靠天氣觀測來評估暴風雪雪崩的可能性和嚴重性［14］。大陸性雪氣候具有相對低的氣溫，較少的降雪，高溫度梯度的雪場，導致積雪密度和含水率相對低，積雪發育快并且易形成持久脆弱層［14，17］。大陸性雪氣候積雪相對于海洋性雪氣候積雪力學強度低，雪層結構松散，雪粒之間的鏈接弱，所以相對于海洋性雪氣候區，大陸性雪氣候區雪崩易被觸發，并且發生規模和破壞力總體上相對較小［7，13］。典型的大陸性雪氣候區域有天山山脈，昆侖山、阿爾金山、祁連山和阿爾泰山［1，3-4］，北美洛基山脈［14］和西喜馬拉雅山脈［18］。過渡性雪氣候的特點是降雪量大，溫度低于海洋性雪氣候而高于大陸性雪氣候，持久脆弱層會持續一周或一個月左右［13-14］。具有過渡性積雪氣候的山脈包括青藏高原東北部山區（巴顏喀拉山，唐古拉山東段等）［3］，加拿大的哥倫比亞山脈［15］和歐洲阿爾卑斯山的大部分地區［19-20］。

2 雪崩的形成與運動機制

雪崩的形成源于山坡積雪易斷裂雪層在內外動力耦合作用下的破壞。不同地形、天氣、雪場條件下易斷裂雪層的內外動力耦合方式和易斷裂雪層剪切壓縮破壞過程呈現不同，造成雪崩形成機制和釋放方式顯著差異［21-24］。根據不同的研究和雪崩防治工程需要，基于雪崩的誘發因素、雪崩規模、雪崩發生地形、雪崩形態等形成多種分類系統逐漸被發展［10，17，25］。隨著學術研究交流和雪崩防治實踐的需求，目前常用的雪崩分類系統根據雪崩形態特征和積雪物理特征展開分類，這兩種雪崩分類系統簡單并且便于雪崩的研究從而廣泛被學者應用。根據雪崩發生時山坡積雪斷裂面，雪崩一般被分類為全層雪崩和表層雪崩［10，17，26］。根據雪崩始發區積雪含水率，雪崩分為干雪崩和濕雪崩［8，19］。兼顧積雪滑動面位置與積雪含水率，雪崩被劃分為全層干雪崩、全層濕雪崩、表層干雪崩和表層濕雪崩四種類型用于野外記錄和研究認識［17，27］。

由于干雪的密度、濕度、剪切強度等物理特征穩定，目前通過野外觀測結合室內實驗對干雪崩的形成機制具有較為系統的認識［22-23，28-30］。表層干雪崩的形成可概括為如下5個階段：雪層剪切壓縮斷裂—雪層初始裂隙形成—裂隙橫向擴展—裂隙貫穿和斷裂雪塊形成—斷裂雪塊下滑［30］（圖1）。濕雪崩主要多發在氣溫相對較高的時期，它的形成多由于氣溫升高造成雪表面融雪水滲流，導致易斷層積雪含水率增大引起底部積雪的剪切強度減弱，導致易斷層抗剪強度變弱引起的［21］。由于積雪處于高含水率狀態，積雪的各項物理特征都不穩定并且各個物理特征關系呈現非線性［31-32］，導致其野外難以觀測和相關實驗非常復雜，所以關于濕雪力學特性研究比較匱乏，造成對濕雪崩形成機制的認識相對停滯。

圖1 表層干雪崩形成的過程Fig.1 Formation process of surface-layer dry avalanche

不同積雪、土壤和天氣環境下，雪層斷裂破壞的機制呈現明顯差異導致不同類型雪崩的形成機制呈現不同［10，17，21］。不同內外動力耦合作用下雪層斷裂破壞模式的不同導致破壞后的山坡積雪釋放過程也呈現差異。基于野外觀測，多數雪崩從形成到釋放包含誘發雪層剪切壓縮破壞、裂隙擴展、斷裂積雪差異性滑動、積雪加速滑動、積雪滯留和停滯滑動等多個過程［33-34］。通過室內實驗和數值模擬對雪層破壞后雪場應力重分布、裂隙擴展、斷裂積雪差異性滑動、積雪加速滑動、積雪滯留和停滯滑動等過程已有大量研究［30，33-34］。然而由于自然中驅動雪層斷裂的外動力源多樣化，以及不同雪氣候和環境情景下誘發雪層破壞的內外動力耦合機制差異顯著［13-14］，造成多種誘發因素誘發不同條件雪場雪層破壞的誘發機制難以系統闡明，這阻礙了基于雪崩動力學構建雪崩預警模型的發展。系統認知不同雪氣候下雪層破壞的誘發機制，然后結合雪崩的形成和運動機理將能構建不同雪氣候下完整的雪崩動力學體系，為雪崩預警模型構建奠定基礎，這也是未來雪崩預警和防治工作中迫切需要開展研究的內容。

3 雪崩監測預警

雪崩預警是特定時間和空間內，在誘發情景和特定觸發條件下給出山坡積雪穩定性的預報［35］。目前雪崩預警主要有兩種方式：第一種是依據經驗統計模型確定區域雪崩的降雪量、氣溫變化等誘發條件預警雪崩［36-39］；另一種為通過觀測或模擬獲取積雪物理特性結合雪崩形成機理計算山坡積雪的穩定性從而預警雪崩［40-44］。自然界多數雪崩是由于降雪誘發形成，對于由降雪誘發雪崩而言，降雪量是雪崩預警最有效的參數。Atwater［45］統計認為在北美地區當降雪時降水量超過25 mm將很有可能誘發雪崩。Perla［38］統計認為在美國猶他州由于降雪導致新雪厚度超過30 cm同時降水強度超過2.5 mm·h-1時，雪崩極有可能發生，而在科羅拉多州地區新雪厚度超過30 cm同時降水強度超過1.3 mm·h-1時，雪崩可能被誘發。在中國天山鞏乃斯河谷區域，降雪誘發的雪崩中有75%發生在降雪量超過20 mm之后［4］。雪層抗剪強度模量對溫度的變化最為敏感，并且氣溫劇增造成融雪下滲改變雪場的穩定性，所以溫度條件被應用于預警氣溫劇增誘發的濕雪崩［19，46］。Romig等［39］基于溫度參數構建雪崩預警模型對雪崩預警，預警模型整體的準確率達到75%，但對雪崩日的虛假誤報達到80%。由于不同區域的積雪特性具有明顯的差異，不同區域誘發因素對雪崩形成的影響也顯著不同。依賴于誘發因素和積雪條件的雪崩預警模型具有顯著的時空局限性，并且缺乏資料地區很難獲得誘發雪崩條件參數。

雪崩的形成起源于易斷雪層的剪切壓縮破壞，因此通過獲取易斷雪層的抗剪強度與所受剪切應力的比值評估山坡積雪穩定性被應用于預警雪崩［42-44］。目前許多研究通過實時觀測山坡積雪物理特性評估積雪穩定性從而預警區域雪崩，并取得顯著的成效［41-44］。通過實時觀測積雪力學參數預警雪崩相對可靠，但由于實際觀測中需要在雪崩易發點或其附近進行實時觀測，較高的雪崩風險導致該種雪崩預警操作很難實現，并且對于雪崩預警人員的專業素養要求高。為了克服在雪崩風險區實時監測積雪穩定性的危險，許多積雪模型被發展以達到通過模型模擬獲取實時的積雪物理特征參數，計算山坡積雪穩定性。目前積雪模型有CROCUS模型［47］和SNOWPACK模型［48-50］等，其中SNOWPACK模型應用較為廣泛。積雪模型的核心是獲取積雪物理特征參數，而無法直接獲取雪崩動力學參數和山坡積雪滑動面位置等。目前基于積雪模型獲取積雪物理參數判斷山坡積雪穩定性的方法僅考慮雪層剪切壓縮破壞，未考慮雪崩運動等其他物理過程，因此使用該類方法預警具有明顯的時空局限性。因此，基于包含誘發雪層剪切壓縮破壞、裂隙擴展和裂隙貫穿等多過程雪崩形成和運動機制的雪崩預警模型需要逐步建立和發展，并且雪崩形成和運動機制亟須進一步明晰。

4 雪崩風險評估

雪崩風險評估是雪崩風險管理的基礎，是雪崩防治、土地利用規劃和道路選線等工程設計必不可少的環節。對雪崩風險系統分析和評估編制雪崩風險圖集將有助于高寒山區交通規劃管理、土地資源利用和礦山建設規劃，是高寒山區資源開發和區域發展的基本科學依據。針對不同的保護目標，一般通過點-線-面三個層次評估雪崩風險服務于防災減災和基礎設施建設。點層面的雪崩風險評估主要針對山區民居點、重點路段、礦山、營地和野外滑雪場等，一般通過計算個體雪崩的最大拋程、發生頻率等來評估雪崩危險并疊加受威脅目標的暴露度和敏感度來實現雪崩風險評估［51］。線層面的雪崩風險評估主要針對交通廊道、油氣管線等，通過計算沿線雪崩的規模和頻率來評估雪崩危險，結合對受威脅目標的影響實現雪崩風險評估［52-53］。區域層面的雪崩風險評估主要針對農牧場區等，通過計算區域雪崩的分布和規模來評估雪崩危險，并結合對受威脅目標的影響實現雪崩風險評估，從而幫助合理規劃區域［54］。在雪崩風險評估中，雪崩造成的損失通常直接用貨幣單位來量化。損失價值等于將物體恢復到災難發生前的狀態所需的財務成本。雪崩不但直接對基礎道路、油氣電管網等承災體造成損害，而且雪崩能夠長時間切斷道路、電、油氣管網等造成嚴重的間接損失，甚至比雪崩造成的直接損失更加嚴重。間接損失往往在雪崩評估損害時被忽略，所以在雪崩風險評估中如何量化雪崩造成的間接損失值得在未來研究中深入探討。

雪崩的危險評估是雪崩風險評估的基礎和核心（圖2）。目前常用以下五種方式評估雪崩的危險。第一種為雪崩活動歷史資料分析法，這種方法基于雪崩的報告、目擊者陳述和過去雪崩事件的編年史統計分析。該方法能確定雪崩事件頻率，還可以提供有關雪崩的誘發因素、活動范圍、規模和損害情況，然而歷史資料通常是不完整的或者空白，而且在表述上往往是主觀的。第二種為地形和林地環境形態法，該種方法是基于雪崩發生時形成的固定地形和地貌以及對樹木造成的損傷來反演雪崩的頻率和規模。目前基于樹木年輪的變化反演雪崩發生頻率，從而構建雪崩時序來揭示雪崩對氣候變化的響應已被廣泛研究［55］。第三種為野外觀測和統計法，該種方法首先通過野外對雪崩的特征進行詳細勘測，然后進行統計分析獲得雪崩危險度［56-57］。該方法相對比較嚴謹和可靠，但是觀測人員在野外觀測具有高的雪崩風險。中國科學院天山積雪與雪崩研究站對天山鞏乃斯河谷開展了系統的雪崩特性調查，并比較不同類型的雪崩危險［27］。第四種為數值模擬法，該方法基于大量雪崩模型模擬提供關于特定情況下雪崩發生的概率和規模。該種方法多用于在確定情況下雪崩危險評估［54］。第五種為專家打分法，該方法是基于雪崩專家通過經驗對雪崩危險的評估［58］，通常用于驗證或反駁其他方法的結果。

圖2 以風險管理為基礎的雪崩危險和風險的分析、評估和概念介紹模型圖Fig.2 Diagram of the model of analysis，assessment and conceptual presentation of avalanche hazards and risks as a basis for risk management

5 雪崩工程防治

為了減少雪崩風險，人類不斷摸索對雪崩的防治，雪崩的預警和工程防治技術也隨之不斷發展。目前國內外通過不斷的工程實踐和探索，形成了穩（穩雪格柵、穩雪墻、穩雪土階等）、防雪崩走廊（導雪堤、渡雪槽等）、緩（消能土錐、消能坑、破雪堤等）和擋雪壩等四類雪崩工程防治類型［3，20，59］，相關的研究成果在天山公路、滇藏公路和川藏公路等廣泛使用并取得良好成效［3，59］。另外隨著隧道的技術快速發展，許多雪崩危險區得到有效規避從而極大降低道路雪崩危害。然而，在高寒區越嶺隧道的發展中也出現亟需雪崩防治問題，如我國獨庫公路哈希勒根隧道口、派墨公路多雄拉隧道口、烏茲別克斯坦安琶鐵路隧道［60］等都有報道雪崩回填和沖擊隧道口；吉爾吉斯斯坦高克阿爾特山公路隧道由于洞口明洞無法抵抗高速度、大體積的雪崩出現災害事故等。同時，隨著山區社會經濟快速發展，高起點、高標準、高質量的道路等基礎工程對雪崩防治的效果和標準不斷提高。因此，目前不僅局限于研究防護工程對雪崩形成和運動過程的影響，也逐漸重視雪崩對受災體防護結構的作用，即綜合考慮雪崩與受災體防護結構之間的相互作用機理，進而設計高效安全的雪崩防護體系。然而由于雪崩運動機理和成災致災機制等關鍵科學問題未明晰，雪崩運動速度、雪崩流高度、雪崩堆積體體積、雪崩拋程、雪崩沖擊力等與工程防護設計的關鍵雪崩動力學參數難以精確獲取，限制高效的雪崩防護體系的構建和設計。

6 雪崩研究展望

6.1 氣候變化對雪崩活動的影響和思考

雪崩的活動受積雪特性、降雪和溫度變化的直接影響，因此氣候變化背景下積雪、氣溫和降雪的變化將對山區雪崩時空活動產生顯著影響［5，61-63］。明確氣候變化下區域雪崩活動的變化并提出不同增溫情景下應對雪崩災害的策略，將有助于道路選線規劃、能源輸送管道和旅游區等的規劃和防護，從而減少雪崩災害的威脅，支持災害風險綜合防控需求。不同雪氣候條件下雪崩的活動特征和影響因素具有顯著差異［13-14］，所以不同氣候條件下雪崩的活動對氣候變化的響應也呈現不同。1946—2010年處于過渡性雪氣候區的法國阿爾卑斯山干雪崩發生頻率顯著減少，濕雪崩增加［65］。1774—2013年法國阿爾卑斯山的低海拔雪崩區（海拔600～1 200 m）的雪崩期縮短，雪崩數量顯著減少［64］。過渡性雪氣候的西喜馬拉雅山的中高海拔雪崩發生頻率隨著氣候變暖呈現顯著增加趨勢［5］。駐扎在喀喇昆侖山錫亞琴和拉達克東部地區的印度陸軍14軍參謀長2019年報告，近年來冰/雪崩數量增加了20%～30%，軍隊需要改變在山地駐扎部隊的標準操作程序，并增強對雪崩襲擊的防備和治理（https：//www.tribuneindia.com/news/archive/nation/globalwarming-army-s-new-foe-269523）。基于以上報道總結發現，氣候變暖背景下海洋性和過渡性雪氣候低海拔雪崩區雪崩數量逐漸減少，中高海拔山區雪崩的頻率和雪崩易發點呈增加趨勢，且濕雪崩逐漸盛行。然而，目前對于顯著高于全球同期平均增溫速率的大陸性雪氣候的天山等山區的氣候變化下雪崩頻率、規模和類型的變化認知有限。大陸性雪氣候區域積雪具有密度低、含水率低、雪層溫度梯度高，深霜發育快且持續時間長的特點，區域積雪物理特征對氣候變暖極其敏感并被觀測到氣候變暖背景下其呈現顯著變化［66-67］。從理論上講，該區域雪崩對氣候變化的響應應該非常劇烈，但目前鮮有報道。

目前基于樹輪反演和雪崩活動觀測數據分析對氣候變化下雪崩的頻率和類型變化特征［5，63，68］，但是研究中由于缺少雪崩活動對氣候變化響應機制的闡明，以至于對未來氣候變化背景下雪崩活動趨勢難以定量評估。雪崩活動對氣候變化響應機制的明晰主要受困于目前缺乏氣候變化對積雪物理特性的變化調控機制的闡明。目前基于遙感和氣象站點觀測，關于氣候變化背景下雪深、氣溫和降雪等已展開系統研究，并有了明確的認識［69-71］，但由于缺乏對山區雪場溫度梯度、積雪密度和積雪含水率等長期系統的觀測和模擬，以至于對這些積雪物理特性的變化尚不明確，區域積雪的溫度梯度和積雪密度等積雪物理特性變化對雪崩發生頻率、規模和類型的具體影響如何也難以闡明。

6.2 未來雪崩防災減災的需求和對策

隨著人類社會的發展和資源的開發利用，交通網絡、旅游區、農牧區和礦區不斷向山區拓展，暴露在雪崩風險之下的基礎設施和人口日趨增多。此外，氣候變暖也導致全球部分中高山區雪崩呈現更加劇烈的活動，雪崩的風險逐漸增強［5，64］。而目前雪崩的預警手段和對雪崩災后救援措施相對缺乏，因此未來雪崩災害事件將持續增加。尤其在我國新疆和西藏等西部地區，隨著社會經濟的騰飛和西部地區礦產能源的開發、高山旅游區的發展和擴大、交通道路等基礎建設增加和大量風、光、水電站的部署，暴露在雪崩風險之下的人類活動和基礎設施逐漸增加。目前，我國關于雪崩災害監測點少，無資料區域范圍大，本底調查工作的深度和廣度不足，導致系統的雪崩風險評估難以開展；青藏高原和天山等區域復雜艱險環境條件下內外動力耦合啟動下的雪崩災害災變與致災機理復雜，然而雪崩研究基礎薄弱，難以滿足雪崩防災減災的需求。因此，我國應該逐步加強積雪雪崩的監測，系統開展雪崩災害風險調查，查清災害本底，建立雪崩災害數據庫；聚焦重要交通廊道和重大工程安全，開展精細化的雪崩風險評估；發展天-空-地立體雪崩監測預警技術，研發雪崩災害信息感知、風險評估、風險調控、應急處置的關鍵技術，形成系統的雪崩災害防控和應急技術體系。

7 結論

雪崩是威脅高寒山區人類活動主要自然災害之一，尤其在季節性積雪山區雪崩災害頻發。在氣候變化的背景下，全球部分山區的雪崩的風險逐漸增加，雪崩對人類活動的威脅也不斷加重。如何對雪崩進行有效的防治成為保障高寒山區的社會經濟可持續發展重要主題之一。近六十年來國內外圍繞雪崩的影響因素和區域規律、雪崩的形成與運動機理、雪崩監測預警、雪崩風險評估和雪崩工程防治等開展了廣泛的研究。但由于研究對象復雜，相關積雪雪崩實驗條件苛刻，野外觀測難度大，雪崩形成機理和運動過程的研究依然任重道遠，雪崩的監測預警手段、雪崩工程防治和雪崩災后救援技術也難以滿足目前雪崩防災減災需要。未來需繼續增加野外積雪和雪崩的野外觀測，開展積雪變質發育和雪崩動力學物理實驗，揭示雪崩形成和運動機理，構建完整的雪崩動力學體系，研發、集成雪崩防治的新技術，從而推動雪崩防災減災能力的提升。

謹以此文，紀念中國雪崩研究的先驅者謝自楚先生！