Ледники в Гималаях, как и в большинстве других горных регионов мира, отступают всё быстрее из-за глобального потепления. Одним из главных последствий этого процесса становится быстрое расширение существующих и появление новых ледниковых озёр, что несёт серьёзные риски — как для водных ресурсов, так и для безопасности населения. Когда вода из такого озера высвобождается внезапно и катастрофически, прорывной паводок (GLOF — glacial lake outburst flood) способен нанести ущерб жизни и хозяйству на расстоянии сотен километров вниз по течению.
Эта угроза особенно остро проявляется в Гималаях, где число и размер ледниковых озёр быстро растёт, а с 1980-х годов фиксируется в среднем 1,3 прорывных паводка в год. Ситуация усложняется тем, что многие такие озёра расположены в трансграничных бассейнах — паводок, начавшийся на территории одной страны, может обрушиться на населённые пункты другой, что создаёт дополнительные сложности для систем раннего предупреждения, особенно в политически чувствительных регионах.
Международные руководства по оценке опасности ледниковых и мерзлотных явлений подчёркивают необходимость учитывать не только текущие угрозы, но и наихудшие сценарии, а также возможное появление новых озёр в будущем. Однако на практике подобные подходы демонстрировались крайне редко: обычно детальное моделирование выполняется только для уже известных опасных озёр, а будущие озёра, время формирования которых остаётся неопределённым, выпадают из поля внимания властей.
Группа исследователей поставила задачу показать, как можно систематически оценить угрозу от потенциального будущего озера параллельно с угрозой от уже существующих опасных озёр — на примере трансграничного бассейна реки Пойцу в центральных Гималаях.
Рисунок 1. Расположение бассейна реки Пойцу в зоне повышенного риска прорывных паводков, определённой на основе анализа 30 наиболее опасных озёр Тибета. Отмечены озёра Галонгко и Цзялунгко, рассматриваемые в этом исследовании, а также моделируемое будущее озеро, административный центр Ньялам и город Чжанму на границе Китая и Непала.
Район исследования
Анализ охватывает участок нижнего течения реки Пойцу протяжённостью около 40 км — от ледникового озера Галонгко через город Ньялам (центр уезда Ньялам, Тибетский автономный район) до границы с Непалом у города Чжанму. Перепад высот в районе исследования превышает 6000 м: от вершины Шишабангма (8027 м над уровнем моря), чьи ледниковые склоны питают Галонгко, до 2000 м в долине реки у Чжанму.
Бассейн Пойцу — тибетская часть крупного трансграничного бассейна рек Пойцу — Бхоте-Коши — Сун-Коши, вдоль которого проходит экономически важное Шоссе дружбы, соединяющее Китай с Непалом, а также расположены значительные гидроэнергетические объекты. Ранее этот бассейн был выделен как явная горячая точка трансграничной опасности прорывных паводков — за последнее столетие здесь зафиксировано не менее шести крупных событий, включая повторяющиеся прорывы из Цзялунгко в 2002 году и из Циренмако в 1964, 1981 и 1983 годах. Прорыв 1981 года привёл к многочисленным жертвам и ущербу до 4 млн долларов США (в ценах 2015 года).
Исследование сосредоточено не на Циренмако, которое уже было подробно изучено ранее, а на двух других хорошо документированных угрозах — Цзялунгко и Галонгко — из-за их потенциала нанести ущерб административному центру Ньялам и территории Непала ниже по течению. По итогам недавней оценки самых опасных ледниковых озёр Тибета Галонгко и Цзялунгко заняли второе и третье места после Циренмако. Оба моренно-запертых приледниковых озера быстро расширялись в последние десятилетия: площадь Галонгко, крупнейшего озера бассейна, увеличилась на 450% — с 1,00 до 5,46 км² в период 1964–2017 годов. Потенциальное будущее озеро расположено примерно на 6 км выше по течению от Цзялунгко.
Методика
Следуя современным международным рекомендациям по оценке опасности прорывных паводков, исследователи учли восприимчивость озёр — вероятность реализации того или иного сценария прорыва — и применили открытый ГИС-инструмент численного моделирования r.avaflow для расчёта цепочки процессов прорывного паводка и определения последствий вниз по течению. Чтобы сравнить угрозу от двух существующих озёр с ожидаемым будущим озером, моделировались наихудшие сценарии — очень крупные обвалы льда или скальных пород, провоцирующие прорыв из Цзялунгко, Галонгко и предполагаемого будущего озера.
Восприимчивость озёр и разработка сценариев
Оценка учитывает широкий спектр атмосферных, криосферных и геотехнических факторов, влияющих на восприимчивость озёр к прорыву. Топографические характеристики (геометрия дамбы, углы склонов и другое) и геологическое строение окружающих склонов измерялись с помощью ортоснимков Pléiades высокого разрешения (1 м) и цифровой модели рельефа, построенной на основе три-стерео снимков Pléiades с разрешением 0,5 м, полученных в октябре 2018 года и охватывающих весь бассейн Пойцу. Потенциально неустойчивые зоны льда выявлялись по снимкам и данным Google Earth на основе ориентации и плотности трещин, с последующей оценкой толщины и объёма льда по модели GlabTop.
Таблица 1. Входные сценарии зон начала обвалов льда и/или скальных пород, угрожающих Цзялунгко (JC), Галонгко (GC) и будущему озеру (FL). Средняя толщина льда и итоговый объём рассчитаны по модели GlabTop.
Моделирование обвалов и прорывных паводков
Цепочка процессов прорывного паводка моделировалась с помощью r.avaflow — открытого ГИС-фреймворка для многофазных массовых потоков, способного динамически рассчитывать взаимодействие между провоцирующими оползнями (в данном случае обвалами льда и/или скальных пород) и озёрами. Основные входные данные модели включают характеристики начальной зоны обвала, данные рельефа, параметры трения и эрозии, батиметрию и объём озера.
Батиметрические съёмки Цзялунгко и Галонгко проводились в 2019 году с помощью беспилотного судна. Максимальные глубины составили 134 м для Цзялунгко и 200 м для Галонгко, а объёмы, рассчитанные на основе интерполированной батиметрии, — 40 и 590 млн м³ соответственно. После строительства искусственного канала и связанного с этим понижения уровня воды в Цзялунгко батиметрия была измерена повторно в 2021 году: максимальная глубина после понижения составила 113 м, объём — 23,5 млн м³.
Для моделирования прорыва из будущего озера местоположение, батиметрия и объём потенциального озера выше по течению от Цзялунгко определены на основе моделируемой переуглубленности ложа ледника по модели GlabTop. По результатам моделирования максимальная глубина будущего озера оценена в 168 м, а объём — в 70 млн м³.
Развитие будущего озера
Предыдущие исследования выявили характеристики поверхности ледников, которые предопределяют формирование надледниковых озёр на покрытых обломочным материалом ледниках. Ледники, ограниченные крупными боковыми и конечными моренами, с плоским или слабо наклонённым (менее ~2°) и медленно текущим (менее ~10 м/год) основным языком являются горячими точками развития надледниковых водоёмов, поскольку поверхностная талая вода не может стекать с поверхности ледника. Такие сети водоёмов расширяются при отрицательном балансе массы ледника и в итоге сливаются, образуя надледниковое озеро на гидрологическом базовом уровне ледника.
Для оценки вероятной траектории роста площади озера на леднике выше по течению от Цзялунгко (RGI60-15.09475) были изучены скорость поверхностного течения, темпы истончения и эволюция геометрии (уклона поверхности) ледника за последние десятилетия. Анализ показал, что условия на поверхности ледника хорошо подходят для скорого формирования ледникового озера: низкий уклон поверхности (менее 2°), незначительное течение льда (менее 10 м/год) и устойчивое истончение ледника.
Для оценки вероятного размера такого озера в ближайшие десятилетия рассмотрены два сценария истончения ледника в период 2015–2100 годов. Первый сценарий основан на предположении, что зафиксированное ускорение истончения ледника воспроизведётся к 2100 году с учётом дальнейшего роста температуры на 1°C. Второй сценарий предполагает, что рост истончения, произошедший между 1974 и 2015 годами, повторится в последующие равные промежутки времени (к 2056, 2097 годам и так далее).
Результаты
Рисунок 2. Зоны начала обвалов льда и/или скальных пород (красным), использованные как входные сценарии моделирования цепочек прорывного паводка от трёх озёр.
Таблица 2. Оценка первого порядка широкого спектра факторов, определяющих восприимчивость ледниковых озёр (по методике GAPHAZ 2017).
Восприимчивость озёр и разработка сценариев
Расположенный в переходной зоне севернее главного гималайского водораздела верхний бассейн Пойцу подвержен сильным осадкам во время азиатского летнего монсуна. Галонгко, имеющее значительно большую площадь водосбора, считается более восприимчивым к сильным дождям и/или снегу, приводящим к высокому уровню воды в озере. Однако относительно благоприятная геометрия дамбы (большое отношение ширины к высоте и запас высоты дамбы 15 м) говорит о низкой вероятности и магнитуде прорыва по этому механизму.
Как и для большинства крупных ледниковых озёр Гималаев, главной угрозой считаются крупные неустойчивости склонов, воздействующие на озеро. В текущих условиях Цзялунгко наиболее восприимчиво к обвалам льда из-за крутого, сильно растрескавшегося языка ледника, расположенного прямо позади озера. При среднем угле склона 35° и крупных поперечных трещинах полный обвал языка ледника (~18 млн м³) рассматривается как реалистичный наихудший сценарий. Небольшие обвалы льда с этого ледника уже вызывали прорывные паводки из Цзялунгко в 2002 году, когда озеро было менее половины текущего размера.
В сравнении, покрытый обломочным материалом язык ледника, питающего Галонгко, имеет мягкий средний уклон (18°) и равномерный градиент. Потенциально неустойчивые массы льда, угрожающие Галонгко, находятся выше по склону и оцениваются объёмом 0,1–1 млн м³. Крупный потенциальный скальный обвал с северо-восточных склонов Шишабангма, поднимающихся почти на 3000 м над Галонгко, оценён объёмом 23 млн м³ (20% льда и 80% скальных пород). Для потенциального будущего озера, расположенного под безлёдным восточным склоном хребта Рамтанг-Карпо-Ри высотой около 2000 м, общий объём скального обвала оценён в 20,6 млн м³.
Таблица 3. Измеренные и моделируемые параметры озёр и прорывных паводков для Галонгко (GL), Цзялунгко до понижения (JC), Цзялунгко после понижения (JC-L) и будущего озера (FL).
Обвалы льда и/или скальных пород такой магнитуды, какая заложена в рассматриваемых сценариях, редки даже в глобальном масштабе, хотя происходили в Гималаях и в недавнем прошлом, и в доисторические времена. Примечательно, что землетрясение Горкха 2015 года не вызвало крупных обвалов льда или скал в бассейне Пойцу, несмотря на значительные повреждения в Ньяламе и на трассе в Непал. Поэтому, учитывая отсутствие исторических крупных неустойчивостей в бассейне, обвалы такой магнитуды оцениваются как события с низкой или очень низкой вероятностью.
Рисунок 3. Моделируемые высоты потока прорывного паводка для наихудших сценариев из Галонгко, Цзялунгко (JC-L) и потенциального будущего озера. Расположение городов Ньялам и Чжанму отмечено красными прямоугольниками.
Моделирование прорывного паводка
Наихудшие сценарии прорыва для трёх озёр моделировались до границы между Китаем и Непалом (город Чжанму). Из двух текущих озёр моделируемый пиковый расход из Галонгко более чем в 5 раз превышает расход из Цзялунгко, что приводит к глубинам потока до 14 м выше при воздействии на город Ньялам. На границе, в 20 км ниже по течению, глубины затопления для сценария Галонгко выше на 17 м, а расход остаётся выше 100 000 м³/с даже через час после начала события.
Моделируемый наихудший прорыв из потенциального будущего озера имеет расчётный пиковый расход у дамбы 359 628 м³/с, что даёт глубины потока (27 м) и расход (163 667 м³/с) в Ньяламе выше показателей Цзялунгко, но на порядок ниже показателей Галонгко. Волна паводка от Цзялунгко впервые фиксируется в Ньяламе через 6 минут, максимальные высоты потока приходят на 2 минуты позже. Волна от Галонгко впервые фиксируется через 10 минут, максимум — на 4 минуты позже. Прорыв из потенциального будущего озера достигает Ньялама за схожее время — 11 минут, а все моделируемые прорывы достигают непальской границы в диапазоне 28–32 минут после начала обвала.
Рисунок 4. Моделируемый расход прорывного паводка для трёх оцениваемых озёр в точках у дамбы озера, в Ньяламе и в Чжанму.
Меры по укреплению и понижению уровня, проведённые в Цзялунгко, приводят к чуть большему начальному пиковому расходу из-за более сильного эффекта перелива через уменьшенный запас высоты дамбы. При этом ниже по течению моделируемый паводок затухает медленнее (снижение расхода на 54% между Ньяламом и Чжанму) по сравнению с исходным озером (снижение на 81%).
Рисунок 5. Моделируемые высоты потока прорывного паводка от потенциального нового озера, показывающие зону скопления и перелива в Цзялунгко.
В отличие от предыдущих результатов моделирования для Галонгко, наихудший сценарий прорыва, спровоцированного обвалом, не ограничивается существующим руслом реки — поток переливается через правый (по орографии) борт долины и попадает в Цзялунгко, образуя второй, более крупный путь потока к Ньяламу. Результаты также показывают, что прорыв из потенциального будущего озера может ударить, скопиться и в итоге перелиться через боковую морену Цзялунгко, вызвав потенциальную цепную реакцию, при которой Цзялунгко также прорывается. Несмотря на добавление объёма к потоку, наличие Цзялунгко с его выраженной боковой мореной действует как топографическое препятствие, замедляющее и снижающее энергию прорывного события — расход снижается на 50% непосредственно выше и ниже Цзялунгко.
Рисунок 6. Застроенная территория в Ньяламе, подверженная моделируемым уровням интенсивности прорывного паводка для трёх оцениваемых озёр, показывающая эффект быстрого развития инфраструктуры между 2015 и 2017 годами.
Воздействие и подверженность риску
По снимкам Open Street Map и Google Earth выявлены здания в Ньяламе, подверженные различным уровням интенсивности прорывного паводка. В Ньяламе более низкие высоты потока при прорыве из Цзялунгко приводят к незначительно меньшим уровням подверженности риску по сравнению с моделируемыми событиями из Галонгко или потенциального будущего озера. Несмотря на то, что большинство зданий в Ньяламе расположены на 10–20 м выше русла реки и не были затронуты прошлыми прорывами из Цзялунгко, в зоне высокой интенсивности наихудшего прорыва явно присутствует значительная подверженность риску. Кроме того, быстрое расширение инфраструктуры вдоль берегов реки к северу от основного посёлка за последние несколько лет значительно увеличило застроенную территорию, подверженную потенциальным прорывам, — многие новые здания расположены в зоне высокой интенсивности паводка.
Ниже по течению от Ньялама на участке до границы с Непалом вдоль берега реки мало зданий, и основная угроза — трансграничному шоссе протяжённостью 38 км: доля участков, подверженных высокоинтенсивным уровням паводка, составляет 27% и 40% для моделируемых прорывов из Цзялунгко и Галонгко соответственно (и 28% для сценария будущего озера).
Рисунок 7. Поверхностная топография, уклон и скоростной режим ледника RGI60-15.09475 в 2017–2018 годах.
Траектория развития будущего озера
Истончение ледника RGI60-15.09475 на протяжении по меньшей мере четырёх последних десятилетий привело к формированию поверхности ледника, хорошо подходящей для развития надледникового озера. Центральный участок протяжённостью 2,5 км в зоне абляции ледника, где уже формируются надледниковые водоёмы, фактически неподвижен, имеет очень мягкий уклон и стал сильно изрыт из-за дифференциальной абляции.
Рисунок 8. Скопление талой воды (при высоте ниже гидрологического базового уровня ледника) к 2050 и 2100 годам при разных сценариях истончения ледника RGI60-15.09475.
Согласно первому сценарию (истончение 1974–2015 годов воспроизводится к 2100 году), к 2100 году под гидрологическим базовым уровнем ледника окажется 0,6 км² поверхности ледника. По второму сценарию (истончение повторяется к 2056 и 2097 годам) эта площадь может достигнуть 1,33 км². Таким образом, значительная часть поверхности ледника над переуглубленностью площадью 1,54 км², выявленной моделью GlabTop, станет восприимчивой к расширению надледникового озера и формированию приледникового озера к 2100 году.
Обсуждение
Рисунок 9. Снимки Цзялунгко в октябре 2018 года (естественное состояние озера), а также в октябре 2020 и сентябре 2021 годов, показывающие инженерные работы в зоне выпуска, понижение уровня озера, удаление значительной части фронтальной морены и создание стабильного, укреплённого выпускного канала.
Комплексный подход к управлению риском стихийных бедствий
Для бассейна Пойцу результаты этого исследования появляются в удачный момент, поскольку местные власти в последние годы уже начали крупные инженерные работы на Цзялунгко. Внимание властей к Цзялунгко в целом подтверждается результатами исследования, которые показывают, что это озеро с наибольшей вероятностью может вызвать крупный прорывной паводок, угрожающий посёлку Ньялам, и при наихудшем сценарии приведёт к значительным высотам и расходам паводка ниже по течению в Непале. Хотя вероятность оценивается как более низкая, крупный прорыв из Галонгко, спровоцированный обвалом льда и/или скальных пород, привёл бы к паводку более высокой интенсивности — расход в Ньяламе почти в 3 раза больше, чем моделируемый для Цзялунгко.
На границе с Непалом (Чжанму) моделирование показывает потенциальные пиковые расходы в диапазоне 35 000–170 000 м³/с при наихудших сценариях — более чем в 15 раз выше, чем показывали более ранние исследования моделирования, что говорит о том, что ранее оценённые потенциальные потери имущества до 197 млн долларов США в населённых пунктах Непала ниже по течению могут быть значительно выше реально возможных. Для сравнения: прорыв из Циренмако в 1981 году, приведший к около 200 погибшим и ущербу до 4 млн долларов, имел расчётный пиковый расход около 10 000 м³/с в Чжанму, а событие 2016 года из озера Гонгбатоншацо было примерно в два раза меньше по магнитуде, но привело к экономическим потерям более 70 млн долларов без человеческих жертв.
Несмотря на угрозу, которую представляет озеро, ставка исключительно на инженерные меры по снижению риска в Цзялунгко может оказаться дорогостоящей и неэффективной, если не будет дополнена более комплексной и перспективной стратегией, учитывающей крупные цепочки процессов и адекватные меры реагирования. Удаление и укрепление значительной части фронтальной морены и строительство стабильного выпускного канала окажет лишь минимальный эффект на потенциальные масштабы прорывного паводка вниз по течению в случае катастрофического обвала льда в озеро. Моделирование также показывает ограниченный потенциал раннего предупреждения при крупных цепочках процессов: катастрофические расходы прорывного паводка достигают Ньялама всего за 6–11 минут после отрыва ледового или скального обвала. Для населённых пунктов в Непале ниже по течению время предупреждения при наихудших сценариях может составить всего 30 минут — это значительное сокращение по сравнению с предыдущими оценками до 2 часов для Галонгко, где моделировался более постепенный механизм прорыва дамбы.
Учитывая продемонстрированный минимальный эффект понижения уровня озера на потенциально катастрофический наихудший прорыв из Цзялунгко, а также тот факт, что время предупреждения для всех трёх оцениваемых цепочек процессов в Ньяламе минимально, авторы аргументируют необходимость сочетания инженерных мер и систем раннего предупреждения с эффективным зонированием землепользования и программами по укреплению возможностей местного реагирования. Такая комплексная стратегия не только снизила бы риск прорыва из Цзялунгко, но и обеспечила бы защиту от более крупных сценариев прорыва из Галонгко или потенциальных новых озёр, которые сформируются в течение следующего столетия.
Наихудшие сценарии и будущее изменение климата
Хотя модель GlabTop и аналогичные подходы широко применяются для прогнозирования будущего расположения ледниковых озёр и оценки связанных рисков, остаётся большая неопределённость относительно того, произойдёт ли и когда конкретная переуглубленность превратится в озеро. В данном исследовании рассмотрена очень крупная переуглубленность, расположенная под плоским, сильно покрытым обломочным материалом языком ледника — классическая геоморфологическая обстановка, в которой обычно формируются крупные приледниковые озёра, — аналогичная обстановке Галонгко. Учитывая, что условия на поверхности ледника уже позволили сформироваться надледниковым озёрам в зоне абляции ледника, можно с высокой степенью уверенности утверждать, что будущее приледниковое озеро сформируется в этом месте, запертое за выраженной конечной мореной.
Независимо от неопределённостей в сроках формирования будущего озера, результаты исследования говорят о том, что картирование опасности и планирование мер реагирования, учитывающие существующие наихудшие угрозы прорыва из Цзялунгко и особенно Галонгко, в значительной степени останутся актуальными и для сценария будущего озера. Иными словами, потенциальная магнитуда наихудшего прорыва из Галонгко значительно превышает всё, что может произвести будущее озеро, в то время как наихудшее событие из Цзялунгко имеет самое быстрое время прибытия в Ньялам. Однако формирование нового озера, как и других, несомненно увеличит вероятность крупномасштабного события в бассейне, и, следовательно, уровни риска для людей и инфраструктуры будут расти, если стратегии реагирования окажутся неадекватными.
Смоделированные здесь наихудшие сценарии на порядок крупнее наблюдавшихся или оценивавшихся в предыдущих исследованиях, но впервые учитывают потенциальные цепочки процессов с участием крупных обвалов льда и/или скальных пород объёмом более 20 млн м³, обрушивающихся в ледниковые озёра. Итоговые расходы и высоты потока прорывного паводка, полученные в результате моделирования таких катастрофических цепочек процессов, безусловно, экстремальны — с периодом повторяемости, превышающим 200 лет или, возможно, больше относительно документированных значений расхода при прошлых прорывных паводках в Азии. Однако недавняя катастрофа в Чамоли и более ранние события на реке Сети напоминают, что крупные обвалы, способные спровоцировать такую цепочку процессов в Гималаях, действительно происходят, и их частота, вероятно, будет расти по мере потепления многолетней мерзлоты и дестабилизации склонов.