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  • CN 62-1072/P 
  • ISSN 1000-0240 
  • 创刊于1979年
  • 主管单位:中国科学院
  • 主办单位:中国科学院寒区旱区
  •                  环境与工程研究所
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冰川冻土, 2020, 42(4): 1344-1352 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0019

冰冻圈与可持续发展

可可西里卓乃湖溃决后湖区环境变化及盐湖可能的溃决方式

谢昌卫,1, 张钰鑫1,2, 刘文惠1,2, 吴吉春1, 杨贵前1,2, 王武1, 刘广岳1

1.中国科学院 西北生态环境资源研究院 冰冻圈科学国家重点实验室 青藏高原冰冻圈观测研究站,甘肃 兰州 730000

2.中国科学院大学,北京 100049

Environmental changes caused by the outburst of Zonag Lake and the possible outburst mode of Yanhu Lake in the Hoh Xil region

XIE Changwei,1, ZHANG Yuxin1,2, LIU Wenhui1,2, WU Jichun1, YANG Guiqian1,2, WANG Wu1, LIU Guangyue1

1.Cryosphere Research Station on the Qinghai-Tibet Plateau,State Key Laboratory of Cryospheric Science,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

编委: 周成林

收稿日期: 2019-09-18   修回日期: 2019-10-10  

基金资助: “美丽中国”生态文明建设科技工程专项.  XDA23060703
国家自然科学基金项目.  41671068.  41401086

Received: 2019-09-18   Revised: 2019-10-10  

作者简介 About authors

谢昌卫(1973-),男,甘肃甘谷人,研究员,2006年在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所获博士学位,从事寒区环境与寒区水文研究.E-mail:xiecw@lzb.ac.cn. , E-mail:xiecw@lzb.ac.cn

摘要

2011年9月卓乃湖溃决后引发的区域沙漠化灾害现象对区域生态环境已经造成了一定影响。同时下游的盐湖在接收洪水后水位持续上涨, 对青藏公路工程走廊内管线工程运行安全造成了重大的威胁。本文根据野外考察资料对卓乃湖的溃决过程和溃决后的影响进行了简要分析, 并对下游盐湖可能的溃决方式进行了分析。卓乃湖的溃决是由于湖区降水增多导致湖水外溢, 冲垮湖堤造成的。卓乃湖溃决后出露湖底成为沙尘暴的策源地, 出露湖底和周边草场形成了大面积的沙漠化区域。随着卓乃湖湖水不断排出, 洪水对出水口和下游河道进行着持续的冲蚀作用, 一方面导致湖底出露面积进一步扩大, 湖区沙漠化现象加剧, 另一方面导致下游河道侵蚀加深加宽, 对区域地形破坏进一步加强。对比卓乃湖区地形条件和水平衡特征, 盐湖的溃决方式将与卓乃湖类似, 洪水对下游的破坏作用要大于库赛湖区和海丁诺尔湖区。由于盐湖每年可排出的水量大于卓乃湖区, 当盐湖溃决后, 后期洪水对河道的冲蚀作用要大于卓乃湖区。

关键词: 湖泊溃决 ; 沙漠化 ; 冻土 ; 溃决方式 ; 卓乃湖 ; 盐湖

Abstract

The lake area of Zonag Lake has shrunk quickly after its outburst in September, 2011, which results in large area desertification disaster and has a major impact on the regional ecological environment. At the same time, the water level of Yanhu Lake has increased quickly after receiving the flood, which threats the safety of the Qinghai-Tibet Highway Engineering Corridor. Based on the field investigation data, this paper suggest that the outburst of Zonag Lake was caused by the overflow of the lake water. After the lakebed was partly exposed, the naked lakebed became the source of sandstorms. The lake bottom and the surrounding grassland formed a large area of desertification. As the water of Zonag Lake was continuously discharged in recent years, the exposed area of the lakebed has been further expanded, the desertification phenomenon in the lake area has been intensified, and the downstream river channel erosion has been deepened and widened. Comparing the topographical conditions and water balance characteristics in the regions of Zonag Lake and Yanhu Lake, this paper suggest that the possible outburst mode of Yanhu Lake will be similar to that of Zonag Lake. Because the Yanhu Lake discharge more water per year than the Zonag Lake did, when the Yanhu Lake is broken, the erosion effect of the flood on the river channel will be greater than that in the Zonag Lake region.

Keywords: lake outburst ; desertification ; permafrost ; outburst mode ; Zonag Lake ; Yanhu Lake

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本文引用格式

谢昌卫, 张钰鑫, 刘文惠, 吴吉春, 杨贵前, 王武, 刘广岳. 可可西里卓乃湖溃决后湖区环境变化及盐湖可能的溃决方式[J]. 冰川冻土, 2020, 42(4): 1344-1352 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0019

XIE Changwei, ZHANG Yuxin, LIU Wenhui, WU Jichun, YANG Guiqian, WANG Wu, LIU Guangyue. Environmental changes caused by the outburst of Zonag Lake and the possible outburst mode of Yanhu Lake in the Hoh Xil region[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(4): 1344-1352 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2019.0019

0 引言

青藏高原是我国湖泊集中分布的区域之一, 大于1.0 km2的湖泊总数和湖泊面积分别约占全国湖泊总数量和总面积的39.2%和51.4%1-2。近年来随着全球气候持续变暖, 青藏高原地区湖泊发育环境发生了巨大的变化, 湖泊面积扩张趋势十分明显3-7。2011年, 位于青藏高原可可西里腹地的卓乃湖在经过多年水位持续上升后发生了溃决8-13, 成为气候变暖背景下青藏高原地区湖泊变化的一个极端案例。这一事件导致过去四个各自独立的内流湖变成上游三个过水湖(卓乃湖、 库赛湖和海丁诺尔湖)和下游一个内流湖(盐湖)(图1)。由于没有先例可循, 对卓乃湖溃决后数百平方公里地表水体的重新分配方式和湖泊后期变化规律没有明确的认识。目前, 针对卓乃湖溃决的原因、 溃决时间和湖泊面积变化的研究大多是通过遥感影像分析进行的。如姚晓军等8-9、 刘宝康等10、 杜玉娥等11和Liu等12等基于Landsat TM/ETM+和中国环境与灾害监测预报卫星HJ1A/B CCD影像对库赛湖湖水外溢成因、 卓乃湖溃决的成因以及卓乃湖近几十年来的面积变化过程进行的分析探讨。

图1

图1   卓乃湖 - 盐湖流域概况图

Fig.1   Schematic diagram of Zonag Lake - Yanhu Lake basins


湖泊的溃决及由此引起的区域多年冻土和生态环境的变化在高纬度多年冻土区研究相对较多14-16。青藏高原地区的相关研究主要集中在冰川成因的小型湖泊, 如在喜马拉雅山地区开展的大量冰湖溃决方面的研究17-19。像卓乃湖这样的大型湖泊溃决过程和方式的研究相对很少。卓乃湖溃决过程的研究一方面有助于分析湖区严重的沙漠化灾害现象成因和对区域生态环境造成的影响; 另一方面对分析下游盐湖水位持续上涨原因和可能的溃决方式有很好的借鉴意义。近几年的监测表明, 盐湖可能将在1~2年内发生溃决, 对工程走廊内管线工程运行安全造成重大的威胁13, 引起了国家相关部门的高度关注。部分学者认为由于盐湖区地势相对平缓, 盐湖不会发生像卓乃湖一样的大规模溃决, 而仅会像库赛湖一样形成的小型冲沟。因此反对用“溃决”一词来表达盐湖的湖水外泄, 并认为盐湖湖水的外流不会对青藏公路等线路工程造成重大的破坏。从词义上来看, “溃决”是指大水冲破堤防, 对天然湖泊而言堤防即天然堤坝。卓乃湖湖水外泄并冲垮堤坝是典型的湖泊溃决事件。从监测资料和遥感影像分析来看, 盐湖在溃决时面积将达到220 km2左右913, 仅比卓乃湖溃决时小50多km2。同时盐湖湖水可能的外泄通道存在较大的高差, 湖水的外泄必定会冲毁现有堤坝, 因此将盐湖的湖水外泄用溃决表达是完全合理的。对盐湖溢水溃决方式, 溢水溃决后对区域地形造成破坏幅度缺乏明确的认识, 严重制约了洪水灾害对区域基础设施破坏程度的评估和防治措施制定工作的开展。

本文基于在可可西里地区的长期监测资料和2019年4月对卓乃湖、 库赛湖、 海丁诺尔湖和盐湖水文环境的综合考察资料, 对卓乃湖溃决后水位变化幅度、 冲沟形态、 近年来湖水位变化趋势以及区域沙漠化现状等进行分析。同时通过对比卓乃湖溃决口附近的地形条件、 库赛湖和海丁诺尔湖区地质地形条件、 卓乃湖和盐湖的水平衡特征以及区域多年冻土发育特征, 对盐湖可能的溃决方式和危害进行评估。

1 卓乃湖溃决过程探讨

卓乃湖地处可可西里腹地, 属于半咸水湖20, 湖泊范围为35°28′~35°37′ N, 91°46′~92°06′ E, 平均海拔4 800 m。湖盆受区域构造控制西宽东窄, 呈东西向的梨形。湖北岸是低缓丘陵, 主要由砂岩、 板岩等基岩构成, 没有开阔的滨湖沙地21。南部、 西部、 东部湖岸为一系列由湖盆周边丘陵区发源的冲洪积扇构成, 冲洪积扇向湖面倾斜。湖底地势总体上的特点是南高北低, 湖西部、 南部、 东部近岸地带是浅水区22

自2000年以来, 卓乃湖面积一直在持续扩大, 湖水在东部突出区域扩张尤其明显, 2000 - 2011年期间湖水共前进了大概1 000 m左右。2011年9月卓乃湖溃决时面积达到了274 km2, 湖泊溃决时的出水口正是在湖泊最东面的突出部位。卓乃湖溃决的诱发因素应该是2011年6 - 8月份丰富的降水导致湖水快速上涨超出湖岸引起的。刘宝康等10依据溃决前后的遥感影像对比认为湖水在8月下旬即开始外泄, 而在9月中下旬湖水面积大幅减少, 卓乃湖全面溃决。当然, 由于湖泊溃决发生在9月份, 此时多年冻土活动层已经大部分融化, 在湖水水位略低于湖岸时, 也可能通过壤中流侵蚀的方式导致湖泊溃决。卓乃湖溃决后, 湖泊面积的萎缩主要发生在西南面浅水区和东面突出区域, 湖泊北部深水区湖岸退缩幅度不大。湖泊东面在溃决后湖岸退缩了大约6.5 km, 原来的部分水域在主体湖泊的外围形成了一个面积约1.5 km2的分蘖湖, 主湖与分蘖湖间有一高出湖面约6.0 m的分隔带(图2)。

图2

图2   卓乃湖溃决前后面积变化及2019年4月野外调查剖面分布

Fig.2   The area of Zonag Lake before and after the outburst and the distribution of the field survey profile in April 2019


2019年4月份考察期间我们对卓乃湖岸边及冲沟不同区域进行了多个断面的测绘(图2)。其中1~5号断面主要对湖泊溃决后湖水位下降幅度进行了测量, 6~11号断面对冲沟形态进行了测量。2019年4月份的测量结果与2011年未溃决前相比显示湖泊水位下降幅度达到12.3 m, 湖水位相比2012年5月份下降了5.0~6.0 m左右。考察时卓乃湖仍然全部封冻, 出水口没有水量流出, 湖面要比出水口最低处低0.2~0.3 m。表明当年接收的水量在冬季封冻前已经全部排出, 湖面在冬季冰面的蒸发(升华)作用导致水位出现了下降。在湖区测量时通过地表形态大致界定出2017年和2018年时的水位高度, 发现这两个年度水位分别要比2019年4月份时高1.4 m和0.8 m。即2017年湖水流出出水口时下切深度为0.6 m, 2018年的下切深度0.8 m。2018年度可可西里地区降水量要大于2017年度降水量, 湖泊较多的水量对出水口的冲刷下切深度大于2017年的下切深度是合理的。结合遥感影像和本次实地调查发现, 卓乃湖在2011年溃决后8年间大致减小了10 km2, 2018年湖面萎缩幅度最大, 减小了4.5~5.0 km2

2019年4月在湖泊溃决时的溃决口位置(7号断面)调查结果显示[图3(b)], 该断面目前宽度为380 m, 最深处达到27 m, 地层主要由上覆9~11 m厚的松散冲沉积物层和下伏青灰色湖相沉积物两层构成。该处湖相沉积物于早第四纪或者晚第三纪形成, 部分层位已经固结成岩, 层间包含半矿化的植物残体。湖泊溃决口位置以下的8号和9号断面形态与7号断面类似, 断面宽度分别为370 m和465 m, 深度分别为25.5 m和23.5 m。10号和11号断面处冲沟相对较宽, 深度较浅。宽度分别在600 m和1 600 m左右, 最大深度分别为13.5 m和5.6 m。8、 9、 10、 11号断面分别距离7号断面(溃决口)1.1 km、 2.8 km、 7.3 km和12.5 km。

图3

图3   卓乃湖溃决后冲沟现状

Fig.3   The photo of the gully formed by the outburst of Zonag Lake: the photo of profile No.6 (a), the photo of profile No.7 (b)


在考察中我们发现, 目前卓乃湖湖水流经的沟谷是在2011年9月份卓乃湖溃决后洪水不断冲刷加深和加宽后形成的。2012年在本区域开展冻土勘察期间, 我们对卓乃湖的决口附近的冲沟估测约宽100 m左右, 深度大约6~7 m12。冲沟的深度与湖水位下降幅度基本一致。6号断面的形态可以明确看出洪水后期对冲沟的再造过程[图3(a)]。该断面位于卓乃湖溃决前的湖底, 距离7号断面1.5 km。从照片中可以看出, 该断面河道外围形成了明显的类似河流阶地的台地。如果每个阶地是不同年份形成的, 则表明冲沟形成后卓乃湖流出的洪水每年对河床的下切深度可以达到3~5 m, 冲沟河床没有达到稳定状态。卓乃湖溃决对地表的破坏是一个长期的过程。

2 卓乃湖溃决后湖区环境的变化

2.1 沙漠化现象

卓乃湖溃决后导致大面积的湖底出露, 湖区水文环境和地表形态发生了剧烈的变化。2013年5月, 在1号剖面所在的区域架设了一套自动气象站, 观测要素主要包括: 气温、 降水、 风速、 风向以及辐射等。监测结果表明, 卓乃湖区全年有一半的天数风力在6级(>10.7 m·s-1)以上, 风向以西偏南风为主, 其中1月份和2月份期间有三分之一的天数风力在8级(>17.2 m·s-1)以上。年平均气温约为-5.0 ℃, 年降水量在200~300 mm之间。

卓乃湖出露湖底浅层物质主要由粉质黏土、 粉土、 粉细砂组成, 同时层内包裹有大量粉末状的有机物质(植物残体)。2019年4月考察时发现, 不同区域风沙对浅层细颗粒层揭露程度明显不同。在湖的南部3号剖面的位置, 从湖边向外地表细颗粒物质残留明显减少, 在距离湖水75 m左右的区域内, 地表粉土或者粉细砂覆盖厚度达30~40 cm。浅层细颗粒成分含水量丰富, 考察时仍处于冻结状态, 仅地表数厘米呈融化状态, 季节性冻胀丘成片发育。结合遥感影像分析, 这一区域应该是2018年湖水消退后新裸露的区域。再向外围40~50 m的区域内, 细颗粒沉积层减薄, 岩土水分含量减少, 没有冻胀丘发育。这一区域应该为2017年湖水消退后出露的区域。由此再向外150 m左右, 细颗粒沉积层呈斑块状分布, 无细颗粒覆盖的区域地表主要由粗砂和砾石覆盖。更向外围直到2011年的湖岸线, 细颗粒覆盖物基本消失, 地表物质基本与非湖底区域类似, 但没有植被发育(图4)。2012年4月在出露湖底(3号剖面)钻探时, 当时的地表形态与湖边2018年新出露的湖底形态类似, 有30~40 cm厚的饱和细颗粒沉积层并发育有大量的季节性冻胀丘。可以看出, 卓乃湖溃决后大风一般是在数年内(3~4年)逐渐将地表细颗粒成分吹走。卓乃湖近几年来仍然在持续退缩, 为风沙灾害提供了新的沙源, 这一区域的风沙灾害仍然会持续发展。2号断面的调查结果与3号断面类似, 同样可以看到不同年份出露湖底地表形态的差异。

图4

图4   湖水位下降后不同时期湖底地表特征示意

Fig.4   The photo of the naked lakebed at different stages after the outburst of Zonag Lake: the spring of the following year (a); the third spring after the lake outburst (b); 4~5 years later (c)


西边1号断面地表形态的变化与南边(2号和3号断面)的情况不尽相同。在2011年湖岸线附近, 地表细颗粒成分仍然呈斑块状分布, 斑块形态大致以东西向细长弯曲的垄状分布。随着与湖边距离的减小, 细颗粒成分覆盖区逐渐增大直到完全覆盖, 没有明显的不同年份出露湖底的界限。近湖边的数十米内地表岩土含水量丰富, 地表融化深度大于南部湖边。结合区域内地形特征, 两边湖区地表形态的差异可能与两地的风力、 风向差异有关。自动气象站所处的位置在由南部高山区延伸下来的大型山谷的谷口附近, 该区域的风向应该受到了地形的影响, 风力应该叠加了山谷风的影响。而湖的西部区域地形开阔, 远离西部高山区, 风力可能比南部要小。当然, 造成地表形态差异的原因应该是多方面的, 需要开展进一步的调查工作。

卓乃湖湖底的细颗粒成分被风吹起后, 随着风向朝东边迁移。从区域调查发现, 风沙主要沉积区域以卓乃湖现在的水域和东部谷地为主。目前卓乃湖面积仍有150多平方公里, 宽阔的水面接收了大量的沙尘。调查发现湖泊冰面有明显的垄状风沙沉积现象。越过湖面的风沙一般沉积在卓乃湖北部山坡上, 造成了草地的沙漠化灾害。湖东北地区草地上的风沙主要堆积在地表低洼处, 没有完全覆盖地表植被[图5(a)]。严重的风沙灾害发生在卓乃湖东南部谷地, 主要风沙堆积区位于调查断面2和断面11之间长近30 km的范围内。这些地区大部分地表已经为风沙完全覆盖, 局部堆积厚度超过20 cm[图5(b)]。在湖泊的西边, 即在调查剖面1的西部区域, 基本没有风沙堆积, 应该是这一地区风向影响的结果。湖的西部区域是藏羚羊集中产羔的地方, 从目前来看风沙灾害对产羔区没有影响。但湖水在这一地区退缩幅度最大, 湖岸的东移会不会对藏羚羊取水有影响, 值得进一步研究。

图5

图5   卓乃湖溃决后形成沙漠化现象

Fig.5   The desertification surrounding Zonag Lake: the semi-buried grassland in the northeastern of the lake (a); the sandy sand-buried area in the southeast of the lake (b)


基于Landsat OLI影像计算的地表反照率和归一化植被指数得到卓乃湖区的沙漠化指数并勾画了沙漠化范围。统计结果得到, 卓乃湖东南部和北部被风沙掩埋的草地达到170 km2左右, 在湖的北部地区有近300 km2左右的草地受到风沙严重侵袭。加上出露的120 km2沙化湖底, 目前湖区的沙漠化的面积达到600 km2图6)。

图6

图6   卓乃湖溃决后形成的沙漠化范围

Fig.6   The desertification distribution surrounding Zonag Lake


2.2 多年冻土快速形成

卓乃湖溃决后出露湖底发生的另一个现象是多年冻土的快速形成。2012年5月, 中国科学院青藏高原冰冻圈观测研究站在卓乃湖区开展了大规模野外考察工作, 在卓乃湖区完成了6个钻孔。除ZNX-1钻孔分布在湖的西边外, 另外5个钻孔分布在卓乃湖南边湖滨阶地上, 形成了一条自山前洪积扇起至裸露湖底的冻土地温监测剖面。钻孔编号依次为ZN-1、 ZN-2、 ZN-3、 ZN-4和ZN-5。ZN-1钻孔位于卓乃湖溃决后出露的湖底上, 大致位于溃决前湖岸以北200 m。在ZN-1孔钻探时发现0~5 m范围内冻结, 而以下则没有冻土存在。上部的冻土应该是2011年冬季形成的, 下部没有冻土证明原来湖水覆盖区域存在大范围的融区, 从地温曲线形态判断这一融区应该是贯穿性的。裸露的湖底部分由于失去了湖水的保护, 在目前气候背景下(年平均气温-4.51 ℃)正快速发育为冻土。后期测温表明, 2012年4月、 2013年4月和2014年12月多年冻土厚度分别为4.9 m、 5.4 m和5.7 m, 暴露于低温环境下裸露湖底已经形成了多年冻土23, 正在经历逐年加积变厚的过程。模型模拟结果显示, 这一区域的多年冻土将继续增长, 总体上呈现先快后慢的增长趋势并最终达到平衡状态23

3 盐湖的可能溃决方式

卓乃湖溃决后, 临近青藏公路工程走廊的盐湖在接收洪水后水位持续上涨, 对青藏公路工程走廊内管线工程运行安全造成了重大的威胁, 并引起了相关部门的高度关注。监测表明, 2016年5月20日至2018年11月11日盐湖水位共上升了8.24 m, 年平均上升2.75 m。同期盐湖面积增加了42.0 km2, 平均每年增加14.0 km2。按照水位上升和面积变化趋势, 预估盐湖可能在1~2年内发生外溢14。2019年的监测表明, 盐湖水位总的上涨幅度已经超过10.0 m, 仅比溢出水位低2.0 m左右, 而湖区面积已经达到210.0 km2, 比溢出面积小约10 km2。盐湖水位的迅速上涨及高溃决风险已经引起了国家层面的高度重视。对比卓乃湖溃决过程和方式, 结合卓乃湖区地形和盐湖区地形的对比、 库赛湖和海丁诺尔湖湖区河道形态特征调查以及盐湖区水量平衡特征分析, 可以对盐湖可能的溃决方式和造成的影响进行预估。

3.1 卓乃湖和盐湖溢水溃决区域地形特征分析

2011年9月以前卓乃湖、 库赛湖、 海丁诺尔湖和盐湖所处海拔高度分别为4 760 m、 4 480 m、 4 471 m和4 444 m, 卓乃湖和库赛湖之间70 km的距离(直线距离, 下同)内海拔高度下降了280 m, 而下游三个湖泊水面在30 km的距离内下降了36 m。库赛湖和海丁诺尔湖之间地形平缓, 湖面高差不足10 m, 海丁诺尔湖和盐湖间的高差为26 m左右。2019年4月野外考察中对卓乃湖溃决口以下多个断面的测量表明, 在溃决口向下2 km内地形相对平缓, 岸边地形总体高差小于5.0 m。在溃决口2.0 km以下区域地形坡降迅速增大, 在断面8到断面11之间9.7 km的距离内高度下降了55 m左右, 这一段的地形坡降比例是全流域最大的。盐湖区可能溢水区域的地形与卓乃湖溃决前下游的地形十分相似。盐湖在其东面的低洼处溢水后湖水将会进入清水河并沿清水河流入楚玛尔河。盐湖可能的溢水口距离楚玛尔河约30 km, 高差约30 m左右, 坡降比例小于卓乃湖区。盐湖目前的湖岸线距离分水岭约3.5 km, 这一段距离内高差变化不足2.0 m。从分水岭至清水河河谷之间1.0 km的范围内存在8.0 m左右的高差, 是该区域坡降最大的区域。

对卓乃湖溃决口附近地形和盐湖可能的溢水口附近地形对比可以看出, 在溢水溃决路径前面数公里以内, 地形均比较平缓, 不利于形成大型冲沟。而在溢水口向下, 两个湖区均有形成一定深度冲沟的条件。相比而言, 卓乃湖由于坡降比例更大, 更加有利于洪水的侵蚀, 而盐湖区虽然下游坡降较小, 但也具有洪水侵蚀形成冲沟的条件。

3.2 库赛湖 - 海丁诺尔湖区河道特征分析

卓乃湖溃决后, 库赛湖面积由270 km2增加到336 km2, 湖水位上升了7~8 m。然而, 库赛湖并没有发生大规模的溃决, 而只是在东南边形成了3~4 m深的冲沟。过去对此的归因是库赛湖与海丁诺尔湖基本处于同一高度, 没有形成大型冲沟的地形条件。2019年4月的考察发现, 库赛湖和海丁诺尔湖没有形成大型冲沟的原因应该主要是海丁诺尔湖基岩质湖岸限制了洪水的下切, 如果没有基岩的限制, 库赛湖和海丁诺尔湖同样会形成大型冲沟并强烈破坏地形。海丁诺尔湖入湖口和出湖口均为风化的硬质基岩(白垩系砂岩为主), 限制了冲沟的深度(图7)。沿库赛湖出水口向下至海丁诺尔湖入水口方向, 洪水冲沟深度大多在3~4 m之间。考察时海丁诺尔湖仍然完全冻结, 湖岸由土黄色基岩构成, 近地表基岩风化强烈, 但在地表3~4 m以下基岩主体比较完整, 风化程度不高。在海丁诺尔湖出水口, 湖岸的基岩限制了洪水的下切, 该处河流河面宽度15~20 m, 最大水深超过2.0 m, 没有形成大型的冲沟。

图7

图7   海丁诺尔湖岸边风化的基岩

Fig.7   Weathered bedrock on the shore of Hedin Noel Lake


相比而言, 盐湖溢水路径处的地层主要由上覆的松散沉积物和湖相沉积地层构成, 并没有能够阻挡洪水侵蚀的基岩存在, 与卓乃湖冲沟发育区域类似。因此盐湖的溢水溃决将会以不同于库赛湖和海丁诺尔湖的方式发生, 对地表的破坏应该大于上述两个湖区。

3.3 卓乃湖和盐湖区水量平衡特征对比

从前面的分析可以看出, 目前卓乃湖下游的冲沟是在溃决后几个年度内洪水冲刷侵蚀作用下不断扩张形成的。每年的溢出水量不同, 造成的冲沟侵蚀幅度不同。通过对湖泊水量平衡分析, 可以简单估算出卓乃湖和盐湖每年溢出的水量, 从而可以分析出盐湖溃决后流水对冲沟的侵蚀幅度。

内流湖水量平衡的基本特点是流入湖内的水量通过下渗和蒸发损耗, 湖水位(面积)的变化是由入湖水量与下渗、 蒸发损耗之间的差值控制的。用公式表达为:

ΔQ=ΔSΔH=R+(P-E-I)S

式中: Q为湖泊总水量(m3); SH分别为湖泊面积(m2)和水深(m); R、 P、 EI分别为入湖径流量(m3)、 湖面降水量(mm)、 湖面蒸发量(mm)和湖水下渗量(mm)。

湖面降水量、 蒸发量和入渗量均与湖泊面积密切相关, 湖泊面积越大, 湖面接收的降水量越多, 总蒸发量和入渗量也越大。入渗量是一个相对难以监测得到的参数, 对可可西里地区长期存在的大型湖泊而言, 湖底岩土应该处于饱和状态, 入渗量是相对较小的。如果忽略湖区的渗漏量, 并且将湖面降水量和入湖径流量合并为R, 则内流湖泊的水量平衡方程简化为:

ΔQ=ΔSΔH=R+ES

对于湖泊水位和面积保持稳定不变的内流湖, 已知湖面蒸发量, 则可求出入湖流量, 反之, 已知入湖流量, 则可求得湖面蒸发量。

2016年5月10日至2017年5月12日, 对盐湖区的蒸发量进行了为期一年的监测, 得到的湖面蒸发量约为850 mm, 其中冬季湖面结冰后测得的升华量约为110 mm。由于卓乃湖没有实测的湖面蒸发量, 考虑到卓乃湖与盐湖地理位置及湖面面积的相似性, 以盐湖实测的湖面蒸发量代入式(2), 对卓乃湖溃决前后水面蒸发总的损耗量进行估算。卓乃湖溃决前的面积以2011年9月份时的面积为准, 溃决后的面积以2019年4月份的面积计算。结果表明, 由于溃决后面积减小, 卓乃湖蒸发量比溃决前减少1.0×108 m3的水量。如果以卓乃湖溃决前来水量与蒸发量基本处于平衡状态估计, 卓乃湖溃决后每年应该有1.0×108 m3的水量要流出。卓乃湖溃决前来水量应该大于蒸发量, 因此溢出水量应该大于1.0×108 m3

盐湖的水面蒸发量随着湖泊面积的增大而增大, 2012 - 2019年期间湖泊总的蒸发量呈现逐年增大的趋势。从2016 - 2019年期间水位和面积的实际监测结果看, 尽管盐湖蒸发损耗呈现逐年增大的趋势, 但由上游海丁诺尔湖流入的水量远大于蒸发损失。利用实测资料, 结合遥感数字高程模型(ASTER GDEM V2.0)对2016年5月 - 2019年5月期间盐湖增加储水量计算表明, 监测期内盐湖储水量共增加了约18×108 m3, 平均每年增加6.0×108 m3。也说是盐湖的入湖水量要比盐湖当年的蒸发量多6.0×108 m3的水量。当盐湖溢水溃决后, 每年增加的这些水量将会在本年度内排出, 形成常年性或季节性河流。如果以2016 - 2019年期间盐湖增加储水量估算, 盐湖溃决后每年流出的水量将是目前卓乃湖每年流出水量的6倍左右, 这一水量对冲沟的侵蚀作用应该强于卓乃湖区。溃决后每年洪水对下游的冲蚀作用, 正是盐湖溃决所面临的主要问题。

4 结论

本文根据野外考察资料对卓乃湖可能的溃决过程和溃决后的影响进行了简要分析, 并对下游盐湖可能的溃决方式进行了分析。本文认为, 卓乃湖的溃决是由于湖区降水增多导致湖水外溢, 冲垮湖堤造成的。卓乃湖溃决后出露湖底成为沙尘暴的策源地, 出露湖底和周边草场形成了大面积的沙漠化区域。随着湖水不断排出, 洪水对出水口和下游河道进行着持续的冲蚀作用, 一方面导致湖底出露面积进一步扩大, 湖区沙漠化现象加剧, 另一方面导致下游河道侵蚀加深加宽, 对区域地的破坏进一步加强。对比卓乃湖区地形条件和水平衡特征, 盐湖的溃决方式将与卓乃湖类似, 洪水对下游的破坏作用要大于库赛湖区和海丁诺尔湖区。同时由于盐湖每年可排出的水量大于卓乃湖区, 当盐湖溃决后, 后期洪水对河道的冲蚀作用要大于卓乃湖区。

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