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亞洲中部干旱區(qū)的湖泊
在干旱區(qū)水文學(xué)中，湖泊的研究是非常重要的。從生態(tài)學(xué)的角度研究干旱區(qū)的湖泊是20世紀(jì)80年代末90年代初開始探索的[1]。干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊水系是1個(gè)獨(dú)立的自然地理系統(tǒng)[2，3]，要揭示其科學(xué)內(nèi)涵，必須從總體上進(jìn)行國(guó)際性的聯(lián)合研究。1993年起，中、哈(哈薩克斯坦國(guó)家科學(xué)院)兩國(guó)科學(xué)家把亞洲中部(中亞部分)的湖泊作為1個(gè)完整的區(qū)域系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的綜合研究，取得了很好的成果，豐富了生態(tài)循環(huán)的理論。之后，中國(guó)學(xué)者對(duì)我國(guó)干旱區(qū)的湖泊進(jìn)行了觀測(cè)研究[3～10]，證實(shí)了合作研究成果的科學(xué)性和實(shí)用性。
亞洲中部干旱區(qū)咸海地區(qū)居民親眼目睹了咸海的衰亡[1]，羅布泊、艾丁湖、瑪納斯湖、艾比湖、巴里坤湖、博斯騰湖和巴爾喀什湖地區(qū)人民親身經(jīng)歷了生態(tài)與環(huán)境惡化所帶來的災(zāi)難，事實(shí)告訴人們，咸海的消亡完全是人類1手造成的。為了迅速增加中亞棉花灌溉面積，明知咸海正在消亡，仍人為地加強(qiáng)了這1趨勢(shì)。雖然當(dāng)?shù)氐膶＜覍W(xué)者反對(duì)“澆水作業(yè)全面機(jī)械化”，卻被濕潤(rùn)區(qū)來的專家學(xué)者所取代。后者，雖然具有很好的技術(shù)，但對(duì)當(dāng)?shù)貙?shí)際——干旱區(qū)湖泊水生態(tài)學(xué)基本知識(shí)的缺乏……。
咸海的消亡只是世界輿論所注意到的1個(gè)側(cè)面，更糟糕的是中亞經(jīng)受著雙重荒漠化的威脅。其1，來自咸海干涸湖底的有毒鹽類和塵埃微粒。他們被風(fēng)揚(yáng)起并搬運(yùn)到灌溉地及周邊地區(qū)；其2，源于灌溉地本身，地下水位升高，土壤鹽漬化。其結(jié)果是大片的土地被污染，這些土地正逐漸變成荒漠。
歷史教訓(xùn)告誡人們，干旱區(qū)湖泊不同于濕潤(rùn)區(qū)，干旱區(qū)湖泊有其自身的特征，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)其研究，以期能給子孫留下茂盛的草場(chǎng)、清澈的河水和肥沃的土地。
1 干旱區(qū)湖泊水系的獨(dú)特性
近期研究表明，水和其他物質(zhì)1樣在全球循環(huán)的背景下，在各個(gè)地區(qū)實(shí)現(xiàn)區(qū)域性循環(huán)，例如咸海、博斯騰湖、艾比湖等與帕米爾—天山山區(qū)產(chǎn)流系統(tǒng)之間的循環(huán)。這1無地表徑流和地下徑流與全球大洋相通，也不與其他集水區(qū)相連，即無水力學(xué)聯(lián)系的水分循環(huán)的相當(dāng)大部分分布在內(nèi)陸水體流域。特別突出的是分布在地球上最寬的干旱帶的歐亞大陸腹地。這個(gè)地區(qū)又分成若干個(gè)水力學(xué)上互不相通的局部集水區(qū)，其中較大的內(nèi)陸湖有里海、咸海、博斯騰湖、烏倫古湖、瑪納斯湖、巴爾喀什湖、阿拉湖、艾比湖、羅布泊、伊塞克湖、田吉茲湖。湖群有北哈薩克斯坦的謝列特湖群、恰內(nèi)湖群、庫倫達(dá)湖群等。
上述每1個(gè)水域在水文學(xué)上都有自己的水分、能量和其他物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，是1個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水利系統(tǒng)。內(nèi)陸湖流域在陸地上的質(zhì)量、能量交換是具有極大局部性的流域結(jié)構(gòu)。由于局部循環(huán)是在全球循環(huán)的背景下進(jìn)行的，因此，每1個(gè)這樣的流域又是1個(gè)開放的系統(tǒng)。而且擁有自己的徑流形成區(qū)(山區(qū))、自己的水系(天然河流)、自己的尾閭(內(nèi)陸湖水體)以及自己定常的氣流(山谷環(huán)流)。咸海的河川徑流形成區(qū)(產(chǎn)流區(qū))是帕米爾和天山山系，巴爾喀什湖的產(chǎn)流區(qū)是中國(guó)西部天山山脈，博斯騰湖的徑流形成區(qū)是中國(guó)天山南坡，艾比湖和瑪納斯湖是中國(guó)天山北坡和阿拉套山等等。
內(nèi)陸湖流域的山區(qū)與尾閭水體的水力學(xué)聯(lián)系是通過流域水系的子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，故而，子系統(tǒng)賦于內(nèi)陸湖流域以獨(dú)特的屬性。與此同時(shí)，在各自水系內(nèi)實(shí)現(xiàn)直接的質(zhì)量、能量交換。河川徑流是液態(tài)徑流、固態(tài)徑流、離子徑流和生物原徑流的復(fù)合徑流。河流帶給尾閭(內(nèi)陸湖水體)的不僅是水，而且還有泥沙，特別是富營(yíng)養(yǎng)化的淤泥，集水面淋溶的鹽類，生物殘?bào)w(水中棲生魚類的餌料)等。流域的反向聯(lián)系(湖泊—山區(qū))由恒定的大氣低層風(fēng)來實(shí)現(xiàn)。風(fēng)把水汽攜往山區(qū)，而且還把鹽粒和塵埃微粒、植物花粉、真菌孢子、昆蟲卵搬運(yùn)到山區(qū)。另外，還有動(dòng)物向山區(qū)的垂直遷徙、魚類洄游產(chǎn)卵、候鳥轉(zhuǎn)徙、嚙齒類動(dòng)物和爬行動(dòng)物的大規(guī)模遷居。歐亞內(nèi)陸游牧民族，特別是哈薩克民族的居住地局限于河川流域，夏季牧場(chǎng)在河流上游，冬窩子在下游小湖旁或河流附近。內(nèi)陸湖近岸淺水區(qū)和沿岸濕地是生物群落聚居的中心，那里積累了大量的動(dòng)、植物殘?bào)w，也集中了大量的鹽類。隨著內(nèi)陸湖的水位逐年下降和間歇干涸，這些物質(zhì)逐漸被輸入大氣，其中很大部分被逆向輸往山區(qū)。
亞洲中部干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊徑流形成區(qū)位于帕米爾-天山山系這樣的強(qiáng)烈大陸性氣候區(qū)，因此，有1系列獨(dú)特的水文學(xué)、水文物理學(xué)、水文化學(xué)和水文生物學(xué)性質(zhì)，這就決定了干旱區(qū)湖泊的屬性有別于濕潤(rùn)區(qū)湖泊。由此，筆者認(rèn)為亞洲中部?jī)?nèi)陸湖泊應(yīng)單獨(dú)立類，在濕潤(rùn)區(qū)得出的結(jié)論不適用于干旱區(qū)湖泊。正因?yàn)槿绱�，許多有聲望的學(xué)者對(duì)干旱區(qū)湖泊作總結(jié)性評(píng)價(jià)時(shí)往往失誤。還有1些不為人所知的用濕潤(rùn)區(qū)湖泊的“尺子”為干旱區(qū)湖泊“裁衣”的錯(cuò)誤。
2 干旱區(qū)湖泊的形態(tài)測(cè)量學(xué)特點(diǎn)
干旱區(qū)湖泊的1大特點(diǎn)是水淺而量小，并且形態(tài)復(fù)雜，這1特殊屬性是其成因造成的。干旱區(qū)湖泊大部分都是河流流至廣袤剝蝕盆地中心潴積而成。在其生存的數(shù)千萬年間，逐漸被河流的固態(tài)徑流——泥沙所淤積。強(qiáng)烈的風(fēng)生湖流對(duì)這些泥沙進(jìn)行水力學(xué)分類，并使他們?cè)俣瘸练e。所以湖底地形較為平坦，而湖岸線卻千姿百態(tài)，湖中幾乎都有島嶼或島群。
由表1得知，所有的干旱區(qū)湖泊寬比深大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，其形狀就酷似1個(gè)淺碟子，其中注入淺淺1層水放在開闊的地方。這里經(jīng)常刮大風(fēng)，上下層以及各區(qū)段之間的水得到充分混合。水淺再加上充分地?cái)噭?dòng)，所以在干旱區(qū)湖泊記錄到的垂直方向各個(gè)深度的水溫、礦化度、水流速率等有著驚人的1致性。這就是說，干旱區(qū)湖泊幾乎沒有水溫度的分層現(xiàn)象，不可能觀察到上升流、溫壓、水體富營(yíng)養(yǎng)化(自體中毒)等現(xiàn)象。由于水淺以及水底的摩擦作用，使得干旱區(qū)湖泊不可能出現(xiàn)定振波(又稱“波漾”)這樣的示性現(xiàn)象。
表1 亞洲中部?jī)?nèi)陸湖形態(tài)測(cè)量特征
Tab. 1 Dimensions of some lakes in Central Asia 湖泊名稱 平均水 面積 容積 深度/m
位/m /km[2] /(×10[8]m[3]) 平均 最深部位
咸海 53.0 64000 10600 16 67
巴爾喀什湖 342.0 18000 1000 5.2 26
阿拉湖 347.3 2650 590 22.1 54
博斯騰湖 1048 988 80.4 8.15 16.5
烏倫古湖 482.8 827 60.2 8.0 12
艾比湖 189 1070 7.6 1.4 3.0
3 干旱區(qū)湖泊的風(fēng)生湖流與泥沙沉積規(guī)律
對(duì)于干旱區(qū)內(nèi)陸湖而言，風(fēng)具有極大的意義。在亞洲中部?jī)?nèi)陸湖泊分布區(qū)，常有15m/s以上的大風(fēng)出現(xiàn)，不僅年出現(xiàn)頻率高，而且強(qiáng)度大。例如阿拉湖和艾比湖地區(qū)年平均風(fēng)速6.0m/s，瞬時(shí)最大風(fēng)速55m/s(1977-04)，平均年大風(fēng)日數(shù)超過162d[11]。在氣流與水表層(即“活動(dòng)層”)摩擦力的作用下，形成風(fēng)壓流順風(fēng)移動(dòng)，最終形成：迎風(fēng)岸出現(xiàn)增水現(xiàn)象，增高n，在逆風(fēng)岸(圖1.a)出現(xiàn)減水現(xiàn)象，減退值為no。在深水層形成逆向移動(dòng)的補(bǔ)償流(圖1)。水體深度明顯超過活動(dòng)層，即H≥hak=λ/2，補(bǔ)償流速率微不足道。但是，在淺水水體中補(bǔ)償流可以與風(fēng)壓流相提并論，在水團(tuán)混合中具有積極的作用。
附圖
圖1 風(fēng)成波演變示意圖 (略)
Fig.1 Evolution of the wind-driven lacustrine current
值得1提的是“深”與“淺”是個(gè)相對(duì)觀念，這取決
于風(fēng)成波的波長(zhǎng)，而波長(zhǎng)又體現(xiàn)了風(fēng)速。例如，在巴爾喀什湖和艾比湖水面，幾乎每天都有5m/s以上的風(fēng)。實(shí)測(cè)證明，這樣的風(fēng)可引起高1.0m，長(zhǎng)15m的波。這樣，活動(dòng)層厚度在該風(fēng)成波條件下約為7.5m，比該湖大部分區(qū)段的平均厚度要高得多(表1)。這種情況在干旱區(qū)湖泊中常見，況且這里每年都發(fā)生風(fēng)暴，風(fēng)速達(dá)25～35m/s，波高3.0m以上，波長(zhǎng)在50m以下。
研究資料表明[1]，在淺水水體條件下，也會(huì)發(fā)育補(bǔ)償流，他們主要集中在湖泊中部較深的水域(圖2)，于是在水表層形成獨(dú)特的風(fēng)生湖流(順風(fēng))，占據(jù)近岸淺水地帶，而補(bǔ)償流(逆風(fēng))集中在湖域中部。
附圖
圖2 湖源增減水示意圖 (略)
Fig.2 Water increase or decrease of a lake
從圖3可以看出，風(fēng)生湖流僅局限于該湖各大區(qū)段，而風(fēng)壓流進(jìn)入凹凸湖岸的所有灣汊，使湖灣的水與各區(qū)段的水充分混合。補(bǔ)償流則逆風(fēng)運(yùn)動(dòng)，占據(jù)湖泊中部較深的水域，為各區(qū)段的水交換提供條件，并加深對(duì)深水區(qū)湖底的侵蝕。應(yīng)用類似的數(shù)學(xué)計(jì)算和實(shí)地考察，得知咸海也有3個(gè)局部風(fēng)生湖流區(qū)[1]。
附圖
（該圖系為淺水水體設(shè)計(jì)的2維數(shù)學(xué)模型，并參照該湖大比例尺物理模型的研究成果）
圖3 標(biāo)準(zhǔn)天氣情況下的的巴爾喀什湖風(fēng)生湖流示意圖 (略)
Fig.3 Wind-driven lacustrine current in the Balkhash Lake under normal weather
根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，強(qiáng)盛的風(fēng)生湖流不僅攪動(dòng)水體底部的泥沙，而且還在沿岸作功。風(fēng)成波直接作用于湖(海)岸，磨蝕巖石質(zhì)陡岸，沖蝕砂質(zhì)緩坡(攪動(dòng)泥沙)，沿岸風(fēng)壓流搬動(dòng)攪起的泥沙和崩解的巖屑，使之形成湖底沙堤，由于風(fēng)向以及與此相應(yīng)的風(fēng)壓流流向和速率常常發(fā)生變化，所以水底沙堤的走向和高度經(jīng)常改變，或是1些新的沙堤疊加在原先沉積的沙堤上。結(jié)果，在淺水水體近岸經(jīng)常進(jìn)行著泥沙離析分層和浮選過程，形成具有特征性的千姿百態(tài)的沙嘴、沙堤、水下淺灘以及其他構(gòu)成物。細(xì)顆粒泥沙，如細(xì)沙、粉沙和淤泥則被搬運(yùn)至水體的深水區(qū)，受補(bǔ)償流的支配。當(dāng)水位高時(shí)，上述構(gòu)成物的材料甚豐，不僅有河流搬運(yùn)來的大粒徑泥沙，而且還有陡岸的磨蝕產(chǎn)物以及以前沉積的沿岸沙丘。這些構(gòu)成物隨著水體水位下降和干涸而逐漸露出水面，覆蓋上植被，在風(fēng)的影響下逐漸加高，并向水域擴(kuò)展。陸地范圍逐漸擴(kuò)大，湖岸線向水域方向后撤，屬于這類沿岸構(gòu)成物的有艾比湖的湖心長(zhǎng)堤，博斯騰湖的小湖區(qū)和巴爾喀什湖著名的多薩伊沙嘴等。所有這些都是在湖面高水位時(shí)形成的，在20世紀(jì)50，60年代才開始露出水面。
4 干旱區(qū)內(nèi)陸湖的水化學(xué)過程特點(diǎn)
由于日照較強(qiáng)，內(nèi)陸水體水面蒸發(fā)強(qiáng)烈，這1過程往往又被風(fēng)加劇。例如巴爾喀什湖的蒸發(fā)量為1000～1100mm，艾比湖達(dá)到1200mm，艾丁湖和羅布泊的蒸發(fā)量更大。由于大量的熱量被用于蒸發(fā)，所以水體不致于發(fā)熱，水溫1般不超過23～25℃(表2)，為生物系統(tǒng)所能接受。這1情況制約著內(nèi)陸水體的水化學(xué)性質(zhì)。
表2 中國(guó)干旱區(qū)主要湖泊物理要素
Tab. 2 Physical factors of some lakes in arid areas of China 編 海拔 面積 水深 夏季水 透明度 水面蒸發(fā)
號(hào) 湖名 /m /km[2] /m 溫/℃ /m 量/mm
1 博斯騰湖 1048.0 1160.0 8.1 18.2～19.7 1～2 1140.0
2 柴窩堡湖 1094.0 30.0 4.2 16.3～18.5 1 1319.0
3 巴里坤湖 1581.0 112.15 0.6 19.1～21.5 0.5 1638.0
4 艾比湖 189.0 1070.0 1.5 21.0～25.5 0.3 1315.0
5 艾丁湖 -155.0 245.0 0.6 22.0～25.0 0.3 (2540.0)
眾所周知，濕潤(rùn)區(qū)湖泊，在鹽分濃度較高的(超過10g/L)條件下才出現(xiàn)沉降(自行沉降)過程。然而，在干旱區(qū)內(nèi)陸湖泊，鹽類沉降過程發(fā)生在極小的礦化度條件下。例如，在巴爾喀什湖，碳酸鈣沉降過程甚至發(fā)生在礦化度不超過2.0g/L的湖西區(qū)；碳酸鎂沉降過程(形成白云石)發(fā)生于礦化度不超過5.0g/L的湖東區(qū)；在遠(yuǎn)離湖岸被隔離開的湖灣礦化度為16.0g/L，則進(jìn)行著硫酸鹽和氯化物的沉降過程[1]。又如，當(dāng)艾丁湖水位急劇降低、水質(zhì)礦化度迅速提高時(shí)，碳酸鹽、有害的硫酸鹽、有毒的氯化物同時(shí)沉降堆積。這樣，預(yù)先估計(jì)會(huì)形成的可以覆蓋湖底沉積物使之不被風(fēng)搬運(yùn)走的碳酸鹽殼沒有形成，形成的卻是沼澤鹽土和結(jié)殼膨脹鹽土，這種土質(zhì)寸草不生，極易成為風(fēng)的，甚至是弱風(fēng)的俘獲物。
干旱區(qū)水體鹽類提前沉積的化學(xué)機(jī)理已經(jīng)有人作了研究[12，13]，其機(jī)理是因?yàn)樗w的水淺、日照強(qiáng)烈、氣候干燥、水作垂直運(yùn)動(dòng)等，是地形和氣候因子綜合作用的結(jié)果；濕潤(rùn)區(qū)水體則與之不同，那里的水深，蒸發(fā)量小于降水量，富集溶解2氧化碳，是生物群落生命活動(dòng)的產(chǎn)物，在這種條件下，碳酸鈣下沉?xí)r還沒到水底就與水底升起的2氧化碳發(fā)生作用，生成可溶于水的重碳酸鹽和水分子，正是由于這種獨(dú)特的“鹽類復(fù)原溶解機(jī)制”，使鹽類的濃度不斷提高。
這種“鹽類復(fù)原溶解機(jī)制”不可能產(chǎn)生于干旱區(qū)水體。第1，這里的底棲動(dòng)物和其他生物群并不棲息在水底，而是生活在足以避風(fēng)和避開有害紫外線的淺水彎，因此這里極少生成2氧化碳；第2，由于存在強(qiáng)烈的風(fēng)輸送過程，即便能生成少量的2氧化碳也會(huì)逸失，因此干旱區(qū)水體中的碳酸鈣顆粒和其他沉降的鹽類微粒沉到水底并長(zhǎng)期保持沉積
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