巴丹吉林沙漠位于中國西北部季風(fēng)邊緣區(qū)，以其高大沙山和湖泊共存的地貌景觀而聞名。一百多個(gè)不同大小，不同礦化度的湖泊分布在沙漠東南部高大沙山低地。因沙漠內(nèi)沒有地表徑流，有限的降水不足以平衡湖面巨大的蒸發(fā)量而維持湖泊的存在，湖泊主要接受地下水補(bǔ)給。然而，沙漠內(nèi)地下水的來源一直存在爭議，地下水對湖泊的補(bǔ)給量仍然未知。

中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院趙暉團(tuán)隊(duì)對巴丹吉林沙漠4個(gè)湖泊水位和水溫進(jìn)行了近4年的連續(xù)觀測，結(jié)合沙漠內(nèi)實(shí)測降水量和湖面蒸發(fā)量，根據(jù)水量平衡估算了沙漠內(nèi)地下水凈補(bǔ)給量，并根據(jù)地下水凈補(bǔ)給量的變化規(guī)律和湖泊水溫的季節(jié)性異常變化分析了沙漠內(nèi)地下水和湖水的補(bǔ)給來源。

該項(xiàng)成果以“Ground water net discharge rates estimated from lake level change in Badain Jaran Desert, Northwest China”為題，發(fā)表在《中國科學(xué)：地球科學(xué)》英文版上。

研究發(fā)現(xiàn)，巴丹吉林沙漠不同湖泊有相同的季節(jié)水位變化(圖1a)。其變化主要受季節(jié)性蒸發(fā)和地下水補(bǔ)給相對變化調(diào)控。在4-10月，蒸發(fā)大于地下水補(bǔ)給，湖泊水位下降；10月至次年4月，蒸發(fā)小于地下水凈補(bǔ)給，湖泊水位升高。4個(gè)檢測湖泊水位的年變化幅度在0.23-0.40m之間，大湖的水位變化幅度較小，小湖的水位變化幅度較大。同一個(gè)湖泊不同年份水位到達(dá)最高值和最低值的時(shí)間基本相同，不同湖泊最值出現(xiàn)的時(shí)間存在差異(圖1a)。圖1? 巴丹吉林沙漠湖泊水位(a)和水溫(b)隨時(shí)間變化沙漠內(nèi)湖水的溫度總體變化與氣溫相同，但是部分湖泊水溫在冬春季異常升高，明顯高于同時(shí)期的氣溫和其他湖泊水溫(圖1b虛線框部分)。湖水溫度異常升高在夏季部分時(shí)段也偶有出現(xiàn)(圖2c黃色陰影部分)。湖水溫度異常暗示沙漠內(nèi)湖泊接受深層地下熱水的補(bǔ)給，但是其補(bǔ)給量有季節(jié)變化，在冬春季節(jié)補(bǔ)給量較大，在夏秋季節(jié)間歇補(bǔ)給湖泊，補(bǔ)給量較小。應(yīng)用水量平衡法，計(jì)算沙漠內(nèi)地下水對湖泊的凈補(bǔ)給量，除了在降雨當(dāng)天地下水凈補(bǔ)給量出現(xiàn)負(fù)值(湖水位短暫高于地下潛水位)，其余時(shí)間地下水凈補(bǔ)給量為正值，說明沙漠地下水持續(xù)補(bǔ)給湖泊。沙漠內(nèi)地下水補(bǔ)給湖泊的凈補(bǔ)給量在強(qiáng)降水后1-2天有明顯升高(圖2)，指示沙漠內(nèi)強(qiáng)降水可以補(bǔ)給潛水。文中所觀測的4個(gè)湖泊的地下水凈補(bǔ)給量變化相似，說明湖泊有相同的補(bǔ)給機(jī)制；但是不同湖泊的補(bǔ)給量存在差異，地下水對幾個(gè)湖泊的平均凈補(bǔ)給量范圍在1.79-3.06mm/d。圖2 ?典型時(shí)段湖水水位、湖水溫度、地下水凈補(bǔ)給量、氣溫和降水量的日變化。(a)波爾宗圖；(b)諾爾圖；(c)伊和吉各德沙漠湖泊水位除了表現(xiàn)出季節(jié)波動，還表現(xiàn)出日周期和半日周期的水位波動(圖3)。湖水水位每天7時(shí)至14時(shí)，21時(shí)至次日2時(shí)上升，其余時(shí)間下降，湖水水位日變化幅度為10mm左右，遠(yuǎn)大于其蒸發(fā)量(圖3)。與湖泊水位變化相同，地下水凈補(bǔ)給量也表現(xiàn)出日周期和半日周期的變化。在7時(shí)至14時(shí)，21時(shí)至次日2時(shí)地下水凈補(bǔ)給量為正值，其余時(shí)間為負(fù)值。地下水凈補(bǔ)給量周期性的正負(fù)變化說明湖水與地下水有日周期和半日周期時(shí)間尺度的水分交換。湖水水位日變化幅度超過蒸發(fā)量約5倍，推測這種湖泊水位日周期和半日周期變化應(yīng)受固體潮作用控制。圖3 ?湖水水位和地下水凈補(bǔ)給的小時(shí)變化，數(shù)據(jù)為連續(xù)無降水的夏季6日平均值。(a)波爾宗圖；(b)諾爾圖；(c)伊和吉各德應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)方法(EMD)分析觀測期內(nèi)湖泊水位和降水的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)幾個(gè)被觀測湖泊水位與降水變化趨勢一致，在觀測期內(nèi)總體上升，上升幅度大約在1.80-2.4 cm/a之間變化。說明在當(dāng)前的自然條件下，湖泊水基本保持平衡，水分收入略大于支出。但是，從2016年開始，伊和吉格德湖泊水位出次級波動(圖1a虛線框)，水位總體呈現(xiàn)出下降的趨勢(圖4)，可能是該湖泊的地下水補(bǔ)給狀況發(fā)生變化所致，補(bǔ)給狀況發(fā)生改變的原因需要進(jìn)一步研究。圖4 湖水水位和降水變化趨勢

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Wang X F, Zhao H, Sheng Y W, Geng J W, Wang K Q, Yang H Y. 2019. Groundwater net discharge rates estimated from lake level change in Badain Jaran Desert, Northwest China. Science China Earth Sciences, https://doi.org/10.1007/s11430-019-9533-8

總結(jié)

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