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隊對巴丹吉林沙漠4個湖泊水位和水溫進行了近4年的連續(xù)觀測，結(jié)合沙漠內(nèi)實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)地下水凈補給量，并根據(jù)地下水凈補給量的變化規(guī)律和湖泊水溫的季節(jié)性異常變化分析了沙漠內(nèi)地下水和湖水的補給來源。

該項成果以“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)和地下水補給相對變化調(diào)控。在4-10月，蒸發(fā)大于地下水補給，湖泊水位下降；10月至次年4月，蒸發(fā)小于地下水凈補給，湖泊水位升高。4個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。同一個湖泊不同年份水位到達最高值和最低值的時間基本相同，不同湖泊最值出現(xiàn)的時間存在差異(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給，但是其補給量有季節(jié)變化，在冬春季節(jié)補給量較大，在夏秋季節(jié)間歇補給湖泊，補給量較小。應(yīng)用水量平衡法，計算沙漠內(nèi)地下水對湖泊的凈補給量，除了在降雨當天地下水凈補給量出現(xiàn)負值(湖水位短暫高于地下潛水位)，其余時間地下水凈補給量為正值，說明沙漠地下水持續(xù)補給湖泊。沙漠內(nèi)地下水補給湖泊的凈補給量在強降水后1-2天有明顯升高(圖2)，指示沙漠內(nèi)強降水可以補給潛水。文中所觀測的4個湖泊的地下水凈補給量變化相似，說明湖泊有相同的補給機制；但是不同湖泊的補給量存在差異，地下水對幾個湖泊的平均凈補給量范圍在1.79-3.06mm/d。圖2 ?典型時段湖水水位、湖水溫度、地下水凈補給量、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時至14時，21時至次日2時上升，其余時間下降，湖水水位日變化幅度為10mm左右，遠大于其蒸發(fā)量(圖3)。與湖泊水位變化相同，地下水凈補給量也表現(xiàn)出日周期和半日周期的變化。在7時至14時，21時至次日2時地下水凈補給量為正值，其余時間為負值。地下水凈補給量周期性的正負變化說明湖水與地下水有日周期和半日周期時間尺度的水分交換。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給的小時變化，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?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給狀況發(fā)生變化所致，補給狀況發(fā)生改變的原因需要進一步研究。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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