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青藏高原湖泊快速扩张引发大规模的流域重组

  在气候暖湿化背景下,青藏高原特别是羌塘内流区的湖泊总体呈现快速扩张趋势。现有研究主要关注湖泊面积、水位、水量、水质等要素的变化特征及其驱动机制,较少涉及湖泊扩张对流域地貌形态和水系拓扑关系的反馈影响。针对这一问题,宋春桥研究员课题组联合国内外多家科研机构合作者,结合多年野外调查和多源遥感数据开展深入研究。 

  研究发现:随着水位的快速上升,部分湖泊已从原有湖盆溢出,进而改变了湖盆间的水文连通性,并引发了大规模的水系流域重组织。近期,相关研究成果发表于地球科学领域权威期刊Geophysical Research Letters(Nature index源期刊)和地貌学领域重要刊物Geomorphology,刘凯博士为论文第一作者。 

1. 青藏高原湖泊扩张驱动下流域重组的概念模型、已发生区域及未来预测情景 

  本研究首先研发了面向湖泊间汇流关系的青藏高原内流区流域自动划分算法,利用该方法并结合多源多时相遥感观测,探测到2000-2018年期间青藏高原内流区共发生了11起流域水系拓扑关系改变与重组事件,共涉及24个内流湖盆,总面积约6.1万平方千米 (1)。该现象表现出两种不同演化模式:(1)合并型水系流域重组织,即空间邻近的两个终端湖随着水位上涨,越过两者间分水岭并最终合并为一个大湖;(2)溢出型水系流域重组织,即湖泊溢出后,因距离和水位差的原因无法合并为一个统一大湖,而是形成了上下游的汇流关系。 

2 扎日南木错流域已发生的水系流域重组织事件的水文地貌过程 

  水系流域重组织的发生对湖泊自然演化过程和湖泊周边水文环境造成了显著影响。如扎日南木错2017年以来的快速扩张部分可解释为其北部的蔡几错发生了溢出,并通过新形成的水系成为扎日南木错的上游补给湖。汇水区域的扩大从而加速了扎日南木错的扩张,并对其周边草场、村镇以及公路等造成了威胁。此外,水系流域重组织事件并不局限于内流湖盆间,当封闭湖泊溢出、突破现有分水岭并汇入外流流域,还将引发内外流域空间范围的转变,对河源区的流域地貌整体格局与水文过程产生重要影响。如2011年发生的卓乃湖溃决引发了一系列的流域重组事件,最终导致了盐湖的快速扩张并逐渐逼近内外流区的分水岭。2019年通过人工修筑水渠的方式实现了盐湖与长江流域清水河的相连,短期内消除了盐湖因为溢出乃至溃决而威胁青藏铁路的可能性。同时,水文连通性的改变也造成长江河源区吞并了盐湖所在内流河湖系统,总计溯源了约8400 km2,而新形成的河道在长度上已超过了长江北源楚玛尔河的长度(图3)。 

3 基于HiPIMS模型的盐湖溢出或溃决的过程模拟及其连通清水河后长江河源区流域水系格局 

  考虑到青藏高原暖湿化趋势在较大概率上还将持续,本研究还结合湖泊水量变化速率和湖盆地貌形态,对该区域未来潜在发生的水系流域重组织事件进行了时空预测。结果显示:假设该区域湖泊将持续21世纪初以来的水量变化速率,预计截止2030年羌塘内流区还将发生11起流域重组事件。对于潜在发生水系流域重组织区域需要加强观测,特别是关注突发性事件(如湖泊溃坝、冰川崩塌等)导致的流域重组可能进一步引发水文地质灾害和生态风险。 

  本研究为深入理解青藏高原湖泊对气候变化的响应特征及其潜在影响提供了新的支撑案例。同时,研究揭示的青藏高原内流区正在发生的大区域、高频次的水系流域重组织方式也是对传统研究关注地质年代以河流袭夺为标志的流域重组事件的重要补充。以上研究得到了中科院战略性先导科技专项、第二次青藏高原综合科学考察研究专项和国家自然科学基金项目等的资助。  

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