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巴丹吉林沙漠湖泊水位变化及地下水净补给量
以下文章来源于中国科学杂志社 ，作者中国科学地球科学
巴丹吉林沙漠位于中国西北部季风边缘区，以其高大沙山和湖泊共存的地貌景观而闻名。一百多个不同大小，不同矿化度的湖泊分布在沙漠东南部高大沙山低地。因沙漠内没有地表径流，有限的降水不足以平衡湖面巨大的蒸发量而维持湖泊的存在，湖泊主要接受地下水补给。然而，沙漠内地下水的来源一直存在争议，地下水对湖泊的补给量仍然未知。
中国科学院西北生态环境资源研究院赵晖团队对巴丹吉林沙漠4个湖泊水位和水温进行了近4年的连续观测，结合沙漠内实测降水量和湖面蒸发量，根据水量平衡估算了沙漠内地下水净补给量，并根据地下水净补给量的变化规律和湖泊水温的季节性异常变化分析了沙漠内地下水和湖水的补给来源。
该项成果以“Ground water net discharge rates estimated from lake level change in Badain Jaran Desert, Northwest China”为题，发表在《中国科学：地球科学》英文版上。
研究发现，巴丹吉林沙漠不同湖泊有相同的季节水位变化(图1a)。其变化主要受季节性蒸发和地下水补给相对变化调控。在4-10月，蒸发大于地下水补给，湖泊水位下降；10月至次年4月，蒸发小于地下水净补给，湖泊水位升高。4个检测湖泊水位的年变化幅度在0.23-0.40m之间，大湖的水位变化幅度较小，小湖的水位变化幅度较大。同一个湖泊不同年份水位到达最高值和最低值的时间基本相同，不同湖泊最值出现的时间存在差异(图1a)。
图1 巴丹吉林沙漠湖泊水位(a)和水温(b)随时间变化
沙漠内湖水的温度总体变化与气温相同，但是部分湖泊水温在冬春季异常升高，明显高于同时期的气温和其他湖泊水温(图1b虚线框部分)。湖水温度异常升高在夏季部分时段也偶有出现(图2c黄色阴影部分)。湖水温度异常暗示沙漠内湖泊接受深层地下热水的补给，但是其补给量有季节变化，在冬春季节补给量较大，在夏秋季节间歇补给湖泊，补给量较小。
应用水量平衡法，计算沙漠内地下水对湖泊的净补给量，除了在降雨当天地下水净补给量出现负值(湖水位短暂高于地下潜水位)，其余时间地下水净补给量为正值，说明沙漠地下水持续补给湖泊。沙漠内地下水补给湖泊的净补给量在强降水后1-2天有明显升高(图2)，指示沙漠内强降水可以补给潜水。文中所观测的4个湖泊的地下水净补给量变化相似，说明湖泊有相同的补给机制；但是不同湖泊的补给量存在差异，地下水对几个湖泊的平均净补给量范围在1.79-3.06mm/d。
图2 典型时段湖水水位、湖水温度、地下水净补给量、气温和降水量的日变化。(a)波尔宗图；(b)诺尔图；(c)伊和吉各德
沙漠湖泊水位除了表现出季节波动，还表现出日周期和半日周期的水位波动(图3)。湖水水位每天7时至14时，21时至次日2时上升，其余时间下降，湖水水位日变化幅度为10mm左右，远大于其蒸发量（图3）。与湖泊水位变化相同，地下水净补给量也表现出日周期和半日周期的变化。在7时至14时，21时至次日2时地下水净补给量为正值，其余时间为负值。地下水净补给量周期性的正负变化说明湖水与地下水有日周期和半日周期时间尺度的水分交换。湖水水位日变化幅度超过蒸发量约5倍，推测这种湖泊水位日周期和半日周期变化应受固体潮作用控制。
图3 湖水水位和地下水净补给的小时变化，数据为连续无降水的夏季6日平均值。(a)波尔宗图；(b)诺尔图；(c)伊和吉各德
应用经验模态方法(EMD)分析观测期内湖泊水位和降水的变化趋势，发现几个被观测湖泊水位与降水变化趋势一致，在观测期内总体上升，上升幅度大约在1.80-2.4 cm/a之间变化。说明在当前的自然条件下，湖泊水基本保持平衡，水分收入略大于支出。但是，从2016年开始，伊和吉格德湖泊水位出次级波动(图1a虚线框)，水位总体呈现出下降的趋势(图4)，可能是该湖泊的地下水补给状况发生变化所致，补给状况发生改变的原因需要进一步研究。
图4 湖水水位和降水变化趋势
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
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