庫雷-楚佳古堰塞湖的湖岸堤反映的湖面波動歷史

姜勝凡，劉維明，賴忠平

庫雷-楚佳古堰塞湖的湖岸堤反映的湖面波動歷史

姜勝凡1，劉維明2，賴忠平1

（1. 青海師范大學地理科學學院，西寧 810008；2.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所山地災害與地表過程重點實驗室，成都 610041）

阿爾泰山高能洪水是地球上已知的最大的陸地淡水排放，洪水起源于庫雷-楚佳盆地，至少發生過3次規模較大的高能洪水，卡通河下游廣泛存在的洪水沉積物和庫雷-楚佳盆地內的沙波等洪水沉積物，提供了大量的洪水證據。同時盆地內廣泛存在大量的湖岸堤，如庫雷盆地東南部和楚佳盆地北部，表明了庫雷-楚佳冰堰湖復雜的湖面波動歷史。本研究利用遙感解譯、ArcGIS工具和Python編程對盆地內的湖岸堤進行海拔標定和庫容計算，共解譯湖岸堤123級，其中，楚佳盆地湖岸堤75級，庫雷盆地55級，第一級湖岸堤海拔1534m，庫容3.64km3；最高湖岸堤海拔2112m，代表湖泊的歷史最高水位，庫容691.322km3。

庫雷-楚佳古堰塞湖；湖岸堤；遙感解譯；庫容；晚更新世

目前，已發現的高能洪水事件主要由北半球高緯地區末次冰期大陸冰蓋邊緣的冰緣湖泊和冰川堰塞湖潰決或者溢流形成。北美地區晚威斯康星冰期（MIS 2），北美科迪勒拉（Cordilleran）冰蓋分別堵塞克拉克福特河和哥倫比亞河形成密蘇拉古湖和哥倫比亞古湖，前者壩體處水深約619～640m，庫容達2200～2600 km3（Hanson, M. et al.,2012），約23～19ka BP后（Benito and O'Connor, 2003；Clague et al.， 2003；Lopes and A.C. 2009），開始反復堵潰40有余次（Atwater, 1984; Atwater, 1987; Smith, 1993, 2006;Waitt, 1985.，極少數潰決洪水的峰值流量可達10×106m3/s(Benito and O'Connor, 2003; Denlinger and O'Connell, 2010)。MIS 2后期，勞倫泰德（Laurentide）冰蓋消融導致其西部邊緣發育巨型湖泊——阿加西古湖（Agassizlake），最大面積與庫容高達841000 km2和163000 km3，多次發生溢流，最大洪峰流量達5×106m3/s(Teller, 2017; Leverington et al., 2002; Fisher, 2020)。

高能洪水的研究起始于19世紀中期，學者無法用傳統學說解釋北美哥倫比亞高原廣泛分布的巨型“漂礫”和基巖峽谷，將其歸因于“諾亞”大洪水，引起了極大的爭議。此后，學者逐漸發現末次冰期時北半球高緯地區大陸冰蓋邊緣發育大量的冰緣湖泊和冰川堰塞湖，其潰決或者溢流可頻繁誘發異常大洪水。它們的洪峰流量多超過100萬m3/s，Baker以此定義了高能洪水。高能洪水全球氣候和區域地貌演化產生深遠的影響。目前，已有案例中以阿爾泰和米蘇拉古洪水的規模最大，洪峰流量高達10×106m3/s。

高能洪水的重建多是利用其沉積體標記洪水位，學者也構建了冰川堰塞湖潰決數值模型計算高能洪水的演進，輔以沉積證據的驗證。冰川堰塞湖庫容通常是利用堰塞湖庫區湖岸線獲得，且潰壩模型也是基于冰壩瞬間垮塌的假設。但是，以阿爾泰庫雷-楚佳古湖為例，其湖岸堤普遍發育于其湖盆1600～2100m范圍內的不同海拔高度，可能代表了冰川堰塞湖的消失為復雜過程，并非瞬間潰決的單一模式。而且，庫雷-楚佳古湖已發現三次潰決事件，不同潰決事件之間堰塞湖水位的演化過程依然缺失。湖岸堤可很好的記錄湖泊演化過程中湖面水位的變化，是湖泊變遷歷史以及不同時期古湖面高程的直接證據(Carling, 2011)。本文通過遙感影像提取了庫雷-楚佳湖盆的古湖岸堤，嘗試解釋該冰川湖水位的變化過程。

庫雷楚佳盆地在晚更新世由于冰川擴張形成冰川堰塞湖，發育并保存了大量湖岸堤，其中以庫雷盆地東南部和楚佳盆地西北部最為明顯。前人曾對庫雷楚佳古堰塞湖湖岸堤進行了研究(O’Connoret al.2002;Carling, 2011)，認為在庫雷盆地東南緣湖岸堤的形成過程中湖泊水位是逐漸下降的(Carling et al., 2011)，但對于盆地其他地方的湖岸堤并沒有相關的湖面波動描述。

庫雷楚佳古堰塞湖是阿爾泰大洪水的發源地，阿爾泰大洪水主要發生在28～15ka之間(Herget et al.,2020)，洪水流量峰值約為10×106m3/s(Carling et al., 2010;Bohorquezet al., 2019;Bohorquez et al., 2015.) 。堰塞湖內的湖岸堤能與下游的洪水沉積以及湖泊內的洪水沉積等證據對比(Herget et al.,2020)，對高能洪水的規模和時間進行佐證(Agatovaet al.,2020)，同時也能為古湖面的波動歷史和湖泊的發育過程提供證據。國內外關于庫雷-楚佳古堰塞湖的湖岸堤的研究比較缺乏，只是給出了湖岸堤范圍（1600～2100m）(Carling et al., 2011)，并沒有對整個庫雷楚佳盆地的湖岸堤進行完整的湖岸堤海拔提取，也沒有對各處的多級湖岸堤進行分級的嘗試；也有一些研究(Carling et al., 2011;Herget et al.,2020;Agatovaet al.,2020)，對部分湖岸堤的測年工作,如楚佳盆地東南邊緣海拔2100m的湖岸堤（49.75°N，89.10°E）(Herget et al.,2020)，楚佳盆地西部查干烏贊村東南海拔1950m的湖岸堤（50.02°N，88.35°E）(Carling et al., 2011)，庫雷盆地東南緣海拔1650m的湖岸堤（87.98°N，50.15°E）(Agatovaet al. ,2020)等；對湖岸堤進行海拔標定和分級，從而計算各級湖岸堤所對應的古湖面的庫容信息，有助于解釋庫雷-楚佳古堰塞湖的多次高能洪水事件的規模，也能為庫雷-楚佳古堰塞湖的湖面波動歷史研究提供幫助。

圖1 庫雷楚佳古堰塞湖概況圖

本研究嘗試通過基于Google Earth高分辨率遙感影像的目視遙感解譯方式，盡可能多地識別和分辨庫雷-楚佳古堰塞湖的湖岸堤，并對每一級湖岸堤進行庫容計算，對應數次高能洪水流量，為以后阿爾泰山野外考察提供數據基礎和重點區域標識，并探索庫雷楚佳冰川堰塞湖的湖面波動歷史。

2 研究區概況

阿爾泰山位于西伯利亞南部，中亞造山帶北部，自東南向西北延伸超過1500km，跨越蒙古、中國、哈薩克斯坦和俄羅斯邊界，呈西北寬東南窄，東南高西北低的楔形，海拔范圍400～4000m，是北冰洋與中亞內陸流域的全球分水嶺的一部分。庫雷-楚佳盆地位于亞歐大陸內陸，屬于典型的大陸性氣候，年平均氣溫-5.2℃，盆地底部年平均降水量小于200mm，存在永久凍土層。水汽輸送主要來源為大西洋，由于還受蒙古的反氣旋的主導影響，往東南方向，氣候逐漸變干旱,年平均降水量沿西北-東南走向明顯減少，且由于垂直地帶性的影響，隨著高度上升，降雨顯著增多；植被方面，楚佳盆地西部的山區中的森林呈島狀分布，而盆地東部則沒有森林；平坦的地區被干旱高山草原覆蓋，隨著海拔逐漸升高，植被更迭為高山苔原和凍原苔草，最終植被完全消失，地表被冰川覆蓋（Carling et al., 2011；.Carling et al., 2002;Reuther et al., 2006;Agatova et al., 2014.）（圖1）。

晚更新世發源于庫雷-楚佳盆地的洪水從冰堰湖涌出，沿楚佳河谷匯入卡通河，然后順著鄂畢河北流，最后匯入北冰洋。冰川學研究表明，庫雷-楚佳盆地西部的阿克塔什鎮附近，在那里三個巨大的冰川在晚更新世堵塞了庫雷-楚佳盆地唯一的排水出口，截留了上游的降水和冰川融水，形成了庫雷-楚佳古堰塞湖。庫雷-楚佳盆地被海拔3500～4200m的高山所包圍，其中楚佳盆地湖盆海拔1750～2000m，庫雷盆地湖盆海拔1470～1600m；庫雷盆地和楚佳盆地由狹長的查干烏贊河谷相連。

圖2 湖岸堤鳥瞰圖及細部圖

a.庫雷盆地東南部湖岸堤鳥瞰圖； b. 湖岸堤解譯示意圖；a點處為湖岸堤；c.湖岸堤細部圖( Carling et al.,2011 )； d.庫雷盆地東南部湖岸堤遙感解譯

3 數據及研究方法

湖岸堤會在基巖、崩積物、河流階地和山前洪積扇上形成。湖岸堤大都分為階地面（tread）和階地陡坎（riser）兩部分。湖岸堤本身有高程差別，解譯過程中統一選取湖岸堤階地面前緣作為湖岸堤遙感解譯標準，同時，一條湖岸堤由侵蝕作用存在高差上的起伏變化(Carling et al. ,2009:)，選取湖岸堤高度的最大值作為同一條湖岸堤的海拔，因為這表明該湖岸堤在此高度存在過，進一步證明有一個穩定的古湖面在這個高度存在過。通過統一解譯標準和海拔標定標準，減小研究過程中的湖岸堤海拔誤差（圖2b）。部分地方湖岸堤十分密集且高差較小（圖2a），結合影像數據和實際情況，本研究認為，海拔差距小于2m的湖岸堤為同一級湖岸堤。采用SRTM 30m數據（https://search.earthdata.nasa.gov/search）進行湖岸堤的海拔標定、分級以及庫容計算。遙感解譯工作主要在Google Earth中進行，數據處理工作主要在ArcGIS環境下進行，最后在表格中生成庫容曲線和每一級湖岸堤所對應的庫容柱狀圖。

圖3 庫雷楚佳盆地湖岸堤區域標號

（a：庫雷盆地南側 b：出價盆地西部和北部 c：楚佳盆地東部）

4 結果

湖岸堤在庫雷-楚佳盆地分布廣泛，其中庫雷盆地主要集中在盆地東南緣（KS，詳見圖3a），盆地北部也有部分湖岸堤存在，主要集中在高海拔處（KN1，KN2）；楚佳盆地的湖岸堤主要分布在盆地北部（CW1-7，詳見圖3b），在盆地四周其他地方也有分布（CE1 ，CE 2， CE 3， CE 5 ，CE 11-17，詳見圖3c）。楚佳盆地共解譯湖岸堤73級，海拔1798～2112m，分級詳情見圖4。庫雷盆地共解譯湖岸堤55級，海拔1534～2112m，其中東南緣湖岸堤海拔1534～1689m，北緣1658～2112m，但1856～1960m之間未發現湖岸堤，庫雷盆地分級詳情見圖5，庫雷-楚佳盆地湖岸堤庫容與海拔的對應關系見圖6。

庫雷-楚佳古堰塞湖共解譯湖岸堤123級，第一級湖岸堤1534m，湖泊庫容僅3.64km3；最高湖岸堤海拔2112m，代表湖泊的歷史最高水位，庫容691.322km3。其中庫雷盆地和楚佳盆地存在同海拔湖岸堤七級：第53級湖岸堤海拔1824m，庫容108.85km3；第63級1856m，庫容144.428 km3；第90級1959m，庫容307.647 km3；第94級1980m，庫容350.755 km3；第110級2063m，庫容552.863 km3；第112級2073m，庫容580.098 km3；第123級2112m，庫容691.322 km3（圖6）。

表1 第四紀冰期劃分對照表（參考Agatova, et al.2020；易朝路等，2005）

在庫雷-楚佳盆地下游的印加河和卡通河交匯處，P.carling等人(Herget et al.,2020)發現了礫石層與湖相沉積交錯排列的沉積地貌特征（#1-4），其中的湖泊沉積是高能洪水爆發后在下游形成的次生湖泊，代表阿爾泰山三次高能洪水，其中，#1，#2，#3是次生湖泊的湖相沉積，利用光釋光測年得到，最上層的湖相沉積#1為15400a±700a；中間層#2為21100a±1200a；最下層湖相沉積#3樣品年代為24000a±1600a，次生湖泊的形成略晚于高能洪水爆發的時間；#4的懸浮質礫石層位于樣品#2和#3之間，14C測年結果28160a-26580a cal BP；樣品#5是洪水過程中被侵蝕的基巖面，宇宙成因核素測年結果為17100a±1100a，經過修正后為19ka左右[34]；樣品#6是卡通河西岸支流處的湖相沉積，年代19700a±2300a；樣品#7是樣品#6上的河流相沉積，光釋光測年結果18300a±1500a；樣品#8是洪水過程中的大圓石沉積，宇宙成因核素測年結果14970a±850a。通過這些年代學資料，可以得出結論：阿爾泰山高能洪水大致的年代范圍是28～15ka，冰堰湖在MIS 2形成，更早的湖泊證據不足，15ka之后殘余較小規模的湖泊，但水量不足以形成高能洪水，這也是被比較被認同的觀點(Herget et al.,2020)。

圖4 楚佳盆地湖岸堤分級

圖5 庫雷盆地南側湖岸堤分級

5 討論

庫雷-楚佳堰塞湖的形成原因是阿克塔什鎮附近的冰川堵塞了楚佳河的河道，但是冰川堵塞河道的具體時間仍然未知，這與更新世的阿爾泰山冰期有關。關于阿爾泰山冰期的不同解讀關系到冰堰湖的排水過程，也關系到冰堰湖的湖岸堤形成過程，現如今最被廣泛接受的觀點（表1）是末次冰期是阿爾泰山更新世中規模最大的冰期，阿爾泰山大洪水事件主要發生在該時期，28～15ka之間，即MIS 2階段，共發生過至少三次規模較大的潰決洪水，并通過水文模擬得出結果，要發生足以改造之前已形成的巨型沙壩的高能洪水，古湖面高度至少達到1650m的高能洪水(Agatovaet al. ,2020)。

圖6 庫雷-楚佳堰塞湖湖岸堤海拔與庫容的對應關系

圖7 庫雷-楚佳盆地下游部分年代學樣品位置圖（參考Herget et al.,2020）

冰壩垮塌導致庫雷楚佳冰川堰塞湖發生高能洪水(Agatova et al. ,2020)，但同時庫雷-楚佳盆地存在證明湖泊水位突降的礫石組成的巨型沙波和證明湖泊波動和水位緩慢下降的密集的湖岸堤，盆地下游還有懸浮質礫石和次生湖泊沉積作為洪水證據，這些證據表明，庫雷-楚佳堰塞湖的排水過程是復雜的。Borodavko建立了一個庫雷-楚亞盆地內的湖泊發育動態模型，該模型僅基于湖泊水位而沒有將其與洪水聯系起來(Herget et al.,2020;Andrews et al., 2014)。

但庫雷楚佳盆地同時存在高能洪水和水位緩慢下降兩種排水模式的情況，是值得研究和探討的。在冰壩完全垮塌之前，有以下幾種可能會造成湖泊水位緩慢下降，從而形成湖岸堤：①湖泊每年的蒸發量和降水量都會變化，導致湖泊水位波動，從而導致出現代表不同水位的湖岸堤。②阿爾泰山的氣候影響了庫雷楚佳古堰塞湖的蒸發和降水，從而導致湖泊水位的變化。③冰壩本身是移動的，冰壩在向下游推移的過程中，水位下降；冰壩是有裂縫的，湖泊中的水滲入裂縫中，而冰壩的裂縫時大時小，滲入冰壩中的水也時多時少，湖泊水位因此下降或者上升。④冰壩高度是變化的，湖泊的最高水位只能到達和冰壩一致的高度，所以冰壩高度上升時，湖泊水位會上升，冰壩高度下降時，湖泊水位會下降。

在一次高能洪水周期中，以上情況在任意時刻都有可能發生；而在每次潰決洪水事件之后，冰川前進重新堵塞河谷，湖泊重新蓄水形成一個規模足以發生高能洪水的新湖泊(Andrews et al., 2014)。1650m處的浪成壩體和湖岸堤也表示曾經有一個湖泊在18ka左右長期穩定存在過(Agatovaet al. ,2020)，而且從#9和#12，#13的年代來看，1570m的湖相沉積和1650m的湖岸堤是同一時期的(Agatovaet al. ,2020)，這也證明庫雷盆地在這之后，經歷了一次高能洪水，但此時的湖泊庫容僅24km3左右，且湖泊位于庫雷盆地內。

由圖9可以看出，在庫雷楚佳盆地1534～2112m的海拔范圍內均有湖岸堤發育。有關達里湖（劉瑾等，2016）和阿拉善高原的古湖泊（李國強等，2019）在有湖岸堤年代學證據的條件下復原的古湖面的研究證明，湖面上升雖然會淹沒了以前低水位時的湖岸堤，但是并沒有將湖岸堤完全破壞，所以庫雷楚佳古堰塞湖水位在上漲堤并不會完全消失。結合上述情況，庫雷楚佳古堰塞湖的湖岸堤是在湖泊多次填充和排水過程中形成的，湖泊的過程中，湖岸經歷了高能洪水事件之后，湖泊在重新充填和非高能洪水的緩慢排水過程中，形成湖岸堤。

在前人的工作中，盆地內的湖岸堤也提供了部分年代學證據，可以用于復原古湖面。庫雷盆地1650m湖岸堤，光釋光測年結果18200a±1100a，代表在這個時間點，庫雷盆地存在過一個湖泊穩定期；楚佳盆地靠近2137m的基準站（N:49.750304°,E:89.103253°）的湖岸堤，海拔2100m左右，代表庫雷-楚佳古堰塞湖潰決之前的最高水位，14C測年結果32190a±260a cal BP；楚佳盆地西側查干烏贊河谷附近（N：50.01659°，E：88.35239°），海拔1944m，宇宙成因核素測年19200a±1800a(Agatova et al., 2020)。結合庫雷楚佳古堰塞湖的已有的年代學證據、洪水證據（圖9）和湖岸堤證據(Carling et al., 2011;Herget et al.,2020;Agatova et al.,2020)，可以對庫雷楚佳古堰塞湖的湖面波動歷史進行初步的還原：庫雷楚佳古堰塞湖在32ka左右湖面曾在1860m（#16）甚至更低海拔到2100m（#10）的范圍內波動(Carling et al., 2011;Herget et al.,2020;Agatova et al.,2020)，于28ka左右發生第一次高能洪水，庫容大約662km3；之后通道關閉，湖泊被填充，湖面超過1900m，上游至少到達楚佳盆地西部，形成楚佳盆地西部海拔1944m的湖岸堤，于20ka左右湖泊再次發生高能洪水；第二次高能洪水后，湖泊再次被填充，湖面重新上漲，庫雷盆地南側1650m湖岸堤（#9）在此次高能洪水之前形成，15ka左右庫雷楚佳古堰塞湖最后一次發生高能洪水；Agatova, A. R(Agatova, et al.2020)認為這是庫雷楚佳古堰塞湖最后一次高能洪水，之后湖面高度不曾超過1650m，該次洪水洪峰流量可達2×106m3/s，水流速度1.9～5.6 m/s，最大弗勞德數為0.06～0.22，最大希爾德數為0.03～0.25，在此之后，庫雷-楚佳古堰塞湖雖然還有殘余湖泊存在，但水量已經不足以發生潰決洪水，樣品（#17）也表明，在全新世早期，庫雷楚佳古堰塞湖依然存在殘余水體并形成湖岸堤；與此同時，herget等人的研究表明，庫雷盆地“湖泊期”結束于9.9±0.3ka(Carling et al., 2011;Herget et al.,2020)，楚佳盆地“湖泊期”結束于8.2±0.2ka (Herget et al.,2020)，并且在7.7 ± 0.6 ka以后，庫雷楚佳盆地再也沒有任何排水特征(Herget et al.,2020)。

圖8 庫雷楚佳盆地各級湖岸堤所對應的海拔高度

但是，庫雷盆地南部的更低海拔湖岸堤和楚佳盆地北側的湖岸堤缺少詳細的年代學證據，且兩盆地之間的河谷在全新世發生了滑坡堵江事件（#14，#15）(Agatova et al.,2020)，楚佳盆地西部形成堰塞湖，這增加了楚佳盆地湖岸堤形成的復雜性和特殊性，所以關于該湖泊的湖面波動歷史還需要更多的研究以提供更為詳細的年代學和地質地貌學資料。

圖9 庫雷楚佳盆地下游的洪水證據

a. 懸浮質礫石層與湖相沉積相間堆疊，樣品#1，#2，#3，#4處，白色箭頭指向湖相沉積；b. 印加河與卡通河交匯處的巨型砂壩（Herget et al., 2020）

6 結論

本研究通過結合遙感目視解譯和ArcGIS軟件的分析工具，對庫雷-楚佳盆地湖岸堤進行了基礎的重建和庫容計算工作，共解譯湖岸堤123級，其中，楚佳盆地湖岸堤75級，庫雷盆地55級，第一級湖岸堤海拔1534m，庫容3.64km；最高湖岸堤海拔2112m，代表湖泊的歷史最高水位，庫容691.322km。庫雷盆地和楚佳盆地存在同海拔湖岸堤七級：第53級湖岸堤海拔1824m，庫容108.85km；第63級1856m，庫容144.428 km；第90級1959m，庫容307.647km；第94級1980m，庫容350.755km；第110級2063m，庫容552.863 km；第112級2073m，庫容580.098 km；第123級2112m，庫容691.322 km。

表2 庫雷-楚佳盆地及下游年代學證據表（參考Carling et al., 2011;Herget et al.,2020;Agatova et al.,2020）

對庫雷楚佳古堰塞湖的湖面波動歷史進行初步還原：庫雷楚佳古堰塞湖在32ka左右湖面曾在1860m（#16）甚至更低海拔到2100m（#10）的范圍內波動，于28ka左右發生第一次高能洪水，庫容大約662km3；之后通道關閉，湖泊被填充，湖面超過1900m，上游至少到達楚佳盆地西部，形成楚佳盆地西部海拔1944m的湖岸堤，于20ka左右湖泊再次發生高能洪水；第二次高能洪水后，湖泊再次被填充，湖面重新上漲，庫雷盆地南側1650m湖岸堤（#9）在此次高能洪水之前形成，15ka左右庫雷楚佳古堰塞湖最后一次發生高能洪水；在此之后，庫雷-楚佳古堰塞湖還有殘余湖泊存在，殘余水體也在低海拔處形成湖岸堤。

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The History of Lake Surface Fluctuations Reflected in the Kulei-Chujia Ancient Dammed Lakeshore Levees

JIANG Sheng-fan1LIU Wei-ming2LAI Zhong-ping1

(1-School of Geographical Sciences, Qinghai Normal University, Xining 810008; 2- Key Laboratory of Mountain Hazards and Surface Processes, Institute of Mountain Hazards and Environment, CAS, Chengdu 610041)

Altay high-energy floods are the largest known land freshwater discharge on the Earth. The floods were started in the Kulei-Chujia basin where there have been at least three large-scale high-energy floods. Widespread flood deposits in the lower Katong River and sand wave and other flood sediments in the Kulei-Chujia basin provides plenty of flood evidence. A large number of lakeshore levees exist widely in the basin which reflects complicated history of lake surface fluctuations of the Kulei-Chujia ancient dammed lake. This study estimates the elevation above sea level and storage capacity of 123 levels of lakeshore levees based on remote sensing interpretation,ArcGIS and Pythonprogramming. The first level of the lakeshore levees is 1534 m above sea level and has a capacity of 3.64 km3and the highest level of the lakeshore levees is 2112 m above sea level and has a capacity of 691.322 km3.

Kulei-Chujia ancient dammed lake; lakeshore levee; remote sensing interpretation; storage capacity; Late Pleistocene

2020-10-10

姜勝凡（1994-），男，山東青島人，碩士研究生，研究方向：環境演變

劉維明(1982-)，男，研究員，碩士生導師，主要從事古災害地貌研究

K903

A

1006-0995（2021）01-0019-08

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.004