可可西里鹽湖時空演化規律及漫溢成因分析

摘要：可可西里鹽湖漫溢水流給下游工程設施帶來了較大的安全隱患。通過對鹽湖遙感影像、所在區域氣溫、降雨、地溫，凍土上限變化，漫溢河流水位和流速的監測數據分析，研究了鹽湖時空演化規律、漫溢成因及對下游潛在的安全風險。研究表明：在空間上可可西里鹽湖呈“K-C-O”三階段變化特征，2022年鹽湖面積較2011年增加了3.73倍；時間上表現為明顯的“快-慢”兩階段增長期，快速期增長率為慢速期增長率的2.78倍，鹽湖向下游工程走廊漫溢速率為0.31 km/a；隨著季節性潮漲潮落及流速“峰谷”值變化，給下游橋梁樁基造成了一定的沖刷和熱侵蝕作用；鹽湖漫溢與多年凍土區氣溫、降雨、地溫等因素呈正相關，近30 a氣溫升溫速率為0.052 ℃/a，年均降雨量線性增速為3.09 mm/a，地溫線性升溫速率為0.036 ℃/a，氣候暖濕化特征是造成鹽湖漫溢的主要成因。研究成果可為可可西里鹽湖下游工程防護措施制定提供理論與技術指導。

關 鍵 詞：鹽湖漫溢；鹽湖面積；氣候變化；地溫；可可西里鹽湖；青藏高原

中圖法分類號：P343.3

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.10.017

0 引 言

青藏高原地域廣闊，分布著多種多樣的鹽湖。這些鹽湖大多深居高原腹地或高原盆地之中，以內陸湖為主^［1］，這些湖泊處于動態變化中，受降雨增加影響，近年來，青海南部和西藏東北部地區的鹽湖處于穩定擴張狀態^［2］。鹽湖的擴張會導致高礦化度水流的增加，而高礦化度水流兼具腐蝕性和沖刷作用，對流經區域的公路、鐵路、通訊線路、油氣管線、輸電線路等各類國家重大基礎設施的安全均會構成威脅，也會對該地區生態環境、野生動植物產生不利影響^［2-4］。針對鹽湖面積持續性的增長，研究人員從不同角度進行了探討：杜玉娥等^［5］應用多源衛星資料對鹽湖進行長期持續觀測，分析了鹽湖56 a來的變化趨勢；Zhang^［6］、Baban^［7］等應用衛星遙感影像提取了青藏高原湖泊精確的水位數據，對鹽湖生態信息進行了分類;袁康等^［8］利用2010～2018年青海省可可西里腹地鹽湖的CryoSat-2衛星測高數據和Landsat遙感影像數據，計算并構建庫容關系曲線，結合氣候變化特征進行了驅動力分析；Lu等^［9］利用衛星遙感資料，建立了湖泊變化遙感綜合分析方法;Li等^［10］利用衛星遙感數據，分析了30多年來內陸封閉流域內湖泊變化的時空特征;謝昌衛等^［11］根據野外考察資料對卓乃湖的潰決過程和潰決后的影響進行了研究，并對下游鹽湖可能的潰決方式進行了分析；李琳等^［12］采用多源衛星遙感技術對湖泊面積等水文要素進行監測，分析了湖泊面積與氣象要素、湖泊水量之間的相關性；劉文惠等^［13］分析了鹽湖面積增大的趨勢，利用水庫潰壩預測分析模型，計算了鹽湖溢水潰壩洪峰流量，并提出了防治措施。

國內外學者們通過遙感衛星影像分析，研究了鹽湖面積的變化趨勢，并對鹽湖決堤因素進行了分析，取得了一系列重要的研究成果，但已有研究成果對可可西里鹽湖宏觀時空演化規律研究不夠充分，針對鹽湖漫溢成因也未能進行相關研究工作。漫溢引起的高礦化度水流具有腐蝕性，且由于持續增加的水流勢必對下游道路工程樁基產生沖刷作用，具有較大的安全隱患，亟需在宏觀維度持續監測鹽湖的變化過程。由于可可西里鹽湖地處青藏高原多年凍土區腹地，深受外界環境變遷的影響，近年來青藏高原地區升溫現象明顯，相關數據顯示，近45 a來升溫幅度達到了2.9 ℃，年均升溫速率達到了0.052 ℃/a^［14］。因多年凍土具有溫度敏感性，環境溫濕度的加劇，給周邊鹽湖堤壩穩定性造成了較大的安全隱患，可可西里鹽湖漫溢與環境要素變化存在必然聯系，因此需要從環境變化角度進行分析。

可可西里鹽湖下游為國家進藏大動脈，是中國多年凍土區重要的交通樞紐地帶，開展鹽湖漫溢時空演化規律研究，以及深入探討鹽湖漫溢的成因，對于保障工程廊道、能源通道的安全性具有十分重要的研究意義。基于此，本文收集青藏鐵路沿線風火山觀測站、格爾木市氣象局實測資料，從環境氣溫、降水、凍土上限變化等因素，揭示鹽湖漫溢的根本成因，以期為下游工程防護措施設計提供參考。

1 可可西里鹽湖基本概況

可可西里鹽湖（以下簡稱鹽湖）位于青海省玉樹藏族自治州治多縣西北五道梁鄉西部，位于東經93°42′、北緯35°52′，海拔4 500 m，屬于高寒凍土帶寒冷氣候，湖區附近是荒漠沼澤草原地帶。根據2022年衛星遙感影像分析可知，可可西里鹽湖東西長19.40 km，寬15.06 km，面積191.26 km²，湖盆受大氣降水和地表水補給，湖水化學成分主要為硫酸鹽型、硫酸鎂亞型，湖水含鹽量偏低^［15-16］。

鹽湖下游與工程廊道最近距離為10.63 km，區域內平坦開闊，坡降不足1‰，如圖1所示，受2011年上游卓乃湖決堤影響，湖面面積持續增大，鹽湖水位通過沖溝向下游清水河開始漫溢，水流順著清水河河道將會對下游道路工程產生較大安全隱患。

2 數據來源及監測方案

2.1 鹽湖面積數據處理

本次研究選取了2011～2022年鹽湖面積衛星遙感影像，圖示比例為1∶300，插入AutoCAD軟件，將測量圖像組合形成面域，用area命令法進行計算，可求得鹽湖面積；同時應用比例系數法可求得鹽湖至工程走廊的距離。

2.2 氣象數據來源與處理

中鐵西北科學研究院風火山觀測站地處青藏高原多年凍土區腹地，海拔4 760 m，青海省五道梁氣象站海拔4 600 m，是青海省地區重要的高原寒區氣象站，可可西里鹽湖位置介于五道梁與風火山地區之間，鹽湖的氣象要素采用風火山與五道梁觀測站數據的均值處理，氣象數據采用DZZ4型全自動氣象站。地溫監測數據來源于青藏線多年凍土區監測數據，現場布設深孔地溫監測孔，孔內布設熱敏電阻串，地溫孔布設示意如圖2所示。

2.3 漫溢河流監測方案

為監測漫溢河流的變化情況，分別在河流橋墩及上下游處布設河流水位監測儀，流速儀采用全自動雷達流速儀，共布設3套監測設備，分別布置于橋墩的上游、下游及墩臺處，編號S1、S2、S3。具體布置見圖3。

3 鹽湖漫溢時空變化特征分析

3.1 空間變化分析

3.1.1 上游湖泊面積變化分析

圖4為2011年卓乃湖決堤前后可可西里鹽湖及上游3個湖泊（卓乃湖、庫賽湖、海丁諾爾湖）的面積變化情況。2011年決堤前，最上游卓乃湖面積為270.91 km²，決堤發生后，卓乃湖在水力梯度作用下向下游漫溢，卓乃湖面積逐漸減小，2017年12月面積變化為154.09 km²，而鹽湖面積增大為150.21 km²，卓乃湖下游的庫賽湖面積也逐步擴大，由288.89 km²增大至327.46 km²，到2022年12月鹽湖面積達到180.66 km²。由于在4個湖泊中，鹽湖海拔最低，在水力梯度作用下，決堤后鹽湖成為上游水量最主要的承載體，隨著鹽湖面積的逐步擴大，其溢流勢必會向下游工程廊道漫溢。

3.1.2 鹽湖面積變化情況

截選鹽湖2011年11月、2017年及2022年12月的衛星遙感影像進行疊加，如圖5所示。從圖5可以清晰地看到3個階段鹽湖面積的變化情況，隨著上游湖泊伴隨水力梯度往下游漫溢，鹽湖的面積逐步增大，向四周逐漸擴展，由于東南方向地勢較低，水流向低洼地區流動，導致東南方向成為了漫溢的主要方向，漫溢的河流已經與下游的清水河產生了通道，勢必會增加清水河流量，從而對下游工程a58ln/8QxD3WVBFLTpUrTf+OBAQNLlIzXc8DYozEU6M=廊道橋梁樁基工程造成了沖刷和腐蝕作用，給橋梁帶來一定的安全風險。

由圖6鹽湖面積變化分析可知，鹽湖在空間上具有明顯的向下游（東南方向）漫溢變化的過程，上游卓乃湖決堤前鹽湖所示面積近似“K”形，決堤后鹽湖在水力梯度作用下逐漸擴大，至2012年12月鹽湖產生了明顯的外溢，向4個方位均有擴大的趨勢，鹽湖初步形成“C”形，隨著鹽湖上游水分的持續補給，鹽湖的面積進一步擴大，至2017年12月，鹽湖形成了封閉的“O”形，鹽湖擴大的趨勢開始向下游漫延，至2022年12月鹽湖的面積相較于2017年存在進一步擴張的趨勢，并與下游清水河形成了一條水力通道，鹽湖的水流對下游橋梁樁基產生了一定的沖刷作用，且鹽湖腐蝕性水質也會對樁基產生鹽蝕作用，對下游橋梁帶來了一定的安全風險。

3.2 時間變化分析

圖7為鹽湖面積歷時變化，鹽湖是卓乃湖、庫賽湖、海丁諾爾湖的下游湖，地勢較低，由圖6鹽湖面積變化來看，1989～2022年呈明顯的增加趨勢，由上游卓乃湖決堤前的48.45 km²，增加至2022年的180.66 km²，2011～2022年間面積增大速率為12.02 km²/a，面積累計增加了132.21 km²，增大率為272.88%，面積增大為決堤前的3.73倍。

在卓乃湖決堤前后鹽湖面積產生了較大的變化，2011～2017年為快速增長期，2011年上游湖決堤前為48.45 km²，2017年面積增大為150.21 km²，鹽湖年平均增長率為16.96%；2017～2022年為慢速增長期，由2017年的150.21 km²，增大為2022年的180.66 km²，鹽湖年均面積增長率為6.09%，快速增長期是慢速增長期的2.78倍。上述兩階段明顯變化是因為在上游湖泊水力梯度作用下，漫溢的水量較大，且鹽湖四周地勢較為平坦，決堤后水位迅速向四周漫溢的趨勢明顯，表現為鹽湖面積較快的增長；當上游湖泊水位逐漸達到了新的水頭平穩，且鹽湖漫溢河流通過水力通道向下游漫溢，鹽湖的面積增長趨勢有所減緩，除此之外，通過人工應急工程干預，增設了漫溢河流通道的導流墻，一定程度上起到了減緩面積進一步擴展的作用。

3.3 邊界漫溢速率

受上游湖泊決堤影響，可可西里鹽湖的面積逐步擴大，呈現明顯的漫溢效應，可可西里鹽湖漫溢隨著時間的推移，逐步向下游清水河大橋趨近發展，由圖8可知，2011年可可西里鹽湖距離清水河大橋最小距離為13.74 km，隨著可可西里鹽湖面積的增大，其最小間距逐步縮小，至2022年距離為10.38 km，距離減小了3.36 km，表明可可西里鹽湖向清水河大橋漫溢了3.36 km，年均推進0.31 km，最小距離相較于2011年，減小了24.46%。

4 漫溢河流水文變化分析

4.1 河流水位

水位變化情況見圖9，根據水位變化情況可以看出，該處河流流水為常流水，即一年中均處于有水流狀態。3處水位監測點變化較為一致，2021年7～12月，水位較為穩定，水位值在0.3～0.4 m區間，2021年12月至2022年3月，水位呈抬升趨勢發展，由0.3 m上升至0.8 m，最高值為0.83 m，2～5月水位處于回落狀態，5月以后則又開始緩慢抬升，3處監測點的常年水位平均值為0.33～0.39 m。常年有水會對地基多年凍土造成較大的熱干擾，同時水流的季節性漲落對橋梁墩臺有一定的沖刷作用。

4.2 河流流速

圖10為河水流速變化，從圖中可以看到水流基本呈上升-下降兩階段趨勢發展，自2022年7月監測以來，水流流速逐漸增大，S1監測點由7月的0.18 m/s逐漸上升至10月的0.52 m/s，流速增大了0.34 m/s，S2監測點由0.09 m/s增大至0.34 m/s，增大了0.25 m/s，此后水流流速呈下降趨勢發展，至2022年11月流速分別為0.50 m/s和0.30 m/s，河流流速的變化對兩側多年凍土層路基造成了較大影響和熱干擾，且對清水河大橋樁基產生一定的侵蝕和沖刷作用。

5 鹽湖漫溢因素相關性分析

可可西里鹽湖漫溢的直接原因是上游卓乃湖決堤，潰堤后水流迅速向下游聚集，由于可可西里鹽湖處于較低地勢，成為上游湖泊溢流最終接受體，鹽湖面積呈持續增加趨勢。而上游湖泊的決堤與青藏高原環境變遷具有密不可分的關系，可可西里地處多年凍土腹地，是青藏高原環境氣候變化的“敏感器”。受氣候暖濕化影響，多年凍土退化，活動層厚度持續加深^［17-20］，地層融沉病害加劇，原有湖泊湖堤穩定性受到擾動，處于不穩定狀態，加之降雨量增加，湖面水位持續升高，成為決堤的關鍵因素。本節就青藏高原風火山和五道梁氣象站的溫度、降雨、地溫與鹽湖漫溢相關性進行分析。

5.1 鹽湖漫溢與氣溫變化相關性分析

圖11為鹽湖面積與氣溫均值相關性曲線圖，氣溫數據為風火山與五道梁氣象站監測數據平均處理得到。從圖中明顯可以看到，鹽湖面積與氣溫具有正相關性，相關性系數為0.53。由變化趨勢看，氣溫呈明顯的波動式上升過程，近30 a來，氣溫由-5.90 ℃上升至-4.25 ℃，升溫速率為0.052 ℃/a；在2011年前，鹽湖面積基本處于較低值，均值為39.8 km²，上游湖潰決后面積迅速上升，達到了180.66 km²；鹽湖在潰決前，年均氣溫處于高值，約為-4.20 ℃，比1990～2023年平均值高出0.80 ℃，成為鹽湖漫溢的直接原因之一。隨著2022年搶險應急工程的開展，漫溢河道兩旁設置了導流堤和河床鋪砌，將漫溢的水流引入到清水河中，減緩了鹽湖進一步擴張的趨勢，鹽湖面積有所減小，至2023年12月顯示，鹽湖面積穩定在133.56 km²。

隨著環境溫度的升高，勢必會對地層溫度造成直接影響，從而引起地溫冷儲量逐漸散失，活動層厚度持續增加，地層融沉病害直接影響了湖堤的穩定性。可可西里地區其他湖泊還存在著不同程度的潰壩風險，應積極排查上游鹽湖堤壩防護狀態，進一步提高沿岸防護措施等級。

5.2 鹽湖漫溢與降雨變化相關性分析

圖12為可可西里鹽湖面積變化與降雨量相關性曲線圖，由圖可知，降雨量與鹽湖漫溢具有正相關性，相關性系數為0.47，介于0.3～0.5，屬于中等相關性。

從雨量分布來看，除1989年降雨量較高外，1990～2022年，降雨量基本處于明顯的上升狀態，年均降雨量線性增速為3.09 mm/a，以30 mm/10a的幅度增加，其中2010～2014年降雨量處于高位，平均降雨量為943.9 mm，比1990～2010年平均降雨量（874.4 mm）多出69.5 mm，降雨量持續增加成為可可西里地區湖泊的重要水源補給，雨量的增加也對多年凍土造成了熱侵蝕。

5.3 鹽湖漫溢與地溫相關性分析

從圖13鹽湖面積與地溫相關性可知，自1990年以來，地溫的升高與鹽湖漫溢具有較強的正相關性，相關系數達到了0.9，表現為強相關性。從地溫變化來看，自2005年以后，升溫速率明顯加快，年均地溫達到了-2.65 ℃，較近30多年平均地溫高出0.38 ℃，線性升溫速率為0.036 ℃/a。同時期，鹽湖也進入一個快速增長期，兩者之間具有相同的變化規律，鹽湖面積擴張了3.73倍。

隨著地溫的不斷升高，多年凍土區退化態勢由南北兩界逐步向可可5jWEEvVhUA6yUzbqI7hVUQ==西里地區發展^［21］，可可西里地區升溫現象更為顯著。地溫的升高會加劇湖岸凍土穩定性的減弱，地表徑流及地下水成為鹽湖重要的補給通道，一方面增加了鹽湖水量，另一方面對堤壩工程造成一定的影響，給上游湖泊安全防護帶來較大的安全隱患。

6 討 論

由鹽湖面積的擴張過程來看，自2005年前后開始有較大的升溫過程，氣溫升高直接導致周邊冰川消融、積雪融化、凍土圈逐步退化等一系列連鎖反應，整個青藏高原地區地表水系處于較為活躍時期，地表徑流和降雨可能成為鹽湖重要的水量補給。隨著氣溫的升高，凍土層逐步融化，活動層厚度增加，融化土層一定程度影響了湖泊沿岸堤壩工程的穩定性，成為鹽湖漫溢因素之一。2010年前后，降雨量達到高值，為429～576 mm，高于統計以來的平均值336～382 mm，這段時期的降雨量增加與鹽湖漫溢具有一致性，雨量的增加一方面補給了鹽湖水位，另一方面雨水侵蝕下給地層凍土造成了熱侵蝕，進一步增加了堤壩失穩的風險。隨著氣候暖濕化加劇，地溫呈明顯的升溫狀態，凍土層凍結水的能力持續減弱，也是造成鹽湖擴張的一個關鍵因素。相關性系數計算結果表明，地溫升高是最為關鍵的因素，其次是氣溫升高，再次為降雨量的增加。顯然鹽湖擴張是多方面因素綜合作用的結果，今后需要進一步加強當地氣象、水文、地溫的監測。

鹽湖漫溢的下泄將會嚴重影響下游工程廊道的系統性風險。鹽湖水體含鹽量高、腐蝕性強，一旦可可西里鹽湖大量下泄，將會對地基多年凍土和橋梁造成影響，如由于水量增加，水流的長期沖刷及熱侵蝕會引起河道下切，進而引起地基凍土融化和水土流失。根據現場調查，由于水流沖刷，兩岸河堤塌陷嚴重，最高處已超過2 m。同時，水流流經橋下時對橋墩形成沖刷，下泄高礦化度湖水不僅會進一步加劇凍土融化，同時對橋墩及基礎混凝土產生腐蝕作用，這些作用會導致橋墩不均勻沉降、傾斜、混凝土剝蝕等病害。

隨著氣候進一步暖濕化，鹽湖再次漫溢風險呈持續增加的態勢，應加強當地氣象、地溫、河道水量的監測工作，同時對下游工程樁基、梁體增加長期監測系統，持續監測漫溢河流變化、橋梁樁基位移變形以及樁基基礎地溫變化，為多年凍土區工程廊道安全運營提供技術保障。

7 結 論

本文應用衛星遙感影像分析，揭示了可可西里鹽湖漫溢的時空演化規律，并根據鹽湖附近風火山和五道梁氣象站氣溫、降雨、地溫實測數據，綜合分析了可可西里鹽湖漫溢的成因，并提出了可可西里鹽湖漫溢造成的下游潛在危害。

（1）可可西里鹽湖在空間上具有明顯的向東南方向漫溢變化的過程，可可西里鹽湖面積分為“K-C-O”形三階段變化過程，可可西里鹽湖的面積由44.83 km²增大至180.66 km²，面積增大為3.73倍。在時間上具有兩階段增長期過程，2011～2017年為快速增長期，可可西里鹽湖年平均增長率為16.69%；2017～2022年為慢增長期，可可西里鹽湖年均面積增長率為6.09%。

（2）可可西里鹽湖隨著時間的推移，逐步向下游工程走廊漫溢。2011年可可西里鹽湖距離清水河大橋最小距離為13.74 km，隨著可可西里鹽湖面積的增大，其最小間距逐步縮小，至2022年距離為10.38 km，距離減小了3.36 km，表明可可西里鹽湖向清水河大橋漫溢了3.36 km，年均推進0.31 km，最小距離相較于2011年，減小了24.46%。

（3）地溫、氣溫和降雨是鹽湖擴張的重要因素，青藏高原近年來溫度呈現逐漸升高的趨勢，環境溫度的升高，加劇了多年凍土區凍土圈的融化，上游下泄的水量一旦超越可可西里鹽湖承載水量能力，湖泊進一步漫溢的風險將呈增加的趨勢。

（4）鹽湖下泄河流隨著季節性漲落變化，不僅會進一步加劇凍土融化，同時會對橋墩及基礎混凝土產生腐蝕作用。這些作用將導致橋墩不均勻沉降、傾斜、混凝土剝蝕等病害。

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（編輯：謝玲嫻）

Analysis on spatiotemporal evolution law and overflow causes of Salt Lake in Hoh XilMIAO Xueyun^1，2，MI Weijun^1，2，TANG Zhanfeng³，CHENG Jia^1，2，SHEN Chaozheng^2，4，LI Shengwei^2，4

（1.Northwest Research Institute Co.，Ltd.of CREC，Lanzhou 730000，China； 2.Qinghai Province Key Laboratory of Frozen Soil and Environment Engineering，Geermu 816000，China； 3.Engineering Management Office of China Railway Lanzhou Bureau Group Co.，Ltd.，Lanzhou 730002，China； 4.College of Transportation Engineering of Nanjing Tech，Nanjing Tech University，Nanjing 210009，China）

Abstract： The overflowing water of the Salt Lake in Hoh Xil has brought great potential safety hazards to the downstream rail transit facilities.We analyzed monitoring data of remote sensing images over the Salt Lake in Hoh Xil，temperature，rainfall，ground temperature and the upper limit changes of permafrost in the area，as well as the water level and flow velocity of the overflowing river.Based on the above data，the spatiotemporal evolution law of the Salt Lake in Hoh Xil，the causes of overflow，and the potential safety risks to the downstream were studied.The research showed that spatially，the Salt Lake in Hoh Xil presented a three-stage change characteristic of "K-C-O".In 2022，the area of the Salt Lake in Hoh Xil was 3.73 times larger than that in 2011.Temporally，it showed an obvious two-stage growth period of "fast-slow".The growth rate in the fast period was 2.78 times that in the slow period.The overflow rate of the Salt Lake in Hoh Xil to the downstream engineering corridor was 0.31 km/a.With the seasonal ebb and flow and the change of the "peak-valley" value of flow velocity，it has caused certain scouring and thermal erosion effects on the bridge pile foundation downstream.The overflow of the Salt Lake in Hoh Xil was positively correlated with factors such as temperature，rainfall，and ground temperature in the permafrost region.In the past 30 years，the temperature increase rate was 0.052 °C/a，the linear growth rate of annual average rainfall was 3.09 mm/a，and the linear temperature increase rate of ground temperature was 0.036 °C/a.The characteristics of warm and humid climate were the main causes of Salt Lake in Hoh Xil overflow.The research results can provide theoretical and technical guidance for downstream facility protection.

Key words： overflow of salt lake；area of salt lake；climate change；ground temperature；Salt Lake in Hoh Xil；Qinghai-Tibet Plateau