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罗布泊消失的真相!

山地科普2019-02-05 13:19:02

罗布泊,曾经的中国第一大咸水湖,为什么最终会消失?


罗布泊的消失与中国西北干旱荒漠化的日益加剧之间又有什么关系?


作者 | 张洪泉


介绍 | 美国塔尔萨大学(The University of Tulsa)工程与自然科学学院华人教授张洪泉,是流体力学、多相流和流动保障等领域国际著名专家,他多年潜心研究中国西北干旱沙漠化问题,发现罗布泊的萎缩和干涸是造成这一进程的唯一根本原因。


中国的人口分布极不均衡,绝大部分人口集中在南方地区和北方地区,很少人口生活在西北地区和青藏地区。青藏地区人口稀少的原因是高海拔,氧气稀薄,气候寒冷,不适于居住,而西北地区唯一的制约因素是缺水



现今夏季南方地区的洪水越发越大,而西北地区干旱却在加剧。南方和北方地区受太平洋气流的影响,尤其是夏天的季风给南方带来大量的降水,而大西北地区则处于西风带上,大气环流所携带的水分大部分被帕米尔高原截留,所剩不多,结果干燥的西风带与东南方的暖湿气流相互作用,造成了降水由低到高的过渡。




笔者认为,罗布泊的萎缩和干涸是造成中国西北干旱沙漠化问题的唯一根本原因。


大西北

黄沙飘满地,白云悬于天


大西北处于西风带上,其干旱源头是塔克拉玛干大沙漠。而大西北的干旱是青藏高原和帕米尔高原的雨影效应所致。


当湿润的空气随着盛行风遇到山体上升时,温度降低,水蒸气凝结,形成山前降水。当绕过山顶后,空气中的湿度已经大大降低,所以在山的背风面,下降的空气就会干燥的多。


高山雨影效应

上、下风地区空气湿度在大气中分布的比较


降雨取决于两个条件,一是大气携带足够的水分(即降雨云),二是地面附近的空气相对湿度要足够高,在沙漠地区,通常这两个条件都不具备,但第二个条件是决定性的。


在沙漠里我们常常会看到蓝天白云,但是天高云淡很难形成降水,主要原因就是沙漠里地面附近空气的相对湿度不够高,雨滴落到一定高度就又重新被蒸发掉。



罗布泊的位置和塔里木盆地的中间均处于北纬40°附近,在4700米(青藏高原的平均高度),空气湿度只有地面(零海拔)湿度的1/5,而在这个高度以上的大气中所含的水分只有整个大气水分的7%左右。当西风带掠过帕米尔高原时,其90%以上的水分会被高原的迎风面截留,只剩下不到10%的水分被西风携带到背风面。


空气湿度随海拔高度变化

地面上的湿度最高,随高度增加,湿度很快降低。


沙漠与正常的生态环境相比,其最大的不同就是沙漠里低空的空气湿度比较低,而在高空其湿度则会相对稍高一点,以使其蒸发的水分传递到沙漠之外的地区,从而增加相邻地区的降水,这也是为什么沙漠周围地区经常是“十年九旱,不旱则涝”


塔里木盆地内虽然极度干旱缺水,但那里也有众多的溪流从周围的山脉流出,汇集在一起流到中国最长的内陆河– 塔里木河。


塔里木盆地内的河流分布及罗布泊的位置


大气环流掠过周围的高原和山脉时所形成的降水,虽然大部分留在山体的迎风面,但也有一部分流到盆地内,称为地形降水溢入,再加上盆地内少量的降水,就是盆地内的总降水。


经估算,塔里木盆地的年总降水大约为125毫米,在同一纬度全球的年均降水为800毫米左右,塔里木盆地的降水只是全球平均值的大约15%同一纬度,塔里木盆地的年蒸发量(125毫米)是全球年平均水蒸发量(360毫米)的35%


然而,塔里木盆地的大部分区域是沙漠,那里的蒸发能力超过每年2000毫米,若是把所拥有的水均匀分布在整个盆地,将是杯水车薪,会很快烟消云散,所以这些有限的水只能维持盆地周围靠近河流、面积很小的绿洲。


塔里木盆地内的沙漠和周围绿洲


大西北干旱沙漠化的主要原因是青藏高原和帕米尔高原的雨影效应(因着西风带的作用,帕米尔高原的作用更大一些),西风带经过这一地区时,大部分水分被高原的迎风面截留,干燥的空气在背风面形成沙漠,并向下风地区蔓延。沙漠(包括戈壁)一旦形成,便进入恶性循环,因为那里地面附近空气相对湿度太低,即便有云偶尔从其它方向飘来,也很难形成降雨。



塔里木

弱水出雪山,强蒸返云间


塔里木盆地内的地表水大部分来自周围的高山,西风带掠过西部的山脉在迎风面形成降水,一部分溢入塔里木盆地形成河流,汇集到塔里木河。而分散降落在盆地内的水,由于地面极端干燥,就很快被吸收然后蒸发掉了,对盆地内的河流几乎没有任何贡献。


正常水蒸发使地面湿度大于高空

水蒸汽输出使盆地上方湿度大于周围大气


塔里木盆地没有流出去的河流,进来的水只有一条出路,就是全部通过蒸发返还给大气,进来多少蒸发多少,这样自盆地上空向外有一个持续的水蒸汽输出。大气在经过沙漠地带时,非但不会留下水分,反而将流入沙漠的地表水蒸发带走,沙漠里地面附近的空气相对湿度较低,但高空中空气湿度却高于周围大气。



西北地区的时空变换


史书上经常提到的大漠,位于外蒙古境内,是北天山、阿尔泰山和杭爱山雨影效应的结果,也有几百万年的历史。而同在高原雨影之下的河西与河套地区,在周代之前,大部分都是富饶的农耕区或草原,森林湖泊密布,是华夏九州之一的雍州,《尚书·禹贡》中说这里“厥土惟黄壤,厥田惟上上”,即土壤是黄色的,耕田是最上等的。


陕北神木石峁古城遗址和那里出土的鳄鱼骨板(左下角)


但是汉唐之后,西北的干旱沙漠化越来越严重。根据经史记载和考古发现,黄河的变迁、动植物的南移、北方列强的向东轮转、华夏王朝的重心东移、黄土高原的原面冲蚀等时空变换,说明西北干旱沙漠化自古以来,是一个由西向东的空间发展过程。


由于持续加剧的干旱,以及城市发展对水的需求增加,曾经是“八水绕长安”的古都西安,在1980年代竟成为我国缺水最严重的城市之一,一段时间曾出现严重的水荒现象,只好打井抽取地下水,结果很多地方地面下沉,甚至造成著名的大雁塔严重倾斜。


黄河的“黄”是东汉时才加上的

代表流域内的水土流失逐渐成为常态。


1960年代以来,短短的50余年,几乎所有黄河支流水流量均呈现急剧减少趋势,黄河的入海径流量同期下降了大约80%。过去“三年两决口,百年一改道”的浩荡雄浑之河,现在已成气若游丝的“虎头蛇尾”,只有在人为调配之下才不致断流。


黄河中游支流年径流量变化

(红竖杠对应罗布泊干涸时间)


值得注意的是,黄河及其中游支流径流量的降低都是步调一致,在罗布泊干涸之后开始加剧,而同期长江的平均流量却基本没有变化。


在黄河流量大幅度减小的同时,长江的平均流量却基本没有变化,甚至略有增加。这充分说明,黄河流量的降低绝非全球气候变暖或远程大气输送变化所致,因为这些大尺度的变化不会选择性的使长江流量稍有增加,而同时又使黄河流量大幅度减少,原因在于黄河流域本身以及其附近的上风地区。


黄河利津站年径流量变化

(红竖杠对应罗布泊干涸时间)


长江年径流量变化



罗布泊

原作腾云海,今充干旱源


在古代,罗布泊通过其巨大水蒸发量、特殊位置(处于塔里木盆地的东口)和西风带的协助三者结合而发挥其扭转乾坤的作用。


罗布泊面积巨大(西汉时约为一万平方公里),水深极浅(以汉代为例,最深处不过四、五米),水温偏高,蒸发量巨大。所有流入罗布泊的水最后都一滴不剩,变成蒸汽返还给了大气,流入多少蒸发多少。这个水蒸发过程首先增加了大气的水分和云的形成,同时提高了低空的空气相对湿度,使大气中的降水更容易落到地面。


塔里木盆地南、北、西三面均被高原或高山环绕,而东面的北山却很低,大约只有其它三面山脉高度的一半,并且还有河西走廊,塔里木盆地就像是一个簸箕,它的口朝向东部的戈壁滩,从标出的塔里木盆地和戈壁滩的轮廓可以看出,罗布泊正好位于两者衔接之处。而罗布泊又恰巧海拔最低,塔里木盆地只

巧海拔最低,塔里木盆地只要有富余的水定会自然流到这里。


罗布泊的特殊位置


戈壁滩的形状像是一个气球,被塔里木盆地干燥的空气借西风吹起来,若是来自塔里木盆地的气流湿润一点,它就会小一些;相反,它就会大一些。也就是说上风地区的条件决定下风地区的状态,上风地区湿润则下风地区湿润,上风地区干燥则下风地区干燥。罗布泊周围存在下降气流(即大气在高空汇聚),并在地面附近造成回流,这样当地的空气会滞留的时间长一些。


这些特点决定了罗布泊独一无二的功能,它确实是控制中国西北地区生态环境的唯一可操控的“机关”。


中国大西北600百帕年均风向、

风速以及收敛度(10-5/s)(1961-1990)


在现代,对比上世纪50年代和本世纪初的平均降水数据,相隔40余年,塔里木盆地中西部及周围的降水明显增加,低降水区域显著缩小。而塔里木盆地以东的戈壁滩及周围降水明显减少,低降水区域显著膨胀。


1955年1月至1959年12月的年平均降水分布


2000年1月至2004年12月的年平均降水分布


这两个区域的反相变化显然是相互关联的,其背后的原因正是塔里木盆地内水蒸发西移所造成的湿度倾斜,塔里木盆地的大部分水蒸发被限制在盆地的西部及周围,不能达至东部,使东部的空气更加干燥,再加上当地春、夏、秋的高温,在西风带的推动下,犹如一个巨型的吹干机,对戈壁滩及周围地区起着持续烘干的作用。


罗布泊一万年以来估算水面积的变化


中国大西北东部的“变干”和西部的“变湿”,两者都是罗布泊干涸和盆地内水体的持续西移的结果,它们是相伴而生的,即西部的降水增加是以东部更大范围的干燥化为代价的。需要强调的是,西部降水增加所带来的好处微乎其微,而东部广大地区因失去罗布泊这道保护门而带来的干旱沙漠化是难以承受且不应承受的灾难。


复兴罗布泊,恢复西北生态


01

绿长城

近防诚可贵,远截更克坚


三北防护林工程被誉为中国的绿色长城,它在东北和华北地区以及西北地区的东南一侧成效显著,尤其以陕西榆林周围的黄土高原、内蒙古科尔沁沙地等为代表,降低了京津一带的沙尘暴的频率和强度,然而在西北大部分地区却举步维艰,没有取得预想的效果。


三北防护林投入巨大而收效甚微,这种愿望与现实的落差,主要源于一个认识上的误区,即西北地区干旱沙漠化的主要原因是从古至今的滥砍滥伐,如果这一认识是正确的,那么只要把树种回去,生态环境自然就会恢复。


但事实并非如此,近60年来,内蒙、甘肃、宁夏、陕西北部(包括黄河河套地区)的降水都有明显降低,绿色长城并没有扭转干旱沙漠化的进程,这说明虽然绿化很重要,但还不是最重要的决定因素。起主导作用的是塔里木盆地内的水体西移,它以罗布泊的干涸,标志着这个干旱之源的门户洞开,随后塔里木河断流越来越长,塔里木盆地东端空气越来越干燥,对下风地区生态环境的吹干作用越来越强。


通过卫星图片可以很清楚的看出中国西北的绿色植被分布,甚至从绿色由浅到深的逐渐变化,可以看出干旱沙漠化的走向,正好与当地的风向相吻合。


从卫星照片上的颜色纹路可以

看出中国西北的干旱沙漠化

是来自塔里木盆地干空气吹拂的结果


罗布泊消失之后,戈壁滩上的沙漠迅速膨胀。自上世纪70年代到90年代,巴丹吉林沙漠增长了80%,腾格里沙漠增大了16%,乌兰布和沙漠增大了38%,这三个原本分开的沙漠现在已连接起来。


戈壁滩几个原本分开的沙漠

已连在一起(Google Earth)


自罗布泊干涸之后,银川当地的空气变得越来越干燥,并且近年呈加剧态势,空气相对湿度越低,则降水越困难。


银川市空气相对湿度呈加剧下降趋势


根治西北干旱沙漠化应在源头下功夫,罗布泊是一个绝佳的“命门”。


如何才能恢复罗布泊昔日的光景?沧海桑田,时过境迁,所需要的水从何而来?下面提出一个两步走的方案。


02

坎儿井

潜行避蒸发,水聚成天堑


塔里木盆地内几乎遍地沙漠,湿度低,温度高,水蒸发能力极强。盆地内的河流都是面大、水浅、弯曲、经常改道,造成大面积的湿地,很大一部分水在未加利用之前的输送过程中就被无效蒸发,所以水使用效率极低。


塔里木盆地河流弯曲、面大、

水浅、经常改道、蒸发量大


要解决这一矛盾,实际上已经有一个现成的办法,就是坎儿井。坎儿井已经成功得应用于世界各地的沙漠和干旱地区,一个主要功能就是避免蒸发。这项技术经过改进,应用于塔里木盆地,就可使水跨越长途,顺利流到罗布泊及周围,使罗布泊开始逐渐恢复。


具体做法:


首先把河道疏浚取直,使水表面积尽可能小,然后在河两侧以一定间距分步铺设多条深4米左右的地下输水管以取代地表水流,地下河主干可用4米左右直径的水泥管。


河道逐步以地下输水管道代替



“现代坎儿井”

用地下管道代替地面河以避免水蒸发


除了主要的河流,在塔里木盆地周围山脚下还存在着无数大大小小的溪流,这些季节性的溪流,在春夏流入沙漠,其水量基本都被无效蒸发了,若把它们收集起来,采用不同直径的地下管道,汇集到较大的干线,也是可观的水量。


塔里木盆地周围无数的溪流

都可用相应直径的地下管道汇集到地下河


地下输水管道的衔接处非但不需密封,还须有意使管内的水可以渗到外边,外边的水可以渗到管内。


使用可以内外渗透的地下输水管道的好处

  • 可以把土壤中多余的盐分带走,避免土壤盐渍化;

  • 在春夏水流上涨时使地下水得到补充,秋冬水流低落时一部分地下水可以回流;

  • 在少水季节,使水集中流入部分管线,这样在流动的过程中,部分水就会漏出去,渗入其它水位较低的管道;

  • 大大降低泥沙携带,解决河道淤积并频繁改道的难题。


在水少季节选择性使用输水管

有助带走土壤中盐分,改善地下水质量


塔里木盆地底部非常平坦且略微倾斜,自南到北以大约0.05度的坡度缓慢下倾,自西向东以大约0.015度的坡度缓慢下倾,大部分河道周围都是沙土,利于铺设地下输水管道。


塔里木盆地地形

(a)南高北低(b)西高东低



若把塔里木盆地的所有地表水,从出山口开始就用地下河输送,所需总投资应不超过两千亿人民币。


“现代坎儿井”既可使塔里木盆地水脉通畅,又可截留蒸发水使罗布泊再生,最大化的扭转高原雨影效应,将西北生态恢复到汉唐时期。


03

青藏水

高屋荫华夏,建瓴三盆端


若要进一步加强罗布泊这一门户,以致完全封住塔里木盆地的干旱影响,使其下风的西北及北方地区生态彻底改善,消除这一地区所有的沙漠,就必须从源于青藏高原的其它河流向塔里木盆地东端引水进入罗布泊及周围地区,同时兼顾吐鲁番盆地南缘。


设想


在青海加吾附近的黄河峡谷建一大坝,形成一个大型水库。


从这里绕山腰开凿一条大渠,在茶卡附近穿山进入柴达木盆地,把希里沟湖、尕海湖、克鲁克湖和托素湖串在一起,在托素湖附近的山口筑坝提高水位,使尕海湖、克鲁克湖和托素湖连为一体,形成第二个巨大的淡水湖。


大渠继续绕柴达木盆地北缘的山腰向西北延伸至大、小苏千湖,在大苏千湖附近的峡口筑坝,使大、小苏千湖连为一体,形成第三个大淡水湖。


然后在当金山口附近开凿隧洞,穿山进入塔里木盆地,在盆地的南山坡分为两路,一路向西延伸,一路向东延伸。东路在玉门附近穿过河西走廊,绕北山进入吐鲁番盆地。西路引水渠可至车尔臣河上游以西更远的地方,补充塔里木盆地由南到北的河流。


经黄河、柴达木盆地向塔里木盆地东端的引水设想(蓝色)


如有需要,也可在冷湖镇以西建第四个大型淡水湖(紫色区域),在阿尔金山以西较窄的山脊处开隧洞,进入库木塔格沙漠。


引水渠(红色)贯串柴达木盆地北缘、

塔里木盆地东端、吐鲁番盆地南缘


在加吾蓄水库之前的黄河上游可凿洞筑坝,穿过一道道分水岭,把长江上游支流的水部分引到黄河,以补充引到塔里木盆地的水量。


这样的一个引水工程把长江上游、黄河上游、柴达木盆地北缘、塔里木盆地东端和吐鲁番盆地南缘,贯串在一起,将南水、北水在源头形成一个可微调的网络,引水能力可逐渐提升,最后做到在南方的汛季能将长江上游大量的水引到黄河和柴达木盆地的蓄水湖中,以缓解长江流域的洪涝灾害,而在南方较干的时候少引或停止引水。


最终,通过内水调节与外水引入相结合,可在塔里木盆地东端形成大如浙江省的良好生态环境,这本身所带来的经济效益就是成本的无数倍,而其主要作用尚在盆地之外的东部广大地区,所以总的回报将无法估量。


文章节选自《于无声处-华夏云泉罗布泊》

(光明日报出版社出版,2017年12月)

来自桔灯勘探

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