库雷-楚佳古堰塞湖的湖岸堤反映的湖面波动历史

姜胜凡，刘维明，赖忠平

库雷-楚佳古堰塞湖的湖岸堤反映的湖面波动历史

姜胜凡1，刘维明2，赖忠平1

（1. 青海师范大学地理科学学院，西宁 810008；2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所山地灾害与地表过程重点实验室，成都 610041）

阿尔泰山高能洪水是地球上已知的最大的陆地淡水排放，洪水起源于库雷-楚佳盆地，至少发生过3次规模较大的高能洪水，卡通河下游广泛存在的洪水沉积物和库雷-楚佳盆地内的沙波等洪水沉积物，提供了大量的洪水证据。同时盆地内广泛存在大量的湖岸堤，如库雷盆地东南部和楚佳盆地北部，表明了库雷-楚佳冰堰湖复杂的湖面波动历史。本研究利用遥感解译、ArcGIS工具和Python编程对盆地内的湖岸堤进行海拔标定和库容计算，共解译湖岸堤123级，其中，楚佳盆地湖岸堤75级，库雷盆地55级，第一级湖岸堤海拔1534m，库容3.64km3；最高湖岸堤海拔2112m，代表湖泊的历史最高水位，库容691.322km3。

库雷-楚佳古堰塞湖；湖岸堤；遥感解译；库容；晚更新世

目前，已发现的高能洪水事件主要由北半球高纬地区末次冰期大陆冰盖边缘的冰缘湖泊和冰川堰塞湖溃决或者溢流形成。北美地区晚威斯康星冰期（MIS 2），北美科迪勒拉（Cordilleran）冰盖分别堵塞克拉克福特河和哥伦比亚河形成密苏拉古湖和哥伦比亚古湖，前者坝体处水深约619～640m，库容达2200～2600 km3（Hanson, M. et al.,2012），约23～19ka BP后（Benito and O'Connor, 2003；Clague et al.， 2003；Lopes and A.C. 2009），开始反复堵溃40有余次（Atwater, 1984; Atwater, 1987; Smith, 1993, 2006;Waitt, 1985.，极少数溃决洪水的峰值流量可达10×106m3/s(Benito and O'Connor, 2003; Denlinger and O'Connell, 2010)。MIS 2后期，劳伦泰德（Laurentide）冰盖消融导致其西部边缘发育巨型湖泊——阿加西古湖（Agassizlake），最大面积与库容高达841000 km2和163000 km3，多次发生溢流，最大洪峰流量达5×106m3/s(Teller, 2017; Leverington et al., 2002; Fisher, 2020)。

高能洪水的研究起始于19世纪中期，学者无法用传统学说解释北美哥伦比亚高原广泛分布的巨型“漂砾”和基岩峡谷，将其归因于“诺亚”大洪水，引起了极大的争议。此后，学者逐渐发现末次冰期时北半球高纬地区大陆冰盖边缘发育大量的冰缘湖泊和冰川堰塞湖，其溃决或者溢流可频繁诱发异常大洪水。它们的洪峰流量多超过100万m3/s，Baker以此定义了高能洪水。高能洪水全球气候和区域地貌演化产生深远的影响。目前，已有案例中以阿尔泰和米苏拉古洪水的规模最大，洪峰流量高达10×106m3/s。

高能洪水的重建多是利用其沉积体标记洪水位，学者也构建了冰川堰塞湖溃决数值模型计算高能洪水的演进，辅以沉积证据的验证。冰川堰塞湖库容通常是利用堰塞湖库区湖岸线获得，且溃坝模型也是基于冰坝瞬间垮塌的假设。但是，以阿尔泰库雷-楚佳古湖为例，其湖岸堤普遍发育于其湖盆1600～2100m范围内的不同海拔高度，可能代表了冰川堰塞湖的消失为复杂过程，并非瞬间溃决的单一模式。而且，库雷-楚佳古湖已发现三次溃决事件，不同溃决事件之间堰塞湖水位的演化过程依然缺失。湖岸堤可很好的记录湖泊演化过程中湖面水位的变化，是湖泊变迁历史以及不同时期古湖面高程的直接证据(Carling, 2011)。本文通过遥感影像提取了库雷-楚佳湖盆的古湖岸堤，尝试解释该冰川湖水位的变化过程。

库雷楚佳盆地在晚更新世由于冰川扩张形成冰川堰塞湖，发育并保存了大量湖岸堤，其中以库雷盆地东南部和楚佳盆地西北部最为明显。前人曾对库雷楚佳古堰塞湖湖岸堤进行了研究(O’Connoret al.2002;Carling, 2011)，认为在库雷盆地东南缘湖岸堤的形成过程中湖泊水位是逐渐下降的(Carling et al., 2011)，但对于盆地其他地方的湖岸堤并没有相关的湖面波动描述。

库雷楚佳古堰塞湖是阿尔泰大洪水的发源地，阿尔泰大洪水主要发生在28～15ka之间(Herget et al.,2020)，洪水流量峰值约为10×106m3/s(Carling et al., 2010;Bohorquezet al., 2019;Bohorquez et al., 2015.) 。堰塞湖内的湖岸堤能与下游的洪水沉积以及湖泊内的洪水沉积等证据对比(Herget et al.,2020)，对高能洪水的规模和时间进行佐证(Agatovaet al.,2020)，同时也能为古湖面的波动历史和湖泊的发育过程提供证据。国内外关于库雷-楚佳古堰塞湖的湖岸堤的研究比较缺乏，只是给出了湖岸堤范围（1600～2100m）(Carling et al., 2011)，并没有对整个库雷楚佳盆地的湖岸堤进行完整的湖岸堤海拔提取，也没有对各处的多级湖岸堤进行分级的尝试；也有一些研究(Carling et al., 2011;Herget et al.,2020;Agatovaet al.,2020)，对部分湖岸堤的测年工作,如楚佳盆地东南边缘海拔2100m的湖岸堤（49.75°N，89.10°E）(Herget et al.,2020)，楚佳盆地西部查干乌赞村东南海拔1950m的湖岸堤（50.02°N，88.35°E）(Carling et al., 2011)，库雷盆地东南缘海拔1650m的湖岸堤（87.98°N，50.15°E）(Agatovaet al. ,2020)等；对湖岸堤进行海拔标定和分级，从而计算各级湖岸堤所对应的古湖面的库容信息，有助于解释库雷-楚佳古堰塞湖的多次高能洪水事件的规模，也能为库雷-楚佳古堰塞湖的湖面波动历史研究提供帮助。

图1 库雷楚佳古堰塞湖概况图

本研究尝试通过基于Google Earth高分辨率遥感影像的目视遥感解译方式，尽可能多地识别和分辨库雷-楚佳古堰塞湖的湖岸堤，并对每一级湖岸堤进行库容计算，对应数次高能洪水流量，为以后阿尔泰山野外考察提供数据基础和重点区域标识，并探索库雷楚佳冰川堰塞湖的湖面波动历史。

2 研究区概况

阿尔泰山位于西伯利亚南部，中亚造山带北部，自东南向西北延伸超过1500km，跨越蒙古、中国、哈萨克斯坦和俄罗斯边界，呈西北宽东南窄，东南高西北低的楔形，海拔范围400～4000m，是北冰洋与中亚内陆流域的全球分水岭的一部分。库雷-楚佳盆地位于亚欧大陆内陆，属于典型的大陆性气候，年平均气温-5.2℃，盆地底部年平均降水量小于200mm，存在永久冻土层。水汽输送主要来源为大西洋，由于还受蒙古的反气旋的主导影响，往东南方向，气候逐渐变干旱,年平均降水量沿西北-东南走向明显减少，且由于垂直地带性的影响，随着高度上升，降雨显著增多；植被方面，楚佳盆地西部的山区中的森林呈岛状分布，而盆地东部则没有森林；平坦的地区被干旱高山草原覆盖，随着海拔逐渐升高，植被更迭为高山苔原和冻原苔草，最终植被完全消失，地表被冰川覆盖（Carling et al., 2011；.Carling et al., 2002;Reuther et al., 2006;Agatova et al., 2014.）（图1）。

晚更新世发源于库雷-楚佳盆地的洪水从冰堰湖涌出，沿楚佳河谷汇入卡通河，然后顺着鄂毕河北流，最后汇入北冰洋。冰川学研究表明，库雷-楚佳盆地西部的阿克塔什镇附近，在那里三个巨大的冰川在晚更新世堵塞了库雷-楚佳盆地唯一的排水出口，截留了上游的降水和冰川融水，形成了库雷-楚佳古堰塞湖。库雷-楚佳盆地被海拔3500～4200m的高山所包围，其中楚佳盆地湖盆海拔1750～2000m，库雷盆地湖盆海拔1470～1600m；库雷盆地和楚佳盆地由狭长的查干乌赞河谷相连。

图2 湖岸堤鸟瞰图及细部图

a.库雷盆地东南部湖岸堤鸟瞰图； b. 湖岸堤解译示意图；a点处为湖岸堤；c.湖岸堤细部图( Carling et al.,2011 )； d.库雷盆地东南部湖岸堤遥感解译

3 数据及研究方法

湖岸堤会在基岩、崩积物、河流阶地和山前洪积扇上形成。湖岸堤大都分为阶地面（tread）和阶地陡坎（riser）两部分。湖岸堤本身有高程差别，解译过程中统一选取湖岸堤阶地面前缘作为湖岸堤遥感解译标准，同时，一条湖岸堤由侵蚀作用存在高差上的起伏变化(Carling et al. ,2009:)，选取湖岸堤高度的最大值作为同一条湖岸堤的海拔，因为这表明该湖岸堤在此高度存在过，进一步证明有一个稳定的古湖面在这个高度存在过。通过统一解译标准和海拔标定标准，减小研究过程中的湖岸堤海拔误差（图2b）。部分地方湖岸堤十分密集且高差较小（图2a），结合影像数据和实际情况，本研究认为，海拔差距小于2m的湖岸堤为同一级湖岸堤。采用SRTM 30m数据（https://search.earthdata.nasa.gov/search）进行湖岸堤的海拔标定、分级以及库容计算。遥感解译工作主要在Google Earth中进行，数据处理工作主要在ArcGIS环境下进行，最后在表格中生成库容曲线和每一级湖岸堤所对应的库容柱状图。

图3 库雷楚佳盆地湖岸堤区域标号

（a：库雷盆地南侧 b：出价盆地西部和北部 c：楚佳盆地东部）

4 结果

湖岸堤在库雷-楚佳盆地分布广泛，其中库雷盆地主要集中在盆地东南缘（KS，详见图3a），盆地北部也有部分湖岸堤存在，主要集中在高海拔处（KN1，KN2）；楚佳盆地的湖岸堤主要分布在盆地北部（CW1-7，详见图3b），在盆地四周其他地方也有分布（CE1 ，CE 2， CE 3， CE 5 ，CE 11-17，详见图3c）。楚佳盆地共解译湖岸堤73级，海拔1798～2112m，分级详情见图4。库雷盆地共解译湖岸堤55级，海拔1534～2112m，其中东南缘湖岸堤海拔1534～1689m，北缘1658～2112m，但1856～1960m之间未发现湖岸堤，库雷盆地分级详情见图5，库雷-楚佳盆地湖岸堤库容与海拔的对应关系见图6。

库雷-楚佳古堰塞湖共解译湖岸堤123级，第一级湖岸堤1534m，湖泊库容仅3.64km³；最高湖岸堤海拔2112m，代表湖泊的历史最高水位，库容691.322km³。其中库雷盆地和楚佳盆地存在同海拔湖岸堤七级：第53级湖岸堤海拔1824m，库容108.85km³；第63级1856m，库容144.428 km³；第90级1959m，库容307.647 km³；第94级1980m，库容350.755 km³；第110级2063m，库容552.863 km³；第112级2073m，库容580.098 km³；第123级2112m，库容691.322 km³（图6）。

表1 第四纪冰期划分对照表（参考Agatova, et al.2020；易朝路等，2005）

在库雷-楚佳盆地下游的印加河和卡通河交汇处，P.carling等人(Herget et al.,2020)发现了砾石层与湖相沉积交错排列的沉积地貌特征（#1-4），其中的湖泊沉积是高能洪水爆发后在下游形成的次生湖泊，代表阿尔泰山三次高能洪水，其中，#1，#2，#3是次生湖泊的湖相沉积，利用光释光测年得到，最上层的湖相沉积#1为15400a±700a；中间层#2为21100a±1200a；最下层湖相沉积#3样品年代为24000a±1600a，次生湖泊的形成略晚于高能洪水爆发的时间；#4的悬浮质砾石层位于样品#2和#3之间，14C测年结果28160a-26580a cal BP；样品#5是洪水过程中被侵蚀的基岩面，宇宙成因核素测年结果为17100a±1100a，经过修正后为19ka左右[34]；样品#6是卡通河西岸支流处的湖相沉积，年代19700a±2300a；样品#7是样品#6上的河流相沉积，光释光测年结果18300a±1500a；样品#8是洪水过程中的大圆石沉积，宇宙成因核素测年结果14970a±850a。通过这些年代学资料，可以得出结论：阿尔泰山高能洪水大致的年代范围是28～15ka，冰堰湖在MIS 2形成，更早的湖泊证据不足，15ka之后残余较小规模的湖泊，但水量不足以形成高能洪水，这也是被比较被认同的观点(Herget et al.,2020)。

图4 楚佳盆地湖岸堤分级

图5 库雷盆地南侧湖岸堤分级

5 讨论

库雷-楚佳堰塞湖的形成原因是阿克塔什镇附近的冰川堵塞了楚佳河的河道，但是冰川堵塞河道的具体时间仍然未知，这与更新世的阿尔泰山冰期有关。关于阿尔泰山冰期的不同解读关系到冰堰湖的排水过程，也关系到冰堰湖的湖岸堤形成过程，现如今最被广泛接受的观点（表1）是末次冰期是阿尔泰山更新世中规模最大的冰期，阿尔泰山大洪水事件主要发生在该时期，28～15ka之间，即MIS 2阶段，共发生过至少三次规模较大的溃决洪水，并通过水文模拟得出结果，要发生足以改造之前已形成的巨型沙坝的高能洪水，古湖面高度至少达到1650m的高能洪水(Agatovaet al. ,2020)。

图6 库雷-楚佳堰塞湖湖岸堤海拔与库容的对应关系

图7 库雷-楚佳盆地下游部分年代学样品位置图（参考Herget et al.,2020）

冰坝垮塌导致库雷楚佳冰川堰塞湖发生高能洪水(Agatova et al. ,2020)，但同时库雷-楚佳盆地存在证明湖泊水位突降的砾石组成的巨型沙波和证明湖泊波动和水位缓慢下降的密集的湖岸堤，盆地下游还有悬浮质砾石和次生湖泊沉积作为洪水证据，这些证据表明，库雷-楚佳堰塞湖的排水过程是复杂的。Borodavko建立了一个库雷-楚亚盆地内的湖泊发育动态模型，该模型仅基于湖泊水位而没有将其与洪水联系起来(Herget et al.,2020;Andrews et al., 2014)。

但库雷楚佳盆地同时存在高能洪水和水位缓慢下降两种排水模式的情况，是值得研究和探讨的。在冰坝完全垮塌之前，有以下几种可能会造成湖泊水位缓慢下降，从而形成湖岸堤：①湖泊每年的蒸发量和降水量都会变化，导致湖泊水位波动，从而导致出现代表不同水位的湖岸堤。②阿尔泰山的气候影响了库雷楚佳古堰塞湖的蒸发和降水，从而导致湖泊水位的变化。③冰坝本身是移动的，冰坝在向下游推移的过程中，水位下降；冰坝是有裂缝的，湖泊中的水渗入裂缝中，而冰坝的裂缝时大时小，渗入冰坝中的水也时多时少，湖泊水位因此下降或者上升。④冰坝高度是变化的，湖泊的最高水位只能到达和冰坝一致的高度，所以冰坝高度上升时，湖泊水位会上升，冰坝高度下降时，湖泊水位会下降。

在一次高能洪水周期中，以上情况在任意时刻都有可能发生；而在每次溃决洪水事件之后，冰川前进重新堵塞河谷，湖泊重新蓄水形成一个规模足以发生高能洪水的新湖泊(Andrews et al., 2014)。1650m处的浪成坝体和湖岸堤也表示曾经有一个湖泊在18ka左右长期稳定存在过(Agatovaet al. ,2020)，而且从#9和#12，#13的年代来看，1570m的湖相沉积和1650m的湖岸堤是同一时期的(Agatovaet al. ,2020)，这也证明库雷盆地在这之后，经历了一次高能洪水，但此时的湖泊库容仅24km³左右，且湖泊位于库雷盆地内。

由图9可以看出，在库雷楚佳盆地1534～2112m的海拔范围内均有湖岸堤发育。有关达里湖（刘瑾等，2016）和阿拉善高原的古湖泊（李国强等，2019）在有湖岸堤年代学证据的条件下复原的古湖面的研究证明，湖面上升虽然会淹没了以前低水位时的湖岸堤，但是并没有将湖岸堤完全破坏，所以库雷楚佳古堰塞湖水位在上涨堤并不会完全消失。结合上述情况，库雷楚佳古堰塞湖的湖岸堤是在湖泊多次填充和排水过程中形成的，湖泊的过程中，湖岸经历了高能洪水事件之后，湖泊在重新充填和非高能洪水的缓慢排水过程中，形成湖岸堤。

在前人的工作中，盆地内的湖岸堤也提供了部分年代学证据，可以用于复原古湖面。库雷盆地1650m湖岸堤，光释光测年结果18200a±1100a，代表在这个时间点，库雷盆地存在过一个湖泊稳定期；楚佳盆地靠近2137m的基准站（N:49.750304°,E:89.103253°）的湖岸堤，海拔2100m左右，代表库雷-楚佳古堰塞湖溃决之前的最高水位，14C测年结果32190a±260a cal BP；楚佳盆地西侧查干乌赞河谷附近（N：50.01659°，E：88.35239°），海拔1944m，宇宙成因核素测年19200a±1800a(Agatova et al., 2020)。结合库雷楚佳古堰塞湖的已有的年代学证据、洪水证据（图9）和湖岸堤证据(Carling et al., 2011;Herget et al.,2020;Agatova et al.,2020)，可以对库雷楚佳古堰塞湖的湖面波动历史进行初步的还原：库雷楚佳古堰塞湖在32ka左右湖面曾在1860m（#16）甚至更低海拔到2100m（#10）的范围内波动(Carling et al., 2011;Herget et al.,2020;Agatova et al.,2020)，于28ka左右发生第一次高能洪水，库容大约662km³；之后通道关闭，湖泊被填充，湖面超过1900m，上游至少到达楚佳盆地西部，形成楚佳盆地西部海拔1944m的湖岸堤，于20ka左右湖泊再次发生高能洪水；第二次高能洪水后，湖泊再次被填充，湖面重新上涨，库雷盆地南侧1650m湖岸堤（#9）在此次高能洪水之前形成，15ka左右库雷楚佳古堰塞湖最后一次发生高能洪水；Agatova, A. R(Agatova, et al.2020)认为这是库雷楚佳古堰塞湖最后一次高能洪水，之后湖面高度不曾超过1650m，该次洪水洪峰流量可达2×106m³/s，水流速度1.9～5.6 m/s，最大弗劳德数为0.06～0.22，最大希尔德数为0.03～0.25，在此之后，库雷-楚佳古堰塞湖虽然还有残余湖泊存在，但水量已经不足以发生溃决洪水，样品（#17）也表明，在全新世早期，库雷楚佳古堰塞湖依然存在残余水体并形成湖岸堤；与此同时，herget等人的研究表明，库雷盆地“湖泊期”结束于9.9±0.3ka(Carling et al., 2011;Herget et al.,2020)，楚佳盆地“湖泊期”结束于8.2±0.2ka (Herget et al.,2020)，并且在7.7 ± 0.6 ka以后，库雷楚佳盆地再也没有任何排水特征(Herget et al.,2020)。

图8 库雷楚佳盆地各级湖岸堤所对应的海拔高度

但是，库雷盆地南部的更低海拔湖岸堤和楚佳盆地北侧的湖岸堤缺少详细的年代学证据，且两盆地之间的河谷在全新世发生了滑坡堵江事件（#14，#15）(Agatova et al.,2020)，楚佳盆地西部形成堰塞湖，这增加了楚佳盆地湖岸堤形成的复杂性和特殊性，所以关于该湖泊的湖面波动历史还需要更多的研究以提供更为详细的年代学和地质地貌学资料。

图9 库雷楚佳盆地下游的洪水证据

a. 悬浮质砾石层与湖相沉积相间堆叠，样品#1，#2，#3，#4处，白色箭头指向湖相沉积；b. 印加河与卡通河交汇处的巨型砂坝（Herget et al., 2020）

6 结论

本研究通过结合遥感目视解译和ArcGIS软件的分析工具，对库雷-楚佳盆地湖岸堤进行了基础的重建和库容计算工作，共解译湖岸堤123级，其中，楚佳盆地湖岸堤75级，库雷盆地55级，第一级湖岸堤海拔1534m，库容3.64km；最高湖岸堤海拔2112m，代表湖泊的历史最高水位，库容691.322km。库雷盆地和楚佳盆地存在同海拔湖岸堤七级：第53级湖岸堤海拔1824m，库容108.85km；第63级1856m，库容144.428 km；第90级1959m，库容307.647km；第94级1980m，库容350.755km；第110级2063m，库容552.863 km；第112级2073m，库容580.098 km；第123级2112m，库容691.322 km。

表2 库雷-楚佳盆地及下游年代学证据表（参考Carling et al., 2011;Herget et al.,2020;Agatova et al.,2020）

对库雷楚佳古堰塞湖的湖面波动历史进行初步还原：库雷楚佳古堰塞湖在32ka左右湖面曾在1860m（#16）甚至更低海拔到2100m（#10）的范围内波动，于28ka左右发生第一次高能洪水，库容大约662km³；之后通道关闭，湖泊被填充，湖面超过1900m，上游至少到达楚佳盆地西部，形成楚佳盆地西部海拔1944m的湖岸堤，于20ka左右湖泊再次发生高能洪水；第二次高能洪水后，湖泊再次被填充，湖面重新上涨，库雷盆地南侧1650m湖岸堤（#9）在此次高能洪水之前形成，15ka左右库雷楚佳古堰塞湖最后一次发生高能洪水；在此之后，库雷-楚佳古堰塞湖还有残余湖泊存在，残余水体也在低海拔处形成湖岸堤。

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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

姜胜凡（1994-），男，山东青岛人，硕士研究生，研究方向：环境演变

刘维明(1982-)，男，研究员，硕士生导师，主要从事古灾害地貌研究

K903

A

1006-0995（2021）01-0019-08

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.004