巴尔喀什湖水量平衡研究

巴尔喀什湖水量平衡研究
龙爱华1㊀邓铭江2㊀谢㊀蕾2㊀李湘权2
(1.中国水利水电科学研究院;2.新疆水利厅)
摘㊀要㊀巴尔喀什 阿拉湖流域是中亚地区一道独特的景观生态系统,巴尔喀什湖是该区域
的核心,研究巴湖水量平衡对合理确定巴湖生态系统保护目标及保护措施具有十分重要的理
论与现实意义㊂在明晰巴湖水系㊁水位影响因素的基础上,构建巴湖水量平衡模型,并基于
多源数据资料及前期研究成果,逐一分析计算巴湖水量平衡收入(入湖地表径流㊁湖面降
水㊁入湖地下水)㊁支出(湖面蒸发㊁三角洲耗水)项系列,建立1936~2008年巴湖水量平
衡变化过程,进而讨论了伊犁河三角洲入湖水量㊁湖体与湖岸周边的地下水互动关系㊁人类
活动与气候变化对巴湖水量平衡的影响㊂
关键词㊀巴尔喀什湖㊀水量平衡㊀入湖径流㊀三角洲耗水㊀影响分析
巴尔喀什湖(以下简称 巴湖 )是巴尔喀什湖流域各河流的尾闾湖,位于哈萨克斯坦共和国(以下简称 哈国 )东南部,流域面积41.3万k m2,囊括阿拉木图州㊁东哈萨克斯坦州的南部㊁卡拉干达州的东南部㊁江布尔州的东部和中国新疆的西北部,其主要水动脉 伊犁河,是中国与哈国众多跨界河流中水量最大的河流㊂巴湖水位作为巴湖自身水量平衡状态的外在反映,是巴湖流域生态系统及其保护的主要指标,向来备受世人关注,研究巴湖水量平衡是合理确定巴湖水位保护的关键㊂1㊀巴湖概述
1.1㊀巴湖形态与水位变化
古巴湖约形成于40万年前,现代巴湖的形成开始于约1.6万~1.8万年前的 准噶尔断裂 [1]㊂巴湖位于东经73ʎ20ᶄ~79ʎ11ᶄ㊁北纬45ʎ00ᶄ~46ʎ44ᶄ之间,其东西方向伸展长度平均约600k m,南北向平均宽度30k m(最宽处70k m),中间被乌普阿拉尔半岛的乌泽纳拉尔(U z u n a r a l)水道分成东㊁西两个湖区,即东巴湖和西巴湖㊂巴湖南岸与东岸广泛分布着固定和半固定的荒漠与盐碱地,其中面积较大的有萨雷耶西克 阿特劳沙漠㊁塔乌库姆沙漠㊁莫因库姆沙漠㊁阿拉力库姆沙漠等㊂河流的中下游和三角洲及山间盆地间分布有大量的沼泽地(主要物种为芦苇)㊂就湖水面积而言,巴湖原本是中亚地区仅次于里海㊁咸海的第三大内陆湖,但由于咸海自1960年以来的不断萎缩,目前巴湖实际已成为中亚地区第二大内陆湖㊂1937~1984年巴湖平均湖面积17932k m2,平均水位341.83m,湖体水量平均为1019亿m3㊂
巴湖水位观测始于1931年,前苏联专家根据水量平衡㊁野外考察和文献报告记录考证和推算了1879~1930年的水位[2]㊂1879~2009年巴湖水位变化如图1所示,1879~2009年的131年间,巴湖水位具有明显的 三枯三丰 周期变化,第一次枯水位发生于1884年,该年为有记录以来最低水位,达到340.52m;第二次枯水位最低至340.7m;第三次枯水过程出现于1987年,最低水位为340.68m㊂
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图1㊀巴湖1879 2009年水位变化图
1.2㊀巴湖水系构成
流入巴湖的有5条固定河流:伊犁河㊁卡拉塔尔河㊁阿克苏河㊁列普瑟河和阿亚古兹河,如图2所示㊂其中,伊犁河发源于天山山脉中部,流域总面积为15.12万k m2,60.7%的面积位于哈国境内面积(约9.17万k m2)㊁河长764.5k m㊂伊犁河自我国三道河子断面出境后,左右岸发育有众多中小河流㊂据哈国境内卡普恰盖水文站实测资料评价,1930~1969年(大致接近自然状态的年份)伊犁河在哈国境内平均径流约为147.5亿m3,1970~2000年平均径流量约127.7亿m3㊂
图2㊀巴湖流域水系示意图
卡拉塔尔河是巴湖流域的第二大河流,发源于准噶尔阿拉套山主脉的西北坡3200~3900m的冰雪分布带,全长390k m,集水面积1.91万k m2,1956~2008年多年平均径流量22.66亿m3㊂列普瑟河发源于阿拉套山山脉西北坡3000m以上冰川,河流长度417k m,集水面积8100k m2,在巴湖流域各水系中水量占第三位,实测多年平均径流量7.87亿m3㊂阿克苏河发源于准噶尔阿拉套北坡3700 ~3800m的高原,河长约316k m,多年平均径流约4.26亿m3㊂阿亚古兹河位于巴湖北部,发源于塔尔巴哈台山脉北坡,河长942k m,集水面积1.57万k m2,多年平均径流量6.31亿m3,因其沿程水量被灌区的农牧场引用殆尽,1986年后阿亚古兹河便无地表径流流入巴湖㊂
2㊀研究方法及数据来源
2.1㊀巴湖水量平衡模型
巴湖水位变化取决于湖体水量平衡,即湖泊水量的收入支出平衡状况㊂
(1)收入项㊂包括入湖径流㊁湖周侧渗入湖水量㊁湖面降水㊂其中,入湖径流包括伊犁河㊁卡拉
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塔尔河㊁阿克苏河㊁列普瑟河和阿亚古兹河等5条河的入湖水量㊂
(2)支出项㊂据实地绕湖考察,哈国独立后东巴湖周边人烟稀少,除阿亚古兹河外其他河流人类用水较少;西巴湖区人口相对稠密但从巴湖取水很少,主要是向湖体排放工农业污水㊂因此湖面自然蒸发是巴湖水量支出的主要途径㊂多年来,各入湖支流向巴湖输入了大量盐分,但盐分平衡观测和研究成果显示巴湖平均盐度始终保持在2~3g/L[35]㊂这表明巴湖周边可能还存在较为独特的水文平衡项,本文认为是湖周边地下水与湖体的相互交换量,由于地下水的交换量难以确定,因此将其纳入平衡项进行处理㊂
(3)平衡项㊂平衡项是湖体水量收入与支出项的差额,表现为湖体水量㊁面积和水位变化㊂
(4)巴湖水量平衡方程㊂根据上述,建立巴湖水量平衡方程如下:
ΔW j=ð5i=1S R i jːU R j+P j-E j-U S j(1)式中:ΔW j为j年湖体蓄水变化量;S R i j为入湖河流i在j年的地表入湖水量,i分别指流水入巴湖的5条河流;U R j为j年入湖地下水量;P j为j年的湖面降水量;E j为j年的湖面水体蒸发量;U S j 为湖体向周边洼地的渗出水量;以上各变量单位均为亿m3㊂
(5)水位变化与水量变化方程㊂在各种因素的综合影响下,湖体蓄水量变化(ΔW j),湖水面积变化,相应湖水位发生变化㊂方程如下:
ΔH=ΔW j S j-1(2)据前苏联及哈萨克斯坦专家在巴湖开展的地形与水深测量(详见参考文献[6])及有关成果,建立如图3所示的水位 面积 湖容曲线关系及方程式㊂
图3㊀巴湖水位与面积㊁水位与储水量关系曲线图
2.2㊀数据来源及处理
2.2.1㊀数据来源
(1)径流资料㊂收集到伊犁河境外乌斯热尔玛站㊁乌卡尔恰盖站(卡普恰盖水库出库站)1936~ 2008年月径流系列资料,卡拉塔尔河乌什托别站㊁列普瑟河列普瑟站㊁阿克苏河昌恩站㊁阿亚古兹河阿亚古兹站4个水文站1936~1985年月径流系列资料㊂根据我国境内喀什河托海水文站和雅马渡水文站等分别与其他4条河水文站1936~1985年的径流相关关系,插补得到另4条河1936~2008年的径流系列㊂
(2)降水㊁气温资料㊂收集并选用湖区周边乌奇托别站1913~2008年㊁库伊甘站1929~2008年㊁巴尔喀什站1932~2008年3个站点逐月降水系列资料;巴尔喀什站1932~2008年逐月平均气温资料;个别缺测月份采用多年月平均值进行补充替代㊂
(3)境外社会经济资料及(耗)用水资料㊂境外社会经济资料包括研究区1991~2010年逐年城乡人口㊁经济产值㊁灌溉地面积㊁(引)用水量资料㊂
2.2.2㊀入湖径流
入湖水量是稳定巴湖水位的关键㊂本次选取的站点分别为乌斯热尔玛站㊁乌什托别站㊁昌恩站㊁㊃496㊃
列普瑟站和阿亚古兹站㊂其中阿亚古兹站1986年后基本无径流入巴湖;乌斯热尔玛站地处伊犁河三角洲的顶端,径流经该水文站后进入面积近8000k m2的伊犁河三角洲后才注入巴湖,估算伊犁河三角洲耗水量成为分析伊犁河入湖水量的关键㊂
(1)伊犁河三角洲耗水量及入湖水量㊂伊犁河三角洲是亚洲中部干旱区最大的三角洲系统,是巴湖湖区生物多样性最为丰富的生物资源库㊁最重要的自然资源和经济资源发祥地㊂自然状态下伊犁河每年汛期的洪水泛滥为三角洲滩地提供了丰富的养分和鱼类洄游产卵的水流环境㊂但1970年卡普恰盖水库建成蓄水后,洪水泛滥过程的消失使得三角洲植被退化㊁生态条件恶化,河流挟沙能力大大减弱,绝大部分泥沙沉积于三角洲导致河道堵塞㊂文献[7]根据相关成果建立统计模型,建立了1936 ~2008年伊犁河三角洲逐年耗水量,进而得到同期伊犁河入湖水量系列㊂
(2)东部四河(卡拉塔尔河㊁列普瑟河㊁阿克苏河㊁阿亚古兹河)入湖水量㊂有关研究表明, 1946~1966年卡拉塔尔河㊁列普瑟河㊁阿克苏河㊁阿亚古兹河平均入湖水量分别为18.82亿m3㊁7.66亿m3㊁2.27亿m3㊁0.47亿m3,分别占同期各河水文站径流量的86.1%㊁100%㊁81.5%㊁17.2%㊂由于1936~1945年上述四河开发利用程度较低,因此结合其同期总径流量,按上述比例可插补出1936~1945年各河入湖径流量㊂哈国独立后,由于社会动荡㊁人口剧减,农田水利设施破损严重,许多农田荒芜废弃,社会经济耗水迅速减少㊂1970年㊁1990年和2007年三期的遥感影像的分析结果表明,卡拉塔尔河㊁阿克苏河㊁阿亚古兹河水文站以下主要为生态耗水㊂据估算,1936~2008年河流域社会经济耗水量平均约为5.85亿m3,由其1936~2008年水文站的径流量可得到1936~ 2008年各河流逐年入湖水量㊂
2.2.3㊀湖面降水量与入湖地下水量
(1)湖面降水量㊂巴湖湖区降水量监测仅有位于湖中部位置㊁偏近东湖的巴尔喀什气象站,鉴于东西横跨600k m,不同部位降水差异较大,为此依据巴湖流域降水等值线增选位于伊犁河三角洲入湖口附近的库伊甘站㊁位于卡拉塔尔河中游的乌奇托别站㊁阿拉湖附近的乌恰拉尔站作为参考站,以巴尔喀什站㊁乌奇托别站和乌恰拉尔站等三站年降水量的加权平均值作为东湖湖面年降水量值,以库伊甘站与巴尔喀什站两站年降水量的算术平均值作为西湖年降水量值,分别计算东西湖面降水量㊂统计表明,不同湖水位㊁湖面积情况下,东㊁西湖面积比例长期稳定在41:59~42:58之间,据前述巴湖水位 面积 体积关系计算,得到1936~2008年巴湖多年平均降水量约为33.7亿m3,其中东㊁西湖多年平均分别约为15.0亿m3㊁18.7亿m3㊂
(2)入湖地下水量㊂在湖滨30~35k m宽的古老和现代河流谷地及大型地质断裂带,浅层地下水径流以不同流量的地下水流直接注入巴湖㊂水文地质调查分析表明,巴湖沿岸存在10个地下水流,每年进入巴湖的地下水(承压和浅层地下水)量约0.8ˑ108m3[5]㊂除此之外,巴湖周边洼地对湖体水量平衡发挥着 丰减枯增 的调节作用:在巴湖上年水量发生 亏缺 并低于湖岸地下水位时,洼地向湖体补水;当湖水位相对上年有 盈余 并高于湖岸正常地下水位时,湖体向洼地补水,水量约3亿~50亿m3不等[4,8~10]㊂
2.3㊀巴湖水量支出
2.3.1㊀水面蒸发
天然大水体(湖泊)水面蒸发量观测比较复杂,主要是因水温和水质不同㊂在风的作用下,湖泊不同部分蒸发强度并不均匀分布,一般上风偏大㊁下风偏小㊂本研究分东㊁西湖分别计算巴湖蒸发量㊂由于仅掌握湖区及周边气象站1932~2003年逐月平均气温资料,经比对分析,本次采用我境内㊁与巴湖区自然条件及气候环境条件相似的霍尔果斯的月均气温与蒸发量相关关系作为参证站进行计算,ϕ20c m蒸发与E601换算系数采用与境内条件较为相似的则克台与解放大桥站转换表㊂计算结果(如图4所示)表明,全湖多年平均蒸发能力为999m m,东㊁西湖分别为1018m m㊁987m m;1936~
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2008年巴湖平均蒸发量约为177.55亿m3,上世纪70年代以来巴湖蒸发量总体呈增加趋势,其中1970~1988年平均蒸发量173.7亿m3,1989~2008年平均蒸发量为183.0亿m3,期间巴湖水位从1970年的342.96m持续下降到1987年的340.68m,下降了2.28m;1988年开始,湖水位逐步回升,到2005年达到342.6m㊂
图4㊀1936 2008年巴湖湖面蒸发变化过程
2.3.2㊀湖体对周边地带地下水的补给
巴湖周边地下水水位与巴湖水位是动态变化且相互影响的,且地下水位的变化滞后于湖泊水位的变化㊂巴湖周边 洼地 地势与潜流水位一致,洼地中含盐的地下水受毛细管上升的影响,在接近水体的潜流面上蒸发强烈,带动湖体水量向洼地渗入㊂湖体对洼地地下水的补给量,还与当年湖水位及湖滨地下水位有关㊂当地表水来水偏丰时,湖水位上升超过湖滨地下水位,湖体水就补充湖滨地下水,进而加快向洼地的渗透补给;当湖水位较低时,湖滨地下水则渗入湖体补偿巴湖水量㊂
3㊀70年来巴湖水量平衡分析与讨论
3.1㊀伊犁河三角洲耗水量变化分析
1936~2008年的73年间,伊犁河三角洲平均耗水量为30.5亿m3(如图5所示),详细分析见文献[7]㊂可以看出,1993年后伊犁河三角洲年均耗水量呈明显增加趋势,尽管1993~2003年的11年间平均耗水量为30.3亿m3,但2003年后三角洲耗水量平均为35.4亿m3以上,这可能与2002年后伊犁河流域普遍进入丰水期以及三角洲发展变化的 河床 湖泊 阶段性更跌有关[7]㊂
3.2㊀伊犁河三角洲入湖水量
分析结果(如图6所示)表明,1936~2008年伊犁河三角洲多年平均入湖水量106.8亿m3㊂据三角洲顶端来水量和三角洲耗水推算,1936~2008年伊犁河干流平均入湖水量占乌斯热尔玛站平均径流的78%,由此也可印证三角洲的耗水量应为31亿m3左右㊂73年来,干流入湖水量呈下降趋势,其中:1936~1969年均值116.7亿m3,1970~2000年均值100.4亿m3㊂1969年前干流最大入湖水量是1955年(143.6亿m3),最小入湖水量是1948年82.4亿m3,年际变化较大㊂总体上,三角洲入湖水量的趋势与乌斯热尔玛站的径流变化趋势基本相同㊂值得注意的是,在经历1998~2003年的连续偏多入湖水量后,巴湖水位持续升高至2004年342.6m的历史新高,此后尽㊃696㊃
图5㊀伊犁河干流乌斯热尔玛站年径流㊁伊犁河三角洲耗水趋势变化过程
图6㊀1936~2008年伊犁河干流入巴湖径流过程线
管流域上游仍处于丰水期㊁下泄水量颇丰,但伊犁河入湖水量却急转下降,可能原因有:一是卡普恰盖水库利用丰水的有利时期,加大了蓄水力度,这可从三角洲顶端2003年后的来水变化(如图5所示)可见端倪;二是三角洲经历了6年的大水 河床阶段 后,大量的淤积使三角洲转入 湖泊阶段 ,导致三角洲耗水增加(如图5所示)㊂
3.3㊀巴湖水量平衡分析
依上构建出1936~2008年巴尔喀什湖逐年水量平衡关系㊂限于篇幅,以年代统计平均值为单元表述见表1㊂73年间,巴湖平均入湖水量179.73亿m3,其中地表入湖径流平均135.85亿m3,湖面
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降水平均33.75亿m 3;湖体水量支出177.55亿m 3,其中西湖蒸发量约占全湖蒸发量的58.6%;湖
体蓄水量增加2.18亿m 3,湖面水位由1936年的341.6m 升高至2008年的342.38m ,湖面积由
18054k m 2增至19032k m 2㊂总体而言,73年间巴湖水体水量基本保持平衡,其水位73年间波动变化,至少在水的供应上并未从根本上影响巴湖生态系统的健康㊂尽管巴湖水体高达1000亿m 3左右之巨,但其更巨大的湖面使巴湖水量平衡面临极大的压力㊂
表11936年以来巴湖各年代水量平衡表
单位:亿m 3时㊀间入湖项
出湖项湖水蓄西湖
东湖乌斯热尔玛站
径流三角
洲耗
水伊犁河干流入湖西湖湖面降水东部4河入湖径流东湖湖面降水净入湖地下水∗小计西湖蒸发东湖蒸发净出湖地下水∗小计变量Δ
W (1)(2)(3)=(2)-(1
)(4)(5)(6)(7)(8)=(3)+(4)+(5)+(6)+(7)(9)(10)(11)(12)=(9)+(10)+(11)(13)=(8)-(12)1936~1939年147.5334.02113.5115.6720.7312.01 161.9397.2268.846.10172.17-10.241940~1949年139.6728.85110.8316.1325.1313.99 166.0897.6169.373.24170.22-4.141950~1959年152.7634.12118.6417.1532.7414.4117.80200.75102.2772.25 174.5226.231960~1969年148.6126.70121.9120.5133.3717.553.64196.99113.1579.11 192.264.721970~1979年111.4224.3187.1118.0526.1215.238.84155.36105.3574.27 179.62-24.271980~1989年124.8635.9688.9019.4824.1213.8317.99164.3297.9669.74 167.70-3.381990~1999年134.5930.94103.6617.6430.8314.446.84173.40100.1671.23 171.382.022000~2008年145.6231.32114.3023.9235.2417.0727.29217.83115.5981.37 196.9620.8773年平均137.2630.50106.7618.7329.0915.0210.14179.73104.0373.53 177.55
2.18㊀∗㊀净入湖地下水和净出湖地下水列中,
此两列的每行两个空格中仅有一个空格有数字,分别表示各年代为地下水收支净额㊂3.4㊀关于湖体与湖岸周边的地下水互动关系
尽管73年间,巴湖湖面蒸发量基本稳定,但水量收入项变化较为剧烈(表明),因此不明显的年代际湖水蓄变量表明湖岸周边地下水流动对巴湖可能起到了 丰减枯增 的缓释作用㊂从盐分平衡的角度看,东湖蒸发与收入项之间水量差额可主要由西巴湖水量进行补给更新,使其盐度保持相对稳定状态;而西巴湖则可能存在另一个重要的 隐形 水文平衡因素㊂事实上,S c h n i t n i k o v 和A b r o s o v 通过分析湖底盐损失解释湖体盐浓度平衡机理后认为,巴湖的地下水流动使其成为一个开放系统;
C h i s t y a e v a 估算认为巴湖每年的地下水交换量约16亿m 3[4]㊂水力学研究表明,在大多数干旱区大水体的近岸地带,形成相当宽广的有一定深度的洼地,其地
势与潜流水位一致;这些洼地受 灯心效应 的影响,在接近水体的潜流面上有较强的蒸发过程㊂从
M .A .Погреõинский绘制的巴湖东南沿岸地下水位等高线(如图7所示,参见文献[4])与实地考察看,巴尔喀什湖可能确实存在这样一个洼地:洼地中部地下水位比湖水位低7m 左右,大小甚至与西
巴湖面积相当㊂洼地的存在,既部分解释了巴湖的盐份平衡机理,同时也表明由湖体渗出的水量是巴湖水体的重要支出项之一㊂地下径流测定本身十分困难,数位研究者的测定结果显示,巴尔喀什湖与
周边地带的地下径流交换量约为3亿~50亿m 3,依据巴湖水位的变化,不同年份交换量与交换方向(流入湖体还是渗出湖体)不同[4.810]㊂本次计算表明,1930s 与1940s 主要是湖体向湖岸补水,而后
随着人类活动对巴湖周边地区与相关河流的影响,则主要是由湖岸向湖体补水,73年中地下水交换㊃
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量-54亿~72亿m3,年际变化较大(如图8所示)㊂
图7㊀巴尔喀什湖周边三角洲地下水位线图
图8㊀1936~2008年巴湖湖体与湖岸地下水交换量变化
3.5㊀人类活动与气候变化对巴湖水量平衡的影响分析
影响巴湖水量平衡的因素包括人类活动和气候变化两方面㊂在几乎完全天然的状态下,巴湖水位就出现周期较长㊁幅度较大的涨落变化,曾于1885年出现低水位;在流域水资源开发利用程度较小时,也曾于1946年达到低水位㊂相比气候变化,人类活动(如大型水利枢纽建设及其对径流的调控)改变了湖泊系统天然状态下水循环机制及其过程,从而使其对湖泊水量平衡及水位的扰动在短期内要剧烈得多㊂例如,自1970年卡普恰盖水库建成蓄水开始,伊犁河入湖水量就急剧减少:大量蓄水造
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成无效水面蒸发增加,水库建成蓄水直接促进了卡普恰盖水库左岸约27万h m2灌溉面积的成功开发与灌溉用水快速增加,最终使巴湖水位在1970~1986年间几乎持续性地下降了2.32m,并于1987年再次出现最低水位[11];但自1986年前苏联停止其原蓄水计划㊁调低卡普恰盖水库的发电期望并在1988年实施三角洲河道疏浚工程等一系列措施后[12],即使在流域偏平的水文条件下,巴湖水位持续降低的趋势也得到彻底遏制,转而进入持续缓慢地上升过程(如图1所示虚圈部分)㊂20世纪后期,在气候变化㊁人类活动及地下水与湖水相互补给的综合影响下,巴尔喀什湖水位涨落幅度逐渐减小,又逐步达到了新的平衡㊂
4㊀结语
巴湖是迄今为止中亚地区乃至世界上为数不多仍保护较为完好的内陆尾闾湖泊之一,适量的水量补给和适度的人类影响是巴湖生态系统得以较好持续存在的关键㊂本研究在简述湖泊形态㊁水位变化㊁水系构成及巴湖水位影响因素的基础上,构建了巴湖水量平衡模型,并采用序列资料对其水量平衡进行了细致的分析㊂基于这些平衡分析,可深入探讨巴湖的保护目标及相关措施㊂
参㊀考㊀文㊀献
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作者简介:龙爱华(1976 ㊀),男,博士,教授级高级工程师,工作单位:中国水利水电科学研究院水资源研究所,联系地址:北京市海淀区玉渊潭南路1号中国水科院A座970室,邮编:100038,电话:010********,
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注㊀原文发表于‘冰川冻土“2011年第6期,本次略有删减㊂
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