三維技術(shù)在歷史地貌研究中的應(yīng)用試驗(yàn)
——1935年以來新疆博斯騰湖變化

王 芳，潘 威

三維技術(shù)在歷史地貌研究中的應(yīng)用試驗(yàn)
——1935年以來新疆博斯騰湖變化

王 芳，潘 威

陜西師范大學(xué) 西北歷史環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展研究院 GIS實(shí)驗(yàn)室，西安 710062

干旱區(qū)湖泊的演變深受氣候因素的影響。博斯騰湖是典型的干旱區(qū)湖泊，是新疆地區(qū)重要的地表淡水來源，是當(dāng)?shù)貐^(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要的環(huán)境基礎(chǔ)。由于博斯騰湖水體體積與其礦化程度息息相關(guān)，因此，本文利用大比例尺的民國地形圖資料，通過ArcGIS中的三維建模功能，重建了博斯騰湖兩個(gè)時(shí)間斷面的三維模型，并進(jìn)行了湖泊面積、容積的估算，發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)30年代的博斯騰湖水量確實(shí)處于一個(gè)較低的水平，1935年博斯騰湖面積大約620 km2，水體容積為4.8×109m3。到了2000年，博斯騰湖的面積達(dá)到了1185 km2，容積達(dá)到8.5×109m3。從本文研究結(jié)果來看，博斯騰湖水量和面積自20世紀(jì)30年代開始總體上呈現(xiàn)面積擴(kuò)大，水量上升的趨勢(shì)，這與新疆當(dāng)?shù)氐臉漭喒艢夂蛑亟ńY(jié)果具有很高的一致性。研究區(qū)的氣候可能在20世紀(jì)初期“大湖期”結(jié)束時(shí)經(jīng)歷了一個(gè)相對(duì)干旱的過程，受此影響博斯騰湖水量減小，而20世紀(jì)30年代的歷史文獻(xiàn)中也有干旱事件的記錄，那一時(shí)期，博斯騰湖平均礦化度在0.9 g · L?1到1.2 g · L?1，這一數(shù)值范圍已經(jīng)超過了現(xiàn)代觀測(cè)數(shù)據(jù)所得到的礦化度數(shù)值。在20世紀(jì)早期，博斯騰湖很可能出現(xiàn)過一個(gè)短暫的咸水化階段。20世紀(jì)30年代后，博斯騰湖流域出現(xiàn)了相對(duì)暖濕化的氣候變化方向，湖面重新擴(kuò)大。在一定的區(qū)域內(nèi)，如果處于氣候系統(tǒng)中的湖泊發(fā)生變化，尤其是對(duì)地處干旱區(qū)的廣大內(nèi)陸湖泊來說，一旦氣候發(fā)生變化，湖區(qū)或萎縮或擴(kuò)大之后，對(duì)整個(gè)區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)的影響都是巨大的。

博斯騰湖；三維模型；氣候變化；礦化度

中國西北地區(qū)深居內(nèi)陸，海洋暖濕氣流難以到達(dá)，干旱半干旱是其基本特點(diǎn)（Wei and Gasse，1999）。近年來全球變暖使西北大部分地區(qū)氣候環(huán)境發(fā)生重大變化，出現(xiàn)了降水與徑流增加，冰川消融加速，湖泊水位上升，大風(fēng)與沙塵暴日漸減少，植被有所改善等現(xiàn)象（施雅風(fēng)等，2002）。尤其是新疆的一些典型湖泊，如以艾比湖為代表的平原湖泊和以博斯騰湖為代表的山地湖泊，都出現(xiàn)水面擴(kuò)展、水位上漲的現(xiàn)象，體現(xiàn)湖泊對(duì)這一時(shí)段氣候變化的響應(yīng)（白潔等，2011）。

博斯騰湖（簡(jiǎn)稱博湖）位于今新疆維吾爾自治區(qū)博湖縣境內(nèi)，大約于7000年前形成（Zhang et al，2009），是中國目前面積最大的內(nèi)陸淡水湖，湖盆集水面積45000 km2，有開都河、黃水溝、清水溝等地表徑流補(bǔ)給，其中開都河為常年補(bǔ)給河流。開都河發(fā)源于天山中部，依靠山地降水與冰雪融水補(bǔ)給，長(zhǎng)度513 km，流域面積22000 km2，年徑流量3.4×108m3（Guo et al，2014）。博湖出水則依靠孔雀河，最終匯入羅布泊（圖1）。

陳發(fā)虎等（2006）對(duì)博湖的湖泊巖芯孢粉組合指標(biāo)進(jìn)行分析，揭示了博湖記錄的濕潤(rùn)小冰期具有代表性，亞洲干旱區(qū)湖泊在小冰期普遍出現(xiàn)所謂的大湖泊時(shí)代。而到了上世紀(jì)初，小冰期結(jié)束，全球氣溫升高，氣候轉(zhuǎn)向暖干，大湖泊時(shí)代結(jié)束。施雅風(fēng)等（2003）研究隨著全球變暖愈加顯著，全球水循環(huán)加快，西北地區(qū)于20世紀(jì)80年代氣候發(fā)生突然變化，降水量、冰川消融量和徑流量連年增加，內(nèi)陸湖泊水位顯著上升，洪水災(zāi)害也迅猛增加，開始出現(xiàn)暖濕跡象。朱長(zhǎng)明等（2015）運(yùn)用遙感分析方法研究得出博湖的水位最大出現(xiàn)在2000年，水位達(dá)到1048.4 m，此后水位下降，2009年湖泊水位僅為1045.1 m，蓄水量差值達(dá)到3.44×109m3。孫愛民等（2015）利用長(zhǎng)時(shí)段序列的Landsat數(shù)據(jù)分析得出20世紀(jì)80年代后期到2002年，博湖整體湖水面積呈顯著上升趨勢(shì)，從2002年到2014年湖泊面積又呈現(xiàn)劇烈下降趨勢(shì)。綜上，自20世紀(jì)80年代以來，新疆地區(qū)的湖泊普遍經(jīng)歷了湖面擴(kuò)展、水體淡化到湖面萎縮、水體咸化的劇烈轉(zhuǎn)變（Li et al，2003），湖泊的變化又引起湖周生態(tài)環(huán)境的變化，從而影響到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面（樊自立，1984）。因此，研究博斯騰湖的近期變化，探討湖泊變化的原因和后果，對(duì)于認(rèn)識(shí)周邊自然環(huán)境的演變規(guī)律及其對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的影響，具有一定意義。

圖1 博斯騰湖概況圖（1935年和2000年博斯騰湖面積疊加圖）Fig.1 The overview diagram of Bosten Lake (The superposition diagram of scope of Bosten Lake in 1935 and 2000)

由于20世紀(jì)前期沒有氣象站觀測(cè)記錄，歷史記錄或數(shù)據(jù)資料也不完整，博湖在20世紀(jì)上半葉的演變是不清楚的，博湖所謂的“大湖泊”時(shí)代是否已經(jīng)消失，證據(jù)也是不充足的?；谶@一現(xiàn)狀，運(yùn)用地圖史料，結(jié)合三維建模技術(shù)，重建了博湖近百年的演變過程，希望在資料確實(shí)的情況下，通過重建近百年來博湖的漲縮過程，回顧歷史上博湖曾經(jīng)出現(xiàn)的變化，能更好地理解近10年來發(fā)生的變化，也為未來博湖和其他新疆地區(qū)湖泊可能呈現(xiàn)面貌的推測(cè)提供歷史參照。

1 資料來源

反映博湖平面形態(tài)的最好資料無疑是基于實(shí)地測(cè)繪的大比例尺地形圖，新疆地區(qū)的測(cè)繪事業(yè)起步較晚，雖然清末有不少探險(xiǎn)家繪制過有關(guān)新疆地區(qū)的地圖，但其測(cè)繪面積往往集中于所走路線附近，區(qū)域面積內(nèi)的全面測(cè)繪起步晚，產(chǎn)品少。本文使用的材料主要包括1935年10月編繪的一套三十萬分之一地形圖，建國后的一系列大比例尺地形圖和10余年來的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。在這些資料中，最主要的是1935年新疆地形圖，該套圖現(xiàn)藏于臺(tái)灣“中央研究院”歷史語言研究所，是目前作者找到的最早的能清晰反映博湖形態(tài)的圖形資料（圖2）。

圖2 1935年新疆三十萬分之一地形圖·焉耆分幅Fig.2 One over three hundred thousand topographic map of Xinjiang in 1935 · Yanqi

按該圖圖說記錄，這套地圖計(jì)劃繪制217幅，實(shí)際完成了214幅，基本覆蓋了新疆全境。1935 — 1936年由當(dāng)時(shí)的中華民國軍事委員會(huì)軍令部陸地測(cè)量總局和新疆省政府合作制作，由于新疆地區(qū)缺乏測(cè)繪人才，且工作時(shí)間過于倉促，故是使用舊有的各種簡(jiǎn)圖重新繪制而成。此處的舊有簡(jiǎn)圖，應(yīng)當(dāng)是北洋政府時(shí)期“十年速測(cè)計(jì)劃”實(shí)施時(shí)所繪制但尚未制版的簡(jiǎn)圖。晚清民國時(shí)期，只有北洋政府的“十年速測(cè)計(jì)劃”是全國性的繪圖命令，也只有在這一時(shí)期，才可能出現(xiàn)成套的新疆地圖。

圖2中的湖泊形態(tài)首先需要數(shù)字化形成空間矢量數(shù)據(jù)。利用地圖四角的經(jīng)緯度在ArcGIS 10.2環(huán)境下為圖2進(jìn)行初步定位，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化處理，發(fā)現(xiàn)得到的數(shù)字化成果存在著明顯的方位偏移，大體上向西南方向偏移了約0.2°，類似現(xiàn)象在圖幅中的聚落點(diǎn)也存在，證明這種偏差實(shí)際上是由于測(cè)繪技術(shù)的誤差所導(dǎo)致，是一種系統(tǒng)偏差。

本文嘗試使用三維技術(shù)來構(gòu)建博湖的立體模型。2008年8月，中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所、中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所聯(lián)合進(jìn)行了博湖的綜合考察，利用回聲定位儀重新測(cè)量了博湖的深度數(shù)據(jù)，形成了1套湖底等深線數(shù)據(jù)，這成為本研究的等深線數(shù)據(jù)來源。在ArcGIS 10.2中完成了等深線數(shù)據(jù)和湖泊平面數(shù)據(jù)的疊加，并構(gòu)建了博湖1935年和2000年兩個(gè)時(shí)間斷面的三維模型，進(jìn)而得出湖區(qū)面積大小與水量容積。

2 結(jié)果與分析

2.1 重建結(jié)果

從圖1直觀來看，相比于20世紀(jì)30年代博湖的較破碎狀態(tài)，2000年博湖的湖泊面積確實(shí)擴(kuò)大了很多。博斯騰湖在地質(zhì)構(gòu)造上為天山褶皺帶內(nèi)部的坳陷區(qū)，屬于中生代的斷陷湖，因此博斯騰湖屬于構(gòu)造湖。構(gòu)造湖的湖岸陡峭且沿構(gòu)造線發(fā)育，湖水一般都很深，也就是說博湖的湖盆位置和形態(tài)不會(huì)有很大的變化，因此選取了資料中?4 m到?16 m的等深線來構(gòu)建20世紀(jì)30年代和2000年的湖泊三維數(shù)據(jù)。如圖3，在軟件環(huán)境中構(gòu)建了博湖兩個(gè)時(shí)間斷面的三維模型，并進(jìn)行了湖泊面積、容積的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)30年代的博湖水量確實(shí)處于一個(gè)較低的水平。1935年博湖面積大約620 km2，水體容積為4.8× 109m3。到了2000年，博湖的面積達(dá)到了1185 km2，容積達(dá)到8.5×109m3，運(yùn)用重建模型得出的2000年數(shù)據(jù)與使用現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)研究的博湖面積容積相差不大，說明這種推演重建的方法有其科學(xué)性與實(shí)用性。

圖3 （a）1935年博斯騰湖三維模型；（b）2000年博斯騰湖三維模型Fig.3 The 3D model of Bosten Lake in 1935 and 2000

文中運(yùn)用地圖的空間分析方法重建了兩個(gè)時(shí)間斷面的湖泊三維數(shù)據(jù)，為了分析博湖在近百年的變化趨勢(shì)是怎樣的，又結(jié)合了其他不同時(shí)段統(tǒng)計(jì)的博湖面積容積數(shù)據(jù)，如20世紀(jì)50年代通過地圖量算的湖區(qū)面積；20世紀(jì)60 — 70年代衛(wèi)星遙感結(jié)合湖泊三樣插值方法計(jì)算的湖區(qū)面積；20世紀(jì)80 — 90年代實(shí)地測(cè)量的數(shù)據(jù)與近10年的博湖數(shù)據(jù)等呈現(xiàn)了一個(gè)湖區(qū)面積和容積變化圖（圖4）。從圖4中面積來看，20世紀(jì)30年代博湖面積處于近百年的最低值，20世紀(jì)40 — 50年代湖區(qū)面積擴(kuò)大，20世紀(jì)60 — 70年代又趨于縮小，到了20世紀(jì)80年代，博湖面積達(dá)到了有水文記錄以來的最低值，但是依然比湖區(qū)20世紀(jì)30年代的面積要大，2000年博湖面積達(dá)到近百年最大值，整個(gè)湖區(qū)面積是呈正增長(zhǎng)趨勢(shì)的，且增長(zhǎng)幅度較大。從2002年開始，博湖又呈萎縮狀態(tài)，到2014年，博湖萎縮到了920 km2，湖泊水量也降低到了7.2×109m3，且這種趨勢(shì)未來還將持續(xù)。根據(jù)計(jì)算出的湖區(qū)面積容積數(shù)據(jù)，且因?yàn)椴┖芎璧匦嗡?，整體的水面位置變化不大，面積與容積是呈正相關(guān)的（圖4c）。湖泊容積也呈現(xiàn)這樣的變化趨勢(shì)。

圖4 （a）湖泊面積與容積相關(guān)性；（b）湖區(qū)面積變化圖；（c）容積水量變化圖Fig.4 (a) Correlation between lake scope and volume; (b) The lake district scope changes; (c) The change of the volume

2.2 分析

全疆變暖趨勢(shì)與全球變暖趨勢(shì)是一致的，博湖集水地區(qū)天山山區(qū)的降水近百年來整體呈增加趨勢(shì)，博湖是在這種大的氣候背景下發(fā)生演變的。影響湖泊發(fā)生變化的因素是多方面的，但各因素的影響強(qiáng)度不同。在西北干旱區(qū)，自然因素對(duì)湖泊的影響較大，氣溫降水的變化通過影響冰川融雪量和山區(qū)降水量深刻影響著湖泊的演變，并且研究數(shù)據(jù)也較好體現(xiàn)了博湖對(duì)氣候的響應(yīng)。到20世紀(jì)后期，總體上博斯騰湖的面積、水量變化受自然因素的影響，但人為活動(dòng)加劇了這種影響，自然要素（如河流徑流）與人為要素（如人類灌溉田地面積）共同影響著博湖的演變。下面就一些主要因素進(jìn)行分析。

2.2.1 溫度降水背景

從目前已有的圖5（a、b）中氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)（李江風(fēng)等，1988；袁玉江等，2001；魏文壽等，2008）來看，氣溫和降水變化具有一致性。從20世紀(jì)30年代到50年代氣溫降水呈上升趨勢(shì)，到20世紀(jì)60 — 70年代，氣溫和降水略有下降，自20世紀(jì)80年代后氣溫和降水又增加。對(duì)依靠冰川融水和山地降水補(bǔ)給的湖泊來說，其對(duì)湖泊影響的內(nèi)在機(jī)制在于氣溫上升，冰川融水量增加，同時(shí)山地降水增加，開都河的徑流量增大，補(bǔ)給博湖的水量也同樣增大，雖然溫度上升會(huì)加大湖區(qū)的蒸發(fā)量，但是較高的蒸發(fā)量又同時(shí)導(dǎo)致了湖區(qū)局地降水量的增加，從水量平衡角度來看，湖區(qū)的補(bǔ)給量是大于蒸發(fā)量的，湖區(qū)面積擴(kuò)大。從整個(gè)時(shí)間段看，降水量呈整體上升趨勢(shì)，雖然不如氣溫上升的幅度大，但是在西北地區(qū)暖干化的大背景下，在天山地區(qū)出現(xiàn)了轉(zhuǎn)暖濕的跡象。

從上述氣溫降水的變化來看，西北地區(qū)有由暖干向暖濕轉(zhuǎn)化的跡象，轉(zhuǎn)型的原因可能是全球顯著變暖驅(qū)動(dòng)水循環(huán)過程加快，而且西北地區(qū)的這種變化并不是孤立的，極有可能是全球性的，遠(yuǎn)在非洲的撒哈拉沙漠于1984年最為干旱，其植被指數(shù)最低，沙漠?dāng)U展9980000 km2，1985年后轉(zhuǎn)向濕潤(rùn)，1997年降水量低于200 mm · a?1的沙漠面積減少為8930000 km2，即減少了12%（Mcavaney et al，2001），這可以看做是與西北地區(qū)暖濕變化的遙相呼應(yīng)。

2.2.2 水文影響要素

開都河是唯一能常年補(bǔ)給博斯騰湖的河流，對(duì)博湖的補(bǔ)給達(dá)84.7%（孫占東等，2006），冰川是開都河上游重要的儲(chǔ)水形式，是開都河徑流的重要來源，2000年博湖面積達(dá)到近百年的最大值，這也是開都河的豐水年份，冰雪融水直接補(bǔ)給達(dá)9.6×108m3，占徑流總量的20%，較典型枯水和平水年份比重都要大，這是開都河上游冰川在區(qū)域氣候變暖的作用下，發(fā)生了較大幅度的退縮，冰川消退過程產(chǎn)生的冰雪融水是20世紀(jì)80年代后期以來開都河徑流加大的主要原因，同理也是博湖近20年水位上漲、湖區(qū)面積擴(kuò)大的原因。開都河上游存在大量的山地中小冰川，這些較小體積的冰川對(duì)升溫的敏感度較高，溫度升高時(shí)首先使這些分布在低海拔的中小冰川融化，隨著冰川的逐漸減少，變暖帶來的冰川融水效應(yīng)將減弱。2.2.3 人類活動(dòng)尤其是農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)博湖的影響

人類活動(dòng)是一個(gè)相對(duì)廣義的概念，它既包括引起流域下墊面顯著改變的水土保持、水利工程等對(duì)水產(chǎn)生直接影響的人類有目的的水利活動(dòng)，也包括對(duì)水產(chǎn)生間接影響的經(jīng)濟(jì)社會(huì)結(jié)構(gòu)調(diào)整等非水利目的的活動(dòng)（Chiew et al，2002）。早在清朝時(shí)期，清政府加強(qiáng)對(duì)新疆的統(tǒng)治，大批內(nèi)地人口前往新疆，推進(jìn)了新疆地區(qū)的農(nóng)業(yè)開發(fā)，天山南北素有“南耕北牧”的經(jīng)濟(jì)格局，天山南坡多鑿渠渠水或開挖坎兒井飲水，開都河和博斯騰湖流域成為當(dāng)時(shí)農(nóng)業(yè)開發(fā)的重要引水源。到20世紀(jì)30 — 40年代，新疆人口達(dá)到400萬左右，比20世紀(jì)初增加了50%以上，急劇增加的人口需要大量的耕地，引水工程的建設(shè)也相繼建設(shè)。20 世紀(jì)20年代后期的新平渠渠長(zhǎng)僅80 km，20世紀(jì)40年代的吐爾曼渠的灌溉面積則達(dá)到了近50 km2。博湖流域農(nóng)業(yè)大規(guī)模開墾的第一個(gè)高峰期在20世紀(jì)50 — 60年代，這一時(shí)期興建了解放一渠、解放二渠等大型的水利工程，灌溉面積為351.7 km2（張落成和年福華，2004），引水量達(dá)到1.0×109m3，這一階段人類活動(dòng)對(duì)湖泊的影響增強(qiáng)，根據(jù)圖5，博湖在這一時(shí)期呈面積縮小趨勢(shì)。20世紀(jì)70 — 80年代是人類活動(dòng)對(duì)湖泊影響最大的時(shí)期，耕地灌溉面積也持續(xù)增長(zhǎng)，農(nóng)田灌溉面積由1959年的3. 596 × 104hm2上升到1988年的8.380×104hm2，博湖水位則由1048.75 m下降到1045.21 m，湖泊面積也在1988年達(dá)到了最低值，這其中除了氣候因素之外，人類農(nóng)業(yè)開發(fā)發(fā)揮了巨大作用。20世紀(jì)90年代以來雖然灌溉面積不斷擴(kuò)大，但是當(dāng)?shù)卣畬?shí)施了科學(xué)有效的灌溉管理措施，提高了灌溉水利用系數(shù)，引水量反而比20世紀(jì)80年代下降了1.44×108m3，水資源利用率大大提高。同時(shí)在暖濕氣候背景下，冰川消融量與山區(qū)降水增加，加大了河流徑流量，入博湖的水量增加，在2000年左右湖區(qū)面積水量達(dá)到了近百年的最大值，這一時(shí)期是氣候因素在起主導(dǎo)作用。從2002年到現(xiàn)在，博湖水位持續(xù)下降，年均下降0.36 m，而且隨時(shí)間推移變化速率有加快的跡象，焉耆盆地人口從1988年到2014年增加了1.4倍，人口增加促使博湖流域耕地總面積和引水量的增加，導(dǎo)致了水位下降，因此這段時(shí)期人類活動(dòng)是其發(fā)生變化的主導(dǎo)因素。

圖5 （a）西北地區(qū)近百年溫度變化趨勢(shì)；（b）天山周邊區(qū)域近百年降水量變化圖Fig.5 (a) The trend change of temperature nearly two centuries in Northwest China; (b) The trend change of precipitation nearly two centuries in Tianshan Mountain

2.2.4 歷史記載

除了通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)的溫度降水曲線來重現(xiàn)當(dāng)時(shí)的氣候背景，歷史記錄也可以從一定程度上佐證重建的湖泊數(shù)據(jù)是否科學(xué)。據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)氣候歷史史料》（新疆維吾爾自治區(qū)氣象局科學(xué)研究所，1981）所載：“1935年烏魯木齊縣屬東五道及蘆草溝兩處旱災(zāi)，顆粒無收；木壘河各渠所種夏秋禾，因雨水缺乏被旱成災(zāi)”；這主要反映的是1935年夏季降水偏少，而博湖湖區(qū)面積在1935年也處于很小的階段?！?951年烏魯木齊發(fā)生2級(jí)洪災(zāi)；莎車于7月暴發(fā)大水，農(nóng)田受損；1952年8月5日發(fā)生山洪，為三四十年來第一次大水；庫爾勒遭水災(zāi)，淹倒房屋，淹死小麥；庫車因暴雨山洪等共損失棉花7.4 km2。”這里顯示的是20世紀(jì)50年代天山周邊地區(qū)夏季降水較多成災(zāi)，而博湖在這一時(shí)期也是處于面積較大、水量較多的時(shí)期。從以上歷史記錄看出，此次重建的湖泊數(shù)據(jù)具有一定的可靠性。

2.2.5 湖泊礦化度

水體的礦化度又叫水體的含鹽量，是表示水中所含鹽類的數(shù)量，礦化度的大小直接關(guān)系到水體的水質(zhì)。有歷史記錄以來，都認(rèn)為博斯騰湖是個(gè)淡水湖泊（程其疇，1995）。博斯騰湖地處干旱地區(qū)，蒸發(fā)量較大，如果湖泊水體循環(huán)較差，就很容易導(dǎo)致湖泊水體礦化度升高，產(chǎn)生很多咸水湖，如艾比湖、巴爾喀什湖等。正因?yàn)椴┧跪v湖有充足的淡水注入，也有大量的水流出，水體循環(huán)性好，才為博斯騰湖維持淡水湖的狀態(tài)提供條件（Liu et al，2014）。

通過重建博湖20世紀(jì)30年代湖區(qū)面積與容積，可以根據(jù)湖水量、鹽量、礦化度的關(guān)系計(jì)算當(dāng)時(shí)的水體礦化度。根據(jù)前人研究的三者關(guān)系（成正才和李宇安，1997），下式為三者關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

D = S/(10U ) (1)式中：D為湖水平均礦化度，以g · L?1計(jì)；S為湖中鹽總量，以104t計(jì)；U為湖儲(chǔ)水總量，以108m3計(jì)；常數(shù)10為換算系數(shù)。

從式中可以看出，湖水礦化度與湖儲(chǔ)水總量是呈負(fù)相關(guān)的，也就是說作為影響湖泊礦化度的因素之一，湖容越大，湖泊的礦化度越低。筆者比較贊同博湖的平均礦化度是1958年的0.6 g · L?1（左其婷等，2004），而根據(jù)圖4，20世紀(jì)50年代博湖容積為7.6×109m3，20世紀(jì)30年代博湖容積為4.8×109m3，結(jié)合其他影響要素，推算20世紀(jì)30年代博湖平均礦化度在0.9 g · L?1到1.2 g · L?1，說明在博湖歷史上有過咸化的現(xiàn)象。但是在暖濕的氣候背景下，水循環(huán)加快，博湖的補(bǔ)給量增加，湖容增大，在20世紀(jì)50年代礦化度有所下降。隨著人類活動(dòng)對(duì)自然的影響日漸加強(qiáng)，入湖鹽量持續(xù)增加，礦化度也逐漸增加，20世紀(jì)80年代，博湖湖水容積下降，在入湖鹽量持續(xù)增加的情況下，沒有足夠的湖水來稀釋這些鹽量，導(dǎo)致礦化度達(dá)到近百年的最大值。為了保持湖泊面積狀態(tài)長(zhǎng)期穩(wěn)定，必須保證一定的生態(tài)需水量。

3 結(jié)論與思考

（1）研究發(fā)現(xiàn)，小冰期結(jié)束后，以博湖為代表的地表水域有過面積較小的階段，大湖泊時(shí)代可能在20世紀(jì)初結(jié)束。但此后博斯騰湖區(qū)面積水量又有所上升，近幾年又開始下降。

（2）湖泊作為局地氣候在地表上的直觀反映，可以從某種程度上反映氣候的變化趨勢(shì)。從變化幅度上開看，博湖的面積容積從1935年到2000年整體是呈擴(kuò)大趨勢(shì)的，可以推測(cè)自20世紀(jì)30年代以后，博湖地區(qū)氣候就有這種變暖變濕的趨勢(shì)，而且從周邊地區(qū)重建的溫度降水?dāng)?shù)據(jù)來看，也能夠支撐這一論斷。

（3）近年來博湖咸化的趨勢(shì)在其歷史上同樣出現(xiàn)過，但是由于當(dāng)時(shí)人類活動(dòng)不如現(xiàn)在頻繁，較高的礦化度造成的影響比現(xiàn)在小。應(yīng)該努力調(diào)控水體質(zhì)量，增加入湖淡水減少入湖鹽量，增強(qiáng)水體循環(huán)等，使博湖得以持續(xù)利用下去。

博湖兩個(gè)時(shí)間斷面三維數(shù)據(jù)的建立，旨在通過更直觀的數(shù)據(jù)展現(xiàn)，探討自20世紀(jì)30年代容積的變化幅度，以此來重點(diǎn)分析博湖在歷史上曾有過的自然狀態(tài)，其隨著時(shí)間推移所發(fā)生的改變，其改變是在怎樣的氣候背景下產(chǎn)生的。由于氣候?qū)吹挠绊憴C(jī)制比較復(fù)雜，尤其在新疆地區(qū)，受到西風(fēng)環(huán)流、北大西洋濤動(dòng)、甚至是北冰洋濤動(dòng)的影響，總的氣候背景和局地的影響要素，哪個(gè)方面對(duì)湖泊的變化影響更大，在南疆和北疆或者平原和山地的影響幅度都是不同的，需要具體探究。

在整個(gè)水循環(huán)中，氣候變化引起湖泊發(fā)生變化。在一定的區(qū)域內(nèi)，如果處于氣候系統(tǒng)中的湖泊發(fā)生變化，尤其是水質(zhì)水量的變化對(duì)本區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和對(duì)人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生怎樣的影響都是需要探討的。尤其是對(duì)地處干旱區(qū)的廣大內(nèi)陸湖泊來說，一旦氣候發(fā)生變化，湖區(qū)或萎縮或擴(kuò)大之后，對(duì)整個(gè)區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)的影響都是巨大的。

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Application test of 3D technology in the sudy of historical landscape — Change of Bosten Lake in Xinjiang since 1935

WANG Fang, PAN Wei
Northwest Institute of Historical Environment and Socio-Economic Development, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China

Background, aim, and scope The evolution of the lakes which in arid areas is under the infl uence of climate factors. Bosten Lake is a typical lake in arid areas, it is an important source of surface water in Xinjiang. And it is an important environment foundation in the local social economy development in Xinjiang. This article purpose through rebuilding the process of the increase of decrease of the Bosten Lake area, reviewing the changeof Bosten Lake in the history can help us to better understaand the changes that have taken place in recent 10 years, in order to provide reference for the future of Bosten Lake or other lakes in Xinjiang. Materials and methods This article data source mainly include a set of one over three hundred thousand topographic maps of Xinjiang which compilated in october 1935, a series of large scale topographic map which compilated since the foundation of the country, bathymetric data of Bosten Lake in 2008, and nearly a decade of landsat data in Xinjiang. This one over three hundred thousand topographic maps of Xinjiang can clearly refl ect the form of Bosten Lake. First of all we conduct vector data of Bosten Lake in Arcgis 10.2 system, then we overlay the bathymetric data and graphic data of Bosten Lake, at last we build the 3D model of the lake in 1935 and 2000, at the same time we estimate the area and the vloume of Bosten Lake. Results Through the study we found that the agency of water of Bosten Lake was at a low level in the 1930s. The area of Bosten Lake is about 620 km2, and the volume of Bosten Lake is about 4.8×109m3. In the year of 2000, The area of Bosten Lake achieve the 1185 km2, and the volume of Bosten Lake about achieve the 8.5×109km3. From the research results in this paper, the area an volume of Bosten Lake begin to appera the trend of expanding of area and the rising of amount water on the whole from the 1930s. During this period, the average salinity of Bosten Lake was between 0.9 g · L?1and 1.2 g · L?1. This numerical was more than the average salinity which get of the modern observation data of Bosten Lake. Discussion We discuss the two time section of the establishment of 3D data of Bosten Lake, aimed through the intuitive data show discussing the rangeability from the 1930s. In order to analyze the state of nature of Bosten Lake in the history. And what change happened as time goes by. These changes under the background of what climate occurred. Because of the mechanism of the infl uence of climate on lake is more complex, especially in Xinjiang region. The change in climate affected by westerly circulation, NAO, even the AO. The overall climate background or regional infl uence factors, which infl unece is more important to the change of the lake, both in the sorthern of Xinjiang and in the northern of Xinjiang and in the plain or in hilly area is diffence. Therefore we need to continue to explore in the future. Conclusions The conclusions in this article, we found that the Bosten Lake as a representative of the surface waters had a small area of the stage in Xinjiang after the little ice age . The “great lakes period ” may be over in the early 20th century. Secondly, the area an volume of Bosten Lake begin to appera the trend of expanding of area and the rising of amount water on the whole from the 1930s in the last century, this trend has high consistency with the reconstruction results of the ancient climate which setting from the tree ring in the local of Xinjiang region. After the 1930s, the lake basin of Bosten Lake was likely to appear the trend of the climate of warm and wet relatively, the Bosten Lake area expanded again. Thirdly, in the early 20th, the Bosten Lake was likely to appear a short stage of high salinity. But the human actibities was few in that time, hiah salinity had less impact than modern time. Recommendations and perspectives This article using of 3D technonlogy is a new attempt, and have important value in the research method. And this article promoted the discussion of the chimate change which impact on the lake. But because of the lack of data, there are many defective aspects in our research. we hope in the later study these aspects can be more effectively solve.

Bosten Lake; three-dimensional model; climatic change; degree of mineralization

Date: 2016-12-28; Accepted Date: 2017-03-14

National Natural Science Foundation of China (41401223); National Social Science Foundation of China (14ZDB031)

PAN Wei, E-mail: panwei@snnu.edu.cn

2016-12-28；錄用日期：2017-03-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41401223）；國家社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目（14ZDB031）

潘 威，E-mail: panwei@snnu.edu.cn

王 芳, 潘 威. 2017. 三維技術(shù)在歷史地貌研究中的應(yīng)用試驗(yàn)——1935年以來新疆博斯騰湖變化[J]. 地球環(huán)境學(xué)報(bào), 8(3): 253 – 262.

: Wang F, Pan W. 2017. Application test of 3D technology in the sudy of historical landscape—Change of Bosten Lake in Xinjiang since 1935 [J]. Journal of Earth Environment, 8(3): 253 – 262.