內(nèi)蒙古河套平原現(xiàn)代湖泊的水化學(xué)特征及成因類型

李成路，張緒教，葉培盛，傅連珍，葉夢旎

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081)

內(nèi)蒙古河套平原現(xiàn)代湖泊的水化學(xué)特征及成因類型

李成路1，張緒教1，葉培盛2，傅連珍1，葉夢旎1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081)

在1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，于山前—黃河—沙漠沿線采集湖水、地下水樣品16組，分析其水化學(xué)特征，并結(jié)合遙感解譯和鉆探等技術(shù)方法劃分了河套平原現(xiàn)代湖泊的成因類型。研究表明該區(qū)湖泊多數(shù)為淡水—微咸水湖，水化學(xué)類型呈Na-(Mg)-(Ca)-HCO3-(Cl)型;少數(shù)為咸水湖，水化學(xué)類型呈Na-(Mg)-(K)-Cl-(SO4)型，湖水TDS變化較大，介于0.857～7.36g/L，主要接受引黃灌溉補給和山前地下水側(cè)向補給。湖泊的成因類型可分為河流成因的牛軛湖、基底為全新世黃河古河道沖積砂層的風(fēng)蝕湖及基底為全新世風(fēng)積沙層的風(fēng)蝕湖；其中以Ⅱ型占主導(dǎo)地位。

現(xiàn)代湖泊；成因類型；水化學(xué)；河套平原

0 引言

湖泊具有調(diào)節(jié)河川徑流、發(fā)展灌溉、提供工業(yè)和飲用水源的功能，在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。同時，湖泊本身對全球變化響應(yīng)敏感，能真實地記錄湖區(qū)較長地質(zhì)歷史時期內(nèi)各種環(huán)境變化的信息[1-2]。河套平原常年干旱少雨,但是區(qū)內(nèi)湖泊星羅棋布，形成湖泊—沙丘—濕地相間分布的地貌景觀。平原內(nèi)湖泊濕地總面積為3.57萬hm2，湖泊面積100～500hm2的湖泊共10個；500～1500hm2的湖泊2個；大于1500hm2的湖泊1個[3-6]。僅該文研究區(qū)就有大小湖泊60余個，水域面積超過1067hm2。因此，對湖泊的調(diào)查研究成為該區(qū)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中不可缺少的一環(huán)。

湖水通過入滲補給地下水，影響地下水流場，改變地下水水化學(xué)特征。另一方面，地下水通過排泄補給湖水，導(dǎo)致湖水化學(xué)特征的變化[7-8]。湖泊的化學(xué)組成在運移和形成過程中受到區(qū)域氣候環(huán)境和地質(zhì)狀況的強烈影響。因此,不同區(qū)域氣候環(huán)境和地質(zhì)狀況,湖泊的水化學(xué)特性具有明顯的差異[9-10]。研究區(qū)域內(nèi)湖泊的水化學(xué)特征及湖泊的形成機制，對于查清區(qū)域地下水動態(tài)、正確評價區(qū)域水資源具有重要意義。

近年來關(guān)于河套平原湖泊水化學(xué)特征、湖水補給來源和湖水面積的動態(tài)變化等科學(xué)問題逐漸成為學(xué)者研究的熱點。對于湖泊的補給來源,有觀點認(rèn)為補給主要來自黃河灌渠，也有觀點認(rèn)為現(xiàn)存的湖泊是河套古湖水系的殘留，更有學(xué)者提出河套平原攜帶砷的地表水和淺層地下水可能來地下承壓含水巖系[11]。目前，有關(guān)內(nèi)蒙古河套平原水資源環(huán)境方面的研究主要集中在地下水砷的研究上，如砷的分布規(guī)律以及高砷水中稀土元素含量及分異特征。在地下水分布以及區(qū)域氣候環(huán)境演變方面也有涉及[12-14]。而對于區(qū)內(nèi)湖泊的調(diào)查資料則比較欠缺，尤其是缺少對湖泊成因類型的分類梳理。

該文針對以上研究的不足，在區(qū)域地質(zhì)填圖的基礎(chǔ)上，通過采樣分析湖泊的水化學(xué)特征，并結(jié)合湖泊分布區(qū)的沉積物特征的研究，揭示河套平原現(xiàn)代湖泊的補給來源和形成機制，為河套地區(qū)現(xiàn)代湖泊的分類研究與合理利用湖泊資源提供參考資料。

1 區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

河套平原位于內(nèi)蒙古西部，北抵陰山，南臨庫布齊沙漠，西起烏蘭布和沙漠，東至烏梁素海，黃河為區(qū)內(nèi)唯一外流水系。研究區(qū)大的地貌單元可分為3種類型：山前沖積洪積扇傾斜平原、黃河沖湖積平原和烏蘭布和--庫布齊近代風(fēng)積沙地。該區(qū)屬于常溫帶大陸性干旱、半干旱氣候帶，降水稀少，蒸發(fā)強烈。年降水量約136.8～213.5mm，年蒸發(fā)量約1993～2372mm。河套盆地第四系沉積物厚500～2600m，地表幾乎全部被全新統(tǒng)沉積物所覆蓋，為黃河泛流相沉積，巖性為棕黃色粘土--粉細(xì)砂[3,15](圖1)。

圖1 研究區(qū)概況圖

河套平原具典型的干旱氣候帶沉降盆地水文地質(zhì)特征。主要表現(xiàn)為地勢平坦，含水層顆粒細(xì)，降水稀少，蒸發(fā)強烈，引黃灌溉量大，水力坡度小(0.001～0.005)，徑流條件較差，地下水循環(huán)以垂直交替為主。該文研究區(qū)截取了北起色爾騰山，橫跨黃河沖湖積平原，南至庫布齊沙漠的狹長區(qū)域，目的是全面調(diào)查河套平原不同地理環(huán)境下湖泊的水化學(xué)特征和成因類型，使樣本更準(zhǔn)確地反映河套平原現(xiàn)代湖泊的總體情況。

1.2 樣品采集與測試

樣品采集包括湖泊水樣和地下水水樣采集、第四紀(jì)沉積物樣品的采集等。共采集水樣16組，包括湖水樣品6組、地下水樣品9組、河水樣品1組(采樣點分布如圖2所示)。地下水樣品從機井或壓水井采集，樣品采集前抽水0.5h，待水溫、pH等水化學(xué)指標(biāo)穩(wěn)定后，開始取樣。在湖泊聚集區(qū)施工9m淺鉆3個，開挖風(fēng)成沙丘剖面1個，鉆孔及剖面位置如圖2所示。于巖心中取OSL樣品7個，采樣層位如圖3所示。其中OSL取樣時先去除剖面表層風(fēng)化層，用直徑5cm、長20cm的鋼管楔入沉積層，取出鋼管立即用黑色的塑料蓋住兩端，然后用膠帶密封；取樣過程確保不曝光、不漏水。

OSL樣品前處理和測試均在中國地震局地殼應(yīng)力研究所地殼動力學(xué)重點實驗室完成。水化學(xué)樣品測試在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)環(huán)境化學(xué)實驗室完成。水樣分析的對象為總?cè)芙夤腆w(TDS)、pH值及Na+和Cl-等10種陰陽離子。pH值用電極法測定,TDS用干燥--重量法測定,水化學(xué)成分的分析按照國家標(biāo)準(zhǔn)[16],分別使用酸堿滴定、比色分析、濁度分析、離子色譜、分光光度和原子吸收方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同湖泊的遙感影像特征

圖2 研究區(qū)湖泊分布及形態(tài)特征(Spot6遙感影像)

根據(jù)Spot6遙感影像的解譯分析，河套平原現(xiàn)代湖泊主要分布在山前地帶、盆地中部和沙漠邊緣地帶，具有分帶聚集的特點。其中:山前地帶湖泊數(shù)量較少，湖泊之間相距較遠(yuǎn)，主要沿烏加河舊河道兩側(cè)依次展布；盆地中部的湖泊數(shù)量眾多，呈群聚狀分布，湖濱地帶發(fā)育帶狀沙丘，沙丘多呈固定—半固定形態(tài)；沙漠邊緣地帶的湖泊數(shù)量最少，多孤立分布，點綴在廣闊的沙漠表面。

上述3個湖泊帶的湖泊在遙感影像中亦呈現(xiàn)不同的形態(tài)特征，如圖2可將河套平原的現(xiàn)代湖泊大致分成3種類型。分布在山前的Ⅰ型湖泊，湖泊面積較大，多呈牛軛狀、彎曲條狀，邊緣清晰，湖水深度較均一；分布在盆地中部的Ⅱ型湖泊，湖泊面積最大，多呈半月形、不規(guī)則形，湖泊之間隔以風(fēng)積沙丘；分布在庫布齊沙漠邊緣的Ⅲ型湖泊，面積最小，多呈圓形、橢圓形，邊緣模糊，湖水較淺，封閉性較強，干涸的湖底可見黑色有機質(zhì)。

2.2 不同湖泊的水化學(xué)特征

位于黃河北岸、河套平原中部的4個湖泊為淡水—微咸水，湖水總?cè)芙夤腆w(TDS)介于0.86～1.21g/L，相對變化不大。由北向南先呈升高趨勢，后趨向穩(wěn)定。湖水pH均呈弱堿性，由黃河總干渠向北部排干渠方向湖水pH值逐漸升高至8.89，至山前迅速下降至8.12。位于黃河南岸、庫布齊沙漠邊緣的2個湖泊為半咸水—咸水，湖水總?cè)芙夤腆w(TDS)分別為4.6g/L和7.4g/L，越靠近沙漠一側(cè)湖水TDS越高。湖水pH分別高達(dá)9.4和9.3，呈堿性(表1)。這些湖泊的TDS和pH均遠(yuǎn)高于河套平原中部的湖泊。

表1 河套平原湖水、地下水化學(xué)分析結(jié)果

2.3 不同湖泊的補給來源

河套平原現(xiàn)代湖泊的補給來源是多樣的。如圖4，根據(jù)地下水位高度和湖面高度可以確定兩點間的地下水流向，從北部山區(qū)向平原核心地帶，地下水水位由海拔1060m逐漸降至1000m，山前地下水不可避免地會補給湖水。黃河水平面高度為1025m，高于河套平原多數(shù)湖泊水平面(約1000～1010m)[17]，所以，黃河水通過灌渠補給湖泊成為可能。

圖3 河套平原湖水、地下水離子化學(xué)組成三角圖

湖泊主要接受山前地下水側(cè)向補給。呼勒斯太40m機井樣品顯示TDS約0.3～0.4g/L，水質(zhì)良好,水量豐富。向南進(jìn)入河套平原，受第四紀(jì)沉積物粒度逐漸變細(xì)，地下水徑流速度下降，地下水埋深變淺等因素的影響，地下水不斷接受蒸發(fā)濃縮。如圖5，TDS向南增加的趨勢十分明顯，由262mg/L增加到2296mg/L，增加幅度較大，且均呈梯度增大，未見倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，同一地點湖水的TDS值遠(yuǎn)大于該點的地下水TDS值。以上現(xiàn)象說明地下水由北向南運移過程中不斷補給湖水并在湖中接受蒸發(fā)排泄，由潛水深埋帶過渡到潛水溢出帶，由徑流排泄逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎舭l(fā)排泄。

按照干旱盆地區(qū)地下水流系統(tǒng)的一般規(guī)律，隨著補給距離的增加以及山前沖洪積扇前緣上升水流對表層咸水的抬升作用，湖水TDS也應(yīng)該沿途迅速上升。但如圖5，數(shù)據(jù)顯示湖水TDS增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地下水，張寶圪旦附近地下水達(dá)2.27g/L，高于湖水的1.2g/L，形成上淡下咸的結(jié)構(gòu)，這說明南部湖泊接受了來自黃河灌渠的淡水補給，并轉(zhuǎn)而補給地下水。黃河水的補給，形成了由北至南湖水TDS先升高至峰值(1.19g/L)后又降低的特征?？傊?，北部山前地下水和南部黃河水同時補給河套平原眾多湖泊，并在低洼的湖區(qū)接受蒸發(fā)排泄而逐漸咸化，北部湖泊主要受山前地下水影響，而南部受黃河影響更大。

考慮到湖濱沙丘比較低矮、分布面積小、砂層較薄，沙丘賦存的地下水是不足以完全提供湖水補給的。但沙丘有利于大氣降水入滲，減少蒸發(fā)量，沙丘上的植物亦有涵養(yǎng)水源的作用。因此，湖濱沙丘的存在是保持湖泊水量穩(wěn)定的一個重要因素[18-19]。

圖4 河套平原地平線與地下水位

圖5 河套平原湖水、地下水TDS與pH對比圖

2.4 沉積物揭示的湖泊成因

Ⅰ型湖泊為烏加河改道留下的河成湖，形成的年代較新，在遙感影像中呈現(xiàn)清晰的牛軛湖形態(tài)，辨認(rèn)度比較高；Ⅲ型湖泊均位于庫布齊沙漠全新世風(fēng)積砂層之上，補給環(huán)境較為單一，風(fēng)蝕湖的特征十分明顯；所以該文對湖岸沉積物的研究主要集中在區(qū)內(nèi)數(shù)量最多、地表形態(tài)最復(fù)雜的Ⅱ型湖泊分布區(qū)。Ⅱ型湖泊分布于河套平原中部塔爾湖鎮(zhèn)周邊，該區(qū)埋藏著大面積的全新世黃河古河道，沉積物屬于典型的河流相。

為了進(jìn)一步查清湖泊分布區(qū)全新世沉積物的組成，在該區(qū)施工3個9m淺鉆(孔位見圖2)ZK-1,ZK-2,ZK-3;位置依次為湖區(qū)的北部、中心和南部。巖心資料顯示，沉積物為上細(xì)下粗的河流“二元結(jié)構(gòu)”。上部為泛濫平原亞相厚層粘土或堤壩亞相粉砂--粘土互層，主要為紅棕--棕黃色；下部為河道亞相厚層細(xì)砂--中砂，呈灰黃--灰黑色，磨圓中等、分選較好，礦物成分以石英、長石為主，夾有黑色云母片。

如圖6，平面上對比顯示，自北向南布設(shè)的3個鉆孔中揭露的古河道砂層頂板埋藏深度由深(4.5m)變淺(2.5m)再變深(5m)，河道中心沉積速率(2.11m/ka)遠(yuǎn)大于兩側(cè)(1.03m/ka)。沉積物南北向上呈現(xiàn)河道邊緣—主河道—河道邊緣的特點[19，20]。湖泊和風(fēng)積沙丘主要分布在河道亞相的細(xì)砂—中砂層之上，而泛濫平原亞相和堤壩亞相的粘土—粉砂層之上少有湖泊存在。究其原因一是古河床砂層相較于河道邊緣相的粘土層更易遭受風(fēng)力侵蝕而下切；二是古河床砂層的透水性更好，有利于地下水的側(cè)向補給。從垂向相變界線來看，黃河古河道自(2.08±0.18)kaB.P.開始逐漸淤塞，河床砂停止堆積，轉(zhuǎn)為堤壩—泛濫平原亞相粘土、粉砂沉積。在靠近主河道的中心地帶，暴露地表的河床砂層遭受風(fēng)力侵蝕，下切至潛水面后積水成湖。于湖泊中心ZK-2附近的湖濱沙丘剖面底部取OSL，結(jié)果顯示風(fēng)沙堆積形成的年代晚于湖泊形成的年代，約(0.87±0.07)kaB.P.才開始形成湖濱沙丘。

圖6 河套平原中部鉆孔沉積剖面(年齡單位：kaB.P.)

綜合遙感影像以及淺鉆揭露的結(jié)果，地表耕作土下分布著不同期次古河道沖積砂層所構(gòu)成的網(wǎng)狀砂帶，它們橫向上沿河道平行分布，縱向上在決口處連通，垂向上按時間順序疊置，為山前地下水和灌渠水補給平原中部的湖泊鋪設(shè)了通暢的“地網(wǎng)”。古河道中心地帶裸露的砂層更容易遭受風(fēng)蝕而形成相對的風(fēng)蝕洼地，這些風(fēng)蝕洼地或是下切至潛水面、或是揭露了粘土層構(gòu)成的承壓水頂板，使地下水出露形成了Ⅱ型風(fēng)蝕湖。

3 結(jié)語

(1)湖泊多數(shù)為淡水--微咸水湖，水化學(xué)類型呈Na-(Mg)-(Ca)-HCO3-(Cl)型;少數(shù)為咸水湖，水化學(xué)類型呈Na-(Mg)-(K)-Cl-(SO4)型。湖水主要接受引黃灌溉補給和山前地下水側(cè)向補給，全新世黃河古河道砂層充當(dāng)了輸水通道。

(2)河套平原現(xiàn)代湖泊的成因類型主要有3類。①河流直接裁彎取直而成的牛軛湖；②基底為黃河古河道沖積砂層的風(fēng)蝕湖；③基底為全新世風(fēng)積沙層的風(fēng)蝕湖；其中Ⅱ型湖泊占主導(dǎo)地位。約(2.08±0.18)kaB.P.黃河河道亞相地層上開始發(fā)育風(fēng)蝕湖泊，約(0.87±0.07)kaB.P.湖濱開始堆積風(fēng)成沙丘。

致謝：該文在數(shù)據(jù)處理與制圖過程中得到了清華大學(xué)唐長成先生的悉心指導(dǎo)，在此表示感謝！

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Hydrochemical Characteritics and Genetic Types of Modern Lakes in Hetao Plain

LI Chenglu1, ZHANG Xujiao1, YE Peisheng2, FU Lianzhen1, YE Mengni1

( 1. School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2. Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100081，China)

This paper classified genetic types of modern lakes in the Hetao Plain by means of remote sensing interpretation and drilling on the basis of 1∶50000 regional geological mapping.In addition, sixteen lake water and groundwater samples were taken from piedmont,desert and the Yellow River.The hydrochemical characteristics of those samples were analyzed. Results showed that ：Most of the modern lakes in Hetao Plain are fresh-brackish water lakes,which are Na-(Mg)-(Ca)-HCO3-(Cl) type.The others are saltwater lakes,which present a Na-(Mg)- (K)-Cl-(SO4) type.The TDS of lake water changes from 0.857g/l to 7.36g/l.The lakes mainly receive recharge from the piedmont groundwater and the irrigated water of the Yellow River；there are three main genetic types of lakes:Ⅰ.oxbow lake made by river,Ⅱ. wind-erosion lake on a base of ancient Yellow River alluvial sand layer,Ⅲ. wind-erosion lake on a base of Holocene aeolian sand layer,in which the typeⅡ is dominant.

Modern lakes；genetic types；hydrochemistry；Hetao plain

2016-09-14；

2016-11-19；編輯：王敏 基金項目：中國地質(zhì)調(diào)查局“特殊地質(zhì)地貌區(qū)填圖試點”項目(DD20160060)作者簡介：李成路(1992—)，男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，主要從事第四紀(jì)環(huán)境及覆蓋區(qū)填圖等方面的研究；E-mail:lclhlb@126.com

P592

B

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