内蒙古河套平原现代湖泊的水化学特征及成因类型

李成路，张绪教，叶培盛，傅连珍，叶梦旎

(1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京 100083；2.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081)

内蒙古河套平原现代湖泊的水化学特征及成因类型

李成路1，张绪教1，叶培盛2，傅连珍1，叶梦旎1

(1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京 100083；2.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081)

在1∶5万区域地质调查的基础上，于山前—黄河—沙漠沿线采集湖水、地下水样品16组，分析其水化学特征，并结合遥感解译和钻探等技术方法划分了河套平原现代湖泊的成因类型。研究表明该区湖泊多数为淡水—微咸水湖，水化学类型呈Na-(Mg)-(Ca)-HCO3-(Cl)型;少数为咸水湖，水化学类型呈Na-(Mg)-(K)-Cl-(SO4)型，湖水TDS变化较大，介于0.857～7.36g/L，主要接受引黄灌溉补给和山前地下水侧向补给。湖泊的成因类型可分为河流成因的牛轭湖、基底为全新世黄河古河道冲积砂层的风蚀湖及基底为全新世风积沙层的风蚀湖；其中以Ⅱ型占主导地位。

现代湖泊；成因类型；水化学；河套平原

0 引言

湖泊具有调节河川径流、发展灌溉、提供工业和饮用水源的功能，在国民经济的发展中发挥着重要作用。同时，湖泊本身对全球变化响应敏感，能真实地记录湖区较长地质历史时期内各种环境变化的信息[1-2]。河套平原常年干旱少雨,但是区内湖泊星罗棋布，形成湖泊—沙丘—湿地相间分布的地貌景观。平原内湖泊湿地总面积为3.57万hm2，湖泊面积100～500hm2的湖泊共10个；500～1500hm2的湖泊2个；大于1500hm2的湖泊1个[3-6]。仅该文研究区就有大小湖泊60余个，水域面积超过1067hm2。因此，对湖泊的调查研究成为该区区域地质调查中不可缺少的一环。

湖水通过入渗补给地下水，影响地下水流场，改变地下水水化学特征。另一方面，地下水通过排泄补给湖水，导致湖水化学特征的变化[7-8]。湖泊的化学组成在运移和形成过程中受到区域气候环境和地质状况的强烈影响。因此,不同区域气候环境和地质状况,湖泊的水化学特性具有明显的差异[9-10]。研究区域内湖泊的水化学特征及湖泊的形成机制，对于查清区域地下水动态、正确评价区域水资源具有重要意义。

近年来关于河套平原湖泊水化学特征、湖水补给来源和湖水面积的动态变化等科学问题逐渐成为学者研究的热点。对于湖泊的补给来源,有观点认为补给主要来自黄河灌渠，也有观点认为现存的湖泊是河套古湖水系的残留，更有学者提出河套平原携带砷的地表水和浅层地下水可能来地下承压含水岩系[11]。目前，有关内蒙古河套平原水资源环境方面的研究主要集中在地下水砷的研究上，如砷的分布规律以及高砷水中稀土元素含量及分异特征。在地下水分布以及区域气候环境演变方面也有涉及[12-14]。而对于区内湖泊的调查资料则比较欠缺，尤其是缺少对湖泊成因类型的分类梳理。

该文针对以上研究的不足，在区域地质填图的基础上，通过采样分析湖泊的水化学特征，并结合湖泊分布区的沉积物特征的研究，揭示河套平原现代湖泊的补给来源和形成机制，为河套地区现代湖泊的分类研究与合理利用湖泊资源提供参考资料。

1 区域概况与数据来源

1.1 研究区概况

河套平原位于内蒙古西部，北抵阴山，南临库布齐沙漠，西起乌兰布和沙漠，东至乌梁素海，黄河为区内唯一外流水系。研究区大的地貌单元可分为3种类型：山前冲积洪积扇倾斜平原、黄河冲湖积平原和乌兰布和--库布齐近代风积沙地。该区属于常温带大陆性干旱、半干旱气候带，降水稀少，蒸发强烈。年降水量约136.8～213.5mm，年蒸发量约1993～2372mm。河套盆地第四系沉积物厚500～2600m，地表几乎全部被全新统沉积物所覆盖，为黄河泛流相沉积，岩性为棕黄色粘土--粉细砂[3,15](图1)。

图1 研究区概况图

河套平原具典型的干旱气候带沉降盆地水文地质特征。主要表现为地势平坦，含水层颗粒细，降水稀少，蒸发强烈，引黄灌溉量大，水力坡度小(0.001～0.005)，径流条件较差，地下水循环以垂直交替为主。该文研究区截取了北起色尔腾山，横跨黄河冲湖积平原，南至库布齐沙漠的狭长区域，目的是全面调查河套平原不同地理环境下湖泊的水化学特征和成因类型，使样本更准确地反映河套平原现代湖泊的总体情况。

1.2 样品采集与测试

样品采集包括湖泊水样和地下水水样采集、第四纪沉积物样品的采集等。共采集水样16组，包括湖水样品6组、地下水样品9组、河水样品1组(采样点分布如图2所示)。地下水样品从机井或压水井采集，样品采集前抽水0.5h，待水温、pH等水化学指标稳定后，开始取样。在湖泊聚集区施工9m浅钻3个，开挖风成沙丘剖面1个，钻孔及剖面位置如图2所示。于岩心中取OSL样品7个，采样层位如图3所示。其中OSL取样时先去除剖面表层风化层，用直径5cm、长20cm的钢管楔入沉积层，取出钢管立即用黑色的塑料盖住两端，然后用胶带密封；取样过程确保不曝光、不漏水。

OSL样品前处理和测试均在中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室完成。水化学样品测试在中国地质大学(北京)环境化学实验室完成。水样分析的对象为总溶解固体(TDS)、pH值及Na+和Cl-等10种阴阳离子。pH值用电极法测定,TDS用干燥--重量法测定,水化学成分的分析按照国家标准[16],分别使用酸碱滴定、比色分析、浊度分析、离子色谱、分光光度和原子吸收方法。

2 结果与分析

2.1 不同湖泊的遥感影像特征

图2 研究区湖泊分布及形态特征(Spot6遥感影像)

根据Spot6遥感影像的解译分析，河套平原现代湖泊主要分布在山前地带、盆地中部和沙漠边缘地带，具有分带聚集的特点。其中:山前地带湖泊数量较少，湖泊之间相距较远，主要沿乌加河旧河道两侧依次展布；盆地中部的湖泊数量众多，呈群聚状分布，湖滨地带发育带状沙丘，沙丘多呈固定—半固定形态；沙漠边缘地带的湖泊数量最少，多孤立分布，点缀在广阔的沙漠表面。

上述3个湖泊带的湖泊在遥感影像中亦呈现不同的形态特征，如图2可将河套平原的现代湖泊大致分成3种类型。分布在山前的Ⅰ型湖泊，湖泊面积较大，多呈牛轭状、弯曲条状，边缘清晰，湖水深度较均一；分布在盆地中部的Ⅱ型湖泊，湖泊面积最大，多呈半月形、不规则形，湖泊之间隔以风积沙丘；分布在库布齐沙漠边缘的Ⅲ型湖泊，面积最小，多呈圆形、椭圆形，边缘模糊，湖水较浅，封闭性较强，干涸的湖底可见黑色有机质。

2.2 不同湖泊的水化学特征

位于黄河北岸、河套平原中部的4个湖泊为淡水—微咸水，湖水总溶解固体(TDS)介于0.86～1.21g/L，相对变化不大。由北向南先呈升高趋势，后趋向稳定。湖水pH均呈弱碱性，由黄河总干渠向北部排干渠方向湖水pH值逐渐升高至8.89，至山前迅速下降至8.12。位于黄河南岸、库布齐沙漠边缘的2个湖泊为半咸水—咸水，湖水总溶解固体(TDS)分别为4.6g/L和7.4g/L，越靠近沙漠一侧湖水TDS越高。湖水pH分别高达9.4和9.3，呈碱性(表1)。这些湖泊的TDS和pH均远高于河套平原中部的湖泊。

表1 河套平原湖水、地下水化学分析结果

2.3 不同湖泊的补给来源

河套平原现代湖泊的补给来源是多样的。如图4，根据地下水位高度和湖面高度可以确定两点间的地下水流向，从北部山区向平原核心地带，地下水水位由海拔1060m逐渐降至1000m，山前地下水不可避免地会补给湖水。黄河水平面高度为1025m，高于河套平原多数湖泊水平面(约1000～1010m)[17]，所以，黄河水通过灌渠补给湖泊成为可能。

图3 河套平原湖水、地下水离子化学组成三角图

湖泊主要接受山前地下水侧向补给。呼勒斯太40m机井样品显示TDS约0.3～0.4g/L，水质良好,水量丰富。向南进入河套平原，受第四纪沉积物粒度逐渐变细，地下水径流速度下降，地下水埋深变浅等因素的影响，地下水不断接受蒸发浓缩。如图5，TDS向南增加的趋势十分明显，由262mg/L增加到2296mg/L，增加幅度较大，且均呈梯度增大，未见倒转现象，同一地点湖水的TDS值远大于该点的地下水TDS值。以上现象说明地下水由北向南运移过程中不断补给湖水并在湖中接受蒸发排泄，由潜水深埋带过渡到潜水溢出带，由径流排泄逐渐转变为蒸发排泄。

按照干旱盆地区地下水流系统的一般规律，随着补给距离的增加以及山前冲洪积扇前缘上升水流对表层咸水的抬升作用，湖水TDS也应该沿途迅速上升。但如图5，数据显示湖水TDS增长速度远远小于地下水，张宝圪旦附近地下水达2.27g/L，高于湖水的1.2g/L，形成上淡下咸的结构，这说明南部湖泊接受了来自黄河灌渠的淡水补给，并转而补给地下水。黄河水的补给，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。总之，北部山前地下水和南部黄河水同时补给河套平原众多湖泊，并在低洼的湖区接受蒸发排泄而逐渐咸化，北部湖泊主要受山前地下水影响，而南部受黄河影响更大。

考虑到湖滨沙丘比较低矮、分布面积小、砂层较薄，沙丘赋存的地下水是不足以完全提供湖水补给的。但沙丘有利于大气降水入渗，减少蒸发量，沙丘上的植物亦有涵养水源的作用。因此，湖滨沙丘的存在是保持湖泊水量稳定的一个重要因素[18-19]。

图4 河套平原地平线与地下水位

图5 河套平原湖水、地下水TDS与pH对比图

2.4 沉积物揭示的湖泊成因

Ⅰ型湖泊为乌加河改道留下的河成湖，形成的年代较新，在遥感影像中呈现清晰的牛轭湖形态，辨认度比较高；Ⅲ型湖泊均位于库布齐沙漠全新世风积砂层之上，补给环境较为单一，风蚀湖的特征十分明显；所以该文对湖岸沉积物的研究主要集中在区内数量最多、地表形态最复杂的Ⅱ型湖泊分布区。Ⅱ型湖泊分布于河套平原中部塔尔湖镇周边，该区埋藏着大面积的全新世黄河古河道，沉积物属于典型的河流相。

为了进一步查清湖泊分布区全新世沉积物的组成，在该区施工3个9m浅钻(孔位见图2)ZK-1,ZK-2,ZK-3;位置依次为湖区的北部、中心和南部。岩心资料显示，沉积物为上细下粗的河流“二元结构”。上部为泛滥平原亚相厚层粘土或堤坝亚相粉砂--粘土互层，主要为红棕--棕黄色；下部为河道亚相厚层细砂--中砂，呈灰黄--灰黑色，磨圆中等、分选较好，矿物成分以石英、长石为主，夹有黑色云母片。

如图6，平面上对比显示，自北向南布设的3个钻孔中揭露的古河道砂层顶板埋藏深度由深(4.5m)变浅(2.5m)再变深(5m)，河道中心沉积速率(2.11m/ka)远大于两侧(1.03m/ka)。沉积物南北向上呈现河道边缘—主河道—河道边缘的特点[19，20]。湖泊和风积沙丘主要分布在河道亚相的细砂—中砂层之上，而泛滥平原亚相和堤坝亚相的粘土—粉砂层之上少有湖泊存在。究其原因一是古河床砂层相较于河道边缘相的粘土层更易遭受风力侵蚀而下切；二是古河床砂层的透水性更好，有利于地下水的侧向补给。从垂向相变界线来看，黄河古河道自(2.08±0.18)kaB.P.开始逐渐淤塞，河床砂停止堆积，转为堤坝—泛滥平原亚相粘土、粉砂沉积。在靠近主河道的中心地带，暴露地表的河床砂层遭受风力侵蚀，下切至潜水面后积水成湖。于湖泊中心ZK-2附近的湖滨沙丘剖面底部取OSL，结果显示风沙堆积形成的年代晚于湖泊形成的年代，约(0.87±0.07)kaB.P.才开始形成湖滨沙丘。

图6 河套平原中部钻孔沉积剖面(年龄单位：kaB.P.)

综合遥感影像以及浅钻揭露的结果，地表耕作土下分布着不同期次古河道冲积砂层所构成的网状砂带，它们横向上沿河道平行分布，纵向上在决口处连通，垂向上按时间顺序叠置，为山前地下水和灌渠水补给平原中部的湖泊铺设了通畅的“地网”。古河道中心地带裸露的砂层更容易遭受风蚀而形成相对的风蚀洼地，这些风蚀洼地或是下切至潜水面、或是揭露了粘土层构成的承压水顶板，使地下水出露形成了Ⅱ型风蚀湖。

3 结语

(1)湖泊多数为淡水--微咸水湖，水化学类型呈Na-(Mg)-(Ca)-HCO3-(Cl)型;少数为咸水湖，水化学类型呈Na-(Mg)-(K)-Cl-(SO4)型。湖水主要接受引黄灌溉补给和山前地下水侧向补给，全新世黄河古河道砂层充当了输水通道。

(2)河套平原现代湖泊的成因类型主要有3类。①河流直接裁弯取直而成的牛轭湖；②基底为黄河古河道冲积砂层的风蚀湖；③基底为全新世风积沙层的风蚀湖；其中Ⅱ型湖泊占主导地位。约(2.08±0.18)kaB.P.黄河河道亚相地层上开始发育风蚀湖泊，约(0.87±0.07)kaB.P.湖滨开始堆积风成沙丘。

致谢：该文在数据处理与制图过程中得到了清华大学唐长成先生的悉心指导，在此表示感谢！

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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；编辑：王敏 基金项目：中国地质调查局“特殊地质地貌区填图试点”项目(DD20160060)作者简介：李成路(1992—)，男，山东济宁人，硕士研究生，主要从事第四纪环境及覆盖区填图等方面的研究；E-mail:lclhlb@126.com

P592

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李成路，张绪教，叶培盛，等.内蒙古河套平原现代湖泊的水化学特征及成因类型[J].山东国土资源，2016,32(12)：30-36.LI Chenglu, ZHANG Xujiao, YE Peisheng, etc. Hydrochemical Characteritics and Genetic Types of Modern Lakes in Hetao Plain[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(12)：30-36.