内蒙古河套平原现代湖泊的水化学特征及成因类型

内蒙古河套平原现代湖泊的水化学特征及成因类型收稿日期:20160914;修订日期:20161119;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(D D 20160060)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 m a i l :l c l h l b @126.c o m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)摘要:在1ʒ5万区域地质调查的基础上,于山前 黄河 沙漠沿线采集湖水㊁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㊂研究表明该区湖泊多数为淡水 微咸水湖,水化学类型呈N a (M g )(C a )H C O 3(C l )型;少数为咸水湖,水化学类型呈N a (M g )(K )C l (S O 4)型,湖水T D S 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㊂湖泊的成因类型可分为河流成因的牛轭湖㊁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㊂关键词:现代湖泊;成因类型;水化学;河套平原中图分类号:P 592 文献标识码:B引文格式: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):3036.L IC h e n g l u ,Z HA N G X u j i a o ,Y EP e i s h e n g ,e t c .H y d r o c h e m i c a lC h a r a c t e r i t i c sa n dG e n e t i c T y p e s o fM o d e r nL a k e s i nH e t a oP l a i n [J ].S h a n d o n g La n da n dR e s o u r c e s ,2016,32(12):3036.0 引言湖泊具有调节河川径流㊁发展灌溉㊁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㊂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[12]㊂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㊂平原内湖泊湿地总面积为3.57万h m 2,湖泊面积100~500h m 2的湖泊共10个;500~1500h m 2的湖泊2个;大于1500h m 2的湖泊1个[36]㊂仅该文研究区就有大小湖泊60余个,水域面积超过1067h m 2㊂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㊂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㊂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[78]㊂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㊂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[910]㊂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㊁正确评价区域水资源具有重要意义㊂近年来关于河套平原湖泊水化学特征㊁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㊂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]㊂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㊂在地下水分布以及区域气候环境演变方面也有涉及[1214]㊂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㊂该文针对以上研究的不足,在区域地质填图的㊃03㊃第32卷第12期 山东国土资源 2016年12月基础上,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㊂1 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㊂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㊁黄河冲湖积平原和乌兰布和库布齐近代风积沙地㊂该区属于常温带大陆性干旱㊁半干旱气候带,降水稀少,蒸发强烈㊂年降水量约136.8~213.5mm ,年蒸发量约1993~2372mm ㊂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)㊂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㊂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㊂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㊂1.2 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㊁第四纪沉积物样品的采集等㊂共采集水样16组,包括湖水样品6组㊁地下水样品9组㊁河水样品1组(采样点分布如图2所示)㊂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㊁p H 等水化学指标稳定后,开始取样㊂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㊂于岩心中取O S L 样品7个,采样层位如图3所示㊂其中O S L 取样时先去除剖面表层风化层,用直径5c m ㊁长20c m 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㊁不漏水㊂O S L 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㊂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㊂水样分析的对象为总溶解固体(T D S )㊁pH 值及N a +和C l 等10种阴阳离子㊂p H 值用电极法测定,T D S 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㊁比色分析㊁浊度分析㊁离子色谱㊁分光光度和原子吸收方法㊂2 结果与分析2.1 不同湖泊的遥感影像特征㊃13㊃第32卷第12期 水文地质环境地质 2016年12月图2 研究区湖泊分布及形态特征(S po t 6遥感影像) 根据S po t 6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㊁盆地中部和沙漠边缘地带,具有分带聚集的特点㊂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㊂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㊂分布在山前的Ⅰ型湖泊,湖泊面积较大,多呈牛轭状㊁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㊁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㊁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㊂2.2 不同湖泊的水化学特征位于黄河北岸㊁河套平原中部的4个湖泊为淡水 微咸水,湖水总溶解固体(T D S )介于0.86~1.21g/L ,相对变化不大㊂由北向南先呈升高趋势,后趋向稳定㊂湖水p H 均呈弱碱性,由黄河总干渠向北部排干渠方向湖水p H 值逐渐升高至8.89,至山前迅速下降至8.12㊂位于黄河南岸㊁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(T D S )分别为4.6g /L 和7.4g /L ,越靠近沙漠一侧湖水T D S 越高㊂湖水p H 分别高达9.4和9.3,呈碱性(表1)㊂这些湖泊的T D S 和p H 均远高于河套平原中部的湖泊㊂㊃23㊃第32卷第12期 山东国土资源 2016年12月表1 河套平原湖水、地下水化学分析结果序号地点测试结果(m g /L )FC lN O 3S O 24C O 23H C O 3N a+K +M g2+C a 2+T D S pH 1宏丰乡0.6963.7018.81117.68<0.01329.4995.411.7440.5055.444727.742呼勒斯太0.4253.676.93102.10<0.01256.2782.431.8840.7255.054027.823希博图嘎查0.4755.788.26103.55<0.01252.0081.571.8516.3560.513897.834西沙窝0.3923.4017.9450.33<0.01175.7335.261.6611.7450.512657.865西柳树泉子0.8318.8430.9062.68<0.01162.9243.700.3511.6446.952627.816敖勒盖图0.6728.4436.6194.45<0.01218.4451.581.4117.0467.323317.697和尚圪旦湖泊0.23500.79<0.01304.52<0.01325.22296.247.8397.1056.1710948.128和尚圪旦机井0.27191.40<0.0177.54<0.01362.44115.702.0759.7141.635677.519张三圪旦湖泊0.90836.90<0.01153.50391.261058.64707.9127.07219.8710.1312138.8910张三圪旦机井<0.01267.43<0.01313.26<0.01601.02246.023.4374.24121.479577.4311王香红圪旦0.12319.31<0.01257.6256.41234.92263.888.6267.1132.428578.6712张宝圪旦湖泊<0.01388.75<0.01384.41<0.01480.20350.3912.6191.3541.5311928.2113张宝圪旦机井<0.011132.00<0.01368.50<0.01590.64482.672.45196.78209.5122967.2514吉乡湖泊0.122454.60<0.01912.00540.08478.981692.9534.49240.813.1245569.4115杭锦后旗湖泊<0.014122.70<0.011844.00615.69605.293053.09101.36275.018.8873609.3216黄河0.2473.038.87134.19<0.01206.2483.422.4328.1647.443867.96P i pe r 三角图是一种对水样进行分类的图示方法,广泛应用于水文地质研究中㊂在三角图中分别表示水样的主要阴㊁阳离子的相对含量,在菱形图中综合表示水样的离子相对含量,并且可看出水样的一般化学特征[8](图3)㊂结果显示无论哪种湖泊,湖水阳离子中N a +和M g 2+都占绝对优势,而咸水湖相较于淡水湖而言,C a 2+含量下降,K +含量上升,反映了湖水的蒸发浓缩作用㊂阴离子中,H C O 3在淡水湖中占主导地位,而C l 在咸水湖中占主导地位,同时,由黄河总干渠向北部排干渠方向湖水中S O 24逐渐下降,反映了灌溉过程中的脱硫酸作用㊂由菱形图3可以看出,多数淡水微咸水湖泊水化学类型呈N a (M g )(C a )H C O 3(C l )型;少数咸水湖,水化学类型呈N a (M g )(K )C l (S O 4)型㊂2.3 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㊂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㊂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㊂湖泊主要接受山前地下水侧向补给㊂呼勒斯太40m 机井样品显示T D S 约0.3~0.4g /L ,水质良好,水量丰富㊂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,地下水埋深变图3 河套平原湖水㊁地下水离子化学组成三角图浅等因素的影响,地下水不断接受蒸发浓缩㊂如图5,T D S 向南增加的趋势十分明显,由262m g/L 增加到2296m g /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T D S 值远大于该点的地下水T D S 值㊂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㊂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T D S 也应该沿途迅速上升㊂但如图5,数据显示湖水T D S 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㊃33㊃第32卷第12期 水文地质环境地质 2016年12月湖水的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㊂黄河水的补给,形成了由北至南湖水T D S 先升高至峰值(1.19g /L )后又降低的特征㊂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㊂考虑到湖滨沙丘比较低矮㊁分布面积小㊁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㊂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㊂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[1819]㊂图4 河套平原地平线与地下水位图5 河套平原湖水㊁地下水T D S 与p H 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㊁地表形态最复杂的Ⅱ型湖泊分布区㊂Ⅱ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㊂为了进一步查清湖泊分布区全新世沉积物的组㊃43㊃第32卷第12期 山东国土资源 2016年12月成,在该区施工3个9m浅钻(孔位见图2)Z K1, Z K2,Z K3;位置依次为湖区的北部㊁中心和南部㊂岩心资料显示,沉积物为上细下粗的河流 二元结构 ㊂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㊁分选较好,矿物成分以石英㊁长石为主,夹有黑色云母片㊂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(4.5 m)变浅(2.5m)再变深(5m),河道中心沉积速率(2.11m/k a)远大于两侧(1.03m/k a)㊂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]㊂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㊂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㊂从垂向相变界线来看,黄河古河道自(2.08ʃ0.18)k a B.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㊁粉砂沉积㊂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㊂于湖泊中心Z K2附近的湖滨沙丘剖面底部取O S L,结果显示风沙堆积形成的年代晚于湖泊形成的年代,约(0.87ʃ0.07)k a B.P.才开始形成湖滨沙丘㊂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 ㊂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㊁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㊂3结语(1)湖泊多数为淡水微咸水湖,水化学类型呈N a(M g)(C a)H C O3(C l)型;少数为咸水湖,水化学类型呈N a(M g)(K)C l(S O4)型㊂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㊂图6河套平原中部钻孔沉积剖面(年龄单位:k a B.P.)(2)河套平原现代湖泊的成因类型主要有3类㊂①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㊂约(2.08ʃ0.18)k a B.P.黄河河道亚相地层上开始发育风蚀湖泊,约(0.87ʃ0.07)k a B.P.湖滨开始堆积风成沙丘㊂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!参考文献:[1]王苏民,窦鸿身.中国湖泊志[M].北京:科学出版社,1998:320321.[2]汪敬忠,吴敬禄,曾海鳌.内蒙古河套地区陈普海子湖泊沉积物粒度特征及其环境意义[J].海洋地质与第四纪地质,2014,34(5):137144.[3]刘文波.河套平原地下水化学特征研究[D].北京:中国地质大学,2015:5995.[4]赵晓瑜,杨培岭,任树梅,等.内蒙古河套灌区湖泊湿地生态环境需水量研究[J].灌溉排水学报,2014,33,(2):126129.[5]郑喜玉.内蒙古盐湖[M].北京:科学出版社,1992:163190.[6]马龙,吴敬禄.近50年来内蒙古河套平原气候及湖泊环境演变[J].干旱区研究,2010,27(6):871877.[7]郭华明,倪萍,贾永峰,等.内蒙古河套盆地地表水 浅层地下㊃53㊃第32卷第12期水文地质环境地质2016年12月水化学特征及成因[J].现代地质,2015,29(2):229237. 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