內(nèi)蒙古高原3大典型湖泊水化學(xué)特征及其控制因素分析

吳用，史小紅*，趙勝男，林濤濤，馬軍

1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2. 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北 宜昌 443000；3. 河套灌區(qū)排水事業(yè)管理局總排干溝排水站，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 014400

內(nèi)蒙古高原3大典型湖泊水化學(xué)特征及其控制因素分析

吳用1，史小紅1*，趙勝男1，林濤濤2，馬軍3

1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2. 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北 宜昌 443000；3. 河套灌區(qū)排水事業(yè)管理局總排干溝排水站，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 014400

摘要：內(nèi)蒙古高原地處我國(guó)北方半干旱與干旱氣候區(qū)，經(jīng)度跨度大，由東向西氣候呈現(xiàn)半干旱區(qū)向干旱區(qū)過渡特征。區(qū)內(nèi)湖泊多屬內(nèi)陸型湖泊，湖泊水化學(xué)特征受地理位置和氣候環(huán)境影響顯著。文章在空間上從東向西依次選擇呼倫湖、達(dá)里湖和烏梁素海為研究對(duì)象，通過對(duì)不同氣候區(qū)域和不同類型的湖泊水體中主要離子組成進(jìn)行分析對(duì)比研究，揭示區(qū)域內(nèi)湖泊水化學(xué)特征及其控制因素。結(jié)果表明，內(nèi)蒙古高原區(qū)內(nèi)湖泊水化學(xué)類型單一，陽離子以Na+主導(dǎo)，陰離子以Cl-主導(dǎo)，但各湖泊水體中主要離子質(zhì)量濃度差異較大。呼倫湖、達(dá)里湖和烏梁素海3個(gè)湖泊Na+分別占其陽離子摩爾總數(shù)的76.6%、97.2%和66.0%；Cl-分別占其陰離子摩爾總數(shù)的49.6%、55.5%和45.2%。湖泊水體中Na+和SO42-、Cl-的變異系數(shù)相對(duì)較小，在水體中質(zhì)量濃度相對(duì)穩(wěn)定。借助Piper三角圖，分析出呼倫湖和烏梁素海陰離子分布在SO42--Cl-線上，陽離子分布在Na++K+線上；達(dá)里湖的陰離子分布在HCO3--Cl-線上，陽離子分布在Na++K+線上，說明區(qū)內(nèi)湖泊受蒸發(fā)結(jié)晶和巖石風(fēng)化共同作用影響。湖泊水體中主要離子質(zhì)量濃度的空間變化特征受徑流，補(bǔ)排關(guān)系的影響，結(jié)合Gibbs模型圖進(jìn)一步說明了3個(gè)湖泊受蒸發(fā)濃縮作用和人類活動(dòng)影響。湖泊水化學(xué)特征的研究，對(duì)于保護(hù)區(qū)域內(nèi)湖泊環(huán)境具有重要意義。

關(guān)鍵詞：內(nèi)蒙古高原湖泊；干旱與半干旱氣候區(qū)；主要離子組成；水化學(xué)特征

引用格式：吳用，史小紅，趙勝男，林濤濤，馬軍. 內(nèi)蒙古高原3大典型湖泊水化學(xué)特征及其控制因素分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(7): 1202-1208.

WU Yong, SHI Xiaohong, ZHAO Shengnan, LIN Taotao, MA Jun. Major Ion Chemistry and Influencing Factors of Three Typical Lakes in Inner Mongolia Plateau [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(7): 1202-1208.

湖泊水體中的化學(xué)離子被視為天然的“示蹤劑”，能夠反映湖泊水循環(huán)過程，流域水-巖作用以及湖泊演化歷史（周嘉欣等，2014）。研究水體中主要離子的組成特征，可用于識(shí)別水體化學(xué)組成的基本過程。國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者通過對(duì)各地主要湖泊的水化學(xué)組成和特征進(jìn)行了分析研究，研究結(jié)果表明湖泊水化學(xué)組成受到大氣沉降、巖石風(fēng)化、水體生物和人類活動(dòng)的綜合影響（王蘇民等，1995）。

我國(guó)湖泊水化學(xué)特征的研究大多集中在長(zhǎng)江中下游湖泊群，西南巖溶湖、青藏高原湖區(qū)和新疆湖區(qū)，研究成果較多（胡春華等，2011；白占國(guó)等，1998；侯韶華等，2009）。處于我國(guó)西北干旱和半干旱的湖區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)全球氣候變化敏感，區(qū)域內(nèi)的湖泊具有較高的生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，對(duì)區(qū)域內(nèi)湖泊水化學(xué)特征和鹽化過程的深入研究非常重要。近年來，學(xué)者們對(duì)干旱區(qū)和半干旱區(qū)的高原湖泊進(jìn)行了相關(guān)研究，如王鵬等（2013）研究了青藏高原打加芒錯(cuò)湖水的水化學(xué)組成特征及其鹽化過程，王海雷等（2010）對(duì)高原上400多個(gè)湖泊的水化學(xué)成分與湖水鹽度的相關(guān)性進(jìn)行了綜合分析，鄭綿平等（2010）分析了青藏高原鹽湖水化學(xué)類型及其地帶分布，指出不同的水化學(xué)類型具有不同的礦物組合特征。內(nèi)蒙古高原的湖泊研究中，甄志磊（2014）利用同位素研究了達(dá)里湖與地下水的補(bǔ)給關(guān)系，汪敬忠等（2013）結(jié)合氫、氧同位素和水化學(xué)特征研究了河套平原地下水對(duì)烏梁素海礦化度的影響；曾海鰲等（2010）人分析了蒙新高原湖區(qū)各湖泊水體礦化度的影響因素。針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)的湖泊，其空間上氣候條件差異顯著，湖泊類型和地理環(huán)境復(fù)雜，需要研究區(qū)內(nèi)典型湖泊水化學(xué)特征并進(jìn)行對(duì)比分析，為進(jìn)一步了解內(nèi)蒙古地區(qū)各個(gè)湖泊的水環(huán)境特征提供依據(jù)。

內(nèi)蒙古高原地處內(nèi)陸，區(qū)內(nèi)湖泊大多屬內(nèi)陸湖泊，氣候干旱少雨，地表徑流補(bǔ)給不豐，湖泊逐漸萎縮咸化。加之，高原橫跨經(jīng)度大，從東向西氣候由半干旱向干旱過渡，蒸發(fā)量由1500 mm逐漸增大2400 mm，降雨量由256 mm逐漸減小至140 mm，蒸發(fā)量約是降雨量的5～10倍。由東向西選擇區(qū)內(nèi)3個(gè)典型湖泊：呼倫湖、達(dá)里湖和烏梁素海，湖泊類型分別為草原湖泊，巖溶堵塞湖和灌區(qū)湖泊。文中從水化學(xué)的角度出發(fā)，系統(tǒng)分析不同類型湖泊（呼倫湖、達(dá)里湖和烏梁素海）主離子水化學(xué)特征及其分布規(guī)律，并試圖對(duì)各湖泊水化學(xué)成因及演化過程進(jìn)行探討，以期為內(nèi)蒙古高原干旱與半干旱湖泊的生態(tài)環(huán)境治理提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

呼倫湖也稱達(dá)賚湖，地理坐標(biāo)為：116°58′～117°48′E，48°33′～49°20′N，坐落于呼倫貝爾大草原中部，是典型的草原湖泊，也是內(nèi)蒙古最大的湖泊，蓄水量為138×108m3，湖水面積2339 km2。呼倫湖主要補(bǔ)給水源為克魯倫河、烏爾遜河，達(dá)蘭鄂羅木河（新開河）。其中新開河為吞吐性河流，海拉爾河水大時(shí)，順此河流入呼倫湖，呼倫湖水大時(shí)又順此河流向額爾古納河（李暢游等，2011；王志杰等，2012）。達(dá)里湖位于赤峰市克什克騰旗西北部，其地理坐標(biāo)為：116°22′～117°00′E，43°11′～43°27′N，是一個(gè)巖溶堵塞湖，蓄水量為15.53×108m3，湖水面積224.6 km2。湖水主要依賴湖面降水和地表地下徑流補(bǔ)給。入湖河流主要有貢格爾河、沙里河、亮子河及浩來河，沒有排泄出口（甄志磊等，2014）。烏梁素海位于烏拉特前旗境內(nèi)，地理坐標(biāo)為：108°43′～108°57′E，40°47′～41°03′N，是黃河改道后形成的牛軛湖和典型的灌區(qū)湖泊，是河套灌區(qū)排灌水系的重要組成部分，蓄水量為2.64×108m3，湖泊現(xiàn)有水域面積285.38 km2（汪敬忠等，2013；付緒金等，2013）。內(nèi)蒙古高原的內(nèi)陸湖泊，蒸發(fā)強(qiáng)度較大以致超過湖水的補(bǔ)給量，湖泊水體因不斷被濃縮而發(fā)育成閉流類的咸水湖和鹽湖。本研究選取的呼倫湖、達(dá)里湖和烏梁素海，是內(nèi)蒙古高原主要和具有代表性的湖泊，內(nèi)蒙古高原湖區(qū)如圖1。

2　樣品采集與分析方法

2012年6月至8月，內(nèi)蒙古高原湖泊都處于非冰封期。對(duì)3個(gè)湖泊的水質(zhì)狀況進(jìn)行依次調(diào)查采樣。其中：呼倫湖采樣點(diǎn)9個(gè)，達(dá)里湖采樣點(diǎn)9個(gè)，烏梁素海采樣點(diǎn)11個(gè)，采樣深度均為水面以下0.6 m處。采樣點(diǎn)編號(hào)和位置如圖2?，F(xiàn)場(chǎng)采用梅特勒（SG8-ELK，SG9-ELK）多參數(shù)水質(zhì)分析儀測(cè)定湖水礦化度，鹽度、pH值和電導(dǎo)率；HCO3-質(zhì)量濃度采用酸堿指示劑滴定法（國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，2002）；陰、陽離子測(cè)定前，水樣經(jīng)0.45 μm的玻璃纖維濾膜過濾后，使用潔凈聚氟乙烯瓶封裝后取回水樣，在實(shí)驗(yàn)室采用離子色譜法進(jìn)行分析測(cè)定，所采用儀器為Dionex ICS-1100型號(hào)的色譜儀。

圖1　內(nèi)蒙古高原湖泊區(qū)域概況圖Fig. 1 The locations of the lakes in the region of Inner Mongolia plateau

圖2　研究區(qū)采樣點(diǎn)Fig. 2 The samples in study areas

3　結(jié)果與討論

3.1湖泊水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

總?cè)芙庑怨腆w（TDS）是水化學(xué)成分的重要指標(biāo)，一般以溶解于水中的主要離子總量表示，受降水量、蒸發(fā)量、流域巖石成分等因素影響。

3個(gè)典型湖泊水化學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表1）表明，呼倫湖的TDS最小，為1520 mg·L-1，達(dá)里湖最大為5990 mg·L-1，烏梁素海居中為2250 mg·L-1。分析原因，呼倫湖是內(nèi)蒙古東部草原型湖泊，屬中溫帶半干旱偏濕地區(qū)，多年平均年降水量為319 mm，年蒸發(fā)量為1400～1900 mm，劇烈的蒸發(fā)導(dǎo)致呼倫湖水體的TDS值高于濕潤(rùn)地區(qū)湖泊，如太湖、鄱陽湖和洞庭湖，其TDS值分別為345.86、99.04 和165.48 mg·L-1（蔡永久等，2013）。但呼倫湖TDS值要低于干旱區(qū)和半干旱區(qū)的達(dá)里湖和烏梁素海，這是由于克魯倫河和烏爾遜河兩大河的補(bǔ)給，年補(bǔ)給量達(dá)11.94×108m3，因而湖泊水體的TDS值偏低。達(dá)里湖是內(nèi)蒙古高原干旱地區(qū)巖溶堵塞湖，湖泊水沒有排泄出口，湖泊水的排泄主要依靠劇烈的蒸發(fā)。河流帶到湖中的鹽分不能排出，鹽分在湖中不斷累積，導(dǎo)致湖水TDS值偏高。烏梁素海地處內(nèi)蒙古中西部，其屬于黃河改道形成的牛軛湖，水量的補(bǔ)給來源主要靠黃河水和河套灌區(qū)農(nóng)田退水，與河套灌區(qū)的灌溉措施密切相關(guān)，湖泊換水周期較快，湖泊水的水化學(xué)類型和水質(zhì)取決黃河水和農(nóng)田退水。加之同時(shí)受干旱區(qū)氣候和灌區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)，企業(yè)、工廠的污廢水的影響，湖泊水體的TDS值相對(duì)較高。

表1　3個(gè)湖泊主要離子質(zhì)量濃度對(duì)比分析Table 1 Analysis the content of main ions is of their discrepancy in each of lakes mg·L-1

3個(gè)湖泊同屬內(nèi)蒙古高原干旱區(qū)和半干旱區(qū)，受氣候條件的影響，區(qū)域內(nèi)蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量，湖泊湖水的排泄很大一部分靠蒸發(fā)，因此，3大湖泊都有向微咸水和咸水湖泊開始轉(zhuǎn)化。

3.2湖泊水化學(xué)特征

3.2.1湖泊水體水化學(xué)類型

呼倫湖TDS平均值為1520 mg·L-1，屬于微咸水湖泊。陽離子當(dāng)量濃度大小依次為Na+>Mg2+> K+>Ca2+，湖水優(yōu)勢(shì)陽離子為Na+，占陽離子總摩爾數(shù)的76.6%；陰離子當(dāng)量濃度大小依次為Cl->SO42-> HCO3-，水中優(yōu)勢(shì)陰離子為Cl-、SO42-，分別占陰離子總摩爾數(shù)的49.6%、29.3%。湖泊水的水化學(xué)類型為Cl-·SO42--Na+。

達(dá)里湖TDS平均值為5990 mg·L-1，屬于咸水湖泊。陽離子當(dāng)量濃度大小依次為Na+>Mg2+>K+> Ca2+，湖水優(yōu)勢(shì)陽離子為Na+，占陽離子總摩爾數(shù)的97.5%；陰離子當(dāng)量濃度大小依次為Cl->HCO3-> SO42-，水中優(yōu)勢(shì)陰離子為Cl-、HCO3-，分別占陰離子總摩爾數(shù)的55.5%、35.3%。湖泊水的水化學(xué)類型為·Cl-·HCO3--Na+。

烏梁素海TDS平均值為2250 mg·L-1，屬于微咸水湖泊。陽離子當(dāng)量濃度大小依次為Na+>Mg2+> Ca2+>K+，湖水優(yōu)勢(shì)陽離子為Na+，占陽離子總摩爾數(shù)的66.0%；陰離子當(dāng)量濃度大小依次為Cl-> HCO3->SO42-，水中優(yōu)勢(shì)陰離子為Cl-、HCO3-，分別占陰離子總摩爾數(shù)的45.2%、37.5%。湖泊水的水化學(xué)類型為Cl-·HCO3--Na+。

3個(gè)湖泊的水化學(xué)類型表明，其水化學(xué)組成相對(duì)單一，陽離子為鈉型，陰離子為氯化物型。是處于內(nèi)蒙古高原干旱半干旱區(qū)湖泊的共同點(diǎn)，因氣候環(huán)境和水汽來源相近，使得湖泊水水中離子化學(xué)組成和水化學(xué)類型存在一定的相似性。然而水體中各離子摩爾濃度差別較大，主要受水文條件和地質(zhì)環(huán)境的影響。呼倫湖湖盆地層主要是中生界地層及上第三系、第四系地層，巖性基本為沙巖、泥巖、礫巖夾煤系地層。近年來人類活動(dòng)，湖區(qū)北面扎賚諾爾礦區(qū)的煤礦工業(yè)得到大力發(fā)展，工業(yè)污廢水的大量排放，夾雜著大量的硫化物進(jìn)入呼倫湖流域，從而導(dǎo)致湖水中SO42-是除Cl-外質(zhì)量濃度最大的陰離子（王蘇民等，1995）。達(dá)里湖存在烏日根塔拉-西拉沐倫東西向大斷裂上，是由玄武巖的噴發(fā)構(gòu)成的堰塞湖，沒有排泄出口。周邊地層中分布著大量的巖漿巖和變質(zhì)巖，每年達(dá)里湖的河川徑流量補(bǔ)給量為0.44×108m3，蒸發(fā)量為2.48×108m3，其虧損水量依靠地下水的補(bǔ)給，水流對(duì)巖層的淋濾作用導(dǎo)致湖泊水體中碳酸鹽的濃度要比同樣是封閉湖泊的呼倫湖要高，湖水中HCO3-離子質(zhì)量濃度僅次于Cl-離子（張郝哲等，2012）。烏梁素海是黃河改道形成的河跡湖，水源主要靠黃河灌溉水和農(nóng)田退水補(bǔ)給，依靠黃河水的大量補(bǔ)給，水體交換條件較好，水體地球化學(xué)環(huán)境以還原性為主，因此湖泊水體中HCO3-質(zhì)量濃度也相對(duì)較高（崔鳳麗等，2013）。3個(gè)湖泊水化學(xué)組成成分的成因各不相同，充分說明內(nèi)蒙古高原內(nèi)不同湖泊類型其水化學(xué)特征有差異，需對(duì)其各自水化學(xué)特征進(jìn)行詳細(xì)的分析。

3.2.2不同湖泊水體主離子組成變化

采用通用的水化學(xué)分類方法，將毫克當(dāng)量百分?jǐn)?shù)大于25%的離子參與水化學(xué)類型的分類。利用Gw-chart軟件（USGS開發(fā)）繪出陽離子Ca2+-Mg2+-（Na++K+）組成的三角圖和陰離子SO42--Cl--（CO32-+HCO3-）組成的三角圖來表明不同水體的化學(xué)組成特征。湖泊演化一般趨勢(shì)是從淡水湖到咸水湖再到鹽湖，直至干涸結(jié)束演化，其水化學(xué)類型也遵循一定的鹽化規(guī)律：即一般為碳酸鹽型-硫酸鈉型-硫酸鎂型-氯化物型（陸瑩等，2010）。

陰陽離子三角形圖可表示水體中溶質(zhì)載荷主要離子的相對(duì)豐度和分布特征，從而揭示不同巖石風(fēng)化對(duì)水中總?cè)苜|(zhì)成分的相對(duì)貢獻(xiàn)率。在陰離子HCO3--SO42--Cl-組成的三角組圖中，在碳酸鹽巖地區(qū)的水以HCO3-為主導(dǎo)，組分點(diǎn)落在HCO3-一端；在蒸發(fā)鹽巖地區(qū)的水SO42-、Cl-含量較高，其組分點(diǎn)會(huì)落在SO42--Cl-線上，遠(yuǎn)離HCO3-一端。在陽離子Ca2+-Mg2+-（Na++K+）組成的三角圖中也有類似的反映，主要受碳酸鹽巖影響的水體，其組分點(diǎn)會(huì)落在Ca2+-Mg2+線上，靠近Ca2+端元；主要受蒸發(fā)鹽巖影響的水體，其組分點(diǎn)偏向（Na++K+）端元（王瑞久，1983）。

圖3為呼倫湖、達(dá)里湖和烏梁素海的主要陰陽離子組成三角圖，從中可以看出呼倫湖和烏梁素海的陰離子分布在三角圖SO42--Cl-線上，陽離子分布在三角圖的Na++K+線上；達(dá)里湖的陰離子分布在三角圖HCO3--Cl-線上，陽離子分布在三角圖的Na++K+線上。通過計(jì)算各離子的變異系數(shù)，表2得知：呼倫湖和烏梁素海水體中主要陰陽離子Na+和SO42-、Cl-的變異系數(shù)相對(duì)較小，達(dá)里湖水體中主要陰陽離子Na+和Cl-的變異系數(shù)相對(duì)較小，進(jìn)一步說明他們?cè)谒w中的質(zhì)量濃度相對(duì)穩(wěn)定。可以推斷呼倫湖和烏梁素海主要受蒸發(fā)鹽巖控制，達(dá)里湖受碳酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖的共同作用，湖泊離子組成與氣候條件和湖泊地質(zhì)環(huán)境密不可分（葉宏萌等，2010）。

圖3　3個(gè)湖泊主離子組成Piper圖Fig. 3 The Piper triangle chart for main ions of three lakes

表3　3個(gè)湖泊主離子現(xiàn)狀與歷史資料對(duì)比分析Table 3 The status quo icons concentration percent compare with history in the three lakes　%

表2　呼倫湖、達(dá)里湖和烏梁素海湖泊水化學(xué)特征值*Table 2 The water chemical characteristics values in Hulun Lake, Dali Lake and Ulansuhai Lake　mg·L-1

對(duì)比20世紀(jì)80～90年代資料（表3），呼倫湖各離子質(zhì)量濃度變化劇烈。近幾十年來，由于流域降雨的減少，河川徑流補(bǔ)給持續(xù)減少，湖泊水體受蒸發(fā)主控，水體中Cl-的增加。煤礦工業(yè)的大力發(fā)展，對(duì)湖泊環(huán)境造成了一定的影響，從而導(dǎo)致水體中SO42-的增多。達(dá)里湖是巖溶堵塞湖，水環(huán)境條件較為封閉，湖泊水體中各離子質(zhì)量濃度變化不大，受蒸發(fā)鹽巖控制，湖水中Na+、K+、和Cl-質(zhì)量濃度變大。取決達(dá)里湖湖泊水文循環(huán)過程，地下徑流大量補(bǔ)給湖水，達(dá)里湖碳酸鹽巖的作用要大于蒸發(fā)鹽巖。烏梁素海雖然依賴黃河水的補(bǔ)給，但同樣受蒸發(fā)鹽巖影響，流域內(nèi)蒸發(fā)量是降水量的10倍左右，水體中Na+、K+增加。

Piper圖上可以看出，各個(gè)湖泊的離子質(zhì)量濃度在空間上也存在差異。通過繪制呼倫湖、達(dá)里湖和烏梁素?？臻g上各離子質(zhì)量濃度變化圖（圖4），并結(jié)合各湖泊空間采樣點(diǎn)的位置（圖2）分析，呼倫湖從北向南湖水中各離子質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先增大后減小的過程。在湖泊南部有兩條河流進(jìn)行補(bǔ)給，水動(dòng)力條件較好，水體交換強(qiáng)烈，各離子質(zhì)量濃度較小；湖北部是新開河，為吐納型河流，補(bǔ)給情況下各離子質(zhì)量濃度會(huì)被稀釋。達(dá)里湖空間上，離子變化幅度較小，主要原因是達(dá)里湖沒有外泄出口，湖水交換主要依靠地下水的補(bǔ)給和蒸發(fā)排泄。其全湖整體上由北向南出現(xiàn)降低趨勢(shì)。湖中部和南部有3條河流，水體交換能力較北部活躍，河流的淡水稀釋了入湖口周圍的離子質(zhì)量濃度。烏梁素海的主要的補(bǔ)給口是總排干，湖泊南部只有唯一的泄水渠烏毛計(jì)。湖泊水體從北向南各離子質(zhì)量濃度整體增大，由于南部水動(dòng)力條件較北部偏弱，沒有大量的水流交換，加上強(qiáng)烈的蒸發(fā)，流進(jìn)湖泊的鹽分在湖泊南部逐漸積累，造成南部湖泊水體例子質(zhì)量濃度增大。同時(shí)進(jìn)一步說明蒸發(fā)依然是烏梁素海湖泊水體的主要排泄方式之一。

綜上，不同湖泊水體的主要陰陽離子組成及水化學(xué)類型存在顯著差別，離子組成與水化學(xué)類型呈顯著的區(qū)域性。與歷史資料的對(duì)比分析，現(xiàn)狀下湖泊水體的離子組成的變化主要受氣候條件和人類活動(dòng)的綜合影響。同一湖泊水體中主要陰陽離子組成及水化學(xué)類型存在空間上的差異，受湖泊本身水動(dòng)力條件和補(bǔ)給排泄的綜合影響。

圖4　3個(gè)湖泊各離子質(zhì)量濃度空間變化Fig. 4 The space changes of content of main ions for three lakes

3.3不同湖泊水體離子來源及控制因素

陸地水溶解鹽的可能來源包括大氣攜帶的海鹽（循環(huán)鹽）成分、可溶性巖石（蒸發(fā)巖、硅酸鹽、碳酸鹽、硫化物）的風(fēng)化物和人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染物（Berner et al.，1987）。Gibbs通過對(duì)世界雨水、河水、湖泊等地表水化學(xué)組分分析，利用ρ(TDS) 與ρ(Na+)/[ρ(Na+)+ρ(Ca2+)]圖和ρ(TDS)與ρ(Cl-)/ [ρ(Cl-)+ρ(HCO3-)]圖，直觀地反映出水體主要組分的類型：降水控制類型、巖石風(fēng)化類型和蒸發(fā)-濃縮類型（Gibbs，1970；朱海勇等，2013）。該圖把地表水化學(xué)組分劃分為3個(gè)控制端元：巖石風(fēng)化主控端元，大氣降水主控端元和蒸發(fā)-結(jié)晶主控端元。

將3個(gè)湖泊的水化學(xué)數(shù)據(jù)繪于Gibbs圖中，從圖5看出3個(gè)湖泊的水化學(xué)主控端元落在蒸發(fā)-結(jié)晶端元，TDS大于1000 mg·L-1，ρ(Na+)/[ρ(Na+)+ρ(Ca2+)]比值接近于1，ρ(Cl-)/[ρ(Cl-)+ρ(HCO3-)]比值在0.2～0.9之間，說明湖泊水體分布在蒸發(fā)作用很強(qiáng)的干旱區(qū)域，符合內(nèi)蒙古高原湖泊的特征，受干旱與半干旱氣候的影響。同時(shí)通過計(jì)算呼倫湖、達(dá)里湖和烏梁素海的Cl/Na值，分別為0.54，0.94和1.11，均都小于世界平均海水比值（Cl/Na=1.15）（葉宏萌等，2010），符合內(nèi)陸湖泊的特點(diǎn)，受大氣環(huán)流影響較小。但3個(gè)湖泊受干旱和半干旱氣候影響的程度不同，與上文離子組成特征相符。由圖5還可知，3個(gè)湖泊部分區(qū)域還均受到不同程度的人為活動(dòng)的干擾，部分采樣點(diǎn)落在了Gibbs模型外。

圖5　3個(gè)湖泊Gibbs模型圖示Fig. 5 The Gibbs model for three lakes

結(jié)合表4中和圖5，分別分析3個(gè)湖泊落在的Gibbs模型外方的采樣點(diǎn)，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，呼倫湖D11和G2兩點(diǎn)，分別離達(dá)賚湖漁場(chǎng)雙山子分場(chǎng)和大沙圈漁場(chǎng)較近，兩個(gè)漁場(chǎng)人為活動(dòng)在呼倫湖流域相對(duì)較大，對(duì)湖泊水體的影響也就相對(duì)突出；達(dá)里湖的A7和D6兩個(gè)點(diǎn)，分別與達(dá)里湖自然保護(hù)區(qū)的達(dá)來諾爾漁場(chǎng)、達(dá)里湖度假中心較近，人為活動(dòng)產(chǎn)生的生活污廢水對(duì)湖泊水體的離子組成造成了一定的影響；烏梁素海落在Gibbs圖外的點(diǎn)主要分布在總排干入湖口處J13、K12、L11點(diǎn)和湖的東南部烏梁素海漁場(chǎng)附近P11、Q10點(diǎn)，也說明灌區(qū)內(nèi)的生活污廢水和企業(yè)工礦廢水通過總排干和排污口排入烏梁素海，一定程度上改變了湖泊水體的水化學(xué)組分。

4　結(jié)論

表4　3個(gè)湖泊采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ρ(Na+)/[ρ(Na+)+ρ(Ca2+)]和ρ(Cl-)/[ρ(Cl-)+ρ(HCO?)]比值Table 4 The value of ρ (Na+)/[ρ(Na+)+ρ(Ca2+)] and ρ(Cl-)/[ρ(Cl-)+ρ(HCO)] for three lakes

表4　3個(gè)湖泊采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ρ(Na+)/[ρ(Na+)+ρ(Ca2+)]和ρ(Cl-)/[ρ(Cl-)+ρ(HCO?)]比值Table 4 The value of ρ (Na+)/[ρ(Na+)+ρ(Ca2+)] and ρ(Cl-)/[ρ(Cl-)+ρ(HCO)] for three lakes

呼倫湖 　　達(dá)里湖烏梁素海點(diǎn)號(hào) ρ(Na+)/[ρ(Na+)+ρ(Ca2+)] ρ(Cl-)/[ρ(Cl-)+ρ(HCO3-)] 點(diǎn)號(hào) ρ(Na+)/[ρ(Na+)+ρ(Ca2+)]ρ(Cl-)/[ρ(Cl-)+ρ(HCO3-)]　點(diǎn)號(hào)　ρ(Na+)/[ρ(Na+)+ρ(Ca2+)] ρ(Cl-)/[ρ(Cl-)+ρ(HCO3-)] A10 　0.98 　0.38 　A7 　1.00 　0.48 　J13　0.87 　0.27 B9 　0.98 　0.33 　B4 　1.00 　0.51 　K12　0.90 　0.20 D11 　0.99 　0.91 　C5 　1.00 　0.70 　L11　0.87 　0.18 F9 　0.99 　0.87 　C7 　1.00 　0.43 　L15　0.89 　0.83 G2 　0.99 　0.76 　D4 　1.00 　0.51 　M14　0.88 　0.56 G8 　0.99 　0.90 　D6 　1.00 　0.41 　N13　0.89 　0.51 H3 　0.99 　0.42 　E1 　1.00 　0.51 　O10　0.89 　0.77 E2 　1.00 　0.50 　P9　0.89 　0.39 E5 　1.00 　0.36 　P11　0.89 　0.31 Q10　0.91 　0.65 T5　0.95 　0.42

處于干旱-半干旱地區(qū)的內(nèi)蒙古高原湖泊，由于地理氣候的影響，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降雨稀少，蒸發(fā)是降雨的10～20倍，導(dǎo)致該區(qū)域湖泊由淡水湖向微咸水和咸水湖泊轉(zhuǎn)化，水化學(xué)類型呼倫湖為Cl-·SO42--Na+，達(dá)里湖為Cl-·HCO3--Na+，烏梁素海為Cl-·HCO3--Na+。

分析湖泊水中離子的組成發(fā)現(xiàn)，湖泊水中各離子的質(zhì)量濃度呈顯著性的區(qū)域差異，達(dá)里湖各離子質(zhì)量濃度顯著高于呼倫湖和烏梁素海，與湖區(qū)所在的地理環(huán)境和水文條件密切相關(guān)。對(duì)同一湖區(qū)，空間上湖泊水體離子質(zhì)量濃度也有差異，主要與湖泊水體的水動(dòng)力條件和補(bǔ)給排泄關(guān)系聯(lián)系緊密。

與歷史資料的對(duì)比，并結(jié)合Piper解析了湖泊主要離子變化原因。利用Gibbs圖進(jìn)一步分析，3個(gè)湖泊水化學(xué)主控端元落在蒸發(fā)-結(jié)晶端元，同時(shí)3個(gè)湖泊采樣點(diǎn)均有部分落在Gibbs模型外，說明3個(gè)湖泊個(gè)別區(qū)域已受到了不同程度的人為活動(dòng)影響。

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Major Ion Chemistry and Influencing Factors of Three Typical Lakes in Inner Mongolia Plateau

WU Yong1, SHI Xiaohong1, ZHAO Shengnan1, LIN Taotao2, MA Jun3
1. Water Conservancy and Civil Engineering College, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018, China; 2. Three Gorges Hydrology and Water Resources Survey Bureau, Bureau of Hydrology, Yangtze River Water Conservancy Commission, Yichang, 443000, China; 3. Honggebo Drainage Station of Hetao Irrigation District Management Bureau of Inner Mongolia, Bayannur 014400, China

Abstract:Inner Mongolia plateau is located in the semi-arid and arid climate zone of northern China. The climate exhibits both semi-arid and arid characteristics as it spans across longitudes from East to West. Lakes in the region are mostly inland lakes. Their water chemistry characteristics are greatly influenced by geographical and climate. Three lakes, Hulun Lake, Dali Lake and Ulansuhai Lake, were analyzed for their main ions and the discrepancies, the chemical characteristics of the water, and their control factors. The results showed that the water chemical type, cation by Na+leading and anion by Cl-leading, was single by the geographical and climate. However, the main ions content was very different in these lakes. The percent of Na+in the total number of mole of cationic was 76.6%, 97.2% and 66.0%, while the percent of Cl-in the total number of mole of anion was 49.6%, 55.5% and 45.2%, respectively for three lakes. The coefficient of variation of Na+and SO42-, Cl-was relatively low, it showed the ion content was stable in the water. Based on the Piper triangle chart analyzed ions consist, the anion distributed in the line of SO42--Cl-and the cation in the line of Na++K+in Hulun lake and Ulansuhai Lake. But the anion was in the line of HCO3--Cl-and the cation in the line of Na++K+in Dali Lake. It shows that the water chemistry characteristics are affected by evaporation and crystallization and rock weathering. The spatial changes of the content of the main ions are also affected by the relationship between runoff and drainage, and are combined with the Gibbs model to further explain the different degree of human activity for these three typical lakes. Researching the lakes’ chemistry characteristics has a great significance for protecting lakes’ environment.

Key words:lakes in the Inner Mongolia plateau; arid and semi-arid regions; mainly composed of ions; water chemistry characteristics

收稿日期：2015-04-29

*通信作者。E-mail: imaushixiaohong@163.com

作者簡(jiǎn)介：吳用（1990年生），男，博士，主要從事流域水污染控制研究。E-mail: wuyong526@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51269016；51269017；51339002；51409288）；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目（2014XYQ-10）

中圖分類號(hào)：X131.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2015）07-1202-07

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.07.019