新疆
地质
XINJIANG
GEOLOGY
2020年12月
Dec.2020
第38卷第4期Vol.38No.4
中图分类号:P597+.2；P641.12
文献标识码:A
文章编号：1000-8845(2020)04-546-06从同位素和水化学成分对比看沙漠地区湖泊水 补给来源——以鄂尔多斯盆地木凯淖湖为例
古丽波斯坦·吐逊江1,2，庞忠和3，尚彦军1,2,3
（1.新疆地质灾害防治重点实验室，新疆乌鲁木齐830023；2.新疆工程学院，新疆乌鲁木齐830023；
3.中国科学院地质与地球物理研究所，北京100029）
摘要：在自然和人为因素影响下，沙漠地区湖泊面积萎缩成为影响地区经济发展和生态环境质量的主要因素。本文以鄂尔多斯盆地内封闭型木凯淖湖为例，采用氢氧稳定同位素方法和水化学特征法，统计了湖水稳定同位素δ18O 和δD 特征，并同降水和地下水进行对比分析，揭示湖水补给来源，初步查明沙漠地区湖泊萎缩原因。研究发现，井水样品平均值为δ18O 为-8.29‰，δD 为-62.86‰，湖周围浅层地下水δ18O 平均值为-7.2‰，δD 为-57.46‰。湖水同位素数据因采样时间段的不同(7月,10月)表现出不同特征。7月份暴雨后δ18O 平均值为-13.84‰，δD 为-99.61‰，与暴雨前的湖水样品相比明显贫化，与暴雨同位素丰度（平均δ18O/‰为-13.2‰，δD 为-93.56‰）一致。10月湖水蒸发线 δD=5.1δ18O-14，比7月蒸发线δD=4.19δ18O-8.4斜率小，蒸发减弱。湖周围浅层地下水和中浅层井水同位素平均值相近，浅层地下水部分存在蒸发，蒸发线与湖水蒸发一致。夏季湖水同位素值远大于地下水同位素值，可回归到雨水线上，推测夏季湖水主要由降水补给。10月份湖水数值回归后与地下水一致，显示地下水和湖水密切相关，证明
秋季湖水由地下水补给。
关键词：木凯淖湖；稳定同位素；地下水；降水线；水化学
我国西北沙漠区面积广大，湖泊在经济发展和生态环境中起重要作用。因气候干旱，蒸发强烈，沙漠地区湖泊水质和水量受损，湖泊发展前景不容乐观。作为典型干旱地区，鄂尔多斯盆地属温带干旱-半干旱大陆性气候，降水稀少，蒸发强烈，大部分地区植被稀疏，荒漠化和土壤侵蚀严重，生态环境十分脆弱[1~3]。该地区湖泊在维持水资源、生物多样性、生态环境方面发挥着重要作用。调查结果显示，鄂尔多斯盆地内部湖泊面积萎缩明显，近30年来湖水面积萎缩达54%[1]。目前，应用环境同位素研究地下水-地表水间关系已很成熟[4~5]，且在鄂尔多斯地区应用较广泛[6~8]。本文以鄂尔多斯盆地中部封闭的季节湖——木凯淖湖为例，研究不存在地表径流和湖水资源未被开发条件下，天然湖水的补排关系。据同位素和水化学结果分析湖水的补给来源，揭示木凯淖湖从常流湖变为季节湖的原因，为鄂尔多斯盆地湖泊综合治理提供科学依据，同时为沙漠地区湖泊水资源有效保护提供参考。
1研究区概况
木凯淖湖地处毛乌素沙漠腹地，位于鄂尔多斯市乌审旗乌审召镇，距东胜约120km，距达布察克镇60km 。该湖面积约2km 2，是鄂尔多斯高原沙漠地
区众多湖泊之一，为典型高原沙漠湖泊。湖泊四周为地势较高的高地，局部分布有半活动沙丘。湖水深度较小，水位年内变化大，为封闭湖泊。1.1气候特点
鄂尔多斯盆地位于西北干旱地区，为温带大陆性气候。日照时间充足，年均日照时间达2600h ，四季分明。木凯淖地区气温为-10℃~13.5℃，夏季7月份温度最高，冬季温度可降至零度以下，少量降雪。年均降水量267mm ，年均蒸发量2500mm 。每年4月份开始随蒸发量增大，湖水深度逐渐减小，7月份湖水位最低。4月至9月是枯水期，10月至3月是汛期（图1）。1.2水文情况
鄂尔多斯盆地地下水系统分为盆地周边岩溶地项目资助：新疆地质灾害防治重点实验室开放基金、自治区天山创新团队(2020D14014)共同资助
收稿日期：2020-09-06；修订日期:2020-11-09；作者E-mail ：******************第一作者简介：古丽波斯坦·吐逊江（1990-），女，新疆巴州人，硕士，2017年毕业中国科学院大学地质工程专业，主要从事水文地质教
学及研究工作
第38卷第4期
古丽波斯坦·吐逊江等：从同位素和水化学成分对比看沙漠地区湖泊水补给来源——以鄂尔多斯盆地木凯淖湖为例
下水系统、白垩纪自流盆地地下水系统及盆地东部黄土区地下水系统[9]。本区属白垩纪自流盆地地下水大系统中北部沙漠高原开启型地下水系统（图2）。潜水主要赋存于第四系冲湖积层、湖积层、风积层等松散岩类孔隙介质和下白垩统志丹三、四岩段(K 1zh 3+4)碎屑岩孔隙介质中。承压水赋存于K 1zh 3+4碎屑岩类地
层中，埋藏于第四系之下或K 1zh 3+4中下部。潜水含水层与承压含水层之间无完整统一的隔水层。隔
水层在横向上以透镜体状存在，且不连续、不稳定。在垂向上与含水层交替出现，亦无明显的变化规律。单个钻孔可揭遇多个含水层、弱透水层和相对隔水层，即可分为不同的潜水层和承压水层。从宏观上来看，本区地下水是由多个含水层和隔水层构成的多层状、多旋回含水综合体，因此，本区地下水可概括为巨厚的潜水含水体[10]。
2样品采集与测试
据当地用水和降水情况，分别在枯水期（7月份）
和汛期（10月份）采集了55个湖水样品。离木凯淖湖1km 处利用雨水收集装置采集了9个样品。在
木凯淖湖水周围牧民家采集6~300m 深度地下水样20个，在湖周围手工钻孔取浅层(约2m)地下水样18个（图3）。样品在中国科学院地质与地球物理研究所水同位素和水岩反应实验室利用离子谱仪测试阴阳离子。阴离子和阳离子分析样品用孔径0.45μm 薄膜滤器过滤后收集，现场采用哈希多参数水质分析仪测量河水、湖水和地下水常规水化学指标。用酚酞和甲基橙指示剂滴定分析碱度。氘氧同位素
样取样过程与水化学样相似，先洗干净，冲洗，20mm 高密度聚乙烯取样瓶，取样装瓶，蜡封。在水同
位素和水岩反应实验室进行测试。
3结果与分析
3.1同位素数据分析
本研究前后开展三次野外工作。第一次是野外调查，据观察到的情况结合资料制定了后两次（第一次7月份，第二次10月末至11月初）采样计划。两次共采集55个湖水样品。第一次采样探明湖水分层情况，采样方案涉及湖的每个角落和湖底。从测试结果可知，同位素分布均匀未出现分层情况。第二次采样时采集代表性样品，不对湖区全范围采样。表1列出了本次研究中进行测试的湖水、钻孔地下水、潜流带和降水的氘氧同位素丰度值。
据采样时间和样品特征将其分为两批组：7月份，第一批采样时遇暴雨（降雨量106mm ）而将水样分为两组：暴雨前所采样品为第1组，降雨后所采样品为第2组。第二批样品在十月末采集，为第3
组
图12016年鄂托克旗站月降水量分布直方图
Fig.1Monthly precipitation distribution histogram of
Etuoke Banner station in 2016
图2鄂尔多斯高原第四纪—白垩系地下水流动系统
结构示意图
Fig.2Structural diagram of Quaternary—Cretaceous
groundwater flow system in Ordos Plateau
（引自于Hou et al.，2008）
1.浅循环系统；
2.中循环系统；
3.深循环系统；
4.等势线；
5.流线；
6.循环系统界限；
7.取样点；
8.
地下水年龄
图3湖区水样采集点平面分布图
Fig.3Plane distribution of water sample collection points
in Lake
area
547
新疆地质2020年样品（表2）。第一批样品虽然间隔时间短，但氘氧同
位素特征截然不同，自然分成了两组。第1组（暴雨
前）明显富集，第2组（暴雨后）严重贫化。
为了研究鄂尔多斯盆地大气降水、地表水和地下
水之间的关系，将研究区氘氧同位素丰度值投到氘氧
关系图上(图4)，引用Craig全球大气降水线进行分析
对比[11，12]（GMWL表达式：δD=8δ18O+10）。
从图中可知，湖周围浅层地下水和中浅层井水
同位素平均值接近，浅层地下水部分存在蒸发，蒸发
线与湖水蒸发一致，10月份湖水蒸发线为δD=5.1δ18O-
14，比7月份蒸发线δD=4.19δ18O-8.4斜率小，斜率越大
蒸发越强烈[11]。夏季温度高、湿度低导致蒸发强烈，
湖水同位素远比地下水富集。回归后湖水同位素和
地下水同位素丰度值不一致，可回归到雨水线上。
说明夏季湖水主要由降水组成，少有地下水补给。即使暴雨过后同位素值仍然与降水同位素一致，且比地下水贫化，推测夏季湖水主要来源于大气降水。10月份湖水数值回归后与地下水一致，显示湖水和地下水关系密切。据中国气象网站获取的当地气象数据（图1），10月后降水量明显减少，甚至为零，但湖水位却明显上升。实地调查未发现木凯淖湖附近有地表径流补给，说明在10月之后湖水主要由地下水补给。
3.2水化学数据分析
从表3中可看出，湖水受蒸发作用影响，总矿化度较高，部分样品达4g/l。pH偏碱性，总体大于8。按照舒卡列夫分类，其水化学为Na-Cl-HCO3，Na-Cl。浅层地下水普遍受到湖水、蒸发作用影响，水化学类型各不一样，总矿化度为0.279~5g/l，pH值均大于8。
从Piper投影图可见（图5），钻井水属Ca-Mg-HCO3类型，且随埋深变小接近木凯淖湖水化学类型，地下水水质从Ca-Mg-HCO3型演变为Mg-Ca-Na-HCO3,Ca-Mg-HCO3-Cl型，水中的Cl-，Na+离子明显增加。在地表无论是降雨前后还是不同季节，湖水都属Na-Cl，Na-Cl-HCO3型。7月采样期间出现湖水干涸情况，降雨之后样品TDS虽然发生了数量
表1氘氧同位素样品测试结果
Table1Test results of deuterium and oxygen isotope samples单位：‰
水类型湖水钻孔潜流雨水同位
素
δ18O
δD
δ18O
δD
δ18O
δD
δ18O
δD
样品编号
01
-2.06
-28.08
-8.44
-64.27
-7.90
-62.13
-15.27
-109.46
02
-
2.63
-32.99
-8.26
-63.42
-7.90
-62.13
-11.13
-77.66
03
-1.87
-28.69
-
8.47
-65.50
-7.55
-58.59
-7.98
-54.20
04
-3.12
-33.63
-8.56
-65.26
-
7.45
-58.34
-6.02
-33.21
05
-1.87
-28.31
-8.32
-64.04
-7.94
-59.96
-
10.39
-69.66
06
-1.35
-13.87
-8.56
-65.23
-8.91
-66.76
-9.96
-67.06
07
3.13
5.55
-8.32
-63.63
-8.05
-62.23
-11.33
-78.6
08
1.87
-
2.42
-8.42
-63.63
-7.81
-60.39
-7.91
-50.56
09
2.59
0.32
-8.15
-
62.94
10
-14.44
-101.43
-8.30
-63.54
11
-14.1
-101.42
12
-13.42
-
94.04
水样类型
第1组湖水第2组湖水第3组湖水暴雨水
δ18O值
最大值
-2.11
-11.5
2.84
-6.02
最小值
-3.83
-
14.6
-5.75
-15.27
平均值
1.45
-13.84
-2.25
-13.20
δD值
最大值
8.93
-
83.94
-47.63
-33.21
最小值
-17.43
-104.83
-2.59
-109.46
平均值
-2.46
-99.61
-
30.3
-93.56
样品
数量
24
20
11
7表2湖水同位素统计特征
Table2Statistical characteristics of Isotopes in Mukainao Lake单位：‰
注：表中TDS表示总溶解固体
图4木凯淖湖水、降水及地下水氘氧分布曲线图Fig.4Deuterium oxygen distribution of Mukainao lake water、precipitation and
groundwater
548
第38卷第4期古丽波斯坦·吐逊江等：从同位素和水化学成分对比看沙漠地区湖泊水补给来源——以鄂尔多斯盆地木凯淖湖为例
水来源潜水
湖水钻孔水编
号
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Na+
58.43
电脑加密锁57.30
30.10
102.42
76.21
18.53
42.28
113.45
1172.23
906.80
1184.32
1122.34
1054.43
2297.52
1827.83
814.14
1192.13
110.52
125.76
124.00
20.80
16.08
35.00
19.16
17.22
17.52
21.44
19.64
16.76
K+
4.84
3.82
6.82
38.08
15.89
2.74
4.04
5.90
144.00
119.99
138.98
126.45
137.46
346.53
387.80
208.30
319.39
20.68
29.21
37.89
3.19
3.01
3.08
3.51
3.80
2.94
3.53
3.13
4.36
Mg2-
44.22
62.69
18.24
77.14
100.99
36.92
传送侦测
37.41
48.28
91.70
86.47
94.39
93.08
90.72
27.18
25.83
29.63
27.57
3.58
6.21
11.12
12.17
12.09
16.39
12.87
13.24
13.08
13.49
12.76
12.20
Ca2+
90.77
94.18
70.44
77.55
74.70
82.62
103.41
93.95
19.75
40.44
20.62
22.35
20.57
41.70
44.95
31.92
32.68
2.15
3.74
5.34
51.73
53.29
43.26
49.74
52.74
52.24
48.08
52.53
56.23
Cl-
30.11
25.59
37.59
28.88
37.56
22.30
96.53
66.72
1182.88
966.52
1070.18
1073.18
1100.03
1456.38
1634.67
1653.96
1999.32
104.98
73.40
105.39
11.85
11.71
12.03
11.90
12.52
11.93
11.63
12.26
12.80
NO3-
2.07
6.97
27.04
4.89
11.07
3.16
2.97
4.69
8.53
7.37
21.28
8.98
8.95
47.94
71.00
71.92
96.32
2.64
8.52
8.33
14.25
14.41
12.83
13.30
14.35
14.69
12.45
13.57
15.21
SO42-
12.36
8.29
78.49
25.60
31.55
6.45
8.29
3.19
109.51
76.51
102.43
132.15
106.42
65.07
68.88
68.30
72.14
11.01
11.45
21.65
13.34
12.86
15.66
15.33
13.35
11.90
14.16
13.18
12.22
HCO3-
638.79
638.79
222.66
手机受话器817.65
752.74
374.83
514.11
664.34
1065.87
984.61
1285.87
1028.18
764.10
1941.48
1258.37
超声波除垢1150.51
942.65
53.90
166.69
172.58
232.16
240.19
233.62
227.77
238.73
229.97
229.97
230.70
235.81
CO32-
0.00
0.00
7.18
25.13
0.00
8.32
0.00
0.00
122.07
64.63
聚乙二醇辛基苯基醚
122.07
127.71
198.99
1060.92
848.74
465.10
1027.01
45.97
64.85
28.29
TDS
564.70
580.56
384.12
776.48
726.36
365.37
552.32
669.09
3332.14
2735.25
3342.83
3164.42
3010.15
5800.62
5131.82
3724.46
4754.22
306.04
376.50
416.40
243.92
244.03
255.56
240.18
246.98
239.77
240.18
242.97
248.08
pH
8.07
8.07
8.65
8.46
8.50
8.03
7.84
7.50
9.75
9.37
9.49
9.55
9.72
10.10
10.11
10.44
10.36
9.87
9.45
9.54
7.90
7.85
8.60
7.91
8.27
8.01
8.28
8.23
8.26
表3湖水及地下水水化学测试结果
Table3Hydrochemical test results of lake water and groundwater单位：mg/l
549
新疆地质2020年级的变化，但水化学类型没变，仍以Cl-和Na+离子为
主，说明湖水水质主要由蒸发作用控制。
从Cl与δ18O关系可看出蒸发和盐分的关系，同位素18O和氘的富集贫化程度是判断蒸发程度的指标。从图6中可见，降雨后湖水样品δ18O值与雨水样品δ18O值一致，未见富集现象，可知采样时湖水没有明显蒸发，但TDS远值高于地下水，说明降雨后湖水中盐分来自湖床中岩盐溶解而非地下水补给。10
月湖水同位素富集明显，显示湖水面存在蒸发，氘氧同位素关系图显示地下水和湖水联系密切。10月份湖水Cl-值介于地下水和湖水之间，进一步证明当时的湖水组分来自地下水和湖水混合，进一步解释了不同季节湖水来源不同：夏季主要来自降水，秋季主要来自地下水。
4结论
鄂尔多斯盆地木凯淖湖水夏季主要补给源为降水，秋季主要补给源为地下水，化学成分受蒸发影响，演变为高矿化度咸水湖。当地大气降水是研究区地表水和地下水的主要补给源。地表水、地下水的水化学成分受到蒸发作用不同程度的影响，随埋深增加蒸发影响减弱。
研究结果可知，沙漠区域湖泊和地下水补排关系密切，为有效防治该区湖泊水减少的问题，应合理控制开采浅层地下水资源。
参考文献
[1]马宁，王乃昂，李卓仑.巴月吉林沙漠周边地区近50年来气候变
化特征[J].中国沙漠，2011,31(6):1541-1547.
[2]王洪道，史复祥.干旱-半干旱地区湖泊水资源及其保护［A］.中
国自然资源研究会.中国干旱半干旱地区自然资源研究论文集［C］.北京：科学出版社，1988:84-90
[3]马宁，王乃昂，李卓仑.1960-2009年巴丹吉林沙漠南北缘气候变
化分析[J].干旱区研究,2011,28(2):243-250.
[4]德罗斯特W，莫泽尔H，诺伊迈尔F，等.同位素方法在地下水水
文学中的应用[M].北京：地质出版社,1983:4-80.
[5]顾慰祖，庞忠和，王全九，等.同位素水文学[M].北京：科学出版书
.2011.
[6]苏小四，王小元，万玉玉，等.大克泊湖淖地区地下水-湖水转化
关系研究[J].人民黄河,2011，(33)7:73-78.
[7]马妮娜，杨小平.巴丹吉林沙漠及其东南边缘地区水化学和环境
同位素特征及其水文学意义[J].第四纪研究，2008,28(4):702-711.
[8]张华安，王乃昂.巴丹吉林沙漠东南部湖泊和地下水的氢氧同位
素特征[J].中国沙漠，2011,31(6):1623-1629.
[9]王德潜，刘祖植，尹立河.鄂尔多斯盆地水文地质特征及地下水
系统分析[J].第四纪研究，2005,1（25）:6-14.
[10]郝玉兰.内蒙古乌审召水源地区域水文地质条件分析[J].山西建
筑，2010,15（35）:91-92.
[11]侯光才，林学钰，苏小四，等.鄂尔多斯白垩系盆地地下水系统研
究［J］.吉林大学学报（地球科学版），2006，36(3):391-398. [12]Craig H.Isotopic exchange effects in the evaporation of water[J].
Geophys.Res.1963,68:5079-5087.
图5木凯淖湖水、地下水Piper投影图
Fig.5Piper projection of Mukainao Lake and
neor
groundwater 图6木凯淖湖水、地下水及雨水δ18O-Cl含量关系图Fig.6Relationship diagram ofδ18O-Cl content in Mukainao Lake，groundwater and
precipitation
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