水化学特征是湖泊的重要特征，能够反映湖泊水循环过程，揭示湖泊演化历史以及对气候变化的响应^[1]。湖泊水化学不仅能体现湖泊水体的离子特征，可用于判断湖泊水化学类型，其时空分布规律也能够一定程度上揭示湖泊流域的主控因素，如大气降水、蒸发浓缩、岩石风化、人类活动的影响等^[2]。受外界因素的影响，许多地表水体的天然水化学在过去几十年里发生了变化，因此对湖泊水化学历年数据变化趋势进行多方面的对比分析，以揭示环境变化和人为活动等因素对湖泊的影响，并分析湖泊水化学特征及其控制因素，以及就湖泊地下水是否存在阳离子吸附等问题进行研究，对湖泊水资源保护和可持续开发利用具有重要意义^[3]。

我国湖泊水化学特征的研究大多集中在长江中下游湖泊群，青藏高原湖区、新疆湖区的研究成果也较多，而对内蒙古自治区（简称内蒙古）高原湖泊的研究主要集中于单个湖泊某阶段的水化学研究。如侯庆秋^[4]厘清了乌梁素海-地下水演变规律，定量分析了2019年地下水对乌梁素海的水盐补给；韩知明等^[5]对呼伦湖冰封期与非冰封期营养盐与离子分布特征进行对比分析，认为呼伦湖周围硝矿场的污染是导致部分地下水${\mathrm{NO}}_3^- $含量超标的主要因素；勾利超^[6]对达里湖冰封与非冰封状态下的湖泊水文化学特征进行对比研究，确定了达里湖的补给关系。但以往研究多集中于内蒙古单个湖泊的水化学特征，而系统地对内蒙古多个湖泊的水化学特征进行对比分析的研究鲜见报道。

笔者以内蒙古3种类型湖泊（达里湖、乌梁素海、呼伦湖）为研究对象，其中达里湖属于尾闾湖，乌梁素海为受农业退水影响湖泊，呼伦湖为内蒙古大型湖泊，运用数理统计分析、水化学图解等方法，分析三大湖泊水化学特征及成因，对比三大湖泊近10年水体主要离子浓度变化情况，分析影响离子浓度变化的因素，同时针对达里湖盐化问题分析其成因，以期为内蒙古湖泊水文地球化学研究及保护提供数据支撑。

1.   研究区与研究方法

1.1   研究区概况

达里湖（116°26'E~116°41'E，43°13'N~43°23'N）位于内蒙古赤峰市克什克腾旗境内，是内蒙古四大内陆湖之一，湖面面积约184.41 km²。达里湖是尾闾湖，湖水常年只进不出，只有4条河流汇入湖泊，分别为贡格尔河、沙里河、亮子河和耗来河^[7]。乌梁素海（108°43'E~108°57'E，40°36'N~41°03'N）位于内蒙古巴彦淖尔市乌拉特前旗，是黄河改道形成的河迹湖^[4]。湖水依赖地表径流、灌区退水和湖面降水补给，处理后的农田退水、生活污水、工业废水经总排干、八排干、九排干、通济渠、塔布渠流入乌梁素海^[8]，位于总排干沟附近的红圪卜排水站也是乌梁素海的主要补给来源^[9]。呼伦湖（117°00'E~117°41'E，48°30''N~49°20'N）地处呼伦贝尔大草原腹地，湖水主要受大气降水、地下水和克鲁伦河及乌尔逊河补给^[10]。呼伦湖水系包括哈拉哈河、贝尔湖、乌尔逊河、克鲁伦河、新开河、呼伦沟等^[11]。三大湖泊所在区域属中温带大陆性气候^[12]，受蒸发作用影响显著，湖面蒸发量和降水量比例严重失衡^[13]。受气候影响身为尾闾湖的达里湖湖面逐步萎缩导致湖水盐化程度不断加剧，总溶解性固体（TDS）浓度均值达到8 000 mg/L左右，已从淡水湖转变为中咸水湖^[14]；呼伦湖多年平均降水量为235 mm，多年平均蒸发量为1 470 mm，TDS浓度均值为1 070 mg/L，pH在8.86~9.37范围内波动，湖水呈弱碱性^[15]。

1.2   样品采集与测试

1.2.1   湖泊采样及监测

根据三大湖泊的地理位置特征，利用GPS定位进行采样点布置，如图1所示。其中，在达里湖布设12个采样点（A7、B6、B4、C5、C7、H、D4、G、D6、E1、E2、E5），用达里湖周围居民井水代表地下水，共设置4个地下水采样点（DLD-1、DLD-2、DLD-4、DLD-5）；在乌梁素海布设17个采样点（I12、J11、L13、L15、M12、M14、N13、O10、P9、P11、Q8、Q10、R7、S6、T5、U4、V3）；在呼伦湖布设13个采样点（A10、B9、D7、D11、E8、F5、F9、G8、H3补、G2、H3、I5、I2）。于2022年1月、3月、6月、7月、9月、11月进行水样采集。夏季上湖采样，用1 L聚乙烯瓶取表层（距水面20 cm处）、中层（表层与底层之间）、底层（底泥表面以上20 cm）湖水；冬季用湖面破冰钻孔的方法取水样，同样用1 L聚乙烯瓶取表层、中层、底层3层水样。采样的同时用水质分析仪（维赛PRO20 Pro20i）测各采样点的TDS浓度、pH等指标（本研究所用TDS监测数据时段为2018—2022年）。由于本文着重对达里湖进行研究，因此于2019—2022年对达里湖入湖河流的补给量进行监测。

图  1  三大湖泊采样点分布

Figure  1.  Distribution map of sampling points in the three lakes

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1.2.2   湖泊水化学测试

采样前将聚乙烯瓶用10%的盐酸溶液浸泡24 h，浸泡后用蒸馏水冲洗、超纯水润洗，晾干后使用。采样时先用湖泊原水润洗3次聚乙烯瓶后再装入水样，采水样后进行密封并冷藏保存（−4.4 ℃）。进行离子试验时先用孔径0.45 μm，直径50 mm的微孔滤膜过滤水样，再用ICS-90离子色谱仪（DIENOX公司）对水样中主要离子（Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺、Cl⁻、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $）浓度进行检测，精度为±5%。检测前均用标准液做标线，待标线的线性方程R²大于0.999后开始检测水样中离子。由于呼伦湖、乌梁素海以及达里湖的pH均介于6~10，${\mathrm{HCO}}_3^- $浓度采用酸碱指示剂滴定法进行测定。

1.3   历史数据来源

20世纪80—90年代及2012年三大湖泊水化学组分基础数据来自文献调研^[16]（与2022年实测数据的测量方法相同）。历年气温、降水量和蒸发量等气象资料（1950—2022年）来源于锡林浩特站、克什克腾旗站（经棚站）。2007—2018年达里湖入湖河流补给量数据来自克什克腾旗水利局。红圪卜排水站汇入乌梁素海水量资料来自研究团队调查（2016—2022年）。

1.4   数据处理及绘图

运用Piper三线图解法、Gibbs图解法、端元图解法、离子比值法、Pearson相关性分析等方法，研究内蒙古三大湖泊水化学特征、离子来源及成因，并对近10年三大湖泊离子浓度变化情况进行分析。利用Origin 2021软件绘制Piper三线图、离子比值关系图、端元图等，采用ArcGIS 10.8软件绘制水化学组分空间分布图，反演达里湖湖面面积，采用SPSS 24.0软件完成Pearson相关性分析。

2.   结果与讨论

2.1   湖泊水化学特征及近10年离子变化影响因素

2.1.1   三大湖泊水化学组分浓度

TDS是湖体水化学成分的重要指标，一般以溶解于水中的主要离子总量表示，其受降水量、蒸发量、流域岩石成分等因素影响。由三大湖泊2022年的TDS浓度平均值（表1）可知，相比于作为尾闾湖的达里湖以及受农业排水影响的乌梁素海，呼伦湖的TDS浓度相对较低。

表  1  2022年三大湖泊水化学组分平均值

Table  1.  The average hydrochemical composition of the three lakes in 2022 mg/L　

湖泊	统计值	TDS	Cl−	${\mathrm{HCO}}_3^- $	${\mathrm{SO}}_4^{2-} $	Na+	K+	Mg2+	Ca2+
达里湖	最大值	12 602.88	1 814.12	6 211.29	70.12	2 973.37	298.44	134.19	5.86
	最小值	5 591.70	1 622.63	1 261.73	64.72	2 570.83	247.89	26.87	4.72
	平均值	7 453.47	1 753.80	4 955.24	67.87	2 840.53	269.47	38.79	5.39
	标准差	1 733.87	58.45	3 385.10	1.75	106.58	13.99	8.59	0.36
	变异系数/%	23.26	3.33	68.31	2.58	3.75	5.19	22.16	6.75
乌梁素海	最大值	2 204.32	867.13	1 873.75	15.55	553.57	16.79	121.37	108.55
	最小值	1 269.13	372.71	286.24	3.65	276.04	8.35	67.98	43.17
	平均值	1 654.60	520.17	1 130.52	7.28	393.01	10.92	89.13	68.84
	标准差	297.45	138.35	367.86	3.07	77.08	1.91	15.08	12.15
	变异系数/%	17.98	26.60	32.54	42.15	19.61	17.46	16.92	17.66
呼伦湖	最大值	1 066.00	195.51	1 113.06	1.05	307.28	28.48	54.58	36.35
	最小值	624.00	100.71	327.73	0.51	161.12	13.35	32.78	24.87
	平均值	909.50	145.03	847.67	0.71	246.62	18.26	44.27	30.78
	标准差	132.61	23.62	212.31	0.14	36.39	3.63	5.72	3.13
	变异系数/%	14.58	16.28	25.05	20.40	14.76	19.88	12.92	10.18

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由表1可知，达里湖湖水水化学组分浓度明显高于呼伦湖和乌梁素海。达里湖是尾闾湖无出流，主要排泄方式为剧烈的蒸发作用。由于入湖河流及地下水带入湖的盐分不能排出，使湖泊盐分不断累加导致湖水TDS浓度逐渐升高^[17]，均值达7 453.47 mg/L。湖水阴离子浓度顺序为${\mathrm{HCO}}_3^- $>Cl⁻>${\mathrm{SO}}_4^{2-} $，其中${\mathrm{HCO}}_3^- $是优势阴离子，占阴离子总浓度的70%以上；湖水阳离子浓度顺序为Na⁺>K⁺>Mg²⁺>Ca²⁺，Na⁺是优势阳离子，占总阳离子浓度的90%左右。

乌梁素海的补给来源主要是黄河水和河套灌区农田退水，受干旱区气候和灌区内人类活动、工厂的污/废水影响，湖泊水体TDS浓度相对较高。乌梁素海水体的阴离子浓度大小为${\mathrm{HCO}}_3^- $>Cl⁻>${\mathrm{SO}}_4^{2-} $，优势阴离子为${\mathrm{HCO}}_3^- $，其占阴离子总浓度的68%左右；湖水阳离子浓度顺序为Na⁺>K⁺>Mg²⁺>Ca²⁺，优势阳离子为Na⁺，Na⁺占阳离子总浓度的70%。呼伦湖、达里湖、乌梁素海虽同属内蒙古内陆湖泊，但各湖泊水化学组分浓度各有差异，这主要与湖泊补给关系及水动力有关。

呼伦湖水体阴离子浓度大小关系为${\mathrm{HCO}}_3^- $>Cl⁻>${\mathrm{SO}}_4^{2-} $，${\mathrm{HCO}}_3^- $是湖水优势阴离子，占阴离子总浓度的80%以上。湖水阳离子浓度大小关系为Na⁺>Mg²⁺>Ca²⁺>K⁺，其中Na⁺是湖水优势阳离子，占阳离子总浓度的70%以上。

2.1.2   三大湖泊主要水化学组分空间分布特征

变异系数可以说明湖泊水化学组分的复杂程度^[18]。据表1可知，各湖泊水化学组分变异系数均不同，其中达里湖的${\mathrm{HCO}}_3^- $与TDS、乌梁素海的${\mathrm{HCO}}_3^- $与${\mathrm{SO}}_4^{2-} $、呼伦湖的${\mathrm{HCO}}_3^- $与${\mathrm{SO}}_4^{2-} $的变异系数较大。因此本研究以2022年三大湖泊水化学组分平均值为数据基础，绘制各湖泊变异系数较大的水化学组分空间分布图，进一步分析以上水化学组分的空间分布特征。

达里湖的TDS和${\mathrm{HCO}}_3^- $在空间分布上整体呈现西部高、东部低的分布特征〔图2（a）〕，其中在贡格尔河和沙里河的入湖口处离子浓度较低，这是因为河水中各离子浓度均远小于湖水，在河流入湖口处由于受到稀释作用使局部范围内的湖水离子浓度减小。根据2022年达里湖平均入湖河流补给量数据可知，贡格尔河、亮子河、沙里河和耗来河的平均入湖补给量分别为0.034×10⁸、0.014×10⁸、0.009×10⁸和0.002×10⁸ m³。2022年亮子河年平均入湖补给量小于贡格尔河，因此亮子河入湖口处离子浓度被稀释程度相对较小，所以在亮子河入湖口处的湖水离子浓度相对更高。由于耗来河年平均入湖补给量远低于其余3条河流，2007—2011年耗来河甚至处于断流状态，因此耗来河入湖口处的离子浓度更大。

图  2  2022年三大湖泊水化学组分空间分布特征

Figure  2.  Spatial distribution characteristics of hydrochemical components in the three lakes in 2022

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由图2（b）可知，乌梁素海离子空间分布特征与达里湖不同，未呈现出明显的规律性。乌梁素海中部和南部${\mathrm{SO}}_4^{2-} $浓度较湖泊东部和北部高，而湖泊东部和中南部${\mathrm{HCO}}_3^- $浓度较高，总体上呈现出由四周向中部递减的趋势。河套灌区的农田退水主要通过总排干、八排干、九排干进入乌梁素海，约有70%的农药化肥无法被农作物利用随退水进入乌梁素海^[19]，而农田退水中${\mathrm{SO}}_4^{2-} $浓度比${\mathrm{HCO}}_3^- $浓度高，加之乌梁素海水体本身${\mathrm{SO}}_4^{2-} $浓度较低，因此在总排干、八排干、九排干补给处形成${\mathrm{SO}}_4^{2-} $浓度升高的现象。虽然塔布渠只输送少量的水，但它是湖泊南端的渠道，且由于乌梁素海的总流向是从北向南流动，导致TDS在南部河口附近积聚^[20]，因此塔布渠入湖口处离子浓度较高。

由图2（c）可知，对于呼伦湖而言，由于入湖河流克鲁伦河和乌尔逊河的${\mathrm{HCO}}_3^- $和${\mathrm{SO}}_4^{2-} $浓度较高^[11]，加之呼伦湖湖水本身${\mathrm{HCO}}_3^- $浓度高，因此湖水的${\mathrm{HCO}}_3^- $整体上呈现由南向北逐渐减小的现象。${\mathrm{SO}}_4^{2-} $浓度分布没有${\mathrm{HCO}}_3^- $均匀，在中部和西南部2条河流入湖口处有局部浓度增加的现象。除新开河外，其他河流水体中${\mathrm{SO}}_4^{2-} $浓度均高于湖水中浓度，导致河流补给口附近的${\mathrm{SO}}_4^{2-} $浓度升高^[21]。

2.1.3   三大湖泊水化学类型及近10年离子浓度变化

Piper三线图可以用来分析湖泊水化学成分的演化规律，该方法的优点是不受人为因素影响，在三线图中可以看出各种离子的相对含量^[22]。用2022年各湖泊离子平均浓度数据绘制Piper三线图如图3所示。

图  3  三大湖泊的Piper三线图

Figure  3.  Piper three-line diagram of the main ion composition in the three major lakes

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由图3可知，三大湖泊离子的分布相对集中。在阳离子方面，各湖泊主要分布在Na⁺+K⁺端，而Ca²⁺和Mg²⁺在所有水体中相对稀缺，其中达里湖Na⁺+K⁺浓度最高。在阴离子方面，三大湖泊阴离子主要分布在${\mathrm{HCO}}_3^- $端和Cl⁻端。根据Piper图可知，达里湖、乌梁素海、呼伦湖的水化学类型分别为${\mathrm{HCO}}_3^- $-Na⁺-Cl⁻型、${\mathrm{HCO}}_3^- $-Cl⁻-Na⁺型、${\mathrm{HCO}}_3^- $-Na⁺-Cl⁻型。

在本文所研究的湖泊中，达里湖属于尾闾湖，乌梁素海为受农业退水影响的湖泊，而呼伦湖为内蒙古大型湖泊。结合历史离子浓度数据，分析三大湖泊历年的离子浓度变化，结果如图4所示。不同于受农田退水影响的乌梁素海和大型湖泊呼伦湖，20世纪80—90年代至今，身为尾闾湖的达里湖离子浓度总体呈上升趋势。与其他2个湖泊相比，达里湖Na⁺和Cl⁻浓度更高，湖泊盐化趋势更显著，且近10年湖泊离子浓度呈持续增大的变化趋势。

图  4  三大湖泊主要离子浓度历年对比

注：图中各离子浓度单位为mg/L。

Figure  4.  Comparison of the main ion concentrations of the three lakes over the years

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乌梁素海在受农田退水影响的同时也受蒸发岩作用的影响，多重影响的结果使湖水中Na⁺、K⁺和${\mathrm{SO}}_4^{2-} $浓度较高^[16]。2022年与2012年相比，乌梁素海总离子浓度有明显下降。研究团队调查数据显示，2018年红圪卜排水新站年入湖水量为84 659.11万m³，旧站排水量为1 203.03万m³，新旧站排入乌梁素海的总水量为85 772.14万m³，2018年之后大流量的排水补给^[9]对乌梁素海的离子浓度起到稀释作用，使乌梁素海离子浓度下降。

呼伦湖离子浓度整体呈现先增大后降低的变化趋势，这是由于20世纪80—90年代到2012年，呼伦湖湖水受蒸发作用的影响逐年增大，且流域降水量以及河流径流量的持续减少^[23]，使湖水中Na⁺和Cl⁻等大部分离子浓度升高。而2022年呼伦湖降水量、河流补给量和湖泊水量逐渐增大，使湖泊离子浓度呈现下降的变化趋势。

2.2   三大湖泊水化学控制机制

2.2.1   水化学组分相关性分析

在水文地球化学研究过程中，相关性分析是常用的研究方法。水化学组分的相关性分析可以用来揭示水体中各水化学组分之间的相关性以及各组分来源的相似性与差异性。选择2022年TDS、K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、${\mathrm{HCO}}_3^- $、Cl⁻、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $ 8个水化学组分的平均浓度，对三大湖泊进行Pearson相关性分析，各水体水化学组分相关性热图如图5所示。

图  5  2022年三大湖泊水化学组分Pearson相关性热图

注：*表示在0.05水平下相关；**表示在0.01水平下相关；***表示在0.001水平下相关。

Figure  5.  Pearson correlation heat map of hydrochemical components of the three lakes in 2022

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由图5（a）可知，达里湖湖水TDS与Na⁺、K⁺、Cl⁻、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $、${\mathrm{HCO}}_3^- $呈正相关，说明Na⁺、K⁺、Cl⁻、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $、${\mathrm{HCO}}_3^- $是达里湖离子主要贡献者。湖水中Na⁺、K⁺、Cl⁻、${\mathrm{SO}}_4^{2-} $四者之间存在较强的正相关，显著的相关性说明湖水可能存在岩盐溶解、蒸发岩或者硅酸岩矿物的风化作用^[24]。通常水中的Na⁺主要来自于石盐的溶解和硅酸岩风化，K⁺主要来源于蒸发岩和硅酸岩的风化产物，${\mathrm{SO}}_4^{2-} $与Cl⁻主要来源于蒸发岩溶解^[25]。根据相关性热图可知，达里湖湖水离子可能来自蒸发岩与硅酸岩的溶解。湖水TDS与Ca²⁺呈现负相关，与其他离子均呈现正相关，说明Ca²⁺与其他离子并非有相同的来源或经历了相似的水文地球化学过程^[26]。而湖水中${\mathrm{HCO}}_3^- $与Mg²⁺、${\mathrm{HCO}}_3^- $与Ca²⁺分别呈现出极微弱的正相关和负相关性，说明达里湖受碳酸岩溶解作用不显著。

由图5（b）可知，乌梁素海TDS与Na⁺、Mg²⁺、Cl⁻和${\mathrm{HCO}}_3^- $呈极显著正相关，TDS与Na⁺、Mg²⁺、Cl⁻的相关性均超过0.70，说明Na⁺、Mg²⁺、Cl⁻对湖泊TDS的贡献程度大。${\mathrm{HCO}}_3^- $与Mg²⁺、Ca²⁺分别呈现微弱的相关性，其中与Ca²⁺呈现负相关，说明乌梁素海受碳酸盐溶解作用不显著。Na⁺与Cl⁻相关性系数为0.79，Na⁺与Mg²⁺相关性系数为0.94，说明其有相同的来源或经历了相似的水文地球化学过程。

由图5（c）可知，呼伦湖TDS与Na⁺、Mg²⁺和${\mathrm{HCO}}_3^- $呈较高的正相关关系，其中${\mathrm{HCO}}_3^- $与TDS呈极显著正相关（P<0.001），可见${\mathrm{HCO}}_3^- $是TDS的主要贡献者。Na⁺与Cl⁻、Mg²⁺与Cl⁻以及K⁺与Cl⁻均呈极显著正相关，说明其有相同的来源或经历了相似的水文地球化学过程，可能来源于蒸发岩和硅酸岩的风化产物。

2.2.2   Gibbs图分析

Gibbs图是利用γ(Na⁺)/γ(Na⁺+Ca²⁺)和γ(Cl⁻)/γ(Cl⁻+${\mathrm{HCO}}_3^- $)（毫克当量浓度的比值）快速地定性判断自然水体是否受大气降雨、蒸发浓缩或岩石风化控制^[27]。绘制三大湖泊20世纪80—90年代、2012年和2022年平均离子当量比Gibbs图进行分析。

图6（a）为2022年三大湖泊各采样点离子浓度Gibbs图，可见大气降雨对三大湖泊的作用均十分微弱，这符合地处干旱半干旱气候区的内蒙古高原湖泊的特征^[16]。三大湖泊中达里湖的TDS浓度最高（均值为7 453.47 mg/L），达里湖γ(Cl⁻)/γ(Cl⁻+${\mathrm{HCO}}_3^- $)为0.3~0.8，γ(Na⁺)/γ(Na⁺+Ca²⁺)接近于1，说明达里湖水化学组成受岩石风化与蒸发结晶的共同作用。乌梁素海TDS浓度均值为1 654.60 mg/L，其γ(Cl⁻)/γ(Cl⁻+${\mathrm{HCO}}_3^- $)为0.1~0.8，γ(Na⁺)/γ(Na⁺+Ca²⁺)接近于1，说明乌梁素海受岩石风化作用明显。呼伦湖TDS浓度均值为909.50 mg/L，其γ(Cl⁻)/γ(Cl⁻+${\mathrm{HCO}}_3^- $)为0.2~0.5，γ(Na⁺)/γ(Na⁺+Ca²⁺)为0.9~1.0，则呼伦湖也主要受岩石风化的作用。

图  6  三大湖泊Gibbs图

Figure  6.  Gibbs diagram of the three lakes

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图6（b）为20世纪80—90年代、2012年和2022年三大湖泊离子浓度平均值Gibbs对比分析图。三大湖泊均主要分布在蒸发作用端与岩石风化端，这符合内蒙古高原湖泊受大气降雨作用微弱的特征。其中达里湖因水环境封闭且受岩石风化控制，湖水中Na⁺+K⁺和Cl⁻浓度高。乌梁素海受农田灌溉退水的影响，湖水中离子浓度受人为因素影响，与20世纪80—90年代相比，2022年湖水γ(Cl⁻)/γ(Cl⁻+${\mathrm{HCO}}_3^- $)减小，γ(Na⁺)/γ(Na⁺+Ca²⁺)变化不显著。但整体上从20世纪80—90年代至今，乌梁素海依旧没有偏离受岩石风化作用的区域，说明人为因素可能会对湖泊离子浓度带来一定的作用，但不影响总离子受控机制。呼伦湖从20世纪80—90年代到2022年，流域降水、河流补给减少以及煤矿工业的影响，使呼伦湖γ(Cl⁻)/γ(Cl⁻+HCO₃⁻)、γ(Na⁺)/γ (Na⁺+Ca²⁺)均呈现先增大后减小的变化趋势。从20世纪80—90年代到2022年，干旱、半干旱地区不同类型湖泊水化学特征受控机制没有改变，均受大气降雨的作用十分微弱。

2.2.3   端元法分析湖泊岩石风化类型

在水化学控制机制中已证实三大湖泊离子的主要来源及其变化特征受大气降水控制作用微弱，因此利用端元法进一步探究湖泊水化学演化过程受岩石风化作用的影响。水体和围岩(碳酸盐岩、硅酸盐岩和蒸发岩)之间的相互作用可以根据2022年γ(Ca²⁺)/γ(Na⁺)、γ(Mg²⁺)/γ(Na⁺)和γ(HCO₃^－)/γ(Na⁺)关系进行研究^[28]。

由图7可知，达里湖湖水主要分布在蒸发岩矿物端与硅酸岩矿物端，表明达里湖湖水受蒸发岩矿物作用的同时也受硅酸岩矿物作用的影响。乌梁素海和呼伦湖水体离子主要集中在硅酸岩附近，说明乌梁素海和呼伦湖主要受硅酸岩矿物风化作用的影响，这与前人在呼伦湖流域研究的结果^[11]相符。

图  7  2022年三大湖泊γ(Mg²⁺)/γ(Na⁺)与γ(Ca²⁺)/γ(Na⁺)、γ(${\mathrm{HCO}}_3^- $)/γ(Na⁺)与γ(Ca²⁺)/γ(Na⁺)比值关系

Figure  7.  Relationship between γ(Mg²⁺)/γ(Na⁺) and γ(Ca²⁺)/γ(Na⁺), γ(${\mathrm{HCO}}_3^- $)/γ(Na⁺) and γ(Ca²⁺)/γ(Na⁺) in the three lakes in 2022

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2.3   达里湖地下水阳离子吸附作用

在岩土体和水体长期相互作用过程中，岩土体表面的负电荷可以吸附水中的阳离子，将自身所吸附的阳离子转变为水体中的组分，这种水化学作用称为阳离子吸附作用。以2022年达里湖地下水离子数据为基础，研究达里湖地下水是否存在阳离子吸附作用。大气降雨、硅酸岩矿物和蒸发岩矿物的溶解是地下水中Na⁺和K⁺的主要来源。γ(Na⁺)与γ(Cl⁻)的比值可反映出湖水中Na⁺和K⁺的来源，在未受人类活动影响时，岩盐溶解是地下水中Na⁺和Cl⁻的主要来源，其γ(Na⁺)/γ(Cl⁻)一般在1左右^[29]。由图8(a)可知，达里湖地下水水样点分布在1∶1当量线附近，表明蒸发岩和硅酸岩是达里湖地下水中Na⁺和K⁺的主要贡献者，但有个别样点偏离1∶1当量线，可能的原因是受到阳离子吸附作用影响从而导致Na⁺浓度高于Cl^−[29]。

图  8  达里湖地下水离子比值与氯碱指数（CAI）

Figure  8.  Ion ratio diagram and chlor-alkali index diagram of groundwater in Dali Lake

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Ca²⁺和Mg²⁺的来源可通过γ(Ca²⁺+Mg²⁺)与γ(${\mathrm{HCO}}_3^- $+${\mathrm{SO}}_4^{2-} $)的比值来确定^[30]。由图8(b)可知，达里湖地下水的γ(Ca²⁺+Mg²⁺)/γ(${\mathrm{HCO}}_3^- $+${\mathrm{SO}}_4^{2-} $)分布在1∶1线附近，说明达里湖地下水中的Ca²⁺和Mg²⁺主要来源于碳酸岩的溶解。在岩石和地下水长期相互作用的过程中，岩石表面所携带的负电荷可以吸附地下水中的阳离子，从而将原携带的阳离子释放到地下水中，即发生阳离子吸附作用^[29]。通常可用γ (Ca²⁺+Mg²⁺)−γ (SO₄²⁻+HCO₃⁻)与γ (Na⁺+K⁺)−γ (Cl⁻)的比值来指证是否发生阳离子吸附作用，当二者比值为−1时，说明有阳离子吸附作用的发生^[30]。由图8(c)可知，达里湖水样位于y=−x线周围，极个别偏离y=−x线，说明达里湖地下水中存在着阳离子吸附作用。

阳离子吸附的方向和强度可以进一步用氯碱指数（CAI）来表示，本文用氯碱指数第一公式进行计算〔式（1）〕。通常情况下，当地下水中Ca²⁺和Mg²⁺与含水层颗粒表面吸附的Na⁺和K⁺进行阳离子交换作用时，CAI为负值；如果存在反离子交换作用时，CAI为正值。

式中右侧变量为各离子毫克当量浓度， meq/L。经计算得到达里湖地下水氯碱指数如图8（d）所示，CAI<0，说明达里湖地下水存在阳离子吸附作用。

2.4   达里湖盐化趋势加剧的影响因素

三大湖泊中达里湖盐化程度最大，已由淡水湖转化为中咸水湖。1975年达里湖TDS浓度为4 322~5 287 mg/L，2014年为5 800~6 170 mg/L^[17]，2022年显著提高至5 591.7~12 602.88 mg/L，TDS增长显著导致湖泊盐化趋势加快。随着TDS浓度的增大，达里湖湖水中多数离子也呈现出增长的趋势。如与2012年数据相比，2022年达里湖湖水中Na⁺和K⁺浓度的增长趋势显著，增长幅度为24%。

达里湖是尾闾湖，蒸发是湖水的主要流失机制，观察每年湖面降水量与湖面蒸发量差值，研究达里湖盐化影响因素。湖面降水量（湖面蒸发量）由每年的湖泊面积与降水量（蒸发量）的乘积所得。由图9可知，达里湖历年湖面降水量与湖面蒸发量大小（不同颜色代表不同年份，每条曲线与降水轴、蒸发轴的交点即为该年湖面降水量与湖面蒸发量）。2000—2022年达里湖多年湖面蒸发量平均值为2.03×10⁸ m³，多年平均湖面降水量为0.59×10⁸ m³，可见湖面蒸发量远大于湖面降水量。多年湖面蒸发量与降水量平均差值为1.43×10⁸ m³，近10年二者差值呈小幅度增大趋势，其中2018年二者差值达到最大（1.59×10⁸ m³）。图10显示，近年来4条河流流入达里湖的水量逐年减少，其中耗来河在2007—2011年处于断流状态。从根本上来讲，环境因素造成入湖水量减少、蒸发量增大，最终促使湖泊盐化加快。

图  9  2000—2021年达里湖湖面蒸发量与降水量拟合曲线

Figure  9.  The fitting curve of evaporation and precipitation in Dari Lake from 2000 to 2021

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图  10  2007—2022年达里湖河流补水量变化

Figure  10.  Change chart of river recharge in Dali Lake from 2007 to 2022

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对达里湖近10年湖面面积的演化情况（图11）进行分析，2012年达里湖湖面面积为202.49 km²，2022年减少至184.41 km²，可见达里湖湖面明显萎缩^[22]。达里湖湖周无大型工农业，主要以畜牧业为主，人类活动对湖水盐化的作用较小，强烈的蒸发作用和逐年减少的补给水量，是导致湖泊萎缩以及湖水盐化的关键。

图  11  2012—2022年达里湖湖面面积变化

Figure  11.  Water area change map of Dali Lake in 2012-2022

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3.   结论

（1）三大湖泊的优势阴离子和优势阳离子均为${\mathrm{HCO}}_3^- $和Na⁺，其中${\mathrm{HCO}}_3^- $占达里湖阴离子总浓度的70%以上，占乌梁素海阴离子总浓度的68%左右，占呼伦湖阴离子总浓度的80%以上；Na⁺占达里湖阳离子总浓度的90%左右，占乌梁素海阳离子总浓度的70%，占呼伦湖阳离子总浓度的70%以上。达里湖TDS浓度多年均值高达7 453.47 mg/L，其已从淡水湖演化为中咸水湖。

（2）达里湖、乌梁素海、呼伦湖的水化学类型分别为${\mathrm{HCO}}_3^- $-Na⁺-Cl⁻型、${\mathrm{HCO}}_3^- $-Cl⁻-Na⁺型、${\mathrm{HCO}}_3^- $-Na⁺-Cl⁻型。对各湖泊变异系数较大的水化学组分来讲，达里湖离子（${\mathrm{HCO}}_3^- $与TDS）浓度呈现西部高、东部低的空间分布特征，乌梁素海离子（${\mathrm{HCO}}_3^- $与${\mathrm{SO}}_4^{2-} $）浓度总体呈现由四周向中部递减的趋势。呼伦湖入湖河流的离子浓度影响湖水离子（${\mathrm{HCO}}_3^- $与${\mathrm{SO}}_4^{2-} $）空间分布。20世纪80—90年代至今，达里湖离子浓度整体呈逐年上升的趋势，呼伦湖离子浓度呈现先增大后减少的变化趋势，而近10年乌梁素海离子浓度呈现大幅下降趋势。

（3）三大湖泊的水化学特征主要受蒸发作用和岩石风化作用的影响。其中达里湖受蒸发岩矿物作用影响的同时也受硅酸岩矿物的影响，乌梁素海和呼伦湖主要受硅酸岩矿物作用影响，达里湖地下水存在阳离子吸附作用。三大湖泊中达里湖盐化程度最大，已由淡水湖转化为中咸水湖。达里湖湖面蒸发量远大于湖面降水量，加之河流补给量逐年减少，导致湖面萎缩以及湖水盐化程度逐渐增大。