华北地区地下水金属离子迁移演变模拟分析_曲京辉.pdf

：华华北北地地区区地地下下水水金金属属离离子子迁迁移移演演变变模模拟拟分分析析曲京辉，廉巍，韩晓宝，李迎朋，陈鹏（河北省地质矿产勘查开发局国土资源勘查中心 河北省矿山和地质灾害应急救援中心，河北 石家庄）摘要采矿过程中产生的生产地下水无机化学成分复杂，容易对环境造成影响。因此，地下水迁移过程中水化学特征的迁移演化模拟将有助于深入理解地下水的内在组成特征。本文利用 软件对某矿区生产地下水的水化学演进特征进行模拟，分析典型地下水中主要离子在特征温度及 条件下的水化学迁移特征。研究结果表明：（）随着矿区地下水的迁移，该矿区地下水水样中的浓度较高成分为 、（）、及 （）；（）在地下水迁移过程中，水化学组成中的部分成分为过饱和状态且具有明显生成沉淀的趋势。研究结果对理解矿区开采地下水的水化学迁移特征具有一定的参考价值，将为开采工艺选取及地下水的高效节能处置提供重要的理论指导。关键词矿区；地下水；模拟中图分类号 文献标识码文章编号 （）收稿日期 作者简介曲京辉（），男，山东青岛人，高级工程师，主要从事水文工程地质、污染场地修复治理方面工作。，（oo o o，o oo o oo o o oo o o，）：o ooo o oo o o o o o o，o oo o o o o o o o ooo o o o o o oo o o o ，o o o o o oo o o：（）o o o ，oo o oo o o ，（），（）；（）o o o，o o oo ooo o o o o o o o o ，o oo o o o oo o o o：；o；o引言煤炭作为现代经济社会发展的基础能源，其在各行各业中均发挥着重要的作用。作为煤炭资源大国，已探明煤炭资源占实际煤炭储量的 。通常，在煤矿开采的过程中，需要排出大量的地下水或生产用水。该类地下水受到一系列的地球化学水 岩 水 煤相互作用影响，因此地下水水质会出现明显的变化。对矿区地下水迁移演化过程中水化学特征的模拟将有助于深入理解矿区地下水的内在水化学特性，同时可以为矿区开采工艺的选定及矿区地下水的高效节能处置提供可靠的理论依据。由美国地质调查局开发，用以模拟地球水化学平衡的可视化软件，现已在地下水水化学迁移特征模拟领域得到了广泛地应用。刘峰等在地球化学反应平衡模拟及矿物溶解滴定模型理论的基础上，使用 软件模拟了不同条件下、温度、分压、离子强度等条件矿物溶解作用的影响。研究表明，该方法可以很好地计算模拟该研究区域地下水 岩系统的分布。徐衍兰等选取了趵突泉周围 个取样点岩溶水中的微量元素 和 作为研究对象，利用 软件对趵突泉来源水样进行预测，该研究通过定量及定性分析，首次计算出了不同来源水样的水质特征，并进一步证明了趵突泉水的来源是多方面的。耿新新等运用 软件模拟研究了大泉地区的地下水化学特征及形态，研究表明 可以从化学及热力学平衡 年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.角度，反向模拟大泉地区的地下水水化学演化过程。马骏等根据质量作用定律、质量守恒定律及化学热力学基本原理，使用 软件反向模拟了陈村地区地下水的水质组分及其形态分布。研究表明 软件可以精确地应用于小流域地球水化学演变分析过程。本文利用 软件对矿区内地下水成分数据的采集，利用 软件对开采区地下水水化学演变特征进行模拟，研究结果对理解开采矿区地下水的水化学特征迁移及演变具有一定的参考价值。研究区域概况研究区域起伏不平，西北高东南低，地形地势，气候属北温带半干旱大陆性气候区，冬夏寒暑变化大，大陆性气候明显，常年平均气温为 。地体主要由研究区主要岩组岩性为灰黄色厚层白云质灰岩、灰绿色厚层灰质泥岩、局部夹石膏层，矿物有方解石白云石石膏中厚层状砂岩夹泥岩。矿区重金属离子成分为了探究矿区地下水的水化学迁移特征，对矿区取样点地下水现场取样。如图 所示，该矿区地下水流经途径为从 取样点到 取样点。图 地表水流域位置进一步地，对 取样点及 取样点的水温、酸碱度及离子成分进行分析，取样点地下水化学成分结果如表 所示。表 地下水化学成分表o 取样点水温 点 点 矿区重金属离子特征模拟 矿区重金属离子迁移模拟方法 是由美国地质调查局开发的水文地球化学模拟软件，该 软 件 是 在 的 基 础 上 发 展 起 来 的。年美国地质调查局的 和 等开发了 软件，该模拟软件被广泛地用于地球化学模拟。此外，与传统的水化学反应模型相比，软件不仅可以描述局部平衡反应，还可以模拟双介质中多组分的动态生化反应和一维对流弥散过程，还可以定义任意数量的溶液组成、气相数、纯物质相、交换或表面络合反应。以上这些溶液相、气相和聚合反应在计算过程中可以任意组合，从而定义一个新的模拟体系使模拟体系达到平衡。本研究主要探究矿区地下水迁移模拟，运用 模型计算典型地质结构中阳离子在特征温度及 条件下的存在形态，分析取样点离子成分化学迁移特征。在模拟过程中，输入模型的参数包括阴离子浓度、阳离子浓度、及温度，离子强度通过输入条件平衡计算得出。矿区重金属离子迁移模拟原理在 软件中，模拟物质组分在地下水中的迁移将受到许多作用的影响，对流、扩散及弥散作用仅仅是这众多作用中的部分，当地下水中只发生简单的化学反应时单个组分在维空间的迁移可用下述的理想方程描述，公式如下：（）式中：为水中组分 的浓度，单位为摩尔每 立 方 米（o）；为时间，单位为秒（）；为纵向弥散系数，单位为平方米每秒（）；为扩散系数，单位为平方米每秒（）；为地下水实际流速，单位为米每秒（）；为物质组分浓度，单位摩尔每立方米每秒（o）。具体来说，在求解时，可根据导热方程式及扩散方程式进行推导。矿区重金属离子成分浓度及活度模拟采用 对取样点 及取样点 的地下水水样进行化学成分浓度及活度进行模拟，模拟结果如表 所示。进一步地，根据表 得到矿区地下水取样点 及取样点 地水样化学成分浓度（图）。图 水样化学成分浓度柱状图图 水样化学成分占比结果如表 所示，取样点 地下水样品离子强度为 o，地下水水样的阳离子和阴离子 总 数 分 别 为 （地下水）及 （地下水）。进一步地，取样点第 卷第 期地下水 年 月 地下水样品离子强度为 o，地下水水样的阳离子和阴 离 子 总 数 分 别 为 （地 下 水）及 （地下水）。如图（）和（）所示，地下水水样中的主要成分为 、（）、及 （），具体来说，取样点 及 的高浓度物质（o）数量分别为 及 种。随着矿区地下水迁移，无机化学成分的浓度逐渐升高。具体来说，的浓度从升 o 高至 o，（）的浓度从升 o 高至 o。研究结果表明，矿区地下水在迁移过程中，主要的化学成分的浓度均出现了不同程度的升高。表 取样点水样化学成分浓度及活度结果成分取样点 取样点 浓度 o 活度（）o浓度 o 活度（）o （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）离子强度：（o）；阳离子总数：（地下水）；阴离子总数：（地下水）。离子强度：（o）；阳离子总数：（地下水）；阴离子总数：（地下水）。进一步地，根据不同取样点地下水化学成分占比分析地下水迁移演化过程。如图（）（）所示，在取样点 及取样点 的地下水中 、及 主要以单独的离子形态存在。然而，随着矿区地下水的迁移，游离态的 、及 在地下水中的浓度占比逐渐提高。上述结果表明，随着地下水水体的移动，从 上升至 、水温从 上升至 的条件下，地下水中的主要成分为单独的阴离子及阳离子，未见配合物浓度出现大幅度提升。矿区地下水化学成分饱和指数模拟采用 对选取的取样点 及 的地下水水样进行化学成分饱和指数模拟，模拟结果如图 所示。从图 可以看出，在地下水样品 及样品 中分别可能存在 及 种过饱和矿物质。然而仍有 余种矿物的饱和指数均小于，即大部分矿物均处于不饱和状态。因此，在地下水中上述矿物质从取样点 迁移至取样点 的过程中仍具有继续溶解的能力。这一结果表明，在地下水迁移过程中，水化学组成中的部分成分为过饱和状态，且极易在地下水迁移过程中形成沉淀。图 水样饱和指数结语本文基于对矿区地下水迁移过程中不同取样点化学成分第 卷第 期地下水 年 月数据的采集，利用 软件对开采区地下水迁移过程中的水化学特征演进进行模拟，得到了如下结论：（）随着矿区地下水的迁移，该矿区地下水水样中的浓度较高成分为 、（）、及 （），且未见配合物浓度出现大幅度提升；（）对矿区地下水水样的化学成分饱和指数模拟结果表明，在地下水迁移过程中，水化学组成中的部分成分为过饱和状态，且随着迁移过程出现浓度的提升。参考文献邵爱军 煤矿地下水 煤矿地下水 马雷，钱家忠，赵卫东，等 多元对应分析法在潘一煤矿地下水化学特征分析中的应用 煤炭学报 （）：贾明涛，金家聪，陈梅芳，等 基于 的砂岩型铀矿浸出性能模拟分析技术 铀矿地质 （）：刘峰 地球化学反应模型用于水岩相互作用的研究 中国地质大学（北京）徐衍兰，高宗军，李佳佳 在济南泉水来源判别中的应用与效果 地下水（）：耿新新，王福刚，高振凯，等 灵武引黄灌区地下水化学演化特征模拟 节水灌溉（）：马骏 反向模拟在 程序中的实现 中国科技信息（）：，o o o o o o o o，o，o o o，o o oo o （）：王凌芬 宁南固原岩盐矿区域地下水化学环境研究 北京：中国地质大学（上接第 页）部分点都是落在岩石风化控制区域，表明地下水水化学离子组分受岩石风化控制为主，极个别点受人类活动影响较大。结合区域地质资料分析，这也与研究区含有砂岩、碳酸盐岩类等矿物溶解有关。、毫克当量浓度比值关系可以进一步分析不同岩石类别和地下水之间的相互作用关系 。研究区地下水采样点主要分布在碳酸盐岩溶解离子端元区，个别分布在硅酸盐岩溶解端元区这与农牧施放化肥有关（见图）。图 离子比值端元图结语（）林周县地下水类型以松散岩类孔隙水为主，浅层地下水位埋深总体小于 ，除强嘎乡、松盘乡北和春堆乡西普遍大于 外，其余地区多小于 ，其中林周县和班觉林乡附近地下水位普遍小于 。地下水流场受周围山地地形地貌控制明显，总体由北向南，由西向东径流。地下水 变化区间为 之间，整体呈中性，含量范围区间在 整体属于淡水。水化学类型以、为主。（）水化学空间分布特征具有明显的空间分布特征，总体表现为 和优势离子自西向东部、南部向北部离子含量逐渐升高，与地下水流向、水力坡度和径流路径长度等密切相关。此外，部分点位离子浓度受到农牧业活动的影响，但影响范围有限。（）地下水 （）毫克当量浓度比值在 之间，且大部分大采样点比值小于 ，（）比值在 之间，主要受岩石风化控制，通过离子端元比值图进一步分析，地下水化学组成受碳酸盐岩风化控制。参考文献陈松，桂和荣 淮北煤田太原组灰岩水年龄及同位素地球化学特征 中国地质 （）：叶阳，常园 鄂尔多斯盆地盐池 定边地区水化学场分布特征及形成机理 地质与资源 （）：张涛，蔡五田，李颖智，等 尼洋河流域水化学特征及其控制因素 环境科学 （）：郭小娇，等 白洋淀湿地地下水系统水化学变化特征及演化模式 地质学报 （）：黄荷 复杂岩溶矿区地下水化学组分演化研究及充水条件辨识 中国地质大学 严宇鹏，等 雅鲁藏布江上游夏季水化学特征及来源解析 中国环境科学 （）：闵维康，张敏，刘沛，等 德阳市平原区地下水化学空间分布特征研究 地下水 （）：陈盟，吴勇，高东东，等 旌阳区平原区浅层地下水水化学演化及影响因 素 分 析 科 学 技 术 与 工 程 （）：林光鑫，余正良，孙玉梅 西藏林周县水源地水文地质特征分析 四川地质学报 （）：周晨霓，任德智，任毅华，等 西藏江夏湿地水化学变化规律及灌溉效用评价 水土保持学报（）：林聪业，等“拉萨地区地下水水化学特征及形成机制研究”地学前缘 （）：刘久潭 拉萨市河谷平原区地下水循环演化及合理开采研究 山东科技大学 o侯燕军“黑河流域浅水水文地球化学特征分析”地下水 （）：刘春燕，于开宁，张英，等 西宁市浅层地下水化学特征及形成机制 环境科学：崔俊峰，李媛，王大龙，等 宁正矿区深埋含水层地下水水化学特征研究 中国煤炭地质 （）：杨红遍，刘然，李炳华，等“引温济潮受水区地下水水文地球化学特征及水质变化趋势”南水北