基于PHREEQC的地下水化学演化反向模拟_高永华.pdf

：基基于于 的的地地下下水水化化学学演演化化反反向向模模拟拟高永华（河北省衡水水文勘测研究中心，河北 衡水）摘要在地下水化学演化研究中，水 岩之间的相互作用对地下水环境评估具有重要意义。为分析某尾矿坝地区地下水化学演化特征，运用 软件对该矿区地下水进行水 岩作用地球化学模拟，定量分析该地区地下水反演过程。研究结果表明：（）该矿区地下水在流动路径中存在的反应主要有溶滤作用、离子交换作用；（）石膏、方解石、岩盐、溶解量较大，这导致了下游水样中 、等含量增大。研究结果对矿区地下水中化学离子的演化趋势具有一定的预测意义，为地下水质量监测及水质保护提供依据。关键词地下水；溶质运移；尾矿坝中图分类号 文献标识码文章编号 （）收稿日期 作者简介高永华（），男，河北衡水人，高级工程师，主要从事水文水资源方面工作。（oo o o，）：o o oo，o o o o o o o o oo o o ，o o o o o o o，oo o o o o：（）oo o o o；（）o o o，o ，o o o o 、o o oo o o o ，o o o oo oo：o；o o；引言地下水对人类的生产生活具有重要的意义，由于水质好、不易污染，且分布广泛的特征，往往成为重要的供水水源。在天然条件下，赋存并运动于含水层中的地下水与其所处的环境，共同构成了一个十分复杂的“水 岩 气”动态平衡体系，它们之间不断的发生着各种物理、化学以及生物作用，改变了地下水的水质。研究水与岩石之间的相互作用对于查明地下水中化学组份的迁移变化特点，探究水与岩石间各种物理化学作用机理具有重要意义。同时为评价地下水水质，认识地下水中污染物的迁移、转化规律，制定地下水污染防治措施提供理论依据。水 岩相互作用是地球科学领域十分关注的问题。地下水在含水层运移时，处于复杂的物质环境中，导致地下水在运移过程中所发生的反应十分复杂。传统的方法主要是通过实地调查以及室内实验对水 岩作用过程进行研究。但这些研究主要是通过化学实验来进行的，由于地下水运动环境的复杂性以及不可控制性，导致这些方法具有很大的局限性。通过计算机来建立地下水多组分水化学反应模型，可以对反应的热力学过程进行模拟，如计算水中各组分的饱和指数，或者计算地下水在运移过程中矿物的溶解沉淀量，为水 岩作用的研究提供了新的解决方法。张文杰等利用 软件对广东硇洲岛地下水化学演化及成因机理进行研究，结果表明海水入侵是造成地下水咸化的主要原因。耿新新等采用正向水文地球化学模拟方法，预测人工补给不同比例回灌水与地下水混合后的水质情况，结果显示注入水与含水层中的水混合后，地下水的矿化度有所降低，且随地表水混合比例的增大，地下水的矿化度越低。亓仲芝等通过定性实验以及定量数值模型方法，对地下水中三氮污染物迁移转化规律进行研究，得出了三氮在地下水中的迁移过程。王东胜等通过现场取样调查及化学分析的方法，研究华北平原地下水中各组分的存在形式，研究结果揭示了该地 年 月第 卷 第 期 地下水o ，o.区地下水化学成分的演化过程。肖传宁等通过局部灵敏度分析方法，研究了不同参数对地下水溶质运移的影响，结果表明含水层渗透系数越大，越有利于地下水溶质的运移；江成鑫等利用 软件，对贵州松桃县某尾矿库氨氮的弥散情况进行模拟，得出了尾矿库氨氮的运移规律及影响因素。李义连等通过计算机反应路径模拟模型，研究了娘子关泉域可能的化学条件及相应条件下的矿物溶解状态，结果显示 污染受该地区含硫矿物的弥散影响。以上研究均基于地下水化学演化过程的模拟，但对于地下水溶质变化反演结果较少，本文利用反向模拟对地下水反向演化过程进行研究，研究结果可用于地下水质变化预测，为地下水污染评估提供理论依据。模拟路径选取研究区地貌属于低山丘陵区，平均海拔 左右。矿湖东、北、西三面环山，南面为一尾矿坝，沿尾矿坝向南为一沟谷地带，地面高程逐渐降低。研究区地层为华北地台寒武奥陶系沉积岩层，岩性主要为灰岩以及砾屑灰岩，局部地层夹泥质条带粉砂岩。矿湖所在区域为大气降水补给区，沿矿坝以南的沟谷地带为地下水径流区。考虑到地下水流线是垂直于等水位线，此次所选取的水样点位于同一地下水流场中，并且地面标高依次降低。所取水样的位置如下图、所示（图），模拟路径有两条，分别为路径、路径。图 水样点位置及模拟路径水样点的大地坐标如表 所示。表 水样点大地坐标水样点经度纬度距离 基于 的水文地球化学演化分析 地下水各组分存在形态及含量变化趋势分析 由美国地质调查局（）基于 和 语言开发的一款地下水溶质运移计算软件，主要可进行用于地下水溶液中组分反应、溶质运移演化和逆向地球化学计算。传统的水样化学分析只能得出各元素的总含量，而无法提供组分存在形态的信息，利用 软件可以解决这一问题。根据现场水样分析结果，、点的水样分析资料如表 所示。表 研究区水样分析结果 水样 水样 水样 水样数据的可靠性检验：由于水溶液是呈电中性的，因此溶液中阳离子电荷总数应该等于阴离子电荷总数，其数学表达式如式（）所示：（）式中：和 分别为阳离子和阴离子的摩尔浓度，为离子电荷数。水样成分应满足式（）中关系：（）（）（）（）（）（）（）（）（）由于水溶液中除了常量组份外，还有未检测的微量组分，因此在进行电荷平衡检查时只能满足近似相等。误差分析公式如（）所示：（）经检验，三个水样中的电荷平衡误差分别为：，满足精度要求。地下水各组分存在形式矿区地下水溶液中，各离子之间可能存在的反应如式（）（）：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）根据上述反应方程式，由质量守恒可以得到方程（）（）所示：第 卷第 期地下水 年 月 （）（）（）（）（）（）（）（）（）由上述方程及水的 值即可求出地下水中元素各组分的浓度。利用 软件计算结果如表 所示：表 地下水各组分存在形态及含量表o 组分水样 水样 水样 各组分形态分布结果如图 图 所示。图 水样 各组分形态图 水样 各组分形态含量分布图含量分布图由图 可知，水样 中主要成分含量由高到底为、，占比分别为 、，表现为以 型水为主。由图 可知，水样 中主要成分含量由高到底为、占比分别为 、，表现为 型为主。跟水样 相比，、含量显著降低，分别从 、降低为 、；、分别从、升高为 、，说明经过路径 演化后，地下水从 型水转化为 型水。由图 可知，水样 中主要成分含量由高到底为、，占比分别为 、，表现为 型为主。跟水样 相比，、含量分别从 、降低到 、，、分别从 、升高到 、，说明经过路径 演化后，地下水从 型转化为 为主。图 水样 各组分形态含量分布图结语本文 结 合 某 尾 矿 坝 区 地 下 水 组 分 监 测 数 据，基 于 数字模拟软件，对该尾矿区地下水矿物离子运移浓度及演化规律进行反演模拟计算，主要结论如下：（）该尾矿区地下水化学成分的主要影响因素包括阳离子交换吸附作用及溶滤作用，同时，还受到地下水水源矿物补给及尾矿库中水化学成分的影响。（）软件计算结果表明，在该尾矿区地下水运移 过 程 中，、含 量 分 别 增 加 了 、；、含量分别减少了 、，地下水化学类型由 型水转化为 型水，分析表明这种变化是由于石膏、方解石、岩盐、溶解量较大导致的。（）由两种反应路径的反向模拟结果可知，两条地下水运移路径所发生的反应较为一致，表明在相似的地质环境下，地下水中矿物之间的所发生的反应也是相似的。参考文献罗兰 我国地下水污染现状与防治对策研究 中国地质大学学报（社会科学版）（）：王琪，王佳旭 我国地下水污染现状与防治对策研究 环境与发展 （）：毛晓敏，刘翔 在地下水溶质反应运移模拟中的应用 水文地质工程地质 （）：张文杰，谭红兵，陈喜，等 广东硇洲岛地下水化学演化及成因机理 水文地质工程地质 （）：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 （）：亓仲芝 辽宁省葫芦岛市水资源现状分析 地下水 （）：王东胜 氮迁移转化对地下水硬度升高的影响 现代地质（）：肖传宁，刘承磊，叶竞雄，等 地下水溶质运移数值模拟模型参数的局部灵敏度研究 地下水 （）：江成鑫，赵江，张洪文 复杂岩溶条件下锰矿尾矿库地下水溶质运移特征数值模拟研究 中国环境监测（）：李义连，王焰新，周来茹，等 地下水矿物饱和度的水文地球化学模拟分析以娘子关泉域岩溶水为例 地质科技情报 （）：第 卷第 期地下水 年 月