PHREEQC在濟(jì)南泉水來源判別中的應(yīng)用與效果

徐衍蘭，高宗軍，李佳佳

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島266590，2.山東煤田地質(zhì)局第一勘探隊，山東 棗莊 277500)

1 研究背景

一直以來，研究者們對于濟(jì)南泉域巖溶地下水的補給來源各執(zhí)一詞。濟(jì)西水源有豐富的地下水已成共識，但濟(jì)西水源地是否與濟(jì)南市區(qū)泉群有水力聯(lián)系卻一直備受爭議，濟(jì)西水源和市區(qū)泉域水源是“一碗水”還是“兩碗水”成為專家們爭論的焦點。

作者之前通過微量元素分布規(guī)律研究發(fā)現(xiàn):濟(jì)南泉域泉水不僅僅來源于南部山區(qū)，而且東郊及西郊對泉域泉水均有補給。為驗證濟(jì)南泉域泉水來源，本文采用2012年5月份于濟(jì)南地區(qū)南部石灰?guī)r分布區(qū)所取巖溶地下水水樣(避開雨季的影響)，運用PHREEQC軟件，對趵突泉東側(cè)、西側(cè)及南部區(qū)域取樣點水樣的Sr、Ba兩種元素的檢測結(jié)果進(jìn)行不同比例混合，以判斷趵突泉水的組成來源。

2 PHREEQC模型及原理簡介

PHREEQC是由美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的水文地球化學(xué)模擬軟件[1]，用C語言編寫的進(jìn)行低溫水文地球化學(xué)計算的計算機程序，它是在PHREEQE[2]的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，兼容了PHREEQE和NETPATH全部功能，廣泛用于水地球化學(xué)計算。Phreeqc功能很強大，可進(jìn)行正向模擬和反向模擬，幾乎能解決水、氣、巖土相互作用系統(tǒng)中所有平衡熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)問題，包括水溶物配合、吸附－解吸、離子交換、表面配合、溶解 － 沉淀、氧化 － 還原[3]。

對于多溶質(zhì)的溶液，PHREEQC使用了一系列的方程來描述水的活度、離子強度、不同相物質(zhì)溶解平衡、溶液電荷平衡、元素組分平衡、吸附劑表面的質(zhì)量守恒等等。根據(jù)用戶的輸入命令，PHREEQC將選擇其中的某些方程來描述相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)過程。這些方程組成的方程組，采用改進(jìn)的牛頓－拉斐遜(Newton－Raphson)方法進(jìn)行迭代求解[4]。

PHREEQC主要包括數(shù)據(jù)庫、輸入文件、標(biāo)準(zhǔn)輸出文件和選擇性輸出文件四部分。其中數(shù)據(jù)庫文件給出了主要離子、礦物質(zhì)、吸附交換、動態(tài)和平衡化學(xué)反應(yīng)等的表達(dá)式和常數(shù)?？偨Y(jié)前人的研究經(jīng)驗，PHREEQC共提供了四個數(shù)據(jù)庫供用戶進(jìn)行選擇應(yīng)用。輸入文件是需要用戶編寫的文本文件，文件給出命令(反應(yīng)模式)供模型讀入并進(jìn)行模擬，也可以在此文件中對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修改和特別選擇計算輸出結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)輸出文件是PHREEQC在模擬運算過程中的輸出結(jié)果，選擇性輸出文件是根據(jù)用戶需要選擇性輸出的計算結(jié)果[4]。

國內(nèi)目前對PHREEQC的應(yīng)用多限于進(jìn)行化學(xué)組分的分析[5，6]，也有部分學(xué)者應(yīng)用其對溶質(zhì)運移和動態(tài)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行分析[7，8]。

3 地下水來源模擬

本次選用Ba、Sr兩種元素進(jìn)行模擬，選取趵突泉周圍的13個取樣點，如圖1所示。運用PHREEQC軟件對這兩種元素進(jìn)行不同的比例混合，經(jīng)過不斷試算，最終模擬混合結(jié)果最接近于趵突泉取樣點泉水水質(zhì)的mix比例見表1，趵突泉實測水質(zhì)及模擬混合結(jié)果見表2。取樣點最終混合比例見圖1。

圖1 取樣點混合比例示意圖

表1 取樣點水樣最佳混合比例

表2 26號趵突泉取樣點實測數(shù)值和模擬結(jié)果對比表

通過模擬結(jié)果可以看出，南部山區(qū)加上東西兩側(cè)采樣點數(shù)據(jù)按比例混合結(jié)果與趵突泉水質(zhì)非常吻合，驗證了泉域泉水來源于各個方向這一觀點的合理性。從模擬結(jié)果中，我們可以看出:

(1)泉域東側(cè)按離泉域由近及遠(yuǎn)的點31，點37，點38的混合比例依次是13.6%，9.5%，9.5%，泉域西南側(cè)由近及遠(yuǎn)的點27，點24－1，點 24－2混合比例依次是 10.7%，9%，8%，由此說明離趵突泉越近的點參與的混合比例越大，越遠(yuǎn)的點參與混合的比例越小，即離趵突泉近的點補給泉水越多，距離趵突泉越遠(yuǎn)的點補給泉水越少。

(2)泉域東南側(cè)點33、點34距離泉域較近但參與混合比例較小，而點40，點46距離泉域較遠(yuǎn)卻參與混合比例較大，可能是局部環(huán)境地質(zhì)條件差異引起的。

(3)總體來看，東郊對趵突泉的水源補給比例比西郊的大;按取樣點位置相近原則，選取點37，點38為東郊代表點，點24－1，點24－2為西郊代表點，模擬結(jié)果也可以看出東郊補給泉域的比例大于西郊。

4 結(jié)語

通過運用PHREEQC軟件模擬結(jié)果可以看出，南部山區(qū)加上東、西兩側(cè)采樣點數(shù)據(jù)按比例混合結(jié)果與趵突泉水質(zhì)非常吻合，驗證了泉域泉水來源于各個方向這一結(jié)論，濟(jì)南趵突泉水是多源補給的[9]。東側(cè)和西南側(cè)距離趵突泉較近的點補給泉水越多，距離趵突泉越遠(yuǎn)的點補給泉水越少，東南側(cè)由于一段千佛山斷裂阻水，不符合這一規(guī)律。此外，從模擬結(jié)果也可以看出東郊補給泉域泉水的比例大于西郊。

由于研究區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，采樣時沒有弄清楚所采地下水所處地層年代、巖石性質(zhì)等地質(zhì)環(huán)境條件，在運用PHREEQC軟件模擬各取樣點最佳混合比例時，未考慮母巖及遷移途徑中巖石成分對泉水微量元素的影響，得出的結(jié)果的合理性有待于深入研究。

[1]Parkhurst D L，Appelo C A J.User＇s guide to PHREEQC(Version 2)－A computer program for speciation，batch－reaction，one－dimensional transport，and inverse geochemical calculations[J]，Water－ Resources Investigations Report 99 － 4259，Denver，Colorado，1999.

[2]Parkhurst D L，Thorstenson D C，Plummer，L N.PHREEQE － A computer program for geochemical calculations.U.S.Geoloeical Survey Water－Resources Investigations Report 80－96，1980(Revised and reprinted)，August，1990.

[3]徐樂昌.地下水模擬常用軟件介紹[J].鈾礦冶.2002，21(1):33－38.

[4]毛曉敏，劉翔.Barry D A.PHREEQC在地下水溶質(zhì)反應(yīng)－運移模擬中的應(yīng)用[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).2004(2):20－24.

[5]王東勝，曾濺輝.地下水化學(xué)組分存在形式的計算及其意義[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).1999，26(6):48 －51.

[6]張建立，李東艷，賈國東.大慶齊家水源地Fe存在形式的研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).1999.26(3):43 －45.

[7]李廣玉，葉思源，魯靜，等.膠州灣底層水痕量元素組分存在形態(tài)及其生物有效性[J].世界地質(zhì).2006，25(1):71－75.

[8]高柏，史維浚，孫占學(xué).PHREEQC在研究地浸溶質(zhì)遷移過程中的應(yīng)用[J].華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報.2002，25(2):132 －135.

[9]高宗軍，徐軍祥，王世臣，等.濟(jì)南巖溶水微量元素分布特征及其水文地質(zhì)意義[J].地學(xué)前緣.2010.5，21(3):1 －12.