基于水化學(xué)和同位素特征的新鄉(xiāng)某地下水污染場(chǎng)地水文地質(zhì)概念模型細(xì)化

李志紅，王廣才,2，康 飛，嚴(yán)建飛，黃丹丹

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

基于水化學(xué)和同位素特征的新鄉(xiāng)某地下水污染場(chǎng)地水文地質(zhì)概念模型細(xì)化

李志紅1，王廣才1,2，康 飛1，嚴(yán)建飛1，黃丹丹1

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100083；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

構(gòu)建合理的水文地質(zhì)概念模型對(duì)于地下水?dāng)?shù)值模擬至關(guān)重要，概念模型如果確定不合理，整個(gè)數(shù)值模擬將毫無意義。通常水文地質(zhì)調(diào)查可以大致確定水文地質(zhì)概念模型，然而對(duì)于一些不易被發(fā)現(xiàn)的補(bǔ)給源，通過水文地質(zhì)調(diào)查也無法確定。水化學(xué)和同位素特征對(duì)地下水的補(bǔ)給源及水流路徑有很好的指示作用，可以根據(jù)這些信息對(duì)水文地質(zhì)概念模型進(jìn)行細(xì)化。文章通過對(duì)研究區(qū)地下水取樣，分析地下水水化學(xué)和同位素特征，確定出研究區(qū)內(nèi)不易識(shí)別的地下水補(bǔ)給源及頂層黏土-粉質(zhì)黏土的透水性，最終細(xì)化了水文地質(zhì)概念模型邊界條件。這對(duì)于后期得到正確的地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬結(jié)果具有重要意義。

水文地質(zhì)概念模型；水化學(xué)特征；同位素特征；補(bǔ)給源；邊界條件

地下水?dāng)?shù)值模擬是定量評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)地下水水質(zhì)和水量，優(yōu)化設(shè)計(jì)地下水開采方案及防治地下水污染的重要方法[1～2]。數(shù)值模擬過程包括分析水文地質(zhì)條件，建立水文地質(zhì)概念模型，建立數(shù)學(xué)模型，識(shí)別水文地質(zhì)條件，水資源評(píng)價(jià)，水位預(yù)報(bào)等。模擬結(jié)果的好壞除了模擬方法本身之外, 主要取決于水文地質(zhì)概念模型的合理概化，包括含水層結(jié)構(gòu)、邊界條件、補(bǔ)給與排泄條件等的合理概化[3]。薛禹群[4]2010年在當(dāng)前地下水模擬研究領(lǐng)域存在的問題中指出，目前很多研究者對(duì)具體地質(zhì)條件的研究重視不夠，過多依賴模擬技術(shù)，導(dǎo)致不能正確建立反映當(dāng)?shù)鼐唧w條件的概念模型，或者不是根據(jù)具體地質(zhì)、水文地質(zhì)條件來建立模型，而是隨意主觀地忽視一些現(xiàn)象或邊界條件。并指出國(guó)內(nèi)外的無數(shù)實(shí)踐證明，模擬不準(zhǔn)往往是由于概念模型有錯(cuò)，概念模型之所以出錯(cuò)，和對(duì)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件缺乏正確了解有關(guān)。模型預(yù)報(bào)未來失敗，也往往是由于概念模型有錯(cuò)。由此可見，構(gòu)建一個(gè)合理的概念模型對(duì)于做好數(shù)值模擬至關(guān)重要。

通?？梢愿鶕?jù)鉆孔資料、抽水試驗(yàn)、彌散試驗(yàn)、氣象水文及人為開采情況等，來概化含水層的結(jié)構(gòu)、邊界條件、水文地質(zhì)參數(shù)、補(bǔ)給、排泄條件等。然而在這些模型參數(shù)和邊界條件的概化過程中，存在很大的不確定性，比如，通常研究者將河流概化為定水頭邊界，實(shí)際上該河流對(duì)地下水可能并無水力聯(lián)系[4]；研究區(qū)內(nèi)地下水可能受到更深層地下水沿著斷裂帶的上升補(bǔ)給，這很難通過一般的水文地質(zhì)調(diào)查確定[5]；地下水流場(chǎng)是所有補(bǔ)給來源水流的綜合運(yùn)動(dòng)方向，很難區(qū)分不同的補(bǔ)給來源，尤其是地下水在垂向上的補(bǔ)給來源。水化學(xué)和同位素信息可用來確定補(bǔ)給源、地下水年齡、地下水水流方向、地球化學(xué)過程及校準(zhǔn)水流模型等[6～8]。例如，Barrez等[9]通過監(jiān)測(cè)地下水溫度、電導(dǎo)率和主要離子比值隨著深度的變化，比較不同取樣時(shí)期水化學(xué)參數(shù)、主要元素比值的差異來表征含水層中水的動(dòng)力行為。Dilsiz[10]根據(jù)土耳其棉花堡地?zé)崽锢淙蜔崛畼拥幕瘜W(xué)和同位素?cái)?shù)據(jù)，確定了棉花堡地?zé)崽锏叵滤飨到y(tǒng)的概念模型。Plummer等[11]根據(jù)新墨西哥中部的里奧格蘭德盆地地下水的化學(xué)和同位素?cái)?shù)據(jù)，識(shí)別并繪制出各種水源流向盆地的水流，通過放射性碳同位素估算了地下水年齡，同年Sanford等[12]用該區(qū)地下水年齡約束地下水補(bǔ)給量，并根據(jù)水化學(xué)帶對(duì)模型進(jìn)行分區(qū)，細(xì)化了圣達(dá)菲組含水層系統(tǒng)概念模型。Birkle等[13]測(cè)得墨西哥某油田地下水中的主要元素和同位素(2H、3H、13C和18O)數(shù)據(jù)，用于定義含水層中地下水的流動(dòng)形式，包括地下水的混合，地下水流方向，不同深度含水層的水力聯(lián)系。由此可見，水化學(xué)和同位素信息對(duì)于地下水補(bǔ)給源、水流方向等的識(shí)別具有重要作用。因此，本文根據(jù)將要進(jìn)行數(shù)值模擬的新鄉(xiāng)某鉻污染場(chǎng)地的水化學(xué)和同位素特征，對(duì)初步建立的水文地質(zhì)概念模型進(jìn)行細(xì)化，確保后期的數(shù)值模擬結(jié)果可靠。

1 研究區(qū)概況

新鄉(xiāng)市位于太行山南麓、黃河中下游沖積平原的北緣，地形西高東低，北高南低，多年平均降水量為573.4 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 928.1 mm[14]。研究區(qū)位于新鄉(xiāng)市區(qū)西北部，共產(chǎn)主義渠北部，被第四系覆蓋。第四系地層巖性為黏土、亞黏土及砂互層[15]。本次研究對(duì)象為40 m以淺的第四系淺層地下水。淺層地下水補(bǔ)給源包括大氣降水、河渠滲漏、灌溉回滲及側(cè)向徑流補(bǔ)給；排泄方式主要是人工開采，其次為向中深層含水層的越流排泄及蒸發(fā)排泄[15]。共產(chǎn)主義渠以北地區(qū)，地下水主要接受西部及北部山區(qū)側(cè)向徑流補(bǔ)給，地下水徑流條件較好，以溶濾作用為主，水化學(xué)類型較簡(jiǎn)單[16]。

目前，根據(jù)大量的鉆孔資料，構(gòu)建了研究區(qū)的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)；由水位觀測(cè)資料定義出垂直于等水位線的東西兩條隔水邊界，并根據(jù)水力梯度將南北邊界定義為已知流量邊界；通過抽水試驗(yàn)獲得了含水層參數(shù)。然而，對(duì)于場(chǎng)地表層覆蓋的約7 m厚的黏土-粉質(zhì)黏土層，根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，不能確定是否可將其視為隔水層。研究區(qū)東北角有一池塘，其與地下水的水力聯(lián)系情況也還未知。

2 樣品采集與測(cè)試

3 同位素特征

穩(wěn)定同位素是識(shí)別地下水補(bǔ)給來源的良好指示劑，通常不同來源的地下水中D和18O同位素豐度不同。將同位素?cái)?shù)據(jù)投入到δD和δ18O關(guān)系圖(圖1)中發(fā)現(xiàn)，同位素含量變化范圍較大，且表現(xiàn)出一定的團(tuán)聚性，因此在圖中圈出了包含大部分水樣的3組水樣，分別標(biāo)記為A、B和C組。另外3個(gè)水樣標(biāo)記為D組，它們的δD和δ18O值明顯大于其他水樣，其中SJ02可能受到較強(qiáng)的蒸發(fā)作用影響。由此說明，研究區(qū)地下水可能有多個(gè)不同的地下水補(bǔ)給來源。

這些地下水補(bǔ)給來源空間位置及水流流向，可根據(jù)D和18O含量的空間分布信息來推斷。作δD和δ18O值的空間位置分布圖，發(fā)現(xiàn)它們的空間分布特征相似。圖2為水樣δD值的空間分布情況。根據(jù)δD值的大小，對(duì)應(yīng)圖1的分組情況，將δD值在空間上按大小分為A、B、C和D 4個(gè)區(qū)。由等水位線和總Cr含量的空間分布情況，大致確定地下水的總體流向由西北向東南方向流。

圖1 研究區(qū)穩(wěn)定同位素δD與δ18O關(guān)系圖Fig.1 Relationship between stable isotope D and 18O in the study area

圖2 根據(jù)D同位素分區(qū)，等水位線及Cr含量分布圖Fig.2 Distribution of δD values, contours of water table and concentration of chromium

圖1顯示SJ02水樣δD和δ18O值偏大，表現(xiàn)出蒸發(fā)現(xiàn)象，這很可能與該點(diǎn)北部池塘水對(duì)地下水的補(bǔ)給有關(guān)，池塘水受到蒸發(fā)作用后δD和δ18O值增大，使得其南部的SJ02水樣δD和δ18O值較大。研究區(qū)東南部的XX7和XX7-1水樣δD和δ18O值，明顯大于除SJ02外的其他水樣，這表明研究區(qū)東南部有一股補(bǔ)給水源，但XX7和XX7-1附近的其他水樣δD和δ18O較小，說明東南側(cè)補(bǔ)給來源量很小。

圖2中A區(qū)地下水δD和δ18O值偏低，且由等水位線可知，該區(qū)地下水水位偏高。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)剛好有一水渠通過，其走向與A區(qū)相同，因此推測(cè)A區(qū)地下水可能受到渠水的滲漏補(bǔ)給。但水渠中的水從何而來還不得而知，一般地表水會(huì)受到一定的蒸發(fā)作用，富集重同位素，為何A區(qū)地下水δD和δ18O值偏低，A區(qū)會(huì)不會(huì)受到深層地下水的補(bǔ)給，這還需要采集渠水樣做進(jìn)一步的驗(yàn)證分析。在研究區(qū)北部的C區(qū)，地下水中δD和δ18O值偏高，研究區(qū)中部的B區(qū)地下水δD和δ18O值剛好介于A區(qū)與C區(qū)之間，因此可以推斷B區(qū)地下水為A區(qū)和C區(qū)水源的混合水。

4 水文地球化學(xué)特征

盡管穩(wěn)定同位素對(duì)于識(shí)別地下水補(bǔ)給源非常有用，但是僅根據(jù)穩(wěn)定同位素的解釋，而不考慮其他化學(xué)和同位素?cái)?shù)據(jù)，這很可能會(huì)誤導(dǎo)人們對(duì)研究區(qū)地下水補(bǔ)給源的認(rèn)識(shí)[13]。以下將通過水化學(xué)特征進(jìn)一步確定地下水可能的補(bǔ)給源和水流路徑。

將水樣投入Piper圖(圖3)中發(fā)現(xiàn)，A區(qū)和C區(qū)水樣水化學(xué)類型存在差異，B區(qū)水樣位于前兩者之間，表現(xiàn)為A區(qū)和C區(qū)水的混合水類型。

圖3 研究區(qū)水樣Piper圖Fig.3 Piper diagram of samples in the study area

圖4 研究區(qū)及含量分布圖Fig.4 Distribution of the contents of , , Cl-and in the study area

圖5 研究區(qū)Na+和Mn2+含量分布圖Fig.5 Distribution of the contents of Na+ and Mn2+in the study area

5 水文地質(zhì)概念模型細(xì)化

在進(jìn)行水化學(xué)和同位素?cái)?shù)據(jù)分析前，根據(jù)等水位線和水文地質(zhì)鉆探資料，初步將東西邊界定義為隔水邊界，南北邊界定義為已知流量邊界。通過同位素和水化學(xué)特征分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)存在一些起初未被發(fā)現(xiàn)的補(bǔ)給源，因此需要對(duì)初步確定的水文地質(zhì)概念模型邊界進(jìn)行一定的修正。

根據(jù)硝酸鹽在研究區(qū)內(nèi)廣泛存在，且最高含量達(dá)到388 mg/L，說明灌溉水對(duì)地下水存在可觀的補(bǔ)給量。因此不能忽略大氣降水和灌溉水對(duì)地下水的補(bǔ)給，頂層黏土-粉質(zhì)黏土視為補(bǔ)給邊界。A區(qū)同位素和水化學(xué)特征與周邊區(qū)域均存在較大差異，存在一個(gè)較大的地下水補(bǔ)給源，該補(bǔ)給源可能是水渠水的滲漏補(bǔ)給，也可能是深層地下水的越流補(bǔ)給，具體補(bǔ)給來源還需做進(jìn)一步驗(yàn)證，因此，在A區(qū)中定義一條線狀給定水頭邊界。樣點(diǎn)SJ02北部的水塘及樣點(diǎn)XX7處也存在地下水補(bǔ)給源，但因其補(bǔ)給量較少，在模型概化時(shí)忽略，東側(cè)仍然垂直于等水頭線定義為一條隔水邊界，具體邊界位置如圖6所示。

圖6 研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型邊界條件細(xì)化分布圖Fig.6 Boundary refine of the hydrogeological conceptional model in the study area

6 結(jié)論

構(gòu)建合理的水文地質(zhì)概念模型是數(shù)值模擬結(jié)果正確與否的關(guān)鍵。對(duì)于不具有天然邊界或地下分水嶺的污染場(chǎng)地來說，邊界條件的概化存在一定的困難，且對(duì)于不明顯的地下水補(bǔ)給源，通過簡(jiǎn)單的水文地質(zhì)調(diào)查很難確定。水化學(xué)和同位素信息有助于研究人員對(duì)水文地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)合理的概化。本文通過對(duì)研究區(qū)水化學(xué)和同位素信息的深入分析，為研究區(qū)水文地質(zhì)條件的概化提供了以下有價(jià)值的信息：

(2)同位素?cái)?shù)據(jù)顯示，研究區(qū)東側(cè)可能存在水塘水及其他補(bǔ)給源的補(bǔ)給，但補(bǔ)給來源量較少，在模型概化時(shí)將其忽略，東側(cè)整個(gè)邊界設(shè)為隔水邊界。

根據(jù)水化學(xué)和同位素信息對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型的修正，對(duì)后期場(chǎng)地地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模擬具有重要意義。

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Boundary refine of hydrogeological conceptional model of a groundwater contaminated site in Xinxiang city based on the hydrochemistry and isotope evidence

LI Zhihong1, WANG Guangcai1,2, KANG Fei1, YAN Jianfei1, HUANG Dandan1

(1.SchoolofWaterResourcesandEnvironment,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;2.StateKeyLaboratoryofBiogeologyandEnvironmentalGeology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China)

Constructing a rational conceptual model of hydrogeology is very important for the numerical simulation of groundwater. If the conceptual model is not reasonable, the whole numerical simulation will be meaningless. Generally, the conceptual model of hydrogeology can be roughly determined by hydrogeological investigation. However, it cannot be determined by the hydrogeological investigation for some recharge sources which are not easy to be found. The water chemistry and isotope characteristics are good indicators for the groundwater recharge and the flow path. Based on these characteristics, the hydrogeological conceptual model can be refined. In this paper, groundwater sampling and isotopic characteristics of groundwater in the study area were analyzed. Then the concealed groundwater source was identified, and the permeability of the top silty clay layer was determined. On the basis of the above results, the boundary conditions of the conceptual model of hydrogeology were refined. This is of great significance to get the correct simulation results of groundwater flow and solute transport in the later stage.

hydrogeological conceptional model; hydrochemistry characteristics; isotope characteristics; recharge sources; boundary conditions

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.02.09

2016-10-09;

2017-01-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41272269)

李志紅(1988-)，女，博士研究生，主要從事水文地球化學(xué)工作。E-mail:lzh19880611@126.com

王廣才(1962-)，男，教授，博導(dǎo)，主要從事水文地球化學(xué)、地震地下水等工作。E-mail:wanggc@pku.edu.cn

P641;X523

A

1000-3665(2017)02-0057-06