基于水文地球化學(xué)模擬分析
——以涉縣東風(fēng)湖泉域巖溶地下水為例

趙崇欽，康 瑋，陳顯玉，范存良，孟 洋，李曉彤

1.河北地質(zhì)大學(xué) 水資源與環(huán)境學(xué)院，河北 石家莊 050021；2.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河北 石家莊 050021；3.河北地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050021

水文地球化學(xué)模擬主要應(yīng)用于研究地下水化學(xué)成分的形成和演變的規(guī)律[1-2]，20世紀(jì)90年代以來，隨著計(jì)算機(jī)快速發(fā)展，水文地球化學(xué)模擬方法被頻繁運(yùn)用到地下水領(lǐng)域，通過計(jì)算機(jī)模擬能直觀反映出地下水循環(huán)過程中地下水化學(xué)組分的形成過程，離子交換、礦物溶解與沉淀以及發(fā)生的水-巖作用等[3-5]。陳建平等采用PHREEQC軟件模擬了地下水中氟的分布特征和演化過程[6]。焦崢瑞用PHREEQC對青島東部樂都盆地水化學(xué)過程進(jìn)行反向模擬，從定量的角度去研究水-巖作用[7]。魏興等研究新疆喀什三角洲地區(qū)的地下水水化學(xué)特征，用Gibbs圖、離子比例法、Schoeller圖和PHREEQC軟件進(jìn)行水化學(xué)模擬等方法，探討了新疆喀什三角洲地下水化學(xué)特征及演化規(guī)律[8]。綜合上述前人學(xué)者研究方法，水文地球化學(xué)模擬可以直觀揭示地下水循環(huán)含水層礦物摩爾轉(zhuǎn)移與判定水化學(xué)組分來源，這些研究成果為研究涉縣東風(fēng)湖泉域地下水特征提供了借鑒，具有十分重要的意義。

東風(fēng)湖泉域地處河北省涉縣和山西省黎城縣毗鄰地帶，東風(fēng)湖的泉流量在人工開采、大氣降水影響下，總體上呈現(xiàn)出逐年減少的趨勢，由于涉縣天津鐵廠、東風(fēng)化肥廠等工業(yè)用水排放、農(nóng)業(yè)灌溉用水以及人類生活用水等導(dǎo)致了東風(fēng)湖泉域地下水中化學(xué)成分發(fā)生改變，從而導(dǎo)致水質(zhì)變差，水化學(xué)場改變等一系列生態(tài)環(huán)境問題[9-10]。結(jié)合收集的地下水水質(zhì)資料，運(yùn)用水文地球化學(xué)模擬研究該區(qū)域地下水化學(xué)特征，對涉縣東風(fēng)湖泉域巖溶地下水管理利用和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的意義。

1 研究區(qū)概況

河北省邯鄲市涉縣東風(fēng)湖泉域位于涉縣與黎城縣(山西省長治市東北部)毗鄰地帶，地理坐標(biāo)為：北緯36°31′～36°51′，東經(jīng)113°21′～113°48′涉縣東與武安市、磁縣交界，西靠近黎城縣和平順縣，南有漳河、濁漳河環(huán)繞，北和山西省左權(quán)縣相鄰。東風(fēng)湖泉域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，降雨量主要集中在7—9月份，多年平均降水量為578.7 mm。清漳河是涉縣東風(fēng)湖泉域的主要河流，長度為61 km，寬度大約為430 m，徑流量為2.128×108m3。

研究區(qū)西北部為山區(qū)，東南一帶為盆地，區(qū)內(nèi)斷裂聚集于東部，以涉縣大斷裂為主，該斷裂北東走向，傾角為65°～80°，西北部少見斷裂帶。出露地層由于長期上升剝蝕缺失嚴(yán)重，以寒武系(∈)、奧陶系(O)為主，巖性主要有頁巖、泥灰?guī)r、白云巖、灰?guī)r、角礫巖等。研究區(qū)上部由第四系紅黃土構(gòu)成隔水頂板，中部含水巖組主要為碳酸巖類巖溶裂隙含水巖組，由中上寒武系和奧陶系組成，富水性和透水性都比較好，下部由下寒武饅頭組和震旦系(Z)組成隔水底板。地下水從西北向東南徑流，西北部補(bǔ)給區(qū)主要靠大氣降水補(bǔ)給，雨水通過裂隙、溶孔等通道能直接很好地補(bǔ)給了地下水，還有小部分第四系孔隙含水巖系滲漏補(bǔ)給。接受大氣降水和河流滲漏補(bǔ)給后，沿?cái)嗔褞奈鞅毕驏|南流動，受該區(qū)域構(gòu)造體系影響，在涉縣斷裂西北部形成強(qiáng)徑流帶。徑流途中被NNE走向的涉縣斷裂阻隔，在NW走向背斜尾端和NE走向涉縣向斜接壤一帶匯集，在河南店鎮(zhèn)—茨村一帶以泉方式排泄。

2 取樣布設(shè)原則與檢測

圖1 采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 distribution of Sampling points

地下水溶液的陰陽離子應(yīng)該達(dá)到電荷平衡，表達(dá)式如下：

∑Z·mc=∑Z·ma

(1)

式中：mc與ma為陽、陰離子摩爾濃度，Z是水中陰陽離子的電荷數(shù)。

檢查水質(zhì)數(shù)據(jù)可靠性檢驗(yàn)表達(dá)式：

(2)

E是相對誤差，當(dāng)|E|<5%表示水質(zhì)數(shù)據(jù)可靠，若|E|>5%表示該水質(zhì)數(shù)據(jù)相對誤差大，不可靠。導(dǎo)致相對誤差太大可能是實(shí)驗(yàn)檢測時(shí)出錯(cuò)、漏測了某些陰陽離子或是記錄結(jié)果出錯(cuò)。經(jīng)過誤差檢驗(yàn)，其涉縣東風(fēng)湖泉域水質(zhì)數(shù)據(jù)均可靠。

3 結(jié)果與分析

3.1 水化學(xué)特征

3.2 水化學(xué)組分形成作用分析

3.2.1 地下水化學(xué)組分控制因素

圖2 涉縣東風(fēng)湖泉域地下水化學(xué)piper三線圖Fig.2 Piper diagram of groundwater chemical in Shexian Dongfeng Lake

圖3 涉縣東風(fēng)湖泉域地下水gibbs圖Fig.3 Gibbs diagram of Shexian Dongfeng Lake

3.2.2 離子比例分析

在地下水循環(huán)過程中，將地下水中主要離子組分進(jìn)行對比，可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)涉縣東風(fēng)湖泉域地下水化學(xué)組分的形成作用以及來源(見圖4)[13-14]。

圖4 離子比例圖Fig.4 Ion ratio diagram

從圖4(a)看出研究區(qū)水樣大部分分布于1∶1線上，表明泉域Na+和Cl-基本是來自于鹽巖溶解，徑流區(qū)個(gè)別點(diǎn)Cl-比Na+含量高，其原因主要可能是受工業(yè)污染、人類活動影響，導(dǎo)致地下水中Cl-含量增多。

(3-1)

(3-2)

(3-3)

圖5 離子比例圖Fig.5 Ion ratio diagram

Ca2+or Mg2++2NaX(介質(zhì))→2Na++CaX2or MgX2

(3-4)

(3-5)

(3-6)

3.3 水文地球化學(xué)模擬

水文地球化學(xué)模擬則能夠很好解釋地下水中水-巖作用，通過計(jì)算機(jī)軟件，計(jì)算出水質(zhì)點(diǎn)礦物相的飽和指數(shù)，從而確定某些礦物沉淀溶解狀態(tài)[17-18]。按照同一水流路徑上兩點(diǎn)間質(zhì)量平衡原理，計(jì)算礦物摩爾轉(zhuǎn)移量，推出化學(xué)反應(yīng)方程式，定量解釋地下水化學(xué)特征及演變規(guī)律。根據(jù)上述分析方法結(jié)論，本文通過PHREEQC軟件中反向模擬分析涉縣東風(fēng)湖泉域地下水化學(xué)演變規(guī)律[20]。

3.3.1 礦物飽和指數(shù)

表1 水流路徑上飽和指數(shù)Table 1 Saturation index on the water flow path

3.3.2 反向模擬結(jié)果

模擬結(jié)果見表2：

(1)S1-S2：

水流路徑S1-S2，從西北部補(bǔ)給區(qū)曲里村到南部排泄區(qū)河南店鎮(zhèn)一帶，地下水循環(huán)過程中方解石、石膏、巖鹽溶解，溶解量分別為4.52×10-4mol/L、4.25×10-4mol/L、3.25×10-4mol/L，而白云石沉淀，沉淀量為3.53×10-6mol/L，溶解了4.55×10-4mol/L CO2，陽離子交換為Ca2+-Na+離子，地下水中Ca2+析出了9.94×10-5mol/L，置換出含水介質(zhì)中1.99×10-4mol/L Na+，水化學(xué)類型由HCO3-Ca·Mg型轉(zhuǎn)為HCO3-Ca型。

表2 反向模擬結(jié)果Table 2 Reverse simulation simulation results(mol/L)

(2)S3-S4：

水流路徑S3-S4，從東南部強(qiáng)徑流帶到排泄區(qū)茨村，導(dǎo)致地下水組分發(fā)生變化，主要為白云石與石膏溶解，溶解量為1.77×10-4mol/L和5.26×10-4mol/L，方解石、巖鹽沉淀了5.26×10-4mol/L、1.98×10-4mol/L，反應(yīng)過程中CO2逸出1.42×10-4mol/L，Ca2+與Na+離子交換朝正向進(jìn)行，Ca2+析出1.23×10-4mol/L而2.47×10-4mol/L Na+進(jìn)入地下水。導(dǎo)致該區(qū)域該水流路徑上模擬結(jié)果中巖鹽NaCl都呈過飽和狀態(tài)，可能是因?yàn)槭芴旖蜩F廠等工業(yè)污染影響，產(chǎn)生大量Cl-離子，使其地下水中Cl-離子濃度增高，巖鹽NaCl水解反應(yīng)朝逆向進(jìn)行，導(dǎo)致巖鹽沉淀析出。故研究區(qū)水化學(xué)類型由徑流區(qū)的HCO3-CaMg型水到排泄區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)镠CO3SO4-CaMg型水。

4 結(jié)論

論文通過對地下水化學(xué)組分形成作用分析與水文地球化學(xué)模擬，研究了涉縣東風(fēng)湖泉域巖溶地下水化學(xué)特征與演化過程，得出以下主要結(jié)論：

(1)研究區(qū)水化學(xué)類型以HCO3型水為主，其含水介質(zhì)主要為海相碳酸鹽巖沉積地層，經(jīng)過溶濾作用使地下水中陽離子以Ca2+、Mg2+為主，整體空間上差異不大，水化學(xué)類型主要為HCO3-Ca·Mg型或HCO3-Ca型。

(3)通過反向模擬結(jié)果得出：研究區(qū)水流路徑Ⅰ補(bǔ)給區(qū)曲里村(S1)—排泄區(qū)河南店鎮(zhèn)(S2)地下水化學(xué)演化過程為方解石、石膏、巖鹽溶解，白云石沉淀，反應(yīng)過程溶解CO2，陽離子交替吸附為Ca2+—Na+朝正向進(jìn)行。水流路徑Ⅱ徑流區(qū)井店鎮(zhèn)(S3)—排泄區(qū)茨村(S4)演化過程為方解石、巖鹽沉淀而白云石、石膏溶解，反應(yīng)過程逸出CO2，Ca2+與Na+離子交換朝正向進(jìn)行。