程　凡

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)院,烏魯木齊　830000)

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石河子市地下水水文地球化學(xué)模擬

程凡

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)院,烏魯木齊830000)

摘要：研究區(qū)域地下水的水文地球化學(xué)作用對(duì)地下水開發(fā)利用及保護(hù)有著重要的意義。在石河子市選取一個(gè)典型剖面運(yùn)用PHREEQC軟件對(duì)該剖面地下水進(jìn)行水文地球化學(xué)模擬。結(jié)果表明：在研究區(qū)典型剖面地下水演化過程中，控制地下水化學(xué)成分的主要礦物為方解石、白云石、石膏、CO2以及Ca2+/Na+的交換作用；受水文地質(zhì)條件差異、地層巖性不同等影響，各礦物發(fā)生的水巖作用在不同地段有不同的表現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：地下水；水文;化學(xué)模擬；石河子市

水文地球化學(xué)模擬是分析水-巖相互作用系統(tǒng)中水、礦物(包括有機(jī)物及氣體)以及二者之間在不同環(huán)境條件下所發(fā)生的各種地球化學(xué)作用的一種重要手段。目前，有關(guān)水文地球化學(xué)模擬的模型已達(dá)到60多個(gè)[1]。其中質(zhì)量平衡模擬即反向模擬主要用來模擬地下水流動(dòng)途徑上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，解釋從上游到下游地下水化學(xué)成分的變化機(jī)理，確定地下水流動(dòng)過程中礦物和氣體的溶解或沉淀(逸出)量[2-4]。本文根據(jù)石河子市巖性地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及水化學(xué)分析資料，運(yùn)用PHREEQC對(duì)地下水系統(tǒng)中發(fā)生的水-巖作用進(jìn)行模擬，以期定量揭示地下水化學(xué)環(huán)境的演化過程。

1研究區(qū)概況

石河子市坐落在瑪納斯河流域沖洪積扇末端，位于天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南部，地理坐標(biāo)：東經(jīng)85°53′00″～86°10′00″，北緯44°10′00″～44°30′00″，面積460 km2(其中平原區(qū)面積377.35 km2)。冬季長而冷，夏季短而熱，晝夜溫差為10～13 ℃，降水量稀少，屬于典型的大陸性干旱氣候。據(jù)市氣象站多年統(tǒng)計(jì)資料顯示：多年平均氣溫為6.6 ℃，多年平均降水量205.3 mm，多年平均蒸發(fā)量902.8 mm。地下水補(bǔ)給來源主要為東部、西南部邊界的側(cè)向補(bǔ)給、南部的暴雨洪流入滲補(bǔ)給、河流及渠道的滲漏和大氣降水。研究區(qū)南部為單一結(jié)構(gòu)卵礫石潛水含水層，北部為多層結(jié)構(gòu)潛水-承壓含水層，其中南部的潛水和北部承壓水為主要的供水目的層。地下水水位動(dòng)態(tài)受氣候與人工開采共同控制，最高水位出現(xiàn)在每年3—4月份，7—8月份水位為最低值[5-7]。

2地下水水文地球化學(xué)模擬

2.1典型剖面的選取

石河子市地勢南高北低，受地勢影響，地下水總流向由南部山區(qū)向北部沖洪積平原區(qū)流動(dòng)，由南向北可分為3個(gè)水文地質(zhì)單元：Ⅰ區(qū)為地下水強(qiáng)烈徑流補(bǔ)給帶(南部山區(qū))，地下水主要為基巖裂隙水；Ⅱ區(qū)為地下水水平徑流帶(山前沖洪積礫質(zhì)傾斜平原區(qū))，含水層為單一結(jié)構(gòu)潛水含水層；Ⅲ區(qū)為地下水溢出帶(沖洪積平原區(qū))，含水層結(jié)構(gòu)由單一結(jié)構(gòu)潛水含水層過渡為多層潛水-承壓含水層結(jié)構(gòu)[5,8]。3個(gè)水文地質(zhì)單元構(gòu)成一個(gè)完整的局部地下水流系統(tǒng)(圖1)。按此分帶規(guī)律，本文沿地下水流向選取一個(gè)典型剖面分別對(duì)潛水和淺層承壓水進(jìn)行模擬分析：X16-X19-W61-X06為潛水模擬路徑，X16-X19-X07-X04為潛水-承壓水模擬路徑(圖2和圖3)。

圖1　典型水文地質(zhì)剖面圖

2.2模擬路徑水質(zhì)分析

圖2　潛水水文地球化學(xué)模擬路徑圖

2.3水溶組分平衡分布計(jì)算

利用PHREEQC對(duì)模擬路徑水樣進(jìn)行水溶組分平衡分布計(jì)算，可得到各水樣的電荷平衡系數(shù)和各礦物相對(duì)于水樣的飽和指數(shù)(SI)。各模擬水樣的電荷平衡是進(jìn)行水文地球化學(xué)反向模擬的前提[8]。飽和指數(shù)可確定地下水系統(tǒng)中的反應(yīng)性礦物，SI>0，表示該礦物相對(duì)水溶液處于飽和狀態(tài)；SI<0，表示該礦物相對(duì)水溶液未達(dá)到飽和狀態(tài)，SI=0，表示該礦物相對(duì)水溶液處于平衡狀態(tài)。由于水質(zhì)分析等不可避免的誤差，SI的計(jì)算結(jié)果具有不確定性，因此實(shí)際中認(rèn)為SI=±0.5時(shí)水溶液與礦物處于平衡狀態(tài)[3]。模擬路徑水樣的電荷平衡系數(shù)和各礦物相對(duì)于水樣的飽和指數(shù)(SI)匯總見表2和圖6。

由表2可知，所有溶液電荷平衡系數(shù)接近于0，溶液基本平衡。由表2和圖6可知，方解石和白云石SI<±0.5，相對(duì)地下水處于平衡狀態(tài)，它們是地下水系統(tǒng)中的反應(yīng)性礦物，控制著地下水的化學(xué)成分；而CO2、螢石、石膏和巖鹽均處于未飽和狀態(tài)，表明地下水在流動(dòng)過程中，若沿途含水層環(huán)境中含有這些礦物時(shí)，這些礦物將會(huì)被地下水溶解直至平衡狀態(tài)。

/(mg·L-1)

圖4　　　　潛水水文地球化學(xué)模擬路徑水樣　　　水化學(xué)組分沿路徑變化圖

2.4可能礦物相的確定

研究區(qū)由南向北地層巖性主要分布為礫巖、砂巖、泥巖、卵礫石、砂礫石、中細(xì)砂、粉土、粉質(zhì)黏土，含水層巖性主要為卵礫石、砂礫石、中細(xì)砂，以硅酸鹽地層為主[5]。南部山區(qū)為地下水強(qiáng)烈補(bǔ)給帶。

圖5　　　　潛水-承壓水水文地球化學(xué)模擬路徑水樣　　　水化學(xué)組分沿路徑變化圖

圖6　主要礦物飽和指數(shù)圖

礦物X16X19W61X06X07X04電荷平衡系數(shù)1.48×10-4-9.50×10-4-7.49×10-4-9.93×10-4-2.20×10-4-3.14×10-4方解石0.12-0.040.280.240.13-0.09CO2-2.68-1.88-1.4-1.76-2.56-2.57白云石-0.24-0.320.280.37-0.11-0.56螢石-1.9-2.08-2.51-1.52-1.83-1.66石膏-1.31-1.31-0.83-1.14-1.97-2.28巖鹽-6.7-6.88-6.87-6.54-7.73-7.63

根據(jù)前人地質(zhì)研究，南部山區(qū)地層中分布的礦物主要有石英、長石類礦物、方解石、云母類礦物、白云石、石膏和黏土礦物[9-11]。主要黏土礦物有伊利石、蒙脫石和高嶺石[12]。由上文模擬路徑水質(zhì)分析可知，研究區(qū)的地下水處于堿性環(huán)境，高嶺石是長石類礦物在酸性條件下水解的產(chǎn)物[13]，因此，高嶺石不作為可能礦物相。對(duì)于鋁硅酸鹽為主的含水系統(tǒng)中，Cl-的來源機(jī)理暫不明確，并且在實(shí)際情況中，固相NaCl很難找到，因此本次模擬暫不考慮Cl-的來源[14]。綜合含水層礦物的分析結(jié)果、地下水的化學(xué)成分以及礦物飽和指數(shù)，選取白云石、方解石、石膏、鈉長石、鈣蒙脫石、螢石、伊利石、CO2(氣體)和陽離子交換劑來進(jìn)行水文地球化學(xué)反向模擬，礦物溶解反應(yīng)的反應(yīng)方程式見表3[15]。

表3　各礦物相反應(yīng)方程式表

3水文地球化學(xué)反向模擬結(jié)果分析

根據(jù)前文選定的礦物相等相關(guān)模擬參數(shù)，利用PHREEQC分別建立典型剖面潛水和淺層承壓水水-巖相互作用模型。由于地下水系統(tǒng)巖性的復(fù)雜性及礦物的多樣性，選定模擬的反應(yīng)性礦物可能會(huì)大于約束方程，因而造成模型的多解性[16]，應(yīng)在符合熱力學(xué)和化學(xué)原理的同時(shí)，結(jié)合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件及地層巖性，以及上文中的各礦物相對(duì)溶液的飽和指數(shù)來選擇與實(shí)際情況相近的解來分析解釋地下水的演化過程。研究區(qū)典型剖面水文地球化學(xué)反向模擬最終結(jié)果見表4，礦物轉(zhuǎn)移量為正表示溶解，為負(fù)表示沉淀，“-”表示在模型中該礦物未參與反應(yīng)。

表4水-巖相互作用模擬結(jié)果表mmol/L

礦物礦物化學(xué)式潛水X16-X06潛水X16-X19潛水-承壓水X16-X04承壓水X07-X04方解石CaCO3-0.3060.6991.0180.078CaX2CaX2-0.925-1.927-0.785-0.163NaXNaX1.8493.8551.5710.326白云石CaMg(CO3)21.1190.228-0.354-0.114CO2(g)CO22.4481.4990.271-0.172石膏CaSO4·2H2O0.8810.592-1.451-0.210螢石CaF20.005-0.0090.006伊利石K0.6Mg0.25Al2.3Si3.5O10(OH)20.012-0.010-0.065-0.024鈉長石NaAlSi3O80.001-0.001-0.006-0.002鈣蒙脫石Ca0.165Al2.33Si3.67O10(OH)2-0.0130.0100.0660.025

圖7　典型剖面地下水化學(xué)類型Piper圖

圖8　典型剖面礦物轉(zhuǎn)移量柱形圖(a)

圖9　典型剖面礦物轉(zhuǎn)移量柱形圖(b)

4結(jié)語

應(yīng)用水文地球化學(xué)反向模擬對(duì)石河子市地下水進(jìn)行分析可定量得出控制地下水化學(xué)成分的主要礦物轉(zhuǎn)移量以及各化學(xué)組分的遷移、轉(zhuǎn)化與富集規(guī)律，同時(shí)，對(duì)認(rèn)識(shí)和了解石河子市地下水的賦存、補(bǔ)徑排規(guī)律具有參考價(jià)值，從而對(duì)石河子市地下水的開發(fā)利用與水環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

[1]邢麗娜.華北平原典型剖面上地下水化學(xué)特征和水文地球化學(xué)過程[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué),2012.

[2]張春潮,魏哲,孫一博,李慧,王文科,段磊.關(guān)中盆地潛水水文地球化學(xué)演化機(jī)理[J].南水北調(diào)與水利科技，2013，(05)：52-56.

[3]錢會(huì),馬致遠(yuǎn).水文地球化學(xué)[M].2版.北京: 地質(zhì)出版社,2012.

[4]孫一博,王文科,段磊,張春潮,王宇航.關(guān)中盆地淺層地下水地球化學(xué)的形成演化機(jī)制[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2014，(03)：35-41.

[5]吳彬.石河子市地下水系統(tǒng)演化規(guī)律與水環(huán)境效應(yīng)研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.

[6]徐春燕.石河子墾區(qū)淺層地下水及土壤水動(dòng)態(tài)研究[D].西安：長安大學(xué),2013.

[7]李戰(zhàn)超,魏文壽,陳榮毅,等.瑪納斯河流域氣候變化對(duì)參考蒸散量的影響[J].沙漠與綠洲氣象,2013,(1):33-38.

[8]崔亞莉,邵景力,李慈君,等.瑪納斯河流域地表水地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2001,28(2):9-13.

[9]李巧.準(zhǔn)噶爾盆地平原區(qū)水文地球化學(xué)模擬及地下水水質(zhì)演化研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[10]劉志明,劉少玉,王貴玲.新疆瑪納斯河流域平原地下水水-巖作用模擬[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2006,80(6):885-892.

[11]錢亦兵,周興佳,李崇舜,等.準(zhǔn)噶爾盆地沙漠沙礦物組成的多源性[J].中國沙漠,2001,21(2):182-187.

[12]張立強(qiáng), 羅曉容, 劉樓軍,等.準(zhǔn)噶爾盆地南緣新生界粘土礦物分布及影響因素[J].地質(zhì)科學(xué),2005, 40(3):363-375.

[13]陳鑫, 鐘建華,袁靜,等.渤南洼陷古近系高嶺石發(fā)育特征及轉(zhuǎn)化機(jī)理[J].石油勘探與開發(fā),2009, 36(4):456-462.

[14]王東勝, 沈照理, 鐘佐燊,等.石家莊平原地下水化學(xué)演化的質(zhì)量平衡模擬[J].地質(zhì)論評(píng),1997,(4):434-440.

[15]魏亞妮,李培月,錢會(huì),吳健華.水文地球化學(xué)模擬研究與應(yīng)用[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2010，(01)：60-63.

[16]郭雪蓮,朱錫芬,劉秀銘,等.民勤盆地地下水水-巖作用地球化學(xué)模擬[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2010,24(9):56-59.

Hydrogeochemical Simulation of Ground Water of Shihezi City

CHENG Fan

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi830000,China)

Abstract:The study of the hydrogeochemical action of ground water in a region is significant to utilization and protection of the ground water. In Shihezi City, one typical section is selected to perform the hydrogeochemical simulation of the ground water at the chosen section by software of PHREEQC. The simulation results prove that the main minerals controlling the chemical components of the ground water while the evolution of the ground water at the typical section is studied are calcite, dolomite, gypsum, CO2 and exchange action of Ca2+/Na+. Affected by different hydrogeological conditions and terrane rock characteristics, the water-rock interaction each mineral will be different at different location.

Key words:ground water; hydrology; chemical simulation; Shihezi City

中圖分類號(hào)：TV12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.005

作者簡介：程凡(1992- )，女，重慶市合川區(qū)人，工學(xué)碩士，主要從事水土保持工作.

收稿日期：2015-08-06

文章編號(hào)：1006—2610(2016)01—0018—05