石河子市地下水水文地球化学模拟

程　凡

(新疆水利水电勘测设计院,乌鲁木齐　830000)



石河子市地下水水文地球化学模拟

程凡

(新疆水利水电勘测设计院,乌鲁木齐830000)

摘要：研究区域地下水的水文地球化学作用对地下水开发利用及保护有着重要的意义。在石河子市选取一个典型剖面运用PHREEQC软件对该剖面地下水进行水文地球化学模拟。结果表明：在研究区典型剖面地下水演化过程中，控制地下水化学成分的主要矿物为方解石、白云石、石膏、CO2以及Ca2+/Na+的交换作用；受水文地质条件差异、地层岩性不同等影响，各矿物发生的水岩作用在不同地段有不同的表现。

关键词：地下水；水文;化学模拟；石河子市

水文地球化学模拟是分析水-岩相互作用系统中水、矿物(包括有机物及气体)以及二者之间在不同环境条件下所发生的各种地球化学作用的一种重要手段。目前，有关水文地球化学模拟的模型已达到60多个[1]。其中质量平衡模拟即反向模拟主要用来模拟地下水流动途径上发生的化学反应，解释从上游到下游地下水化学成分的变化机理，确定地下水流动过程中矿物和气体的溶解或沉淀(逸出)量[2-4]。本文根据石河子市岩性地质、水文地质条件及水化学分析资料，运用PHREEQC对地下水系统中发生的水-岩作用进行模拟，以期定量揭示地下水化学环境的演化过程。

1研究区概况

石河子市坐落在玛纳斯河流域冲洪积扇末端，位于天山北麓、准噶尔盆地南部，地理坐标：东经85°53′00″～86°10′00″，北纬44°10′00″～44°30′00″，面积460 km2(其中平原区面积377.35 km2)。冬季长而冷，夏季短而热，昼夜温差为10～13 ℃，降水量稀少，属于典型的大陆性干旱气候。据市气象站多年统计资料显示：多年平均气温为6.6 ℃，多年平均降水量205.3 mm，多年平均蒸发量902.8 mm。地下水补给来源主要为东部、西南部边界的侧向补给、南部的暴雨洪流入渗补给、河流及渠道的渗漏和大气降水。研究区南部为单一结构卵砾石潜水含水层，北部为多层结构潜水-承压含水层，其中南部的潜水和北部承压水为主要的供水目的层。地下水水位动态受气候与人工开采共同控制，最高水位出现在每年3—4月份，7—8月份水位为最低值[5-7]。

2地下水水文地球化学模拟

2.1典型剖面的选取

石河子市地势南高北低，受地势影响，地下水总流向由南部山区向北部冲洪积平原区流动，由南向北可分为3个水文地质单元：Ⅰ区为地下水强烈径流补给带(南部山区)，地下水主要为基岩裂隙水；Ⅱ区为地下水水平径流带(山前冲洪积砾质倾斜平原区)，含水层为单一结构潜水含水层；Ⅲ区为地下水溢出带(冲洪积平原区)，含水层结构由单一结构潜水含水层过渡为多层潜水-承压含水层结构[5,8]。3个水文地质单元构成一个完整的局部地下水流系统(图1)。按此分带规律，本文沿地下水流向选取一个典型剖面分别对潜水和浅层承压水进行模拟分析：X16-X19-W61-X06为潜水模拟路径，X16-X19-X07-X04为潜水-承压水模拟路径(图2和图3)。

图1　典型水文地质剖面图

2.2模拟路径水质分析

图2　潜水水文地球化学模拟路径图

2.3水溶组分平衡分布计算

利用PHREEQC对模拟路径水样进行水溶组分平衡分布计算，可得到各水样的电荷平衡系数和各矿物相对于水样的饱和指数(SI)。各模拟水样的电荷平衡是进行水文地球化学反向模拟的前提[8]。饱和指数可确定地下水系统中的反应性矿物，SI>0，表示该矿物相对水溶液处于饱和状态；SI<0，表示该矿物相对水溶液未达到饱和状态，SI=0，表示该矿物相对水溶液处于平衡状态。由于水质分析等不可避免的误差，SI的计算结果具有不确定性，因此实际中认为SI=±0.5时水溶液与矿物处于平衡状态[3]。模拟路径水样的电荷平衡系数和各矿物相对于水样的饱和指数(SI)汇总见表2和图6。

由表2可知，所有溶液电荷平衡系数接近于0，溶液基本平衡。由表2和图6可知，方解石和白云石SI<±0.5，相对地下水处于平衡状态，它们是地下水系统中的反应性矿物，控制着地下水的化学成分；而CO2、萤石、石膏和岩盐均处于未饱和状态，表明地下水在流动过程中，若沿途含水层环境中含有这些矿物时，这些矿物将会被地下水溶解直至平衡状态。

/(mg·L-1)

图4　　　　潜水水文地球化学模拟路径水样　　　水化学组分沿路径变化图

2.4可能矿物相的确定

研究区由南向北地层岩性主要分布为砾岩、砂岩、泥岩、卵砾石、砂砾石、中细砂、粉土、粉质黏土，含水层岩性主要为卵砾石、砂砾石、中细砂，以硅酸盐地层为主[5]。南部山区为地下水强烈补给带。

图5　　　　潜水-承压水水文地球化学模拟路径水样　　　水化学组分沿路径变化图

图6　主要矿物饱和指数图

矿物X16X19W61X06X07X04电荷平衡系数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萤石-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岩盐-6.7-6.88-6.87-6.54-7.73-7.63

根据前人地质研究，南部山区地层中分布的矿物主要有石英、长石类矿物、方解石、云母类矿物、白云石、石膏和黏土矿物[9-11]。主要黏土矿物有伊利石、蒙脱石和高岭石[12]。由上文模拟路径水质分析可知，研究区的地下水处于碱性环境，高岭石是长石类矿物在酸性条件下水解的产物[13]，因此，高岭石不作为可能矿物相。对于铝硅酸盐为主的含水系统中，Cl-的来源机理暂不明确，并且在实际情况中，固相NaCl很难找到，因此本次模拟暂不考虑Cl-的来源[14]。综合含水层矿物的分析结果、地下水的化学成分以及矿物饱和指数，选取白云石、方解石、石膏、钠长石、钙蒙脱石、萤石、伊利石、CO2(气体)和阳离子交换剂来进行水文地球化学反向模拟，矿物溶解反应的反应方程式见表3[15]。

表3　各矿物相反应方程式表

3水文地球化学反向模拟结果分析

根据前文选定的矿物相等相关模拟参数，利用PHREEQC分别建立典型剖面潜水和浅层承压水水-岩相互作用模型。由于地下水系统岩性的复杂性及矿物的多样性，选定模拟的反应性矿物可能会大于约束方程，因而造成模型的多解性[16]，应在符合热力学和化学原理的同时，结合当地水文地质条件及地层岩性，以及上文中的各矿物相对溶液的饱和指数来选择与实际情况相近的解来分析解释地下水的演化过程。研究区典型剖面水文地球化学反向模拟最终结果见表4，矿物转移量为正表示溶解，为负表示沉淀，“-”表示在模型中该矿物未参与反应。

表4水-岩相互作用模拟结果表mmol/L

矿物矿物化学式潜水X16-X06潜水X16-X19潜水-承压水X16-X04承压水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萤石CaF20.005-0.0090.006伊利石K0.6Mg0.25Al2.3Si3.5O10(OH)20.012-0.010-0.065-0.024钠长石NaAlSi3O80.001-0.001-0.006-0.002钙蒙脱石Ca0.165Al2.33Si3.67O10(OH)2-0.0130.0100.0660.025

图7　典型剖面地下水化学类型Piper图

图8　典型剖面矿物转移量柱形图(a)

图9　典型剖面矿物转移量柱形图(b)

4结语

应用水文地球化学反向模拟对石河子市地下水进行分析可定量得出控制地下水化学成分的主要矿物转移量以及各化学组分的迁移、转化与富集规律，同时，对认识和了解石河子市地下水的赋存、补径排规律具有参考价值，从而对石河子市地下水的开发利用与水环境保护提供科学依据。

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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

中图分类号：TV12

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.005

作者简介：程凡(1992- )，女，重庆市合川区人，工学硕士，主要从事水土保持工作.

收稿日期：2015-08-06

文章编号：1006—2610(2016)01—0018—05