碭山縣淺層地下水鹽分反向水文地球化學(xué)模擬研究

何家寶，楊章賢

(安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，安徽 合肥 230001)

地下水是碭山縣工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活重要的供水水源，但由于水質(zhì)性超標(biāo)導(dǎo)致的水資源供需矛盾十分突出，碭山縣普遍存在淺層地下水鹽分(TDS)偏高的地下水質(zhì)問(wèn)題，采用鹽分(TDS)含量較高的地下水進(jìn)行灌溉影響自然植物或農(nóng)作物生長(zhǎng)，直接制約著人們的生產(chǎn)生活。為了定量刻畫(huà)各種水文地球化學(xué)作用對(duì)碭山縣淺層地下水化學(xué)形成的作用，本文利用Phreeqc軟件對(duì)碭山縣含水層進(jìn)行水文地球化學(xué)反向模擬，加深對(duì)碭山縣地下水化學(xué)成分形成的認(rèn)識(shí)，確定各種混合作用的比例以及各種礦物的溶解沉淀量，為碭山縣淺層地下水鹽分(TDS)防控提供理論依據(jù)。

1 淺層地下水鹽分分布特征及危害

碭山縣淺層地下水鹽分含量一般為0.5～1.9 g/L，大于1 g/L的分布地區(qū)占該縣總面積的22%～35%，水化學(xué)類型復(fù)雜，以HCO3·Cl-Na·Ca型、HCO3·Cl-Na·Mg·Ca型和HCO3·Cl-Na型為主，。在二十世紀(jì)七十年代，淺層地下水鹽分含量較高的地區(qū)主要分布在玄廟鎮(zhèn)權(quán)集鄉(xiāng)、官莊壩鎮(zhèn)西南部、曹莊鎮(zhèn)北部、唐寨鎮(zhèn)西部、良梨鎮(zhèn)東部地區(qū)，近年來(lái)淺層地下水鹽分含量較高的地區(qū)主要分布在周寨鎮(zhèn)西部、官莊壩鎮(zhèn)西部與東南部、曹莊鎮(zhèn)西北部、趙屯鎮(zhèn)南部、關(guān)帝廟鎮(zhèn)東部、李莊鎮(zhèn)西部、朱樓鎮(zhèn)西北部、良梨鎮(zhèn)東南部、唐寨鎮(zhèn)、程莊鎮(zhèn)北部地區(qū)，呈條帶狀或孤島狀分布于泛濫微高地、決口沖積扇、扇前洼地等局部地區(qū)，由于地形平緩，淺層地下水逕流幾乎處于停滯狀態(tài)，長(zhǎng)期的蒸發(fā)濃縮作用，使該地區(qū)淺層地下水鹽分增高，導(dǎo)致淺層地下水口感不良，有苦澀味，長(zhǎng)期飲用并可引起腹瀉、腹痛等癥狀，并且使作物根系吸水困難，影響作物正常生長(zhǎng)，嚴(yán)重的會(huì)造成作物死亡，甚至還會(huì)引起土壤次生鹽堿化。

2 模擬準(zhǔn)備工作

2.1 模擬路徑的選擇

水文地球化學(xué)反向模擬要求反向模擬的水樣點(diǎn)處于上下游位置，即在同一水流路徑中。根據(jù)碭山縣鹽分(TDS)的空間分布特征，最終確定了2條模擬路徑，路徑(1)：官莊壩鎮(zhèn)龍?zhí)洞鍦y(cè)試點(diǎn)(DX15)→ 曹莊鎮(zhèn)魏莊村(DX18)；路徑(2)：李莊鎮(zhèn)汪黑樓村(DX39)→ 李莊鎮(zhèn)賈樓村(DX38)。如圖1所示。

圖1 模擬路徑選擇圖

2.2 沿反應(yīng)路徑水化學(xué)演化特征

繪制兩條模擬路徑上豐水期和枯水期各離子濃度演化圖(圖2～圖5)，沿各路徑水化學(xué)演變規(guī)律分析如下：

圖2 路徑(1)豐水期水化學(xué)演化圖

圖3 路徑(1)枯水期水化學(xué)演化圖

圖4 路徑(2)豐水期水化學(xué)演化圖

圖5 路徑(2)枯水期水化學(xué)演化圖

路徑(1)：從水樣點(diǎn)DX15到DX18，豐水期Na+、Cl-、HCO3-離子濃度和 TDS 值都呈明顯上升趨勢(shì)，Ca2+、Mg2+、SO42-離子呈緩慢減小趨勢(shì)。枯水期由于蒸發(fā)作用顯著，所有離子都呈下降趨勢(shì)。

路徑(2)：從水樣點(diǎn)DX39到DX38，豐水期Na+、Mg2+、HCO3-離子濃度和 TDS 值均顯著呈上升趨勢(shì)，Ca2+、Cl-、SO42-離子濃度降低。枯水期除Mg2+、SO42-離子，其余離子和TDS都有明顯降低。

2.3 可能礦物相和約束變量的確定

在水流路徑中所發(fā)生的反應(yīng)往往取決于含水介質(zhì)的礦物成分及其環(huán)境，即“可能礦物相”。根據(jù)碭山縣的水文地質(zhì)條件、含水層巖性特征以及水質(zhì)分析結(jié)果，選取方解石、白云石、石膏和巖鹽、鉀鹽作為參與水巖作用的主要礦物相。另外，在碳酸鹽巖的溶解沉淀過(guò)程中CO2全程參與，CO2也作為模型的輸入相，陽(yáng)離子交替吸附作用用NaX、MgX2、CaX2表示，選擇K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-作為約束變量。

飽和指數(shù)能反映常見(jiàn)的含有碳酸鹽類、硫酸鹽類和硅酸鹽類等礦物與地下水之間所處的溶解平衡狀態(tài)，飽和指數(shù)(SI)是水文地球化學(xué)中經(jīng)常用到的一個(gè)能夠判斷和研究礦物相在地下水中的飽和狀態(tài)的指標(biāo)。飽和指數(shù)的定義是：

(1)

式中：IAP為離子活度積，即組成某難溶鹽類的陰、陽(yáng)離子活度之積；KSP為礦物在某溫度下溶解反應(yīng)的溶度積常數(shù)。

當(dāng)(SI)> 0 時(shí)，表示該礦物相對(duì)水溶液處于過(guò)飽和的狀態(tài);當(dāng) SI = 0 時(shí)，表示水溶液與礦物處于平衡狀態(tài)，當(dāng)(SI)<0時(shí)，表示礦物相對(duì)水溶液未達(dá)到飽和狀態(tài),這是反向水文地球化學(xué)模擬計(jì)算的基礎(chǔ)。各礦物飽和指數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，由表可以看出：在所選取的兩條水流路徑上，石膏、巖鹽和鉀鹽的飽和指數(shù)均小于0，說(shuō)明它們?cè)谒芯达柡蜖顟B(tài)，地下水有能力繼續(xù)溶解這些礦物；路徑2上方解石和白云石的飽和指數(shù)均大于0，說(shuō)明它們?cè)谒刑幱陲柡蜖顟B(tài)，有繼續(xù)溶解的趨勢(shì)，必須注意的是，并非所有SI>0的礦物相都可以沉淀，因?yàn)榉磻?yīng)速率慢可導(dǎo)致體系長(zhǎng)時(shí)間處于不平衡狀態(tài)。

表1 地下水礦物飽和指數(shù)SI

3 模擬過(guò)程與結(jié)果分析

將水質(zhì)數(shù)據(jù)輸入 Phreeqc 軟件后，開(kāi)始進(jìn)行反向模擬，通過(guò)調(diào)整路徑起、終點(diǎn)的不確定度使得模擬結(jié)果中解數(shù)最少，并且不確定限小于0.09，最后選擇符合實(shí)際情況的解。模擬結(jié)果如表2所示。

表2 地下水模擬路徑模擬結(jié)果匯總 mmol/L

表2定量地說(shuō)明了在不同時(shí)期路徑(1)、(2)中各個(gè)礦物的轉(zhuǎn)化和遷移的過(guò)程和數(shù)值。將表中數(shù)據(jù)制成柱狀圖，如圖6、圖7所示：

圖6 豐水期模擬結(jié)果柱狀圖

圖7 枯水期模擬結(jié)果柱狀圖

豐水期：路徑(1)中方解石、巖鹽、鉀鹽發(fā)生了溶解作用，白云石、石膏發(fā)生了沉淀作用，同時(shí)，地下水中的Ca2+將介質(zhì)Na+中的交換出來(lái)，使得地下水中NaX的含量增大而CaX2的含量減少，發(fā)生了陽(yáng)離子交換作用。

綜合來(lái)看，路徑(1)中沿路徑水巖作用模型的主要反應(yīng)可歸納為：

路徑(2)中方解石、白云石、CO2發(fā)生了溶解反應(yīng)，石膏、鉀鹽發(fā)生了沉淀反應(yīng)，NaX和CaX2發(fā)生了陽(yáng)離子交換作用。二氧化碳?xì)怏w不斷溶于水中產(chǎn)生H+，有利于礦物溶解。

綜合來(lái)看，路徑(2)中沿路徑水巖作用模型的主要反應(yīng)可歸納為：

枯水期：路徑(1)中方解石發(fā)生了溶解反應(yīng)，白云石、石膏、巖鹽、鉀鹽發(fā)生了沉淀反應(yīng)，CO2的釋放，同時(shí)地下水中的Mg2+將介質(zhì)Na+中的交換出來(lái)，使得地下水中NaX的含量增大而MgX2的含量減少，發(fā)生了陽(yáng)離子交換作用。

綜合來(lái)看，路徑(1)中沿路徑水巖作用模型的主要反應(yīng)可歸納為：

路徑(2)中方解石、巖鹽發(fā)生了沉淀，白云石、石膏發(fā)生溶解反應(yīng)，Na+和Ca2+發(fā)生了陽(yáng)離子交換作用，并伴隨著CO2的釋放。

綜合來(lái)看，路徑(1)中沿路徑水巖作用模型的主要反應(yīng)可歸納為：

4 結(jié)語(yǔ)

綜合上述模擬分析結(jié)果可知，豐水期水巖相互作用相對(duì)枯水期較為強(qiáng)烈，且兩個(gè)時(shí)期發(fā)生的水巖作用差別較大，豐水期礦物的溶解作用較為強(qiáng)烈，枯水期多發(fā)生沉淀反應(yīng)。豐水期主要水巖作用為：方解石、白云石、巖鹽的溶解，石膏的沉淀，二氧化碳?xì)怏w的溶解，Na+主要來(lái)源于巖鹽的溶解，使得Na+、Cl-濃度增加，同時(shí)發(fā)生了陽(yáng)離子交替吸附作用，使得Na+含量大于Cl，這與離子比例分析所得結(jié)果一致，石膏的沉淀作用使得Ca2+和Mg2+濃度減少，這與水樣測(cè)試結(jié)果一致。枯水期主要水巖作用為方解石、白云石、巖鹽的沉淀、石膏的溶解作用、CO2逸出。巖鹽的沉淀使Na+濃度減小，方解石白云石的沉淀、CO2逸出使得Ca2+、Mg2+和CO2濃度減少，這與水樣測(cè)試結(jié)果一致。