滹沱河地下水超采區人工回灌的水巖相互作用模擬

耿新新，張鳳娥，朱譜成，馬琳娜，陳 立，郭春艷

(1.中國地質科學院水文地質環境地質研究所，石家莊 050061；2.中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京 100083；3.自然資源部地下水科學與工程重點實驗室，石家莊 050061)

1 實驗背景與實驗方法

1.1 場地概況及含水層特征

回灌試驗場地位于石家莊市藁城區梨園莊村東北角(圖1)，東西寬約400 m，南北長約500 m，由4個回灌井和8個觀測井組成。回灌目標含水層為埋深39～60 m處的砂層，產狀近水平，巖性由灰白色細砂、灰黃色中粗砂、灰黃色含礫粗砂及少量礫石組成，該含水層橫向延伸性好，富水性強，單井涌水量1 000～3 000 m3/d，具有較強的回灌潛力[16]。

圖1 回灌場地平、剖面圖Fig.1 Plan and section of the groundwater artificial recharge site

表1 含水介質的粒徑占比Table 1 Particle size ratio of aqueous medium %

表2 含水介質可溶鹽測試結果Table 2 Test results of soluble salt in aqueous medium mg?kg-1

1.2 場地地下水與回灌水水質特征

表3 灌渠水與地下水水質測試結果Table 3 Water quality test results of surface water and groundwater mg/L

1.3 實驗方案

實際回灌過程中回灌水源與地下水的混合比隨時間不斷變化[11]，本次實驗將灌渠水與場地地下水分別以3 ∶1、1 ∶1及1 ∶3的比例進行混合，并與回灌含水層中的3種不同粒徑的介質發生水巖反應，給定不同的實驗編號(表4)代回灌水與地下水混合帶中不同部位在回灌不同時段的水-巖相互作用過程。

表4 實驗方案Table 4 Experimental scheme

實驗采用9個規格大小相同的馬氏瓶作為反應容器。首先，將回灌目標含水層的代表性巖芯樣品各取3份，每份4 kg，放入不同的馬氏瓶中；再將3種不同混合比例的水樣分別從裝有不同介質的馬氏瓶底部緩緩注入，使氣泡完全從巖樣中排出，當注入水樣微微淹沒實驗介質時，即停止注水，并利用橡皮塞封住馬氏瓶頂端瓶口。將裝有混合水樣及實驗介質的馬氏瓶放置在恒溫箱中，恒定溫度的設置依據現場測定的地下水溫為16 ℃。

2 回灌含水層水質變化規律

2.1 pH、Eh及TDS變化特征

pH、Eh及TDS變化特征如圖2所示。實驗初始時刻，不同混合水樣中的pH值均介于灌渠水和地下水之間，且混合水樣之間的pH值差異較小。隨著水-巖相互作用時間的增加，混合水樣中的pH值的變化特征為均在0～72 h時段內明顯升高，在72 h后趨于穩定并與地下水的pH值相當，這說明在0～72 h時段受水-巖作用的影響導致pH值向堿性方向發展，并在72 h后達到了新的酸堿平衡狀態(圖2(a))。混合水樣中Eh值的變化趨勢與水的pH變化趨勢恰好相反，其變化特征均為在0～72 h時段內明顯減小，72 h后趨近地下水的Eh值，說明水-巖相互作用過程中混合水樣的還原性逐漸增強(圖2(b))。由此可知，隨著混合水與含水介質相互作用時間的增長，混合水中的pH與Eh值會逐漸恢復到原有地下水的大小。

不同占比的混合水與含水介質作用后總溶解固體的(TDS)質量濃度均呈先增大后減小的變化特征，但不同混合比的水樣與不同粒徑含水介質反應后，TDS變幅表現為：在同種粒徑含水介質中，混合水中地表水占比越大，則TDS變幅越大；在同一混合比例條件下，粒徑越小的含水介質中混合水的TDS變幅越大(圖2(c))。

2.2 主要離子變化特征

圖3 回灌含水層中主要離子質量濃度隨時間變化特征Fig.3 Time-varying characteristics of the concentration of major ions in the recharged aquifer

3 結果分析與討論

3.1 混合作用

3.2 碳酸平衡作用

圖離散點圖Fig.4 Discrete point diagram of and pH

3.3 溶解沉淀作用

利用Na+與Cl-毫克當量γ(meq/L)的比值可判斷水-巖相互作用過程中Na+、Cl-的礦物來源[17]。實驗起止時刻不同混合比水樣中γ(Na+)、γ(Cl-)離散點均分布于直線的上方(圖5)，圖中黑色直線為γ(Na+)/γ(Cl-)=1，且實驗過程中γ(Na+)、γ(Cl-)離散點向右上方漂移，表明水-巖相互作用過程中Na+、Cl-質量濃度升高受鹽巖和硅鋁酸鹽礦物溶解控制。此外，結合含水介質特征可知水-巖反應過程中K+質量濃度升高受含水介質可溶鹽中的鉀鹽和鉀長石的溶解控制。

圖5 γ(Na+)/γ(Cl-)的離散點圖Fig.5 Discrete point diagram of γ(Na+)and γ(Cl-)

圖的離散點圖Fig.6 Discrete point diagram of γ(Ca2++Mg2+)

朗格利爾指數(LSI)可反映水-巖作用過程中方解石是否產生沉淀[21]。實驗過程中LSI隨時間變化曲線(圖7)顯示，不同混合比水樣中的LSI值大小次序均為3 ∶1>1 ∶1>1 ∶3>0(灌渠水 ∶地下水)。隨著水-巖相互作用時間的增長，混合水樣中的LSI值均逐漸增大在t=48 h時均大于0.5，并在72 h后趨于穩定，而當LSI>0.5時表明水中可產生方解石沉淀。由此可知，利用灌渠水回灌地下水的混合帶中可產生方解石沉淀。

圖7 LSI隨時間變化曲線Fig.7 Time-varying curves of LSI

3.4 硝化作用

表5 混合水樣在0～96 h內的質量濃度增量一覽表Table increment of mixed water samples within 0-96 h mg/L

3.5 反向水文地球化學模擬

表6 反向水文地球化學模擬結果Table 6 The results of inverse hydrogeochemical models mmol/L

結合實驗過程中主要離子濃度的變化特征和反向水文地球化學模擬結果，可將混合帶中水-巖相互作用過程歸結為如下化學反應：

NaCl→Na++Cl-，

(1)

(2)

Mg2+(lq)→ Ca2+(sd)，

(3)

2KAlSi3O8+4H2O→2Al(OH)3+6SiO2+2K++2OH-，

(4)

2NalSi3O8+4H2O→2Al(OH)3+6SiO2+2Na++2OH-，

(5)

(6)

(7)

0.165Ca2++ 2.33Al(OH)3+3.67SiO2+7.34H2O→Ca0.165Al2.33Si3.67O10(OH)2+0.33H++9.67H2O。

(8)

3.6 討 論

1)碳酸巖鹽沉淀是地下水人工回灌過程中導致化學堵塞的主要因素之一[23]，但回灌過程中水化學演化導致的化學堵塞的時間尺度跨度非常大，因此通常采用水文地球化學模型開展礦物沉淀風險的評估[24,25]。對比表5中反向水文地球化學模擬結果可知，在相同介質不同混合比條件下水中的方解石沉淀量大小依次均為3 ∶1>1 ∶1>1 ∶3，相同混合比水樣與不同粒徑的介質作用后方解石沉淀量大小依次均為砂樣3>砂樣2>砂樣1，表明地表水占比越大、含水介質粒徑越細方解石的沉淀量越高。由此可推斷在場地回灌過程中，長期利用當地地表水通過回灌井補給地下水時，在井壁附近粒徑較細的含水層位發生碳酸巖鹽類型化學堵塞的風險較高。

4 結 論

1)隨著回灌層位混合帶水-巖相互作用時間的增長，混合水的pH與Eh值會逐漸恢復到與原地下水一致，TDS變化特征表現為先增大后緩慢降低，且地表水占比越大、含水介質粒徑越細，則其變幅越大。

3)水-巖相互作用過程中溶解的礦物有石膏、鉀長石、鈉長石及鹽巖，析出的礦物有方解石、鈣蒙脫石及石英，且地表水占比越大、含水介質粒徑越細方解石的沉淀量越大。回灌過程中在地表水占比大且粒徑較細的含水層中發生碳酸巖鹽化學堵塞的風險較高。