吐魯番市某區(qū)域裂隙巖溶水情況及演變模擬分析

魯玉玲

（鄯善縣水管總站, 新疆 鄯善 838200）

1 引言

裂隙巖溶水系統(tǒng)是一種特殊的水文和含水系統(tǒng),其具有完整的補(bǔ)徑排及邊界條件多為溶隙水或管道流的貯存形式[1]。裂隙巖溶水系統(tǒng)隱伏于地下且裂隙巖地區(qū)地質(zhì)條件通常較為復(fù)雜。因此,在受到人為或自然環(huán)境介質(zhì)污染后極難進(jìn)行修復(fù),且污染后的裂隙巖溶水對(duì)周邊水環(huán)境生態(tài)和人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害[2]。通常,裂隙巖溶水會(huì)受到一系列的地球化學(xué)及人為作用影響,因此裂隙巖溶水水文水化學(xué)特性會(huì)隨著水體遷移出現(xiàn)明顯的變化。基于此,對(duì)研究區(qū)域裂隙巖溶水遷移演化過(guò)程的模擬將有助于深入理解研究區(qū)域裂隙巖溶水的內(nèi)在特性,進(jìn)一步地,可以為研究區(qū)域水資源開(kāi)采利用工藝的選定提供有力的理論依據(jù)[3]。

由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署開(kāi)發(fā)的PHREEQE可以對(duì)水—巖間的相互作用進(jìn)行模擬和識(shí)別,是解決水文水化學(xué)與生態(tài)環(huán)境方面的理論問(wèn)題和實(shí)踐問(wèn)題的基礎(chǔ),現(xiàn)已在正向地球化學(xué)模擬應(yīng)用中得到了廣泛地應(yīng)用[4]。耿新新等[5]利用PHREEQC軟件對(duì)大泉地區(qū)地下水化學(xué)演化過(guò)程進(jìn)行了反向模擬,對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析討論,進(jìn)一步的闡明大泉地區(qū)地下水化學(xué)演化過(guò)程。研究結(jié)果表明地下水流向大泉鄉(xiāng)過(guò)程中,方解石、白云石過(guò)飽和產(chǎn)生沉淀,石膏、巖鹽、CO2（g）、長(zhǎng)石類礦物溶解,伊利石、鈣蒙脫石、石英等析出。陳金平等[6]使用PHREEQE軟件,建立了反向模擬-聚類分析聯(lián)合突水水源判別模型,研究了來(lái)自辛置煤礦4個(gè)主要含水層的39組礦井水樣。研究結(jié)果表明：辛置煤礦BT1工作面的突水水源來(lái)自于石炭系K2灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層,突水位置位于K2含水層水樣采樣點(diǎn)附近的其他區(qū)域。何明喜等[7]在PHREEQE軟件正向模擬中加入了針對(duì)性的礦物溶解速率方程,并通過(guò)水化學(xué)的動(dòng)力過(guò)程分析,得到了水文地球化學(xué)正向模擬結(jié)論,研究結(jié)果驗(yàn)證了考慮礦物溶解動(dòng)力學(xué)過(guò)程的正向模擬用以反應(yīng)水質(zhì)演化及水巖作用的可行性。竇順梅等[8]運(yùn)用PHREEQE軟件模擬研究了方解石、高嶺石、鈣蒙脫石、鈉蒙脫石、伊利石、針鐵礦和菱鐵礦的沉淀飽和指數(shù),研究表明礦物間存在相互影響和溶解抑制。

然而尚未有利用PHREEQE軟件對(duì)吐魯番區(qū)域裂隙巖溶水的水文水化學(xué)遷移演變特征模擬的相關(guān)研究。基于此,本文利用PHREEQE軟件對(duì)研究區(qū)域地下水成分?jǐn)?shù)據(jù)的采集,利用PHREEQE軟件對(duì)開(kāi)采區(qū)地下水水化學(xué)遷移特征進(jìn)行模擬,并對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的裂隙巖溶水水位及水溫進(jìn)行研究。

2 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于新疆吐魯番某礦開(kāi)采區(qū)周邊,吐魯番地處亞歐大陸腹地,是新絲綢之路和亞歐大陸橋重要交通樞紐。自然條件獨(dú)特,日照和無(wú)霜期長(zhǎng),光熱資源豐富獨(dú)特,是全國(guó)著名的干熱區(qū),極端高溫達(dá)47.8℃,盆地內(nèi)干燥少雨,全年日照時(shí)數(shù)3200 h,年10℃以上有效積溫達(dá)5300℃以上,年均降水量16 mm,蒸發(fā)量3000 mm以上,無(wú)霜期長(zhǎng)達(dá)280 天～300 天。

3 研究區(qū)域水文水化學(xué)成分

為了探究研究區(qū)域周邊裂隙巖溶水的水化學(xué)遷移特征,對(duì)研究區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)裂隙巖溶水現(xiàn)場(chǎng)取樣。研究區(qū)域裂隙巖溶水徑流途徑為至北向南,在礦區(qū)北側(cè)及南側(cè)分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)涇為A點(diǎn)及B點(diǎn)。

進(jìn)一步地,對(duì)裂隙巖溶水上游A點(diǎn)及下游B點(diǎn)的水位、水溫、酸堿度及離子成分進(jìn)行分析,其中,水位及水溫檢測(cè)間隔為每日,水化學(xué)檢測(cè)為上下游檢測(cè)值的平均值。監(jiān)測(cè)點(diǎn)裂隙巖溶水化學(xué)成分結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 裂隙巖溶水化學(xué)成分表 單位：mmol/L

4 研究區(qū)域水文水化學(xué)特征模擬

4.1 研究區(qū)域裂隙巖溶水水文水化學(xué)遷移模擬方法

PHREEQE水文地球化學(xué)模擬軟件是由美國(guó)地調(diào)局用C語(yǔ)言編寫(xiě),主要用于低溫水文地球化學(xué)計(jì)算的計(jì)算機(jī)程序。PHREEQE擁有強(qiáng)大的水文地球化學(xué)模擬功能,可以用來(lái)解決解決水、巖土、氣體相互作用系統(tǒng)中的平衡、熱力學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。其中包括水溶物配合、吸附-解附、表面配合、溶解沉淀、離子交換、氧化-還原等。PHREEQC實(shí)現(xiàn)了幾種類型的水模型,包括兩種離子締合水模型。進(jìn)一步地,其能夠模擬裂隙巖溶水的地球化學(xué)反演過(guò)程,還能夠模擬批反應(yīng)以及一維運(yùn)移反應(yīng)。另外,當(dāng)PHREEQC與多組分溶質(zhì)移運(yùn)模型耦合后,PHREEQC就可以針對(duì)水系統(tǒng)進(jìn)行三維移運(yùn)過(guò)程模擬。

本研究主要探究裂隙巖溶水水溫、水溫及水化學(xué)演變模擬特征,運(yùn)用PHREEQE模型計(jì)算區(qū)域裂隙巖溶水中主要離子在一定溫度及pH條件下的存在活度,通過(guò)分析不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的離子成分進(jìn)一步表征裂隙巖溶水遷移過(guò)程中的水化學(xué)遷移特征[9]。

4.2 研究區(qū)域裂隙巖溶水水文水化學(xué)遷移模擬原理

在PHREEQE軟件中,過(guò)平衡時(shí)水性物質(zhì)的摩爾濃度計(jì)算體系內(nèi)的總離子強(qiáng)度,公式如下：

式中：mi為離子濃度；zi為離子帶電電荷數(shù)；I為樣品離子強(qiáng)度。

進(jìn)一步地,PHREEQE使用戴維斯方程（Davies equation）計(jì)算化學(xué)成分的濃度及活度[10],公式如下：

式中：γi為離子活度；A為Debye-Hückel常數(shù)；Zi為離子帶電電荷數(shù)；I為樣品離子強(qiáng)度；B為Davies系數(shù)。

4.3 研究區(qū)域水文水化學(xué)成分濃度及活度模擬

采用PHREEQE對(duì)選取的研究區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)A及監(jiān)測(cè)點(diǎn)B的裂隙巖溶水水樣進(jìn)行化學(xué)成分濃度及活度模擬,模擬結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水樣化學(xué)成分濃度及活度結(jié)果

如表2所示,監(jiān)測(cè)點(diǎn)A及B的裂隙巖溶水樣品離子強(qiáng)度分別為0.0025 mol/L及0.0031 mol/L。具體來(lái)說(shuō),監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的陽(yáng)離子和陰離子總數(shù)分別為0.0011 eq/kg（裂隙巖溶水）及0.0010 eq/kg（裂隙巖溶水）；監(jiān)測(cè)點(diǎn)B的陽(yáng)離子和陰離子總數(shù)分別為0.0014 eq/kg（裂隙巖溶水）及0.0016 eq/kg（裂隙巖溶水）。進(jìn)一步地,根據(jù)表2得到裂隙巖溶水不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)A及B的水樣水文水化學(xué)logAc濃度雷達(dá)圖（圖1）。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水樣水文水化學(xué)成分logAC雷達(dá)圖

進(jìn)一步地,如圖2所示,監(jiān)測(cè)點(diǎn)A到監(jiān)測(cè)點(diǎn)B之間的裂隙巖溶水水樣中的主要成分隨著溶水水體的遷移,其高離子活度logAC的水質(zhì)成分主要為Cl-、SO42-、Mn3+及CuSO4（aq）。具體來(lái)說(shuō),監(jiān)測(cè)點(diǎn)A的主要離子成分的活度分別為-1.84、-1.09、-2.23及-2.69；監(jiān)測(cè)點(diǎn)B的主要離子成分的活度分別為-1.64、-1.15、-1.22及-2.57。研究結(jié)果表明,裂隙巖溶水中的離子在研究區(qū)域遷移的過(guò)程中的主要水文水化學(xué)成分活度變化趨勢(shì)較小,即遷移過(guò)程中的水-巖/水-礦相互作用較弱。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水溫變化

4.4 研究區(qū)域裂隙巖溶水水溫及水位分析

進(jìn)一步地,對(duì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)裂隙巖溶水在研究期間的水溫進(jìn)行分析。如圖2所示,隨著裂隙巖溶水在研究區(qū)域表面的遷移,水體的水溫變化幅度較小,水溫在12.7℃～13.3℃之間,水體研究期間平均水溫為13℃。上述研究表明,研究區(qū)域內(nèi)的裂隙巖溶水水溫穩(wěn)定,受當(dāng)?shù)貧夂蜃兓绊戄^小。

該水文地質(zhì)研究區(qū)域共設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),該區(qū)內(nèi)有幾處民用及工業(yè)開(kāi)采井,水位受降雨和開(kāi)采雙重影響。如圖3所示,在研究期間內(nèi),監(jiān)測(cè)點(diǎn)A及B的水位基本保持在14 m以上,但出現(xiàn)了輕微的波動(dòng)。該現(xiàn)象可能歸因于研究區(qū)域內(nèi)的地體礦物成分（麻巖、變粒巖、透輝大理巖、石英巖組合）滲透率較大。上述結(jié)果表明,在研究期間內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水位基本保持不變,受到的降雨和開(kāi)采影響不大。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位變化

5 結(jié)論

本文基于對(duì)某研究區(qū)域周邊不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的裂隙巖溶水成分?jǐn)?shù)據(jù)的采集,利用PHREEQE軟件對(duì)開(kāi)采區(qū)裂隙巖溶水水化學(xué)特征進(jìn)行模擬,并對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的水位水溫等特征進(jìn)行分析,得到了如下結(jié)論：

（1）該研究區(qū)域內(nèi)的裂隙巖溶水中的離子在遷移的過(guò)程中的主要水文水化學(xué)成分活度變化趨勢(shì)較小,即遷移過(guò)程中的水-巖/水-礦相互作用較弱。

（2）該研究區(qū)域內(nèi)的裂隙巖溶水水溫穩(wěn)定,受當(dāng)?shù)貧夂蜃兓绊戄^小,且監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水位基本保持不變,受到的降雨和開(kāi)采影響不大。