PHREEQC在济南泉水来源判别中的应用与效果

徐衍兰，高宗军，李佳佳

(1.山东科技大学，山东 青岛266590，2.山东煤田地质局第一勘探队，山东 枣庄 277500)

1 研究背景

一直以来，研究者们对于济南泉域岩溶地下水的补给来源各执一词。济西水源有丰富的地下水已成共识，但济西水源地是否与济南市区泉群有水力联系却一直备受争议，济西水源和市区泉域水源是“一碗水”还是“两碗水”成为专家们争论的焦点。

作者之前通过微量元素分布规律研究发现:济南泉域泉水不仅仅来源于南部山区，而且东郊及西郊对泉域泉水均有补给。为验证济南泉域泉水来源，本文采用2012年5月份于济南地区南部石灰岩分布区所取岩溶地下水水样(避开雨季的影响)，运用PHREEQC软件，对趵突泉东侧、西侧及南部区域取样点水样的Sr、Ba两种元素的检测结果进行不同比例混合，以判断趵突泉水的组成来源。

2 PHREEQC模型及原理简介

PHREEQC是由美国地质调查局开发的水文地球化学模拟软件[1]，用C语言编写的进行低温水文地球化学计算的计算机程序，它是在PHREEQE[2]的基础上发展而来的，兼容了PHREEQE和NETPATH全部功能，广泛用于水地球化学计算。Phreeqc功能很强大，可进行正向模拟和反向模拟，几乎能解决水、气、岩土相互作用系统中所有平衡热力学和化学动力学问题，包括水溶物配合、吸附－解吸、离子交换、表面配合、溶解 － 沉淀、氧化 － 还原[3]。

对于多溶质的溶液，PHREEQC使用了一系列的方程来描述水的活度、离子强度、不同相物质溶解平衡、溶液电荷平衡、元素组分平衡、吸附剂表面的质量守恒等等。根据用户的输入命令，PHREEQC将选择其中的某些方程来描述相应的化学反应过程。这些方程组成的方程组，采用改进的牛顿－拉斐逊(Newton－Raphson)方法进行迭代求解[4]。

PHREEQC主要包括数据库、输入文件、标准输出文件和选择性输出文件四部分。其中数据库文件给出了主要离子、矿物质、吸附交换、动态和平衡化学反应等的表达式和常数。总结前人的研究经验，PHREEQC共提供了四个数据库供用户进行选择应用。输入文件是需要用户编写的文本文件，文件给出命令(反应模式)供模型读入并进行模拟，也可以在此文件中对数据库进行修改和特别选择计算输出结果。标准输出文件是PHREEQC在模拟运算过程中的输出结果，选择性输出文件是根据用户需要选择性输出的计算结果[4]。

国内目前对PHREEQC的应用多限于进行化学组分的分析[5，6]，也有部分学者应用其对溶质运移和动态化学反应进行分析[7，8]。

3 地下水来源模拟

本次选用Ba、Sr两种元素进行模拟，选取趵突泉周围的13个取样点，如图1所示。运用PHREEQC软件对这两种元素进行不同的比例混合，经过不断试算，最终模拟混合结果最接近于趵突泉取样点泉水水质的mix比例见表1，趵突泉实测水质及模拟混合结果见表2。取样点最终混合比例见图1。

图1 取样点混合比例示意图

表1 取样点水样最佳混合比例

表2 26号趵突泉取样点实测数值和模拟结果对比表

通过模拟结果可以看出，南部山区加上东西两侧采样点数据按比例混合结果与趵突泉水质非常吻合，验证了泉域泉水来源于各个方向这一观点的合理性。从模拟结果中，我们可以看出:

(1)泉域东侧按离泉域由近及远的点31，点37，点38的混合比例依次是13.6%，9.5%，9.5%，泉域西南侧由近及远的点27，点24－1，点 24－2混合比例依次是 10.7%，9%，8%，由此说明离趵突泉越近的点参与的混合比例越大，越远的点参与混合的比例越小，即离趵突泉近的点补给泉水越多，距离趵突泉越远的点补给泉水越少。

(2)泉域东南侧点33、点34距离泉域较近但参与混合比例较小，而点40，点46距离泉域较远却参与混合比例较大，可能是局部环境地质条件差异引起的。

(3)总体来看，东郊对趵突泉的水源补给比例比西郊的大;按取样点位置相近原则，选取点37，点38为东郊代表点，点24－1，点24－2为西郊代表点，模拟结果也可以看出东郊补给泉域的比例大于西郊。

4 结语

通过运用PHREEQC软件模拟结果可以看出，南部山区加上东、西两侧采样点数据按比例混合结果与趵突泉水质非常吻合，验证了泉域泉水来源于各个方向这一结论，济南趵突泉水是多源补给的[9]。东侧和西南侧距离趵突泉较近的点补给泉水越多，距离趵突泉越远的点补给泉水越少，东南侧由于一段千佛山断裂阻水，不符合这一规律。此外，从模拟结果也可以看出东郊补给泉域泉水的比例大于西郊。

由于研究区地质条件的复杂性，采样时没有弄清楚所采地下水所处地层年代、岩石性质等地质环境条件，在运用PHREEQC软件模拟各取样点最佳混合比例时，未考虑母岩及迁移途径中岩石成分对泉水微量元素的影响，得出的结果的合理性有待于深入研究。

[1]Parkhurst D L，Appelo C A J.User＇s guide to PHREEQC(Version 2)－A computer program for speciation，batch－reaction，one－dimensional transport，and inverse geochemical calculations[J]，Water－ Resources Investigations Report 99 － 4259，Denver，Colorado，1999.

[2]Parkhurst D L，Thorstenson D C，Plummer，L N.PHREEQE － A computer program for geochemical calculations.U.S.Geoloeical Survey Water－Resources Investigations Report 80－96，1980(Revised and reprinted)，August，1990.

[3]徐乐昌.地下水模拟常用软件介绍[J].铀矿冶.2002，21(1):33－38.

[4]毛晓敏，刘翔.Barry D A.PHREEQC在地下水溶质反应－运移模拟中的应用[J].水文地质工程地质.2004(2):20－24.

[5]王东胜，曾溅辉.地下水化学组分存在形式的计算及其意义[J].水文地质工程地质.1999，26(6):48 －51.

[6]张建立，李东艳，贾国东.大庆齐家水源地Fe存在形式的研究[J].水文地质工程地质.1999.26(3):43 －45.

[7]李广玉，叶思源，鲁静，等.胶州湾底层水痕量元素组分存在形态及其生物有效性[J].世界地质.2006，25(1):71－75.

[8]高柏，史维浚，孙占学.PHREEQC在研究地浸溶质迁移过程中的应用[J].华东地质学院学报.2002，25(2):132 －135.

[9]高宗军，徐军祥，王世臣，等.济南岩溶水微量元素分布特征及其水文地质意义[J].地学前缘.2010.5，21(3):1 －12.