基于水文地球化学模拟分析——以涉县东风湖泉域岩溶地下水为例

赵崇钦，康 玮，陈显玉，范存良，孟 洋，李晓彤

1.河北地质大学 水资源与环境学院，河北 石家庄 050021；2.河北省地质环境监测院，河北 石家庄 050021；3.河北地质大学 地球科学学院，河北 石家庄 050021

水文地球化学模拟主要应用于研究地下水化学成分的形成和演变的规律[1-2]，20世纪90年代以来，随着计算机快速发展，水文地球化学模拟方法被频繁运用到地下水领域，通过计算机模拟能直观反映出地下水循环过程中地下水化学组分的形成过程，离子交换、矿物溶解与沉淀以及发生的水-岩作用等[3-5]。陈建平等采用PHREEQC软件模拟了地下水中氟的分布特征和演化过程[6]。焦峥瑞用PHREEQC对青岛东部乐都盆地水化学过程进行反向模拟，从定量的角度去研究水-岩作用[7]。魏兴等研究新疆喀什三角洲地区的地下水水化学特征，用Gibbs图、离子比例法、Schoeller图和PHREEQC软件进行水化学模拟等方法，探讨了新疆喀什三角洲地下水化学特征及演化规律[8]。综合上述前人学者研究方法，水文地球化学模拟可以直观揭示地下水循环含水层矿物摩尔转移与判定水化学组分来源，这些研究成果为研究涉县东风湖泉域地下水特征提供了借鉴，具有十分重要的意义。

东风湖泉域地处河北省涉县和山西省黎城县毗邻地带，东风湖的泉流量在人工开采、大气降水影响下，总体上呈现出逐年减少的趋势，由于涉县天津铁厂、东风化肥厂等工业用水排放、农业灌溉用水以及人类生活用水等导致了东风湖泉域地下水中化学成分发生改变，从而导致水质变差，水化学场改变等一系列生态环境问题[9-10]。结合收集的地下水水质资料，运用水文地球化学模拟研究该区域地下水化学特征，对涉县东风湖泉域岩溶地下水管理利用和社会经济发展有着重要的意义。

1 研究区概况

河北省邯郸市涉县东风湖泉域位于涉县与黎城县(山西省长治市东北部)毗邻地带，地理坐标为：北纬36°31′～36°51′，东经113°21′～113°48′涉县东与武安市、磁县交界，西靠近黎城县和平顺县，南有漳河、浊漳河环绕，北和山西省左权县相邻。东风湖泉域属暖温带大陆性季风气候，降雨量主要集中在7—9月份，多年平均降水量为578.7 mm。清漳河是涉县东风湖泉域的主要河流，长度为61 km，宽度大约为430 m，径流量为2.128×108m3。

研究区西北部为山区，东南一带为盆地，区内断裂聚集于东部，以涉县大断裂为主，该断裂北东走向，倾角为65°～80°，西北部少见断裂带。出露地层由于长期上升剥蚀缺失严重，以寒武系(∈)、奥陶系(O)为主，岩性主要有页岩、泥灰岩、白云岩、灰岩、角砾岩等。研究区上部由第四系红黄土构成隔水顶板，中部含水岩组主要为碳酸岩类岩溶裂隙含水岩组，由中上寒武系和奥陶系组成，富水性和透水性都比较好，下部由下寒武馒头组和震旦系(Z)组成隔水底板。地下水从西北向东南径流，西北部补给区主要靠大气降水补给，雨水通过裂隙、溶孔等通道能直接很好地补给了地下水，还有小部分第四系孔隙含水岩系渗漏补给。接受大气降水和河流渗漏补给后，沿断裂带从西北向东南流动，受该区域构造体系影响，在涉县断裂西北部形成强径流带。径流途中被NNE走向的涉县断裂阻隔，在NW走向背斜尾端和NE走向涉县向斜接壤一带汇集，在河南店镇—茨村一带以泉方式排泄。

2 取样布设原则与检测

图1 采样点分布图Fig.1 distribution of Sampling points

地下水溶液的阴阳离子应该达到电荷平衡，表达式如下：

∑Z·mc=∑Z·ma

(1)

式中：mc与ma为阳、阴离子摩尔浓度，Z是水中阴阳离子的电荷数。

检查水质数据可靠性检验表达式：

(2)

E是相对误差，当|E|<5%表示水质数据可靠，若|E|>5%表示该水质数据相对误差大，不可靠。导致相对误差太大可能是实验检测时出错、漏测了某些阴阳离子或是记录结果出错。经过误差检验，其涉县东风湖泉域水质数据均可靠。

3 结果与分析

3.1 水化学特征

3.2 水化学组分形成作用分析

3.2.1 地下水化学组分控制因素

图2 涉县东风湖泉域地下水化学piper三线图Fig.2 Piper diagram of groundwater chemical in Shexian Dongfeng Lake

图3 涉县东风湖泉域地下水gibbs图Fig.3 Gibbs diagram of Shexian Dongfeng Lake

3.2.2 离子比例分析

在地下水循环过程中，将地下水中主要离子组分进行对比，可以进一步发现涉县东风湖泉域地下水化学组分的形成作用以及来源(见图4)[13-14]。

图4 离子比例图Fig.4 Ion ratio diagram

从图4(a)看出研究区水样大部分分布于1∶1线上，表明泉域Na+和Cl-基本是来自于盐岩溶解，径流区个别点Cl-比Na+含量高，其原因主要可能是受工业污染、人类活动影响，导致地下水中Cl-含量增多。

(3-1)

(3-2)

(3-3)

图5 离子比例图Fig.5 Ion ratio diagram

Ca2+or Mg2++2NaX(介质)→2Na++CaX2or MgX2

(3-4)

(3-5)

(3-6)

3.3 水文地球化学模拟

水文地球化学模拟则能够很好解释地下水中水-岩作用，通过计算机软件，计算出水质点矿物相的饱和指数，从而确定某些矿物沉淀溶解状态[17-18]。按照同一水流路径上两点间质量平衡原理，计算矿物摩尔转移量，推出化学反应方程式，定量解释地下水化学特征及演变规律。根据上述分析方法结论，本文通过PHREEQC软件中反向模拟分析涉县东风湖泉域地下水化学演变规律[20]。

3.3.1 矿物饱和指数

表1 水流路径上饱和指数Table 1 Saturation index on the water flow path

3.3.2 反向模拟结果

模拟结果见表2：

(1)S1-S2：

水流路径S1-S2，从西北部补给区曲里村到南部排泄区河南店镇一带，地下水循环过程中方解石、石膏、岩盐溶解，溶解量分别为4.52×10-4mol/L、4.25×10-4mol/L、3.25×10-4mol/L，而白云石沉淀，沉淀量为3.53×10-6mol/L，溶解了4.55×10-4mol/L CO2，阳离子交换为Ca2+-Na+离子，地下水中Ca2+析出了9.94×10-5mol/L，置换出含水介质中1.99×10-4mol/L Na+，水化学类型由HCO3-Ca·Mg型转为HCO3-Ca型。

表2 反向模拟结果Table 2 Reverse simulation simulation results(mol/L)

(2)S3-S4：

水流路径S3-S4，从东南部强径流带到排泄区茨村，导致地下水组分发生变化，主要为白云石与石膏溶解，溶解量为1.77×10-4mol/L和5.26×10-4mol/L，方解石、岩盐沉淀了5.26×10-4mol/L、1.98×10-4mol/L，反应过程中CO2逸出1.42×10-4mol/L，Ca2+与Na+离子交换朝正向进行，Ca2+析出1.23×10-4mol/L而2.47×10-4mol/L Na+进入地下水。导致该区域该水流路径上模拟结果中岩盐NaCl都呈过饱和状态，可能是因为受天津铁厂等工业污染影响，产生大量Cl-离子，使其地下水中Cl-离子浓度增高，岩盐NaCl水解反应朝逆向进行，导致岩盐沉淀析出。故研究区水化学类型由径流区的HCO3-CaMg型水到排泄区转变为HCO3SO4-CaMg型水。

4 结论

论文通过对地下水化学组分形成作用分析与水文地球化学模拟，研究了涉县东风湖泉域岩溶地下水化学特征与演化过程，得出以下主要结论：

(1)研究区水化学类型以HCO3型水为主，其含水介质主要为海相碳酸盐岩沉积地层，经过溶滤作用使地下水中阳离子以Ca2+、Mg2+为主，整体空间上差异不大，水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型或HCO3-Ca型。

(3)通过反向模拟结果得出：研究区水流路径Ⅰ补给区曲里村(S1)—排泄区河南店镇(S2)地下水化学演化过程为方解石、石膏、岩盐溶解，白云石沉淀，反应过程溶解CO2，阳离子交替吸附为Ca2+—Na+朝正向进行。水流路径Ⅱ径流区井店镇(S3)—排泄区茨村(S4)演化过程为方解石、岩盐沉淀而白云石、石膏溶解，反应过程逸出CO2，Ca2+与Na+离子交换朝正向进行。