砀山县浅层地下水盐分反向水文地球化学模拟研究

何家宝，杨章贤

(安徽省地质环境监测总站，安徽 合肥 230001)

地下水是砀山县工农业生产和生活重要的供水水源，但由于水质性超标导致的水资源供需矛盾十分突出，砀山县普遍存在浅层地下水盐分(TDS)偏高的地下水质问题，采用盐分(TDS)含量较高的地下水进行灌溉影响自然植物或农作物生长，直接制约着人们的生产生活。为了定量刻画各种水文地球化学作用对砀山县浅层地下水化学形成的作用，本文利用Phreeqc软件对砀山县含水层进行水文地球化学反向模拟，加深对砀山县地下水化学成分形成的认识，确定各种混合作用的比例以及各种矿物的溶解沉淀量，为砀山县浅层地下水盐分(TDS)防控提供理论依据。

1 浅层地下水盐分分布特征及危害

砀山县浅层地下水盐分含量一般为0.5～1.9 g/L，大于1 g/L的分布地区占该县总面积的22%～35%，水化学类型复杂，以HCO3·Cl-Na·Ca型、HCO3·Cl-Na·Mg·Ca型和HCO3·Cl-Na型为主，。在二十世纪七十年代，浅层地下水盐分含量较高的地区主要分布在玄庙镇权集乡、官庄坝镇西南部、曹庄镇北部、唐寨镇西部、良梨镇东部地区，近年来浅层地下水盐分含量较高的地区主要分布在周寨镇西部、官庄坝镇西部与东南部、曹庄镇西北部、赵屯镇南部、关帝庙镇东部、李庄镇西部、朱楼镇西北部、良梨镇东南部、唐寨镇、程庄镇北部地区，呈条带状或孤岛状分布于泛滥微高地、决口冲积扇、扇前洼地等局部地区，由于地形平缓，浅层地下水迳流几乎处于停滞状态，长期的蒸发浓缩作用，使该地区浅层地下水盐分增高，导致浅层地下水口感不良，有苦涩味，长期饮用并可引起腹泻、腹痛等症状，并且使作物根系吸水困难，影响作物正常生长，严重的会造成作物死亡，甚至还会引起土壤次生盐碱化。

2 模拟准备工作

2.1 模拟路径的选择

水文地球化学反向模拟要求反向模拟的水样点处于上下游位置，即在同一水流路径中。根据砀山县盐分(TDS)的空间分布特征，最终确定了2条模拟路径，路径(1)：官庄坝镇龙潭村测试点(DX15)→ 曹庄镇魏庄村(DX18)；路径(2)：李庄镇汪黑楼村(DX39)→ 李庄镇贾楼村(DX38)。如图1所示。

图1 模拟路径选择图

2.2 沿反应路径水化学演化特征

绘制两条模拟路径上丰水期和枯水期各离子浓度演化图(图2～图5)，沿各路径水化学演变规律分析如下：

图2 路径(1)丰水期水化学演化图

图3 路径(1)枯水期水化学演化图

图4 路径(2)丰水期水化学演化图

图5 路径(2)枯水期水化学演化图

路径(1)：从水样点DX15到DX18，丰水期Na+、Cl-、HCO3-离子浓度和 TDS 值都呈明显上升趋势，Ca2+、Mg2+、SO42-离子呈缓慢减小趋势。枯水期由于蒸发作用显著，所有离子都呈下降趋势。

路径(2)：从水样点DX39到DX38，丰水期Na+、Mg2+、HCO3-离子浓度和 TDS 值均显著呈上升趋势，Ca2+、Cl-、SO42-离子浓度降低。枯水期除Mg2+、SO42-离子，其余离子和TDS都有明显降低。

2.3 可能矿物相和约束变量的确定

在水流路径中所发生的反应往往取决于含水介质的矿物成分及其环境，即“可能矿物相”。根据砀山县的水文地质条件、含水层岩性特征以及水质分析结果，选取方解石、白云石、石膏和岩盐、钾盐作为参与水岩作用的主要矿物相。另外，在碳酸盐岩的溶解沉淀过程中CO2全程参与，CO2也作为模型的输入相，阳离子交替吸附作用用NaX、MgX2、CaX2表示，选择K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-作为约束变量。

饱和指数能反映常见的含有碳酸盐类、硫酸盐类和硅酸盐类等矿物与地下水之间所处的溶解平衡状态，饱和指数(SI)是水文地球化学中经常用到的一个能够判断和研究矿物相在地下水中的饱和状态的指标。饱和指数的定义是：

(1)

式中：IAP为离子活度积，即组成某难溶盐类的阴、阳离子活度之积；KSP为矿物在某温度下溶解反应的溶度积常数。

当(SI)> 0 时，表示该矿物相对水溶液处于过饱和的状态;当 SI = 0 时，表示水溶液与矿物处于平衡状态，当(SI)<0时，表示矿物相对水溶液未达到饱和状态,这是反向水文地球化学模拟计算的基础。各矿物饱和指数的计算结果见表1，由表可以看出：在所选取的两条水流路径上，石膏、岩盐和钾盐的饱和指数均小于0，说明它们在水中均未饱和状态，地下水有能力继续溶解这些矿物；路径2上方解石和白云石的饱和指数均大于0，说明它们在水中处于饱和状态，有继续溶解的趋势，必须注意的是，并非所有SI>0的矿物相都可以沉淀，因为反应速率慢可导致体系长时间处于不平衡状态。

表1 地下水矿物饱和指数SI

3 模拟过程与结果分析

将水质数据输入 Phreeqc 软件后，开始进行反向模拟，通过调整路径起、终点的不确定度使得模拟结果中解数最少，并且不确定限小于0.09，最后选择符合实际情况的解。模拟结果如表2所示。

表2 地下水模拟路径模拟结果汇总 mmol/L

表2定量地说明了在不同时期路径(1)、(2)中各个矿物的转化和迁移的过程和数值。将表中数据制成柱状图，如图6、图7所示：

图6 丰水期模拟结果柱状图

图7 枯水期模拟结果柱状图

丰水期：路径(1)中方解石、岩盐、钾盐发生了溶解作用，白云石、石膏发生了沉淀作用，同时，地下水中的Ca2+将介质Na+中的交换出来，使得地下水中NaX的含量增大而CaX2的含量减少，发生了阳离子交换作用。

综合来看，路径(1)中沿路径水岩作用模型的主要反应可归纳为：

路径(2)中方解石、白云石、CO2发生了溶解反应，石膏、钾盐发生了沉淀反应，NaX和CaX2发生了阳离子交换作用。二氧化碳气体不断溶于水中产生H+，有利于矿物溶解。

综合来看，路径(2)中沿路径水岩作用模型的主要反应可归纳为：

枯水期：路径(1)中方解石发生了溶解反应，白云石、石膏、岩盐、钾盐发生了沉淀反应，CO2的释放，同时地下水中的Mg2+将介质Na+中的交换出来，使得地下水中NaX的含量增大而MgX2的含量减少，发生了阳离子交换作用。

综合来看，路径(1)中沿路径水岩作用模型的主要反应可归纳为：

路径(2)中方解石、岩盐发生了沉淀，白云石、石膏发生溶解反应，Na+和Ca2+发生了阳离子交换作用，并伴随着CO2的释放。

综合来看，路径(1)中沿路径水岩作用模型的主要反应可归纳为：

4 结语

综合上述模拟分析结果可知，丰水期水岩相互作用相对枯水期较为强烈，且两个时期发生的水岩作用差别较大，丰水期矿物的溶解作用较为强烈，枯水期多发生沉淀反应。丰水期主要水岩作用为：方解石、白云石、岩盐的溶解，石膏的沉淀，二氧化碳气体的溶解，Na+主要来源于岩盐的溶解，使得Na+、Cl-浓度增加，同时发生了阳离子交替吸附作用，使得Na+含量大于Cl，这与离子比例分析所得结果一致，石膏的沉淀作用使得Ca2+和Mg2+浓度减少，这与水样测试结果一致。枯水期主要水岩作用为方解石、白云石、岩盐的沉淀、石膏的溶解作用、CO2逸出。岩盐的沉淀使Na+浓度减小，方解石白云石的沉淀、CO2逸出使得Ca2+、Mg2+和CO2浓度减少，这与水样测试结果一致。