石家庄地表水径流演变模拟分析

秦 壮

（河北省石家庄水文勘测研究中心,河北 石家庄 050000）

1 引言

地表水资源作为水资源的重要组成部分,与人类关系最为密切,受人类影响最为显着[1]。通常地表水径流迁移过程中会受到一系列的水-岩/水-矿相互作用影响,因此研究区域地表水水化学特性会随着水体迁移出现明显的变化。基于此,对地表水径流水文迁移演化过程的模拟将有助于深入理解研究区域地表水的内在特性,进一步地开展地表水径流水文模拟研究对于理解和优化水资源配置具有重要意义[2]。

PHREEQE 由美国地质调查署开发,该软件现已在正向地球化学模拟应用中得到了广泛应用[3]。本文通过对地表水成分数据的采集,利用PHREEQE 软件对地表水水化学迁移特征进行模拟,为水资源的高效合理配置提供参考。

2 研究区概况

石家庄是河北省省会城市,属于环渤海经济圈,是京津冀城市群中京保石发展轴的南部顶点,位于北纬37°27'～38°47',东经113°30'～115°20'之间,东面与衡水接壤,南面与邢台毗连,西面与山西接壤,北面连接保定。地势自西北向东南倾斜,依次形成山区、丘陵、平原、湿地等阶梯地貌特征,山地面积占总面积的70%。研究区域位置见图1。

图1 研究区域位置

3 地表水径流离子成分

为了探究研究区域地表水径流水文变化,拟对岗南水库下游随径流不同点进行取样。如图2 所示,该研究区域地表水流经途径为从A 监测点到B 监测点,两个监测点均为研究期间拟定。

图2 地表水流域位置

对地表水上游A 点及下游B 点的水位、水温、酸碱度及离子成分进行分析,其中,水温检测间隔为每日,水化学检测为上下游检测值的平均值。监测点地表水化学成分结果见表1。

表1 地表水化学成分表单位：mmol/L

4 地表水径流离子特征模拟

4.1 地表水径流水文水化学迁移模拟方法

PHREEQC V3是用C和C++编程语言编写的计算机程序,旨在执行各种水地球化学计算。PHREEQC 是能够计算多种水文条件下的水文化学反应的一种计算机软件,其名称来源于pH、REDOX 及Equilibrium 的缩写组合。PHREEQC 实现了几种类型的水模型：两种离子缔合水模型（劳伦斯利弗莫尔国家实验室模型和WATEQ4F）、Pitzer 特定离子相互作用水模型和SIT（特定离子相互作用理论）水模型。使用这些水模型中的任何一个,PHREEQC 都具有：（1）物种形成和饱和指数计算的能力；（2）可逆和不可逆反应的间歇反应和一维（1D）输运计算,包括水、矿物、气体、固溶体、表面络合和离子交换平衡,以及反应物的特定摩尔转移,动力学控制的反应、溶液的混合以及压力和温度的变化；（3）逆向建模,它发现了矿物和气体摩尔转移的集合,这些转移解释了在特定成分不确定性范围内水之间的成分差异。

本研究主要探究石家庄地表水径流水文水化学演变模拟特征,运用PHREEQE 模型计算典型地表水中主要的离子在一定温度及pH 条件下的存在形态,通过分析不同监测点的离子成分进一步表征地表水迁移过程中的水化学迁移特征。在模拟过程中,输入模型的参数包括离子浓度、pH 及温度等[4]。

4.2 地表水径流水文水化学迁移模拟原理

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。流动模型能够阐明地表水中因水的流动引起的速度场和位势场,它和弥散度孔隙度结合起来就可描述地表水的流动过程,据此可以计算物质的迁移性质,公式如下：

式中：C为水中组分的物质的量,mol/m3；t为时间,s；K为渗透系数；h为迁移水头,m；l为迁移水体压力势能；z为迁移水体所处位置的势能。

具体来说,在饱和区域中描述物质量C,发生均匀层状迁移过程时,饱和带模型方程为达西公式[5]。

4.3 研究区域水文水化学成分浓度及活度模拟

采用PHREEQE 对选取的地表水径流监测点A 及监测点B 的地表水水样进行化学成分浓度及活度模拟,模拟结果见表2。

表2 水样化学成分浓度及活度结果

根据表2 得到研究区域的地表水径流在不同监测点A 及B 的水样水文水化学成分浓度柱状图（图3）。

图3 监测点水样化学成分浓度柱状图

如表3 所示,监测点A 及B 的地表水径流样品离子强度分别为0.0564 mol/L 及0.0656 mol/L。具体来说,监测点A 的阳、阴离子总数分别为0.021 eq/kg（地表水）及0.031 eq/kg（地表水）；监测点B 的阳、阴离子总数分别为0.025 eq/kg（地表水）及0.036 eq/kg（地表水）。如图3 所示,监测点地表水水样中的主要成分随着地表水水体的迁移, 其主要离子态成分主要为Cl-、SO42+、Fe（OH）2+、Mn3+及Ca3（OH）42+。研究结果表明,地表水中的离子在研究区域地表迁移的过程中受到的水-岩作用较弱,其主要无机化学成分变化较小,地表水径流水质基本保持良好。

4.4 研究区域水文水化学成分占比分析

对不同监测点地表水文水化学成分浓度的占比进行分析。如图4a 所示,随着地表水在研究区域河道从A 点到B点的迁移,水体中的Al（OH）4-浓度不断增加,同时另一种溶于水体的Al（OH）3（aq）几乎全部消失。如图4 b 所示,与Al 离子相似,Ca2（OH）22+浓度随着水体迁移不断减低,同时Ca3（OH）42+浓度则随着水体的迁移不断上升。上述结果表明,在特征pH 及水温的条件下,地表水中Al（OH）4-及Ca3（OH）42+随着研究区域地表水的迁移种类出现了明显的上升。

图4 水样化学成分占比结果

5 结论

本文对研究区域地表水径流不同监测点（A 监测点及B监测点）的地表水水文水化学成分数据的采集,模拟地表水水文水化学特征,得到了如下结论：

（1）该研究区域地表水水样中的离子在迁移的过程中的水-岩作用较弱,水质成分保持较好。

（2）PHREEQE 对不同监测点的地表水水样的化学成分形式占比模拟结果表明,随着地表水水体的迁移, Al（OH）4-及Ca3（OH）42+出现了明显的上升。