徐衍蘭，高宗軍，李佳佳

(1.山東科技大學，山東 青島266590，2.山東煤田地質局第一勘探隊，山東 棗莊 277500)

1 研究背景

一直以來，研究者們對于濟南泉域巖溶地下水的補給來源各執(zhí)一詞。濟西水源有豐富的地下水已成共識，但濟西水源地是否與濟南市區(qū)泉群有水力聯系卻一直備受爭議，濟西水源和市區(qū)泉域水源是“一碗水”還是“兩碗水”成為專家們爭論的焦點。

作者之前通過微量元素分布規(guī)律研究發(fā)現:濟南泉域泉水不僅僅來源于南部山區(qū)，而且東郊及西郊對泉域泉水均有補給。為驗證濟南泉域泉水來源，本文采用2012年5月份于濟南地區(qū)南部石灰?guī)r分布區(qū)所取巖溶地下水水樣(避開雨季的影響)，運用PHREEQC軟件，對趵突泉東側、西側及南部區(qū)域取樣點水樣的Sr、Ba兩種元素的檢測結果進行不同比例混合，以判斷趵突泉水的組成來源。

2 PHREEQC模型及原理簡介

PHREEQC是由美國地質調查局開發(fā)的水文地球化學模擬軟件[1]，用C語言編寫的進行低溫水文地球化學計算的計算機程序，它是在PHREEQE[2]的基礎上發(fā)展而來的，兼容了PHREEQE和NETPATH全部功能，廣泛用于水地球化學計算。Phreeqc功能很強大，可進行正向模擬和反向模擬，幾乎能解決水、氣、巖土相互作用系統(tǒng)中所有平衡熱力學和化學動力學問題，包括水溶物配合、吸附－解吸、離子交換、表面配合、溶解 － 沉淀、氧化 － 還原[3]。

對于多溶質的溶液，PHREEQC使用了一系列的方程來描述水的活度、離子強度、不同相物質溶解平衡、溶液電荷平衡、元素組分平衡、吸附劑表面的質量守恒等等。根據用戶的輸入命令，PHREEQC將選擇其中的某些方程來描述相應的化學反應過程。這些方程組成的方程組，采用改進的牛頓－拉斐遜(Newton－Raphson)方法進行迭代求解[4]。

PHREEQC主要包括數據庫、輸入文件、標準輸出文件和選擇性輸出文件四部分。其中數據庫文件給出了主要離子、礦物質、吸附交換、動態(tài)和平衡化學反應等的表達式和常數?？偨Y前人的研究經驗，PHREEQC共提供了四個數據庫供用戶進行選擇應用。輸入文件是需要用戶編寫的文本文件，文件給出命令(反應模式)供模型讀入并進行模擬，也可以在此文件中對數據庫進行修改和特別選擇計算輸出結果。標準輸出文件是PHREEQC在模擬運算過程中的輸出結果，選擇性輸出文件是根據用戶需要選擇性輸出的計算結果[4]。

國內目前對PHREEQC的應用多限于進行化學組分的分析[5，6]，也有部分學者應用其對溶質運移和動態(tài)化學反應進行分析[7，8]。

3 地下水來源模擬

本次選用Ba、Sr兩種元素進行模擬，選取趵突泉周圍的13個取樣點，如圖1所示。運用PHREEQC軟件對這兩種元素進行不同的比例混合，經過不斷試算，最終模擬混合結果最接近于趵突泉取樣點泉水水質的mix比例見表1，趵突泉實測水質及模擬混合結果見表2。取樣點最終混合比例見圖1。

圖1 取樣點混合比例示意圖

表1 取樣點水樣最佳混合比例

表2 26號趵突泉取樣點實測數值和模擬結果對比表

通過模擬結果可以看出，南部山區(qū)加上東西兩側采樣點數據按比例混合結果與趵突泉水質非常吻合，驗證了泉域泉水來源于各個方向這一觀點的合理性。從模擬結果中，我們可以看出:

(1)泉域東側按離泉域由近及遠的點31，點37，點38的混合比例依次是13.6%，9.5%，9.5%，泉域西南側由近及遠的點27，點24－1，點 24－2混合比例依次是 10.7%，9%，8%，由此說明離趵突泉越近的點參與的混合比例越大，越遠的點參與混合的比例越小，即離趵突泉近的點補給泉水越多，距離趵突泉越遠的點補給泉水越少。

(2)泉域東南側點33、點34距離泉域較近但參與混合比例較小，而點40，點46距離泉域較遠卻參與混合比例較大，可能是局部環(huán)境地質條件差異引起的。

(3)總體來看，東郊對趵突泉的水源補給比例比西郊的大;按取樣點位置相近原則，選取點37，點38為東郊代表點，點24－1，點24－2為西郊代表點，模擬結果也可以看出東郊補給泉域的比例大于西郊。

4 結語

通過運用PHREEQC軟件模擬結果可以看出，南部山區(qū)加上東、西兩側采樣點數據按比例混合結果與趵突泉水質非常吻合，驗證了泉域泉水來源于各個方向這一結論，濟南趵突泉水是多源補給的[9]。東側和西南側距離趵突泉較近的點補給泉水越多，距離趵突泉越遠的點補給泉水越少，東南側由于一段千佛山斷裂阻水，不符合這一規(guī)律。此外，從模擬結果也可以看出東郊補給泉域泉水的比例大于西郊。

由于研究區(qū)地質條件的復雜性，采樣時沒有弄清楚所采地下水所處地層年代、巖石性質等地質環(huán)境條件，在運用PHREEQC軟件模擬各取樣點最佳混合比例時，未考慮母巖及遷移途徑中巖石成分對泉水微量元素的影響，得出的結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]徐樂昌.地下水模擬常用軟件介紹[J].鈾礦冶.2002，21(1):33－38.

[4]毛曉敏，劉翔.Barry D A.PHREEQC在地下水溶質反應－運移模擬中的應用[J].水文地質工程地質.2004(2):20－24.

[5]王東勝，曾濺輝.地下水化學組分存在形式的計算及其意義[J].水文地質工程地質.1999，26(6):48 －51.

[6]張建立，李東艷，賈國東.大慶齊家水源地Fe存在形式的研究[J].水文地質工程地質.1999.26(3):43 －45.

[7]李廣玉，葉思源，魯靜，等.膠州灣底層水痕量元素組分存在形態(tài)及其生物有效性[J].世界地質.2006，25(1):71－75.

[8]高柏，史維浚，孫占學.PHREEQC在研究地浸溶質遷移過程中的應用[J].華東地質學院學報.2002，25(2):132 －135.

[9]高宗軍，徐軍祥，王世臣，等.濟南巖溶水微量元素分布特征及其水文地質意義[J].地學前緣.2010.5，21(3):1 －12.