趙崇欽，康 瑋，陳顯玉，范存良，孟 洋，李曉彤

1.河北地質大學 水資源與環(huán)境學院，河北 石家莊 050021；2.河北省地質環(huán)境監(jiān)測院，河北 石家莊 050021；3.河北地質大學 地球科學學院，河北 石家莊 050021

水文地球化學模擬主要應用于研究地下水化學成分的形成和演變的規(guī)律[1-2]，20世紀90年代以來，隨著計算機快速發(fā)展，水文地球化學模擬方法被頻繁運用到地下水領域，通過計算機模擬能直觀反映出地下水循環(huán)過程中地下水化學組分的形成過程，離子交換、礦物溶解與沉淀以及發(fā)生的水-巖作用等[3-5]。陳建平等采用PHREEQC軟件模擬了地下水中氟的分布特征和演化過程[6]。焦崢瑞用PHREEQC對青島東部樂都盆地水化學過程進行反向模擬，從定量的角度去研究水-巖作用[7]。魏興等研究新疆喀什三角洲地區(qū)的地下水水化學特征，用Gibbs圖、離子比例法、Schoeller圖和PHREEQC軟件進行水化學模擬等方法，探討了新疆喀什三角洲地下水化學特征及演化規(guī)律[8]。綜合上述前人學者研究方法，水文地球化學模擬可以直觀揭示地下水循環(huán)含水層礦物摩爾轉移與判定水化學組分來源，這些研究成果為研究涉縣東風湖泉域地下水特征提供了借鑒，具有十分重要的意義。

東風湖泉域地處河北省涉縣和山西省黎城縣毗鄰地帶，東風湖的泉流量在人工開采、大氣降水影響下，總體上呈現(xiàn)出逐年減少的趨勢，由于涉縣天津鐵廠、東風化肥廠等工業(yè)用水排放、農(nóng)業(yè)灌溉用水以及人類生活用水等導致了東風湖泉域地下水中化學成分發(fā)生改變，從而導致水質變差，水化學場改變等一系列生態(tài)環(huán)境問題[9-10]。結合收集的地下水水質資料，運用水文地球化學模擬研究該區(qū)域地下水化學特征，對涉縣東風湖泉域巖溶地下水管理利用和社會經(jīng)濟發(fā)展有著重要的意義。

1 研究區(qū)概況

河北省邯鄲市涉縣東風湖泉域位于涉縣與黎城縣(山西省長治市東北部)毗鄰地帶，地理坐標為：北緯36°31′～36°51′，東經(jīng)113°21′～113°48′涉縣東與武安市、磁縣交界，西靠近黎城縣和平順縣，南有漳河、濁漳河環(huán)繞，北和山西省左權縣相鄰。東風湖泉域屬暖溫帶大陸性季風氣候，降雨量主要集中在7—9月份，多年平均降水量為578.7 mm。清漳河是涉縣東風湖泉域的主要河流，長度為61 km，寬度大約為430 m，徑流量為2.128×108m3。

研究區(qū)西北部為山區(qū)，東南一帶為盆地，區(qū)內(nèi)斷裂聚集于東部，以涉縣大斷裂為主，該斷裂北東走向，傾角為65°～80°，西北部少見斷裂帶。出露地層由于長期上升剝蝕缺失嚴重，以寒武系(∈)、奧陶系(O)為主，巖性主要有頁巖、泥灰?guī)r、白云巖、灰?guī)r、角礫巖等。研究區(qū)上部由第四系紅黃土構成隔水頂板，中部含水巖組主要為碳酸巖類巖溶裂隙含水巖組，由中上寒武系和奧陶系組成，富水性和透水性都比較好，下部由下寒武饅頭組和震旦系(Z)組成隔水底板。地下水從西北向東南徑流，西北部補給區(qū)主要靠大氣降水補給，雨水通過裂隙、溶孔等通道能直接很好地補給了地下水，還有小部分第四系孔隙含水巖系滲漏補給。接受大氣降水和河流滲漏補給后，沿斷裂帶從西北向東南流動，受該區(qū)域構造體系影響，在涉縣斷裂西北部形成強徑流帶。徑流途中被NNE走向的涉縣斷裂阻隔，在NW走向背斜尾端和NE走向涉縣向斜接壤一帶匯集，在河南店鎮(zhèn)—茨村一帶以泉方式排泄。

2 取樣布設原則與檢測

圖1 采樣點分布圖Fig.1 distribution of Sampling points

地下水溶液的陰陽離子應該達到電荷平衡，表達式如下：

∑Z·mc=∑Z·ma

(1)

式中：mc與ma為陽、陰離子摩爾濃度，Z是水中陰陽離子的電荷數(shù)。

檢查水質數(shù)據(jù)可靠性檢驗表達式：

(2)

E是相對誤差，當|E|<5%表示水質數(shù)據(jù)可靠，若|E|>5%表示該水質數(shù)據(jù)相對誤差大，不可靠。導致相對誤差太大可能是實驗檢測時出錯、漏測了某些陰陽離子或是記錄結果出錯。經(jīng)過誤差檢驗，其涉縣東風湖泉域水質數(shù)據(jù)均可靠。

3 結果與分析

3.1 水化學特征

3.2 水化學組分形成作用分析

3.2.1 地下水化學組分控制因素

圖2 涉縣東風湖泉域地下水化學piper三線圖Fig.2 Piper diagram of groundwater chemical in Shexian Dongfeng Lake

圖3 涉縣東風湖泉域地下水gibbs圖Fig.3 Gibbs diagram of Shexian Dongfeng Lake

3.2.2 離子比例分析

在地下水循環(huán)過程中，將地下水中主要離子組分進行對比，可以進一步發(fā)現(xiàn)涉縣東風湖泉域地下水化學組分的形成作用以及來源(見圖4)[13-14]。

圖4 離子比例圖Fig.4 Ion ratio diagram

從圖4(a)看出研究區(qū)水樣大部分分布于1∶1線上，表明泉域Na+和Cl-基本是來自于鹽巖溶解，徑流區(qū)個別點Cl-比Na+含量高，其原因主要可能是受工業(yè)污染、人類活動影響，導致地下水中Cl-含量增多。

(3-1)

(3-2)

(3-3)

圖5 離子比例圖Fig.5 Ion ratio diagram

Ca2+or Mg2++2NaX(介質)→2Na++CaX2or MgX2

(3-4)

(3-5)

(3-6)

3.3 水文地球化學模擬

水文地球化學模擬則能夠很好解釋地下水中水-巖作用，通過計算機軟件，計算出水質點礦物相的飽和指數(shù)，從而確定某些礦物沉淀溶解狀態(tài)[17-18]。按照同一水流路徑上兩點間質量平衡原理，計算礦物摩爾轉移量，推出化學反應方程式，定量解釋地下水化學特征及演變規(guī)律。根據(jù)上述分析方法結論，本文通過PHREEQC軟件中反向模擬分析涉縣東風湖泉域地下水化學演變規(guī)律[20]。

3.3.1 礦物飽和指數(shù)

表1 水流路徑上飽和指數(shù)Table 1 Saturation index on the water flow path

3.3.2 反向模擬結果

模擬結果見表2：

(1)S1-S2：

水流路徑S1-S2，從西北部補給區(qū)曲里村到南部排泄區(qū)河南店鎮(zhèn)一帶，地下水循環(huán)過程中方解石、石膏、巖鹽溶解，溶解量分別為4.52×10-4mol/L、4.25×10-4mol/L、3.25×10-4mol/L，而白云石沉淀，沉淀量為3.53×10-6mol/L，溶解了4.55×10-4mol/L CO2，陽離子交換為Ca2+-Na+離子，地下水中Ca2+析出了9.94×10-5mol/L，置換出含水介質中1.99×10-4mol/L Na+，水化學類型由HCO3-Ca·Mg型轉為HCO3-Ca型。

表2 反向模擬結果Table 2 Reverse simulation simulation results(mol/L)

(2)S3-S4：

水流路徑S3-S4，從東南部強徑流帶到排泄區(qū)茨村，導致地下水組分發(fā)生變化，主要為白云石與石膏溶解，溶解量為1.77×10-4mol/L和5.26×10-4mol/L，方解石、巖鹽沉淀了5.26×10-4mol/L、1.98×10-4mol/L，反應過程中CO2逸出1.42×10-4mol/L，Ca2+與Na+離子交換朝正向進行，Ca2+析出1.23×10-4mol/L而2.47×10-4mol/L Na+進入地下水。導致該區(qū)域該水流路徑上模擬結果中巖鹽NaCl都呈過飽和狀態(tài)，可能是因為受天津鐵廠等工業(yè)污染影響，產(chǎn)生大量Cl-離子，使其地下水中Cl-離子濃度增高，巖鹽NaCl水解反應朝逆向進行，導致巖鹽沉淀析出。故研究區(qū)水化學類型由徑流區(qū)的HCO3-CaMg型水到排泄區(qū)轉變?yōu)镠CO3SO4-CaMg型水。

4 結論

論文通過對地下水化學組分形成作用分析與水文地球化學模擬，研究了涉縣東風湖泉域巖溶地下水化學特征與演化過程，得出以下主要結論：

(1)研究區(qū)水化學類型以HCO3型水為主，其含水介質主要為海相碳酸鹽巖沉積地層，經(jīng)過溶濾作用使地下水中陽離子以Ca2+、Mg2+為主，整體空間上差異不大，水化學類型主要為HCO3-Ca·Mg型或HCO3-Ca型。

(3)通過反向模擬結果得出：研究區(qū)水流路徑Ⅰ補給區(qū)曲里村(S1)—排泄區(qū)河南店鎮(zhèn)(S2)地下水化學演化過程為方解石、石膏、巖鹽溶解，白云石沉淀，反應過程溶解CO2，陽離子交替吸附為Ca2+—Na+朝正向進行。水流路徑Ⅱ徑流區(qū)井店鎮(zhèn)(S3)—排泄區(qū)茨村(S4)演化過程為方解石、巖鹽沉淀而白云石、石膏溶解，反應過程逸出CO2，Ca2+與Na+離子交換朝正向進行。