（水文学及水资源专业论文）曹妃甸地区地下水水化学场形成作用初步研究.pdf

s t u d y o nt h ef o r m a t i o ne f f e c to fg r o u n d w a t e r h y d r o c h e m i c a lf i e l di nc a o f e i d i a na r e a m 旬o r ：h y d r o l o g ya n dw 乱e rr e s o u r c e s d i r e c t i o no fs t u d y ：s u s t a i n a b l eu s eo fw r a t e rr e s o u r c e s g r a d u a t es t u d e n t ： z h a n gw e i ji n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gw e i c o l l e g eo f e n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n d e n g i n e e r i n g g u i l i nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s e p t e m b e r 2 0 0 8t oa p r i l ，2 01o 一 一o 一 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对论文的 完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) ：銎! 堑塾 签字日期_ 塑生：益j 塞 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权( 学 校) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的学 位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：私z 衫都 签字日期：弘，口年二月坫日 导师签字： 签字日期：力加年多月3 日 桂林理工大学硕士学位论文 摘要 随着曹妃甸地区开发建设规模的不断扩大，地下水开采量与日俱增和不断加剧的其他人类活动， 深刻改变了地下水的天然赋存环境和区域水循环条件，可利用的地下水资源日趋减少，引发了一些相 关的水资源环境问题，如地面沉降、海( 咸) 水入侵、湿地退化等，严重影响了该地区工农业的发展。 因而，对该地区地下水水化学场形成作用进行系统的研究，查明地下水化学场时空演变规律，具有重 要的理论意义和实际价值。 本文在野外调查和水样采集的基础上，首先阐述了曹妃甸地区地下水水动力场的变化规律，其次 分析了地下水水化学类型的分布规律，然后研究了地下水水化学场形成的主要作用，最后为了进一步 了解地下水系统中所发生的水文地球化学作用，本次研究根据区域水文地质条件，沿着地下水流动方 向选择典型剖面，确定发生化学反应的可能矿物相和约束变量，采用反向水文地球化学模拟软件 p h r e c q c 进行水岩相互作用模拟，得到地下水水化学演化的最终结果。通过本次研究取得以下研究成 果： 曹妃甸地区浅层地下水多为咸水，总开采量较小，浅层地下水水动力场大体上保持天然状态，深 层地下水是曹妃甸地区地f 水的主要开采层位，受承压水补给条件差和长期超采影响，水位有所下降， 局部地区出现降落漏斗，并有范围扩大的趋势。 曹妃甸地区浅层地下水基本都为高矿化的c l - n a 型，深层地下水以低矿化的h c 0 3 - n a 型为主， 水化学类型具有一定的水平分带规律性。2 0 0 8 年和2 0 0 9 年地下水水化学类型自北向南总体变化均为 h c 0 3 c 1 n a c a _ h c 0 3 - n a 。c ”h c 0 3 - n ”h c 0 3 。c 1 n a 。 通过p h r a i q c 软件对同一水流路径的采样点进行反向模拟，得出在模拟水流路径上主要发生方解 石、白云石、岩盐、萤石溶解反应和石膏沉淀反应，同时伴随着阳离子交换作用。 本次研究在定性分析了曹妃甸地区地下水水化学形成作用的基础上，首次利用反向水文地球化学 模拟方法对该区深层地下水进行水岩作用模拟，定量的分析了地下水的演化过程，揭示了水化学场 的形成机理，为该区水化学场形成作用研究开辟了一个新的有效途径。 关键词：地下水动力场：地下水化学场；水文地球化学模拟；曹妃甸地区 桂林理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l g 谢t l lt h es l eo fd e v e l o p m e n t 锄dc o n s 咖c t i 硼c e 弱i n ge x p 娜i i nc a o f e i d i 锄a r 瞄，t h e e x p l o i t a t i o f 孕0 u n d 、j l ，a t 盯g r c wd 时b yd a ya n do t l l e rb 心咀孤a c t i v i t i 髓w i t hi 1 1 c 托日s i l l gi n t e n s i t y h a d p m f 0 u n m yc h a n g e dt l l en a t i l m l 似i 朋m n c ee n 啊r o n m e n to f 孕0 u n 小锨a n dr e 舀o n a l 、张t e rc y c l ec c m d i t i o n ， b u tt h e a v a i l a b i l i 哆o f 孕伽n d w a t 盯r 铭o u r c 嚣d i m 诚s h i i l g ， h 勰c 矾硌o ds o m er e l a t e dw a t e r 职s o t l r c e e n “r 0 咖n e n t a lp b l 锄ss u c h 鹤l a n d 吼i b s i d e n ，s e a ( s a l 劝w a t 盯i n v a s i o n ，w e t l a n dd e 誉i n e m t i a n ds o ，s 商叽si i l f l u 饥c e dm ed 帆l o p m e n to fi l l d i 培t 叮孤da 鲥c u l t i l i i it l l i sa a t h e 他f 0 地，s t l l d y l ef o m m t i o ne f to ft h e 孕d u n d 帆t e rh ) d r o c h e i i i i c a l 矗e l d c l ra b o u tt l 怆s l 豫c e - t i i n ee v o l u t i o nm l eo ft h e 目0 l m d 、a t 盯h y h o c h 锄i c a lf i e l d ，h 弱 n l p o r t a l l tt l l r ) rs i g n i f i c 柚c e 锄da c t i l a lv a l u e t h i sa n i d eb 勰e d0 nf i e l di l i v 髓d g a 曲n 觚d 、张t e rs 锄p l i n g ，缸t l ye l a b o m t e dt 1 1 ec h 锄g em l eo fn 圮 鲈0 u n d w a t 盯h y d r 0 ) r i l 锄i c f i e l di n c 的硒d i 锄a 旭a ，c o n d l y 锄a l y t l l ed i s t r i b u t e dm l eo fm e 伊o u n d 、a t 盯h y d r o c h 锄i c a lt y p e ，l h 锄s t i l d y l ef o m a t i o ne f i to fl l l e 掣0 u n d w a t e rh y d r o c h e m i c a lf i e l d ， f - m a l l yt 0f i l m l 盯陀a l i z et l l eh y d r o g c h e m i 蛐叮t i o n si i lt l l e 孕沁l d w a t e rs y s t 锄，t h i sr e s 翩r c ha c r d i n g t 0h y d m l o g i c a lc o n d i t i o nt 0c h o t h et y l ，i c a ls t i a l o n g 诵mt l l e 伊。岫d 、张衙n u x i o nd i i e c t i o n ，吐l e p o s s i b l em i n e m lf l a c i 骼铀db o u n dv a u r i a t et l l a tm a yb i n gt 0c h 啪i c a lr e a c t i o nw i l lb ec o n f m e d ，t l l e 、v a t 甜q d c k i i l t e m c t i o ns i m u l a t i o n 、蕊nb e g e tb yt h ei n v e 心eh y d r o g e o c h e m i s t 叮s i i n u l a t i o ns o f t w 撇 p h r e e q c ，孤dw ec 柚g 血m ef m a l 心跚l to ft l l e 灿a t i cc h 锄i c a le v o l u t i o n o b t a i n sm ef o l l o 谢n gf i n d i n g s t h r o 岫g ht l l i sr e s e 吡血： t h es h a l l o w 孕0 u n d w a t c ra l m o s ta 托s a l t ) r 、张t e ri i lc a o f e i d i 锄盯e a t h eg r o s sp r o u d t i o ni s 锄a l l ，d l e h y d r o d y n 锄i cf i e l do fs h a l l o w 黟d u n d w a t e rm a i l l t a i l ln a t i l r eo nt l l ew h o l e ；t h ed e p mg r o 蚰( h v a t e ri sm e m i nm i n i n gp o s i t i o ni l lc a o 衔( 1 i 锄a 膨i 啪d e rt l l ei i i n u e i l c eo ft h eb a d 如p p l i e sc o n d i t i o no ft h ec o n f i n e d 、a t e f 锄dl o n g t e l l nu l 仃ap i c l ( s ，t l l e 、张t 盯l e v e ld r o p s ，t h el o c a la r e ap f e s e n t st h el a n d i n g 允仰e l ，a n dh a st h e t e n d e n c yw h i c hm g e e x t c i l s i o n s h a l l o w 鲫d w a t 盯a 砖c h a r a c t e r i z e d 、) l r i t hh i g l ls a l i n i t yc i - n aw a t e ra n dt h ed e 印g r o u n d w a t e r p r i i i l 撕l yl o wm i n 锨l i 盈t i o nh c 0 3 - n aw a 衙i nc a o f e i d i a na r e a ，t h ec h 啪i c a lt y p eo fg r o u n d w a t e ri s c h a r a c t 甜z e d1 j l r i mah o r i z o n t a lz o m lc h 锄c t 酣s t i c t h eo v e r a l lc h a n g eo ft h eg r o u n d w a t e rh y d r o c h 锄i c a l t y p e 丘d mn o n l lt os o u t hi sh c 0 3 c l - n a 。c a _ h c 0 3 n a c a _ h c 0 3 - n a h c 0 3 c i n ai n2 0 0 8y e a ra n di n 2 0 0 9y e 盯 b a s e d0 nn l er e 、，e r s es i l l l u l a t i o nt os a m p l i n gp o i n ti nt h ei d e n t i c a ln u e n tw a yb yp h r e e q c ，o b t a i nt h a t m ec h i e fa c t i o n so nt h es i m u l a t e dn u e n tw a ya r et h es o l u t i o no fc a l c i t e ，d o l o m i l e ，r o c ks a l t ，n u o r i t ea n dt h e p r e c i p i 切舡o no fg ) ，p s 啪，锄dt h ee x c h a i l g eo f p o s i t i v ei o n t h i s r c s e a r c hb a s e do nt l l e q l m l i t a t i v ea l l a l y s i sf o rt l l ef o m a t i o nf u n c t i o no ft h eg r o u n d w a t e r 桂林理工大学硕士学位论文 h y b 油c i i l i s 廿yi i lc a o f e i d i a na r e a ，u s 鼯m er e v e r h y m d g 伽曲“s 缸ys i m u l a t i m 烈h o dt 0c a n yo nt l l e w a t 廿屯m g 缸c 矗s i n m l a t i o no f t l l e d e p t l lg r c m n d w 掀f 1 0 fm ef i l 戳t i m e h 勰q u o t a 锄a l y z et l l e e v o l u t i o n a f yp i o c 懿so f 孕o u n d 、v a t e r p m m u l g a t e d l ef o m a t i o nm e c h a n i 锄o f t h eh y ( h o c h 锄i c a lf i e l d t l l l 玛 t 0 叩an e we 伍c i 饥tp a l hf 0 r 懈“i h t h ef o r m a t i 劬c t i o no fh 1 ，d r o c h e m i c a lf i e l do f 粤0 u n d 、v a t 盯 f b rm i sa r e a k e yw 0 溅：g r o l l i l d w a t e rh 灿d y n 锄i cf i e l d ；g r 0 啪d w a t 盯h y d 雠h 锄i c a lf i e l d ；h y d r o 舭h 锄i s 仃y s i 瑚【u l a t i o n ：c a o 传i d i a na r e a 桂林理工大学硕士学位论文 目次 第l 章引言l 1 1 问题的提出及研究意义。l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 地下水动力场研究2 1 2 2 地下水化学场研究2 1 3 研究内容和创新点4 1 3 1 研究内容4 1 3 2 仓0 新点5 1 4 研究思路与技术路线5 1 4 1 研究思路一5 1 4 2 技术路线5 1 5 本章小结6 第2 章研究区概况7 2 1 自然地理概况7 2 1 1 地理位置7 2 1 2 地形地貌8 2 1 3 气侯9 2 1 4 水文9 2 1 5 社会经济。9 2 1 6 地下水资源开发利用现状和土地利用类型9 2 2 地质、水文地质概况l l 2 2 1 地质概况1 1 2 2 2 水文地质概况：1 4 2 3 本章小结15 第3 章地下水动力场演变规律研究1 6 3 1 区域地下水动力场变化1 6 3 1 1 浅层地下水流场1 6 3 1 2 深层地下水流场1 7 3 2 重点地区地下水动力场变化2 l 3 2 1 浅层地下水流场2 1 3 2 2 深层地下水流场2 1 3 3 深层地下水水位年际变化2 2 3 4 地下水动态特征2 3 i v 桂林理工大学硕士学位论文 3 5 地下水流场与水动态变化特征一2 6 3 6 本章小结2 7 第4 章地下水化学场演变规律研究2 9 4 1 区域地下水化学特征2 9 4 1 1 浅层地下水化学特征2 9 4 1 2 深层地下水化学特征3 0 4 2 重点地区地下水化学特征一3l 4 2 1 浅层地下水化学特征3 2 4 2 2 深层地下水化学特征3 2 4 3 地下水水质的变化动态3 3 4 3 1 浅层地下水水质变化3 3 4 3 2 深层地下水水质变化3 5 4 4 本章小结3 7 第5 章水化学形成作用3 9 5 1 地下水化学特征分析3 9 5 1 1 丫n a h c l 。系数3 9 5 1 2g i b b s 图一4 0 5 1 3 离子组合比值4 l 5 1 4 地下水成分来源和作用4 2 5 2 反向水文地球化学反应路径模拟4 3 5 2 1 反向水文地球化学模拟的原理4 3 5 2 2 反向水文地球化学模拟的数学模型4 4 5 2 3 数值求解4 5 5 2 4 反向水文地球化学模拟的步骤4 5 5 2 5 典型剖面的反向水文地球化学模拟4 6 5 3 本章小结4 9 第6 章结论与建议。5 2 6 1 结j 沦5 2 6 2 建议5 3 致 射5 4 参考文献5 5 作者简介5 8 v 桂林理工大学硕士学位论文 1 1 问题的提出及研究意义 第1 章引言 曹妃甸地处唐山南部的渤海湾西岸，位于天津港和京唐港之间。“面向大海有深槽， 背靠陆地有滩涂 是曹妃甸最明显的自然地理特征，是渤海湾唯一不需开挖航道和港池 即可建设- 3 0 万吨级大型泊位的“钻石级”港址，被誉为“国宝之地”，为大型深水港口 建设和临港产业发展提供了优越条件。 曹妃甸工程2 0 0 2 年开发建设全面启动，2 0 0 6 年3 月，被列入国家“十一五”发展规 划。2 0 0 7 年5 月3 日，中石油公司在冀东油田附近的浅海中发现了1 0 亿吨储量的南堡油 田。按照规划，到2 0 1 0 年将完成投资1 5 0 0 2 0 0 0 亿元，并形成大港口、大钢铁、大能源、 大化工的发展格局。曹妃甸开发建设规模是前所未有的。大规模的填海造地、临港工业、 港口设施建设及冀东南堡油田大规模开发等对水资源的需求量越来越大，持续大量的开 采地下水，将可能造成地面沉降【】【2 】、海( 咸) 水入侵3 】【4 】、湿地退化【5 1 等环境地质问题或地 质灾害。为此，中国地质调查局于2 0 0 7 2 0 1 0 年间组织开展了国土资源大调查项目“河 北曹妃甸滨海地区海岸带环境地质调查评价”( 项目编码：1 2 1 2 0 1 0 8 1 4 0 0 5 ) 和河北省国土 资源厅项目“曹妃甸区域开发地质环境保障调查评价”( 项目编码：1 2 1 2 0 1 0 9 1 4 0 2 3 ) ，取 得了一系列丰硕成果，深化了对研究区内水文地质条件的认识，为重大工程建设安全和 水资源安全提供了地质环境保障。 然而，尽管该项目投入了大量的工作，但受研究区面积大的影响，勘查过程中单位 面积上投入的工作量有限，勘察精度还较低。随着曹妃甸开发建设规模的扩大，地下水 开采量与日俱增，水资源开发后对当地生态环境的影响是无法估量的，目前取得的成果 以及现有的地下水资源勘查研究程度将具有相对的滞后性。因此，如何合理开发和保护 曹妃甸地区地下水资源，是迫切需要解决的问题。 基于以上事实，针对地下水开发利用后产生的重大水文地质和环境地质问题研究方 面的不足，本次以曹妃甸地区为研究区，以地下水水化学场的形成作用为主要研究目标， 阐明了地下水水动力场在时间和空间上的变化规律及地下水水化学特征的分布规律，重 点分析了地下水水化学形成的主要作用，并应用反向水文地球化学模拟技术对地下水的 水岩相互作用进行模拟，得到了控制地下水水化学演化的反应路径。通过本课题的研究 对曹妃甸地区地下水系统产生一个整体上的新认识，在定性分析了水化学形成作用的基 础上，定量的揭示了地下水的演化过程，从而掌握其地下水水化学场演化规律，为曹妃 甸地区地下水资源的合理开发利用、生态环境保护决策和水质评价提供技术支持和参考 依据。 林理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 华北平原地下水演化研究是我国最早的地下水环境演化研究项卧6 1 ，1 9 9 3 1 9 9 6 年， 张宗祜等人以华北平原第四系地下水系统的自然条件为依据，叠加人为影响因素，探讨 了地下水动力场和地下水化学场的演化与发展，为华北平原的资源可持续发展奠定了基 础。该项目是地下水动力场和水化学场研究相结合的成功实例，对后续地下水演化研究 具有重要的借鉴意义【7 1 。下面分别对地下水演化的两个主要方面进行分析。 1 2 1 地下水动力场研究 地下水循环和变异强烈影响着其它物质的循环与变迁，因此，在环境演化过程中， 地下水系统中蕴藏着环境演变的丰富信息。目前，用于研究地下水动力场的方法主要有 地下水动力学法、水化学方法、同位素水文学方法【7 j 。朱学愚等( 1 9 9 4 ) 利用有限元方 法和线性规划法相结合，对山东临淄地区的裂隙岩溶水进行了数值模拟，并建立地下水 资源管理模型【8 】。李振拴( 1 9 9 5 ) 利用地下水中化学组分时间一浓度的关系，计算了山西 延河泉域岩溶地下水的储留时间【9 】。陈友嫒( 2 0 0 2 ) 采用水化学分析方法对非洲博茨瓦 纳的帕拉匹水源地进行分析，表明有两层水化学类型不同的含水层，而且地下水主要在 裂隙网络中运动【1 0 】。于艳青等( 2 0 0 5 ) 用地下水d 、婚。同位素特征分析得出宁夏南部清 水河平原地下水补给主要来源于大气降删】。l n p l l | m m e r 等利用3 h 3 h e 和c f c s 研究 了v a l d o s t a 附近地区灰岩含水层中现代水补给量所占的比例【1 2 】。 以上这些研究方法都可以从不同角度揭示水循环的演化机理，为水动力场研究提供 依据。但是，由于它们研究的侧重点不同，有时单纯依靠某一种方法所得结论并不一定 可靠，只有多种方法结合使用，并充分了解地区的水文地质条件，才能达到揭示水循环， 进而深入研究水动力场规律的目的。 1 2 2 地下水化学场研究 地下水化学演化主要指通过研究地下水化学组分的时空分布规律，分析地下水化学 分区和各种水文地球化学过程，重建和预测地下水系统的地球化学演化过程。正确认识 地下水化学演化规律，为地下水合理开发利用、水质改良和保护提供可靠的依据【7 1 。 研究水化学演化的方法很多，常用的研究方法包括离子组合及比值法、同位素水文 学方法和反向水文地球化学模拟法等【7 】。n s u b b ar a o ( 2 0 0 2 ) 通过比例系数方法来确定 地下水中的h c 0 3 、c a 2 + 和m 孑+ 几种离子的来源【1 3 】。b n a ng k a t z ( 1 9 9 7 ) 用6 1 8 0 、6 d 、 6 1 3 c 示踪法去描述地下水与地表水在m a n t l e dk a r s t 区的相互作用【1 4 】。s h a w a l ls d ( 2 0 0 2 ) 等利用碳、锶同位素研究了碳酸盐矿物溶解及含水层内部的混合作用对地下水演化的影 响，分析了控制地下水中主要化学组分含量的因素，揭示了水与含水层的作用程度【1 5 】。 2 桂林理工大学硕士学位论文 t o r 锄等( 1 9 9 9 ) 采用反应路径模拟研究了美国t e 皿e s s e e 地区h c 0 3 - n a 型水的演化，证 明离子交换和硅酸盐溶解均可形成h c 0 3 - n a 型水【1 6 1 。 地下水作为一个开放系统，形成后与含水介质及外部环境不断进行着物质交换，造 成化学组分逐渐发生变化。而水化学特征记载了地下水演化的众多信息，因此研究地下 水水化学特征对于回溯一个地区水文地质历史，阐明地下水的形成与起源有着重要的意 义【1 7 1 。 水化学特征演化研究主要包括地下水化学成分及其在天然和人为因素影响下在时间 和空间上所发生的变化。水岩相互作用( w r a t * r o c ki n t e r a i t i o n ) 是地下水演化研究中很 重要的一部分，是近地表环境演化的重要驱动力【l 引。在地球系统科学的框架下，以水 岩相互作用理论为指导，借助于现代先进的同位素示踪技术、数值模拟技术、空间信息 分析技术等，深入研究不同时空尺度与不同条件下的水岩相互作用，揭示水化学演化规 律、分析环境变异( 突变) 机制，必能为人类生存环境的有效改善、最终实现人类与环 境的协调发展提供理论基础【1 9 】。 水岩相互作用( w r i ) 这个术语，最早是由水文地球化学学科的奠基人之一前苏联 a m 奥弗琴尼柯夫于2 0 世纪5 0 年代提出的【2 0 】。水岩相互作用，即水与岩石之间的物理、 化学作用【2 1 】【2 2 1 ，是研究地下水中化学物质的形成和迁移、环境污染与防治的重要基础理 论。 水岩作用地球化学模拟是利用计算机技术来处理地下水系统中水和矿物之间及水 本身在不同环境下所发生的各种地球化学反应的一种有力工具。该技术可模拟再现地质 历史上曾经发生过或在未来将要发生的各种水岩作用，适用于模拟地下水化学的形成与 演化、金属矿床形成、结晶岩变质作用、碳酸盐沉积物的成岩作用、有机质的降解等一 系列与水岩相互作用有关的问题。 随后国内外学者运用质量平衡模拟方法、地球化学和同位素技术、水文地球化学模 拟方法对水岩作用进行了研究。如王东胜等( 1 9 9 7 ) 应用质量平衡模拟理论对石家庄地 区的水岩作用机理进行了研究【2 3 1 。王焰新等( 1 9 9 8 ) 运用质量平衡反应模型模拟山西省 柳林泉域岩溶地下水系统中的水岩相互作用，评价了岩溶地下水在地表水渗漏的影响下 经历的地球化学作用及不同流径地下水的混合比例【2 4 1 。郭永海等( 2 0 0 2 ) 用质量平衡模 型研究河北平原山前到滨海所发生的水文地球化学作用以及水岩间的质量交换，揭示深 层地下水水化学演化规律的内涵及深层碱性淡水的水化学形成机制1 2 引。石培泽等( 2 0 0 4 ) 以地球化学和同位素技术相结合，探讨民勤盆地地下水的补给环境和水岩相互作用【2 6 1 。 c t l r i s t i a i le k b e r g ( 2 0 0 1 ) 讨论了水岩反应系统中溶解性计算的几个不确定性，包括实验数据 的不确定性及概念的不确定性等【27 1 。郭永海等( 1 9 9 7 ) 应用水文地球化学模拟方法确定 河北平原地下水不同时期沿水流路径上及咸淡水混合过程中的水岩相互作用及质量交 3 桂林理工大学硕士学位论文 换【2 引。l y o 鸺等( 1 9 9 5 ) 利用不同季节的水化学资料和n e q ) a n l 软件，根据质量守恒原理， 研究了巴西m a d 舐a h e 河不同季节主要离子浓度的变化，发现该盆地的风化作用随季节 变化，因为不同季节进入m a d 甜a l l e 河的c 0 2 总量不同，主要离子浓度也相应发生变化【2 9 1 。 水岩作用地球化学模拟在反应路径模拟上可分为两类：正向地球化学模拟和反向地 球化学模拟【3 0 】【3 。前者是依据一组已有的初始水样组分，给定一套预定的反应，模拟水 样中所发生的组分变化及质量迁移，它可以有效解决诸如盆地深层水、土壤水、地热等 水岩相互作用系统中的平衡热力学和化学动力学问题；后者是从实测的初始和终点水样 的化学及同位素资料中反推发生的质量迁移，可用于分析某一流场地下水的地球化学演 化途径【3 2 1 。 反向水文地球化学模拟技术是依据在同一水流路径上的两个样点处观测到的水化学 和同位素数据的净变化来确定路径上所发生的地球化学反应。1 9 6 7 年，r m g a 盯e l s 和 f t m a c k e i l z i 利用观测到的水化学资料建立了多个水岩反应来解释花岗岩风化作用f 3 3 1 ， 奠定了反向地球化学模拟( h e r s eg e o c h e i i l i c a lm d o e l i n g ) 的基础( 王丽等，2 0 0 3 ) 【3 4 1 。 m a t n l e w 、m e n g 等用反应路径模型进行水文地球化学研究，m a m t e w 用p h r e e q c 追踪 t r 粕s p e c o s1 e x 硒地下水涮3 5 】【3 6 1 。p l 啪e r 等( 1 9 9 2 ) 利用同位素数据、水化学数据联合 构建了w y o m i n 昏m o n t a i l a 和d a l ( o t a 南部的m a d i s o n 含水层的地球化学反应模型，识别 出地下水中水化学组分的主要来源和主要形成作用【3 7 1 。张翠云等( 1 9 9 6 ) 通过反应路径 模拟得出控制河北平原浅层地下水地球化学演化的主要地球化学作用【3 3 】。姚锦梅等 ( 2 0 0 7 ) 利用水岩作用的原理和p h r e e q c 程序，分析了广东雷州半岛水岩作用过程中岩 石的矿物成分和地下水化学成分的变化和形成作用【3 9 1 。栾长青等( 2 0 0 7 ) 运用化学热力 学原理、质量作用定律和质量守恒定律，用反向模拟方法对鄂尔多斯白垩系环河组地下 水进行了水岩作用的地球化学模拟【舳】。 水化学演化的方法很多，每种方法都有其优越性和局限性，单纯依靠某一种或两种 方法很难正确揭示水化学特征和规律。因此，需要将多种方法综合起来，结合地区的水 文地质条件，才能得出反映该区水化学演化规律的最优结果。 1 3 研究内容和创新点 1 3 1 研究内容 本次研究综合了曹妃甸地区近年来的水文地质资料，以地下水水化学形成作用为主 题查阅了大量专业文献，在了解研究区水文地质条件的基础上，阐明了该区地下水动力 场和水化学场变化规律，分析了地下水水化学形成的主要作用，并用反向水文地球模拟 方法对水岩相互作用进行模拟，具体研究内容包括： 4 桂林理工大学硕士学位论文 1 ) 地下水动力场特征 在简述滦河三角洲地区浅层、深层地下水动力场时空演化规律的基础上，重点研究 论述曹妃甸地区2 0 0 8 2 0 0 9 年浅层、深层地下水流场变化特征，并简述了该区浅层、深 层地下水动态特征。 2 ) 地下水化学场特征 在简述滦河三角洲地区浅层、深层地下水水化学特征的基础上，重点研究论述曹妃 甸地区2 0 0 8 2 0 0 9 年浅层、深层地下水水化学特征分布规律，并简述了该区地下水水质 的变化动态。 3 ) 水化学形成作用 在分析地下水水化学形成作用的基础上，揭示了曹妃甸地区地下水化学组分的来源， 并进行反向水文地球化学路径模拟，识别控制区内地下水水化学形成的主要路径。 1 3 2 创新点 在定性分析地下水水化学主要形成作用的基础上，首次运用反向水文地球化学模拟 方法对曹妃甸地区地下水的水岩相互作用进行模拟，从水文地球化学角度定量的揭示了 控制该区深层地下水水化学演化的主要反应路径，加深了对地下水演化规律的认识，为 该区地下水合理开发利用提供了有力的科学依据。 1 4 研究思路与技术路线 1 4 1 研究思路 以国土资源大调查项目“河北曹妃甸滨海地区海岸带环境地质调查评价”( 项目编码： 1 2 1 2 0 1 0 8 1 4 0 0 5 ) 和河北省国土资源厅项目“曹妃甸区域开发地质环境保障调查评价”( 项 目编码：1 2 1 2 0 1 0 9 1 4 0 2 3 ) 为依托，针对曹妃甸地区地下水不合理开采引发的水文地质问 题，在充分利用已有资料和所取得研究成果基础上，简要分析地下水动力场和水化学场 的变化规律，重点分析地下水水化学的形成作用，并利用反向水文地球化学模拟技术对 地下水的水岩相互作用进行模拟，为建立区内地下水合理开发模式提供科学依据。 1 4 2 技术路线 1 ) 通过浅、深层地下水水头等值线及埋深图分析曹妃甸地区地下水流场变化特征。 2 ) 通过水化学类型分区图分析曹妃甸地区地下水化学场演变规律。 3 ) 应用反向水文地球化学模拟技术识别典型水流路径上的水岩相互作用： ( 1 ) 在典型剖面地区选择具有代表性的地下水流路径作为模拟路径； 5 桂林理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 确定反应路径中的可能矿物相和约束变量： ( 3 ) 利用p i 峨q c 软件进行水文地球化学反应路径模拟，确定控制地下水流路径上 地下水水化学演化的反应路径。 4 ) 成果整理，撰写论文。 具体技术路线见图1 1 。 燥并分析研究区基础资科、数据及已有成果文献检索 上上 明确存相司题、研究思路和目标 一l 了解国内外研究现状、存相司题与发展趋势 上 山、l 研究区域水动力场演变规律研究区域水化学场演变规律 上 、，山上 分析重点地区水动力场特征分析重点地区水化学场特征 1 分析重点地区地下水水化学形成作用i 、r、r 、， 陲择典型剖面，进行反向水文地球化学模拟l 1 5 本章小结 图1 1 技术路线图 曹妃甸地区是河北省重要的重工业基地，目前正在进行大规模的开发建设，可利用 的地下水资源日趋减少，引发了一系列的水资源环境问题，阻碍该区工农业生产的发展。 在曹妃甸地区开展地下水水化学场形成作用研究对于当地地下水合理开发利用和生态环 境保护具有重大意义。本章回顾了地下水动力场和水化学场的研究进程，总结了国内外 的各种研究方法，重点分析了反向水文地球化学模拟技术的原理和应用，最后以曹妃甸 地区地下水水化学场形成作用为目标，提出了本文研究内容、创新点、研究思路和技术 路线，反向水文地球化学模拟方法在该区进行水岩作用模拟只是一个初步的尝试，还需 在下一步的研究工作中进行深化。 6 一分一 桂林理工大学硕士学位论文 2 1 自然地理概况 2 1 1 地理位置 第2 章研究区概况 研究区位于河北省东北部、唐山市南部的渤海湾西岸( 图2 1 ) 。该区包括乐亭县、 滦南县、丰南区、唐海县全域，e ：1 1 7 0 5 2 1 1 9 0 1 9 ，n ：3 8 0 5 5 3 9 0 3 9 。，面积约4 9 0 0 k m 2 ； 重点研究区为唐海县城一京唐港规划区以南，e ：1 1 8 0 2 5 1 1 4 0 4 0 ，n ：3 6 0 5 5 3 6 0 l l ， 面积约1 4 3 0 k m 2 。曹妃甸距唐山市中心8 0 k m ，东距王滩港4 5 k m ，距北京2 2 0 k m ，距天 津1 2 0 l 。 曹妃甸地区是河北省重要的港口物流、钢铁、石化和装备制造业等重工业基地规划 区，该区从2 0 0 2 年开始进行大规模的开发建设，曹妃甸工业区初步规划面积为3 1 0 k m 2 。 区内与各县市都有公路相连，京山、京秦、大秦等铁路干线与京沈、唐津、唐港等高速 公路构成了便利的交通网，交通条件较好。随着能源的开发与重工业基地的建设，交通 条件将会得到进一步的改善。 图2 1 研究区地理位置及主要水系图 。注：研究区慨况资料主要参考曾妃甸地区地质环境保障调查评价总体设计( 中国地质调查局天津地质调台中 心孙晓明等，2 0 0 7 2 0 1 0 ) 7 桂林理工大学硕士学位论文 2 1 2 地形地貌 研究区位于冀东平原南部，包括部分山前倾斜平原区、滨海冲积海积平原( 包括海 积滩涂区和海积浅海区) 以及浅海区( 图2 2 ) 。 山前倾斜平原区地面标高一般为5 3 5 m ，地势开阔，地形平坦，由北向南、西南缓 倾斜，地面坡降2 0 0 7 。从古冶以南到柏各庄，分布有垄岗沙丘，一般高1 3 m ， 个别达4 5 m 。在研究区西南部，地势低洼并有洼碱地分布，标高在2 o 3 1 m ，分布有 油葫芦泊和草泊等平原水库，目前基本处于干涸状态。 滨海冲积海积平原区分为滨海低平原区和沿海滩涂洼地区。其中，滨海低平原区地 势低平，海拔多在4 m 以下，为冲积海积平原。由于第四纪海水几次入侵，多形成地势 低洼的盐碱地，高出地面2 3 m 。局部地区由于排水不畅，多形成泥沼、洼地和沙堤； 滨海滩涂洼地区由海岸线向浅海区方向延伸宽3 5 k m ，岸外有海成沙坝、沙岛、贝壳堤 地等，多呈带状断续分布。海岸有人工修筑的海挡坝防潮，以土坝为主。海挡以内地表 以盐田为主，其次为养鱼池、养虾池等人工开垦的水域。 海积浅海区由于滦河入海口的频繁改道，以及沿岸流、海面的变化等因素影响，使 得该区近海形成水下三角洲、潮流脊、冲蚀槽、侵蚀凹地、冲刷潭、潮沟等丰富的地貌 类型。 地貌圈 t 2 j l ! ， 图2 2 研究区地貌分布图 8 、量麓形态棚 类穗分区 圈舞策 l - j 口 嚣謦 口嬲 口嚣 口