【某地区水文地球化学模拟分析案例4200字】

某地区水文地球化学模拟分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u32658某地区水文地球化学模拟分析案例 172361.1反向模拟的原理 1187961.2水化学成因的影响因素 2250661.2.1影响因素分析 2316181.2.2地下水成因作用分析 2319181.3反向模拟路径的选取 4270701.3.1反向模拟路径的选取 43871.3.2可能的矿物选取 5192761.4饱和指数的计算 5288891.5含水层反向模拟结果 853511.5.1路径1反向模拟结果 8210671.5.2路径2反向模拟结果 898301.5.3路径3反向模拟结果 9108641.5.4路径4反向模拟结果 9280841.6小结 101.1反向模拟的原理本论文主要运用phreeqc的水-岩相互作用模拟功能，该功能是根据野外取样得到的地下水水样经过检测得到的各项指标数据以及用户自定义设置的起点和终点的水样数据，经过反演地下水在含水层中的反应情况，解释不同地区、不同含水层、不同径流途径的地下水的化学反应情况。在该模拟中，同一模型得到的结果并不是唯一的，而是多种可能的反应情况，所以需要使用者进一步根据现有的资料进行选择[73-76]。由于复杂的地下水环境，不同地点，不同含水层的水化学成分之间会存在明显的不同，在得知起点与终点的水样数据资料后，输入软件后可以得到所取路径上的矿物溶解或沉淀的转移量，进而可以阐明气体和矿物在径流路径途中的变化情况，最后推导该路径中所发生的水文地球化学作用[77]。质量平衡模拟模型可以表示为：图4-1质量平衡模拟模型1.2水化学成因的影响因素在自然界中有很多原因都能影响研究区的水化学场，比如水化学作用、水岩相互作用以及人为影响。1.2.1影响因素分析地下水径流路径上的各种易溶盐类的化学成分及其含量都对地下水的演化变迁有着明显的影响。由于研究区内存在大量的冲洪积物碎屑岩和黄土层，还存在泥岩、砂岩石膏互层，这些土层里面都存在易溶盐类，所以这是该地区存在硫酸盐、硫酸铝盐的主要因素。地下水的补径排条件对地下水的化学成分演化也有着重要的影响，在补给来源单一的基岩山区，地下水交替强烈，因此水化学类型比较单一；径流区由于经过多个地区，与沿途的岩石发生的溶滤作用、阳离子交替吸附作用和蒸发作用后，会导致地下水中的离子组份发生明显的变化。1.2.2地下水成因作用分析溶滤作用是地下水补给区的主要化学作用。由于在补给区地下水部分处于开放的体系中，所以会有二氧化碳气体进入地下水与其发生反应，促进岩石的溶解：大量的HCO3-和Ca2+由于二氧化碳气体进入地下水与其发生反应而存在于地下水，部分地区会有少量的K+、Mg2+、Na+存在。在径流区，由于地下水的径流路径较长，再结合研究区的水文地质与地层条件，该区会发生岩盐和石膏的溶解：由于岩盐和石膏的溶解与沉淀，地下水中的SO42-、Cl-、Ca2+、Mg2+等矿物的含量也会随之改变，因此TDS也发生变化。随着地下水的流动，在水中可能发生阳离子交替吸附作用：当pH＞7.4时，会发生碳酸钙的沉淀：随着碱度的升高，会有白云石沉淀出来：

1.3反向模拟路径的选取反应路径的选取和矿物相的选择是反向模拟中最为重要的两个环节，本文结合研究区水文地质条件，选取具有代表性的4条线作为反应路径。1.3.1反向模拟路径的选取图4-2承压含水层反向模拟路径选取根据研究区存在的主要河流和分水岭的位置，选取承压含水层中反向模拟的4条模拟路径。其中路径1与路径2分布于研究区内主要河流马莲河的附近，路径3在主要河流蒲河的附近，路径4的选择是沿着地下水径流的方向所做的选择。表4-1路径1起始点、终止点离子数据样品编号pH组分浓度（mg/L）Ca+Mg2+Na+K+Cl-SO42-HCO3-C477.691827213301.663602764250C267.909748.28643.175461321189表4-2路径2起始点、终止点离子数据样品编号pH组分浓度（mg/L）Ca+Mg2+Na+K+Cl-SO42-HCO3-C267.909748.28643.175461321250C658.0341.461.627.51.0917.247.1407表4-3路径3起始点、终止点离子数据样品编号pH组分浓度（mg/L）Ca+Mg2+Na+K+Cl-SO42-HCO3-C517.8188.638.68081.542091600116C18.073542.71561.4695.1145366表4-4路径4起始点、终止点离子数据样品编号pH组分浓度（mg/L）Ca+Mg2+Na+K+Cl-SO42-HCO3-C187.4486.4086.4080.201.4241.30107.00471.00C688.0341.4061.6027.501.0917.2047.10407.001.3.2可能的矿物选取进行模拟的可能矿物的选取也是水岩相互作用模拟中的一项重要步骤。可能矿物相包括地下水中最有可能存在的矿物和气体组分，是确定地下水径流途径中可能发生的化学反应的关键因素之一[78]。根据资料收集、野外取样得到的数据，以及研究区水文地质条件、地层岩性，选取方解石、白云石、石膏、芒硝和岩盐作为参与水岩作用的主要矿物相。二氧化碳气体由始至终参与在碳酸盐岩溶解的过程中，所以CO2（g）也加入到模型的输入项目中。阳离子交替吸附作用以NaX、KX和CaX2表示。综上所述，把方解石、白云石、石膏、岩盐、芒硝、CO2、离子交换作用（NaX、KX和CaX2）作为此次水文地球化学模拟的主要可能矿物相。表4-5可能的矿物相选取序号可能矿物相化学式1石膏CaSO42方解石CaCO33白云石CaMg(CO3)24岩盐NaCl5芒硝Na2SO4:10H2O6NaXNaX7KXKX8CaX2CaX29CO2(g)CO2(g)1.4饱和指数的计算矿物饱和指数SI是判定地下水水样中是否发生溶解或者沉淀过程的重要指标，目前，各国水化学研究者开发了多款可用于计算和模拟矿物溶解-沉淀反应并计算其饱和指数的水化学分析计算软件[79]。地下水化学成分因地区而产生的差异，造成不同矿物的溶解和沉淀的程度有显著区别。饱和指数用于描述地下水中水岩相互作用下各个矿物的溶解和沉淀的状态与趋势，可用于核验phreeqc中水岩相互作用模拟的准确性[80]。饱和指数SI的表达公式为：(4-1)上述方程式中IAP代表离子活度积，K是平衡常数。当SI小于0时，表示矿物在地下水中未达到饱和，主要发生溶解反应；当SI大于0时，表示矿物已经达到饱和状态，发生沉淀反应[81]。为进一步验证研究区地下水中发生溶解的各类矿物类别，利用PHREEQC计算了地下水中方解石、白云石、芒硝等矿物的饱和指数。图4-3饱和指数判断矿物状态规则图表4-6潜水含水层饱和指数结果矿物相极小值极大值均值白云石-1.950.90-0.52方解石-1.250.25-0.50石膏-3.520.13-1.69岩盐-8.641.06-2.29芒硝-9.823.62-3.10CO2(g)-2.47-1.16-1.81从表4-6可知，白云石的极小值为-1.95，极大值为0.9，这说明白云石在潜水含水层中会发生溶解和沉淀，而均值小于零则说明白云石在地下水中大部分地区发生了溶解反应；方解石的极小值为-1.25而极大值为0.25，说明方解石在地下水中会发生溶解和沉淀两种反应；石膏的极小值为-3.52而极大值为0.13，所以石膏在地下水中发生溶解和沉淀两种反应；岩盐的极小值为-8.64而极大值为1.06，这说明地下水中的岩盐会发生溶解和沉淀两种反应；芒硝的极小值为-9.82儿极大值为3.62，所以说芒硝在地下水中发生了溶解和沉淀两种反应；二氧化碳气体则是只发生溶解反应。表4-7承压含水层饱和指数结果矿物相极小值极大值均值白云石-1.870.85-0.51方解石-1.000.47-0.26石膏-2.600.02-1.29岩盐-8.493.39-2.55芒硝-9.052.86-3.09CO2(g)-2.38-0.99-1.68从表4-7可知，白云石的极小值为-1.87，极大值为0.85，这说明白云石在潜水含水层中会发生溶解和沉淀，而均值小于零则说明白云石在地下水中大部分地区发生了溶解反应；方解石的极小值为-1.00而极大值为0.47，说明方解石在地下水中会发生溶解和沉淀两种反应；石膏的极小值为-2.60而极大值为0.02，所以石膏在地下水中发生溶解和沉淀两种反应；岩盐的极小值为-8.49而极大值为3.39，这说明地下水中的岩盐会发生溶解和沉淀两种反应；芒硝的极小值为-9.05，极大值为2.86，这说明芒硝在地下水中也是发生溶解和沉淀两种反应；二氧化碳气体则是只发生溶解反应。根据表中所罗列的计算结果来看，研究区各矿物相存在正值也存在负值，代表各种矿物相在地下水中存在溶解和沉淀两种反应状态。也进一步说明研究区的水化学形成作用，受到了上述几种矿物溶解的影响。

1.5含水层反向模拟结果1.5.1路径1反向模拟结果表4-8路径1的反向模拟结果序号可能矿物相转移量1石膏-3.53E+002方解石1.67E-043白云石-2.52E-034岩盐/5芒硝-3.56E+006NaX7.07E+007KX-1.00E-048CaX2-3.54E+009CO2(g)-1.61E-04由路径1的模拟结果，岩盐没有转移量，说明岩盐可能没有参与地下水流动过程中的化学反应；该路线上石膏、白云石、芒硝发生沉淀反应，沉淀量为3.53E+00mmol/L、2.52E-03mmol/L、3.56E+00mmol/L；方解石发生溶解反应，溶解量为1.67E-04mmol/L由于阳离子交替吸附作用，7.07E+00mmol/L的Na+被置换了出来，1.00E-04mmol/L和3.54E+00mmol/L的K+被Ca2+置换出来吸附在粘土颗粒上；该过程中，地下水系统向大气中释放1.61E-04mmol/L的二氧化碳气体。1.5.2路径2反向模拟结果表4-9路径2的反向模拟结果序号可能矿物相转移量1石膏-3.23E+002方解石/3白云石/4岩盐-2.23E-025芒硝-3.30E+006NaX6.56E+007KX-9.22E-058CaX2-3.28E+009CO2(g)-5.74E-05从路径2的模拟结果看，方解石和白云石没有转移量，说明方解石和白云石可能没有参与该路径中地下水的水化学反应；地下水流经沿途发生了石膏、岩盐以及芒硝的沉淀，转移量为3.23E+00mmol/L、2.23E-02mmol/L和3.30E+00mmol/L；由于阳离子交换作用，6.56E+00mmol/L的Na+进入地下水，9.22E-05mmol/L的K+和3.28E+00mmol/L的Ca2+被置换出来吸附在粘土颗粒上；该过程中，有5.74E-05mmol/L的二氧化碳参与反应。1.5.3路径3反向模拟结果表4-10路径3的反向模拟结果序号可能矿物相转移量1石膏-3.80E+002方解石7.04E-043白云石-1.12E-044岩盐/5芒硝-3.79E+006NaX-7.59E-037KX1.94E-058CaX23.79E+009CO2(g)2.93E-03从路径3的模拟结果看，岩盐没有转移量，地下水流经沿途发生石膏、白云石、芒硝的沉淀作用，沉淀量为3.80E+00mmol/L、1.12E-04mmol/L、3.79E+00mmol/L，方解石发生了溶解反应，转移量为7.04E-04mmol/L；通过阳离子交替吸附作用，3.02E-03mmol/L的Ca2+和1.94E-05mmol/L的K+置换出8.30E-03mmol/L的Na+。在该反应中，消耗二氧化碳的量为2.93E-03mmol/L。1.5.4路径4反向模拟结果表4-11路径4的反向模拟结果序号可能矿物相转移量1石膏/2方解石/3白云石-7.59E-044岩盐-7.65E-045芒硝-6.24E-046NaX6.82E-057KX-8.46E-068CaX2-2.99E-059CO2(g)-2.16E-03从路径4的模拟结果中可知，石膏和方解石没有转移量，说明石膏和方解石可能没有参与地下水中水化学的反应；地下水沿途发生了白云石、岩盐和芒硝的沉淀反应，其转移量分别为7.59E-04mmol/L、7.65E-04mmol/L、6.24E-04mmol/L；在此过程中2.99E-05mmol/L的Ca2+和8.46E-06mmol/L的K+与6.82E-05mmol/L的Na+发生置换反应；在此过程中有2.16E-03mmol/L的CO2气体参与反应。1.6本章小结本章首先介绍了水文地球演化模拟的原理，并运用这些理论依据对研究区内的水化学资料进行分析，在本章内我们在承压含水层中共选取了4条水文路径进行水化学演化分析，由于本次水样的采集时间为枯水期10-11月期间，研究地区处于气温较低的时候，蒸发作用相对不明显，因此模拟中未考虑蒸发作用的影响。各条路径的总结如下表。表4-12承压含水层取样点反向模拟结果序号可能矿物相转移量路径1路径2路径3路径41石膏