吐鲁番市某区域裂隙岩溶水情况及演变模拟分析.pdf

第9 期2023年9 月文章编号：1 6 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)0 9-0 0 8 7-0 3陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.9September,2023吐鲁番市某区域裂隙岩溶水情况及演变模拟分析鲁玉玲（善县水管总站，新疆善善8 3 8 2 0 0）【摘要裂隙岩溶水系统是一种特殊水文和含水系统，作为一种清洁的地下水资源，裂隙岩溶水极易受到地表环境污染且水质修复难度大，因此对研究区域裂隙岩溶水的水文水化学迁移特征的模拟分析具有重要意义。利用PHREEQE软件对吐鲁番某研究区域裂隙岩溶水的水化学迁移演变特征进行模拟，分析典型监测点在研究期间内裂隙岩溶水中主要离子在特征条件下的水化学特征演化以及裂隙岩溶水水位水温变化情况。研究结果表明：（1）本研究范围内，裂隙岩溶水中的离子在迁移的过程中的主要水文水化学成分活度变化趋势较小；（2）本研究范围内，裂隙岩溶水的水温及水位基本保持稳定，受当地气候变化影响和开采影响较小。研究结果对理解研究区域裂隙岩溶水的水化学特征具有一定的参考价值，可为研究区域裂隙岩溶水径流的保护及修复工程提供重要的理论指导。【关键词裂隙岩溶水；活度；水文中图分类号P641【文献标识码B于石炭系K2灰岩岩溶裂隙承压含水层，突水位置位于K2含1引言水层水样采样点附近的其他区域。何明喜等7 在PHREEQE裂隙岩溶水系统是一种特殊的水文和含水系统，其具有软件正向模拟中加入了针对性的矿物溶解速率方程，并通过完整的补径排及边界条件多为溶隙水或管道流的贮存形式。水化学的动力过程分析，得到了水文地球化学正向模拟结裂隙岩溶水系统隐伏于地下且裂隙岩地区地质条件通常较为论，研究结果验证了考虑矿物溶解动力学过程的正向模拟复杂。因此，在受到人为或自然环境介质污染后极难进行修用以反应水质演化及水岩作用的可行性。窦顺梅等 8 运用复，且污染后的裂隙岩溶水对周边水环境生态和人体健康产PHREEQE软件模拟研究了方解石、高岭石、钙蒙脱石、钠生严重危害2。通常，裂隙岩溶水会受到一系列的地球化学蒙脱石、伊利石、针铁矿和菱铁矿的沉淀饱和指数，研究表及人为作用影响，因此裂隙岩溶水水文水化学特性会随着水明矿物间存在相互影响和溶解抑制。体迁移出现明显的变化。基于此，对研究区域裂隙岩溶水迁然而尚未有利用PHREEQE软件对吐鲁番区域裂隙岩溶移演化过程的模拟将有助于深入理解研究区域裂隙岩溶水的水的水文水化学迁移演变特征模拟的相关研究。基于此，本内在特性，进一步地，可以为研究区域水资源开采利用工艺文利用PHREEQE软件对研究区域地下水成分数据的采集，的选定提供有力的理论依据3。利用PHREEQE软件对开采区地下水水化学迁移特征进行模由美国环境保护署开发的PHREEQE可以对水一岩间的拟，并对研究区域内的裂隙岩溶水水位及水温进行研究。相互作用进行模拟和识别，是解决水文水化学与生态环境方2研究区域概况面的理论问题和实践问题的基础，现已在正向地球化学模拟应用中得到了广泛地应用 4。耿新新等 5 利用PHREEQC软件对大泉地区地下水化学演化过程进行了反向模拟，对模拟结果进行了分析讨论，进一步的阐明大泉地区地下水化学演化过程。研究结果表明地下水流向大泉乡过程中，方解石、白云石过饱和产生沉淀，石膏、岩盐、CO（g）、长石类矿物溶解，伊利石、钙蒙脱石、石英等析出。陈金平等 6 使用PHREEQE软件，建立了反向模拟-聚类分析联合突水水源判别模型，研究了来自辛置煤矿4个主要含水层的3 9 组矿井水样。研究结果表明：辛置煤矿BT1工作面的突水水源来自研究区域位于新疆吐鲁番某矿开采区周边，吐鲁番地处亚欧大陆腹地，是新丝绸之路和亚欧大陆桥重要交通枢纽。自然条件独特，日照和无霜期长，光热资源丰富独特，是全国著名的干热区，极端高温达47.8，盆地内干燥少雨，全年日照时数3 2 0 0 h，年1 0 以上有效积温达5 3 0 0 以上，年均降水量1 6 mm，蒸发量3 0 0 0 mm以上，无霜期长达2 8 0 天 3 0 0 天。3研究区域水文水化学成分为了探究研究区域周边裂隙岩溶水的水化学迁移特征，收稿日期2 0 2 2-1 0-0 9【作者简介鲁玉玲（1 9 7 5-），女，江苏睢宁人，工程师，主要从事水利工程管理方面工作。87第9 期2023年9 月对研究区域监测点裂隙岩溶水现场取样。研究区域裂隙岩溶水径流途径为至北向南，在矿区北侧及南侧分别设置监测点泾为A点及B点。进一步地，对裂隙岩溶水上游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，水位及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。监测点裂隙岩溶水化学成分结果见表1。表1裂隙岩溶水化学成分表监测点pHMnCu2Fe*A点8.2B点8.54研究区域水文水化学特征模拟4.1研究区域裂隙岩溶水水文水化学迁移模拟方法PHREEQE水文地球化学模拟软件是由美国地调局用C语言编写，主要用于低温水文地球化学计算的计算机程序。PHREEQE拥有强大的水文地球化学模拟功能，可以用来解决解决水、岩土、气体相互作用系统中的平衡、热力学和化学动力学问题。其中包括水溶物配合、吸附解附、表面配合、溶解沉淀、离子交换、氧化-还原等。PHREEQC实现了几种类型的水模型，包括两种离子缔合水模型。进一步地，其能够模拟裂隙岩溶水的地球化学反演过程，还能够模拟批反应以及一维运移反应。另外，当PHREEQC与多组分溶质成分浓度/(mol/L)CI5.82 E023.34 E-02Fe(OH)23.04 E-02Mn34.26 E03Cu,(OH),21.77 E-04A1(OH)42.74 E-03Cu(OH),2*8.77 E02Cu1.70 E03CuSO(aq)8.27 E-03CuOHt7.91 E-04Al(OH);(ag)7.28 E02Fe(OH);(aq)1.00 E-01A1(OH)25.91 E-03Fe(OH)46.60 E-02FeOH29.19 E-02CuCIt6.38 E03Cu(OH)2(aq)5.15 E-04离子强度：0.0 0 2 5（mol/L);阳离子总数：0.0 0 1 1（eq/kg（裂隙岩溶水）；阴离子总数：0.0 0 1 0（eq/kg（裂隙岩溶水）。.88.陕西水利Shaanxi WaterResources移运模型耦合后，PHREEQC就可以针对水系统进行三维移运过程模拟。本研究主要探究裂隙岩溶水水温、水温及水化学演变模拟特征，运用PHREEQE模型计算区域裂隙岩溶水中主要离子在一定温度及pH条件下的存在活度，通过分析不同监测点的离子成分进一步表征裂隙岩溶水迁移过程中的水化学迁移特征。单位:mmol/L4.2研究区域裂隙岩溶水水文水化学迁移模拟原理在PHREEQE软件中，过平衡时水性物质的摩尔浓度计A13CI0.060.010.020.03No.9September,2023算体系内的总离子强度，公式如下：0.020.090.030.12表2 水样化学成分浓度及活度结果监测点A活度/Ac1.46 E028.07 E024.94 E-025.89 E033.34 E029.85 E037.59 E023.58 E022.05 E037.61 E026.96 E-024.10 E-024.78 E-024.21 E039.56 E-026.50 E-026.99 E-022.55.12.13.2logAc-1.837-1.093-1.306-2.230-1.476-2.007-1.120-1.446-2.688-1.119-1.157-1.387-1.321-2.376-1.019-1.187-1.1552式中：m,为离子浓度；z,为离子带电电荷数；1 为样品离子强度。进一步地,PHREEQE使用戴维斯方程（Davies equation）计算化学成分的浓度及活度IO,公式如下：log;=AZ?(-BI)式中：为离子活度；A为Debye-Hckel常数；Z,为离子带电电荷数；为样品离子强度；B为Davies系数。4.3研究区域水文水化学成分浓度及活度模拟采用PHREEQE对选取的研究区域监测点A及监测点B的裂隙岩溶水水样进行化学成分浓度及活度模拟，模拟结果见表2。浓度/(mol/L)1.15 E-019.47 E-028.20 E-029.45 E023.81 E029.18 E-027.43 E034.46 E-024.31 E-028.07 E027.80 E028.79 E025.95 E-022.16 E-024.67 E-028.15 E-028.16 E-02离子强度：0.0 0 3 1（mol/L);阳离子总数：0.0 0 1 4（eq/kg（裂隙岩溶水）；阴离子总数：0.0 0 1 6（eq/kg（裂隙岩溶水）。(1)1+1(2)监测点B活度/Ac2.29 E026.96 E-028.35 E-025.98 E-025.72 E-021.11 E-026.09 E028.50 E-022.66 E034.44 E-024.30 E028.36 E022.79 E025.21 E-026.52 E-023.09 E029.37 E02logAc-1.64-1.15-1.07-1.22-1.24-1.95-1.21-1.07-2.57-1.35-1.36-1.07-1.55-1.28-1.18-1.51-1.02第9 期2023年9 月如表2 所示，监测点A及B的裂隙岩溶水样品离子强度分别为0.0 0 2 5 mol/L及0.0 0 3 1 mol/L。具体来说，监测点A的阳离子和阴离子总数分别为0.0 0 1 1 eq/kg（裂隙岩溶水）及0.0010eq/kg（裂隙岩溶水）；监测点B的阳离子和阴离子总数分别为0.0 0 1 4eq/kg（裂隙岩溶水）及0.0 0 1 6 eq/kg（裂隙岩溶水）。进一步地，根据表2 得到裂隙岩溶水不同监测点A及B的水样水文水化学logAc浓度雷达图（图1）。A监测点bgACCu(OH),(aq)CI0.8SOB监测点bgACCuclt4FeOH4Fe(OH)4A(OH)2Fe(OH);(aq)Al(OH);(aq)图1 监测点水样水文水化学成分logAC雷达图进一步地，如图2 所示，监测点A到监测点B之间的裂隙岩溶水水样中的主要成分随着溶水水体的迁移，其高离子活度logAC的水质成分主要为CI、S O?、Mn 及CuSO4（a g）。具体来说，监测点A的主要离子成分的活度分别为-1.8 4、-1.09、-2.2 3 及-2.6 9；监测点B的主要离子成分的活度分别为-1.6 4、-1.1 5、-1.2 2 及-2.5 7。研究结果表明，裂隙岩溶水中的离子在研究区域迁移的过程中的主要水文水化学成分活度变化趋势较小，即迁移过程中的水一岩/水一矿相互作用较弱。4.4研究区域裂隙岩溶水水温及水位分析进一步地，对不同监测点裂隙岩溶水在研究期间的水温进行分析。如图2 所示，随着裂隙岩溶水在研究区域表面的迁移，水体的水温变化幅度较小，水温在1 2.7 1 3.3 之间，水体研究期间平均水温为1 3。上述研究表明，研究区域内的裂隙岩溶水水温稳定，受当地气候变化影响较小。13.4-今-A监测点13.3-?B监测点13.213.113.012.912.812.7-05101520253035采样时间/日图2监测点水温变化该水文地质研究区域共设置2 个监测点，该区内有几处民用及工业开采井，水位受降雨和开采双重影响。如图3 所示，在研究期间内，监测点A及B的水位基本保持在1 4m以上，但出现了轻微的波动。该现象可能归因于研究区域内的地体矿物成分（麻岩、变粒岩、透辉大理岩、石英岩组合）渗透陕西水利Shaanxi Water Resources率较大。上述结果表明，在研究期间内监测点的水位基本保持不变，受到的降雨和开采影响不大。15.515.014.013.513.0Fe(OH)205101520253035Mn采样时间/日图3监测点水位变化Cu;(OH),2+5结论AI(OH)4本文基于对某研究区域周边不同监测点的裂隙岩溶水成Cu2(OH),2分数据的采集，利用PHREEQE软件对开采区裂隙岩溶水水Cu2化学特征进行模拟，并对研究区域内的水位水温等特征进行CuoHCuso,(aq)分析，得到了如下结论：（1)该研究区域内的裂隙岩溶水中的离子在迁移的过程中的主要水文水化学成分活度变化趋势较小，即迁移过程中的水一岩/水一矿相互作用较弱。（2）该研究区域内的裂隙岩溶水水温稳定，受当地气候变化影响较小，且监测点的水位基本保持不变，受到的降雨和开采影响不大。1姜宝良，陈宁宁，李小建，等.河南某大型裂隙岩溶水源地地下水位动态分析 J.水文地质工程地质，2 0 2 1,2:3 7-43.2朱恒华，杨丽芝，边农方，等.大武水源地裂隙岩溶区示踪试验研究 .人民黄河，2 0 2 1,3:9 7-1 0 1.3薛强.江西德兴铜矿重金属环境质量演化与预警模型研究 D.成都：成都理工大学。4史小红：乌梁素海营养元素及其存在形态的数值模拟分析 D.呼和浩特：内蒙古农业大学，2 0 0 7.5耿新新，王福刚，高振凯，等.灵武引黄灌区地下水化学演化特征模拟.节水灌溉，2 0 1 3，（2）：5-1 0.6陈金平，朱家辰，阴祥诚，等.基于PHREEQC反向模拟聚类分析方法的矿井突水水源判别 J.煤炭技术，2 0 2 0，3 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