基于反向水文地球化学模拟的矿区地下水水化学演化机制研究

采用离子比例系数法分析了西藏某矿区地下潜水在2个不同水流方向上的水化学成分特征,并结合矿区含水层岩性,确定水文地球化学模拟过程中应加入的矿物组分;采用PHREEQC软件对矿区地下水2种不同径流方向上发生的水文地球化学反应进行识别,模拟结果表明:沿地下水路径1,从荣那沟上游至中游,发生了石膏、钠长石、钾长石的沉淀,钙长石的溶解以及阳离子交替吸附作用;沿路径2,从矿区东北侧至荣那沟,发生了石膏、岩盐、白云石、钠长石的沉淀,钾长石、钙长石、黄铁矿、赤铁矿的溶解,以及阳离子交替吸附反应。本次对矿区地下潜水水化学演化机制的研究,对分析影响西藏地区地下水水文地球化学演化规律具有重大意义。

基于反向水文地球化学模拟的塔城盆地北区潜水水化学演化机制

以塔城盆地北区地下水一级系统为研究对象,选取典型地下水流路径,确定参与水文地球化学反应的潜在矿物相及反应方向,评估地下水蒸发浓缩程度,基于此采用反向水文地球化学模型,定量分析了水流路径上产生的水岩作用,从而揭示该区地下水化学演化机制。结果表明:水岩作用对潜水水化学演化起到主控作用,蒸发作用对水化学组分的贡献量有限;从补给区至排泄区的径流路径上,地下水系统中主要发生,石膏、石盐、白云石溶解和Na^(+)-Ca^(2+)之间的正向阳离子交换,并发生少量的斜长石不全等溶解和方解石沉淀;研究区内西区地下水流动子系统的径流条件比东区地下水流动子系统较好,地下水更新速率较快,使水岩作用对地下水化学组分的贡献量较小,而且在西区地下水子系统基本不发生盐岩溶解作用,这使其水质相比东区较好。研究成果可为我国西北干旱-半干旱盆地地下水资源的优化配置及可持续开发利用提供科学依据。

兖州矿区深部奥灰水反向水文地球化学模拟研究

为了分析深部奥灰水的主要水-岩作用,进而解释水文地球化学演化,基于流场和水化学场综合方法选出反应路径,进而进行兖矿奥灰水水化学模拟,结果表明:方解石、白云石在地下水中具有沉淀趋势;石膏、硬石膏和岩盐在水中处于非饱和状态,沿着水流路径继续溶解;主要水-岩作用为白云石、石膏和岩盐的溶解,方解石沉淀,阳离子交换和二氧化碳气体溶解或逸出等,与定性分析的结果非常一致;奥灰水中含Ca、Mg、Na、SO_4及Cl的矿物相发生溶解,且溶解迁入比率大于沉淀析出比率。

砀山县浅层地下水盐分反向水文地球化学模拟研究

安徽砀山县地下水水质存在的浅层地下水盐分(TDS)偏高等问题,影响当地人民群众的生产生活用水安全。为掌握砀山县地下水化学成分形成规律,利用Phreeqc软件对砀山县含水层进行水文地球化学反向模拟,研究结果认为:丰水期水岩相互作用相对枯水期较为强烈,且两个时期发生的水岩作用差别较大。丰水期矿物的溶解作用较为强烈,使得Na+、Cl-浓度增加,同时发生了阳离子交替吸附作用,使得Na+含量大于Cl,而Ca2+和Mg2+浓度减少;枯水期多发生沉淀反应,岩盐的沉淀使Na+浓度减小,方解石白云石的沉淀、CO2逸出使得Ca2+、Mg2+和CO2浓度减少。研究结论以期为砀山县浅层地下水盐分(TDS)防控提供理论依据。

坝基老化的反向水文地球化学模拟

根据不同化学组分在坝基岩水系统中的相互转化规律,建立了坝基老化的反向水文地球化学模型,利用Barrodale-Roberts算法对模型进行求解,计算给定随机误差极限范围内不同坝基渗漏量条件下的坝基岩土体与地下水溶液间的物质交换量及其变化范围。将该模型应用到新安江大坝右坝段坝基老化分析中,结果表明所建立的模型可靠实用,求解速度较快。

榆神地区反向水文地球化学模拟

本文针对榆神地区潜水水化学组分变化过程,采用水文地球化学反向模拟方法,提出潜水中各离子浓度均沿程增加,矿化度增加,水化学组分趋于复杂的观点。在认识榆神地区地下水循环演化,合理开发利用地下水资源领域起到科学指导作用。如付诸现实将产生合理开发利用地下水资源,提升该地区人民生活用水质量。

陆地高分辨率水文—生物地球化学过程CNMM-DNDC三维模型的研发及应用进展

CNMM-DNDC模型是本文作者团队研发的陆地高分辨率水文—生物地球化学过程三维模型。本文系统介绍了建模背景和理念、核心过程和模型特点、模拟功能和观测验证、多尺度区域或流域初步应用以及未来发展展望。自2018年刊发首个版本以来,该模型经过了多方面科学过程改进和模拟功能扩展,在元素化学反应、物质相变和机械迁移等基本物理、化学、生物过程层面,完成了对陆地表层系统碳氮磷水循环全耦合的精细刻画。迄今开展的观测验证表明,CNMM-DNDC模型基本普适于不同生物气候带(从热带到寒区多年冻土地带)的流域或区域长时间序列“三高”(时间、空间和过程高分辨率)综合模拟,实现对陆地生态系统的碳、氮、磷、水三维运移、水土流失、水力驱动溶解态和颗粒态碳氮磷横向迁移、碳氮温室气体和污染气体排放、生态系统生产力、水分蒸散发和水分能量平衡等众多可持续发展目标表征变量的预测。该模型广泛推广应用于多尺度区域或流域的复杂过程虚拟科学试验研究和服务于面向生态环境建设与减污降碳的优化调控决策,可望为协同落实联合国多个可持续发展目标提供先进的数值模拟技术支撑。

新疆焉耆盆地平原区地下水反向水文地球化学模拟

新疆焉耆盆地平原区地下水呈碱性环境,用PHREEQC软件中反向水文地球化学模拟的方法对此演化机理做了水-岩作用模拟。模拟结果表明:研究区潜水、浅层承压水及深层承压水在地下水流动方向上由上游至下游的演化过程中基本以石膏、方解石等矿物的溶解;白云石等的沉淀以及阳离子交换作用为主。从研究区上游往下,水中矿物相迁入、迁出的数量逐渐增大,水-岩作用逐渐增强。得到的结论有:矿物相的溶解析出和阳离子交换作用共同控制着演化,焉耆盆地平原区地下水由浅至深阳离子交换作用越来越强烈;各模拟路径物质转移量阳离子交换作用比溶解沉淀作用多2~5个数量级,说明阳离子交换作用强于溶解沉淀作用。

鹤壁矿区奥陶系灰岩地下水水文地球化学特征及反向模拟

为探讨采矿活动对岩溶地下水水质的影响,以鹤壁矿区奥陶系灰岩地下水为研究对象,基于不同时期岩溶地下水水化学资料,采用Piper图结合离子组合比例分析法,分析矿区岩溶地下水主要组分的物质来源和水岩相互作用过程,并借助PHREEQC软件对其进行了反向水文地球化学模拟。结果表明:研究区岩溶水水化学类型主要为HCO_3-Ca·Mg型、HCO_3·SO_4-Ca·Mg型和SO_4·HCO_3-Ca·Mg型。主要水岩作用为碳酸盐岩、石膏和岩盐的溶解与阳离子交替吸附作用。煤矿区的岩溶水水质受采煤活动影响,水中SO_4^(2-)、Cl^-与TDS的含量较高,且采矿活动对水质的影响随时间增强。

察尔汗盐湖主要补给水体不同温度下水文地球化学模拟初步研究

察尔汗盐湖是世界上最典型的现代陆相盐湖之一,该盐湖的成盐流体演化过程迄今尚存在较大争议。利用EQL/EVP水文地球化学模拟软件,对察尔汗盐湖主要补给水系在不同温度条件下进行了蒸发析盐实验模拟。研究结果表明,察尔汗北部深部卤水蒸发析出的盐类矿物与察尔汗盐湖地层中盐类矿物差异性很大。但格尔木河水则具有较好的一致性,在一些盐类矿物含量(如杂卤石)上与察尔汗地区实际情况存在明显差异,不同温度下模拟析出的盐类矿物组成存在一定差别。研究揭示出深部卤水和格尔木河水均是察尔汗盐湖的补给源之一,格尔木河水是主要物源但也并非唯一来源,察尔汗盐湖是多源流体混合掺杂作用的结果。模拟演化结果显示,深部卤水和格尔木河水中硼和锂均随蒸发作用呈现逐步增加的趋势,未见矿物析出,二者在蒸发过程中一直赋存在溶液中。

淮北煤田太原组灰岩水水文地球化学形成作用及反向模拟研究

随着浅部煤炭资源开采殆尽,华北型隐伏煤田的煤炭开采正逐步向深部发展,破坏了地下水系统原有平衡,以致水文地质条件复杂化,从而使深部地下水动力条件和水化学特征发生改变。通过对淮北煤田石炭系太原组灰岩(简称"太灰")含水层地下水化学常规组分进行离子比例分析和主成分分析,探讨该含水层地下水水文地球化学形成作用及其控制因素,并选取淮北煤田南部的临涣矿区太灰含水层为研究示范,应用PHREEQC软件对其进行了反向水文地球化学模拟。研究结果表明:淮北煤田太灰含水层主要水文地球化学形成作用类型为溶滤溶解(包括方解石、白云石、石膏溶滤溶解和黄铁矿氧化)和阳离子交替吸附作用;反向水文地球化学模拟定量分析与离子比例以及主成分定性分析结果基本一致。随时间的延续,采动后淮北煤田南部太灰含水层溶滤溶解作用逐渐减弱,阳离子交替吸附作用逐渐增强,而北部太灰含水层因地层埋藏普遍较浅表现出与之相反的现象。淮北煤田南部太灰含水层水文地球化学形成作用受构造影响表现出较为明显的空间差异;而北部太灰含水层水文地球化学形成作用程度受其径流影响,表现出由东向西逐渐增强的特征。淮北煤田南部的临涣矿区太灰含水层反向水文地球化学模拟验证了水文地球化学形成作用及其空间差异性。

水文地球化学模拟在地下水化学成分形成过程研究中的应用

为进一步探究和田河流域绿洲区地下水化学演化规律,采用水文地球化学模拟法定量分析该区地下水化学成分形成过程。以绿洲区1980、2014和2017年地下水化学检测数据为基础,运用PHERRQC软件建立反向水文地球化学模型对水-岩相互作用进行模拟。结果表明:浓缩作用、溶滤作用及阳离子交替吸附作用是控制绿洲区地下水化学成分形成与变化的主要作用,气候条件、地下水动力条件和地层岩性为主要影响因素。由强径流区到弱径流区,水动力条件逐渐变差,岩土溶滤作用逐渐变弱,蒸发浓缩作用不断加强,致使地下水的TDS、TH和主要离子含量逐渐升高,水化学类型以Cl·SO_(4)·HCO_(3)-Na·Ca型为主转变为以Cl-Na型、Cl·SO_(4)-Na型为主。弱径流区内阳离子交替吸附作用显著,改变着地下水中Na+和Ca^(2+)含量。

吉林西部砷中毒区高砷地下水反向地球化学模拟

为了解吉林西部砷中毒区高砷地下水水-岩作用过程及砷的迁移转化规律,通过野外调查、样品采集和数据测试,利用地下水化学测试数据,分析了该区地下水化学特征以及高砷地下水的水平和垂向分布规律。在地下水流场及水化学特征分析的基础上,应用PHREEQC软件进行了地下水砷的反向地球化学模拟,计算了沿同一水流路径下含砷、铁、锰等矿物的溶解或析出量。模拟结果表明:沿地下水流方向,含砷元素的矿物臭葱石在路径1和路径2上不同水样点间溶解进入地下水的量分别为2.44×10-6、8.03×10-7、7.98×10-6和4.14×10-7mmol/L,含铁、锰元素的矿物针铁矿、赤铁矿、软锰矿和方铁锰矿的质量交换结果均为正值;表明沿模拟路径这几种矿物发生溶解进入地下水,而硫酸根离子和CO2的交换量为负值,从地下水中析出。以上研究证实了地下水中砷与铁、锰元素具有良好的相关性,且高砷水在碱性的还原环境富集。

平顶山矿区岩溶水系统水-岩相互作用的随机水文地球化学模拟

在前期工作的基础上 ,基于新的 (补充 )采集的地下水化学样品的分析数据 ,以 WATEQ4F模型 1 为基础 ,应用本次研究中开发的耦合的 Monte Carlo— WATEQ4F模型 ,对平顶山矿区地下水系统中水 -岩反应状态进行了随机水文地球化学模拟和评价。结果表明 :随机水文地球化学模拟方法具有很好的实用性和应用前景 ;在模拟研究区内地下水相对于方解石、白云石、石英过饱和 ,相对于石膏未饱和 ,而与玉髓处于平衡状态。这些结果为该区地下水 (子 )系统的划分、岩溶发育规律研究和地下水资源评价提供了进一步的依据。

滑坡水土作用体系中Ca^(2+)的地球化学行为的反向模拟

定量准确地描述滑坡水土作用体系中复杂的地球化学反应对于水化反应微观尺度的研究尤为重要。本文针对三峡库区石榴树包滑坡水土作用体系,选取Ca2+为特征作用离子,设计去离子水及pH=4,7,10的钙离子水溶液在土水质体比为1∶5,水流速度20mL/min,室内温度17±2℃的条件下对滑坡土体进行30d室内循环饱水土柱试验。通过对实验测试数据的分析,利用PHREEQCE对试验中的水土化学作用进行反向地球化学模拟,探讨在Ca2+影响下发生的主要地球化学反应特征。结果表明溶液中Ca2+的存在抑制了对水土作用体系反应进程起着控制性作用的钙质胶结物的溶解及粘土矿物的生成,增强了土体表面的离子交换作用,胶结物的生成和胶结作用及离子交换作用使得土体孔隙变小,颗粒间变紧密,使得滑坡体更加趋于稳定。研究成果对研究三峡库区滑坡这一典型而特殊的水土作用体系的水土化学作用机理及过程具有重要的理论意义和实际应用价值。

高砷地下水的反向地球化学模拟:以中国吉林砷中毒病区为例

饮水型砷中毒分布在中国台湾、新疆、内蒙、山西、吉林等地。笔者采用GIS的空间数据叠加技术、化验测试与环境模拟技术,进行了地下水砷的反向地球化学模拟研究。研究表明,受构造运动控制,低洼地带堆积了巨厚的粉砂淤泥质沉积物和富含有机质的湖积物,为砷的赋存提供了空间。地下水砷的富集受水中Fe、Mn、pH、Cl-、PO34-、HCO3-、SO24-、Se的影响,其中,重碳酸钙型水中砷含量最低,氯化物重碳酸钠型水砷含量最高。臭葱石(FeAsO4:2H2O)等含铁、含锰矿物在进入地下水的溶解过程中,形成铁(锰)氧化物和砷化合物(砷酸盐或亚砷酸盐)。随着Eh降低,氧化物被还原形成更为活泼的离子组分,吸附在氧化物表面的砷化合物随之解吸,还原环境有利于砷从沉积物中向水中溶解、迁移。研究结果为实施安全供水提供了重要依据。

地球化学模拟及其在水文地质中的应用

从正向地球化学模拟、反向地球化学模拟和水文地球化学模拟三方面系统概述了地球化学模拟的研究进展；结合笔者近年来的科研实践，对其在水文地质中的应用作了介绍，并着重讨论了在地下水化学组分存在形式、矿物饱和指数的计算、水化学组分预测及地下水地球化学演化等方面的应用；最后，指出了这一领域中当前存在的问题和今后的研究方向。

河北平原深层碱性淡水形成的水文地球化学模拟——以保定、沧州地区为例

以揭示河北平原深层碱性淡水化学形成机制为主要研究目的 ,选择河北平原深层碱性淡水发育的保定、沧州地区为典型研究区 ,应用水文地球综合分析方法和地下水地球化学模拟技术 ,探讨了深层碱性淡水水化学性质、分布规律及形成的自然环境 ;依据质量守恒原理建立深层地下水质量平衡反应模型 ,研究了从山前至滨海整个水流路径上所发生的水文地球化学作用及水、岩间的质量交换 ,从而揭示了深层地下水化学演化规律的内涵及深层碱性淡水水化学形成机制 .主要结论是深碱性淡水是由山前补给区HCO3 -Ca·Mg水逐步演化而来 ,从山前至中部平原 ,在地下水环境由开放转为封闭的过程中 ,方解石、白云石溶解和沉淀 ,钠长石、石膏、岩盐和菱铁矿的溶解 ,Ca -Na阳离子交换是控制其形成和演化的主要水文地球化学作用 .

反向地球化学模拟技术在地下水^(14)C年龄校正中应用的进展与思考

地下水14C年龄校正一直是地下水年代学研究中的一个热点问题,将反向地球化学路径模型与同位素质量传输模型耦合起来,在综合考虑不同碳源、不同水文地球化学反应对14C质量传输影响的基础上,提出了一种新的综合性的校正方法,从而使地下水14C定年技术得到了进一步发展。识别深层地下水演化过程中影响14C浓度变化的主要因素并定量确定其对地下水14C浓度的影响程度是地下水14C校正的精度和可信度的重要考虑因素;在应用水文地球化学路径模拟技术进行地下水14C年龄校正时,必须要充分考虑地下水补给环境特点以及反向地球化学模拟模型中的非可行解的排除。

广东从化温泉的水文地球化学模拟

从化温泉位于广州东北部,出露于燕山期花岗岩地区,位于北东向广州—从化断裂带北东段;热水中阳离子以K+、Na+、Ca2+为主,阴离子以HCO3-为主,水化学类型为HCO3-Na及HCO3-Na.Ca型。利用NETPATH程序对泉区热水进行水化学模拟,发现从化温泉各泉点的水化学特征相似,径流过程中发生的化学反应也相似;从初始水点到终端水点,发生的各种反应交换量很低;在径流过程中各矿物的净反应可能为钾长石、高岭石、赤铁矿、萤石沉淀,CO2、斜长石、黑云母溶解;SiO2的溶解/沉淀在各泉点不同;径流过程中发生了Ca2+/Na+、Mg2+/Na+离子交换作用。