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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

天津市宁河北奥陶系灰岩水源地的水文地球化学模拟

天津市宁河北水源地属埋藏型地下水源地,其开采层奥陶系灰岩含水层呈北东向的向斜展布,隐伏于石炭系—二叠系砂页岩之下,并被新近系覆盖,仅在东北部与第四系含水层有水力联系,地下水的补给主要来自浅层第四系含水层的越流补给。应用水文地球化学模拟方法,研究从第四系含水层到奥陶系含水层地下水经历的水—岩作用,包括方解石、白云石、萤石和硬石膏的溶解或沉淀、二氧化碳气体的溶解或逸出等,地下水硬度、矿化度总体上有下降趋势,这是由于含Ca2+、Mg2+和HCO3-的矿物相发生溶解,迁入溶液的比率要小于发生沉淀迁出溶液的比率,具体表现在从第四系含水层到奥陶系含水层Ca2+和HCO3-浓度的降低幅度较大。通过模拟计算,可以定量确定从补给区到研究区沿水流路径上的水—岩相互作用及质量交换,有助于揭示该区地下水化学环境的演化机制。

宿县矿区主要突水含水层水文地球化学模拟

为定量地揭示矿区水文地球化学环境演化的本质,更为深入探讨水文地球化学环境演化与人类工程活动和地质背景之间的联系及其联系程度,采用宿县矿区主要突水含水层(四含、煤系、太灰)地下水样的常规离子(K^++Na^+、Ca^(2+)、Mg^(2+)、Cl^-、SO_4^(2-)、HCO_3^-、CO_3^(2-))、pH值以及总溶解固体(TDS)数据,确立了地下水流路径以及其中的矿物相。在此基础上,利用PHREEQC软件建立了水文地球化学模拟模型,对矿区地下水流路径中的水文地球化学演化进行了定量模拟。研究结果表明:矿区四含水力联系密切,黄铁矿氧化与阳离子交替吸附是其水文地球化学演化的主要水-岩相互作用;矿区煤系地下水总体径流条件差,黄铁矿氧化与阳离子交替吸附作用趋于稳定;矿区中东部太灰水动力条件较好,碳酸盐溶解沉淀是水文地球化学演化的主要水-岩相互作用,西部水力联系不畅,阳离子交替吸附作用与黄铁矿氧化作用是水文地球化学演化的主要水-岩相互作用。研究成果有望为华北隐伏型煤矿区矿井水害防治及地下水资源开发利用提供理论支持。

地下水矿物饱和度的水文地球化学模拟分析——以娘子关泉域岩溶水为例

通过分析娘子关泉域岩溶水的水文地质条件、岩溶发育规律以及水文地球化学特征 ,发现在该泉域内不应出现方解石、白云石、石膏等矿物溶解饱和状态。运用地球化学模拟软件 PHREEQC模拟该区可能的化学条件 (地下水中二氧化碳分压 )及相应条件下的矿物溶解状态 ,同时结合野外溶解实验推断所处条件范围。这一研究推测出地下水与其溶解矿物所处极限状态应为饱和状态 ,而实际常常应处于非饱和状态 ,若计算为过饱和状态 ,则应可能是分析数据错误所致。

反向地球化学模拟技术在深层地下水^(14)C年龄校正中的应用——以鄂尔多斯白垩系盆地典型水流路径为例

本文以鄂尔多斯白垩系地下水盆地为例,利用反向水文地球化学模拟技术识别出影响区内深层地下水碳酸演化的主要作用并进行深层地下水14C年龄的校正。结果表明:控制鄂尔多斯白垩系地下水盆地南区深层地下水化学演化的主要反应路径为碳酸盐矿物、伊利石或绿泥石的沉淀反应、长石、石膏矿物等的溶解以及Ca-Na的离子交换;北区为方解石溶解、白云石沉淀的非全等溶解反应、伊利石的沉淀反应、长石的溶解反应以及Ca-Na的离子交换。南区地下水流路径上所发生的水文地球化学反应对路径上14C的浓度变化影响较小而北区影响较大。地下水14C年龄校正结果表明,盆地南区深层地下水14C年龄(22969a)明显老于北区(3967a)。

基于反向地球化学模拟的地下水形成作用: 以安徽省泗县为例

在了解安徽省泗县水文地质条件基础上,分析了区域水文地球化学特征及类型,探讨了其空间分布特征。根据开采条件下的地下水动力场条件,选择了3条模拟路径,采用PHREEQC软件进行了水文地球化学模拟研究,定量分析了地下水的形成机理及演化。结果表明,路径Ⅰ发生了岩盐、石膏以及伊利石的溶解,高岭土、石英、白云石、萤石发生了沉淀;钙蒙脱石、方解石不参与反应,NaX解吸,CaX_2被吸附;路径Ⅱ发生了岩盐、石膏、伊利石、石英等的溶解以及钙蒙脱石、方解石的沉淀,NaX解吸,CaX_2被吸附;路径Ⅲ发生的反应基本与路径Ⅰ相同,不同之处在该路径上的白云石发生了溶解,其原因可能是地下水在径流过程中溶解CO_2,使其继续溶解白云石以及受沉淀滞后的影响。研究结果表明地下水开采条件下,泗县地下水化学组分主要受到了岩盐和石膏等矿物的溶解作用、钙钠离子交换作用以及钙蒙脱石、方解石沉淀作用的控制。