秦 壯

（河北省石家莊水文勘測研究中心,河北 石家莊 050000）

1 引言

地表水資源作為水資源的重要組成部分,與人類關(guān)系最為密切,受人類影響最為顯著[1]。通常地表水徑流遷移過程中會受到一系列的水-巖/水-礦相互作用影響,因此研究區(qū)域地表水水化學特性會隨著水體遷移出現(xiàn)明顯的變化?；诖?對地表水徑流水文遷移演化過程的模擬將有助于深入理解研究區(qū)域地表水的內(nèi)在特性,進一步地開展地表水徑流水文模擬研究對于理解和優(yōu)化水資源配置具有重要意義[2]。

PHREEQE 由美國地質(zhì)調(diào)查署開發(fā),該軟件現(xiàn)已在正向地球化學模擬應用中得到了廣泛應用[3]。本文通過對地表水成分數(shù)據(jù)的采集,利用PHREEQE 軟件對地表水水化學遷移特征進行模擬,為水資源的高效合理配置提供參考。

2 研究區(qū)概況

石家莊是河北省省會城市,屬于環(huán)渤海經(jīng)濟圈,是京津冀城市群中京保石發(fā)展軸的南部頂點,位于北緯37°27'～38°47',東經(jīng)113°30'～115°20'之間,東面與衡水接壤,南面與邢臺毗連,西面與山西接壤,北面連接保定。地勢自西北向東南傾斜,依次形成山區(qū)、丘陵、平原、濕地等階梯地貌特征,山地面積占總面積的70%。研究區(qū)域位置見圖1。

圖1 研究區(qū)域位置

3 地表水徑流離子成分

為了探究研究區(qū)域地表水徑流水文變化,擬對崗南水庫下游隨徑流不同點進行取樣。如圖2 所示,該研究區(qū)域地表水流經(jīng)途徑為從A 監(jiān)測點到B 監(jiān)測點,兩個監(jiān)測點均為研究期間擬定。

圖2 地表水流域位置

對地表水上游A 點及下游B 點的水位、水溫、酸堿度及離子成分進行分析,其中,水溫檢測間隔為每日,水化學檢測為上下游檢測值的平均值。監(jiān)測點地表水化學成分結(jié)果見表1。

表1 地表水化學成分表單位：mmol/L

4 地表水徑流離子特征模擬

4.1 地表水徑流水文水化學遷移模擬方法

PHREEQC V3是用C和C++編程語言編寫的計算機程序,旨在執(zhí)行各種水地球化學計算。PHREEQC 是能夠計算多種水文條件下的水文化學反應的一種計算機軟件,其名稱來源于pH、REDOX 及Equilibrium 的縮寫組合。PHREEQC 實現(xiàn)了幾種類型的水模型：兩種離子締合水模型（勞倫斯利弗莫爾國家實驗室模型和WATEQ4F）、Pitzer 特定離子相互作用水模型和SIT（特定離子相互作用理論）水模型。使用這些水模型中的任何一個,PHREEQC 都具有：（1）物種形成和飽和指數(shù)計算的能力；（2）可逆和不可逆反應的間歇反應和一維（1D）輸運計算,包括水、礦物、氣體、固溶體、表面絡(luò)合和離子交換平衡,以及反應物的特定摩爾轉(zhuǎn)移,動力學控制的反應、溶液的混合以及壓力和溫度的變化；（3）逆向建模,它發(fā)現(xiàn)了礦物和氣體摩爾轉(zhuǎn)移的集合,這些轉(zhuǎn)移解釋了在特定成分不確定性范圍內(nèi)水之間的成分差異。

本研究主要探究石家莊地表水徑流水文水化學演變模擬特征,運用PHREEQE 模型計算典型地表水中主要的離子在一定溫度及pH 條件下的存在形態(tài),通過分析不同監(jiān)測點的離子成分進一步表征地表水遷移過程中的水化學遷移特征。在模擬過程中,輸入模型的參數(shù)包括離子濃度、pH 及溫度等[4]。

4.2 地表水徑流水文水化學遷移模擬原理

PHREEQC 主要包括數(shù)據(jù)庫、輸入文件、標準輸出文件和選擇性輸出文件四部分。其中數(shù)據(jù)庫文件給出了主要離子、礦物質(zhì)、吸附交換、動態(tài)和平衡化學反應等的表達式和常數(shù)。流動模型能夠闡明地表水中因水的流動引起的速度場和位勢場,它和彌散度孔隙度結(jié)合起來就可描述地表水的流動過程,據(jù)此可以計算物質(zhì)的遷移性質(zhì),公式如下：

式中：C為水中組分的物質(zhì)的量,mol/m3；t為時間,s；K為滲透系數(shù)；h為遷移水頭,m；l為遷移水體壓力勢能；z為遷移水體所處位置的勢能。

具體來說,在飽和區(qū)域中描述物質(zhì)量C,發(fā)生均勻?qū)訝钸w移過程時,飽和帶模型方程為達西公式[5]。

4.3 研究區(qū)域水文水化學成分濃度及活度模擬

采用PHREEQE 對選取的地表水徑流監(jiān)測點A 及監(jiān)測點B 的地表水水樣進行化學成分濃度及活度模擬,模擬結(jié)果見表2。

表2 水樣化學成分濃度及活度結(jié)果

根據(jù)表2 得到研究區(qū)域的地表水徑流在不同監(jiān)測點A 及B 的水樣水文水化學成分濃度柱狀圖（圖3）。

圖3 監(jiān)測點水樣化學成分濃度柱狀圖

如表3 所示,監(jiān)測點A 及B 的地表水徑流樣品離子強度分別為0.0564 mol/L 及0.0656 mol/L。具體來說,監(jiān)測點A 的陽、陰離子總數(shù)分別為0.021 eq/kg（地表水）及0.031 eq/kg（地表水）；監(jiān)測點B 的陽、陰離子總數(shù)分別為0.025 eq/kg（地表水）及0.036 eq/kg（地表水）。如圖3 所示,監(jiān)測點地表水水樣中的主要成分隨著地表水水體的遷移, 其主要離子態(tài)成分主要為Cl-、SO42+、Fe（OH）2+、Mn3+及Ca3（OH）42+。研究結(jié)果表明,地表水中的離子在研究區(qū)域地表遷移的過程中受到的水-巖作用較弱,其主要無機化學成分變化較小,地表水徑流水質(zhì)基本保持良好。

4.4 研究區(qū)域水文水化學成分占比分析

對不同監(jiān)測點地表水文水化學成分濃度的占比進行分析。如圖4a 所示,隨著地表水在研究區(qū)域河道從A 點到B點的遷移,水體中的Al（OH）4-濃度不斷增加,同時另一種溶于水體的Al（OH）3（aq）幾乎全部消失。如圖4 b 所示,與Al 離子相似,Ca2（OH）22+濃度隨著水體遷移不斷減低,同時Ca3（OH）42+濃度則隨著水體的遷移不斷上升。上述結(jié)果表明,在特征pH 及水溫的條件下,地表水中Al（OH）4-及Ca3（OH）42+隨著研究區(qū)域地表水的遷移種類出現(xiàn)了明顯的上升。

圖4 水樣化學成分占比結(jié)果

5 結(jié)論

本文對研究區(qū)域地表水徑流不同監(jiān)測點（A 監(jiān)測點及B監(jiān)測點）的地表水水文水化學成分數(shù)據(jù)的采集,模擬地表水水文水化學特征,得到了如下結(jié)論：

（1）該研究區(qū)域地表水水樣中的離子在遷移的過程中的水-巖作用較弱,水質(zhì)成分保持較好。

（2）PHREEQE 對不同監(jiān)測點的地表水水樣的化學成分形式占比模擬結(jié)果表明,隨著地表水水體的遷移, Al（OH）4-及Ca3（OH）42+出現(xiàn)了明顯的上升。