石家莊地表水徑流演變模擬分析

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,因此研究區域地表水水化學特性會隨著水體遷移出現明顯的變化。基于此,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域地表水的內在特性,進一步地開展地表水徑流水文模擬研究對于理解和優化水資源配置具有重要意義[2]。

PHREEQE 由美國地質調查署開發,該軟件現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據的采集,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 研究區概況

石家莊是河北省省會城市,屬于環渤海經濟圈,是京津冀城市群中京保石發展軸的南部頂點,位于北緯37°27'～38°47',東經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、丘陵、平原、濕地等階梯地貌特征,山地面積占總面積的70%。研究區域位置見圖1。

圖1 研究區域位置

3 地表水徑流離子成分

為了探究研究區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,該研究區域地表水流經途徑為從A 監測點到B 監測點,兩個監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。監測點地表水化學成分結果見表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、表面絡合和離子交換平衡,以及反應物的特定摩爾轉移,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,它發現了礦物和氣體摩爾轉移的集合,這些轉移解釋了在特定成分不確定性范圍內水之間的成分差異。

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,通過分析不同監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 主要包括數據庫、輸入文件、標準輸出文件和選擇性輸出文件四部分。其中數據庫文件給出了主要離子、礦物質、吸附交換、動態和平衡化學反應等的表達式和常數。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合起來就可描述地表水的流動過程,據此可以計算物質的遷移性質,公式如下：

式中：C為水中組分的物質的量,mol/m3；t為時間,s；K為滲透系數；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,在飽和區域中描述物質量C,發生均勻層狀遷移過程時,飽和帶模型方程為達西公式[5]。

4.3 研究區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測點A 及監測點B 的地表水水樣進行化學成分濃度及活度模擬,模擬結果見表2。

表2 水樣化學成分濃度及活度結果

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

圖3 監測點水樣化學成分濃度柱狀圖

如表3 所示,監測點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,監測點A 的陽、陰離子總數分別為0.021 eq/kg（地表水）及0.031 eq/kg（地表水）；監測點B 的陽、陰離子總數分別為0.025 eq/kg（地表水）及0.036 eq/kg（地表水）。如圖3 所示,監測點地表水水樣中的主要成分隨著地表水水體的遷移, 其主要離子態成分主要為Cl-、SO42+、Fe（OH）2+、Mn3+及Ca3（OH）42+。研究結果表明,地表水中的離子在研究區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,地表水徑流水質基本保持良好。

4.4 研究區域水文水化學成分占比分析

對不同監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+隨著研究區域地表水的遷移種類出現了明顯的上升。

圖4 水樣化學成分占比結果

5 結論

本文對研究區域地表水徑流不同監測點（A 監測點及B監測點）的地表水水文水化學成分數據的采集,模擬地表水水文水化學特征,得到了如下結論：

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

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