PHREEQC在地下水溶质反应运移模拟中的应用
多组分离子交换吸附反应-运移的土柱试验及模拟
多组分离子交换吸附反应-运移的土柱试验及模拟胡海珠;毛晓敏;王铄【摘要】利用室内一维饱和垂直土柱对保守性溶质运移和反应性溶质运移分别进行了试验,并用水文地球化学模拟软件PHREEQC模拟了保守性溶质Cl-的运移以及K+、Ca2+、Na+、Mg2+4种主要阳离子的反应运移过程,分析了土壤中发生的离子交换吸附和盐分运移过程,进一步模拟分析了不同人流溶液种类、次序以及有无置换反应情况下出流溶液的差别.结果表明:这些条件的不同均会对出流溶液的种类和浓度产生明显影响,表明水文地球化学反应对地下水中污染物的迁移会产生很大影响,在相关领域的研究中不宜忽略.【期刊名称】《水文地质工程地质》【年(卷),期】2010(037)004【总页数】6页(P81-86)【关键词】多组分溶质;反应运移;饱和土柱;数值模拟;PHREEQC【作者】胡海珠;毛晓敏;王铄【作者单位】中国农业大学水利与土木工程学院/中国农业水问题研究中心,北京,100083;中国农业大学水利与土木工程学院/中国农业水问题研究中心,北京,100083;中国农业大学水利与土木工程学院/中国农业水问题研究中心,北京,100083【正文语种】中文【中图分类】P641.3随着土壤和地下水的污染问题日益突出，研究污染物运移转化规律受到越来越多的关注。
污染物在运移过程中多组分共同存在，而且不同组分间相互作用，可以发生一系列复杂的化学、生化及物理过程，其中包括氧化－还原、沉淀－溶解、离子交换、水解、降解、配位与螯合等反应［1］。
因此，有必要将溶质运移和多组分复杂水化学生物反应结合起来，全面、定量地研究污染物的反应运移情况。
阳离子交换吸附反应是盐碱土、次生盐碱土水盐运动以及海水入侵等过程中发生的重要反应，研究该问题对了解盐离子的运移规律及预测它们的相互作用和去向具有理论和实践上的意义，为盐渍土改良和咸水入侵预测及防治工作提供科学依据和理论指导［2～3］。
近年来，对于多组分溶质运移的研究逐渐受到关注，研究中涉及到了很多反应，例如两种离子或多种离子之间的交换反应、动态氧化还原反应、表面络合反应、重金属吸附作用等［2，4～5］。
反向模拟在PHREEQC程序中的实现
写的文本文件，文件给出命令（反应模式）供 模型读入并进行模拟，也可以在此文件中 对数据库进行修改和特别选择计算输出结 果；标准输出文件是 Ｐ Ｈ Ｒ Ｅ Ｅ Ｑ Ｃ 在模拟运 算过程中的输出结果；选择性输出文件是 根据用户需要选择性输出的计算结果。国 内目前对 Ｐ Ｈ Ｒ Ｅ Ｅ Ｑ Ｃ 的应用多限于进行化 学组分的分析。
度。总之，阴阳离子间的络合作用使得以自
由离子形式存在的组分含量有不同程度的
减少，自由 Ｃ ｌ －、Ｎ ａ ＋ 和 Ｋ ＋ 含量减少的程
度要小一些，而 Ｓ Ｏ ４２－、Ｃ ａ ２＋ 和 Ｍ ｇ ２＋ 含量 减少的程度则较大。
对于离子的吸附特性，由于 Ｃ ａ Ｃ Ｏ ３０、 Ｃ ａ Ｓ Ｏ ４０、Ｍ ｇ Ｃ Ｏ ３０、Ｍ ｇ Ｓ Ｏ ４０ 等络合组份的 存在，游离的 Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋ 等离子的浓度降
对于所述的８个代表性水样监测孔，坝 基地下水溶液中自由 Ｃａ２＋ 相应组分总量中 占有绝对优势，其含量百分比均已超过了
７０％，坝基水中 Ｃａ２＋ 的迁移，主要来自水
与帷幕水泥石间的作用，这是坝基化学潜
蚀的主要方式之一，也是帷幕遭受侵蚀的
标志。８ 个代表性水样监测孔中灌 ２４－２ 孔
ＳＯ４２－ 相对含量最大，达到 ９２．５％；灌 １７－ ４ 孔的自由 ＳＯ４２－ 相对含量最小，只有 ７２． ０％。造成这种现象的原因是，以 ＣａＳＯ４０ 和 Ｍ ｇ Ｓ Ｏ４０ 形式存在 Ｓ Ｏ４２－ 在含 Ｓ 组分总量中 占了较大的比例。Ｃ ａ ２＋ 和 Ｍ ｇ ２＋ 的情况与
分及其络合物形式的定量计算显得有实际
意义。
５ 结论
本文着重介绍了水 － 岩作用的反向模 拟，运用 Ｐ Ｈ Ｒ Ｅ Ｅ Ｑ Ｃ 程序对陈村大坝坝址 区地下水进行了反向模拟计算，结果显示 了各代表性监测孔水质络合离子的组分含 量和矿物饱和指数，并进而进行了络合离 子的含量分析，饱和指数的结果分析。
地球化学反应模型phreeqc的应用
地球化学反应模型phreeqc的应用
地球化学反应模型PHREEQC被廣泛用於研究大氣、地表水和深層水之間的作用並模擬多種現象，不僅是學術研究的重要工具，也是我們生活中不可缺少的一環，應用廣泛。
首先，PHREEQC可以用於對水資源的評估和管理，地下水、湖泊、河流和地表水中的物質及其反應現象均可進行模擬，有助於對水資源的保護，以及適當的開發和保存。
此外，可以通過模擬來優化工藝，提高生產效率，它促進了污染物處理、食品加工和飲料制作等行業的發展。
其次，PHREEQC也可以用於探測海底元素環境特征，它可以提供均質和鑒定的實驗，從而研究泥岩的活動性，模擬不同環境對元素的作用，探測海底沉積環境。
另外，PHREEQC可用於礦物成分和活性還原微生物活動的模擬，從而加深對礦物活動和其產生的化學作用的了解。
此外，PHREEQC也在設計碼頭及港口結構時得到了廣泛應用，它通過模擬實驗可以及時發現應力，評估碼頭和港口結構的防洪安全性，例如棲身碼頭、高洋塊碼頭等，從而為碼頭和港口結構的設計和施工提供重要指導。
總的來說，PHREEQC是一款強大的地球化學反应模型，用於模擬水資源管理、海底環境探測和碼頭港口施工及設計的應用，為我們的生活和娛樂活動提供了強有力的支撐和保證。
第二讲PHREEQC用户指导_地下水污染与防治
摘要PHREEQC第二版是一个用C语言编写的计算机程序，对各种各样低温下的地球化学性质进行了演算。
PHREEQC是以离子联系的水化学模型为基础的，可以推算（1）生成物和饱和系数；（2）涉及到可逆反应以及不可逆反应的批反应和一维（1D）运移计算，可逆反应包括水、矿物/无机溶液、气体、固体溶液、表面络合、离子交换平衡；涉及到的不可逆反应包括指定成分摩尔转换、动态控制反应、溶液混合和温度变化；（3）逆向模拟实验，其中多组的无机物和气体摩尔转换以解释在特定成分不确定范围水体之间混合物的不同。
和第一版相比，PHREEQC 第二版的新特点如下：具有在一维运移计算中模拟弥散（或扩散）和滞流区的能力，用用户确定的速率表达式模拟分子反应，模拟标准的多种成分或非标准的两种成分的固体溶液的沉淀和溶解，模拟定体积气相和定压力气相，考虑表面系数或交换位置随着无机物的溶解和沉淀或者分子反应的变化而变化，自动采用多套收敛参数，打印用户指定量到原始输出文件和（或）适合输入到扩展表格的文件上，以一种与扩展表程序更兼容的形式确定溶解成分。
这个版本报告中说明了化学平衡、动态平衡、运移计算以及逆向模拟计算基础方程式，描述了程序输入，以及举例说明了许多程序功能目的和范围这个报告的目的是说明PHREEQC 程序的理论和操作，包括组成成分方程的确定，转换这些方程为数值计算方法的解释，补充数值方法计算机代码组织的描述，程序输入描述，以及一系列数据组输入和许多论证的程序功能的数据输入和模拟结果的说明。
生成方程和正向模拟在报告的这一部分，说明了用于确定水样热动力活动，离子交换物质、表面络合物质、气相成分、固体溶液和纯相的代数方程式。
首先，说明了水样、交换种类和表面性质的热动力活动和质量作用方程。
然后，定义一组函数，用f 表示，他们必须能同时求解以确定给定条件下的平衡，许多这样的方程是各种元素或元素的价电子状态、交换位置和表面位置的摩尔平衡方程，或来自于纯相和固体溶液的质量作用方程。
PHREEQC在地下水溶质反应运移模拟中的应用
助项目 (50178040) 作者简介 : 毛晓敏 (19712) ,女 ,博士后 ,主要从事水文水资源及
水环境方面的研究 。 E2mail :xmao @ed. ac. uk
移结合起来 ,发展多学科交叉的地下水溶质反应运移 模型[5] 。
本文利用 PHREEQC 对地下水运动情况下土壤中 溶质交换和运移 、氧化还原反应和生物降解分别进行 了模拟 ,并与有关资料进行了验证分析 。
液进 行 淋 洗 交 换 ( 溶 液 浓 度 分 别 为 012N 、210N 和
210N) ,同时采集渗出液观察含标记钙离子溶液浓度的
变化 。
(2) 主要反应概述 因为在两种钙离子存在的条
件下 ,土壤溶液中有如下离子交换反应 :
Ca2+ + Ca 3 - X2
Ca - X2 + Ca 3 2+
(1)
· 2 0 ·
水文地质工程地质
2004 年第 2 期
PHREEQC 在地下水溶质反应2运移模拟中的应用
毛晓敏1 ,刘 翔2 ,Barry D A1 (11 英国爱丁堡大学土木与环境研究所 ,爱丁堡 EH9 3JN ;
21 清华大学环境科学与工程系 ,北京 100084)
摘要 : 由于地下水污染的加剧 ,对地下水中污染物运移规律的研究日益受到重视 。地下水中的溶质在运移过程中伴随 着溶质组分间的化学反应 ,因此需要建立地下水溶质运移与化学反应的耦合模型 。PHREEQC 是近年来发展起来的描述 局部平衡反应 、动态生物化学反应的水文地球化学模拟软件 。本文利用该模拟软件对一维地下水流动过程中溶质离子 交换反应和动态氧化还原反应进行了模拟 。结果表明 , PHREEQC 能够成功地进行溶质运移情况下复杂水化学反应模 拟 ,但对于复杂地下水流和溶质运动的情况 ,有必要耦合其它的地下水流动和溶质运移软件来共同完成 。 关键词 : 地下水 ; 溶质 ; 反应运移 ; 离子交换 ; 动态氧化还原 ; PHREEQC 中图分类号 : P64112 ;P64113 文献标识码 : A 文章编号 : 100023665 (2004) 0220020205
PHREEQC模拟宝坻区地表水回灌雾迷山组地热井探析
PHREEQC模拟宝坻区地表水回灌雾迷山组地热井探析王冰;夏雨波;刘东林;田光辉;蔡芸;宗振海【摘要】Tianjin contains abundant low-temperature geothermal resources, but geothermal exploitation thermal storage pressure declined continually in recent years. It is imperative to exploring new reinjection methods for im-proving the sustainable utilization of geothermal resources. From the point of the hydrological geochemical as-pects, this paper analyzed the main iron composition changes and trend of scaling after surface water and geother-mal fluid mixing with different proportions. It used the example that Chaobai River reinjects Jxw geothermal well in Baodi District (BD-02 well), and used PHREEQC software to simulate the mixing action of different ion pro-portions. The results show that the main ion concentration is stable and had no effect on the water quality of the original geothermal fluid when the mixture ratio reached 1:1. When the water was mixed with geothermal fluids, carbonate minerals, iron bearing minerals, and the saturation index of asbestos and talc showed a decreasing trend, and there will not be a phenomenon of scaling. Reinjection can be stable for a long time.%天津市蕴藏着丰富的中低温地热资源,但是近年来地热集中开采区内热储压力持续下降,为了提高地热资源的可持续利用强度,对地热回灌方法的研究势在必行.本文从水文地球化学角度入手,分析了不同比例地表水与地热流体混合后流体主要离子组分的变化情况及结垢性,并以潮白河河水回灌宝坻区雾迷山组地热井(BD-02井)为例,采用PHREEQC软件对混合作用进行了不同比例模拟,结果显示混合比例达到1:1时,主要离子组分含量稳定,未对原地热流体水质造成影响.河水与地热流体混合时,碳酸盐矿物、含铁矿物、温石棉和滑石的饱和指数呈现降低趋势,不会出现结垢的现象,回灌能长期稳定进行.【期刊名称】《地质调查与研究》【年(卷),期】2015(038)004【总页数】4页(P317-320)【关键词】PHREEQC;河水回灌;雾迷山组地热井;结垢性【作者】王冰;夏雨波;刘东林;田光辉;蔡芸;宗振海【作者单位】天津地热勘查开发设计院,天津300250;中国地质调查局,天津地质调查中心,天津300170;天津地热勘查开发设计院,天津300250;天津地热勘查开发设计院,天津300250;天津地热勘查开发设计院,天津300250;天津地热勘查开发设计院,天津300250【正文语种】中文【中图分类】P314天津市蕴藏着丰富的中低温地热资源，是我国地热资源开发利用较早的地区之一，但是随着需求的不断增加，地热资源开采量也不断加大，造成热储压力明显下降，影响了地热资源的可持续开发利用。
反向模拟在PHREEQC程序中的实现
参考文献 ［１］ Ｂｅｃｋ Ｊ Ｓ， Ｖａｒｔｕｌｉｊ Ｃ， Ｒｏｔｈ Ｗ Ｊ， ｅｔ ａｌ． Ａ ｎｅｗ ｆａｍｉｌｙ ｏｆ ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｔｅｍｐｌａｔｅｓ［Ｊ］． Ｊ Ａｍ Ｃｈｅｍ Ｓｏｃ． １９９２；１１４： １０８３４－１０８４３ ［２］ Ｋｒｅｓｇｅ Ｃ Ｔ， Ｌｅｏｎｏｗｉｃｚ Ｍ Ｅ， Ｒｏｔｈ Ｗ Ｊ， ｅｔ ａｌ． Ｏｒｄｅｒｅｄ ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｉｅｖｅｓ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ ｂｙ ａ ｌｉｑｕｉｄ－ｃｒｙｓｔａｌ ｔｅｍｐｌａｔｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ［Ｊ］． Ｎａｔｕｒｅ．１９９２；３５９： ７１０－７１２ ［３］ Ｍｉｃｈａｌｓｋａ Ａ， Ｄａｔｕｒｉ Ｍ， Ｓａｕｓｓｅｙ Ｊ， ｅｔ ａｌ．
Ｓ
Ｏ
２－ ４
类似，由于它们与
Ｃ
Ｏ
３ ２ － 、Ｈ
Ｃ
Ｏ
－ ３
及
ＳＯ４２－ 的络合作用，使得以自由离子形式存
在的 Ｃａ２＋ 和 Ｍｇ２＋ 合量有一定程度的减少。
同样，对于矿化度较高的水样，以
Ｃ
ａ
Ｃ
Ｏ
０ ３
和 Ｃ ａ Ｈ Ｃ Ｏ ３＋ 形式存在的 Ｃ Ｏ ３２－ 在含 Ｃ 组分
总量中所占的比例也达到了不可忽略的程
的反应类型是必须Biblioteka 认清的，在模型输入 时是必须的。为了方便，ｌｏｇＫ 系数设为 ０， ｌｏｇＫ 不影响本反向模型的过程和结果，因 为在本模型中只对化学剂量进行计算，求 出监测孔地下水中相应矿物的饱和指数等。
３ 反向模拟在 ＰＨＲＥＥＱＣ 程序中的实
PHREEQC在汤市地热水化学形成作用模拟中的应用
PHREEQC在汤市地热水化学形成作用模拟中的应用焦春春;肖江;皮建高;孙锡良【摘要】通过对湖南汤市地热田浅层地下水、常温地下水以及地热水化学特征分析,运用Phreeqc模拟软件对地热系统中水-岩作用过程进行模拟.根据质量平衡模型原理计算出从“初始水质”到“终点水质”2条模拟路线上各矿物的饱和指数及溶解(沉淀)量,推测地热水化学形成过程中组分和质量转移情况,模拟结果表明此过程中钠长石、钾长石、方解石、萤石、黄铁矿、二氧化碳产生溶解,石英、高岭石、白云石产生沉淀;地热水与热储中的矿物通常处于平衡状态,这种平衡信息可由热水的化学成分反映出来.根据地热水的水质分析结果运用组分分布模型原理计算出地热水中各矿物的饱和指数,并把热水中多种矿物的饱和指数作为温度的函数绘图,据此推断出热储的平衡矿物及热储温度,模拟结果表明热储形成温度在70～125℃之间.【期刊名称】《矿业工程研究》【年(卷),期】2018(033)001【总页数】5页(P49-53)【关键词】地下水化学;饱和指数;平衡矿物;Phreeqc;汤市【作者】焦春春;肖江;皮建高;孙锡良【作者单位】湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭411201;湖南科技大学资源环境与安全工程学院,湖南湘潭411201;湖南省地质矿产开发局402队,湖南长沙410000;湖南省地质矿产开发局402队,湖南长沙410000【正文语种】中文【中图分类】P332.7地下热水的化学演化是一个复杂的水岩作用过程,汤市地下热水的化学成分在其径流途径上由浅部至深部有着明显变化,这样的变化是通过哪些化学反应产生的值得研究.这些化学反应在地下水径流过程中是动态变化的,一般的水文地球化学方法很难对这种动态的多组分多反应的化学演化过程进行定量研究[1].然而,在计算机技术上发展起来的水文地球化学模拟技术成为解决这类问题的有效方法.PHREEQC是以C语言为基础的水文地球化学模拟软件,主要用于解决水、气、岩土相互作用系统中的化学组分的分析、溶质运移和动态化学反应方面的研究[2].本文利用PHREEQC对汤市地热田几组具有代表性的水样数据点进行水文地球化学模拟,重塑了汤市热下热水的化学演化历史,推断出此对流型地热系统中地下热水化学成分的形成机制[3],为该区地热水的开发利用及保护提供理论依据.1 地下水化学基本特征图1 地下水化学成分形成作用模拟路线本次研究共采集13组水样,根据地下水径流深度的不同分为2类,浅部为地表水及浅层地下水水样5组(SY1,SY2,SY3,SY4,SY5),恒温层地下水水样3组(SY10,SY11,SY12);深部为深层地下热水水样5组(SY6,SY7,SY8,SY9,SY13),取样点分布情况见(图1).对每组地下水水样的化学成分特征进行分析,探讨其变化规律.地表及浅层地下水pH平均值为6.48,属弱酸性水,TDS变化范围为30.6～36.1 mg/L,属低矿化度水,水化学类型为HCO3-Ca型水.恒温地下水pH平均值为6.63,属弱酸性水,TDS变化范围为75.62～124.22 mg/L,属低矿化度水,水化学类型为HCO3-Ca型水.地下热水pH平均值为6.84,属弱酸性水,TDS变化范围为163.44～200.73 mg/L,属低矿化度水,水化学类型为HCO3-Na型水.研究区水化学分析诸多常量元素中,某些离子和化合物具有明显的指示性见(表1),是热水指示性元素,其中以和SiO2与温度正相关性最好,除Mg2+外,浓度总体上随地下水水温的增高而增大(图2),是热水排泄区含量最大的离子,因此为研究区典型热指示性常量元素[4].汤市地下水在径流途径上发生了何种化学反应,致使地下水的化学成分产生这样的变化,有待下文进一步的研究.图2 常量元素浓度与水温关系表1 浅层地下水与地热水化学元素含量对比 mg/L样品编号对比项目Na+K+Mg2+Al3+Fe2+Ca2+Cl-NO-3F-HCO-3SO2-4SiO2PH温度SY-13.1001.3810.6730.0000.00003.2313.792.830.00020.751.999217.92926.717. 2SY-24.1831.6250.9310.0000.00413.4182.741.390.00034.170.000028.67146.518. 2SY-33.2002.1160.6790.0240.04202.9132.905.750.00045.154.595325.62866.231. 7SY-43.8241.6070.7860.0120.11954.3233.711.380.00039.052.636919.82366.526. 9SY-53.8611.2080.7700.0100.06004.3643.521.570.00040.272.469120.50076.525. 6SY-639.2502.6570.1570.0100.00509.9753.850.005.670123.2015.823774.59297.0 42.1SY-740.7602.3210.0910.0000.00009.7703.920.005.958126.9016.950076.32867.050.6SY-840.8802.4580.0920.0000.00009.8473.880.005.928120.8015.996577.46407.3 50.3SY-94.6002.5000.0000.0100.010010.5204.610.056.020120.5420.670060.32107.2 44.5SY-103.3002.0000.6200.0000.04002.8603.391.240.01060.812.640021.65106.523 .6SY-113.7002.2000.6600.0000.53003.7503.782.510.01057.023.190023.74506.524 .6SY-120.4001.3000.1200.0000.19001.54019.2332.950.75095.336.300024.51606.9 24.9SY-133.8001.0000.0800.0000.00000.6004.460.056.090128.3320.510050.35107.3 53.62 水岩作用模拟2.1 主要化学成分形成机制汤市地热区地层除局部区域第四系覆盖外,主要为彭公庙花岗岩体,主要矿物成分为石英、长石、黑云母等,区内有萤石采矿厂,萤石矿物储藏丰富.地热系统中Na+主要来自碱金属硅酸盐的溶解,溶解使得溶液pH值升高,因此出现地热水的pH值普遍高于地表水及浅层地下水pH值的现象,在深部围岩中,斜长石(以钠长石为主)浓度高于钾长石;SiO2主要来自地下水系统围岩中主要矿物成分为含钠、钙、钾、镁、氟的硅铝酸盐的溶解;F-由含氟矿物(萤石、长石、和云母等)较高的水温条件下水解出,因为研究区内萤石矿物储藏丰富,下文中只考虑萤石矿物的溶解与沉淀,不考虑云母;和Fe2+主要来自含硫矿物黄铁矿在含氧地下水流和相应温度的作用下形成的FeSO4的溶解与沉淀.2.2 地下热水形成过程模拟由上文水化学分析对比结果可看出地热水中浓度远高于地表水及浅层地下水,表明研究区内形成地热水的主要水文地球化学过程与降水入渗过程中围岩硅铝酸盐及其他矿物成分(包括碳酸盐、硫酸盐等)的溶解(沉淀)作用有关[5,6].结合区内地下热水的补径排关系,以及地质特征、水文地质条件、地下热水流动过程中可能发生的化学反应,使用质量平衡模拟确定地下热水流动过程中的矿物溶解(沉淀)量.根据地下热水的补给深度的差异,对汤市地下热水化学成分形成作用的模拟,分浅层地下水补给地热水和恒温地下水补给地热水2种情况分别进行.在研究区选取浅层地下水水样SY-5和恒温地下水水样SY-12作为“初始水质”,取样点均位于控热构造F深大断裂上盘,F1断裂与F断裂交汇处的地热水水样点分布较为集中,水样分析各项目值较为接近,取其水样化学成分的平均值作为“终点水质”,记做水样R1,模拟路径见(图1).用计算机编程计算3组水样的矿物饱和指数以及从“初始水质”变化至“终点水质”过程中各矿物溶解(沉淀)的量[7,8].将“初始水质”与“终点水质”的数据输入PHREEQC程序中进行计算,得到计算结果如表2所示.计算出水样SY-5,SY-12,R1的矿物饱和指数,以及从“初始水质”变化到“终点水质”过程中各矿物溶解(沉淀)的量.模拟路线A上石英处于过饱和状态,萤石、二氧化碳、白云石、黄铁矿均处于未饱和状态.在模拟路线A上,钠长石、钾长石、萤石、黄铁矿、二氧化碳、白云石、石英、方解石发生了溶解,高岭石产生沉淀.其中溶解作用以钠长石、钾长石、石英、黄铁矿的溶解量相对较大,溶解量分别为39.82,26.35,19.64,13.67 mmol/L;而高岭石沉淀量为25.77 mmol/L.表2 地下热水化学反应模拟路线结果模拟路线A水样SI钾长石SI钠长石SI白云石SI方解石SI黄铁矿SI萤石SI石英SICO2(g)SY-5-3.6082-2.2640-0.6740-0.8809-0.1700-0.58360.6203-2.4580R1-2.7781-1.6016-0.4530-0.8276-0.5872-0.3316-0.4597-3.6610矿物溶解(沉淀)/(mmol/L)钾长石钠长石高岭石白云石二氧化碳萤石石英方解石黄铁矿26.3539.82-25.771.373.5610.2319.6415.9813.67模拟路线B水样SI钾长石SI钠长石SI白云石SI方解石SI黄铁矿SI萤石SI石英SICO2(g)SY-12-3.8928-2.48890.6740-0.8949-0.5636-0.66150.6774-1.6910R1-2.7781-1.60160.4500-0.8276-0.5872-0.33160.4597-3.6610矿物溶解(沉淀)/(mmol/L)钾长石钠长石高岭石白云石二氧化碳萤石石英方解石黄铁矿23.5829.76-26.37-2.323.899.2318.7212.5412.15模拟路线B上石英处于过饱和状态,萤石、钾长石、钠长石、二氧化碳、黄铁矿均处于未饱和状态.在模拟路线B上,钠长石、钾长石、萤石、石英、方解石、白云石、黄铁矿、二氧化碳发生了溶解,高岭石产生沉淀.其中溶解作用以钠长石、钾长石、石英、方解石的溶解量相对较大,溶解量分别达到29.76,23.58,18.72,12.54mmol/L;而沉淀高岭石的沉淀量为26.37 mmol/L.2条模拟路线计算结果表明,浅层地下水经过深循环加热生成地热水过程中,主要发生了钠长石、钾长石、方解石、萤石、石英、白云石、黄铁矿、二氧化碳的溶解,和高岭石的沉淀.2.3 地下热水形成温度模拟图3 地热水矿物饱和指数随温度的变化关系在地热系统中,热水的运移速度相当缓慢,地热水在热储中长时间滞留,使得地下热水中的矿物与热储中的矿物通常处于平衡的状态,这种平衡的状态可从热水的化学成分中反映出来.本文根据地热水的水质分析资料运用组分分布模型原理计算矿物在不同温度下的饱和指数,并分析热水中多种矿物的饱和指数与温度的关系.地热水中若有一组矿物在某一温度范围内同时接近平衡,据此便可判断热水在热储中与这组矿物达到了平衡状态,平衡时的温度即可看作为深部热储的温度.因此根据地下热水的水质分析结果可确定热储中的平衡矿物及热储的形成温度.根据地下热水水质分析资料,利用5组热水水样水化学成分的平均值,即水样R1,运用PHREEQC水文地球化学模拟软件编程,从20～200 ℃每隔5 ℃对热水溶液相对多种矿物的饱和指数进行计算,分析研究区地下热水平衡矿物及平衡温度范围.地下热水平衡矿物多以钠长石、石英、黄铁矿、钾长石、萤石、方解石等矿物为主,在70～125 ℃达到饱和(图3),所以热储温度在70～125 ℃之间[11,12].3 结论1)地下水径流过程中主要发生了钠长石、钾长石、石英、方解石、萤石、白云石、黄铁矿、二氧化碳的溶解作用,以及高岭石的沉淀作用.2)高岭石的沉淀主要是由钾长石和钠长石经过风化作用后溶解而引起的.而其余矿物的溶解作用,则主要与不同深度地下水所处的物化环境有关.3)地热水中矿物除高岭石和白云石外,钠长石、石英、黄铁矿、钾长石、萤石、方解石等矿物均能在70～125 ℃之间达到饱和,由此推断热储形成温度在70～125 ℃之间.4)运用PHREEQC模拟可以为今后地热田地热资源评价工作中出现的一些技术难题提供解决的依据和办法,能更好地为地热资源开发利用与地热环境保护工作服务. 参考文献:【相关文献】[1] 谭家华.小三江地热田地温场特征及成因分析[J].地下水,2010,32(2):16-17.[2] 徐衍兰,高宗军,李佳佳.PHREEQC在济南泉水来源判别中的应用于效果[J].地下水,2015,37(1):4-5.[3] 张保建,沈照理,乔增宝.聊城市东部岩溶地热田地下热水水化学特征及成因分析[J].中国岩溶,2009,28(3):263-268.[4] 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பைடு நூலகம்
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水文地质工程地质
2004 年第 2 期
图 1 钙离子交换运移反应的试验及模拟结果比较 ( N1 、N2 分别为淋洗溶液的浓度、原土柱溶液的浓度 , CΠCi 表示了渗出液中含标记钙离子的相对浓度)
1 —试验值 ;2 —试验值 ;3 —模拟值
Co ( Ⅱ) EDTA 和溶解氧的直接反应 。而石英砂表面的
MnO2 可以催化 Co ( Ⅱ) EDTA 的氧化反应 (式 3) ,同时
自身被还原成 Mn2O3 。Mn2O3 又可以被水中的溶解氧
氧化重新生成 MnO2 (式 4) 。
Co ( Ⅱ) EDTA + MnO2 + 015H2O
2004 年第 2 期
水文地质工程地质
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项计算 ,之后进行化学反应项的计算 ,弥散项的计算 , 再重新进行化学反应项的计算 。这种方法可以减少数 值弥散 ,对于具有复杂化学反应的溶质运移模拟是比 较有效的 。
PHREEQC 主要包括数据库 、输入文件 、标准输出 文件和选择性输出文件四部分 。其中数据库文件给出 了主要离子 、矿物质 、吸附交换 、动态和平衡化学反应 等的表达式和常数 。总结前人的研究经验 , PHREEQC 共提供了四个数据库供用户进行选择应用 。输入文件 是需要用户编写的文本文件 ,文件给出命令 (反应模 式) 供模型读入并进行模拟 ,也可以在此文件中对数据 库进行修改和特别选择计算输出结果 。标准输出文件 是 PHREEQC 在模拟运算过程中的输出结果 ,选择性 输出文件是根据用户需要选择性输出的计算结果 。
1 概述
随着地下水污染日益受到关注 ,利用地下水污染 物运移转化模型对其运移规律进行研究已成为发展趋 势 。地下水中污染物的运移伴随着不同组分间的化学 反应 ,但最初的研究是从地下水溶质运移模型和多组 分水化学反应模型两个方面分别进行的 。多组分水化 学模型可用来进行热力学反应路径模拟和动力学反应 路径模拟 ,例如可以计算出在不同温度 、压力下不同水 质水体混合后溶液的化学组成 、矿物在固 、液相间的运 移量等[1] 。一般来说反应路径模拟是静态的 , 没有考 虑地下水运动对溶质对流 - 弥散的影响 。单纯的地下 水运动模型主要用于地下水量评价 、群井开采规划等 方面 ,近年来又逐渐发展了伴随地下水运动的溶质运 移模型[2 ,3] 。但这些模型对溶质化学反应多进行了简 化 ,或假设为保守性物质 ,或采用不考虑溶质间相互作 用的简单经验吸附和生物降解模式 。
Fig. 1 Comparison of experimental and PHREEQC simulated results for Ca transport with cation exchange
( N1 and N2 are concentrations of Ca2 + in the irrigation solution and the soil column , respectively ; CΠCi is the relative concentration of labeled Ca2 + in the leachate)
对于多溶质的溶液 ,PHREEQC 使用了一系列的方 程来描述水的活度 、离子强度 、不同相物质溶解平衡 、 溶液电荷平衡 、元素组分平衡 、吸附剂表面的质量守恒 等等 。根据用户的输入命令 ,PHREEQC 将选择其中的 某些方程来描述相应的化学反应过程 。这些方程组成 的方程组 ,采用改进的牛顿 - 拉斐逊 (Newton2Raphson) 方法进行迭代求解 。
液进 行 淋 洗 交 换 ( 溶 液 浓 度 分 别 为 012N 、210N 和
210N) ,同时采集渗出液观察含标记钙离子溶液浓度的
变化 。
(2) 主要反应概述 因为在两种钙离子存在的条
件下 ,土壤溶液中有如下离子交换反应 :
Ca2+ + Ca 3 - X2
Ca - X2 + Ca 3 2+
(1)
助项目 (50178040) 作者简介 : 毛晓敏 (19712) ,女 ,博士后 ,主要从事水文水资源及
水环境方面的研究 。 E2mail :xmao @ed. ac. uk
移结合起来 ,发展多学科交叉的地下水溶质反应运移 模型[5] 。
本文利用 PHREEQC 对地下水运动情况下土壤中 溶质交换和运移 、氧化还原反应和生物降解分别进行 了模拟 ,并与有关资料进行了验证分析 。
地下水中的溶质处于复杂的地理环境中 ,由于复 杂的水 - 岩 (土) - 气 - 有机物间的相互作用 ,存在着 吸附交换 、氧化还原 、沉淀溶解 、生物降解等诸多地球 化学或生物化学反应[4] 。因此 ,有必要将地下水中的 溶质运动和考虑多组分复杂水化学生物反应的溶质运
收稿日期 : 2003203212 ; 修订日期 : 2003211214 基金项目 : 英国皇家学会与中国国家自然科学基金委员会资
子对有标记钙离子交换的土柱试验 , 研究了这一过
程[10 ] 。
(1) 试验简述[10] 在 3 个长 510cm 的玻璃柱内均 匀装入轻砂壤土 ,土柱的干容重约 116～117gΠcm3 ,该
土壤的阳离子交换容量 (CEC) 为 01015meqΠg 土 。土柱
的体积孔隙度为 0137 。最初 ,3 个土柱被水和钙离子
KCa 3 ΠCa
=
[βCa ] ·[ Ca 3 2+ ] [βCa 3 ] ·[ Ca2+ ]
=1
(2)
式中 :Ca 、Ca 3 ———分别为无标记钙和有标记钙 ;
X ———土壤中的吸附剂 ; βi ———i 在吸附剂上的当量比 ;
[ ] ———表示无标记和有标记钙在溶液中的活度 ; K ———离子交换反应的平衡常数 。 根据以上反应可知 ,当无标记钙离子的浓度远大 于标记钙离子的浓度时 ,无标记钙离子被吸附的比例 将大大增加 ,而有标记钙离子将被替换到溶液中 。而 且随着溶液的运移 ,有标记钙离子不断地被替换下来 , 使得在一定时间内 (约经过一孔隙体积溶液的淋洗) 有 标记钙离子的浓度在运移过程中呈滚雪球似的增加 。 (3) 模拟结果与分析 图 1 分别列出了 2 组平行 试验的结果[10] 以及相同条件下 PHREEQC 模拟得到的 结果 。可以看出 ,采用 PHREEQC 的模拟结果渗出液 浓度峰值比试验结果稍有提前 ,可能是由于模拟条件 采用了平衡态的离子交换反应 ,而实际试验中的离子 交换尚未达到平衡 。但总体看来 ,两者趋势基本一致 , 说明 PHREEQC 可以较成功的模拟土柱中的溶液在入 渗过程中发生的离子交换反应 。试验和模拟都表明 , 当交换溶液浓度远大于被交换溶液浓度 ,且土壤的吸 附能力较小时 ,渗出液被交换离子的浓度经过一孔隙 体积左右的淋洗产生急速上升 ,再经过几个孔隙体积 溶液的淋洗 ,原来土壤所吸附的离子几乎被完全替换 下来 。 312 含动态氧化还原反应的溶质对流 - 弥散 已往的核废物大都直接埋藏于地下 ,使地下水受 到潜在污染 。这些废物在扩散运移中可以和地下水及 其岩土中的物质发生复杂化学反应 ,从而对水污染的 预测和治理带来困难 。钴是核反应的常见产物 ,它和 乙二胺四乙酸鳌合形成乙二胺四乙酸二钴 Co ( Ⅱ) ED2 TA。Co ( Ⅱ) EDTA 可以在氧化物的作用下生成运移性 能更强的 Co ( Ⅲ) EDTA 。Jardine 等对 CoEDTA 在运移 过程中的动态氧化还原特性进行了试验[11] , Saiers 等 采用自编的程序对该试验进行了数值模拟[12] 。这里 采用了 PHREEQC - Ⅱ中描述一维溶质运移对流 - 弥 散的功能 (transport) 以及在运移过程中发生的动态化 学反应的功能 ( kinetics) ,对相同试验条件下 Co ( Ⅱ) EDTA 的动态氧化还原和运移弥散进行了模拟 。 31211 试验简介 表面附着软锰矿 (β - MnO2 ) 的石英砂被装填在 415cm 长的玻璃柱内 ,石英砂的密度是 114gΠcm3 ,体积 孔隙率是 0148 。通过水泵控制流速 ,将 Co ( Ⅱ) EDTA 溶液注入土柱 ,同时对渗出液进行观测 。由于 Co ( Ⅱ) EDTA 被溶液中溶解氧氧化的速度很慢[11] ,可以忽略
PHREEQC 还可以描述双重介质中含有多组分化 学反应的一维对流 - 弥散过程 。它采用了分裂算子 (split2operator) 的技术[7] ,每个模拟时段内先进行对流
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2 PHREEQC 模型及原理简介
PHREEQC 是由美国地调所开发的水文地球化学 模拟软件[6] , 它是在 PHREEQE[1] 的基础上发展 而 来 的 。与传统的水化学反应模型相比 ,目前的 PHREEQC 第二版 ( PHREEQC2 Ⅱ) 不仅可以描述局部平衡反应 ,还 可以模拟动态生物化学反应以及双重介质中多组分溶 质的一维对流 - 弥散过程 。
国内目前对 PHREEQC 的应用多限于进行化学组 分的分析[8] ,涉及其溶质运移和动态化学反应的功能 的尝试尚不多见[9] 。
3 实例
311 地下水中溶质运移的离子交换反应