PHREEQC在济南泉水来源判别中的应用与效果

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PHＲEEQC 在济南泉水来源判别中的应用与效果
徐衍兰1 ，高宗军1 ，李佳佳2
( 1． 山东科技大学，山东青岛266590，2． 山东煤田地质局第一勘探队，山东枣庄277500)
［摘要］ 为验证济南泉域的泉水来源，选取趵突泉周围13 个取样点岩溶水中的微量元素Ba 和Sr，运用
PHＲEEQC 软件对这两种元素进行不同比例的混合。结果表明，济南南部山区、东郊、西郊等处的岩溶水都对趵突泉
泉水有不同程度的贡献，并首次试算出各个方向来水比例。这从水化学的角度说明，趵突泉水的来源是多源的。
［关键词］ 济南泉群，泉水来源，PHＲEEQC; 多源补给
［中图分类号］ P641． 2 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1004 － 1184( 2015) 01 － 0004 － 02
［收稿日期］ 2014 － 09 － 25
［基金项目］ 山东省地质矿产局重大科技攻关项目( 2012 － 045) ; 水利部分公益性行业专项经费项目: 变化环境下大沽河
水资源安全保障技术研究( 201301089)
［作者简介］ 徐衍兰( 1989 － ) ，女，山东日照人，在读硕士研究生，主攻方向: 水文地质与工程地质。
Application and Effects of PHＲEEQC in the
Source of Ji＇nan Spring Catchment
XU Yan － lan1 ，GAO Zong － jun1 ，LI Jia － jia2
( 1． Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，Shandong; 2． The First Prospecting Team of Shandong
Coal Geology Bureau，Zaozhuang 277500，Shandong)
Abstract: In order to verify the source of Ji＇nan spring catchment，select 13 sampling points of karst water around the
Spouting Spring，using the PHＲEEQC software to mix the Ba and Sr values in different proportions． The results show that the
karst water from southern mountain，eastern and western suburbs of Ji ＇nan has different contributions for Spouting Spring ．
Through the model counts the inflow allocation ratio from each direction for the first time． Hydrochemical speaking，the source
of Spouting Spring is multi － source recharge．
Key words: Ji＇nan spring catchment; the source of springs; PHＲEEQC and multi － source recharge
1 研究背景
一直以来，研究者们对于济南泉域岩溶地下水的补给来
源各执一词。济西水源有丰富的地下水已成共识，但济西水
源地是否与济南市区泉群有水力联系却一直备受争议，济西
水源和市区泉域水源是“一碗水”还是“两碗水”成为专家们
争论的焦点。
作者之前通过微量元素分布规律研究发现: 济南泉域泉
水不仅仅来源于南部山区，而且东郊及西郊对泉域泉水均有
补给。为验证济南泉域泉水来源，本文采用2012 年5 月份
于济南地区南部石灰岩分布区所取岩溶地下水水样( 避开雨
季的影响) ，运用PHＲEEQC 软件，对趵突泉东侧、西侧及南
部区域取样点水样的Sr、Ba 两种元素的检测结果进行不同比
例混合，以判断趵突泉水的组成来源。
2 PHＲEEQC 模型及原理简介
PHＲEEQC 是由美国地质调查局开发的水文地球化学模
拟软件［1］，用C 语言编写的进行低温水文地球化学计算的计
算机程序，它是在PHＲEEQE［2］的基础上发展而来的，兼容了
PHＲEEQE 和NETPATH 全部功能，广泛用于水地球化学计
算。Phreeqc 功能很强大，可进行正向模拟和反向模拟，几乎
能解决水、气、岩土相互作用系统中所有平衡热力学和化学
动力学问题，包括水溶物配合、吸附－ 解吸、离子交换、表面
配合、溶解－ 沉淀、氧化－ 还原［3］。
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( Newton － Ｒaphson) 方法进行迭代求解［4］。
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［4］。
国内目前对PHＲEEQC 的应用多限于进行化学组分的分析［5，6］，也有部分学者应用其对溶质运移和动态化学反应进
行分析［7，8］。
3 地下水来源模拟
本次选用Ba、Sr 两种元素进行模拟，选取趵突泉周围的13
个取样点，如图1 所示。运用PHＲEEQC 软件对这两种元素进
行不同的比例混合，经过不断试算，最终模拟混合结果最接近
于趵突泉取样点泉水水质的mix 比例见表1，趵突泉实测水质
及模拟混合结果见表2。取样点最终混合比例见图1。
图1 取样点混合比例示意图
表1 取样点水样最佳混合比例
样品原号
混合元素
原始数据
Sr( umol/L) Ba( umol/L)
mix 比
例( %)
模拟混合结果
Sr( umol/L) Ba( umol/L)
31 老东门( 青龙泉) 3． 607 0． 305 1 13． 6
27 泉城公园3 ． 927 0． 573 10． 7
38 下井庄园3 ． 596 0． 377 1 9． 5
37 交运集团6 ． 888 0． 543 3 9． 5
39 龙洞村2． 495 0． 251 8 9
40 涝坡村2． 67 0． 210 6 9
24 － 1 后龙村小学6 ． 354 0． 586 6 9
28 北康尔2． 635 0． 242 8 9
24 － 2 文庄3 ． 619 0． 315 4 8
29 大涧小学2 ． 484 0． 241 9 5
46 郭家窝坡2 ． 084 0． 114 2 5
34 黄路线村2 ． 288 0． 240 1 2
33 兴隆村3． 521 0． 855 8 0． 7
3． 769 0． 360 3
表2 26 号趵突泉取样点实测数值和模拟结果对比表
实测数值( X) 最佳混合结果( Y) X － Y ( X － Y) /X
Sr( umol /L) 3． 77 3． 769 0． 001 0． 000 265
Ba( umol /L) 0 ． 359 3 0． 360 3 － 0． 001 － 0． 002 78
通过模拟结果可以看出，南部山区加上东西两侧采样点
数据按比例混合结果与趵突泉水质非常吻合，验证了泉域泉
水来源于各个方向这一观点的合理性。从模拟结果中，我们
可以看出:
( 1) 泉域东侧按离泉域由近及远的点31，点37，点38 的
混合比例依次是13． 6% ，9． 5% ，9． 5% ，泉域西南侧由近及远
的点27，点24 － 1，点24 － 2 混合比例依次是10． 7% ，9% ，
8% ，由此说明离趵突泉越近的点参与的混合比例越大，越远
的点参与混合的比例越小，即离趵突泉近的点补给泉水越
多，距离趵突泉越远的点补给泉水越少。
( 2) 泉域东南侧点33、点34 距离泉域较近但参与混合比
例较小，而点40，点46 距离泉域较远却参与混合比例较大，
可能是局部环境地质条件差异引起的。
( 3) 总体来看，东郊对趵突泉的水源补给比例比西郊的
大; 按取样点位置相近原则，选取点37，点38 为东郊代表点，
点24 － 1，点24 － 2 为西郊代表点，模拟结果也可以看出东郊
补给泉域的比例大于西郊。
4 结语
通过运用PHＲEEQC 软件模拟结果可以看出，南部山区
加上东、西两侧采样点数据按比例混合结果与趵突泉水质非
常吻合，验证了泉域泉水来源于各个方向这一结论，济南趵
突泉水是多源补给的［9］。东侧和西南侧距离趵突泉较近的
点补给泉水越多，距离趵突泉越远的点补给泉水越少，东南
侧由于一段千佛山断裂阻水，不符合这一规律。此外，从模
拟结果也可以看出东郊补给泉域泉水的比例大于西郊。
由于研究区地质条件的复杂性，采样时没有弄清楚所采
地下水所处地层年代、岩石性质等地质环境条件，在运用
PHＲEEQC 软件模拟各取样点最佳混合比例时，未考虑母岩
及迁移途径中岩石成分对泉水微量元素的影响，得出的结果
的合理性有待于深入研究。
参考文献
［1］Parkhurst D L，Appelo C A J． User＇s guide to PHＲEEQC ( Version
2) － A computer program for speciation，batch － reaction，one － dimensional
transport，and inverse geochemical calculations［J］，Water
－ Ｒesources Investigations Ｒeport 99 － 4259 ，Denver，Colorado，
1999．
［2］Parkhurst D L，Thorstenson D C，Plummer，L N． PHＲEEQE － A
computer program for geochemical calculations． U． S． Geoloeical Survey
Water － Ｒesources Investigations Ｒeport 80 － 96 ，1980 ( Ｒevised
and reprinted) ，August，1990．
［3］徐乐昌． 地下水模拟常用软件介绍［J］． 铀矿冶． 2002 ，21 ( 1 ) :
33 － 38．
［4］毛晓敏，刘翔． Barry D A． PHＲEEQC 在地下水溶质反应－ 运移
模拟中的应用［J］． 水文地质工程地质． 2004 ( 2) : 20 － 24．
［5］王东胜，曾溅辉． 地下水化学组分存在形式的计算及其意义
［J］． 水文地质工程地质． 1999 ，26( 6) : 48 － 51．
［6］张建立，李东艳，贾国东． 大庆齐家水源地Fe 存在形式的研究
［J］． 水文地质工程地质． 1999． 26 ( 3) : 43 － 45．
［7］李广玉，叶思源，鲁静，等． 胶州湾底层水痕量元素组分存在形态
及其生物有效性［J］． 世界地质． 2006 ，25( 1) : 71 － 75．
［8］高柏，史维浚，孙占学． PHＲEEQC 在研究地浸溶质迁移过程中的
应用［J］． 华东地质学院学报． 2002 ，25( 2) : 132 － 135．
［9］高宗军，徐军祥，王世臣，等． 济南岩溶水微量元素分布特征及其
水文地质意义［J］． 地学前缘． 2010． 5 ，21( 3) : 1 － 12．

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