模拟城市5建设规划:建设没有地质灾害是怎么回事

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());EarthScienceFrontiers(ChinaUniversitofGeosciencesBeiinekinUniversitP    yjggy  
;北京大学)地学前缘(中国地质大学(北京)
Vol.21No.4
2Jul014y 
:/d.esf.2014.04.009oi10.13745j
典型新生代断陷盆地内孔隙地下水地球化学过程及
其模拟:以山西太原盆地为例
郭清海, 王焰新
中国地质大学(武汉)环境学院,湖北武汉430074
,QinhaiYanxinGUO  WANG g
,SoESCUoGWWC4choolnvironmentaltudies,hina niversiteosciences(uhan)uhan30074,hina   f f y 
,WAUOinhaiNGYanxin.SimulationofeochemicalrocessesaffectinroundwaterinuaternarorousauifersofG          QggpggQypq  
:():TaiuanbasinAticalCenozoicriftbasin.ESF20arthciencerontiers,014,21483900       -yyp
:,rAbstractInthisstudthewaterockinteractionscontrollinthehdrochemicalcomositionofroundwaters-         ygypg ,from QuaternarorousauiferswereinvestiatedwiththeTaiuanbasinaticalCenozoicriftbasinasthe             ypqgyyp ,winthehdrochemicaltesofroundwaterswasidentifiedhichmatcheswellstudarea.Aclearzonalit           yypgyy  thewiththehdroeoloicalsubdivisionoftheTaiuanbasin.Therimareochemicalrocessesaffectin          yggypygpg  ,aPHREEQC,includeusinsindicatedbtheinverseeochemicalmodellinroundwaterchemistr      gggygy   dissolutionreciitationofsilicateandcarbonatemineralsaswellasevaorationandcationexchaneoccurrin-p             ppggrevealsthatthechemicalcharacteristicsofroundwaterareinthedischareareasofTaiuan.Thisstud             ggyy ,ofhdroeochemicalrocessesisusefulindicativeofthedivisionofhdrodnamicfieldandtheunderstandin            yygygp thestructuralfeaturesofroundwatersstem.fordelineatin      gyg 
:;;;Kewordsoroussedimentsostedroundwaterhdroeochemicalrocessinverseeochemicalmodelinh     -pgygpggy PHREEQC
——太原盆地为例,摘 要:以地处中国北方半干旱地区的典型新生代断陷盆地—分析了影响孔隙地下水化学特征的水-岩相互作用过程。研究结果显示:孔隙地下水的水化学类型表现出明显分带性,并与盆地水文地质单元分区吻合得很好。地下水地球化学过程的定性研究结论与基于PHREEQC的反向水文地球化学模拟结果一致,均表明对于地下水化学特征的形成和演化而言,硅酸盐和碳酸盐矿物的溶解-沉淀作用、排泄区地下水的蒸发浓缩作用及其与含水层介质的阳离子交换作用是控制性的地球化学过程。研究表明:地下水地球化学特征可指示地下水流动场,水化学过程研究是地下水系统结构研究的重要手段之一。关键词:孔隙地下水;水文地球化学过程;反向地球化学模拟;PHREEQC()中图分类号:200641.11 文献标志码:0053212014040838PA 文章编号:1---
部、南部和沿海地区,即便地表水资源相对丰富,但
水作为不可替代的自然资源,对世界各国的社会发展和经济建设具有极其重要的战略意义。我国是一个缺水国家,在西南岩溶石山地区和北方干旱-半干旱地区,地下水是主要或唯一的供水水源;在东
;收稿日期:修回日期:1200013280144122----
随着用水量持续增长,地下淡水的重要性也日益突出。然而,我国许多地区的地下水天然水质恶劣,在地下水质天然良好地区,各类污染使可利用的水资源日渐减少,而地下水开发利用过程中引发的一系列问题则进一步加剧了水资源供需矛盾,使我国面
。临严峻的“水质型”缺水形势[
)(();山西省横向合作项目()基金项目:中央高校基本科研业务费专项(S9UG120113,CUG120505SGSF)J22013DC-QT--
:,作者简介:男,博士,郭清海(教授,主要从事水文地球化学研究。E-m978—)ailhuo2006@gmail.com1qg
:()//httearthsciencefrontiers.net.cn014,214www.2 地学前缘,p
84   )王焰新/地学前缘(郭清海,arthciencerontiers2014,21(4)SFE  
太原盆地是我国北方重要的农业、工业和能源基地。近年来,以太原市为中心的区域经济快速发展,为满足用水需求,盆地内地下水利用率不断提高。太原盆地及其边山地区的地下水开发利用引发如山的水资源-生态环境问题在北方半干旱地区(
。盆地内孔隙水超采区的西、河北)具有典型性[
山区向盆地中心呈阶梯状下降的特征。盆地两侧地形地貌在新构造运动影响下有明显的差异。东侧山区相对平缓,与盆地之间为宽窄不等的黄土丘陵及台塬;而在西侧山区,断层与盆地直接接触,高差悬殊,边山洪积扇呈裙状起伏,短小且坡度大。研究区地貌变化总体趋势为:盆地中部为宽阔、平坦的汾河冲积平原;边山洪积扇伸入盆地中心,构成宽阔的洪积倾
。斜平原;边山则为不连续且不对称的黄土台地[
地下水位持续下降,降落漏斗范围逐渐扩大,从而使大批浅井废弃,深井出水量减少;地下水位下降也使城市地区产生地面沉降,太原市地面沉降已经成为困扰当地居民日常生活的严重地质环境问题;强度不断增加的其他人类活动,如水利工程的兴建、土地利用、采矿等,改变了区域水循环条件和地下水的天然赋存环境,使水环境演化模式发生深刻变化;各类工农业活动和城市生活产生的废弃物严重污染了地
。下水,使水质日渐恶化[
盆地周边出露的前新生界地层包括寒武—奥陶系碳酸盐岩、石炭—二叠系含煤地层及三叠系碎屑岩;盆地内新生代沉积物厚度一般为几十至200m,0 最厚达3包括第三系上新统和第四系下更00m,8 。太原盆新统、中更新统、上更新统及全新统(图1)地是在大型复式向斜基础上断陷成盆的新构造单元,呈北东向镶嵌于沁水复式向斜的北隅,其北部为北东向的五台复背斜,西部与东部分别为南北向的吕梁复背斜和太行复背斜
要解决上述地下水环境问题,科学认识盆地地下水的流动、赋存及地下水系统演化规律是关键所
。地下水系统理论将应力场、在[渗流场、化学场与
温度场统一于有序的时空结构之中,引导研究者从整体上把握地下水系统,并关注系统的结构、组成、
。由于地下水流演化和相互作用过程与控制因素[
动系统有级次的空间分布特征,地下水在流动过程中与含水层介质发生物理(孔隙水压力和有效应力、化学(改变,水分、盐分与热量的输送等)溶解-沉淀,氧化-还原,吸附-解吸附等)和生物(有机质生物降解,微生物参与下的重金属溶解-沉淀作用等)相互作用,导致地质环境中有规律地出现一系列与地下水有关的过程和现象(泉的出露、湿地的发育、水。这土流失、滑坡和地面沉降等地质灾害的发生等)样,对于地下水系统内水-岩-气-生相互作用过程的研究是把握地下水流动场特征及其演化规律的重要
,对于制定地下水可持续开发利用方案并正手段[
确理解其对生态环境安全的影响具有重要意义。本研究以太原盆地为典型研究区,开展了盆地内孔隙地下水地球化学过程分析,其结果可为地下水可持续开发利用规划的制定提供理论支撑。
图1 研究区水文地质简图和采样位置
1 研究区地质与水文地质条件
太原盆地位于山西中部,四周由丘陵和山区环东绕,为典型的新生代断陷盆地;南北长约150km,
。盆地内地西宽为1总面积达62~60km,59km1 
Fi1 SimlifiedhdroeoloicalmaofTaiuan   g.pyggpy 
Basinandsamlinlocations  pg 
O—奥陶系;C—石炭系;P—二叠系;T—三叠系;—寒武系;
N—第三系;QQQ1—下更新统;2—中更新统;3—上更新统;
Q4—全新统。
在太原盆地及其边山地区,各类地下水系统均有分布。盆地周围的大型岩溶水系统包括兰村泉岩
具有北高南低及自形开阔平坦,标高735~830m,
:()//httearthsciencefrontiers.net.cn014,214www.2 地学前缘,p
)王焰新/地学前缘(郭清海,arthciencerontiers2014,21(4)SFE  58   
溶水系统、晋祠泉岩溶水系统、洪山泉岩溶水系统;泛应用于地球科学范围内的诸多领域,包括水文地较大的裂隙水系统为源涡泉裂隙水系统;盆地内部则为孔隙水系统,包括埋藏深度为0~200m的全新统—上更新统—中更新统浅层孔隙水系统和埋藏深度在200m以下的下更新统—第三系深层孔隙
。此外,第三系的隔水地层[盆地深部二叠系、三叠
]1118-
。基于已有的水化学和同位素数据,质学[反向
水文地球化学模拟可用于确定地下水系统中发生的水-岩反应,并解决地下水流场中的地球化学演化路
]1290-
。P径问题[HREEQC是具有反向地球化学模
,在水系统。深层孔隙水系统的底界为石炭系、二叠系、拟功能的水文地球化学模拟软件的典型代表[
建立反向模型时,HREEQC假定模拟终点水溶液P的化学组成是起点水溶液与沿水流路径的矿物相及气相相互作用的结果,所建模型可用于计算沿水流路径的矿物相及气相的反应量。计算方法为:分析程、蒸发浓缩过程等引起的地下水中溶解组分的浓度变化,建立各组分的平衡方程;平衡方程应反映水溶液的质量平衡、元素及其同位素和各种化合价态的摩尔量平衡及电荷迁移量的摩尔平衡。通过联立求解所有平衡方程,可获取从初始水演化至最终水的过程中各矿物相和气相的摩尔反应量。需要指出的是,在建立上述质量平衡方程时,HREEQC要P求方程中出现的每一种化学元素都要在模型所选择的矿物相中有所反映。如果某元素有发生氧化还原反应的可能性,那么该元素所有的化合价态均应包括在摩尔平衡方程中。此外,HREEQC还要求模P型中必须包括碱度和电子的摩尔平衡方程。在本次研究中,我们利用采集于盆地不同水文地质单元的6个水样开展了地下水-矿物相互作用的反向模拟,并根据结果分析了控制地下水地球化学特征的水化学过程。
系的砂岩、页岩内赋存裂隙水,埋藏更深的灰岩含水层则赋存深部岩溶水。
埋藏深度为0~200m的浅层孔隙水系统是盆它的形成与演化过程受到自然地理、地质环境及人类活动因素的影响。浅层孔隙水系统的流场总体形态受盆地的地形地貌特征控制,其边界条件受盆地四周的地质构造控制,而其水量及水质的输入、输出特征则与水文气象、地质、人类活动等多种因素有关。浅层孔隙地下水的补给来源主要包括降水、地表水入渗、灌溉水回渗、边山岩溶水和裂隙水的侧向补给;主要排泄途径则为蒸发、向深层越流及地下水开采,向区外的侧排量可忽略不计。孔隙地下水的运动方向在天然条件下与地形基本一致,由盆地四周向中心汇流,最后流向南部排泄区。在地下水严重超采的影响下,近年来盆地内形成了孔隙水区域降落漏斗,附近地下水的初始径流途径遭到破坏,变为由漏斗边缘向漏斗中心汇流。
地内地下水利用的主要目标,也是本次研究的对象,由矿物溶解-沉淀过程、氧化还原过程、离子交换过
2 研究方法
2.1 样品采集与分析
样品采本次研究共采集孔隙地下水样品44件,
3 结果和讨论
。取样前用蒸馏水和拟采地下水分别3.集位置见图11 地下水地球化学特征
表1总结了所有水样各项水化学指标的统计分润洗采样瓶2取样时用0.45μm滤膜过滤水~3次;样。每个采样点采集3个子样,其中之一加入1∶1析结果。以盆地孔隙地下水的阴离子含量为依据,,的HN用于金属元素分析,其余2其水化学类型主要包括重碳酸型、重碳酸-硫酸型、硫H值小于1O3使p
。在现场用酸-重碳酸型、重碳酸-氯化物型、重碳酸-硫酸-氯化物个子样用于其他组分分析和碱度滴定[
地下水中的主要阳离子则为便携式温度计、电导型和硫酸-氯化物型;H计和电导仪测定水温、H值、pp),碱度在取样当天滴定。水化学组成在采样率(CE、、、后2周内完成测试,其中CNaK用原子吸收aMg
)测定,光谱仪(其他金属元素用电感耦合等离子ASA
+2+2+2+
、、、CMK+。在微量组分中,SaarNF-、g、
/ML,n等含量较高。水样的TDS一般低于1.5g
/最高达3.L。85g
---2-
、、)等阴3.测定,体质谱仪(2 地下水地球化学分带及其指示意义CNSCPSlOOIF-M3、4
)太原盆地为处于半干旱气候条件下的新生代断测定。离子用美国Dionex公司离子色谱仪(CI
2 水文地球化学模拟2.
地球化学模拟作为地学研究的有力工具,已广
陷-沉积盆地,区内气候、地形、沉积物岩性均表现出规律的分带性。盆地孔隙水的水化学特征作为孔
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