INSTABILITY OF GROUNDWATER QUALITY PARAMETERS DURING PUMPING AND ITS HYDROCHEMICAL SIMULATION: EXAMPLE FROM QIJIA WATER SUPPLY BASE
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摘要: 大庆市齐家水源地井口现场和实验室测定的地下水水质参数与其真实情况存在差异.运用水文地球化学手段模拟了地下水从含水层被抽出至地表的过程中由于所承受压力降低不可避免地导致CO2, H2S等气体的逸出, 从而影响pH, Eh的测定结果.最后指出了地下水采样测试技术的发展方向.Abstract: The groundwater quality parameters determined both at the well head and in the laboratory of Qijia water supply base, Daqing city, differ from what happens in the real situation. Hydrogeochemical method is used to simulate the changes of pH and Eh values due to the inevitable degassing of CO2 and H2S resulting from the pressure drop in the course of the groundwater pumping from the water-earing bed to the earth surface. The trends in the groundwater sampling are proposed in the final part of the paper.
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Key words:
- groundwater /
- sampling /
- water quality parameter /
- hydrogeochemical simulation
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环境样品的采集是一项极其重要的工作.一个缺乏可靠性或没有代表性的样品没有任何分析价值.地下水环境, 尤其是承压地下水环境, 与地表水环境有着截然的不同, 诸如没有光照, 温度较低但温差变化小, 处于多孔介质中, 承受一定压力(承压水), 缺氧甚至无氧等.地下水被采集的过程就是从这种相对封闭的环境进入地表开放环境的过程, 也是地下水的水文地球化学平衡被破坏而不得不重新调整以适应新环境的过程.这种特点就使得地下水的采样工作相对要复杂得多.比如, 采样前要对井筒进行抽水清洗, 其抽水量与抽水速度的确定、所采水样的位置、样品处理(过滤、酸化等) 过程中如何隔绝空气、某些水质参数必须在现场测试等.即使这些都给予了足够重视并进行了严格操作, 笔者认为地下水水化学平衡的破坏仍难以避免, 因而取得真正具有代表性的水样仍然十分困难.下面以大庆市齐家水源地为例作一详细论述.
1. 齐家水源地泰康组含水层简介
齐家水源地位于大庆油田西部地区主要承担大庆市龙南区和让湖路区约30万人口的生活饮用水及其他用水任务.该水源地于1991年竣工投产, 以开采第四系和第三系地下水为主, 有水源生产井48口, 设计综合供水能力10×104 m3/d.
本文以第三系泰康组地下水为研究对象.该含水层岩性主要为灰白色含砾中、粗砂和砂砾, 物质组成以石英为主, 另有长石、燧石等矿物及花岗岩、石英岩、火山岩岩屑.含水层顶底板为灰黑色湖相淤泥质亚粘土层, 隔水性好.地下水位埋深在21 m左右, 井深200多m, 单井涌水量3 000~8 000 m3/d.
表 1为该层地下水水化学平均成分, 其中HCO3-和Na+为水中主要的阴、阳离子, 水的硬度和矿化度较高, 且水中铁、锰含量超标.
表 1 齐家水源地泰康组含水层水化学成分平均值Table Supplementary Table Mean values of groundwater chemical compositions of Qijia water supply base
2. 泰康组含水层评价
本地区的水文地质工作始于20世纪60年代, 为满足大庆油田的需要而展开的地下水资源调查与开发.近40年来, 积累了大量水化学资料, 然而, 这些水化学资料基本无现场测试, 样品的采集、储存等都无严格的操作规范, 因而其某些水质参数的分析结果极有可能背离自然真值通过对水源地现场的实地考察及对水化学数据的分析更加肯定了这一点.
(1) 已有水化学资料中, 齐家水源地泰康组含水层地下水pH值介于7.4~7.8之间(室内测试).笔者在水源地现场井口取水测试, 其初始pH值介于7.1~7.2之间, 且随测试时间的延长有向高值漂移的趋势. (2) 井口出水中可观察到连续不断的气泡逸出, 还可闻到明显的H2S气味.一般情况下, CO2和H2S是地下水中控制pH和Eh值的两个重要气体成分, 取样时需倍加小心. (3) 溶解氧(DO) 的测定需要使水样保持在与大气隔绝的环境中进行.虽然进行了现场ρ (DO) 值测定, 但却是在暴露于大气的情况下, ρ (DO) 值介于0.5~4.0 mg/L之间, 可信度差. (4) 泰康组含水层以富铁为一大特征.现有资料中铁的分析结果显示ρ (Fe3+) > ρ (Fe 2+), 且常出现ρ (Fe2+) =0的现象.一般地, 除非水中存在足够的有机质络合作用或者水体呈强酸性, Fe3+才能在水中富集.富铁水一般应为以亚铁为主要存在状态的还原条件下的水.可见, 铁的上述分析结果可能与样品的采集、保存不佳及分析不及时有关. (5) 以pH=7.5, Eh=+100 mV (现场实测) 为条件, 利用表 1的平均水化学组成计算有关矿物的饱和指数见表 2.按以上数据, 水中Ca2+, Mg2+, Fe2+的碳酸盐和Fe (OH)3处于过饱和态.由于泰康组地下水埋藏条件好, 在水平方向和垂直方向上的水交替是很缓慢的, 地下水与含水层物质间有着充分的接触, 因而其所呈现的pH, Eh等主要的水化学参数在含水层中应该具有比较好的稳定性, 水中Ca2+, Mg2+, Fe2+, Fe3+应与相应的固相处于平衡状态.故上述计算得出的过饱和数据表明所测pH, Eh可能与实测情况不符.FeS的高度不饱和则是由于上述Eh值过高, 还原态S不能在水中存在的缘故, 这又与水中存在前述的H2S气味相矛盾.
表 2 地下水中某些矿物的饱和指数Table Supplementary Table Saturation indices of some minerals in the groundwater
以上分析表明, 泰康组地下水的实际pH, Eh, ρ (DO) 等环境参数与地表测试结果所反映的情况相差很大.由于采样手段的落后, 气体(CO2, H2S等) 的逸出、氧气的渗入难以避免, 从而使pH, Eh, ρ (DO) 和ρ (Fe3+) ρ (Fe2+) 的分析结果都有偏高的可能.为揭示地下水所处的真实水文地球化学环境, 对上述参数有必要进行尽可能的修正.
3. 抽水过程中地下水水质参数变化的水化学模拟
地下水从含水层抽出至地表的过程是一个从具有较高压力、对大气封闭的还原环境进入地表常压的氧化环境的过程.在抽水前后, 地下水静、动水位之差可视为井底压力的相对变化[1].齐家水源地泰康组抽水时, 其静、动水位之差平均为5.46 m, 即井底过滤器附近的压力比井漏斗区外的地层水压力低约0.53×105 Pa.在水从井底抽运至地表的过程中, 所受压力则更是大幅度急剧降低(从约20×105 Pa降为1×105 Pa).这就使水中溶解的CO2, H2S等气体从漏斗区边缘开始不断逸出.Clark[2]曾报道某些深井中在过滤器部位及其上方出现气体从水中分离的现象.因而在井口取样, 即使进行及时而严格的现场测试, 也难以保证Eh, pH测试结果的足够准确.
上述导致Eh, pH测试结果失真的原因, 提示我们可以运用水化学模拟手段反演抽水过程中Eh, pH的变化情况, 进而恢复地下水的真实环境.思路是: 向失真的水样中逐渐“加入”CO2和H2S气体, 直至模拟出接近真实的地下水环境.那么, 真实的地下水环境应如何确定?现场调查取样分析表明, 在井底沉砂管内有大量化学沉淀物, 主要物相为硫化铁(FeS)、菱铁矿(FeCO3) 和方解石(CaCO3).据此, 可以把过滤器附近的地下水界定为与上述物相处于相对过饱和状态, 而含水层中地下水则与上述物相不饱和或至多接近饱和(含水层中未发现上述矿物).本文运用了PHREEQC水文地球化学模拟软件[3]对表 1中的水化学成分以pH=7.5, Eh=+100 mV为初始条件进行了模拟.
模拟表明, 只有CO2的逸出可导致CaCO3, FeCO3的饱和沉淀, 但FeS的高度不饱和状态却变化甚微; 只有H2S的逸出可导致FeS饱和沉淀, 但对CaCO3, FeCO3的饱和指数影响甚微.可见, 只有CO2逸出或只有H2S逸出都不符合实际情况.
将CO2和H2S同时加入水中来模拟二者同时逸出的情况.为此, 需选择好CO2和H2S加入的比例, 以便能使CaCO3, FeCO3, FeS能在一定的pH, Eh范围同时处于从不饱和向饱和转变的状态(只有这样才符合上述3种物相在沉砂管共同存在的实际情况), 经多次调整, 得到较为理想的结果, 见表 3.
表 3 抽水过程中地下水pH, Eh变化的水化学模拟结果Table Supplementary Table Hydrochemical modeling results of groundwater pH, Eh values during pumping
由表 3可以看出, 井底过滤器处地下水的环境条件大约为: 6.9 < pH < 7.2, -185 mV < Eh < -167 mV, 此时CaCO3, FeCO3和FeS同时趋于饱和和过饱和, 有从水中沉淀析出的趋势.而含水层中地下水可能处于pH < 6.7, Eh≈-140~-150 mV条件下, 此时, CaCO3不饱和, FeCO3和FeS不饱和或接近饱和.于是地下水从含水层进入过滤器附近后随着CO2, H2S的逸出将会产生上述3种矿物的饱和沉淀.地下水从井底到地表的过程中, CaCO3, FeCO3一直是过饱和, FeS则由于H2S的逸出又变得不饱和, 而在地表则将会出现Fe (OH)3沉淀.
图 1为齐家水源地泰康组含水层铁的Eh-pH稳定场图, 该图据ΣFe, HCO3-和SO42-的活度值绘制.代表含水层(pH=6.5, Eh=-140 mV)、过滤器(pH=7.05, Eh=-175 mV) 和地表实测(pH=7.5, Eh=+100 mV) 环境的点分别投于其上.可以看出, 地下水从含水层进入沉砂管后FeCO3, FeS发生共沉淀的趋势很明显, 而在地表将检测到高含量的三价铁(图中以FeS2代替FeS, 因FeS相对于FeS2是亚稳态的).
图 1 泰康组地下水中铁的Eh-pH稳定场ρ (Fe2+) =0.65 mg/L, ρ (HCO3-) =510 mg/L, ρ (SO42-) =213 mg/L.其中Fe (OH)3为非晶态Fig. 1. Eh-pH graph of iron in Taikang groundwater4. 讨论
对于地下水的采样测试, 大家已经公认, 水质的某些参数必须在水样从井口运走之前进行测定, 但并非所有水质参数必须都应或者可以实现在现场的快速测试.对此, Stuart Garner[4]提出了地下水基本水质参数(primary ground water quality parameters) 的概念, 规定基本水质参数是可以通过便携式电子仪器实现低成本、高精度野外测试的那些参数, 并指出温度、电导率、pH, Eh, DO等必须包括在内.由本文研究可知, 地下水在从含水层抽出至地表的过程中其基本水质参数是不稳定的, 对地下水的井口取样地面现场测试, 仍然不能保证基本水质参数的准确性.因此, 水下定深取样、定位测试技术应该成为地下水取样测试技术的发展方向[4~6].
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图 1 泰康组地下水中铁的Eh-pH稳定场
ρ (Fe2+) =0.65 mg/L, ρ (HCO3-) =510 mg/L, ρ (SO42-) =213 mg/L.其中Fe (OH)3为非晶态
Fig. 1. Eh-pH graph of iron in Taikang groundwater
表 1 齐家水源地泰康组含水层水化学成分平均值
Table 1. Mean values of groundwater chemical compositions of Qijia water supply base
表 2 地下水中某些矿物的饱和指数
Table 2. Saturation indices of some minerals in the groundwater
表 3 抽水过程中地下水pH, Eh变化的水化学模拟结果
Table 3. Hydrochemical modeling results of groundwater pH, Eh values during pumping
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[1] 陈国富, 陈虹雁, 王学工, 等. 井筒内水头高度与井底压力对比实验[J]. 工程勘察, 1997, (4): 32~35. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCKC199704010.htm [2] Clark F E. The corrosive well waters of Egypt' s western desert[A]. In: Geological Survey Professional Paper 1757-O[C]. Washington: US Gov Print Off, 1979. 1~50. [3] David L P. User's guide to PHREEQC— a computer program for speciation, reaction_path, advective, transport, and inverse geochemical calculations[A]. In: US Geological Survey, eds. Water Resources Investigation Report 95 -4227[C]. Lakewood, Colorado: [s. n. ], 1995. 1~151. [4] Stuart Garner P E. Making the most of field_measurable ground water quality parameters[J]. Ground Water Monitoring Review, 1988, Summer: 60~66. [5] Daniel R, Mordechai M. An in situ multilevel sampler for preventive monitoring and study of hydrochemical profiles in aquifers[J]. Ground Water Monitoring Review, 1987, Fall: 69~74. [6] Katherine W D, Donald L M. Field methods for measurement of ground water redox chemical parameters[J]. Ground Water Monitoring Review, 1990, Fall: 81~90. -
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