Groundwater Geochemistry: A Practical Guide to Modeling of Natural and Contaminated Aquatic Systems

برای درک هیدروشیمی و تجزیه و تحلیل اثرات طبیعی و همچنین انسان‌ساز بر سیستم‌های آبی، مدل‌های هیدروژئوشیمیایی از دهه 1960 و در زمان‌های اخیر بیشتر مورد استفاده قرار گرفته‌اند. جریان عددی آب زیرزمینی، حمل و نقل و مدل‌های ژئوشیمیایی ابزارهای مهمی در کنار رویکردهای قطعی و تحلیلی کلاسیک هستند. حل سیستم های پیچیده معادلات خطی یا غیر خطی، معمولاً با صدها پارامتر ناشناخته، یک کار معمول برای رایانه شخصی است. مدل‌سازی فرآیندهای هیدروژئوشیمیایی نیازمند تجزیه و تحلیل دقیق و دقیق آب و همچنین داده‌های ترمودینامیکی و جنبشی به عنوان ورودی است. داده های ترمودینامیکی، مانند ثابت های تشکیل پیچیده و محصولات حلالیت، اغلب به عنوان پایگاه داده در برنامه های مربوطه ارائه می شوند. با این حال، توصیف واکنش‌های کنترل‌شده سطحی (جذب، تبادل کاتیون، کمپلکس‌سازی سطح) و واکنش‌های کنترل‌شده جنبشی به داده‌های ورودی اضافی نیاز دارد. برخلاف مدل‌های جریان و انتقال آب زیرزمینی، مدل‌های ترمودینامیکی اصولاً نیازی به کالیبراسیون ندارند. با این حال، در نظر گرفتن مدل های واکنش کنترل شده با سطح یا کنترل جنبشی ممکن است در معرض کالیبراسیون باشد. مشکلات معمول برای کاربرد مدل‌های ژئوشیمیایی عبارتند از: • گونه‌زایی • تعیین شاخص‌های اشباع • تنظیم تعادل/عدم تعادل برای مواد معدنی یا گازها • اختلاط آب‌های مختلف • مدل‌سازی اثرات دما • واکنش‌های استوکیومتری (مانند تیتراسیون) • واکنش‌ها با مواد جامد، سیالات و فازهای گازی (در سیستم‌های باز و بسته) • جذب (تبادل کاتیونی، کمپلکس‌سازی سطح) • مدل‌سازی معکوس • واکنش‌های کنترل‌شده جنبشی • انتقال واکنشی مدل‌های هیدروژئوشیمیایی به کیفیت آنالیز شیمیایی، شرایط مرزی پیش‌بینی‌شده توسط برنامه بستگی دارد. مفاهیم نظری (به عنوان مثال

To understand hydrochemistry and to analyze natural as well as man-made impacts on aquatic systems, hydrogeochemical models have been used since the 1960’s and more frequently in recent times. Numerical groundwater flow, transport, and geochemical models are important tools besides classical deterministic and analytical approaches. Solving complex linear or non-linear systems of equations, commonly with hundreds of unknown parameters, is a routine task for a PC. Modeling hydrogeochemical processes requires a detailed and accurate water analysis, as well as thermodynamic and kinetic data as input. Thermodynamic data, such as complex formation constants and solubility-products, are often provided as databases within the respective programs. However, the description of surface-controlled reactions (sorption, cation exchange, surface complexation) and kinetically controlled reactions requires additional input data. Unlike groundwater flow and transport models, thermodynamic models, in principal, do not need any calibration. However, considering surface-controlled or kinetically controlled reaction models might be subject to calibration. Typical problems for the application of geochemical models are: • speciation • determination of saturation indices • adjustment of equilibria/disequilibria for minerals or gases • mixing of different waters • modeling the effects of temperature • stoichiometric reactions (e.g. titration) • reactions with solids, fluids, and gaseous phases (in open and closed systems) • sorption (cation exchange, surface complexation) • inverse modeling • kinetically controlled reactions • reactive transport Hydrogeochemical models depend on the quality of the chemical analysis, the boundary conditions presumed by the program, theoretical concepts (e.g.