某水電站蓄水對下游溫泉的影響研究

王永輝 李忠 王忠 楊建

摘 要：水電站蓄水后，庫區附近地下水滲流場的變化是否會對下游約3 km處溫泉的天然循環條件造成影響，進而改變其水量、水溫和水質等要素成為制約工程建設的關鍵問題。有鑒于此，在對研究區水文地質調查、勘探及試驗資料進行整理歸納的基礎上，采用地質分析與數值模擬相結合的方法，從定性和定量兩個方面評價了水電站蓄水對溫泉的影響。結果表明：溫泉群屬上升泉，其形成與區域地下水的深循環有關，這一循環系統相對獨立，只是在泉水上升排泄過程中，與淺表地下水發生了混合；水電站建成后，溫泉仍會正常排泄；蓄水對溫泉群的水量、水溫和水質基本無影響。

關鍵詞：水電站 溫泉 地質分析 數值模擬

中圖分類號：TV7 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（b）-0076-04

Study on the Influence after Impoundment of Ahydropower Station to the Downstream Hot Spring

Wang Yonghui Li Zhong Wang Zhong Yang Jian

（PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited，Kunming Yunnan，650051，China）

Abstract： It is the key problem of engineering construction that if the change of groundwater seepage field near the Reservoir Area will affect the natural circulation condition of the downstream hot spring about 3km after impoundment of a hydropower station， and then change the water quantity， temperature and quality.In view of this，the influence was evaluated qualitatively and quantitatively from the method of combing geological analysis and numerical simulation on the basis of summarizing the data of hydrogeology survey，exploration and experiment.The results showed that：The hot springs group is an ascending spring， which is related to the deep circulation of groundwater.The circulation system is relatively independent， it has been mixed with near-surface groundwater only in the process of the spring water discharge； The hot spring will be discharged normally after completion of the hydropower station；The influence after impoundment of the hydropower station is very little for the water quantity，temperature and quality of the hot spring.

Key Words：Hydropower station；Hot spring；Geological analysis；Numerical simulation

擬建水電站位于云南省西部，壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高約180 m，初擬正常蓄水位961 m，裝機容量為260萬kW，年發電量約127.4億kW·h。

溫泉群呈線狀分布于擬建水電站下游約3 km的河流右岸，由8個泉點組成，出露高程主要集中于830～833 m，水溫為37℃～59 ℃，總流量約17 L/s。泉水具承壓性，屬上升泉。

水電站蓄水后，庫區附近地下水滲流場的變化是否會對下游溫泉的天然循環條件造成影響，進而改變溫泉的水量、水溫和水質等要素成為影響工程建設的關鍵問題之一。有鑒于此，在對研究區水文地質調查、勘探及試驗資料進行整理歸納的基礎上，采用地質分析與數值模擬相結合的方法，從定性和定量兩個方面評價了水電站蓄水對溫泉的影響，以期達到合理開發和妥善保護地質環境的目的。此外，該研究成果也可為其他類似有人文景觀保護要求的工程提供較好的借鑒[1-3]。

1 區域地質背景

該區地處云貴高原西部邊緣地帶，屬高山深切峽谷地貌，地勢總體北高南低，主要山脈和水系近南北向展布。兩岸山脈高程3 500 ～3 900 m，河床高程為800～1 000 m，相對高差達2000～3 000 m。

區域內地層較為齊全，從元古界到第四系均有出露，地層總體呈南北向分布，受構造控制明顯。

區內構造形跡主要表現為斷裂。斷裂構造的體系和序次較明顯，近南北向的斷裂被近東西向的斷裂錯斷。該區發育的Ⅰ級結構面有5條，分別為近南北向展布于河流西岸的FA、FB斷裂，東岸的FC斷裂和近東西向展布的FD、FE斷裂。區內Ⅱ級結構面僅1條，為近南北向展布的F1斷層。

溫泉群位于FE斷裂與F1斷層交匯部位，斷裂的相互切割使得巖體破碎，裂隙發育。此處F1斷層以西為三疊系中統河灣街組（T2h）白云巖、灰質白云巖；F1斷層以東為石炭系臥牛寺組（C3w）玄武巖。溫泉正是出露在F1斷層所形成的兩種透水性差異較大巖體的分界部位（圖1）。

2 溫泉成因模式分析

2.1 熱源及水源

熱源主要來自于地殼深部。根據西南地區巖石圈地溫分布特征，該區屬于高溫型地塊，地殼上地幔特定深度溫度、莫霍面溫度及各結構面地溫梯度均為云南省最高值。以550 ℃代表居里面溫度，則其埋深最淺為16.7 km。巖石圈底界溫度為1 460 ℃～1 526 ℃。上述溫度反映了該單元強烈的高地熱背景和相應的巖石圈熱結構。該區附近地殼淺部無年輕巖漿侵入體，故不存在巖漿熱等附加熱源。因此，分析認為地幔熱流和上地殼含放射性元素衰變產生的地殼熱流構成了溫泉地熱系統的熱源[4-6]。

氫氧同位素組成是尋找地下水補給源的天然示蹤劑。根據一個地區地下水的同位素組成在δD-δ18O關系圖上是否落在當地降水線上，可判定地下水的起源是大氣降水還是其他來源[7]。將溫泉水樣氫氧同位素組成投到δD-δ18O關系圖上可以看到，結果緊靠在西南降水線附近（圖2），說明溫泉水受大氣降水補給。

研究表明，大氣降水的氫氧同位素組成常呈現出有規律的變化，即海拔越高，水中的δD和δ18O含量就越低。因此，根據δ18O的高程效應，利用公式（1）可對溫泉水補給高程進行推算。

（1）

式（1）中：H為溫泉水補給區高程（m）；δs為溫泉δ18O含量（‰）；δp為參照水體δ18O含量（‰）；K為δ18O梯度（‰/100 m）；h為參照水體補給高程（m）。

室內試驗測得溫泉群δ18O含量為-10.95‰，以該區地表水作為參照水體，其δ18O值為-14.72‰。據于津生等人對川西及藏東地區δ18O高程效應的研究，梯度值為-0.26‰/100 m[8]，故K取-0.26‰/100 m。已知地表水補給高程h為3 255 m。將以上數據代入公式（1），計算求得溫泉水補給高程為1 805 m。因此，溫泉群補給區高程在1 800 m左右。

2.2 熱儲及循環深度

通過對地熱溫標的測定，可計算出深部熱儲溫度。地球化學地熱溫標法的原理是地熱流體與礦物在一定溫度條件下達到化學平衡，在隨后地熱流體溫度降低時，流體中的化學成分仍保持不變。根據溫泉水中SiO2的含量利用公式（2）可對其熱儲溫度進行計算。

（2）

式中：t為熱儲溫度（℃）；SiO2為二氧化硅的含量（mg/L）。

實驗測得溫泉中SiO2含量為32.81 mg/L，由此計算熱儲溫度為82.8 ℃。

根據上述熱儲溫度利用公式（3）對溫泉水的循環深度進行估算[9]。

（3）

式中：D為循環深度（m）；t為熱儲溫度（℃）；t0為恒溫帶溫度（℃）；G為地溫梯度（℃/100m）；d0為恒溫帶深度（m）。

熱儲溫度t取82.8 ℃；恒溫帶溫度t0取當地平均氣溫，為18 ℃；該區屬高熱流背景區，地溫梯度偏高，G取3.5 ℃/100 m；恒溫帶深度d0取20 m。計算求得溫泉水循環深度為1 871 m。

2.3 通道及蓋層

作為區域性斷裂的FA、FB不僅控制了區內的沉積建造及構造格局，而且為大氣降水向地殼深部的運移提供了通道。F1斷層則成為地下熱水的排泄通道。上述3條斷層相互組合，為地下水進行深循環并在沿途吸收深部的熱量，然后在水頭和密度差作用下向地表運移提供了必要的通道，起到了導水、導熱的作用。

研究區西部三疊系中統河灣街組（T2h）之下的石炭系上統丁家寨組（C3d）地層巖性為礫巖、砂巖、泥巖及生物結晶灰巖。這類地層具有滲透性差和熱傳導率低的特點，組成了深部熱儲的良好蓋層。

2.4 補給、徑流、排泄特征

綜上所述，溫泉在研究區西部1 800 m左右的山區接受大氣降水補給后順區域性斷裂FA和FB向地殼深部徑流。在運移過程中，地下水不斷從巖石中獲取熱量并逐漸被加熱，當循環至約1 870 m深度時水溫增至83 ℃左右，形成深部熱儲。最后，地下水在水頭和密度差作用下順F1斷層向地表運移并在地形有利部位出露形成了溫泉群（圖3）。

3 水電站蓄水對溫泉的影響

3.1 定性分析

根據上述分析，溫泉群屬上升泉，其形成與區域地下水的深循環有關，補給高程在研究區西部1 800 m左右的山區，循環深度約1 870 m。這一循環系統相對獨立，只是在泉水排泄出地表的過程中，與淺表地下水發生了混合。

研究表明，水電站蓄水后對地下水滲流場的影響也只是局限在一定的范圍和深度，超出這一范圍和深度后，則恢復為天然地下水滲流場。因此，評價水電站蓄水對距離約3 km外溫泉群的影響，關鍵是需要分析蓄水對淺表地下水循環系統的改變是否會延續至溫泉區，進而影響到溫泉的正常排泄。

溫泉屬深部循環地下水，泉群出露高程為830～833 m。調查發現，無論枯季、雨季其出露點均高于河水位，表現為泉水補給河水。即使其上游3 km外的水電站蓄水后，這一關系也不會發生改變。

水電站蓄水至961 m時，庫水通過壩基向下游河床滲漏的平均水力梯度為20.79%。與此相比，庫水與溫泉群間的水力梯度僅為4.37%。根據壓水試驗資料，壩基巖體屬微透水～中等透水。溝通水庫與溫泉群的結構面—F1斷層寬2～8 m，破碎帶組成物質以糜棱巖、斷層泥、角礫巖為主。現場平硐揭露F1屬壓扭性斷層，透水性差。因此，水電站蓄水后，庫水向溫泉群滲漏的水動力條件及滲漏通道的滲透性均較差，故滲漏至溫泉排泄區附近的庫水量極為有限。

綜上可知：蓄水不會對溫泉群排泄區附近淺表地下水循環系統產生大的影響；水電站建成后，溫泉仍會自然排泄且其水量、水溫不會產生大的變化。

3.2 模擬計算

采用美國地質調查局開發的模塊化地下水流三維有限差分計算程序Modflow對地下水滲流場進行模擬。模型東西及南北長度均為4 500 m，面積20.25 km2，包括了水電站工程區及溫泉群。

模擬區氣候變化較大，干、濕季節分明，通常5～10月為雨季，降雨量豐富，暴雨較多。根據氣象資料，本區多年平均降雨量1 080 mm，5～10月降雨量為864 mm，11月至次年4月降雨量為216 mm。所以按照季節將一年作為2個應力期（即雨季和干季），每個時間段內包括若干時間步長，時間步長由模型自動控制。根據模型運行情況調整時間步長，嚴格控制每次迭代的誤差。模型中一年的降雨量按雨季和干季分別施加，其余年份依次類推。

由于溫泉的形成與區域地下水的深循環有關，因此模型的高程范圍設置較大，為0～2 000 m。為更真實地反映地層結構，將模型剖分為24層，200行、200列，共計960 000個單元。所有分層界限（層頂標高、層底標高）均自模擬計算區內勘探、水文地質剖面圖數據提取，并恢復為三維空間數據，由此建立三維空間物理模型（圖4）。

根據地下水滲流場特征和地層水文地質結構，將研究區邊界條件確定如下：左岸為變水頭邊界；右岸為定水頭邊界；南部為流出邊界；模擬區內水庫及河流均為定水頭邊界。

此次滲流場模型的建立所采用的玄武巖滲透系數來源于水電站樞紐區鉆孔壓水試驗成果，有效孔隙率數據采用壩址區巖石物理力學試驗成果。由于模型涉及范圍較大，其余巖體并無相關資料，因此，參數的選取尚參考了溪洛渡、官地、烏東德等大型水電工程的資料（表1）。

此次模型計算主要分兩種方案進行。

（1）針對現狀天然條件下，對模型進行校驗，并進行40個水文年的非穩定流模擬與評價，模擬計算地下水滲流場及溫泉流量的變化。

（2）針對蓄水后，水庫水體對地下水滲流場及溫泉流量的影響，進行40個水文年的非穩定流模擬與評價。

通過數值模擬計算天然條件下溫泉群總流量平均值為17.23

L/s，這一結果與現場實測值基本一致。水電站蓄水至961m后，計算得出溫泉群總流量平均值為17.21 L/s，這與天然條件下的總流量17.23 L/s十分接近，說明蓄水對溫泉流量的增減基本無影響。

4 結語

通過上述分析可得出以下結論。

（1）溫泉在研究區西部1 800 m左右的山區接受大氣降水補給后順區域性斷裂FA和FB向地殼深部徑流。在運移過程中，地下水不斷從巖石中獲取熱量并逐漸被加熱，當循環至約1 870 m深度時水溫增至83 ℃左右，形成深部熱儲。最后，地下水在水頭和密度差作用下順F1斷層向地表運移并在地形有利部位出露形成了溫泉群。

（2）溫泉群屬上升泉，其形成與區域地下水的深循環有關，這一循環系統相對獨立，只是在泉水上升排泄過程中，與淺表地下水發生了混合。

（3）地質分析與數值模擬計算均表明：水電站建成后，溫泉仍會自然排泄，蓄水對溫泉群的水量、水溫和水質基本無影響。

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