四川省自一里水電站廠址區地下水來源識別

張世殊 劉希 施裕兵 許模 彭仕雄 康小兵

摘要：四川省自一里水電站位于裂隙巖體較為發育的地帶，地下水較為豐富。為減少水電站廠址區地下工程潛在涌突水災害，查明該區地下水補給來源是關鍵。通過現場調查和取樣分析，利用水化學分析、氫氧同位素相關性分析及同位素高程效應方法對地下水特征進行研究，并結合主要硐室的硐深和硐溫變化規律識別地下水的補徑排條件。研究結果表明：自一里水電站廠址區地下水主要接受大氣降水補給，部分平硐同時接受地表水補給;地下水的水-巖作用比較明顯，是控制水中離子成分的主要因素;平硐地下水的補給高程總體較高，補給方式存在一定的差異，遠近不一，部分平硐存在交叉補給;根據礦化度和同位素特征，PD6平硐地下水的徑流路徑和時間較短，徑流速度較快，處于淺表風化裂隙水循環帶。

關 鍵 詞：

地下水化學特征; 氫氧同位素; 硐溫特征; 來源識別; 自一里水電站

中圖法分類號： P642.4

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.012

地下水是影響隧洞和地下建筑安全的一個關鍵性因素，容易導致各種工程水文地質問題。因此，在工程中開展水文地質評價研究，確定地下水補徑排條件，識別場地地下水來源尤為重要。鉆探、物探等常規水文地質方法和水質分析是目前最主要最常用的兩類地下水來源識別方法。大部分工程場地選址區往往水文地質條件復雜，使用水文地球化學方法能更便捷有效地揭示地下水的賦存環境、徑流途徑及物質交換等重要信息[1-2]。

水文地球化學方法在礦井水水源識別的研究中應用較多且理論較為完善。早在1998年，馬培智等[3]就通過初步探討奧陶系灰巖含水層地下水中賦存高含量NO-3離子的形成機理，應用這一水化學特征分析了范各莊井田礦井的充水條件。王玉民等[4]以煤峪口礦礦井涌水為例，對如何利用水質分析法確定礦井涌水水源進行了詳細論述，為正確判斷礦井涌水水源及預測礦井涌水量提供了科學的依據。潘國營等[5]以義馬礦區為例研究了同位素技術在判別礦井突水水源中的應用;慕燈聰[6]和常浩宇[7]分別結合實例詳細論述了各種水質分析方法在礦井突水水源判別中的應用及其可行性。近年來，上述方法理論也廣泛地用于復雜地質條件下各類工程場地的水文地質研究。白羨斌等[8]以李家峽水電站為例，通過對滲漏水微觀動態——水質特征的研究了壩址區地下水的補、排特征，并進一步評價了庫水的滲漏問題;林云等[9]對華鎣山隧道隧址區地表水、地下水和隧道涌水的水文地球化學特征進行了分析，并對隧道涌水水源進行了識別;馮瑞等[10]通過水化學、氫氧穩定同位素特征研究了飛鳳山處置場地下水特征與補排關系。綜上，水文地球化學方法在地下水來源識別中獲得了諸多成功的應用，但大多是采用單一因素進行分析。運用水化學、同位素、地下水溫等多要素綜合分析、相互印證的方法進行地下水來源識別的研究還較少。

自一里水電站[11]廠址位于四川省平武縣自一里村，水電站廠址區巖體裂隙發育，地下硐室可能出現涌水問題。因此，本文依托水文地質基礎理論，在現場調查和取樣分析的基礎上，通過水化學和同位素方法對地下水特征及補排關系進行研究，并結合主要硐室的硐深硐溫與地下水徑流的關系進一步識別水電站地下硐室的地下水來源，以期為進一步的工程水文地質研究及水電工程的安全施工運行提供參考。

1 研究區概況

自一里水電站廠址區在火溪河下游，河谷高程1 450 m，山嶺海拔高度2 500～4 000 m，研究區溝谷縱橫，為高山-高山峽谷地貌。廠址區兩岸均發育支溝，溝內常年有水，流量較大，匯水范圍內的地形高程在2 000～3 000 m之間。廠址區年降水量為723.3 mm，其中5月、8～9月雨量較大，河水水位和流量在5～6月和9～10月呈雙峰特點。月均氣溫變化為-2.0～18.2 ℃，年均氣溫為8.6 ℃。

廠址區主要分布第四系崩坡積物和印支期二云母花崗巖體夾變質砂巖捕虜體（見圖1），兩者呈焊熔接觸。其左岸岸坡1 650 m高程以下廣泛分布崩坡積成因含泥塊碎石、塊碎石土層;右岸岸邊在PD4硐上游和PD5硐1 573 m高程以上為裸露基巖分布區，其坡腳地帶多為崩積成因含泥碎塊石層覆蓋。在低高程平硐中，變質砂巖發育面積較多，較高高程的平硐中花崗巖發育面積較多。

根據廠址區出露的地層巖性條件，廠址區地下水類型可以劃分為：崩沖積碎塊砂卵石層孔隙水、花崗巖和變質砂巖裂隙水。崩沖積碎塊砂卵石層孔隙水受其分布位置的限制，對廠房工程影響不大。花崗巖和變質砂巖裂隙水主要見于廠區平硐內，巖體含水不豐，硐內主要出水點多以滴水和線狀流水為主。平硐出水點分布極不均勻，水量大小的差異性反映出脈狀裂隙水的特點;較大的出水點多在花崗巖與砂巖的接觸帶和砂巖分布段，反映出砂巖與接觸帶附近的裂隙比花崗巖體發育，且富水性好。

2 取樣與測試

為了研究水電站地下水的補給狀況、地下水的徑流排泄特征，根據水電站廠址區附近雨量站的分布、地表河溝分布及地下硐室出水點分布選擇取樣點，采集了自一里水電站及附近的地下水、地表水進行分析。取樣點包括火溪河水及其支溝柴呷里溝、打雷溝、南一里溝等6個地表水點水樣，水電站主要地下硐室PD4、PD5、PD6和PD7中主要出水點共11個裂隙地下水水樣以及王朗雨量站和色如家雨量站2個雨水樣。其中地下硐室主要出水點的水樣分布及主要地質特征如圖1所示。對采集的水樣按照相關規范和測試標準進行常規水化學組分分析。其中水化學分析項目包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+等4類主要陽離子和Cl-、SO2-4、HCO-3等3類主要陰離子。將各水樣的測試分析結果投影到Piper三線圖中，結果如圖2所示。

為了確定地下水補給條件和補給高度，對上述水樣分別進行D、18O同位素分析。地表水和地下水樣的D、18O同位素含量及高程分布如表1所列。

3 水化學特征

3.1 裂隙水化學組分特征

從水化學分析結果來看，廠址區大氣降水和地表水水化學特征與平硐地下水有較大差別。各水體陰離子中HCO-3含量變化在40～160 mg/L，其中降水（王朗站）和PD6地下水的HCO-3含量偏低;Cl-含量整體較低;SO2-4含量變化大多在5～28 mg/L，其中色如家雨水含量達187.88 mg/L。陽離子中Ca2+含量較大，變化在10～60 mg/L，其中降水（王朗站）含量最低;K+含量整體較低且變化不大;Na+含量高于Mg2+，變化在2～10 mg/L;Mg2+含量變化在2～8 mg/L。除色如家雨水外，總體上地下水離子濃度低于地表水。

對本次所取水樣的幾種不同的離子比例進行分析，如圖3所示。Na++K+與Cl-的含量關系是水電站地下水鹽分淋溶與積累強度的標志[13]。圖3（a）顯示，所有的水樣點都位于1∶1等量線的上方，且都比較遠離等量線，說明鹽巖溶濾作用不是該研究區地下水中Na+和K+富集的主控因素，Na+和K+可能源自鋁硅酸鹽的溶解。總體來看，Na++K+與Cl-的濃度都很小，說明水電站廠址區整體的地下水風化溶濾作用較弱。圖3（b）所示是Ca2++Mg2+與HCO3-+SO42-含量關系，絕大部分數據點位于1∶1等量線附近，表明廠址區地下水的形成過程中碳酸鹽和硫酸鹽的溶解占主導。圖3（c）為（Ca2++Mg2+）-（HCO3-+SO42-）與（Na++K+）-Cl-的關系，從圖3（c）可以確定地下水中是否發生陽離子吸附作用，若兩參數存在線性關系且斜率為-1，說明地下水中離子交換作用顯著[14]。由圖3（c）可看出：電站地下水中（Ca2++Mg2+）-（HCO3-+SO42-）與（Na++K+）-Cl-的比值點比較分散。對兩參數進行擬合得到兩者的擬合方程：y=-0.8162x-0.1071，R2=0.0488，顯然兩者的線性關系比較離散，相關性弱，說明廠址區內基本不存在陽離子的吸附交換。

3.2 TDS特征及水-巖相互作用

礦化度的大小基本能反映出地下水的徑流條件和地表地下水的流程長短。從水化學分析結果來看，各類水源的礦化度都不大（除色如家雨水受污染外），通常在0.05～0.18 g/L范圍內，均為淡水。其中，王朗雨量站降水、柴呷里溝上游地表水、南一里溝地表水的礦化度較小，小于0.05 g/L。其余地表水的礦化度基本在0.10 g/L左右。地下水中，高層平硐（PD6）地下水的礦化度也較小，為0.05～0.09 g/L，這與地表水的礦化度相差不大，表明平硐地下水的徑流路徑和時間較短，附近區域可能存在淺部循環系統。其他低層平硐出水點的礦化度略有增高，大部分在0.10 g/L以上。

Gibbs圖是反映TDS與Na+/（Na++Ca2+）或TDS與Cl-/（Cl-+HCO3-）的關系圖，該圖將天然水劃分為大氣降水控制型、巖石風化控制型和蒸發-結晶型3個主要控制區域，能夠直觀地反映大氣降水、巖石風化、蒸發-結晶作用對地下水水化學成分的影響[15-16]。該研究區的地下水樣品Gibbs圖如圖4所示。

由圖4可以看出，水樣點基本上位于Gibbs模型之內且位于模型中部，遠離大氣降水作用和蒸發作用控制區域，說明大氣降水和蒸發作用對電站地下水水化學組分的影響微弱。地下水中（Na++K+）/（Na++K++Ca2+）值和Cl-/（Cl-+ HCO3-）值都小于0.5，且TDS含量不高（100 mg/L左右），反映該水電站地下水主要受巖石風化作用控制，但化學風化溶濾作用并不顯著。這一結果與前述離子比例系數分析結果相吻合。

4 氫氧同位素特征

4.1 氫氧同位素分析

自一里水電站附近地表水體的δ18O和δD分別分布在-12.290‰～-8.490‰和-89.800‰～-68.400‰之間，均值分別為-9.855‰和-74.450‰;而硐室地下水的δ18O和δD分別分布在-11.040‰～-8.180‰和-85.300‰～-61.000‰之間，均值分別為-9.316 ‰和-71.590‰。δ18O和δD的含量變化不大，說明水電站地下水整體的補給來源基本一致。

由于缺乏區內的降雨資料，本次工作只收集到降水樣兩個，且收集的雨水時段短，缺乏時間和空間的代表性，因此本文采用西南盆地和成都地區的大氣降水線進行氫氧同位素相關性分析。從水電站地下水中氫氧同位素關系圖（見圖5）可以看出：所有水樣的18O和2H沿著四川盆地大氣降水線[17]和成都地區大氣降水線[18]分布，說明電站廠址區的地下水主要來源于大氣降水補給。由于溫度越低，降水中的18O和2H變得越來越少[19]。此次氫氧同位素測試結果均位于降水線下方，說明研究區位于山區，海拔較高，這與實際情況相吻合，表明采用的兩條降雨線適用于該研究區變化規律分析，結果是可靠的。

水電站平硐地下水的氫氧同位素關系總體與附近地表水體的氫氧同位素關系比較接近，表明平硐裂隙水同時接受了附近河溝的地表水補給。地下水氘過量參數可反映某一區域范圍內水-巖作用。根據中平硐地下水氫氧同位素分析結果，計算出平硐地下水的氘過量參數d=δD-8δ18O[19]。過量氘的變化范圍為-0.080‰～5.760‰，平均值為2.935‰，低于全球降水過程中過量氘值10‰，說明降雨入滲過程中平硐地下水的水-巖作用比較明顯。

4.2 同位素高程效應

大氣降水中的氫氧同位素組成具有高程效應，可以據此來確定含水層的補給區及補給高程[17]。由于缺乏降雨資料，本次利用水電站廠址區附近的地表水樣進行高程效應的半定量分析。值得注意的是，利用地表水的穩定同位素高程效應來確定地下水的補給高程，理論上不盡成熟。由于地表水補給來源的不確定，因此用該法計算確定的地下水補給高程只能是一種近似的推斷。根據表1中6個地表水樣的同位素分析結果，對δD和δ18O與取樣高程和匯水高程的平均值的關系進行線性相關分析，發現匯水高程的平均值與兩種同位素相關性較好，相關系數分別達到0.906和0.853;而取樣高程與兩種同位素的線性相關性相對較差，相關系數為0.845和0.798[11]。因此，選擇匯水區平均高程建立降水高程效應方程：

H=-207.93 δ18O+457.93

H=-30.778δD+215.62。

式中：H為降水高程，m;δ18O和δD為測點同位素含量，‰。

利用上述關系式，可以輔助分析平硐裂隙水的補給高度。推算平硐出水點的補給高程列入表1。由表1可知，基于18O同位素和D同位素高程效應分析得出的補給高程差距較小，基本一致。

從表1中可以看出，4個主要平硐中PD7出水點的水源補給高程最高，PD6出水點的補給高程最低。

5 硐深硐溫特征及裂隙水補徑排條件

平硐內的裂隙水主要來源是大氣降水和地表溝谷水的入滲，淺表風化裂隙是降水和地表水入滲的主要通道。大氣降水的垂向滲流，對平硐地溫和水溫產生了較大影響。從平硐的硐溫測量（見表2）分析可知，硐溫在弱風化段內隨硐深的增加而降低，弱風化段以下隨硐深的增加而增高;在裂隙相對較發育段，硐溫受到地下水徑流的影響，硐內出水點多、出水量大處，硐溫則低。綜合平硐水文地質調查結果，對平硐出水點的分布、硐溫（包括水溫）變化、水化學成分和同位素特征，可以得出平硐裂隙水的補給與徑流排泄條件，結合平硐主要出水點（見圖1）可以分析平硐裂隙水的流動特征：

（1） PD7-0+595出水點，水源補給平均高程為2 685 m;水源來自高于平硐近1 000 m的地表降水入滲;該點的水量大，水溫偏低，其水化學特征與降水（地表溝水）接近，反映出裂隙較發育，徑流通道較好。

（2） PD6出水點，水源補給平均高程為2 159～2 190 m，由于平硐高程達2 000 m，可見該硐出水點補給為高度較低的近源補給;硐水水化學和礦化度特點均說明PD6處于淺表風化裂隙水循環帶（淺層局部裂隙水系統）。

（3） 低高程的PD4出水點的補給平均高程為2 223～2 491 m、PD5的補給平均高程為2 234～2 385 m;水源來自高于平硐650～900 m高程以外的地表降水入滲補給，顯示出兩平硐的水由近源補給和遠源補給交叉的特點，其中PD4的5號水點和PD5的17號水點為較遠水源補給。

6 結論與建議

（1） 自一里水電站廠址區地下水的主要來源為大氣降水。地下水的離子含量不高，整體礦化度較低。部分平硐水化學及同位素特征與附近地表水相似，表明平硐裂隙水接受了附近河溝的地表水補給。地下水的離子比例系數、Gibbs模型和氘盈余值分析均表明，平硐裂隙水的水-巖作用比較明顯，地下水中化學組成主要源于巖石風化作用，但巖鹽溶濾和離子吸附等化學風化溶濾作用并不顯著。

（2） 根據平硐水樣同位素高程效應分析，可得到各主要硐室的補給高程相對較高，在2 200～2 700 m之間。4個主要平硐中，PD7出水點的水源補給高程最高，PD6出水點的水源補給高程最低。結合平硐地下水的礦化度特征。發現平硐裂隙水礦化度整體較低，徑流較快。其中PD6出水點的礦化度最低，與地表水相當，表明平硐地下水的徑流路徑和時間較短。

（3） 綜合平硐水文地質調查結果，對平硐出水點的分布、硐溫（包括水溫）變化、水化學成分和同位素特征進行分析，得出各主要平硐裂隙水的補給特征。PD7平硐地下水來自較高的地表降水入滲，同時接受附近河溝水補給，為遠源補給。PD4和PD5平硐地下水來自較低的地表降水入滲補給，兩平硐的水為近源補給和遠源補給的交叉。PD6平硐的補給高程接近平硐本身的高程，是明顯的近源補給，且硐水礦化度和同位素特征均表明該平硐處于淺表風化裂隙水循環帶，其附近地下水形成一個淺層局部裂隙水系統。

本文雖然初步查明了廠址區地下水來源，但成果均針對勘探平硐，還需在此基礎上進行廠址區地下水系統空間分布特征的深入研究。

參考文獻：

[1] OYARZUN R，JOFRE L，MORALES P，et al.A hydrogeochemistry and isotopic approach for the assessment of surface water-groundwater dynamics in an arid basin：the Limari watershed，north-central Chile[J].Environmental Earth Sciences，2014，73（1）：39-55.

[2] 滕彥國，左銳，王金生，等.區域地下水演化的地球化學研究進展[J].水科學進展，2010，21（1）：127-136.

[3] 馬培智，鄭士田，黃賢瑞.范各莊井田奧灰水NO-3離子形成機理及在水源判別中的應用[J].煤田地質與勘探，1998（1）：50-52.

[4] 王玉民，焦立敏.利用水質分析法判定礦井涌水水源[J].煤礦安全，2001（10）：12-14.

[5] 潘國營，王素娜，孫小巖，等.同位素技術在判別礦井突水水源中的應用[J].礦業安全與環保，2009，36（1）：32-34，90.

[6] 慕燈聰.礦井突水水源在線識別模型研究[D].徐州：中國礦業大學，2017.

[7] 常浩宇.水質分析在礦井突水水源判別中的應用[D].廊坊：華北科技學院，2018.

[8] 白羨斌，宋漢周.李家峽水電站壩址滲流水化學特征及評價[J].水電能源科學，2016，34（4）：35-39.

[9] 林云，婁亞南，武亞遵，等.華鎣山隧道隧址區水文地球化學特征及涌水來源識別[J].水資源與水工程學報，2017，28（5）：43-48.

[10] 馮瑞，鄭百錄，岳建國，等.飛鳳山處置場地下水水化學、氫氧穩定同位素特征及其指示意義[J].科學技術與工程，2019，19（18）：100-108.

[11] 中國地質大學（武漢）工程學院.四川省火溪河自一里水電站廠址區水文地質條件及調壓室區巖體滲透性研究[R].武漢：中國地質大學（武漢）工程學院，2003.

[12] 梁杏，鐘嘉高，施裕兵，等.四川自一里水電站氣墊式調壓室圍巖滲透性評價[J].地球科學，2006（3）：417-422.

[13] 馮欣，張亞哲.深州地區地下水離子比例系數分析研究[J].中國農村水利水電，2014（4）：18-20，24.

[14] 李寧，吳彬，杜明亮，等.托克遜兩河流域地下水化學組分來源及同位素指示作用分析[J].節水灌溉，2019（3）：76-81.

[15] GIBBS R J.Mechanisms controlling world water chemistry[J].Science，1970，170（3962）：1088-1090.

[16] 孫為奕，吳勇，卓勇，等.巴中市恩陽鎮地區淺層地下水水文地球化學特征分析[J].科學技術與工程，2016，16（27）：114-121.

[17] 李維杰，王建力，王家錄.西南地區不同地形降水穩定同位素特征及其水汽來源[J].長江流域資源與環境，2018，27（5）：1132-1142.

[18] 胡月，劉國東，孟玉川，等.成都次降水穩定氫氧同位素特征及水汽來源分析[J].環境科學，2019，40（3）：1179-1187.

[19] CLARK I D，FRITZ P.水文地質學中的環境同位素[M].張慧，張新基譯.鄭州：黃河水利出版社，2006.

（編輯：劉 媛）

Identification of groundwater sources in plant site area of Ziyili Hydropower

Station in Schuan Province

ZHANG Shishu1，LIU Xi2，3，SHI Yubing1，XU Mo2，3，PENG Shixiong1，KANG Xiaobing2，3

（1.POWERCHINA Chengdu Engineering Corporation Limited，Chengdu 610072，China; 2.College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China; 3.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract：

The Ziyili Hydropower Station is located in a relatively developed area of fractured rock mass with rich groundwater.In order to reduce the potential water inrush disaster of underground projects in the hydropower station plant site，it is critical to identify the groundwater recharge source in the area.Through on-site investigation and sampling analysis，this paper studies the groundwater characteristics and the relationship between recharge and re-emission by means of hydrochemical analysis，hydrogen-oxygen isotope correlation analysis and isotope elevation effect methods，and identifies the conditions of groundwater re-emission in combination with the deep and temperature variation laws of the main adits.The research shows that the groundwater in the plant site of the Ziyili Hydropower Station mainly receives atmospheric precipitation recharge，and some adits also receives surface water recharge.Groundwater is affected by some evaporation in the process of infiltration.The water-rock effect of groundwater is obvious and is the main factor controlling ions in water.The elevation of groundwater recharge in adits is generally high，and there are certain differences in the way of recharge，and cross-recharge exists in some adits.According to mineralization and isotope characteristics，the runoff path and time of PD6 adit′s groundwater are short，the runoff speed is fast，and it is in the shallow weathering crack water cycle belt.

Key words：

groundwater hydrochemical characteristics;hydrogen and oxygen isotope;temperature characteristics of adit;source identification;Ziyili Hydropower Station