四川汉源永定桥水库坝区岩溶渗漏的水文地球化学特征研究

于静,李海华,李怡,贾疏源

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059; 2.成都理工大学信息工程学院,成都 610059)

四川汉源永定桥水库坝区岩溶渗漏的水文地球化学特征研究

于静1,李海华1,李怡2,贾疏源1

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都 610059; 2.成都理工大学信息工程学院,成都 610059)

在坝区水文地质调查及岩溶发育研究的基础上,对区域中地表水、地下水的宏量组份、稀土元素含量、碳酸盐的碳、氧同位素组成的调查结果表明:雨季前后地下水水化学的变化表明存在断裂带或岩溶通道深部埋藏水向地表排泄的特征;稀土元素含量的变化证实了坝址上游和下游均具有河水补给泉水现象的存在;碳、氧同位素组成的测定为进一步划分出相关的地下水系统提供了依据。本研究结果为坝区岩溶渗漏的工程处理方案提供理论依据。

岩溶渗漏;永定桥水库;稀土元素;碳、氧同位素;水化学

1 引言

近年来,随着岩溶地区大、中型水利水电工程的建设,以及岩溶科技攻关和技术进步,岩溶水库渗漏勘察技术得到了长足的发展,其勘测技术和理论分析方法也日趋成熟[1]。其中水化学研究日益成为重要的手段之一[2～4]。

在流沙河中上游拟建的永定桥水库,为防止渗漏,在岩溶调查的基础上,进一步研究坝区地下水系发育特征,特进行了坝区天然水水化学特征的调查,以便为进行工程处理提供依据。水化学综合研究内容包括地表水、地下水的宏量组份、稀土元素含量、碳酸盐碳、氧同位素等。

2 研究区概况

永定桥水库地处青藏高原东南缘向四川盆地过渡之高中山山谷区。区内地势西北高东南低,山岭高程一般2500～3500 m,沟谷深切,岭谷高差1000～1500 m。主要河流——流沙河自西向东横穿坝区,两岸有次级溶沟发育,如左岸的一号沟、二号沟、飞水沟;右岸的鱼洞沟与鹿子沟等(图1)。

图1 永定桥水库坝区水化学采样点位置示意图Fig.1 The locationsof samp ling point at the dam zone of Yongding Reservoir

区域出露地层除缺失石炭系、白垩系和第三系外,古生代以来其余各系均有出露;在坝区上游晋

宁-澄江期岩浆岩分布广泛。坝区内,出露的基岩可划分为两大类:一是出露较广而又有相当厚度的志留系罗惹坪组细晶白云岩、砂质白云岩等碳酸盐可溶岩类;二是由覆盖于志留系白云岩之上的三迭系须家河组及侏罗系-白垩系的砂岩、泥岩组成的非可溶性岩类。坝址区南西侧有F1断层通过,F1断层呈向西南突出的弧形,在坝址上游横切流沙河,在坝址地段沿右岸平行河谷,导致志留系罗惹坪组碳酸盐岩与三迭系砂页岩断层接触。

罗惹坪组碳酸盐岩岩溶发育,以现代流沙河河床为地下水排泄基面,在该排泄基面附近,发育溶洞(图2),如永定桥2号洞(K2)为水平溶洞,永定桥3号洞(K3)其洞口为落水洞后转为水平洞,受S2l2非岩溶岩夹层控制;亦有岩溶泉出露,如鱼洞沟泉、飞水沟泉等。岩溶发育处于滞型岩溶形成的初始阶段。D6-3充填黄泥的溶蚀裂隙,属于现代垂直岩溶带岩溶(K6),钻探证明坝址地带地下80 m附近有岩溶(K20)发育,其形态以溶孔及溶蚀裂隙为主。溶孔层溶孔内绝大多数无充填,应该划属于现代河床深部循环带岩溶。岩体中地下水多以下降泉的形式出露于谷底或岸边。泉水获得岸边沟谷水的横向补给或大渡河水的纵向补给。大渡河水纵向补给的岩溶水系是否存在,是影响水库渗漏的重要因素。

图2 永定桥坝址S2l2岩溶发育分布剖面示意图Fig.2 Yongding bridge site S2l2karst distribution p rofile diagram

3 样品采集与分析

为了研究水库坝区的水文地球化学特征,探讨坝区地下水补给源,及坝区地下水系发育特点与循环规律,对研究区地下水及与之相关的流沙河河水和溪、沟水等进行了普遍采样:地表沟水23个、泉水28个、河水10个、电站渠道水和煤坑水各1个。同时,我们在5月10日降雨前对部分地表沟水5个、泉水10个、河水1个及电站渠道水1个样品共计18个进行了二次采样;5月20日降雨后,又对5月10日降雨前所取的样进行了重新采样,并于5月21日和5月23日,各新增的1个涌水点采样,以探讨雨前雨后的化学组成变化。用容量法测其主要成分。另外,选择了上述部分样品20个及另外一井水(图1和表1),用中子活化法测定稀土元素,质谱仪测定碳酸根的碳、氧同位素组成。

4 结果与讨论

4.1 雨季前后地下水水化学的变化

本研究分别在降雨前后进行采样,从雨前样品的分析结果看:地表、地下水阳离子当量百分比的变化范围比较宽,Ca<80%、M g<70%、Na+K< 20%。可将其划分出3个变化体系(图3),A为流沙河河水及受其补给的泉水分布区,包括流沙河河水、渠水、大、小石笋泉群以及鱼洞沟口泉等,以相对富含Ca为特征;B为鱼洞沟水分布区,右岸溪水水系包括鱼洞沟上、下游沟水及鹿子沟泉水,以相对富含M g为特征;C为飞水沟沟水分布区,包括飞水沟沟水及一号沟沟水、泉水及水文站泉水左岸溪水水系。地表水及地下水阴离子(图3右三角图)的当量百分比,Cl-<5%<20%、而变化在80%～90%之间,以和为主。其中流沙河-渠水A以富含为特点,可达20%左右。其次飞水沟水B可达10%,而鱼洞沟沟水含量极低,仅仅达到5%左右。小石笋泉阴离子含量与流沙河-渠水极为相似,显示该二泉可能主要由河水补给。大石笋泉水,其含量大于飞水沟沟水,处于飞水沟-流沙河水之间,表明其受流沙河河水和飞水沟沟水共同补给。鱼洞沟口的泉水当量百分比含量为10%,远高于鱼洞沟上、下游沟水,而接近于流沙河水的含量比。显示出鱼洞沟口泉水具有接收鱼洞沟水及流沙河水补给的特点。

图3 雨前水样宏量化学组份三角图Fig.3 Diagram show ing the chemical composition of water samp les befo re rainy

表1 地表水、地下水样品稀土元素中子活化分析及碳、氧同位素分析结果表(单位:ppm)Table 1 Surface water,groundwater and neutron activation analysisof rare earth elements carbon and oxygen isotope analysis at Yongding Bridge(unit:ppm)

以上宏量组份研究表明,在出露于流沙河岸边的部分泉水除了受岸边溪水的补给外,还有可能受河水的纵向补给。而使其水化学特征接近于流沙河水。

两季开始后,河水位及地下水位升高中,在大渡河边有季节性泉水涌出,从雨后样品的分析结果看:地表、地下水阴离子(图4右三角图)仍然可以区分出A、B、C三组,其变化范围与图3所示也大体相当。但唯有不同的是在图上多出了一个区域D。分布在D区的点包括小石笋泉,和于5月21日和5月23日新增涌水点(二号沟口泉水),该区以离子的急剧增加及具有极高的M g2+含量为特点。坝区离子含量较高的地下水,通常是埋藏较深的地下水,显示在雨季初期,随着地下水位的升高,有埋藏较深的地下水向地表排泄。根据地下水水化学随埋深分带的原理,埋藏较深的地下水(与浅部HCO3、Ca型水)相比,以M g2+相对含量较高。因此D组水的出现显示雨季时深部循环岩溶水向地表排泄的特征。

图4 雨后水样宏量化学组份三角图Fig.4 Diagram show ing the chemical composition of water samp les after rainy

4.2 稀土元素

对坝区地表水、地下水所含稀土元素进行了测定,参见表1。

在自然界,天然水和岩石都含有一定量的稀土,并具有相应的分配模式。以岩石稀土含量为例,如花岗岩、页岩富含稀土,砂岩次之,而石灰岩含量最低。水-岩相互作用过程中,稀土元素可以从水中转移到岩石,亦可从岩石中转移到水中。不断改变水-岩体系中稀土的含量及分配。地球化学环境的变化影响着水-岩相互作用,进而影响稀土元素在水-岩体系中转移的特征。于是可以通过对水-岩体系中稀土元素的测定判断水-岩体系中稀土元素的起源,相互转移以及所处的地球化学环境,进而为地下水系的研究提供依据。

坝区地表、地下水稀土含量有很大的差异,集中反映在稀土总含量的变化上,如图5所示:

图5 天然水总稀土含量地质图Fig.5 Geological map of the to tal rare-earth element content in natural water

(1)流沙河河水及电站渠道水的总稀土含量为最高,可达15～30 ppm。显然是由于流沙河上游流域内广泛出露富含稀土的岩石的原因,如花岗岩,通过水-岩作用稀土富集于河水中。

(2)溪水的含量较高,如鱼洞沟沟水和飞水沟沟水分别可达5～10 ppm,高于一般地下水,但是低于流沙河河水及电站渠道水。

(3)坝区地下水中稀土含量变化较大,但相对于河水或溪水则较低,这是因为稀土含量不同的地表、地下水与岩石相互作用的结果。地下水与区内碳酸盐岩反应时,通常导致稀土元素从水中转移到岩石。于是根据稀土含量可划分出河水、渠水补给系,鱼洞沟及飞水沟溪水补给系。

直接获得流沙河河水及电站渠道水补给的地表、地下水稀土含量较高,通常都可以大于10 ppm。获得沟水补给的地下水,多数样品稀土含量低于5 ppm。

伴随水-岩相互作用,地下水总稀土含量降低,同时将发生轻、重稀土的分异,图6反映了这一特点。A线代表流沙河水稀土不断减少,轻、重稀土按比例减少的变化线。受流沙河河水补给的渠水、泉水等均分布于A线左侧,随着总稀土含量的下降,与∑HREE相比∑LREE相对降低。对受飞水沟沟水及鱼洞沟沟水的补给的大多数泉水点,也显示轻稀土的相对贫化,而在图6上仍分布于沟水左侧。

稀土研究表明,坝址上游和下游均具有河水补给的井或泉水存在。

4.3 碳、氧同位素

对坝区地表以及地下水采样,进行了水中溶解碳酸盐的碳、氧同位素组成的测定,其采样位置(图1)及测定结果如表1所示。天然状态下水中溶解的碳酸盐与溶解CO2及固体CaCO3处于化学反应的平衡状态,并且H2O、CaCO3、CO2、HCO3-的反应物和生成物间达到同位素平衡。

采样时从水中沉淀出HCO3-,测定其碳、氧同位素,其测定结果反映了环境H2O、CaCO3、CO2的同位素组成及相互作用的结果。假若地表及地下水流经的地层为可溶碳酸盐,如石灰岩、白云岩等,该溶解作用必然影响到地下水中碳酸盐同位素组成,而且应该随地下水水系的流动有规律的变化。如果掌握了该变化规律,则可利用地下水中碳、氧同位素的组成,对地下水系的发育特征进行判断,为地下水系的研究提供地球化学的依据。

图6 样品轻、重稀土元素分类特征图Fig.6 The relationship between light and heavy rareearth element in natural water

图7表示了坝区地表及地下水中碳酸盐δ13C和δ18O的关系。图上所示C区表示白云岩碳、氧同位素的变化范围。由图7可以看出:

(1)石灰岩、白云岩δ13C和δ18O同位素组成最重。

(2)流沙河河水、电站渠道水以δ13C和δ18O同位素组成最轻为特点,分布于如图7的A区。

(3)溪沟水(飞水沟沟水、鱼洞沟沟水、鹿子沟中游沟水)与河、渠水相比,δ13C和δ18O,特别是δ18O值,以相对偏正为特征,分布于如图7所示的B区。

(4)泉水可分为3种类型:

第一种为介于A区和B区之间的点,如:鱼洞沟泉、鹿子沟河边沙滩水、飞水沟口下游泉水及撮箕沟上游一级阶地井水。显示这些点受到河水或渠水的补给,如图7所示。鱼洞沟泉位于流沙河河水与鱼洞沟沟水的连线上,显示鱼洞沟泉为流沙河河水与鱼洞沟沟水混合产物,并以河水成分为主。飞水沟口下游泉水出露于飞水沟沟口下游侧的河漫滩,从基岩裂隙涌出水。从其同位素组成看,介于飞水沟沟水与流沙河河水之间,从其成因看应属于流沙河河水与飞水沟沟水混合而成。位于一级阶地(高河漫滩)后缘的井水、地下水除获得后缘谷坡基岩裂隙水补给外,同时也接受河水补给。因而同位素组成介于流沙河河水与其他地下水分布区之间。

第二种为分布在图7的B区及其上方的点,大体上可以区分出飞水沟沟水、有关的泉水和沟水,包括飞水沟口上游大石笋泉、一号沟沟水及水文站泉水,从飞水沟沟水点出发与这些点有两条连线,两条连线均指向图7所示的C区,反映飞水沟沟水转入地下后,不断对石灰岩、白云岩岩体(C)的溶蚀,而改变碳、氧同位素的组成。证明是地下水系活动的结果。

图7 样品碳酸盐中碳、氧同位素组成关系图Fig.7 The p lot of carbon and oxygen iso topic composition of carbonate in natural water

第三种大体分布于B区及其下方的点,与以上各点相比,具有δ13C偏负的特点,包括有石灰厂泉、大沟头泉、为受T3x砂页岩地层影响的泉水。

综上所述,根据宏量组份、稀土元素、碳氧同位素的调查表明,在永定桥坝区,地下水系可划分为左岸、右岸溪水补给的地下水系及受河水纵向补给的地下水系。其中特别是河水纵向补给的地下水系的存在,对于水库的渗漏是严重的隐患。

在永定桥水库坝区,为查明岩溶地下水系,进行了水化学研究的同时,还进行了连通试验,以便对研究结果进行验证。试验位置包括左岸和右岸,其研究结果已发表[5]。证明确实存在顺河流方向深部岩溶水系的发育。

5 结论

为了给永定桥水库坝区岩溶渗漏的工程处理提供依据,进行了坝区地表水、地下水水文地球化学综合研究及连通实验论证。雨季前、后地下水水化学性质的变化表明存在断裂带或岩溶通道深部埋藏水向地表排泄的特征。根据稀土元素含量的变化与轻、重稀土元素的分异特征可划分出坝区地下水的河水、渠水补给系,及鱼洞沟与飞水沟补给系。根据地表、地下水碳、氧同位素的组成特征,可进一步划分出相关的地下水系:鱼洞沟泉地下水系;一号沟-水文站地下水系;飞水沟水系等。右岸的连通实验证实了鱼洞沟内的沟水渗漏及其去向。

[1]肖万春.水库岩溶渗漏勘察技术要点与方法研究[J].水力发电,2008,34(7):52-55.

[2]李兆林,邹胜章,陈宏峰.广西龙州金龙水库岩溶渗漏分析与治理[J].桂林工学院学报,2006,26(3):52-55.

[3]李峰,陈洲丰.麒麟观水库岩溶渗漏条件分析[J].水利水电科技发展,2005,25(6):72-74.

[4]贾秀梅,刘满杰,孙继朝,等.万家寨水库右岸岩溶渗漏试验研究[J].地球学报,2005,26(2):179-182.

[5]邓英尔,贾疏源,黄润秋,等.岩溶缝洞系统地下水系研究[J].地球科学进展,2008,23(5):489-493.

HYDROGEOCHEM ISTRY CHARACTERISTICSOF KARST LEAKAGE IN SITEOF YONGD INGQIAO DAM IN HANYUAN,SICHUAN PROVINCE

YU Jing1,L I Hai-hua1,L I Yi2,JIA Shu-yuan1
(1.State Key Labo ratory of Geo-hazards Prevention and Geo-environment Protection, Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China; 2.College of Info rmation Engineering,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China)

Hydrogeology and Karst characteristics are researched in the Yongdingqiao dam.Chemical compositions,REE and oxygen isotope of the surface water and groundwater and carbon iso tope of the carbonate are analyzed.Hydrogeochemical changes between rain and dry season indicate that the discharge way from fault zone and deep aquifer to surface water are existence. River water recharge to the sp rings are confirmed by REE;hydrogeological system s are sorted by carbon and oxygen isotope. The results offer theoretical suppo rt for the treatment schemes of the Karst seepage in the dam area.

Karst seepage;carbon and oxygen isotopes;REE;Yongdingqiao Dam;hydrogeochemistry

TU 457

:A

1006-4362(2010)02-0058-06

于静(1963―),女,工程师,研究方向:水文地质(水文地球化学)。

2010-03-22改回日期:2010-04-26