四川省自一里水电站厂址区地下水来源识别

张世殊 刘希 施裕兵 许模 彭仕雄 康小兵

摘要：四川省自一里水电站位于裂隙岩体较为发育的地带，地下水较为丰富。为减少水电站厂址区地下工程潜在涌突水灾害，查明该区地下水补给来源是关键。通过现场调查和取样分析，利用水化学分析、氢氧同位素相关性分析及同位素高程效应方法对地下水特征进行研究，并结合主要硐室的硐深和硐温变化规律识别地下水的补径排条件。研究结果表明：自一里水电站厂址区地下水主要接受大气降水补给，部分平硐同时接受地表水补给;地下水的水-岩作用比较明显，是控制水中离子成分的主要因素;平硐地下水的补给高程总体较高，补给方式存在一定的差异，远近不一，部分平硐存在交叉补给;根据矿化度和同位素特征，PD6平硐地下水的径流路径和时间较短，径流速度较快，处于浅表风化裂隙水循环带。

关 键 词：

地下水化学特征; 氢氧同位素; 硐温特征; 来源识别; 自一里水电站

中图法分类号： P642.4

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.012

地下水是影响隧洞和地下建筑安全的一個关键性因素，容易导致各种工程水文地质问题。因此，在工程中开展水文地质评价研究，确定地下水补径排条件，识别场地地下水来源尤为重要。钻探、物探等常规水文地质方法和水质分析是目前最主要最常用的两类地下水来源识别方法。大部分工程场地选址区往往水文地质条件复杂，使用水文地球化学方法能更便捷有效地揭示地下水的赋存环境、径流途径及物质交换等重要信息[1-2]。

水文地球化学方法在矿井水水源识别的研究中应用较多且理论较为完善。早在1998年，马培智等[3]就通过初步探讨奥陶系灰岩含水层地下水中赋存高含量NO-3离子的形成机理，应用这一水化学特征分析了范各庄井田矿井的充水条件。王玉民等[4]以煤峪口矿矿井涌水为例，对如何利用水质分析法确定矿井涌水水源进行了详细论述，为正确判断矿井涌水水源及预测矿井涌水量提供了科学的依据。潘国营等[5]以义马矿区为例研究了同位素技术在判别矿井突水水源中的应用;慕灯聪[6]和常浩宇[7]分别结合实例详细论述了各种水质分析方法在矿井突水水源判别中的应用及其可行性。近年来，上述方法理论也广泛地用于复杂地质条件下各类工程场地的水文地质研究。白羡斌等[8]以李家峡水电站为例，通过对渗漏水微观动态——水质特征的研究了坝址区地下水的补、排特征，并进一步评价了库水的渗漏问题;林云等[9]对华蓥山隧道隧址区地表水、地下水和隧道涌水的水文地球化学特征进行了分析，并对隧道涌水水源进行了识别;冯瑞等[10]通过水化学、氢氧稳定同位素特征研究了飞凤山处置场地下水特征与补排关系。综上，水文地球化学方法在地下水来源识别中获得了诸多成功的应用，但大多是采用单一因素进行分析。运用水化学、同位素、地下水温等多要素综合分析、相互印证的方法进行地下水来源识别的研究还较少。

自一里水电站[11]厂址位于四川省平武县自一里村，水电站厂址区岩体裂隙发育，地下硐室可能出现涌水问题。因此，本文依托水文地质基础理论，在现场调查和取样分析的基础上，通过水化学和同位素方法对地下水特征及补排关系进行研究，并结合主要硐室的硐深硐温与地下水径流的关系进一步识别水电站地下硐室的地下水来源，以期为进一步的工程水文地质研究及水电工程的安全施工运行提供参考。

1 研究区概况

自一里水电站厂址区在火溪河下游，河谷高程1 450 m，山岭海拔高度2 500～4 000 m，研究区沟谷纵横，为高山-高山峡谷地貌。厂址区两岸均发育支沟，沟内常年有水，流量较大，汇水范围内的地形高程在2 000～3 000 m之间。厂址区年降水量为723.3 mm，其中5月、8～9月雨量较大，河水水位和流量在5～6月和9～10月呈双峰特点。月均气温变化为-2.0～18.2 ℃，年均气温为8.6 ℃。

厂址区主要分布第四系崩坡积物和印支期二云母花岗岩体夹变质砂岩捕虏体（见图1），两者呈焊熔接触。其左岸岸坡1 650 m高程以下广泛分布崩坡积成因含泥块碎石、块碎石土层;右岸岸边在PD4硐上游和PD5硐1 573 m高程以上为裸露基岩分布区，其坡脚地带多为崩积成因含泥碎块石层覆盖。在低高程平硐中，变质砂岩发育面积较多，较高高程的平硐中花岗岩发育面积较多。

根据厂址区出露的地层岩性条件，厂址区地下水类型可以划分为：崩冲积碎块砂卵石层孔隙水、花岗岩和变质砂岩裂隙水。崩冲积碎块砂卵石层孔隙水受其分布位置的限制，对厂房工程影响不大。花岗岩和变质砂岩裂隙水主要见于厂区平硐内，岩体含水不丰，硐内主要出水点多以滴水和线状流水为主。平硐出水点分布极不均匀，水量大小的差异性反映出脉状裂隙水的特点;较大的出水点多在花岗岩与砂岩的接触带和砂岩分布段，反映出砂岩与接触带附近的裂隙比花岗岩体发育，且富水性好。

2 取样与测试

为了研究水电站地下水的补给状况、地下水的径流排泄特征，根据水电站厂址区附近雨量站的分布、地表河沟分布及地下硐室出水点分布选择取样点，采集了自一里水电站及附近的地下水、地表水进行分析。取样点包括火溪河水及其支沟柴呷里沟、打雷沟、南一里沟等6个地表水点水样，水电站主要地下硐室PD4、PD5、PD6和PD7中主要出水点共11个裂隙地下水水样以及王朗雨量站和色如家雨量站2个雨水样。其中地下硐室主要出水点的水样分布及主要地质特征如图1所示。对采集的水样按照相关规范和测试标准进行常规水化学组分分析。其中水化学分析项目包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+等4类主要阳离子和Cl-、SO2-4、HCO-3等3类主要阴离子。将各水样的测试分析结果投影到Piper三线图中，结果如图2所示。

为了确定地下水补给条件和补给高度，对上述水样分别进行D、18O同位素分析。地表水和地下水样的D、18O同位素含量及高程分布如表1所列。

3 水化学特征

3.1 裂隙水化学组分特征

从水化学分析结果来看，厂址区大气降水和地表水水化学特征与平硐地下水有较大差别。各水体阴离子中HCO-3含量变化在40～160 mg/L，其中降水（王朗站）和PD6地下水的HCO-3含量偏低;Cl-含量整体较低;SO2-4含量变化大多在5～28 mg/L，其中色如家雨水含量达187.88 mg/L。阳离子中Ca2+含量较大，变化在10～60 mg/L，其中降水（王朗站）含量最低;K+含量整体较低且变化不大;Na+含量高于Mg2+，变化在2～10 mg/L;Mg2+含量变化在2～8 mg/L。除色如家雨水外，总体上地下水离子浓度低于地表水。

对本次所取水样的几种不同的离子比例进行分析，如图3所示。Na++K+与Cl-的含量关系是水电站地下水盐分淋溶与积累强度的标志[13]。图3（a）显示，所有的水样点都位于1∶1等量线的上方，且都比较远离等量线，说明盐岩溶滤作用不是该研究区地下水中Na+和K+富集的主控因素，Na+和K+可能源自铝硅酸盐的溶解。总体来看，Na++K+与Cl-的浓度都很小，说明水电站厂址区整体的地下水风化溶滤作用较弱。图3（b）所示是Ca2++Mg2+与HCO3-+SO42-含量关系，绝大部分数据点位于1∶1等量线附近，表明厂址区地下水的形成过程中碳酸盐和硫酸盐的溶解占主导。图3（c）为（Ca2++Mg2+）-（HCO3-+SO42-）与（Na++K+）-Cl-的关系，从图3（c）可以确定地下水中是否发生阳离子吸附作用，若两参数存在线性关系且斜率为-1，说明地下水中离子交换作用显著[14]。由图3（c）可看出：电站地下水中（Ca2++Mg2+）-（HCO3-+SO42-）与（Na++K+）-Cl-的比值点比较分散。对两参数进行拟合得到两者的拟合方程：y=-0.8162x-0.1071，R2=0.0488，显然两者的线性关系比较离散，相关性弱，说明厂址区内基本不存在阳离子的吸附交换。

3.2 TDS特征及水-岩相互作用

矿化度的大小基本能反映出地下水的径流条件和地表地下水的流程长短。从水化学分析结果来看，各类水源的矿化度都不大（除色如家雨水受污染外），通常在0.05～0.18 g/L范围内，均为淡水。其中，王朗雨量站降水、柴呷里沟上游地表水、南一里沟地表水的矿化度较小，小于0.05 g/L。其余地表水的矿化度基本在0.10 g/L左右。地下水中，高层平硐（PD6）地下水的矿化度也较小，为0.05～0.09 g/L，这与地表水的矿化度相差不大，表明平硐地下水的径流路径和时间较短，附近区域可能存在浅部循环系统。其他低层平硐出水点的矿化度略有增高，大部分在0.10 g/L以上。

Gibbs图是反映TDS与Na+/（Na++Ca2+）或TDS与Cl-/（Cl-+HCO3-）的关系图，该图将天然水划分为大气降水控制型、岩石风化控制型和蒸发-结晶型3个主要控制区域，能够直观地反映大气降水、岩石风化、蒸发-结晶作用对地下水水化学成分的影响[15-16]。该研究区的地下水样品Gibbs图如图4所示。

由图4可以看出，水样点基本上位于Gibbs模型之内且位于模型中部，远离大气降水作用和蒸发作用控制区域，说明大气降水和蒸发作用对电站地下水水化学组分的影响微弱。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），反映該水电站地下水主要受岩石风化作用控制，但化学风化溶滤作用并不显著。这一结果与前述离子比例系数分析结果相吻合。

4 氢氧同位素特征

4.1 氢氧同位素分析

自一里水电站附近地表水体的δ18O和δD分别分布在-12.290‰～-8.490‰和-89.800‰～-68.400‰之间，均值分别为-9.855‰和-74.450‰;而硐室地下水的δ18O和δD分别分布在-11.040‰～-8.180‰和-85.300‰～-61.000‰之间，均值分别为-9.316 ‰和-71.590‰。δ18O和δD的含量变化不大，说明水电站地下水整体的补给来源基本一致。

由于缺乏区内的降雨资料，本次工作只收集到降水样两个，且收集的雨水时段短，缺乏时间和空间的代表性，因此本文采用西南盆地和成都地区的大气降水线进行氢氧同位素相关性分析。从水电站地下水中氢氧同位素关系图（见图5）可以看出：所有水样的18O和2H沿着四川盆地大气降水线[17]和成都地区大气降水线[18]分布，说明电站厂址区的地下水主要来源于大气降水补给。由于温度越低，降水中的18O和2H变得越来越少[19]。此次氢氧同位素测试结果均位于降水线下方，说明研究区位于山区，海拔较高，这与实际情况相吻合，表明采用的两条降雨线适用于该研究区变化规律分析，结果是可靠的。

水电站平硐地下水的氢氧同位素关系总体与附近地表水体的氢氧同位素关系比较接近，表明平硐裂隙水同时接受了附近河沟的地表水补给。地下水氘过量参数可反映某一区域范围内水-岩作用。根据中平硐地下水氢氧同位素分析结果，计算出平硐地下水的氘过量参数d=δD-8δ18O[19]。过量氘的变化范围为-0.080‰～5.760‰，平均值为2.935‰，低于全球降水过程中过量氘值10‰，说明降雨入渗过程中平硐地下水的水-岩作用比较明显。

4.2 同位素高程效应

大气降水中的氢氧同位素组成具有高程效应，可以据此来确定含水层的补给区及补给高程[17]。由于缺乏降雨资料，本次利用水电站厂址区附近的地表水样进行高程效应的半定量分析。值得注意的是，利用地表水的稳定同位素高程效应来确定地下水的补给高程，理论上不尽成熟。由于地表水补给来源的不确定，因此用该法计算确定的地下水补给高程只能是一种近似的推断。根据表1中6个地表水样的同位素分析结果，对δD和δ18O与取样高程和汇水高程的平均值的关系进行线性相关分析，发现汇水高程的平均值与两种同位素相关性较好，相关系数分别达到0.906和0.853;而取样高程与两种同位素的线性相关性相对较差，相关系数为0.845和0.798[11]。因此，选择汇水区平均高程建立降水高程效应方程：

H=-207.93 δ18O+457.93

H=-30.778δD+215.62。

式中：H为降水高程，m;δ18O和δD为测点同位素含量，‰。

利用上述关系式，可以辅助分析平硐裂隙水的补给高度。推算平硐出水点的补给高程列入表1。由表1可知，基于18O同位素和D同位素高程效应分析得出的补给高程差距较小，基本一致。

从表1中可以看出，4个主要平硐中PD7出水点的水源补给高程最高，PD6出水点的补给高程最低。

5 硐深硐温特征及裂隙水补径排条件

平硐内的裂隙水主要来源是大气降水和地表沟谷水的入渗，浅表风化裂隙是降水和地表水入渗的主要通道。大气降水的垂向渗流，对平硐地温和水温产生了较大影响。从平硐的硐温测量（见表2）分析可知，硐温在弱风化段内随硐深的增加而降低，弱风化段以下随硐深的增加而增高;在裂隙相对较发育段，硐温受到地下水径流的影响，硐内出水点多、出水量大处，硐温则低。综合平硐水文地质调查结果，对平硐出水点的分布、硐温（包括水温）变化、水化学成分和同位素特征，可以得出平硐裂隙水的补给与径流排泄条件，结合平硐主要出水点（见图1）可以分析平硐裂隙水的流动特征：

（1） PD7-0+595出水点，水源补给平均高程为2 685 m;水源来自高于平硐近1 000 m的地表降水入渗;该点的水量大，水温偏低，其水化学特征与降水（地表沟水）接近，反映出裂隙较发育，径流通道较好。

（2） PD6出水点，水源补给平均高程为2 159～2 190 m，由于平硐高程达2 000 m，可见该硐出水点补给为高度较低的近源补给;硐水水化学和矿化度特点均说明PD6处于浅表风化裂隙水循环带（浅层局部裂隙水系统）。

（3） 低高程的PD4出水点的补给平均高程为2 223～2 491 m、PD5的补给平均高程为2 234～2 385 m;水源来自高于平硐650～900 m高程以外的地表降水入渗补给，显示出两平硐的水由近源补给和远源补给交叉的特点，其中PD4的5号水点和PD5的17号水点为较远水源补给。

6 结论与建议

（1） 自一里水电站厂址区地下水的主要来源为大气降水。地下水的离子含量不高，整體矿化度较低。部分平硐水化学及同位素特征与附近地表水相似，表明平硐裂隙水接受了附近河沟的地表水补给。地下水的离子比例系数、Gibbs模型和氘盈余值分析均表明，平硐裂隙水的水-岩作用比较明显，地下水中化学组成主要源于岩石风化作用，但岩盐溶滤和离子吸附等化学风化溶滤作用并不显著。

（2） 根据平硐水样同位素高程效应分析，可得到各主要硐室的补给高程相对较高，在2 200～2 700 m之间。4个主要平硐中，PD7出水点的水源补给高程最高，PD6出水点的水源补给高程最低。结合平硐地下水的矿化度特征。发现平硐裂隙水矿化度整体较低，径流较快。其中PD6出水点的矿化度最低，与地表水相当，表明平硐地下水的径流路径和时间较短。

（3） 综合平硐水文地质调查结果，对平硐出水点的分布、硐温（包括水温）变化、水化学成分和同位素特征进行分析，得出各主要平硐裂隙水的补给特征。PD7平硐地下水来自较高的地表降水入渗，同时接受附近河沟水补给，为远源补给。PD4和PD5平硐地下水来自较低的地表降水入渗补给，两平硐的水为近源补给和远源补给的交叉。PD6平硐的补给高程接近平硐本身的高程，是明显的近源补给，且硐水矿化度和同位素特征均表明该平硐处于浅表风化裂隙水循环带，其附近地下水形成一个浅层局部裂隙水系统。

本文虽然初步查明了厂址区地下水来源，但成果均针对勘探平硐，还需在此基础上进行厂址区地下水系统空间分布特征的深入研究。

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（编辑：刘 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