四川漢源永定橋水庫壩區(qū)巖溶滲漏的水文地球化學(xué)特征研究

于靜,李海華,李怡,賈疏源

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059; 2.成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院,成都 610059)

四川漢源永定橋水庫壩區(qū)巖溶滲漏的水文地球化學(xué)特征研究

于靜1,李海華1,李怡2,賈疏源1

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059; 2.成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院,成都 610059)

在壩區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查及巖溶發(fā)育研究的基礎(chǔ)上,對區(qū)域中地表水、地下水的宏量組份、稀土元素含量、碳酸鹽的碳、氧同位素組成的調(diào)查結(jié)果表明:雨季前后地下水水化學(xué)的變化表明存在斷裂帶或巖溶通道深部埋藏水向地表排泄的特征;稀土元素含量的變化證實(shí)了壩址上游和下游均具有河水補(bǔ)給泉水現(xiàn)象的存在;碳、氧同位素組成的測定為進(jìn)一步劃分出相關(guān)的地下水系統(tǒng)提供了依據(jù)。本研究結(jié)果為壩區(qū)巖溶滲漏的工程處理方案提供理論依據(jù)。

巖溶滲漏;永定橋水庫;稀土元素;碳、氧同位素;水化學(xué)

1 引言

近年來,隨著巖溶地區(qū)大、中型水利水電工程的建設(shè),以及巖溶科技攻關(guān)和技術(shù)進(jìn)步,巖溶水庫滲漏勘察技術(shù)得到了長足的發(fā)展,其勘測技術(shù)和理論分析方法也日趨成熟[1]。其中水化學(xué)研究日益成為重要的手段之一[2～4]。

在流沙河中上游擬建的永定橋水庫,為防止?jié)B漏,在巖溶調(diào)查的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究壩區(qū)地下水系發(fā)育特征,特進(jìn)行了壩區(qū)天然水水化學(xué)特征的調(diào)查,以便為進(jìn)行工程處理提供依據(jù)。水化學(xué)綜合研究內(nèi)容包括地表水、地下水的宏量組份、稀土元素含量、碳酸鹽碳、氧同位素等。

2 研究區(qū)概況

永定橋水庫地處青藏高原東南緣向四川盆地過渡之高中山山谷區(qū)。區(qū)內(nèi)地勢西北高東南低,山嶺高程一般2500～3500 m,溝谷深切,嶺谷高差1000～1500 m。主要河流——流沙河自西向東橫穿壩區(qū),兩岸有次級溶溝發(fā)育,如左岸的一號溝、二號溝、飛水溝;右岸的魚洞溝與鹿子溝等(圖1)。

圖1 永定橋水庫壩區(qū)水化學(xué)采樣點(diǎn)位置示意圖Fig.1 The locationsof samp ling point at the dam zone of Yongding Reservoir

區(qū)域出露地層除缺失石炭系、白堊系和第三系外,古生代以來其余各系均有出露;在壩區(qū)上游晉

寧-澄江期巖漿巖分布廣泛。壩區(qū)內(nèi),出露的基巖可劃分為兩大類:一是出露較廣而又有相當(dāng)厚度的志留系羅惹坪組細(xì)晶白云巖、砂質(zhì)白云巖等碳酸鹽可溶巖類;二是由覆蓋于志留系白云巖之上的三迭系須家河組及侏羅系-白堊系的砂巖、泥巖組成的非可溶性巖類。壩址區(qū)南西側(cè)有F1斷層通過,F1斷層呈向西南突出的弧形,在壩址上游橫切流沙河,在壩址地段沿右岸平行河谷,導(dǎo)致志留系羅惹坪組碳酸鹽巖與三迭系砂頁巖斷層接觸。

羅惹坪組碳酸鹽巖巖溶發(fā)育,以現(xiàn)代流沙河河床為地下水排泄基面,在該排泄基面附近,發(fā)育溶洞(圖2),如永定橋2號洞(K2)為水平溶洞,永定橋3號洞(K3)其洞口為落水洞后轉(zhuǎn)為水平洞,受S2l2非巖溶巖夾層控制;亦有巖溶泉出露,如魚洞溝泉、飛水溝泉等。巖溶發(fā)育處于滯型巖溶形成的初始階段。D6-3充填黃泥的溶蝕裂隙,屬于現(xiàn)代垂直巖溶帶巖溶(K6),鉆探證明壩址地帶地下80 m附近有巖溶(K20)發(fā)育,其形態(tài)以溶孔及溶蝕裂隙為主。溶孔層溶孔內(nèi)絕大多數(shù)無充填,應(yīng)該劃屬于現(xiàn)代河床深部循環(huán)帶巖溶。巖體中地下水多以下降泉的形式出露于谷底或岸邊。泉水獲得岸邊溝谷水的橫向補(bǔ)給或大渡河水的縱向補(bǔ)給。大渡河水縱向補(bǔ)給的巖溶水系是否存在,是影響水庫滲漏的重要因素。

圖2 永定橋壩址S2l2巖溶發(fā)育分布剖面示意圖Fig.2 Yongding bridge site S2l2karst distribution p rofile diagram

3 樣品采集與分析

為了研究水庫壩區(qū)的水文地球化學(xué)特征,探討壩區(qū)地下水補(bǔ)給源,及壩區(qū)地下水系發(fā)育特點(diǎn)與循環(huán)規(guī)律,對研究區(qū)地下水及與之相關(guān)的流沙河河水和溪、溝水等進(jìn)行了普遍采樣:地表溝水23個、泉水28個、河水10個、電站渠道水和煤坑水各1個。同時(shí),我們在5月10日降雨前對部分地表溝水5個、泉水10個、河水1個及電站渠道水1個樣品共計(jì)18個進(jìn)行了二次采樣;5月20日降雨后,又對5月10日降雨前所取的樣進(jìn)行了重新采樣,并于5月21日和5月23日,各新增的1個涌水點(diǎn)采樣,以探討雨前雨后的化學(xué)組成變化。用容量法測其主要成分。另外,選擇了上述部分樣品20個及另外一井水(圖1和表1),用中子活化法測定稀土元素,質(zhì)譜儀測定碳酸根的碳、氧同位素組成。

4 結(jié)果與討論

4.1 雨季前后地下水水化學(xué)的變化

本研究分別在降雨前后進(jìn)行采樣,從雨前樣品的分析結(jié)果看:地表、地下水陽離子當(dāng)量百分比的變化范圍比較寬,Ca<80%、M g<70%、Na+K< 20%?？蓪⑵鋭澐殖?個變化體系(圖3),A為流沙河河水及受其補(bǔ)給的泉水分布區(qū),包括流沙河河水、渠水、大、小石筍泉群以及魚洞溝口泉等,以相對富含Ca為特征;B為魚洞溝水分布區(qū),右岸溪水水系包括魚洞溝上、下游溝水及鹿子溝泉水,以相對富含M g為特征;C為飛水溝溝水分布區(qū),包括飛水溝溝水及一號溝溝水、泉水及水文站泉水左岸溪水水系。地表水及地下水陰離子(圖3右三角圖)的當(dāng)量百分比,Cl-<5%<20%、而變化在80%～90%之間,以和為主。其中流沙河-渠水A以富含為特點(diǎn),可達(dá)20%左右。其次飛水溝水B可達(dá)10%,而魚洞溝溝水含量極低,僅僅達(dá)到5%左右。小石筍泉陰離子含量與流沙河-渠水極為相似,顯示該二泉可能主要由河水補(bǔ)給。大石筍泉水,其含量大于飛水溝溝水,處于飛水溝-流沙河水之間,表明其受流沙河河水和飛水溝溝水共同補(bǔ)給。魚洞溝口的泉水當(dāng)量百分比含量為10%,遠(yuǎn)高于魚洞溝上、下游溝水,而接近于流沙河水的含量比。顯示出魚洞溝口泉水具有接收魚洞溝水及流沙河水補(bǔ)給的特點(diǎn)。

圖3 雨前水樣宏量化學(xué)組份三角圖Fig.3 Diagram show ing the chemical composition of water samp les befo re rainy

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

以上宏量組份研究表明,在出露于流沙河岸邊的部分泉水除了受岸邊溪水的補(bǔ)給外,還有可能受河水的縱向補(bǔ)給。而使其水化學(xué)特征接近于流沙河水。

兩季開始后,河水位及地下水位升高中,在大渡河邊有季節(jié)性泉水涌出,從雨后樣品的分析結(jié)果看:地表、地下水陰離子(圖4右三角圖)仍然可以區(qū)分出A、B、C三組,其變化范圍與圖3所示也大體相當(dāng)。但唯有不同的是在圖上多出了一個區(qū)域D。分布在D區(qū)的點(diǎn)包括小石筍泉,和于5月21日和5月23日新增涌水點(diǎn)(二號溝口泉水),該區(qū)以離子的急劇增加及具有極高的M g2+含量為特點(diǎn)。壩區(qū)離子含量較高的地下水,通常是埋藏較深的地下水,顯示在雨季初期,隨著地下水位的升高,有埋藏較深的地下水向地表排泄。根據(jù)地下水水化學(xué)隨埋深分帶的原理,埋藏較深的地下水(與淺部HCO3、Ca型水)相比,以M g2+相對含量較高。因此D組水的出現(xiàn)顯示雨季時(shí)深部循環(huán)巖溶水向地表排泄的特征。

圖4 雨后水樣宏量化學(xué)組份三角圖Fig.4 Diagram show ing the chemical composition of water samp les after rainy

4.2 稀土元素

對壩區(qū)地表水、地下水所含稀土元素進(jìn)行了測定,參見表1。

在自然界,天然水和巖石都含有一定量的稀土,并具有相應(yīng)的分配模式。以巖石稀土含量為例,如花崗巖、頁巖富含稀土,砂巖次之,而石灰?guī)r含量最低。水-巖相互作用過程中,稀土元素可以從水中轉(zhuǎn)移到巖石,亦可從巖石中轉(zhuǎn)移到水中。不斷改變水-巖體系中稀土的含量及分配。地球化學(xué)環(huán)境的變化影響著水-巖相互作用,進(jìn)而影響稀土元素在水-巖體系中轉(zhuǎn)移的特征。于是可以通過對水-巖體系中稀土元素的測定判斷水-巖體系中稀土元素的起源,相互轉(zhuǎn)移以及所處的地球化學(xué)環(huán)境,進(jìn)而為地下水系的研究提供依據(jù)。

壩區(qū)地表、地下水稀土含量有很大的差異,集中反映在稀土總含量的變化上,如圖5所示:

圖5 天然水總稀土含量地質(zhì)圖Fig.5 Geological map of the to tal rare-earth element content in natural water

(1)流沙河河水及電站渠道水的總稀土含量為最高,可達(dá)15～30 ppm。顯然是由于流沙河上游流域內(nèi)廣泛出露富含稀土的巖石的原因,如花崗巖,通過水-巖作用稀土富集于河水中。

(2)溪水的含量較高,如魚洞溝溝水和飛水溝溝水分別可達(dá)5～10 ppm,高于一般地下水,但是低于流沙河河水及電站渠道水。

(3)壩區(qū)地下水中稀土含量變化較大,但相對于河水或溪水則較低,這是因?yàn)橄⊥梁坎煌牡乇?、地下水與巖石相互作用的結(jié)果。地下水與區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖反應(yīng)時(shí),通常導(dǎo)致稀土元素從水中轉(zhuǎn)移到巖石。于是根據(jù)稀土含量可劃分出河水、渠水補(bǔ)給系,魚洞溝及飛水溝溪水補(bǔ)給系。

直接獲得流沙河河水及電站渠道水補(bǔ)給的地表、地下水稀土含量較高,通常都可以大于10 ppm。獲得溝水補(bǔ)給的地下水,多數(shù)樣品稀土含量低于5 ppm。

伴隨水-巖相互作用,地下水總稀土含量降低,同時(shí)將發(fā)生輕、重稀土的分異,圖6反映了這一特點(diǎn)。A線代表流沙河水稀土不斷減少,輕、重稀土按比例減少的變化線。受流沙河河水補(bǔ)給的渠水、泉水等均分布于A線左側(cè),隨著總稀土含量的下降,與∑HREE相比∑LREE相對降低。對受飛水溝溝水及魚洞溝溝水的補(bǔ)給的大多數(shù)泉水點(diǎn),也顯示輕稀土的相對貧化,而在圖6上仍分布于溝水左側(cè)。

稀土研究表明,壩址上游和下游均具有河水補(bǔ)給的井或泉水存在。

4.3 碳、氧同位素

對壩區(qū)地表以及地下水采樣,進(jìn)行了水中溶解碳酸鹽的碳、氧同位素組成的測定,其采樣位置(圖1)及測定結(jié)果如表1所示。天然狀態(tài)下水中溶解的碳酸鹽與溶解CO2及固體CaCO3處于化學(xué)反應(yīng)的平衡狀態(tài),并且H2O、CaCO3、CO2、HCO3-的反應(yīng)物和生成物間達(dá)到同位素平衡。

采樣時(shí)從水中沉淀出HCO3-,測定其碳、氧同位素,其測定結(jié)果反映了環(huán)境H2O、CaCO3、CO2的同位素組成及相互作用的結(jié)果。假若地表及地下水流經(jīng)的地層為可溶碳酸鹽,如石灰?guī)r、白云巖等,該溶解作用必然影響到地下水中碳酸鹽同位素組成,而且應(yīng)該隨地下水水系的流動有規(guī)律的變化。如果掌握了該變化規(guī)律,則可利用地下水中碳、氧同位素的組成,對地下水系的發(fā)育特征進(jìn)行判斷,為地下水系的研究提供地球化學(xué)的依據(jù)。

圖6 樣品輕、重稀土元素分類特征圖Fig.6 The relationship between light and heavy rareearth element in natural water

圖7表示了壩區(qū)地表及地下水中碳酸鹽δ13C和δ18O的關(guān)系。圖上所示C區(qū)表示白云巖碳、氧同位素的變化范圍。由圖7可以看出:

(1)石灰?guī)r、白云巖δ13C和δ18O同位素組成最重。

(2)流沙河河水、電站渠道水以δ13C和δ18O同位素組成最輕為特點(diǎn),分布于如圖7的A區(qū)。

(3)溪溝水(飛水溝溝水、魚洞溝溝水、鹿子溝中游溝水)與河、渠水相比,δ13C和δ18O,特別是δ18O值,以相對偏正為特征,分布于如圖7所示的B區(qū)。

(4)泉水可分為3種類型:

第一種為介于A區(qū)和B區(qū)之間的點(diǎn),如:魚洞溝泉、鹿子溝河邊沙灘水、飛水溝口下游泉水及撮箕溝上游一級階地井水。顯示這些點(diǎn)受到河水或渠水的補(bǔ)給,如圖7所示。魚洞溝泉位于流沙河河水與魚洞溝溝水的連線上,顯示魚洞溝泉為流沙河河水與魚洞溝溝水混合產(chǎn)物,并以河水成分為主。飛水溝口下游泉水出露于飛水溝溝口下游側(cè)的河漫灘,從基巖裂隙涌出水。從其同位素組成看,介于飛水溝溝水與流沙河河水之間,從其成因看應(yīng)屬于流沙河河水與飛水溝溝水混合而成。位于一級階地(高河漫灘)后緣的井水、地下水除獲得后緣谷坡基巖裂隙水補(bǔ)給外,同時(shí)也接受河水補(bǔ)給。因而同位素組成介于流沙河河水與其他地下水分布區(qū)之間。

第二種為分布在圖7的B區(qū)及其上方的點(diǎn),大體上可以區(qū)分出飛水溝溝水、有關(guān)的泉水和溝水,包括飛水溝口上游大石筍泉、一號溝溝水及水文站泉水,從飛水溝溝水點(diǎn)出發(fā)與這些點(diǎn)有兩條連線,兩條連線均指向圖7所示的C區(qū),反映飛水溝溝水轉(zhuǎn)入地下后,不斷對石灰?guī)r、白云巖巖體(C)的溶蝕,而改變碳、氧同位素的組成。證明是地下水系活動的結(jié)果。

圖7 樣品碳酸鹽中碳、氧同位素組成關(guān)系圖Fig.7 The p lot of carbon and oxygen iso topic composition of carbonate in natural water

第三種大體分布于B區(qū)及其下方的點(diǎn),與以上各點(diǎn)相比,具有δ13C偏負(fù)的特點(diǎn),包括有石灰廠泉、大溝頭泉、為受T3x砂頁巖地層影響的泉水。

綜上所述,根據(jù)宏量組份、稀土元素、碳氧同位素的調(diào)查表明,在永定橋壩區(qū),地下水系可劃分為左岸、右岸溪水補(bǔ)給的地下水系及受河水縱向補(bǔ)給的地下水系。其中特別是河水縱向補(bǔ)給的地下水系的存在,對于水庫的滲漏是嚴(yán)重的隱患。

在永定橋水庫壩區(qū),為查明巖溶地下水系,進(jìn)行了水化學(xué)研究的同時(shí),還進(jìn)行了連通試驗(yàn),以便對研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)位置包括左岸和右岸,其研究結(jié)果已發(fā)表[5]。證明確實(shí)存在順河流方向深部巖溶水系的發(fā)育。

5 結(jié)論

為了給永定橋水庫壩區(qū)巖溶滲漏的工程處理提供依據(jù),進(jìn)行了壩區(qū)地表水、地下水水文地球化學(xué)綜合研究及連通實(shí)驗(yàn)論證。雨季前、后地下水水化學(xué)性質(zhì)的變化表明存在斷裂帶或巖溶通道深部埋藏水向地表排泄的特征。根據(jù)稀土元素含量的變化與輕、重稀土元素的分異特征可劃分出壩區(qū)地下水的河水、渠水補(bǔ)給系,及魚洞溝與飛水溝補(bǔ)給系。根據(jù)地表、地下水碳、氧同位素的組成特征,可進(jìn)一步劃分出相關(guān)的地下水系:魚洞溝泉地下水系;一號溝-水文站地下水系;飛水溝水系等。右岸的連通實(shí)驗(yàn)證實(shí)了魚洞溝內(nèi)的溝水滲漏及其去向。

[1]肖萬春.水庫巖溶滲漏勘察技術(shù)要點(diǎn)與方法研究[J].水力發(fā)電,2008,34(7):52-55.

[2]李兆林,鄒勝章,陳宏峰.廣西龍州金龍水庫巖溶滲漏分析與治理[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào),2006,26(3):52-55.

[3]李峰,陳洲豐.麒麟觀水庫巖溶滲漏條件分析[J].水利水電科技發(fā)展,2005,25(6):72-74.

[4]賈秀梅,劉滿杰,孫繼朝,等.萬家寨水庫右岸巖溶滲漏試驗(yàn)研究[J].地球?qū)W報(bào),2005,26(2):179-182.

[5]鄧英爾,賈疏源,黃潤秋,等.巖溶縫洞系統(tǒng)地下水系研究[J].地球科學(xué)進(jìn)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

于靜(1963―),女,工程師,研究方向:水文地質(zhì)(水文地球化學(xué))。

2010-03-22改回日期:2010-04-26