某水電站蓄水對(duì)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(qū)附近地下水滲流場的變化是否會(huì)對(duì)下游約3 km處溫泉的天然循環(huán)條件造成影響，進(jìn)而改變其水量、水溫和水質(zhì)等要素成為制約工程建設(shè)的關(guān)鍵問題。有鑒于此，在對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查、勘探及試驗(yàn)資料進(jìn)行整理歸納的基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，從定性和定量兩個(gè)方面評(píng)價(jià)了水電站蓄水對(duì)溫泉的影響。結(jié)果表明：溫泉群屬上升泉，其形成與區(qū)域地下水的深循環(huán)有關(guān)，這一循環(huán)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，只是在泉水上升排泄過程中，與淺表地下水發(fā)生了混合；水電站建成后，溫泉仍會(huì)正常排泄；蓄水對(duì)溫泉群的水量、水溫和水質(zhì)基本無影響。

關(guān)鍵詞：水電站 溫泉 地質(zhì)分析 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TV7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jī)容量為260萬kW，年發(fā)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(gè)泉點(diǎn)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(qū)附近地下水滲流場的變化是否會(huì)對(duì)下游溫泉的天然循環(huán)條件造成影響，進(jìn)而改變溫泉的水量、水溫和水質(zhì)等要素成為影響工程建設(shè)的關(guān)鍵問題之一。有鑒于此，在對(duì)研究區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查、勘探及試驗(yàn)資料進(jìn)行整理歸納的基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，從定性和定量兩個(gè)方面評(píng)價(jià)了水電站蓄水對(duì)溫泉的影響，以期達(dá)到合理開發(fā)和妥善保護(hù)地質(zhì)環(huán)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(hù)要求的工程提供較好的借鑒[1-3]。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

該區(qū)地處云貴高原西部邊緣地帶，屬高山深切峽谷地貌，地勢(shì)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(duì)高差達(dá)2000～3 000 m。

區(qū)域內(nèi)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(gòu)造控制明顯。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造形跡主要表現(xiàn)為斷裂。斷裂構(gòu)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(cuò)斷。該區(qū)發(fā)育的Ⅰ級(jí)結(jié)構(gòu)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(qū)內(nèi)Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)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(fā)育。此處F1斷層以西為三疊系中統(tǒng)河灣街組（T2h）白云巖、灰質(zhì)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(jù)西南地區(qū)巖石圈地溫分布特征，該區(qū)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(jié)構(gòu)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(qiáng)烈的高地?zé)岜尘昂拖鄳?yīng)的巖石圈熱結(jié)構(gòu)。該區(qū)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(rèn)為地幔熱流和上地殼含放射性元素衰變產(chǎn)生的地殼熱流構(gòu)成了溫泉地?zé)嵯到y(tǒng)的熱源[4-6]。

氫氧同位素組成是尋找地下水補(bǔ)給源的天然示蹤劑。根據(jù)一個(gè)地區(qū)地下水的同位素組成在δD-δ18O關(guān)系圖上是否落在當(dāng)?shù)亟邓€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(guān)系圖上可以看到，結(jié)果緊靠在西南降水線附近（圖2），說明溫泉水受大氣降水補(bǔ)給。

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

（1）

式（1）中：H為溫泉水補(bǔ)給區(qū)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(bǔ)給高程（m）。

室內(nèi)試驗(yàn)測得溫泉群δ18O含量為-10.95‰，以該區(qū)地表水作為參照水體，其δ18O值為-14.72‰。據(jù)于津生等人對(duì)川西及藏東地區(qū)δ18O高程效應(yīng)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(bǔ)給高程h為3 255 m。將以上數(shù)據(jù)代入公式（1），計(jì)算求得溫泉水補(bǔ)給高程為1 805 m。因此，溫泉群補(bǔ)給區(qū)高程在1 800 m左右。

2.2 熱儲(chǔ)及循環(huán)深度

通過對(duì)地?zé)釡貥?biāo)的測定，可計(jì)算出深部熱儲(chǔ)溫度。地球化學(xué)地?zé)釡貥?biāo)法的原理是地?zé)崃黧w與礦物在一定溫度條件下達(dá)到化學(xué)平衡，在隨后地?zé)崃黧w溫度降低時(shí)，流體中的化學(xué)成分仍保持不變。根據(jù)溫泉水中SiO2的含量利用公式（2）可對(duì)其熱儲(chǔ)溫度進(jìn)行計(jì)算。

（2）

式中：t為熱儲(chǔ)溫度（℃）；SiO2為二氧化硅的含量（mg/L）。

實(shí)驗(yàn)測得溫泉中SiO2含量為32.81 mg/L，由此計(jì)算熱儲(chǔ)溫度為82.8 ℃。

根據(jù)上述熱儲(chǔ)溫度利用公式（3）對(duì)溫泉水的循環(huán)深度進(jìn)行估算[9]。

（3）

式中：D為循環(huán)深度（m）；t為熱儲(chǔ)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(chǔ)溫度t取82.8 ℃；恒溫帶溫度t0取當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁?，?8 ℃；該區(qū)屬高熱流背景區(qū)，地溫梯度偏高，G取3.5 ℃/100 m；恒溫帶深度d0取20 m。計(jì)算求得溫泉水循環(huán)深度為1 871 m。

2.3 通道及蓋層

作為區(qū)域性斷裂的FA、FB不僅控制了區(qū)內(nèi)的沉積建造及構(gòu)造格局，而且為大氣降水向地殼深部的運(yùn)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(jìn)行深循環(huán)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(yùn)移提供了必要的通道，起到了導(dǎo)水、導(dǎo)熱的作用。

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

2.4 補(bǔ)給、徑流、排泄特征

綜上所述，溫泉在研究區(qū)西部1 800 m左右的山區(qū)接受大氣降水補(bǔ)給后順區(qū)域性斷裂FA和FB向地殼深部徑流。在運(yùn)移過程中，地下水不斷從巖石中獲取熱量并逐漸被加熱，當(dāng)循環(huán)至約1 870 m深度時(shí)水溫增至83 ℃左右，形成深部熱儲(chǔ)。最后，地下水在水頭和密度差作用下順F1斷層向地表運(yùn)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(duì)溫泉的影響

3.1 定性分析

根據(jù)上述分析，溫泉群屬上升泉，其形成與區(qū)域地下水的深循環(huán)有關(guān)，補(bǔ)給高程在研究區(qū)西部1 800 m左右的山區(qū)，循環(huán)深度約1 870 m。這一循環(huán)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，只是在泉水排泄出地表的過程中，與淺表地下水發(fā)生了混合。

研究表明，水電站蓄水后對(duì)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(fù)為天然地下水滲流場。因此，評(píng)價(jià)水電站蓄水對(duì)距離約3 km外溫泉群的影響，關(guān)鍵是需要分析蓄水對(duì)淺表地下水循環(huán)系統(tǒng)的改變是否會(huì)延續(xù)至溫泉區(qū)，進(jìn)而影響到溫泉的正常排泄。

溫泉屬深部循環(huán)地下水，泉群出露高程為830～833 m。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，無論枯季、雨季其出露點(diǎn)均高于河水位，表現(xiàn)為泉水補(bǔ)給河水。即使其上游3 km外的水電站蓄水后，這一關(guān)系也不會(huì)發(fā)生改變。

水電站蓄水至961 m時(shí)，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(jù)壓水試驗(yàn)資料，壩基巖體屬微透水～中等透水。溝通水庫與溫泉群的結(jié)構(gòu)面—F1斷層寬2～8 m，破碎帶組成物質(zhì)以糜棱巖、斷層泥、角礫巖為主。現(xiàn)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(dòng)力條件及滲漏通道的滲透性均較差，故滲漏至溫泉排泄區(qū)附近的庫水量極為有限。

綜上可知：蓄水不會(huì)對(duì)溫泉群排泄區(qū)附近淺表地下水循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生大的影響；水電站建成后，溫泉仍會(huì)自然排泄且其水量、水溫不會(huì)產(chǎn)生大的變化。

3.2 模擬計(jì)算

采用美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的模塊化地下水流三維有限差分計(jì)算程序Modflow對(duì)地下水滲流場進(jìn)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(qū)及溫泉群。

模擬區(qū)氣候變化較大，干、濕季節(jié)分明，通常5～10月為雨季，降雨量豐富，暴雨較多。根據(jù)氣象資料，本區(qū)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(jié)將一年作為2個(gè)應(yīng)力期（即雨季和干季），每個(gè)時(shí)間段內(nèi)包括若干時(shí)間步長，時(shí)間步長由模型自動(dòng)控制。根據(jù)模型運(yùn)行情況調(diào)整時(shí)間步長，嚴(yán)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(qū)域地下水的深循環(huán)有關(guān)，因此模型的高程范圍設(shè)置較大，為0～2 000 m。為更真實(shí)地反映地層結(jié)構(gòu)，將模型剖分為24層，200行、200列，共計(jì)960 000個(gè)單元。所有分層界限（層頂標(biāo)高、層底標(biāo)高）均自模擬計(jì)算區(qū)內(nèi)勘探、水文地質(zhì)剖面圖數(shù)據(jù)提取，并恢復(fù)為三維空間數(shù)據(jù)，由此建立三維空間物理模型（圖4）。

根據(jù)地下水滲流場特征和地層水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，將研究區(qū)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(qū)內(nèi)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(shù)來源于水電站樞紐區(qū)鉆孔壓水試驗(yàn)成果，有效孔隙率數(shù)據(jù)采用壩址區(qū)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)成果。由于模型涉及范圍較大，其余巖體并無相關(guān)資料，因此，參數(shù)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(jì)算主要分兩種方案進(jìn)行。

（1）針對(duì)現(xiàn)狀天然條件下，對(duì)模型進(jìn)行校驗(yàn)，并進(jìn)行40個(gè)水文年的非穩(wěn)定流模擬與評(píng)價(jià)，模擬計(jì)算地下水滲流場及溫泉流量的變化。

（2）針對(duì)蓄水后，水庫水體對(duì)地下水滲流場及溫泉流量的影響，進(jìn)行40個(gè)水文年的非穩(wěn)定流模擬與評(píng)價(jià)。

通過數(shù)值模擬計(jì)算天然條件下溫泉群總流量平均值為17.23

L/s，這一結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值基本一致。水電站蓄水至961m后，計(jì)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(duì)溫泉流量的增減基本無影響。

4 結(jié)語

通過上述分析可得出以下結(jié)論。

（1）溫泉在研究區(qū)西部1 800 m左右的山區(qū)接受大氣降水補(bǔ)給后順區(qū)域性斷裂FA和FB向地殼深部徑流。在運(yùn)移過程中，地下水不斷從巖石中獲取熱量并逐漸被加熱，當(dāng)循環(huán)至約1 870 m深度時(shí)水溫增至83 ℃左右，形成深部熱儲(chǔ)。最后，地下水在水頭和密度差作用下順F1斷層向地表運(yùn)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(qū)域地下水的深循環(huán)有關(guān)，這一循環(huán)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，只是在泉水上升排泄過程中，與淺表地下水發(fā)生了混合。

（3）地質(zhì)分析與數(shù)值模擬計(jì)算均表明：水電站建成后，溫泉仍會(huì)自然排泄，蓄水對(duì)溫泉群的水量、水溫和水質(zhì)基本無影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 張倬元，王士天，王蘭生，等.工程地質(zhì)分析原理[M].北京：地質(zhì)出版社，2009.

[2] 周洪福，聶德新，李曉.向家壩水電站蓄水對(duì)大峽谷溫泉的影響[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，27（1）：55-62.

[3] 楊先坤，姜本鴻.烏江彭水樞紐長溪壩址溫泉成因及其對(duì)工程影響研究[J].人民長江，1991，22（9）：17-21.

[4] 袁玉松，馬永生，胡圣標(biāo)，等.中國南方現(xiàn)今地?zé)崽卣鱗J].地球物理學(xué)報(bào)，2006，49（4）：1118-1125.

[5] 覃玉璽，潘用泛.云南省溫泉區(qū)劃與地震空間關(guān)系的初步探討[J].地震研究，1982，5（2）：199-211.

[6] 劉承志.云南溫泉之分布規(guī)律及其與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系[J].地質(zhì)論評(píng)，1966，24（3）：211-221.

[7] 張惠，張新基.水文地質(zhì)學(xué)中的環(huán)境同位素[M].鄭州：黃河水利出版社，2006.

[8] 于津生，張鴻斌，虞?；?，等.西藏東部大氣降水氧同位素組成特征[J].地球化學(xué)，1980（2）：113-121.

[9] 王大純，張人權(quán)，史毅虹，等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.

[10] 葉咸，許模，譙乾峰，等.基于水文地球化學(xué)成因分析的溫泉開發(fā)潛力評(píng)價(jià)—以云南羅茨溫泉為例[J].地下水，2013，35（6）：72-74.

[11] 歐陽慶，鐘江明，廖見海，等.廬山星子溫泉成因探討[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，34（1）：81-85.

[12] 楊國華，吳奇.洛陽市龍門溫泉成因探討[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2003（6）：58-61.

[13] 屈麗麗，徐世光，楊秀梅，等.怒江躍進(jìn)橋溫泉水化學(xué)特征及成因分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（20）：4723-4729.

[14] 王多義.四川綿竹釀春池溫泉地質(zhì)成因分析[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，32（5）：479-485.

[15] 丁秉弼.興城溫泉成因探討[J].工程勘察，1988（4）：47-49.

[16] 程先鋒，徐世光，張世濤.云南省安寧溫泉地?zé)岬刭|(zhì)特征及成因模式[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2008（5）：124-128.