抽水蓄能電站水庫(kù)各類水體的H-O同位素組成特征及其水力聯(lián)系

張 立 鄭小賀 李廣凱 楊張陽(yáng) 饒文波 茅昌平

1（山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司 泰安 271000）

2（河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院 南京 210098）

我國(guó)現(xiàn)有水庫(kù)大壩上萬(wàn)座，在防洪、發(fā)電及水資源調(diào)配方面充當(dāng)著重要的角色，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益。通常，水庫(kù)運(yùn)行一定時(shí)間后，由于施工技術(shù)與地質(zhì)條件的限制存在不同程度的安全隱患。滲漏是典型的水庫(kù)隱患，它不僅使水漏失，甚至使水庫(kù)漏空，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致大壩垮塌，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)由于滲漏問(wèn)題造成的土石壩失事占全部事故的30%以上［2］，為及時(shí)排除水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的安全隱患以避免水庫(kù)出現(xiàn)垮塌事故，水庫(kù)滲漏探測(cè)顯得尤為重要和緊迫［3］。

天然水中氫有兩種穩(wěn)定性同位素：2H與1H，氧有三穩(wěn)定性同位素：16O、17O和18O。這些同位素通過(guò)不同的組合方式，可以形成不同的同位素水分子，如1H2O、1H2H18O和1H2H16O等。質(zhì)量大的水分子，如1H2H18O優(yōu)先在液相（水相）中富集，質(zhì)量小的水分子，如2H16O則趨于殘留在氣相水（水蒸汽）中［4］。由于質(zhì)量的差異，同位素在液相和氣相之間產(chǎn)生明顯的分餾。這種分餾與溫度、蒸發(fā)、地形以及距海洋遠(yuǎn)近等多種因素有密切關(guān)系［5］。例如，大氣降水隨緯度與高度的增加，其δ2H和δ18O值越來(lái)越低。同時(shí)，大氣降水具有明顯的季節(jié)性效應(yīng)，在冬季或干季，其δ2H和δ18O值增高；而在夏季或雨季，δ2H和δ18O值降低。大氣降水是地表水（河水、湖水）、地下水最初的補(bǔ)給來(lái)源，在補(bǔ)給河流、湖泊或入滲地下的過(guò)程中，由于受到不同地域的環(huán)境影響而遭受不同程度的蒸發(fā)與混合，從而導(dǎo)致地表水與地下水有不同的H-O同位素組成［4］。因此，這一方法在研究水循環(huán)過(guò)程與機(jī)制上有很大的潛能［6-11］。近年來(lái)，H-O同位素示蹤由于能有效確定水體的補(bǔ)給來(lái)源與排泄關(guān)系，也已成為水庫(kù)滲漏探測(cè)的重要技術(shù)手段之一［12］，并在新安江、小浪底與黃壁莊水庫(kù)等多個(gè)水庫(kù)滲漏探測(cè)研究中得到了廣泛應(yīng)用［13-15］。

山東泰山抽水蓄能電站是一座承擔(dān)山東電網(wǎng)調(diào)峰填谷的重要電站，近年來(lái)，該電站上水庫(kù)出現(xiàn)幾處滲漏問(wèn)題，已引起管理部門的高度重視。本研究擬對(duì)該水庫(kù)不同類型水體的氫氧同位素組成進(jìn)行調(diào)查分析，進(jìn)而對(duì)各水體之間的水力聯(lián)系進(jìn)行探討，為水庫(kù)滲漏處理與控制提供有益參考。

1 研究區(qū)域概況

泰山抽水蓄能電站位于山東省泰安市泰山風(fēng)景區(qū)西南麓，屬黃河下游支流大汶河水系的泮河流域，距泰安市5 km，距濟(jì)南市約70 km，所處地貌為低山丘陵（圖1）。泰安抽水蓄能電站為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，主要擔(dān)負(fù)山東電網(wǎng)的調(diào)峰填谷任務(wù)，是山東電力系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰容量80萬(wàn)千瓦的大（I）型工程。電站由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)及地下廠房系統(tǒng)等建筑物組成。電站利用已經(jīng)建成的泰安市大河水庫(kù)作為下水庫(kù)，在大河水庫(kù)左岸櫻桃溝上游修建了上水庫(kù)（圖1（b））。

上水庫(kù)三面環(huán)山（圖1（b）），山體呈北西-南東向展布，另一面為混凝土面板堆石壩，庫(kù)盆開闊，高程310～380 m，左岸山體雄厚，山脊高程500～600 m；右岸橫嶺呈北西-南東向，嶺脊高程400～500 m，自嶺脊向南西方向地形緩緩下降，山腳處高程200 m左右。上水庫(kù)由混凝土面板堆石壩、上水庫(kù)進(jìn)/出水口、庫(kù)盆及其防滲系統(tǒng)構(gòu)成。上水庫(kù)流域面積為1.45 km2，總庫(kù)容為1 168.1萬(wàn)立方米，發(fā)電庫(kù)容為895.11萬(wàn)立方米。

研究區(qū)氣候?yàn)闇貛Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，春季干旱多風(fēng)，夏季高溫多雨；土壤為棕壤土類，上水庫(kù)兩側(cè)山坡為薄層砂質(zhì)礫石土、酸性巖殘坡積棕壤性土；植被為暖溫帶落葉闊葉林帶，主要喬灌樹種有松麻櫟、黑松、胡枝、荊條等。多年平均降水為708.0 mm，并集中于6～9月，夏季常有暴雨發(fā)生，單日最大降雨量為75 mm?d-1［16］。

上水庫(kù)為一天然庫(kù)盆，壩區(qū)內(nèi)出露的巖性為太古界泰山雜巖和第四紀(jì)堆積物，巖石主要為交代式花崗巖、混合花崗巖、斑紋狀混合巖和斜長(zhǎng)片麻巖等。工程區(qū)巖性主要為致密、堅(jiān)硬的混合花崗巖，巖性單一。抽水蓄能電站區(qū)內(nèi)發(fā)育有區(qū)域性斷裂4條，其中，F(xiàn)1斷層穿過(guò)上水庫(kù)溝底（圖1（c）），貫穿上下游巖層破碎地帶，壩址區(qū)斷層破碎帶寬44～52 m，發(fā)育有5組裂隙，其中以NEE及NE向較發(fā)育，多形成裂隙密集帶［17］。兩岸邊坡穩(wěn)定，左岸及庫(kù)尾向鄰谷滲漏的可能性不大，右岸橫嶺相對(duì)比較單薄，局部節(jié)理密集帶可能存在滲漏。

圖1 泰山抽水蓄能電站上水庫(kù)工程分布及采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Map showing the upper reservoir and sampling points

2 采樣與分析

2019年7月、9月、10月分別對(duì)泰安抽水蓄能電站水庫(kù)區(qū)域進(jìn)行了詳細(xì)的野外考察，并采集了各類水樣，包括右岸（水庫(kù)南）排水廊道、庫(kù)底廊道、隧道涵洞及壩后量水堰的滲漏水，左岸（水庫(kù)北）鉆孔及啟閉機(jī)周邊的深井井水，上水庫(kù)庫(kù)水（圖1和表1）。使用500 mL的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate，PET）塑料瓶采集水樣。在盛裝水樣之前，樣品瓶經(jīng)去離子水清洗三遍，在采樣時(shí)用水樣再重新清洗三遍，防止樣品遭受污染。同時(shí)，為防止蒸發(fā)，水樣應(yīng)裝滿樣品瓶，不留空間，擰緊瓶蓋，并用美國(guó)Parafilm封口膜進(jìn)行外圍瓶蓋封口。為了保證水樣的自然屬性，對(duì)樣品不添加任何保存劑和防腐劑，并在現(xiàn)場(chǎng)寫好標(biāo)簽并做好詳細(xì)記錄。對(duì)于水庫(kù)水與鉆井水樣品，采用自制的有機(jī)玻璃采樣器進(jìn)行收集，采樣時(shí)采樣器放置在水面1 m以下。

樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，在河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院同位素水文實(shí)驗(yàn)室利用激光同位素分析儀（LGR9120032）測(cè)試其H-O同位素組成。同位素測(cè)試之前，利用孔徑為0.45 μm的濾膜對(duì)水樣進(jìn)行了過(guò)濾。同位素測(cè)試結(jié)果以基于維也納平均海水（Vienna Standard Mean Ocean Water，VSMOW）為標(biāo)準(zhǔn)的千分值（‰）表示。δ18O和δ2H的分析誤差分別為±0.2%和±1.0%。同位素組成的表達(dá)式為：

表1 泰山抽水蓄能電站上水庫(kù)區(qū)域各類水體采集點(diǎn)信息及同位素組成Table 1 The sampling information and isotope compositions of various water samples from the reservoir area of the Taishan pumped storage power station

3 結(jié)果與討論

3.1 10月份水庫(kù)各水體的H-O同位素分布特征

如表1所示，上水庫(kù)水的δ18O與δ17O值分別在-5.37‰ ～ -6.48‰、-2.58‰ ～ -3.23‰之間變化，平均值分別為-5.94‰與-2.89‰；δ2H值在-45.4‰～-46.6‰之間變化，平均值為-46.04‰。右岸排水廊道滲漏水的δ18O與δ17O值在-4.86‰ ～-4.87‰、-3.24‰～-3.37‰之間變化，平均值分別為-4.86‰與-3.31‰；δ2H值在-46‰～-46.6‰之間變化，平均值為-46.32‰。鉆孔井水的δ18O與δ17O值分別在-7.58‰ ～ -8.97‰、-4.12‰ ～ -4.80‰之間變化，平均值分別為-8.15‰與-4.39‰；δ2H值在-51‰ ～-59.7‰之間變化，平均值為-55.29‰。庫(kù)底廊道排水孔、隧道及壩后量水堰滲漏水的δ18O與δ17O值分別在-5.43‰ ～-6.45‰、-2.76‰ ～-3.59‰之間變化，平均值分別為-5.79‰與-3.12‰；δ2H值在-44.4‰～-50.5‰之間變化，平均值為-46.67‰。

相比較而言，鉆孔井水的同位素比值明顯較低（圖2）。右岸廊道滲漏水氧同位素值明顯高于庫(kù)水，而庫(kù)底廊道及隧道壩后滲漏水的氧同位素值與庫(kù)水差別不大（圖2（a））。但右岸廊道滲漏水的氫同位素組成與庫(kù)水的差別小，庫(kù)底廊道005號(hào)排水孔（7號(hào)樣品）的氫同位素組成與庫(kù)水有明顯差別（圖2（a））。

如圖2（b）所示，右岸排水廊道滲漏水的氘盈余在-7～-8變化；鉆孔井水的氘盈余都在5以上，大部分在12以上；庫(kù)底廊道與隧道壩后滲漏水的氘盈余在1～-1變化；庫(kù)水的氘盈余變化較大，一些樣品在5以上，一些樣品在0以下。氘盈余的空間分布與δ18O、δ17O及δ2H有較好的對(duì)應(yīng)（圖2），即低的δ18O、δ17O及δ2H值對(duì)應(yīng)高的氘盈余，高的δ18O、δ17O及δ2H值對(duì)應(yīng)低的氘盈余。相比較而言，右岸排水廊道和鉆孔井水的水樣H-O同位素特征與庫(kù)水有較大的差異。

3.2 10月份水庫(kù)各水體同位素組成與其他月份的比較

如圖3所示，不同月份各類水體的δ18O、δ17O及δ2H有較明顯的差異。7月份各類水體的δ18O、δ17O及δ2H值相對(duì)于9月、10月的偏正（圖3（a）、（b）、（c）），這可能是7月份氣溫較高、地表蒸發(fā)較強(qiáng)引起的。左岸鉆孔水的δ18O、δ17O及δ2H值在9月與10月之間有較大的變化，而上水庫(kù)水、右岸廊道排水及壩后量水堰滲漏水的δ18O、δ17O及δ2H值在這兩個(gè)月之間變化不大（圖3（a）、（b）、（c））。各類水體的氘盈余值在7月、9月和10月之間存在較大的差異（圖3（d）），例如，上水庫(kù)水樣的氘盈余在10月份最高，在7月份最低；而右岸廊道排水孔水樣品的氘盈余在10月份最低，九月份最高。各類水體同位素組成的月際變化與當(dāng)?shù)氐臍庀笏募八牡刭|(zhì)等因素有緊密的關(guān)系。

3.3 同位素指示不同水體的水力聯(lián)系

氘盈余是Dansgaard［18］提出的一個(gè)概念，定義為d=δ2H-8×δ18O，這個(gè)參數(shù)可以反映水體補(bǔ)給來(lái)源區(qū)的水文信息，包括降水、氣溫、濕度及蒸發(fā)等［19］，因而常與δ18O或δ2H值一起成為追蹤水體補(bǔ)給來(lái)源的有效手段。

如圖4（b）所示，10月份的鉆孔井水樣品氘盈余值（d）在6～12變化，平均值接近在全球大氣降水的值，與其他樣品的值有顯著差別，且這些樣品的氫氧同位素組成落在全球降水線［20］（Global Meteoric Water Line，GMWL）（δ2H=8×δ18O+10）附近并處于其下端（圖4（a））。據(jù)此推測(cè)，10月份的鉆孔井水應(yīng)當(dāng)由降水通過(guò)水庫(kù)兩岸巖體裂隙入滲補(bǔ)給而來(lái)，且沒有遭受明顯的蒸發(fā)。根據(jù)這三個(gè)鉆孔水樣的同位素組成計(jì)算得到的平均值（δ2H=-55.3‰，δ18O=-8.14‰）恰好落在全球降水線上（圖4（a））。由于沒有當(dāng)?shù)亟邓耐凰財(cái)?shù)據(jù)，本文中鉆井水樣品的平均同位素值可視為當(dāng)?shù)亟邓谋碚髦怠?0月份其他水樣都落在全球降水線右下方，遭受了不同程度的蒸發(fā)（圖4（a））。右岸廊道排水洞滲漏水樣與庫(kù)底廊道005號(hào)排水孔樣品落在斜率最低的蒸發(fā)線上，表明其遭受了最強(qiáng)的蒸發(fā)。另外，右岸廊道排水洞滲漏水樣氘盈余值很低，與庫(kù)水樣品及鉆孔井水的差別很大（圖4（b））。因此，右岸廊道排水洞滲漏水不是由庫(kù)水和近期降水補(bǔ)給所導(dǎo)致，可能與遭受較強(qiáng)蒸發(fā)的早期降水補(bǔ)給有關(guān)。庫(kù)水可被認(rèn)為是當(dāng)?shù)囟啻谓邓a(bǔ)給的混合，其氘盈余值在右岸廊道排水洞滲漏水與鉆孔井水的之間，也間接支持了這一論斷（圖4（b））。10月份的庫(kù)底廊道005號(hào)排水孔樣品與庫(kù)底廊道003號(hào)排水孔樣品有相似的氘盈余值，兩者都落在庫(kù)水樣品的范圍內(nèi)（圖4（b）），不過(guò)，在δ18O-δ2H關(guān)系圖上兩者差別較大：003號(hào)樣品與庫(kù)水樣品接近，而005號(hào)樣品與庫(kù)水樣品相距較遠(yuǎn)（圖4（a））。庫(kù)底廊道排水孔樣品應(yīng)當(dāng)來(lái)自庫(kù)水滲漏，005號(hào)排水孔樣品遭受較強(qiáng)的蒸發(fā)，可能系人為所致。10月份右岸排水隧道及壩后量水堰水樣的氘盈余值落在水庫(kù)水樣的范圍之內(nèi)（圖4（b）），其δ18O與δ2H值也有相似的特征（圖4（a））。這表明右岸排水隧道及壩后量水堰的滲漏水來(lái)自庫(kù)水滲漏?？傊?，10月份期間，鉆孔井水與右岸廊道排水洞滲漏水不是庫(kù)水的側(cè)向滲漏，而分別是不同時(shí)期的降水入滲補(bǔ)給，其它水體與庫(kù)水關(guān)系密切，或者說(shuō)由庫(kù)水滲漏所致。

7月與9月份各水體樣品都落在全球降水線的右下方，但7月份的同位素值明顯高于9月份（圖4（c）、（d））。這有兩種可能的解釋：1）這兩個(gè)月份的水樣有相同的補(bǔ)給來(lái)源，但7月份的遭受更強(qiáng)的蒸發(fā)；2）這兩個(gè)月份的水樣補(bǔ)給來(lái)源存在差異。如圖4（c）所示，這兩個(gè)月份的水樣看起來(lái)都落在同一條蒸發(fā)線上，似乎有相似的補(bǔ)給來(lái)源。假定這一結(jié)論成立，可通過(guò)所謂的蒸發(fā)線（δ2H=6.2×δ18O-10.9）與全球降水線相交計(jì)算得到最初的降水同位素值：δ18O=-11.81‰，δ2H為-84.5‰。然而，在山東及周邊地區(qū)降水很少有這樣負(fù)的同位素值［21］。據(jù)此認(rèn)為，第二種解釋較為合理。而且，這兩個(gè)月份的水樣在氘盈余（d）上的顯著差別也證明了這一點(diǎn)。7月份的庫(kù)水樣在δ18O-δ2H關(guān)系圖上與右岸排水廊道滲漏水樣接近，與壩后量水堰滲漏水樣有一定的不同（圖4（c））。同時(shí)，庫(kù)水樣與這兩個(gè)點(diǎn)的滲漏水樣在氘盈余值上輕微的差別（圖4（d））。右岸排水廊道和壩后量水堰滲漏水樣可能主要來(lái)自庫(kù)水滲漏補(bǔ)給，也存在其它成因的水混入。而在這個(gè)時(shí)期，6號(hào)施工支洞山體滲水與廊道山體滲水無(wú)論在δ18O、δ2H還是在氘盈余上都接近，而與庫(kù)水樣差別明顯（圖4（c）、（d）），表明這兩個(gè)點(diǎn)的滲漏水有相同的來(lái)源但與庫(kù)水無(wú)關(guān)。9月份，除了左岸鉆孔外，庫(kù)水、右岸排水廊道水及壩后量水堰滲漏水都有相似的同位素組成（圖4（c）、（d）），表明9月份右岸排水廊道與壩后量水堰的滲漏水來(lái)自庫(kù)水的滲漏。

總體上不同月份水庫(kù)中滲漏水的補(bǔ)給來(lái)源有一定的變動(dòng)。這種變動(dòng)與水庫(kù)區(qū)域的氣象水文、庫(kù)區(qū)水量及水文地質(zhì)等條件有密不可分的聯(lián)系。

圖3 泰山抽水蓄能電站上水庫(kù)7月、9月、10月的各類水體δ18O、δ17O及δ2H值的比較Fig.3 Comparison of the δ18O,δ17O and δ2H values of various water bodies in the Taishan pumped storage power station in July,September and October

圖4 泰山抽水蓄能電站上水庫(kù)各類水體δ18O與δ2H、氘盈余的關(guān)系[20]Fig.4 Relationships between δ18O,δ2H and deuterium excess(d-excess)of various water bodies in the Taishan pumped storage power station[20]

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)泰山抽水蓄能電站水庫(kù)區(qū)域各類水體（庫(kù)水、滲漏水及鉆井水等）的H-O同位素組成進(jìn)行了取樣分析，對(duì)各類水體之間的水力聯(lián)系進(jìn)行了深入探討。取得的主要認(rèn)識(shí)如下：

1）水庫(kù)區(qū)域各類水體的δ18O、δ17O與δ2H值分別在-4.12‰ ～ -8.97‰、-37‰ ～ -59.7‰、-2.17‰ ～-4.8‰之間變化。不同水體同位素組成存在差別。

2）各類水體穩(wěn)定同位素組成在不同的月份差異較大?？傮w上7月份的比9月、10月的值明顯偏正。除左岸鉆孔水外，其他水體δ18O、δ17O與δ2H在9月與10月之間的差異不大。不同水體氘盈余有不同的月際變化規(guī)律。

3）10月份，鉆孔井水、右岸廊道滲漏水不是來(lái)自庫(kù)水滲漏，而其它滲漏水與庫(kù)水關(guān)系密切。9月份，左岸鉆井水不是庫(kù)水滲漏，而壩后量水堰、右岸排水廊道滲漏水與庫(kù)水關(guān)系密切。7月份，右岸排水廊道滲漏水與庫(kù)水關(guān)系密切。

庫(kù)水滲漏隨月份發(fā)生明顯變化。這可能與不同月份庫(kù)水位和氣候水文條件密切相關(guān)。因此，按月份圈定庫(kù)水滲漏區(qū)域是指導(dǎo)水庫(kù)滲漏修行之有效的策略。本研究成果對(duì)深入理解電站水庫(kù)區(qū)域的水循環(huán)有重要的理論價(jià)值，對(duì)水庫(kù)滲漏治理與控制有實(shí)際指導(dǎo)意義。后期將進(jìn)一步開展水庫(kù)與鉆井不同月份、不同深度水樣的同位素研究工作，以期精準(zhǔn)確定水庫(kù)的滲漏區(qū)域，為水庫(kù)滲漏全面修復(fù)提供依據(jù)。