西非凱凱水電站地下水水化學(xué)特征及演化趨勢(shì)研究

馮建偉 李林 李辰舟

摘要：為研究西非凱凱水電站地下水水化學(xué)特性，通過采集多組樣品，分別在當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室和中國(guó)實(shí)驗(yàn)室開展水質(zhì)分析，通過水化學(xué)碳酸平衡理論、電中性原理、電導(dǎo)率與總?cè)芙夤腆w經(jīng)驗(yàn)關(guān)系等方法，校驗(yàn)并獲取可靠的水質(zhì)分析試驗(yàn)結(jié)果。通過檢驗(yàn)后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究工程區(qū)在不同的埋深處，地下水水化學(xué)特征和代表性礦物離子演化特性及演化趨勢(shì)。結(jié)果表明：隨著埋深的增大，具氧化特征的離子（Fe3+，SO4 2-）濃度逐漸減小，而具還原特征的離子（HCO3 -）濃度則逐漸增大;在一定深度以下，各離子濃度將趨于恒定。

關(guān)鍵詞：地下水; 水化學(xué); 碳酸平衡; 總?cè)芙夤腆w; 電中性原理; 電導(dǎo)率

中圖法分類號(hào)：P342 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.022

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）06 - 0125 - 07

0 引 言

國(guó)外地下水水化學(xué)特征及演變規(guī)律方向的研究起步較早，對(duì)中國(guó)的地下水水化學(xué)特征及演變規(guī)律研究起到了借鑒和啟發(fā)作用[1]。中國(guó)較多學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究，如陳靜生[2]從水中各離子的形成和遷移轉(zhuǎn)化等方面，分析研究了各離子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律;張光輝等[3]利用同位素手段對(duì)黑河流域地下水的補(bǔ)、徑、排的時(shí)空演變特征進(jìn)行了研究;陳宗宇等[4]對(duì)中國(guó)北方地下水水化學(xué)調(diào)查成果進(jìn)行系統(tǒng)的分析統(tǒng)計(jì);郭小娟[5]利用地下水化學(xué)指標(biāo)分析法、同位素技術(shù)等手段對(duì)天津王四井鈣華的形成進(jìn)行了模擬研究。目前地下水水化學(xué)特征及演變規(guī)律研究方法日漸成熟，有水動(dòng)力學(xué)、水化學(xué)方法（包括水化學(xué)類型法、礦物飽和指數(shù)法、地球化學(xué)反應(yīng)路徑模擬等）和同位素手段。

地下水水化學(xué)分析是水電工程勘察的重要調(diào)查工作內(nèi)容，利用已有的相關(guān)試驗(yàn)資料，基于水化學(xué)理論，科學(xué)分析、論證、校核水質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果，研究地下水對(duì)地下工程的作用和影響。水中的化學(xué)成分可與工程建筑物中的鋼筋、混凝土等發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，使建筑物強(qiáng)度發(fā)生改變，影響運(yùn)行安全[6]。趙鵬[7]對(duì)龍泉地區(qū)地下水水化學(xué)進(jìn)行了分析研究，研究了該地區(qū)地下水對(duì)鐵路混凝土的化學(xué)侵蝕及環(huán)境作用;陳秋實(shí)[8]、林華鏡[9]、袁國(guó)強(qiáng)[10]從鋼筋腐蝕因素入手，探索了鋼筋混凝土腐蝕的原理;Dana VRABLíKOVá[11]通過對(duì)泉水中的化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)，探索地下水腐蝕鋼筋混凝土的原理。

本文通過采集西非凱凱（Caculo Caba?a）水電站水樣，以國(guó)內(nèi)外兩家實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，基于水化學(xué)理論，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的分析與論證，并對(duì)其進(jìn)行校核和修正，分析了地下水化學(xué)成分隨深度變化的規(guī)律，研究成果可為其他工程提供參考。

1 地質(zhì)概況

1.1 地層巖性

凱凱水電站地處馬蘭熱地壘中部，地壘兩側(cè)為基底和蓋層雙層結(jié)構(gòu)，地壘中部基底直接裸露，零星分布第四系覆蓋層?；诪榻Y(jié)晶基底，由深成變質(zhì)巖、混合巖和深熔巖（漿）組成。出露地層為下太古界（Ar1）片麻巖間夾透鏡狀斜長(zhǎng)角閃巖和下元古界（Pt1）花崗閃長(zhǎng)巖，屬于硅酸鹽地質(zhì)。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)構(gòu)造行跡主要為斷層和裂隙，區(qū)內(nèi)不發(fā)育區(qū)域性大斷層，主要為裂隙性斷層，斷層延伸長(zhǎng)度有限、寬度較小;巖體裂隙以硬性結(jié)構(gòu)面為主，多閉合狀，部分呈微張，充填鈣質(zhì)、綠泥石。經(jīng)勘探巖芯和已開挖隧洞揭示，上部埋深100 m范圍內(nèi)巖體裂隙面鐵錳質(zhì)膜較普遍，且自上而下呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì);已有隧洞開挖后發(fā)現(xiàn)，埋深大于200 m仍偶見部分裂隙面呈褐紅色鐵質(zhì)薄膜;裂隙性斷層兩側(cè)一定范圍內(nèi)裂面褐紅色鐵膜富集。

1.3 地下水補(bǔ)徑排特征及巖體滲透性

工程區(qū)地下水類型可分為孔隙水、裂隙水和斷層水?？紫端饕植加谏喜康谒南蹈采w層和基巖全強(qiáng)風(fēng)化及弱風(fēng)化巖層中，裂隙水和斷層水主要分布于弱風(fēng)化及以下微風(fēng)化-新鮮巖體中，裂隙呈不規(guī)則網(wǎng)狀。

該區(qū)地下水補(bǔ)給主要受大氣降水和地表水補(bǔ)給，下部孔隙水和斷層水接受上部孔隙水和裂隙水補(bǔ)給。一般結(jié)構(gòu)面越發(fā)育，巖體滲透性越強(qiáng)，通常在斷層帶及兩側(cè)，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，地下水容易集中分布。隧洞開挖顯示，當(dāng)遇裂隙性斷層或巖體較破碎地段時(shí)，突發(fā)涌水，并隨時(shí)間的推移，涌水量逐漸減小至枯竭。在天然狀態(tài)下，區(qū)內(nèi)地表水及地下水最終向?qū)捲优判梗瑢捲訛閰^(qū)內(nèi)地表水及地下水最低排泄基準(zhǔn)面。

2 環(huán)境水化學(xué)測(cè)試

目前，國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室對(duì)水化學(xué)測(cè)試方法略有不同[12]，為研究工程區(qū)地下水水化學(xué)、pH值、電導(dǎo)性等特性，分別在相同時(shí)段、相同部位采集了河水、沖溝水、地下水（含鉆孔水）等水樣，委托當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室和中國(guó)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)簡(jiǎn)分析。

采集水樣前，從安哥拉當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室領(lǐng)取專用取樣瓶，現(xiàn)場(chǎng)樣品采集滿足歐洲規(guī)范[13]和中國(guó)規(guī)范[14]相關(guān)要求;水樣運(yùn)輸過程中，盡可能避免樣品被暴曬，但受條件所限，無法做到低溫保存，尤其是運(yùn)至中國(guó)國(guó)內(nèi)的水樣，運(yùn)輸時(shí)長(zhǎng)近96 h，遠(yuǎn)超規(guī)范[14]所限。當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室水質(zhì)檢測(cè)執(zhí)行2011年頒布的國(guó)家第261/11號(hào)總統(tǒng)令[15]，總統(tǒng)令中指定的水質(zhì)檢測(cè)方法參考ASTM和CEN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室開展水樣檢測(cè)時(shí)，使用原子/分子吸收光譜法測(cè)定各離子含量，CO2，HCO3 -，CO3 2-采用酸堿滴定法，部分離子如Cl-采用滴定法，SO4 2-采用重量分析法，TDS采用蒸餾法，pH值和電阻率（電導(dǎo)率）采用電測(cè)法測(cè)定，當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室未進(jìn)行Na+離子檢測(cè);中國(guó)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定方法以EDTA滴定法為主，CO2，HCO3 -，CO3 2-采用酸堿滴定法，K+/Na+測(cè)定使用火焰光度法，電導(dǎo)率測(cè)試采用鉑電極電導(dǎo)率測(cè)定，pH值采用玻璃電極法測(cè)定，礦化度結(jié)果為檢測(cè)所有離子單位重量之和，為計(jì)算值。經(jīng)向兩家實(shí)驗(yàn)室求證，中國(guó)實(shí)驗(yàn)室開展水質(zhì)分析過程中，嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范要求，采用平行雙樣測(cè)定檢查結(jié)果的合理性，測(cè)試過程、測(cè)試誤差、質(zhì)量控制均滿足規(guī)范要求;當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室在試樣檢測(cè)過程中，嚴(yán)格執(zhí)行總統(tǒng)令的規(guī)定，亦進(jìn)行了平行樣測(cè)定，確保檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室和中國(guó)實(shí)驗(yàn)室開展水質(zhì)分析檢測(cè)方法不盡相同。檢查結(jié)果見表1～2。

對(duì)比兩家試驗(yàn)室水質(zhì)分析測(cè)試結(jié)果：進(jìn)廠交通洞地下水的各離子濃度、TDS為最高，其次為淺表鉆孔地下水，次之為沖溝水，河水最低;而電阻率恰好相反。對(duì)比兩家測(cè)試結(jié)果，進(jìn)廠交通洞地下水Ca2+，Mg2+，F(xiàn)e3+（Fe3++Fe2+），NH4 +，SO4 2-，pH值測(cè)試結(jié)果基本相當(dāng)，其中當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室檢測(cè)CO3 2-，HCO3 -，TDS濃度高于中國(guó)實(shí)驗(yàn)室，且當(dāng)?shù)卦囼?yàn)只檢測(cè)K+而未檢測(cè)Na+，而中國(guó)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的K++ Na+，Cl-，電阻率值高于當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室。

3 地下水測(cè)試結(jié)果校核

3.1 碳酸平衡

基于碳酸溶解原理[9]，水中無機(jī)碳的總?cè)芙鉂舛葹镠2CO3（aq），HCO3 -，HCO3 2-三者之和。3種碳酸的離解常數(shù)隨溫度變化，在不同pH條件下，3種形態(tài)的碳酸按一定比例分配，其中CO3 2-是檢查分析結(jié)果可靠性的一個(gè)標(biāo)志[16-17]。但當(dāng)pH≤pH0時(shí)，CO3 2-含量甚微，常規(guī)的分析方法不能檢出（pH0=8.34，為碳的平衡理論界線值）。

從表1，2測(cè)試結(jié)果可知，表1中HCO3 -與CO3 2-含量基本相當(dāng)，而pH值測(cè)試結(jié)果為7.0～7.4，pH<pH0=8.34，基于碳酸平衡理論，表1的pH結(jié)果與CO3 2-較高濃度之間是不符合碳酸平衡理論的，需要進(jìn)一步分析，而表2測(cè)試結(jié)果較好印證了碳酸平衡理論。

3.2 總?cè)芙夤腆w

總?cè)芙夤腆w是指水中溶解組分的總量，包括溶于水的中的離子、分子及絡(luò)合物，但不包括懸浮物和溶解氣體，常記為“TDS”。

戴樹桂[18]提出TDS可用公式粗略計(jì)算：

TDS=[Ca2++Mg2++Na++K+]+[HCO3 -+SO4 2-+Cl-]

《工程地質(zhì)手冊(cè)》[19]提到TDS為在105～110 ℃下水蒸干后留下的干涸殘余物的重量，通常測(cè)試結(jié)果為計(jì)算值。計(jì)算方法為：溶解組分（溶解氣體除外）總和減去1/2的HCO3 -。水樣蒸發(fā)過程中，約有一半（0.49）的HCO3 -變成CO2氣體跑掉，反應(yīng)式為：2 HCO3 -→ CO3 2-+H2O+CO2↑。除HCO3 -外，硝酸、硼酸、有機(jī)物等也可能損失一部分，當(dāng)pH低時(shí)，其損失量更大一些;與此相反，可能有結(jié)晶水（如石膏，CaSO4·2H2O）和部分的吸著水留在干涸殘余物里[17]。因此，常常出現(xiàn)TDS的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的微小差別。此外，國(guó)內(nèi)外的水樣蒸干溫度有時(shí)也不一樣，這樣也會(huì)引起結(jié)果的偏差。

本文采用《工程地質(zhì)手冊(cè)》中提到的方法，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，表1和表2均給出總?cè)芙夤腆w值TDS1，基于總?cè)芙夤腆w理論計(jì)算出TDS2，所有測(cè)試離子結(jié)果重量之和為TDS3，結(jié)果見表3。

根據(jù)表3可知，當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果TDS1與計(jì)算值TDS2，TDS3均不相同，為蒸餾干涸后的實(shí)測(cè)值;中國(guó)實(shí)驗(yàn)室結(jié)果TDS1為計(jì)算值，計(jì)算時(shí)未考慮HCO3-減半，因此TDS1與TDS3數(shù)據(jù)完全一致。

3.3 電中性原理

通常來講，天然水溶解各種化學(xué)物質(zhì)，變成了一個(gè)電解溶液，具有電中性的特征，即溶液中的正離子電荷總數(shù)等于負(fù)離子電荷總數(shù)，可用數(shù)學(xué)公式（1）來表示。地下水是一種復(fù)雜溶液，除常量溶解組分外，還有微量組分，因此，天然水的電中性方程，只是近似相等的方程，在實(shí)際應(yīng)用中常用式（2）中性方程檢查分析結(jié)果的誤差，E為電荷平衡誤差（%），一般來說，[E<5%]時(shí)是允許的[20]。

式中：ma，mb分別為陽離子和陰離子的摩爾濃度，Z為離子的電荷數(shù)。

∑Zma =∑Zmb （1）

式中：E為相對(duì)誤差，%;ma及mb分別為陽離子及陰離子的毫克當(dāng)量總數(shù)，L。

由表4可知，E1測(cè)試結(jié)果顯示陰陽離子電荷數(shù)嚴(yán)重失衡，且陰離子電荷數(shù)遠(yuǎn)大于陽離子電荷數(shù)，地下水離子電荷相對(duì)誤差為52.5%～59.5%，地表河水離子電荷相對(duì)誤差為27.4%～27.5%，總體相對(duì)誤差達(dá)27.4%～59.5%;E2計(jì)算結(jié)果顯示陰陽離子電荷數(shù)存在一定誤差，地下水樣陰離子電荷數(shù)多于陽離子，相對(duì)誤差8.3%～15.3%，河水陽離子電荷總數(shù)多于陰離子電荷總數(shù)，相對(duì)誤差為11.5%。

由表5可知，E值均非0，這也證明試驗(yàn)未檢測(cè)出所有的陰陽離子，測(cè)試結(jié)果均顯示陰離子電荷數(shù)多于陽離子電荷數(shù)，其中地表沖溝水和河水離子電荷相對(duì)誤差為3.3%～4.1%，地下水電荷離子相對(duì)誤差為7.2%～7.8%。

表4和表5僅對(duì)地下水主要離子濃度進(jìn)行了測(cè)試，而非水化學(xué)全分析，因此離子電荷相對(duì)誤差稍大是正常的。

3.4 電導(dǎo)率與TDS之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系

大量的統(tǒng)計(jì)資料表明，電導(dǎo)率與總?cè)芙夤腆w有較好的相關(guān)性。據(jù)Hem研究[21]，對(duì)于一般的地下水來說，TDS和電導(dǎo)率有如下關(guān)系：

TDS=K×σ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：TDS為總?cè)芙夤腆w，mg/L;σ為電導(dǎo)率，ms/cm;K為相關(guān)系數(shù)，取0.55～0.75，當(dāng)水中陰離子以HCO3 -和Cl-占優(yōu)勢(shì)時(shí)，K接近于0.55;當(dāng)SO4 2-濃度較高時(shí)，K接近0.75。

上述關(guān)系式可概略地檢查地下水測(cè)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。按照前述，將實(shí)驗(yàn)值及各計(jì)算值匯總，見表6。

3.5 測(cè)試成果分析

由前述表1和表2測(cè)試結(jié)果，所有測(cè)試水樣pH值位于7.0～7.7之間，兩家試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本一致，也符合以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，說明pH值測(cè)試結(jié)果是可信的。表1測(cè)試結(jié)果中出現(xiàn)CO3 2-與HCO3 -濃度相當(dāng)?shù)那闆r，根據(jù)碳酸平衡理論，當(dāng)pH<pH0時(shí)，分析結(jié)果中出現(xiàn)CO3 2-/ HCO3 -≈1，說明當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室測(cè)試的CO3 2-含量的結(jié)果有誤;而中國(guó)試驗(yàn)室未檢測(cè)CO3 2-，與碳酸平衡理論相符，結(jié)果是可信的。

根據(jù)工程區(qū)地下水所處地質(zhì)環(huán)境，以及礦物溶解特性，可知兩家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的離子分析可檢測(cè)出水樣中溶解的絕大部分離子;同時(shí)根據(jù)電中性原理，由表4和表5可知，按所有檢測(cè)離子計(jì)算，相對(duì)電荷誤差E1為59.5%～27.4%，且均為負(fù)電荷多于正電荷;若剔除CO3 2-，相對(duì)電荷誤差E2為8.3%～15.3%，結(jié)合前述碳酸平衡理論，再次佐證CO3 2-測(cè)試結(jié)果是有誤的。表5中各離子相對(duì)電荷誤差E為3.3%～7.8%，且均為負(fù)電荷多于正電荷，相對(duì)電荷誤差E結(jié)果說明水樣中測(cè)試是一致的。

根據(jù)前述可知，表1中TDS為實(shí)測(cè)值，表2礦化度為計(jì)算值，暫按總?cè)芙夤腆w等同礦化度。從表6可知，當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)水樣具有如下特征， TDS5> TDS1>TDS4，TDS1為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，K=σ/TDS1=0.64～0.65，位于0.55～0.75之間，符合電導(dǎo)率與TDS之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系;中國(guó)試驗(yàn)室給出的礦化度為計(jì)算值，對(duì)中國(guó)實(shí)驗(yàn)室TDS1數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，按照蒸餾后損失一半的HCO3 -計(jì)算，即為TDS2，K=σ/TDS2，其中地下水K=0.80～1.07，沖溝水及河水K=2.33～3.87，遠(yuǎn)偏離經(jīng)驗(yàn)區(qū)間值，對(duì)比兩實(shí)驗(yàn)室同類水樣HCO3-測(cè)試結(jié)果，對(duì)地下水樣而言，當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果是中國(guó)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果的2倍，而中國(guó)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試河水結(jié)果是當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果的16.5倍;對(duì)比Cl-測(cè)試結(jié)果，當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室測(cè)試顯示絕大部分低于限值<5 mg/L，而中國(guó)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果為19.99～51.4 mg/L，綜合電導(dǎo)率與TDS經(jīng)驗(yàn)關(guān)系和當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)TDS1結(jié)果，可得出中國(guó)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的部分離子與礦化度結(jié)果之間存在較大誤差，而當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室測(cè)試的水樣結(jié)果中除CO3 2-結(jié)果有誤，其余測(cè)試值基本符合水化學(xué)理論。

兩家實(shí)驗(yàn)室水樣檢測(cè)結(jié)果存在一定的差異，除試驗(yàn)測(cè)試方法不盡相同，執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)存在一定差別外，樣品采集和存儲(chǔ)亦可能引起測(cè)試結(jié)果不同，從西非項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)采集樣品到運(yùn)至中國(guó)實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)輸時(shí)長(zhǎng)近96 h，一些指標(biāo)如pH值、電導(dǎo)率、CO2要求保存時(shí)間小于24 h或12 h以內(nèi)，且要求低溫環(huán)境運(yùn)輸[14]，在實(shí)際樣品運(yùn)輸過程中，受環(huán)境條件限制，均無法滿足上述要求，這也會(huì)導(dǎo)致水樣出現(xiàn)不同程度的變質(zhì)。修正后的當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室測(cè)試成果見表7，后續(xù)以當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果為基準(zhǔn)，并對(duì)成果適當(dāng)修正后再進(jìn)行地下水特征研究。

4 地下水化學(xué)演化趨勢(shì)

工程區(qū)地表水來源為大氣降水，大氣降水主要成分及氣體為含氮化合物、碳?xì)浠衔锏?，隨水循環(huán)降落地面，鹽類成分為Na+，K+，Ca2+，Mg2+，CO3 2-，HCO3 -，SO4 2-，Cl-，但含量非常少。大氣降水是含雜質(zhì)較少、礦化度很低的軟水，且大氣降水的鹽類組成不能成為地表水及地下水鹽類組成的主要來源[16]。工程區(qū)地處非洲西南部，人煙稀少，遠(yuǎn)離工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，大氣降雨受人為活動(dòng)影響甚微。

工程區(qū)環(huán)境水可分為地表水、包氣帶水（淺表地下水）和深層地下水3種類型，地表水為沖溝水和河水，主要補(bǔ)給來源為大氣降水，少量為地下水排泄匯入;淺表地下水補(bǔ)給來源為大氣降雨及沖溝水入滲，地表水在入滲過程中，與淺表土層或基巖接觸，溶解、水解或發(fā)生生物化學(xué)作用，使淺表土層或基巖成分改變并傳輸其溶解成分向地下水中轉(zhuǎn)移。下滲水穿過包氣帶后，進(jìn)入較新鮮的巖石，下滲水主要通過巖石裂隙網(wǎng)絡(luò)、斷層、破碎帶等向下入滲，下滲速度受巖體完整性和水力比降控制，工程區(qū)屬硅酸鹽地質(zhì)環(huán)境，屬非可溶巖，且工程區(qū)附近斷裂構(gòu)造不發(fā)育，巖體完整性較好，地下水下滲速度非常緩慢，尤其是位于最低排泄基準(zhǔn)面以下的地下水，下滲過程中與周圍巖石礦物充分發(fā)生溶濾作用，即使是難溶鹽和復(fù)雜的硅酸鹽，亦可水解溶于下滲水中。

地下水化學(xué)組分是地下水與環(huán)境長(zhǎng)期相互作用的產(chǎn)物[22-23]，地下水在與周圍環(huán)境長(zhǎng)期作用的過程中形成其特有的水化學(xué)特征，在一定程度上記錄著水體賦存條件、補(bǔ)給來源、運(yùn)移等信息[24-26]。工程區(qū)屬硅酸鹽地質(zhì)環(huán)境，氯化物及硫酸鹽易溶礦物稀少，以鋁硅酸鹽礦物為主，部分為碳酸鹽礦物。選取Ca2+，F(xiàn)e3+，SO4 2-，HCO3 -代表性離子及TDS濃度，分析研究工程區(qū)地下水水化學(xué)形成與演化的水文地球化學(xué)過程，繪制隨深度變化曲線，見圖2。

為便于繪圖比較，根據(jù)數(shù)值大小對(duì)代表性離子濃度進(jìn)行了適當(dāng)放大，例如埋深120 m水樣Fe3+濃度按圖讀出的結(jié)果是8 mmol/L，檢測(cè)真實(shí)值為（8×10-3）mmol/L，即0.008 mmol/L。

由圖2可知，地表水各離子濃度及TDS均非常低，屬軟水;當(dāng)?shù)乇硭聺B，在包氣帶中發(fā)生水—巖相互作用，下滲水中游離的O2，CO2使淺表土層和地質(zhì)體發(fā)生化學(xué)變化，同時(shí)下滲水中溶濾了淺表土層和地質(zhì)體中的易溶離子，包氣帶中地下水各離子濃度及總?cè)芙夤腆w快速升高;當(dāng)下滲水穿過包氣帶，一般下滲水中游離的O2被大量消耗，F(xiàn)e3+，SO4 2-等離子濃度升高，而當(dāng)下滲水進(jìn)入較為完整的下部基巖時(shí)，隨著O2的耗盡，F(xiàn)e3+，SO4 2-等離子逐漸被稀釋，在特定的環(huán)境條件下或發(fā)生還原反應(yīng)，F(xiàn)e3+，SO4 2-等離子濃度將會(huì)降低，對(duì)于巖體富含F(xiàn)e3+，SO4 2-鹽礦物巖石環(huán)境除外。

對(duì)于HCO3 -等易存于還原環(huán)境條件，在特定的溫度、壓力等條件下，下滲水與周圍巖石發(fā)生溶解及化學(xué)發(fā)生，HCO3 -離子濃度增加，最終形成HCO3 -型地下水，尤其是位于最低排泄基準(zhǔn)面以下的基巖下滲水，運(yùn)移速度非常緩慢，因此更易形成較高濃度的HCO3 -型地下水，隨著埋深的增加，HCO3 -等離子濃度將趨于恒定。

5 結(jié) 論

本文對(duì)西非凱凱水電站環(huán)境水化學(xué)特征進(jìn)行研究，通過在同一地點(diǎn)、同一時(shí)間采集水樣送當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室和中國(guó)實(shí)驗(yàn)室分別進(jìn)行檢測(cè)。基于碳酸平衡理論、總?cè)芙夤腆w理論、電中性原理、電導(dǎo)率與總?cè)芙夤腆w經(jīng)驗(yàn)關(guān)系等方法，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)并校正，并就環(huán)境水化學(xué)代表性離子隨埋深演化特征進(jìn)行研究，結(jié)論如下：

（1） 根據(jù)水化學(xué)相關(guān)理論，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室測(cè)試的CO3 2-離子濃度有誤，中國(guó)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的礦化度與電導(dǎo)率之間相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)超經(jīng)驗(yàn)區(qū)間值，測(cè)試結(jié)果亦有誤。

（2） 利用水化學(xué)相關(guān)理論，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室CO3 2-離子濃度應(yīng)非常低，擬定CO3 2-離子濃度為0，再次驗(yàn)證，檢測(cè)結(jié)果較好滿足水化學(xué)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，修訂后成果可代表工程區(qū)的水化學(xué)特征，可用于水化學(xué)特征進(jìn)一步研究。而中國(guó)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果中TDS與電阻率關(guān)系系數(shù)遠(yuǎn)超正常值。這是因?yàn)椴杉瘶悠仿吠具\(yùn)輸時(shí)間過長(zhǎng)，且不能始終保持低溫環(huán)境。導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)較大異常，只能舍棄該結(jié)果。

（3） 根據(jù)修訂后的成果，對(duì)地下水化學(xué)演化趨勢(shì)進(jìn)行研究，工程區(qū)地下水化學(xué)基本特征為：隨深度的增加HCO3 -濃度不斷增加，到達(dá)某個(gè)深度時(shí)，HCO3 -濃度不再隨深度的增加而增大，并趨于基本穩(wěn)定;而SO4 2-離子隨著埋深的增大，SO4 2-離子濃度有緩慢變小的趨勢(shì)。

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Hydrochemical characteristics and evolution of groundwater at Caculo Cabaca Hydropower Station in West Africa

FENG Jianwei1，2，LI Lin1，2，LI Chenzhou1，2

（1. Changjiang Geotechnical Engineering Co.， Ltd.，Wuhan 430010， China; 2. National Dam Safety Engineering Technology Research Center，Wuhan? 430010， China）

Abstract： In order to studying groundwater chemical characteristics at Caculo Cabaca hydropower station in West Africa， through multiple sets of samples， water quality analysis was performed in the local laboratory and in the Chinese laboratory by chemical carbonated water balance theory and the reliable test results of water quality analysis are verified and obtained by means of hydro-chemical carbonic acid equilibrium theory， electric neutrality principle and empirical relationship between conductivity and total dissolved solids. Through the test data after check， the hydro-chemical characteristics of groundwater and the evolution characteristics and trends of representative mineral ions in different buried depths of the engineering area are studied. The results showed that with the increase of burial depth， the concentration of ions with oxidation characteristics （Fe3+， SO42-） gradually decreases， while the concentration of ions with reduction characteristics （HCO3-） gradually increases： below a certain depth， the concentration of each ion tends to be constant.

Key words： groundwater; water chemistry; carbonic acid balance; total dissolved solids; principle of electric neutrality; electrical conductivity