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1、文章编号:100722284(2004)1220110204水化学分析方法在水电工程勘探中的应用韩冬梅,梁 杏,张晓伦(中国地质大学环境学院,湖北 武汉 430074)摘 要:水电工程有限的勘察及水文地质钻探仅能获取少量水文地质信息,而在工程勘察特别是平硐中,易取得出水点的水样,通过水化学分析可以获得更多的水文地质资料。通过对四川省自一里水电站平硐出水点水化学样的系列采集和测试,运用水化学成分离子比例分析法、灰色关联分析法和D、18O同位素分析法等多种方法提取了平硐区水文地质信息,分析了山区平硐裂隙水的来源、补给高度及岩层渗透性等水文地质特征,探讨了水化学分析方法在分析水电工程水文地质条件中的
2、应用。关键词:水电站;水化学分析;离子比例分析;灰色关联分析;同位素分析 中图分类号:P64 文献标识码:BApplication of Hydrochemistry Components Analysis to Engineering SurveyHAN Dong2mei,LIANG Xing,ZHANG Xiao2lun(School of Environmental Studies,China University of Geosciences,Wuhan City 430074,Hubei Province,China)Abstract:Since little hydrogeolog
3、ical information can be obtained from limited hydrogeological drilling and hydropower engineering survey.In the engineering geological investigation,especially in the adits,water sampling is readily available and more information can be obtainedfrom hydrochemical analysis of water samples.In this pa
4、per,a series of water samples have been sampled and measured.Morehydrogeological information about the source of fractural water,recharge altitude and the penetrability of terranes has been gained by ionsratio analysis,gray relation analysis and D&18O isotopes analysis.The hydrochemical analysis is
5、available to hydrogeological analysis in thehydropower engineering.Keywords:hydropower engineering;hydrochemistry components;ions ratio method;grey relation analysis;isotopes analysis 赋存于岩土中的地下水是地球表层系统中最活跃的环境因子之一。在地下水运动过程中与周围地质体发生离子交换、吸附解吸、氧化还原、溶解沉淀及成络作用等1各种复杂的相互作用,地下水记录了赋存区气象、流经途径的地质条件、水文地质条件等环境信息。
6、通过水化学资料分析,不仅能得出地下水水质的时空分布特点2,还可以提取有关地下水赋存环境、渗流途径、循环深度、质量能量交换等地质环境3与水动力条件4的重要信息,因而水化学成分分析法的使用是分析水文地质条件的重要途径。1 研究区概况自一里水电站是四川省北部(见图1)火溪河梯级开发的第收稿日期:2004203213作者简介:韩冬梅(19782),女,硕士研究生。二级。水电站区域属中高山峡谷地貌,火溪河在厂址区流向S45ES62E,在厂址区下游约1 km转向S45ES62E,河谷高程1 450 m,右岸发育有打雷沟、柴呷里沟、柴呷里下沟,左岸有南一里沟等,谷坡坡度一般40 50。沟内常年有水,流量较大
7、,火溪河的汇水范围地形高程为2 0003 000m。厂址位于自一里村,距离闸址9.8 km。地下厂房洞室布置在右岸,气垫式调压室设计高程1 720 m。厂址区属中亚热带湿润性季风气候区,年平均降水量为723 mm,年均气温为8.6。研究区内地层主要发育印支期花岗岩夹变质砂岩捕虏体,地下水类型为松散覆盖层中孔隙潜水和基岩裂隙水2种,均接受大气降水补给。基岩岩体赋水性或储水条件主要受风化、卸荷和构造裂隙控制。区内花岗岩裂隙水主要赋存于风化裂隙和成岩裂隙中,变质砂岩裂隙水主要赋存于构造裂隙中。孔隙水主要赋存于坡、残积物和河岸带的冲积层中。011中国农村水利水电2004年第12期12印支期花岗岩 22
8、震旦系变质石英砂岩 32第四纪堆积物42泥盆系板岩、变质泥质灰岩 52水样点及编号 62平硐及编号72地下水流向 82实测、推测界线 92厂址区渗流场研究区图1 自一里水电站厂址区地质背景条件自一里水电站厂房(调压室)位于火溪河右岸,勘探平硐有高层平硐P6、中层平硐P7和低层平硐P5和P4,高程分别为2 000、1 694、1 573和1 569 m,硐深分别为112.6、598.4、420.8和215.0 m。为查明厂房水文地质条件,调查岩体裂隙发育状况、地下水来源及补给高程和不同水体的水化学特征等,根据平硐出水点情况进行了离子比例分析法、统计分析法和同位素分析法等多种研究,试图解决水文地质
9、条件问题。2 分析方法 平硐揭露有花岗岩、花岗岩和变质石英砂岩的接触带及变质石英砂岩,中高层平硐以花岗岩为主,而低层平硐含砂岩捕虏体较多,沿硐深有淋水、滴水等出水点。通过采集研究区内地表水、河沟水和平硐出水点水系列水化学样,并进行常规水化学成分分析和D、18O同位素测试,获取了平硐地下水水化学资料。详细水化学分析和同位素测试结果见表1、表2。地表水水温多数小于14,pH值偏高,一般在8.5以上。地下水主要是指平硐水,即在平硐中不同硐深处所采取的流水或滴水。主要测试化学成分(Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO23、SO224、Cl2)及矿化度等。2.1 水化学成分与离子比例分析该区地表水和
10、地下水的阳离子大多以Ca2+为主,阴离子以HCO23为主,Cl2和SO224含量较低。水化学类型方面,水样多为HCO3-Ca型水,接近表层风化裂隙带的地下水水化学类型多为HCO3SO4-Ca型水(G1、G4、G8和G12)。地下水的TDS的变化范围是53185 mg/L,水样pH值7.58.2。地下水TDS在高层平硐较低,过渡到低层平硐偏高。G11和G12接近排泄带,各离子浓度也相对较高。地表水的TDS总体上都不高,尤其是S13和S14(分别采自柴呷里下沟和南一里沟)的TDS与降水P19接近。从阳离子含量变化曲线(见图2)可看出,Na+、K+含量变化趋势一致,在地下水中的含量明显大于地表水,在
11、高层平硐中含量低于低层平硐。表1 研究区降水、地表水与平硐地下水水化学分析结果mg/L类型位置编号温度/pHNa+含量K+含量Mg2+含量Ca2+含量F2含量Cl2含量SO224含量HCO23含量TDS地下水高层平硐G16.98.13.2981.3181.39810.3270.0272.05413.50142.71053G26.28.212.2761.0231.58027.4621.1451.02110.80676.89084G36.18.52.8971.1621.39021.0750.8401.24811.79442.71062中层平硐G49.48.142.8961.3471.53318.7
12、290.1370.77212.67461.02069G510.87.789.5603.0694.66255.929-1.54725.079170.860185G611.57.57.0940.6793.17728.359-1.0726.111164.750129G711.17.486.2900.9243.24135.8114.5411.19713.182140.350135低层平硐G810.68.13.9291.8202.87842.1710.1430.71526.717115.940136G911.68.383.2921.5212.68630.8322.0591.03318.504109.84
13、0115G1012.18.185.9491.3702.94339.1750.3880.97119.007113.500127G1110.18.024.1352.4603.92146.1391.3483.88620.24691.530128G1210.38.144.2982.5443.54427.2020.8572.49521.41864.68095地表水S1310.58.681.4730.8411.1775.7970.5020.7567.67736.61037S1414.28.451.2650.7991.2189.7710.4130.4345.52053.70046S1512.48.810.8
14、01-3.59437.6650.0330.42515.816134.240125S1611.08.50.8930.4774.34144.1220.0300.50717.446134.240135S1714.28.561.7491.0405.31724.2240.0740.30027.24485.430103S186.78.630.6840.2057.70234.5380.0810.4148.173125.700115降水P19-8.730.8071.2550.5457.6350.0160.9433.02948.82039111水化学分析方法在水电工程勘探中的应用 韩冬梅 梁 杏 张晓伦表2 利
15、用18O同位素计算平硐水源点的补给高程水样编号平硐取样深度/m取样高程/mD含量/18O含量/补给高程/m水样编号平硐取样深度/m取样高程/mD含量/18O含量/补给高程/mG11HP4-0+1301 569.47-68.0-8.492 223G1HP6-0+652 000-61.0-8.332 190G12HP4-0+1601 569.47-74.7-9.782 491G2HP6-0+902 000-65.6-8.262 175G8HP5-0+2501 573.00-68.4-9.272 385G4HP7-0+1911 694-72.6-9.522 437G10HP5-220+1951 57
16、3.00-66.5-8.902 309G5HP7-0+3951 694-81.7-10.772 697G9HP5-220+961 573.00-66.9-8.542 234G7HP7-0+5951 694-84.9-10.712 685G3HP6-0+1052 000.00-63.5-8.182 159G6P7支35号声波孔1 694-85.3-11.042 753 离子比例分析法(简称离子比法)是指利用水化学成分中,2个组分或一个2分与几个组分之间的比值来研究某些水文地质化学问题。在这种水化学类型相似,TDS变化较小的水样中,用离子比例分析法可反映出水样的差异性(见图3)。将研究区的水化学样
17、进行阳离子、Ca2+/Na+和Ca2+/Mg2+计算分析,发现研究区降水和地表水的Ca2+/Na+远远大于地下水,Ca2+/Mg2+总体上是地表水低于地下水。中层平硐出水点径流方向上花岗岩岩性较为均一,Ca2+/Na+最小;低层平硐出水点径流方向上砂岩捕虏体比较连续,Ca2+/Na+相对较高;Ca2+/Mg2+在地下水中砂岩及接触带处又低于花岗岩出漏的水。G2的Ca2+/Na+相对偏高,与表层风化裂隙带沟通较好,地下水径流较快。图2 阳离子含量曲线图3 离子比例曲线2.2 灰色关联分析灰色关联分析是用来分析判断系统中主行为因子与相关行为因子的关系密切程度(这里指样本参数的相似程度)。为确定不同
18、水样与水体之间的相互联系程度,利用研究区19个水样的宏量组分含量资料(HCO23、SO224、Cl2、Ca2+、Mg2+、K+、Na+)进行了灰色关联分析5。相关因素行为数据见表1,综合灰色关联度分析结果见表3。采自径流区的地下水样G4与排泄区地表水样S13相关程度较好,关联度达0.867,表明从中层平硐到柴呷里下沟的径流条件较好,流速快;取自南一里沟的地表水S14和降水P19的关联度达0.90,说明南一里沟的地表水以接受降水补给为主;低层平硐地下水样G9与打雷沟地表水样S17的关联度为0.875,说明低层平硐地下水与打雷沟地表水之间水力联系密切。灰色关联度分析总体上反映出火溪河右岸的地下水水
19、化学类型在径流方向上受岩体风化程度强弱影响而与地表水有着不同程度的联系。这与从主要离子含量曲线分析得出的结论是一致的。2.3D、18O同位素法在同位素水文地质研究中,常常借助于研究区内大气降水的同位素高度效应,推测地下水补给区的高程和地下水来源6。根据18O同位素分析结果,建立研究范围汇水区降水高程效应方程:H=-207.93M+457.93式中:H为降水高程(计算水源点补给高程),m;M为测点同位素18O的含量,。同理,也可以选择D同位素进行高程效应分析,计算平硐裂隙水的补给高程(见表2)。入渗到花岗岩和变质砂岩中的地下水,主要沿接触带裂隙和构造裂隙运动,受透镜体分布和不同规模的构造裂隙不均
20、匀性发育的控制,裂隙水在平硐中运动途径、速度和量的大小亦不同。表3 灰色关联度分析结果水样G1G2G3G4G5G6G7G8G9G10G11G12S130.8520.7630.8580.8670.7300.7570.7810.7430.7430.7750.7920.802S140.7610.8810.8390.8410.6850.7130.7270.8050.8290.7320.7840.781S150.5790.6880.6010.6290.7670.7270.7310.7610.7380.7030.7230.645S160.5770.6850.5990.6260.7670.7190.7240
21、.7540.7320.6970.7170.641S170.6390.8490.6810.7300.7400.7890.7970.8410.8750.8220.8490.745S180.5830.6960.6060.6350.7470.7420.7460.7760.7500.7160.7360.654P190.7600.8000.8140.7820.6470.6710.6810.7360.7550.6880.7230.733211水化学分析方法在水电工程勘探中的应用 韩冬梅 梁 杏 张晓伦3 分析结果在综合应用几种分析方法的基础上结合地质背景条件(图1),对调压室厂房裂隙水的水文地质条件得出如下
22、结论:(1)高、中、低层平硐地下水宏量组分的分析反映了地下水的水化学特征是随硐深与平硐揭露的岩性变化、裂隙发育特征、地下水交替快慢程度和水岩相互作用过程而变化。从地下水系统的角度总体来说,受地形地貌及区域构造的控制,火溪河右岸厂址区平硐所采水样点是属同一渗流系统,且通过水化学组分、离子比值及离子浓度变化曲线所反映的趋势分析,得出地下水化学组分在径流方向上反映出流场中岩性的变化及裂隙发育规律等。(2)由同位素测试及计算结果来看,平硐地下水的补给高度为2 1592 753 m,受风化裂隙与构造裂隙发育控制,硐深愈大相对补给高度愈大,反之愈小。这对水的来源界定起到了很重要的作用。(3)所采水样有地下
23、水、地表水和雨水,所以水样分析结果从一定程度上可以说明地下水与地表水的水力联系,为后期的厂址区裂隙渗透性模拟提供定性的依据。此外,从最长平硐P7的水化学变化来看,较深处的出水点主要受构造大裂隙控制,是HCO3-Ca型水;中部出水点处为花岗岩和变质砂岩的接触带,为HCO3-Ca型水,HCO23含量达170.86 mg/L,较同一平硐中采的其他水样都高;硐深较浅部的出水点为HCO3SO4-Ca型水,处于浅表风化裂隙水循环带(浅层局部裂隙水系统)。总体上TDS偏低,反映出地下水的径流条件和地表、地下水的流程长短及裂隙发育规律。4 结 语通过水化学成分分析方法在自一里水电站平硐水文地质条件分析中的应用
24、,得出以下几点结论。(1)水化学成分和离子分析法主要结合裂隙测量资料来分析水化学成分及水化学类型和TDS在空间上的变化规律,揭示出出水点径流方向上岩性变化特点及地下水径流条件的好坏,还可区别出不同水型的特征。(2)灰色关联分析结果显示,火溪河右岸的地下水水化学类型在径流方向上受岩体风化程度强弱影响,与地表水有着不同程度的联系。(3)D、18O同位素法是根据同位素资料综合分析,揭示自一里水电站火溪河右岸地下水的补给条件和补给高度。在研究区这种典型的山区地质条件下,在平硐地质调查与裂隙测量等工作基础上,结合平硐出水点的分布、水化学成分和同位素特征进行综合分析,是可以得出平硐裂隙水的补给、径流与排泄
25、条件的,而这种综合分析方法在水文地质勘察缺乏的情况下,对分析山地水文地质条件尤为重要。参 考 文 献1 沈照理.水文地球化学基础M.北京:地质出版社,1985.2TothJ.Groundwater as a geological agent:an overview of the causes,process,and manifestationsJ.HydrogeologyJournal,1999,(7):1-14.3Mazor E,Drever J I,Finley J,et al.Hydrochemical implications ofgroundwater mixing:an examp
26、le from the southern Laramie Basin,WyomingJ.Water Resources Research,1993,29(1):193-205.4Wang Y,Ma T,Luo Z.Geo2statistical and geochemical analysis ofsurface water leakage into groundwater on a regional scale:a casestudy in the liulin karst system,Northwestern ChinaJ.Journal ofHydrology,2001,246:223
27、-234.5 刘思峰,郭天榜,党耀国.灰色系统理论及其应用 M.北京:科学出版社,1999:70-74.6 王恒纯.同位素水文地质概论 M.北京:地质出版社,1991:44-53.(上接第109页)图形和出库水量图形,便于分析考核结果。点击报表显示按钮,可显示查询7个电站中任一电站计算年份或历史年份的考核结果,也可查询计算年份或历史年份的各月入库流量、出库流量、发电流量、计算电量、考核电量等。如果点击查询7个电站全部计算结果,可以调用7个电站的报表显示功能,本软件根据生产单位的要求,设计了各类报表,与生产单位实际工作中一贯采用的报表相同,方便日常工作使用。3.6 出力过程查询输入或选择年份后,
28、可查询该年份该电站的计算出力过程,以表格和图形2种形式同时给出。4 结 语(1)研究中对2000年和2001年进行了计算,龙羊峡电站在这2年的考核电量均大于实际发电量,节水增发电均为负值,与生产实际情况相符合,是合理可行的。(2)采用Delphi可视化开发工具,开发了龙羊峡增发电考核软件,以友善的人机对话方式实现数据的输入和输出,实现考核电量计算。(3)考核结果以图形、表格、报表多种形式直观地展现出来,在查询系统中,可方便查询计算成果,以指导生产实际。(4)本考核软件可根据预测的来水过程,获得预测年份的考核调度结果,即梯级的出水过程、发电量、水能利用提高率等指标,为电网的调度提供依据。(5)软件操作灵活、使用方便,已投入试运行,在使用过程中,根据运行情况,可不断完善软件,使软件更趋合理化。参考文献1 李学贵.葛洲坝水电站节水增发电量考核计算J.华中电力,1997,10(5):64-66.2 赵永生,赵遵廉,纪昌明.水电厂水能利用提高率考核问题探讨J.武汉水利电力大学学报,2001,2(33):40-43.3 周建峰.关于水能利用提高率计算办法的讨论J.云南水力发电,1994,(4):63-65.4 刘俊萍,黄 强.多年调节水电站节水增发电量考核计算方法研究J.西安理工大学学报,2002,(4):330-334.311水化学分析方法在水电工程勘探中的应用 韩冬梅 梁 杏 张晓伦