張 立 鄭小賀 李廣凱 楊張陽 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)有水庫大壩上萬座，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。滲漏是典型的水庫隱患，它不僅使水漏失，甚至使水庫漏空，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致大壩垮塌，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)由于滲漏問題造成的土石壩失事占全部事故的30%以上［2］，為及時(shí)排除水庫運(yùn)行過程中出現(xiàn)的安全隱患以避免水庫出現(xiàn)垮塌事故，水庫滲漏探測(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)給來源，在補(bǔ)給河流、湖泊或入滲地下的過程中，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)過程與機(jī)制上有很大的潛能［6-11］。近年來，H-O同位素示蹤由于能有效確定水體的補(bǔ)給來源與排泄關(guān)系，也已成為水庫滲漏探測(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等多個(gè)水庫滲漏探測(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，該電站上水庫出現(xiàn)幾處滲漏問題，已引起管理部門的高度重視。本研究擬對(duì)該水庫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80萬千瓦的大（I）型工程。電站由上水庫、下水庫、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作為下水庫，在大河水庫左岸櫻桃溝上游修建了上水庫（圖1（b））。

上水庫三面環(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。上水庫由混凝土面板堆石壩、上水庫進(jìn)/出水口、庫盆及其防滲系統(tǒng)構(gòu)成。上水庫流域面積為1.45 km2，總庫容為1 168.1萬立方米，發(fā)電庫容為895.11萬立方米。

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］。

上水庫為一天然庫盆，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斷層穿過上水庫溝底（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（水庫南）排水廊道、庫底廊道、隧道涵洞及壩后量水堰的滲漏水，左岸（水庫北）鉆孔及啟閉機(jī)周邊的深井井水，上水庫庫水（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月份水庫各水體的H-O同位素分布特征

如表1所示，上水庫水的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水，而庫底廊道及隧道壩后滲漏水的氧同位素值與庫水差別不大（圖2（a））。但右岸廊道滲漏水的氫同位素組成與庫水的差別小，庫底廊道005號(hào)排水孔（7號(hào)樣品）的氫同位素組成與庫水有明顯差別（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；庫底廊道與隧道壩后滲漏水的氘盈余在1～-1變化；庫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同位素特征與庫水有較大的差異。

3.2 10月份水庫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)由降水通過水庫兩岸巖體裂隙入滲補(bǔ)給而來，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月份的庫底廊道005號(hào)排水孔樣品與庫底廊道003號(hào)排水孔樣品有相似的氘盈余值，兩者都落在庫水樣品的范圍內(nèi)（圖4（b）），不過，在δ18O-δ2H關(guān)系圖上兩者差別較大：003號(hào)樣品與庫水樣品接近，而005號(hào)樣品與庫水樣品相距較遠(yuǎn)（圖4（a））。庫底廊道排水孔樣品應(yīng)當(dāng)來自庫水滲漏，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自庫水滲漏。總之，10月份期間，鉆孔井水與右岸廊道排水洞滲漏水不是庫水的側(cè)向滲漏，而分別是不同時(shí)期的降水入滲補(bǔ)給，其它水體與庫水關(guān)系密切，或者說由庫水滲漏所致。

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)給來源存在差異。如圖4（c）所示，這兩個(gè)月份的水樣看起來都落在同一條蒸發(fā)線上，似乎有相似的補(bǔ)給來源。假定這一結(jié)論成立，可通過所謂的蒸發(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自庫水滲漏補(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論在δ18O、δ2H還是在氘盈余上都接近，而與庫水樣差別明顯（圖4（c）、（d）），表明這兩個(gè)點(diǎn)的滲漏水有相同的來源但與庫水無關(guān)。9月份，除了左岸鉆孔外，庫水、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自庫水的滲漏。

總體上不同月份水庫中滲漏水的補(bǔ)給來源有一定的變動(dòng)。這種變動(dòng)與水庫區(qū)域的氣象水文、庫區(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

本文對(duì)泰山抽水蓄能電站水庫區(qū)域各類水體（庫水、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。總體上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自庫水滲漏，而其它滲漏水與庫水關(guān)系密切。9月份，左岸鉆井水不是庫水滲漏，而壩后量水堰、右岸排水廊道滲漏水與庫水關(guān)系密切。7月份，右岸排水廊道滲漏水與庫水關(guān)系密切。

庫水滲漏隨月份發(fā)生明顯變化。這可能與不同月份庫水位和氣候水文條件密切相關(guān)。因此，按月份圈定庫水滲漏區(qū)域是指導(dǎo)水庫滲漏修行之有效的策略。本研究成果對(duì)深入理解電站水庫區(qū)域的水循環(huán)有重要的理論價(jià)值，對(duì)水庫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)確定水庫的滲漏區(qū)域，為水庫滲漏全面修復(fù)提供依據(jù)。